Erweiterung der Verfahrensgrenzen beim Laserstrahlpolieren von Stahlwerkstoffen durch Analyse der Oberflächenstrukturbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Polieren mit Laserstrahlung ist ein neues Fertigungsverfahren zur automatisierten Herstellung hochglanzpolierter metallischer Oberflächen. Das Verfahren beruht auf dem Umschmelzen einer dünnen Randschicht mit Laserstrahlung. In der flüssigen Phase werden Oberflächenrauheiten infolge der Grenzflächenspannung geglättet und der Werkstoff erstarrt mit einer geglätteten Oberfläche. Vor Start des DFG-Vorhabens war die erreichbare Oberflächenrauheit durch eine prozessinduzierte wellenartige Oberflächenstruktur auf Ra ≈ 0,35 μm begrenzt. Ziel des DFG-Projektes war die Erweiterung der Prozessgrenzen bezüglich der erreichbaren Rauheit. Um dieses Ziel zu erreichen war zunächst ein vertieftes Verständnis des Umschmelzprozesses für Schmelzvolumina < 0,005 mm3 und der Mechanismen, die zur Oberflächenstrukturbildung beitragen, notwendig. Als wichtige Strukturen, die die Oberflächentopographie bestimmen, wurden Schuppen, Einbrandkerben, Aufwölbung der Schmelzspuren, Stufen durch Korngrenzen und Martensitnadeln identifiziert. Für die Werkstoffe 1.2343, 1.27882 und 1.2316 wurden die Ausprägungen dieser Strukturen und deren Einfluss auf die Rauheit in Abhängigkeit der Bearbeitungsparameter untersucht und Parameterbereiche bestimmt, in denen diese Strukturen nicht auftreten oder einen geringen Einfluss auf die Rauheit haben. Weitere wichtige experimentelle Schritte zur Reduzierung der Oberflächenrauheit waren: - die Anpassung der Verfahrensparameter PL, dL, vs, dy, n - die systematische Untersuchung des Einflusses von Prozessgasen - die Bestimmung eines Anforderungsprofils an den Werkstoff Die experimentellen Arbeiten wurden durch modelltheoretische Untersuchungen unterstützt. Das im Rahmen des DFG-Vorhabens entwickelte FEM-Programm ist in der Lage an Einzelspuren durch eine selbstkonsistente Integration der Wärmeleitungsgleichung und der Navier-Stokes Gleichungen die Schmelzbadgeometrie unter Berücksichtigung der Marangoniströmung als Funktion der Verfahrensparameter und der Materialeigenschaften bei einer angenommenen ebenen Oberfläche zu berechnen. So konnte durch die Einbeziehung der Druckbilanzgleichung, einer Bilanzgleichung für das Schmelzvolumen und einer Kopplung zwischen der Deformation der Schmelzbadoberfläche und dem Neigungswinkel der Erstarrungsfront entlang der Dreiphasenlinie das Modell erstmals zeitaufgelöst die Bildung einer Schuppe als Folge einer Störung bzw. Fluktuation des Schmelzvolumens berechnet werden. Sowohl mit Hilfe der modelltheoretischen Untersuchungen als auch durch systematische Untersuchungen des Einflusses der ßearbeitungsparameter auf die einzelnen Oberflächenstrukturen wurden Fortschritte bezüglich der Reduzierung der erreichten Rauheit erzielt. Die Verbesserung der Oberflächenrauheit resultiert aus einer Reihe von Maßnahmen. Dazu zählen: - Anpassung der Parameter (dL: 250 μm; PL: 100 W; dy: 60 μm; vs: 50 mm/s; n: 10) - Untersuchung des Einflusses des Werkstoffzustandes und Auswahl einer für das Laserstrahlpolieren geeigneten Werkstoffgüte (geringe Seigerungen, kleine Körner) - Anpassung des Restsauerstoffgehalts (1000 - 5000 ppm) und des Kohlendioxidgehalts (2-10%) im Prozessgas Durch die Fortschritte in dem DFG Vorhaben konnte eine Verbesserung der Oberflächenrauheit nach DIN EN ISO 4287/4288 von Ra = 0,35 μm auf Ra = 0,05 μm für den Werkstoff 1.2343 erzielt werden. Damit wurde das Hauptziel des Vorhabens erreicht und eine wichtige Voraussetzung für die industrielle Umsetzung des Verfahrens geschaffen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Polieren mit Laserstrahlung. Proceedings of the 2nd International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing Seiten 297-300, 2003
E. Willenborg, K. Wissenbach, R. Poprawe
- Mechanisms of surface rippling during laser polishing. Proceedings of the 8th International Seminar Numerical Analysis of Weldability, 2006
N. Pirch, S. Höges, K. Wissenbach
