Laser-Oberflächenbehandlungstechnologie

Laserhärten

Das Laserhärten ist eine der Lösungen für die Bearbeitung hochbeanspruchter komplexer Bauteile. Dadurch können Bauteile mit hohem Verschleiß wie Nockenwellen und Biegewerkzeuge einer höheren Belastung ausgesetzt und ihre Lebensdauer verlängert werden.

Sein Prinzip besteht darin, die Kohlenstoffatome im Metallgitter (Austenit) neu anzuordnen und dann der Laserstrahl die Oberfläche entlang der Vorschubrichtung gleichmäßig zu erhitzen. Während sich der Laserstrahl bewegt, kühlt das umgebende Material schnell ab und das Metallgitter kann nicht in seine ursprüngliche Form zurückkehren, wodurch Martensit entsteht, was die Härte deutlich erhöht. Die durch Laserhärten erreichte Einhärtetiefe der äußeren Schicht aus Kohlenstoffstahl beträgt normalerweise 0,1-1,5 mm und kann bei einigen Materialien 2,5 mm oder mehr betragen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Abschreckmethoden bietet es folgende Vorteile:
1. Der gezielte Wärmeeintrag ist lokal begrenzt, sodass es bei der Bearbeitung nahezu zu keinem Bauteilverzug kommt. Nacharbeitskosten werden reduziert oder entfallen sogar ganz;
2. Es kann auch auf komplexen geometrischen Oberflächen und Präzisionsteilen gehärtet werden und eine präzise Härtung lokal begrenzter Funktionsoberflächen erreichen, die mit herkömmlichen Abschreckmethoden nicht abgeschreckt werden können.
3. Keine Verzerrung. Bei herkömmlichen Härteverfahren kommt es zu Verformungen durch höheren Energieeintrag und Abschrecken, bei Laserhärteverfahren lässt sich der Wärmeeintrag dank Lasertechnik und Temperaturführung jedoch präzise steuern. Die Komponenten bleiben nahezu im Originalzustand;
4. Die Härtegeometrie des Teils kann schnell „on the fly“ geändert werden. Das bedeutet, dass kein Umbau der Optik/des gesamten Systems erforderlich ist.

Lasertexturierung

Die Lasertexturierung ist eine der Prozessmethoden zur Oberflächenmodifizierung metallischer Werkstoffe. Beim Strukturierungsprozess erzeugt der Laser regelmäßig angeordnete geometrische Formen in Schichten oder Substraten, um technische Eigenschaften gezielt zu verändern und neue Funktionalitäten zu entwickeln. Bei dem Verfahren werden Laserstrahlung, in der Regel Kurzpulslaser, eingesetzt, um regelmäßig angeordnete geometrische Formen auf einer Oberfläche wiederholbar zu erzeugen. Der Laserstrahl schmilzt das Material kontrolliert auf und verfestigt sich bei entsprechender Prozessführung zu einer definierten Struktur.

Bunte Laser-Oberflächenbehandlung

Das Laserhärten wird üblicherweise bei der farbigen Laseroberflächenbehandlung verwendet, die auch als Laserfarbmarkierung bezeichnet wird. Das Verfahrensprinzip besteht darin, dass beim Erhitzen des Materials durch den Laser das Metall lokal auf etwas unter seinen Schmelzpunkt erhitzt wird. Unter geeigneten Prozessparametern ändert sich zu diesem Zeitpunkt die Struktur des Angusses; Auf der Oberfläche des Werkstücks bildet sich eine Oxidschicht, die dem Licht ausgesetzt wird. Bei der Bestrahlung entstehen zu diesem Zeitpunkt durch die Interferenz des einfallenden Lichts verschiedene Anlauffarben. Die auf der Oberfläche erzeugte Phantommarkierungsschicht verändert sich bei unterschiedlichen Betrachtungswinkeln und auch die Markierungsmuster verändern sich in verschiedenen Farben. Farbe.

Diese Farben sind bis ca. 200 Grad temperaturstabil. Bei höheren Temperaturen kehrt das Tor in seinen ursprünglichen Zustand zurück – die Markierung verschwindet. Die Oberflächenqualität bleibt erhalten. Es bietet ein hohes Maß an Sicherheit und Rückverfolgbarkeit bei Fälschungsschutzanwendungen. Es wird seit langem in der Medizintechnik eingesetzt und eignet sich neben der neuartigen Schwarzmarkierung mit Ultrakurzpulslasern auch hervorragend zur Produktkennzeichnung und damit zur eindeutigen Rückverfolgbarkeit gemäß UDI-Richtlinien.

Laserauftragschweißen

Es handelt sich um ein additives Fertigungsverfahren, das für Metall- und Cermet-Hybridmaterialien geeignet ist. Auf diese Weise können Sie geometrische 3D-Formen erstellen oder ändern. Mit dieser Fertigungsmethode kann der Laser auch Reparaturen oder Beschichtungen durchführen. Daher wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie die additive Fertigung zur Reparatur von Turbinenschaufeln eingesetzt. Im Werkzeug- und Formenbau können rissige oder verschlissene Kanten und Funktionsflächen repariert oder sogar teilweise gepanzert werden. Zum Schutz vor Verschleiß und Korrosion werden in der Energietechnik oder der Petrochemie Lagerstellen, Rollen oder Hydraulikkomponenten beschichtet. Und auch im Automobilbau kommt die additive Fertigung zum Einsatz. Hier wurden zahlreiche Komponenten verbessert. Beim konventionellen Laser-Metallauftragschweißen erhitzt der Laserstrahl das Werkstück zunächst lokal und bildet dann ein Schmelzbad. Aus der Düse des Laserbearbeitungskopfes wird dann feines Metallpulver direkt in das Schmelzbad gesprüht. Beim Hochgeschwindigkeitslaser-Metallauftragschweißen werden die Pulverpartikel knapp über der Substratoberfläche nahezu auf Schmelztemperatur erhitzt. Daher ist weniger Zeit zum Schmelzen der Pulverpartikel erforderlich. Wirkung: Prozessgeschwindigkeit deutlich verbessern. Aufgrund der geringeren thermischen Effekte können auch sehr wärmeempfindliche Materialien wie Aluminiumlegierungen und Gusseisenlegierungen durch Hochgeschwindigkeitslaser-Metallauftragschweißen beschichtet werden. Mit dem HS-LMD-Verfahren können sehr hohe Oberflächengeschwindigkeiten von bis zu 1500 cm²/min auf rotationssymmetrischen Oberflächen erzeugt werden. Gleichzeitig werden Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu mehreren hundert Metern pro Minute erreicht. Reparieren Sie teure Teile oder Formen schnell und einfach mit der Laser-Pulverlaser-Metallbeschichtung. Große und kleine Schäden können schnell und nahezu spurlos repariert werden. Das Design kann auch geändert werden. Das spart Zeit, Energie und Material. Gerade bei teuren Metallen wie Nickel oder Titan lohnt es sich durchaus. Typische Anwendungsbeispiele sind Turbinenschaufeln, verschiedene Kolben, Ventile, Wellen oder Formen.

Laser-Wärmebehandlung

Tausende winzige Laser (VCSELs) sind auf einem einzigen Chip montiert. Jeder Sender ist mit 56 dieser Chips ausgestattet, ein Modul besteht aus mehreren Sendern. Eine rechteckige Strahlungszone kann Millionen winziger Laser enthalten und mehrere Kilowatt Infrarotlaserleistung abgeben. Der VCSEL erzeugt über einen großen, gerichteten rechteckigen Strahlquerschnitt einen Nahinfrarotstrahl mit einer Strahlungsintensität von 100 W/cm². Grundsätzlich eignet sich diese Technologie für alle industriellen Prozesse, die eine äußerst präzise Oberflächen- und Temperaturkontrolle erfordern. Das Laser-Wärmebehandlungsmodul eignet sich besonders für großflächige Erwärmungsanwendungen, die höchste Präzision und Flexibilität erfordern. Im Vergleich zu herkömmlichen Heizmethoden bietet dieses neue Heizverfahren eine höhere Flexibilität, Genauigkeit und Kosteneinsparungen.

Mit dieser Technologie können beutelförmige Batterieblätter versiegelt werden, um Faltenbildung in der Aluminiumfolie zu verhindern und so die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Es kann auch in Anwendungen wie dem Trocknen von Aluminiumfolie für Batterien, lichtbenetzenden Solarmodulen und der präzisen Bearbeitung von zu erwärmenden Bereichen auf bestimmten Materialien wie Stahl- und Siliziumwafern eingesetzt werden.

Laserpolieren

Der Mechanismus der Laserpoliertechnologie besteht im oberflächennahen Schmelzen und Überschmelzen der Oberfläche, was auf dem Oberflächenumschmelzen und Wiederverfestigen der laserumgeschmolzenen Schicht beruht. Wenn eine Metalloberfläche mit einem ausreichend energiereichen Laser bestrahlt wird, erfährt die Oberfläche ein gewisses Maß an Umschmelzen, Umverteilung sowie Oberflächenzugspannung und Schwerkraft, wodurch vor der Erstarrung eine glatte Oberfläche entsteht. Die Gesamtdicke der geschmolzenen Schicht ist geringer als die Höhe vom Tal bis zum Scheitel, sodass das gesamte geschmolzene Metall die nahegelegenen Täler füllen kann. Die treibende Kraft für diese Füllung wird durch den Kapillareffekt erreicht, während eine dickere geschmolzene Schicht flüssiges Metall fördert. Die treibende Kraft für das Fließen aus der Mitte des geschmolzenen Pools nach außen ist der Thermokapillar- oder Marconi-Effekt, der es umverteilt.

Laser-Kugelstrahlen / Laser-Schockverstärkung

Beim Laserstoßstrahlen, auch Laserstrahlen genannt, wird die Oberfläche von Metallteilen mit hochenergetischem, hochfokussiertem Kurzpulslaser (λ=1053nm) bestrahlt, und das Oberflächenmetall (oder die Absorptionsschicht) wird sofort sichtbar gebildet unter der Wirkung eines Lasers mit hoher Leistungsdichte. Das Plasma explodiert und die Explosionsstoßwelle wird unter den Zwängen der Zwängungsschicht auf das Innere des Metallteils übertragen, wodurch die Oberflächenkörner einer plastischen Druckverformung unterzogen werden und Oberflächenverstärkungseffekte wie Restdruckspannung und Kornverfeinerung erzielt werden dickere Oberfläche des Teils. Im Vergleich zum herkömmlichen mechanischen Kugelstrahlen bietet es folgende Vorteile:

1. Starke Direktionalität: Der Laser wirkt in einem kontrollierbaren Winkel mit hoher Energieumwandlungseffizienz auf die Metalloberfläche, während der Auftreffwinkel mechanischer Projektile zufällig ist.
2. Große Kraft: Der durch Laser-Kugelstrahlen und Plasmastrahlen erzeugte Momentandruck beträgt mehrere GPa; hohe Leistungsdichte: Die Spitzenleistungsdichte des Laserschocks erreicht mehrere bis zehn GW/cm2;
3. Gute Oberflächenintegrität: Der Laserschock hat nahezu keinen Sputtereffekt auf der Oberfläche, während nach dem mechanischen Kugelstrahlen die Oberflächenmorphologie beschädigt wird und es zu Spannungskonzentrationen kommt. Der maximale Druckspannungswert nach dem Lasereinschlag ist besser, die Oberflächeneigendruckspannung wird um etwa 40 bis 50 % erhöht und die Ermüdungslebensdauer, die Hochtemperaturbeständigkeit, die Biegeumformung und andere damit verbundene Indikatoren des Werkstücks werden deutlich verbessert. Es wird in der Oberflächenbehandlung von Flugzeugen, Flugzeugtriebwerken und anderen Bereichen eingesetzt.