Metallbearbeitung: Strahldiagnose steigert Effizienz

„Messen statt hoffen“ spart Zeit und Geld bei der Wärmebehandlung von Stahl mittels Laserstrahlung
 
In den vergangenen Jahren setzte sich die Lasertechnik bei der wärmeinduzierten Oberflächenbehandlung von hochlegierten Stählen immer mehr durch. Sie löste in vielen Anwendungen große Öfen ab, in denen die kompletten Maschinenkomponenten erhitzt werden mussten. Die Vorteile der Laser liegen klar auf der Hand: Bauteile lassen sich damit – sowohl hinsichtlich der Fläche als auch der Eindringtiefe – sehr definiert bearbeiten. Dadurch wird insgesamt wesentlich weniger Energie aufgewendet und die Materialeigenschaften können individuell festgelegt werden. Um sich die positiven Aspekte dieser Bearbeitungsmethode langfristig zu sichern, sollte man allerdings das Strahlprofil regelmäßig überprüfen. Was es dabei zu beachten gilt und warum diese Messungen Kosten in signifikanter Höhe einsparen, zeigt das folgende Anwendungsbeispiel aus der Fertigung von Lokomotivmotoren.

 

Der Hersteller von Zylindern für Lokomotivmotoren nutzt einen Laser mit einer gleichmäßigen Rechteckverteilung (top hat) zur wärmeinduzierten Oberflächenbehandlung. Er erzielt damit eine lokale, aber sehr gleichmäßige und vollständige Erwärmung. Doch was passiert, wenn sich die Strahlintensität ändert? Im schlimmsten Fall liefert die Wärmebehandlung ungleichmäßige Ergebnisse, die – werden die Zylinder nicht schon im Produktionsprozess aussortiert – zu einem Motorschaden der Lokomotive führen könnten. Um dieses teure Worst Case-Szenario zu verhindern, entschied sich der Hersteller dazu, den Laser regelmäßig zu vermessen und dessen Strahlprofil zu analysieren.
 
Spezifikationen kennen und prüfen
Das Unternehmen setzt dabei auf die Ophir-Spiricon Beamgage Software. Das System vermisst den Laserstrahl und stellt dessen Strahlprofil grafisch dar. Darüber hinaus setzt es die Ausgangleistung des Lasers in Relation zum Strahlprofil und zeigt damit direkt die Leistungsdichte des Laserstrahls pro cm2 an. Diesem Wert kommt eine besondere Bedeutung zu: Entspricht die Leistungsdichte nicht dem erforderlichen Wert, dringt die Wärme des Laserstrahls nicht tief genug in das Zylindermaterial – einem speziellen Verbund aus hochfestem Stahl – ein. Damit wird nicht die gewünschte Veränderung der Gefügekörnung bewirkt, was zu einem vorzeitigen Versagen des fertigen Zylinders führen kann.
 
In unserem Beispiel wurde die BeamGage Software an der gemessenen Ausgangsleistung des Lasers von 6 KW kalibriert. Für diese Anwendung liefert der Laserstrahl auf der Bearbeitungsebene 1330 W/cm2 und ist von einer Seite zur anderen sehr homogen, eine wesentliche Forderung bei einer wärmeinduzierten Oberflächenbehandlung.
 
Äußere Einflüsse auf die Strahlqualität
Ein anderer Aspekt bei der Wärmebehandlung mittels Laser betrifft die Strahlführungs- und Strahlformungsoptiken. Befinden sich diese in einer Reinraumumgebung lassen sich Effekte durch Verschmutzung vernachlässigen. Werden die Maschinenteile, wie in unserem Fall gegeben, in einer Gießerei-Umgebung wärmebehandelt, müssen die Optiken hingegen regelmäßig gereinigt werden. Hier befinden sich zahlreiche Schmutzpartikel in der Luft, die sich insbesondere auf dem Schutzglas absetzen. Dadurch wird der Strahl in der Regel breiter und die Leistung auf der Bearbeitungsebene nimmt ab. Diese Auswirkungen lassen sich am vorliegenden Beispiel deutlich ablesen: Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die Analyse des Laserstrahls durch die BeamGage Software vor bzw. nach der Reinigung des Schutzglases.
 
In Abbildung 1 wurde der Strahl mit einem Schutzglas vermessen, das seit einigen Tagen nicht gereinigt wurde. Die Oberseite des Strahls weist eine unregelmäßige Intensität auf und das Profil unterscheidet sich in der x- und y-Achse. Da sich die Optik im Prozess bewegt, unterscheiden sich die Ergebnisse der Wärmebehandlung bei einer Bewegung in Richtung x deutlich von einer Bewegung in Richtung y. Das Ergebnis des Prozesses wäre somit nicht gleichbleibend gut. Die Konsequenz: Bevor sich die Strahlqualität so stark verschlechtert, dass sie den Qualitätsanforderungen nicht mehr entspricht, muss das Glas gereinigt werden. In welchen Abständen dies erforderlich ist, hängt von der Umgebung der Laseranlage ab und muss individuell ermittelt werden.

 

 

Abb. 1: Ein Strahlprofil während der Wärmebehandlung eines Zylinders mit einem verschmutzten Laser-Schutzglas; die Intensität des Laserstrahls ist nicht gleichmäßig.

 

Welchen Effekt eine gründliche Reinigung des Glases tatsächlich bringt, zeigen die BeamGage Messungen mit einem sauberen Schutzglas. Das Strahlprofil des Lasers, das in Abbildung 2 zu sehen ist, entspricht nun wieder den ursprünglichen Spezifikationen. Der Laser liefert unabhängig von seiner Bewegungsrichtung eine homogene Wärmeverteilung und bringt die maximale Leistung auf der Oberfläche. Damit sinkt der Energiebedarf und die Bearbeitungszeit eines Zylinders verkürzt sich. Alles in allem spart der Hersteller der Zylinder Betriebskosten und die Sicherheit des Prozesses steigt. Um weitere negative Effekte auf den Laserstrahl auszuschließen, sollten auch die weiteren Strahlführungs- und -formungsoptiken in regelmäßigen, individuell festgelegten Zeitabständen gereinigt werden.

 

 

Abb. 2: Ein Strahlprofil während der Wärmebehandlung eines Zylinders nach der Reinigung des Laser-Schutzglases; die Intensität des Laserstrahls ist sehr viel homogener.

 

Vorteile eines gleichmäßigen, konsistenten Laserstrahls
Der Einsatz eines Strahlprofil-Messsystems und einer Strahldiagnose-Software zahlt sich für den Hersteller der Zylinder für Lokomotivmotoren mehrfach aus:

  • Die Qualität steigt
    Der gleichmäßige, konsistente Laserstrahl liefert die nötige Leistungsdichte, um die gewünschte Kornstruktur des zu verarbeitenden Verbundstahls zu erhalten. Typischerweise müssen bei der Wärmebehandlung von Verbundstählen für Hochtemperaturanwendungen die Korngrößen um einen Faktor 100 reduziert werden. Das erzeugt Stahl, der physikalisch härter ist und sich auch in Hoch-temperatur-Umgebungen nicht verzieht. Dennoch bleibt die Elastizität des Bauteils durch die gleichmäßige, auf Mikrometer genau definierbare Eindringtiefe erhalten.
  • Die Kosten in der Qualitätskontrolle sinken
    Überprüft man auf herkömmlichem Weg, ob der Wärmebehandlungsprozess die gewünschte Korngröße innerhalb des Metalls erzeugt und das Material bis zur korrekten Tiefe durchdrungen hat, muss das Bauteil zur metallurgischen Analyse zerstört werden. Der Vorgang erfordert die Entnahme einer statistischen Probe aus der Produktionscharge. Die Probestücke durchlaufen dann eine Vielzahl metallurgischer Test, die erfahrungsgemäß zeitaufwändig und teuer sind und zusätzlich die Geschwindigkeit bei der Produktion verzögern. Prüft man den Laser vor der Wärmebehandlung und stellt damit seine korrekte Funktion sicher, reduziert man den Ausschuss und die Anzahl zerstörender Qualitätsprüfungen. Der Hersteller spart damit Zeit und reduziert die Produktionskosten in erheblichem Maß.
  • Die Stückkosten sinken
    Entspricht das Strahlprofil des Lasers exakt den Spezifikationen des Prozesses, wird die eingesetzte Energie optimal genutzt und die Durchlaufzeit sinkt. Insgesamt steigt der Wirkungsgrad der gesamten Laseranlage damit deutlich an. Über die Einsparungen im Bereich der Qualitätsprüfung hinaus, profitiert der Hersteller damit in erheblichem Umfang von geringeren Fertigungskosten.

Dick Rieley, Regionaler Vertriebsleiter Ostküste USA, Ophir Photonics und Christian Dini, Global Director Business Development