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4.4 Gase für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen von Edelstahl Die Absorption von Laserstrahlung und Änderung der Strahlparameter in der Plasmawolke ist beim Schweißen mit Nd:YAG-Lasern im Gegensatz zum CO 2- Laser ohne große Bedeutung (siehe Kapitel 4.2). Deswegen ist es nicht notwendig, Helium oder Heliumgemische zum Schweißen von Edelstählen mit Nd:YAG- Lasern einzusetzen. Die Auswahl des geeigneten Schweißgases wird somit wesentlich durch den benötigten Schutz gegenüber einer Reaktion mit der Umgebungsatmosphäre, insbesondere einer Oxidation, bestimmt. Argon wird bereits seit längerem zum Schweißen von kleinen Bauteilen aus Edelstahl mit Nd:YAG-Lasern geringerer Leistung (
5. Laser für die Oberflächenbearbeitung Die Oberflächenbearbeitung mit Lasern führt immer noch ein Schattendasein im Vergleich zu anderen industriellen Anwendungen der Lasertechnik. Dabei werden die hohen Investitionskosten für eine Laseranlage in der Regel durch die dabei eingesparten nachfolgenden Prozesse mehr als kompensiert. Diese ganzheitliche Betrachtungsweise wird dem Laser zunehmend den Weg in die Fertigung für die Oberflächenbearbeitungsverfahren ebnen: Umwandlungshärten Modifizieren von Oberflächen Legieren Beschichten Weitere Anwendungen Für diese Prozesse werden hohe Laserstrahlleistungen benötigt, sodass hauptsächlich CO 2-Laser zum Einsatz kommen. Dabei spielt jedoch die gute Fokussierbarkeit der Laserstrahlung im Gegensatz zum Laserstrahlschneiden und -schweißen keine Rolle, da der Laserstrahl im Wesentlichen unfokussiert oder defokussiert eingesetzt wird, um eine große Fläche pro Zeiteinheit bearbeiten zu können. Zudem wird der Laserstrahl oft mit optischen Elementen so verändert, dass er für die jeweilige Aufgabe optimal geeignet ist. So kann z. B. ein linienförmiges oder rechteckiges Strahlprofil erzeugt und einer zu bearbeitenden Kontur entsprechend angepasst werden. Interessanterweise passen diese Anforderungen sehr gut zu dem neu entwickelten Hochleistungsdiodenlaser. Dessen Strahleigenschaften sind für das Laserstrahlschneiden nicht und für das Schweißen nur eingeschränkt, dagegen für die Oberflächenbearbeitung optimal geeignet. Berücksichtigt man zudem die Flexibilität dieser kompakten Systeme, kann eine Vielzahl von Anwendungen bei der Oberflächenbearbeitung damit abgedeckt werden. Zur Verbesserung der Absorption werden die Oberflächen oftmals mit einer dünnen Schicht aus kohlenstoffhaltigem Material vorbereitet. 5.1 Laserstrahlumwandlungshärten Das Laserstrahlumwandlungshärten ist bei den Oberflächenprozessen das am häufigsten angewandte Verfahren. Der Laserstrahl wird dabei zur Erwärmung der Werkstückoberfläche bis nahe an die Schmelztemperatur, bei der sich die Werkstoffmatrix umwandelt, eingesetzt. Bei der nachfolgenden schnellen Abkühlung wandelt sich das austenitische Gefüge zurück in harten Martensit. Ein zusätzliches Abschrecken des Werkstoffs ist nicht notwendig, da die Wärme sehr schnell in den umgebenden Werkstoff abfließt und vom eingesetzten Schutzgas abtransportiert wird. So wird ein dem Abschrecken vergleichbarer Effekt erzielt. Eine weitere Funktion des eingesetzten Schutzgases ist der Schutz des erhitzten Werkstoffs vor Reaktionen mit der Umgebungsluft. Argon und Stickstoff werden dazu oft eingesetzt, selten Helium. Bei Stickstoff ist jedoch eine mögliche Aufhärtung infolge einer Reaktion mit dem Werkstoff zu berücksichtigen. Interessanterweise kann das Laserstrahlhärten bei Stahl und auch bei Gusseisen angewendet werden und der Wärmeeintrag lokal sehr begrenzt erfolgen. Damit kann Verzug gegenüber klassischen Verfahren vermindert bzw. sogar ausgeschlossen werden, vgl. Bild 14. Die Schutzgasströmung beträgt z. B. 20 l/min, ist aber von der Größe der erhitzten Fläche und der Vorschubgeschwindigkeit abhängig. Bei größerer Wärmespur und Geschwindigkeit muss ein größerer Arbeitsbereich geschützt werden und dies kann höhere Gasflüsse erfordern. 5.2 Modifizieren von Oberflächen Das Modifizieren von Oberflächen beinhaltet sämtliche Maßnahmen zur räumlich begrenzten Veränderung der Oberflächenstruktur eines Bauteils. Dies kann z. B. beschichtete oder Gusswerkstücke betreffen, die umgeschmolzen oder angelassen werden sollen. Schutzgase verdienen dabei besonderes Augenmerk, da der erhitzte Werkstoff eine höhere Aufnahme-/Reaktionsfähigkeit aufweist als der kalte Werkstoff. Aus diesem Grund werden in der Regel die Inertgase Argon und Helium und gelegentlich auch Stickstoff eingesetzt. Beim Stickstoff muss jedoch wiederum auf die mögliche Aufhärtung hingewiesen werden. Werkstoffe, die zur Reduzierung eines hohen Gasgehalts erhitzt bzw. umgeschmolzen werden, müssen dementsprechend mit einem Schutzgas geschützt werden, das den Prozess in geeigneter Weise unterstützt. 5.3 Laserstrahllegieren In diesem Prozess wird der Werkstoff angeschmolzen, um gasförmige oder feste Bestandteile über das Schmelzbad in die Werkstoffmatrix einzubringen. Hiermit können die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Randschicht gezielt ver- Bild 14: Beispiel für das Laserumwandlungshärten ändert werden, z. B. zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, der Korrosionsbeständigkeit, der Härte, der chemischen Beständigkeit usw. Je nach Werkstoff und Anwendung kann eine Vielzahl metallischer Pulver oder Gase eingesetzt werden. Ein wichtiges gasförmiges Legierungselement ist z. B. Stickstoff, aber auch andere Gase wie Methan, Kohlendioxid und sonstige wie z. B. fluoridhaltige Gase werden eingesetzt. Feststoffe können mit Hilfe eines Inertgases in das Schmelzbad geblasen werden, wobei üblicherweise Argon eingesetzt wird. Argon ist dabei sowohl Fördergas als auch Schutzgas. 5.4 Laserstrahlbeschichten Das Beschichten dient dem Aufbringen einer Schicht auf ein Werkstück, um z. B. gezielt die Verschleißfestigkeit oder die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Dabei wird der Werkstoff angeschmolzen und das Beschichtungsmaterial schichtweise aufgetragen. Dieses wird zumeist als Pulver oder Draht zugeführt und zur Verbesserung der Haftung geschmolzen. Ein besonderer Vorteil der Lasertechnik beim Beschichten ist die mögliche exakte Wärmeführung. Der Grundwerkstoff sollte nur geringfügig angeschmolzen werden, um die Beschichtung so wenig wie möglich aufzumischen. Andererseits soll zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung eine feste Verbindung erzielt werden. Bei drahtförmigem Beschichtungswerkstoff werden Argon, Stickstoff oder Helium als Schutzgase zugegeben. Pulverförmiger Werkstoff benötigt ein Fördergas zur Zuführung, was in der Regel auch als Schutzgas für die erstellte Beschichtung wirkt. Je nach Art der Zuführung kann jedoch auch eine separate Schutzgaszuführung erforderlich sein. Als Förder- und Schutzgas wird regelmäßig Argon eingesetzt. Bei koaxialer Zuführung durch den Laserstrahl kann zudem eine unerwünschte Plasmabildung auftreten, die einen Heliumanteil oder bei geeignetem Werkstoff einen Wasserstoffanteil unumgänglich macht. 16 17
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