Verbesserte Prozessvorhersage beim Laserstrahlhärten auf Basis von experimentellen In-situ Daten

• Antragsteller: Dr. Felix Beckmann; Dr.-Ing. Jens Gibmeier
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 275300507

Das Laserstrahlrandschichthärten zählt in der Industrie zu den etablierten Verfahren zur lokalen Randschichthärtung von Stahlbauteilen. Der Prozess ist gekennzeichnet durch das lokale Austenitisieren eines Werkstücks mittels eines fokussierten Laserstrahls und der martensitischen Härtung durch die an die lokale Kurzeiterwärmung anschliessende Selbstabschreckung. Dies ist verbunden mit der Verbesserung des Verschleißwiderstandes, der Oxidationsbeständigkeit und der Wechselfestigkeit durch eine deutliche Härtesteigerung und durch die Einbringung günstig wirkender Druckeigenspannungen. Eine Vielzahl an Prozeßparameter sowie sehr komplexe Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Prozessgrößen beeinflussen das Härteergebnis und erschweren die Vorhersage mittels Prozeßsimulationen. Das Ziel bei der Fortsetzung des Projekts besteht unverändert darin, die Vorhersage des Laserstrahllinienhärtens über FEM Simulationen deutlich zu verbessern. Basis des Ansatzes bilden weiterhin Echtzeiteinblicke in den schnell ablaufenden Wärmebehandlungsprozess mittels in-situ Synchrotronröntgenbeugungsanalysen unter Verwendung einer etablierten und kontinuierlich verbesserten Mess- und Auswertestrategie zur lokalen, zeitaufgelösten Analyse der Umwandlungskinetik und der Spannungsentwicklung. Wie im Zwischenbericht dargestellt, wurden im Rahmen der Untersuchungen aus der ersten Förderperiode bereits deutliche Verbesserungen hinsichtlich der Prozessvorhersage des Laserstrahllinienhärtens erreicht. Gleichsam haben die Ergebnisse gezeigt, dass die Bestimmung der Spannungsentwicklung der Komponente längs der Laserhärtespur unerlässlich ist, um auch für diese Komponente eine bessere Übereinstimmung in der Vorhersage der finalen Eigenspannungsverteilungen zu erreichen. Die erforderliche Anpassung der Instrumentierung des in-situ Experimentes soll im Rahmen der Fortsetzung des Vorhabens erfolgen, so dass in einer weiteren Synchrotronmesszeit für ausgewählte Prozessführungen jeweils auch die zeitliche Spannungsentwicklung in der Längsrichtung der Laserspur bestimmt werden soll. Die Daten werden zusammen mit den bereits vorhandenen experimentellen Daten zur weiteren Verbesserung des Simulationsmodells genutzt. Weiterhin soll die Durchlaufzeit der Simulationen deutlich reduziert werden und die erreichbaren Messfrequenzen bei den in-situ Messreihen durch den Einsatz von refraktiven Röntgenlinse weiter erhöht werden. Im Hinblick auf die experimentell im Labor bestimmten Eigenspannungstiefenverteilung wird die Umlagerung des Eigenspannungszustandes, der infolge des sukzessiven lokalen, elektrochemischen Subschichtabtrags auftritt, simulativ berechnet und mit diesen Ergebnissen werden die röntgenographisch in den Abtragtiefen bestimmten Eigenspannungen entsprechend korrigiert. Auf diese Weise kann schließlich die Validierung der Simulationen des Laserstrahllinienhärtens durch die final vorliegenden Eigenspannungsverteilungen auch anhand von tiefenaufgelösten Ergebnisse erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Fabian Wilde