Datum
2021Metadata
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Dissertation
Bewertung von Eigenspannungen nach dem Laserstrahlhärten von komplex geformten Komponenten und additiv gefertigten Bauteilen
Zusammenfassung
Die Laserstrahlbearbeitung hat sich im Laufe der letzten Jahre zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt in industrieller und akademischer Hinsicht entwickelt. Neben der Erschließung neuer Anwendungsgebiete durch den Vorteil einer hohen Bearbeitungsflexibilität überzeugt die laserbasierte Materialbearbeitung vor allem durch einen lokal beeinflussbaren Energieeintrag. Jedoch sind derzeit mit zunehmender geometrischer Komplexität und Bauteilgröße nur begrenzte Tiefenwirkungen der gewünschten Druckeigenspannungen realisierbar.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden erweiterte Bearbeitungsmöglichkeiten der Laserstrahlhärtung am Beispiel der komplexen Hohlkehlengeometrie einer LKW-Kurbelwelle aufgezeigt. Ferner wird betrachtet, inwiefern sich das laserinduzierte Druckeigenspannungsprofil insbesondere in einem Randzonenbereich < 25 µm hochauflösend und verlässlich durch die winkeldispersive Röntgenbeugung bestimmen lässt. Für eine Prozessoptimierung beim Laserstrahlhärten in akademischer und industrieller Hinsicht wird die Anwendbarkeit verschiedener Screening-Tools zur kosten- und zeiteffizienten Tiefenbestimmung des induzierten Druckeigenspannungsprofils untersucht. Darüber hinaus wird an additiv gefertigten Komponenten ergründet, inwieweit eine initielle Probenherstellung über das EBM-Verfahren Einfluss auf die gewonnenen Erkenntnisse bezüglich der Wirkzusammenhänge beim Laserstrahlhärten zwischen den Prozessparametern und den resultierenden Randschichteigenschaften nimmt.
Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass sich das laserinduzierte Druckeigenspannungsfeld in der komplex geformten Hohlkehle einer LKW-Kurbelwelle durch geeignete Prozessparameter in deutlich tiefere Regionen (> 500 µm) verschieben lässt. Die Eindringtiefe der laserinduzierten Druckeigenspannungen wird auf bis zu 725 µm erhöht. Um Druckeigenspannngsgradienten in der oberflächennahen Randschicht (< 25 µm) verlässlich aufzulösen, wird ein neuer, kombinierter winkeldispersiver Röntgenbeugungsansatz erarbeitet. Zudem wird gezeigt, unter welchen Randbedingungen experimentelle und analytische Screenings zur qualitativen Tiefenabschätzung der resultierenden Druckeigenspannungen infolge des Laserstrahlhärtens verlässlich angewendet werden können. Die prozessbedingt bereits im Ausgangszustand vorliegende hohe Oberflächenrauheit infolge der Probenherstellung über das EBM-Verfahren beeinflusst maßgebend die Energieeinkopplung des Lasers. Dabei lässt sich neben einer Randschichthärtung auch eine Verbesserung der Oberflächenqualität erzielen. Für die Untersuchungsreihen kommen mit zwei mikrolegierten ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stählen (38MnSiVS5 und 44MnSiVS6) sowie einem Vergütungsstahl 42CrMo4 industriell weitverbreitete Stahllegierungen zum Einsatz. Auf Basis von röntgenographischen Beugungsmethoden und hochauflösenden licht- bzw. elektronenmikroskopischen Untersuchungen werden mikrostrukturelle Einflüsse herausgearbeitet. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden unter Berücksichtigung einschlägiger Literatur Rückschlüsse zur weiter-führenden Prozessoptimierung abgeleitet.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden erweiterte Bearbeitungsmöglichkeiten der Laserstrahlhärtung am Beispiel der komplexen Hohlkehlengeometrie einer LKW-Kurbelwelle aufgezeigt. Ferner wird betrachtet, inwiefern sich das laserinduzierte Druckeigenspannungsprofil insbesondere in einem Randzonenbereich < 25 µm hochauflösend und verlässlich durch die winkeldispersive Röntgenbeugung bestimmen lässt. Für eine Prozessoptimierung beim Laserstrahlhärten in akademischer und industrieller Hinsicht wird die Anwendbarkeit verschiedener Screening-Tools zur kosten- und zeiteffizienten Tiefenbestimmung des induzierten Druckeigenspannungsprofils untersucht. Darüber hinaus wird an additiv gefertigten Komponenten ergründet, inwieweit eine initielle Probenherstellung über das EBM-Verfahren Einfluss auf die gewonnenen Erkenntnisse bezüglich der Wirkzusammenhänge beim Laserstrahlhärten zwischen den Prozessparametern und den resultierenden Randschichteigenschaften nimmt.
Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass sich das laserinduzierte Druckeigenspannungsfeld in der komplex geformten Hohlkehle einer LKW-Kurbelwelle durch geeignete Prozessparameter in deutlich tiefere Regionen (> 500 µm) verschieben lässt. Die Eindringtiefe der laserinduzierten Druckeigenspannungen wird auf bis zu 725 µm erhöht. Um Druckeigenspannngsgradienten in der oberflächennahen Randschicht (< 25 µm) verlässlich aufzulösen, wird ein neuer, kombinierter winkeldispersiver Röntgenbeugungsansatz erarbeitet. Zudem wird gezeigt, unter welchen Randbedingungen experimentelle und analytische Screenings zur qualitativen Tiefenabschätzung der resultierenden Druckeigenspannungen infolge des Laserstrahlhärtens verlässlich angewendet werden können. Die prozessbedingt bereits im Ausgangszustand vorliegende hohe Oberflächenrauheit infolge der Probenherstellung über das EBM-Verfahren beeinflusst maßgebend die Energieeinkopplung des Lasers. Dabei lässt sich neben einer Randschichthärtung auch eine Verbesserung der Oberflächenqualität erzielen. Für die Untersuchungsreihen kommen mit zwei mikrolegierten ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stählen (38MnSiVS5 und 44MnSiVS6) sowie einem Vergütungsstahl 42CrMo4 industriell weitverbreitete Stahllegierungen zum Einsatz. Auf Basis von röntgenographischen Beugungsmethoden und hochauflösenden licht- bzw. elektronenmikroskopischen Untersuchungen werden mikrostrukturelle Einflüsse herausgearbeitet. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden unter Berücksichtigung einschlägiger Literatur Rückschlüsse zur weiter-führenden Prozessoptimierung abgeleitet.
Zitieren
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