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Optimierung der Oberflächenhärtung mit Laser- und Elektronenstrahl

Bearbeiter: D. Hömberg , W. Weiss

Kooperation: LASERVORM Volumen- und Oberflächenbearbeitung (Mittweida), pro-beam HÖRMANN GmbH (Neukirchen), H.-J. Spies (TU Bergakademie Freiberg), S. Volkwein (Karl-Franzens-Universität Graz, Österreich)

Förderung: Stiftung Industrieforschung

Beschreibung der Forschungsarbeit:

Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Implementierung eines numerischen Verfahrens zur Berechnung von Temperaturfeldern beim Strahlhärten (Elektronenstrahl, Laser) in Bauteilen beliebiger Geometrie. Die auf dieser Grundlage angestrebten Vorhersagen der Eigenschaftsverteilung erfordern die Einbeziehung des werkstoffspezifischen Umwandlungsverhaltens bei der Schnellerwärmung und Schnellabschreckung.

Arbeitsschwerpunkte im ersten Projektjahr lagen in den folgenden Bereichen:

Modellierung
Hier ging es insbesondere um die Beschreibung des Einkopplungsverhaltens des Laserstrahls sowie um die Anpassung des vorhandenen Metallurgiemoduls. Das zugrunde liegende mathematische Modell zur Beschreibung des Umwandlungsverhaltens von Stahl wird in [1] beschrieben.
Experimentelle Untersuchungen zum Härtungsverhalten verschiedener Stähle
In Kooperation mit den Pilotunternehmen wurden an ausgewählten Standardgeometrien Härtungsexperimente durchgeführt. Von den Härtespuren wurden Längs- und Querschliffe erzeugt und ausgemessen zur Eichung des Metallurgiemoduls.
Softwareentwicklung
Schwerpunkte in diesem Bereich waren die Anpassung des Metallurgiemoduls an die experimentell gewonnenen Daten, die Implementierung einer neuen nichtlinearen Randbedingung zur Beschreibung des Einkopplungsverhaltens des Lasers sowie erste Arbeiten an einer Java-Nutzeroberfläche.
Optimierung
In Kooperation mit Dr. S. Volkwein, TU Graz, wurden POD-Verfahren zur Berechnung suboptimaler Parameter für zweidimensionale Problemstellungen untersucht ([2]).

Erste Simulationsrechnungen wurden für einen 2-kW-Diodenlaser durchgeführt (vgl. Abb. 1).

Abbildung 2 zeigt zwei Simulationen des Profils einer Laserhärtung für eine Geometrie ohne und mit Bohrung. Deutlich zu erkennen ist die Zunahme der Einhärtetiefe über der Bohrung und am Probenende. Abbildung 3 zeigt den Längsschliff einer realen Härtespur (A. Buchwalder, Bergakademie Freiberg).

**Abb. 1:** Gemessener und simulierter Strahlungsfluss.
$\ProjektEPSbildNocap {0.9\textwidth}{/home/unix/direktor/copy/hoemberg/jfb/fig4_00.ps}$

**Abb. 2:** Einfluss der Geometrie auf das Härteprofil.
$\makeatletter \@ZweiProjektbilderNocap[h]{0.5\textwidth}{/home/unix/direktor/cop... .../jfb/fig1_00.ps}{/home/unix/direktor/copy/hoemberg/jfb/fig2_00.ps} \makeatother$

**Abb. 3:** Längsschliff (Versuch mit Bohrung parallel zur Oberfläche (2 mm tief), C100).
$\ProjektEPSbildNocap {0.6\textwidth}{/home/unix/direktor/copy/hoemberg/jfb/fig3_00.ps}$

Projektliteratur:

D. HÖMBERG, T. STRECKENBACH, W. WEISS, Phase transitions in steel -- Mathematical models and applications, in Vorbereitung.
D. HÖMBERG, S. VOLKWEIN, Suboptimal control of laser surface hardening using proper orthogonal decomposition, WIAS-Preprint No. 639, 2001.