Gepulstes Laserhärten von bauteilähnlichen Proben: Teil 1: Verfahren, Eigenschaften und deren Simulation

G. Habedank; J. Woitschig; T. Seefeld; W. Jüptner; F. Vollertsen; R. Baierl; H. Bomas; P. Mayr; K. Kutschan; J. Mego; F. Jablonski; R. Kienzler

doi:10.3139/105.100341

Article

Gepulstes Laserhärten von bauteilähnlichen Proben

Teil 1: Verfahren, Eigenschaften und deren Simulation

G. Habedank , J. Woitschig , T. Seefeld , W. Jüptner , F. Vollertsen , R. Baierl , H. Bomas , P. Mayr , K. Kutschan , J. Mego , F. Jablonski and R. Kienzler

Published/Copyright: May 11, 2013

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From the journal HTM Journal of Heat Treatment and Materials Volume 60 Issue 4

Kurzfassung

Durch das gepulste Laserstrahlhärten mit niedrigen Pulsfrequenzen ist bei gleicher mittlerer Laserleistung eine im Vergleich zum Härten mit kontinuierlicher Strahlung höhere Einhärtungstiefe möglich. Um Anschmelzungen zu verhindern, wurde eine spezielle Puls-zu-Puls-Echtzeit-Temperaturregelung entwickelt. Durch Dauerfestigkeitsuntersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass eine Erhöhung der Dauerfestigkeit bauteilähnlicher Proben durch das gepulste Laserstrahlhärten möglich ist. Von großem Interesse für praktische Anwendungen ist die Simulation der Dauerfestigkeit laserstrahlgehärteter Bauteile, um kosten- und zeitaufwändige Experimente zu reduzieren. Eingangsgrößen hierfür sind Härte, Oberflächenrauheit, Last- und Eigenspannungen. Die Eigenspannungen werden ebenfalls simuliert. Im ersten Teil der Veröffentlichung liegt der Schwerpunkt auf der Simulation der Eigenspannungen und dem experimentellen Versuchsprogramm zur Verifizierung der Eigenspannungs- und Dauerfestigkeitssimulation. Zur Simulation der Dauerfestigkeit, die im zweiten Teil der Veröffentlichung näher erläutert wird, müssen somit nur noch Härte und Oberflächenrauheit experimentell bestimmt werden, was mit relativ geringem Aufwand möglich ist.

Abstract

The pulsed laser hardening with low pulse frequencies enables a higher depth in hardening compared with continuous wave laser hardening. To avoid melting a special pulse-to-pulse temperature control was developed. Studies of the fatigue strength showed that pulsed laser hardening enables an increase of the fatigue strength of component-like specimens. For practical use the simulation of the endurance limit of laser hardened components is important to reduce expensive and time-consuming experiments. Input parameters for this simulation are hardness, roughness, load stresses and residual stresses. The residual stresses are simulated, too. In the first part of the paper the main point is the simulation of the residual stresses as well as the experimental schedule to verify the the simulation of the residual stresses and the simulation of the endurance limit. For the simulation of the endurance limit which is explained in detail in part two of the paper only the hardness and the roughness have to be derived experimentally.

Dr.-Ing. Gabriele Habedank, geb. 1970, studierte Werkstofftechnik an der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, wo sie 2004 promovierte. Seit 2001 ist sie Wissenschaftliche Mitarbeiterin im Bremer Institut für angewandte Strahltechnik (BIAS) im Bereich der Laseroberflächenbearbeitung.

Dipl.-Ing. Jörg Woitschig, geb. 1971, studierte Fertigungstechnik an der Universität-Gesamthochschule Paderborn. Seit 2003 ist er Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bremer Institut für angewandte Strahltechnik (BIAS) im Bereich der Werkstoffe und Modellierung.

Dipl.-Ing. Thomas Seefeld, geb. 1968, studierte Werkstoffwissenschaften an der Universität Erlangen-Nürnberg. Seit 1995 ist er im Bremer Institut für angewandte Strahltechnik (BIAS) tätig, wo er seit 2000 die Abteilung Lasermaterialbearbeitung leitet.

Prof. Dr.-Ing. Werner Jüptner, geb. 1941, studierte Physik an der Technischen Universität Hannover. Die Promotion erfolgte 1975. Er ist Mitbegründer und einer der beiden Institutsleiter des BIAS (Gründung 1978) sowie Professor an der Universität Bremen im Fachbereich Physik/Elektrotechnik.

Prof. Dr.-Ing. Frank Vollertsen, geb. 1958, studierte Werkstoffwissenschaften an der Universität Erlangen-Nürnberg, wo er 1990 promovierte und 1996 habilitierte. Seit 2003 ist er einer der beiden Institutsleiter des BIAS und Professor an der Universität Bremen im Fachbereich Produktionstechnik.

Dipl.-Ing. Robert Baierl, geb. 1970, studierte Werkstoffwissenschaften an der Montanuniversität Leoben. Seit 2000 ist er Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in der Abteilung Strukturmechanik.

Dr. rer. nat. Hubert Bomas, geb. 1947, studierte Physik an der Universität Münster. Seit 1974 ist er an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen tätig und leitet dort die Abteilung Strukturmechanik.

Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Mayr, geb. 1938, war bis März 2004 Professor an der Universität Bremen und Leiter des Fachgebiets Werkstoffwissenschaften im Fachbereich Produktionstechnik. Bis zu diesem Zeitpunkt war er auch Geschäftsführender Direktor der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen und Leiter der Hauptabteilung Werkstofftechnik.

Dipl.-Phys. Karsten Kutschan, geb. 1949, studierte Physik an der Universität Braunschweig. Seit 1991 arbeitet er am Fachbereich Produktionstechnik (Technische Mechanik/Strukturmechanik) der Universität Bremen als Technisch-Wissenschaftlicher Angestellter.

Dipl.-Ing. Jose Mego Matallana, geb. 1968, studierte an der Hochschule Bremen und an der Universität Kassel Bauingenieurwesen. Von Februar 2003 bis Februar 2005 war er Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Technische Mechanik/Strukturmechanik im Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen. Zurzeit ist er in einem Ingenieurbüro tätig.

Dr.-Ing. Frank Jablonski, geb. 1970, studierte Produktionstechnik an der Universität Bremen, wo er im Jahr 2000 promovierte. Nach knapp vierjähriger Industrietätigkeit kehrte er 2004 in das Fachgebiet Technische Mechanik/Strukturmechanik der Universität Bremen zurück, wo er seitdem als Oberingenieur tätig ist.

Prof. Dr.-Ing. Reinhold Kienzler, geb. 1950, studierte Konstruktiven Ingenieurbau an der Technischen Hochschule Darmstadt. Die Promotion erfolgte 1980, die Habilitation 1989. Seit 1991 leitet er das Fachgebiet Technische Mechanik/Strukturmechanik im Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen.

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Online erschienen: 2013-05-11

Erschienen im Druck: 2005-08-01

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https://doi.org/10.3139/105.100341