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Laser Groche Oberflächenbehandlungen

  1. Welche Oberflächenbehandlungen kennst du (3)?
    • Randschichtbehandlung
    • Beschichten
    • Reinigen
  2. Definiere Beschichten (samt 4 möglicher Formen des Beschichtens)!
    • Beschichten ist Aufbringen einer dest haftebdeb Schicht aus formlosen Stoff aus dem...
    • ...gas- oder dampfförmigen Zustand
    • ...flüssigem, breiigem oder pastenförmigen Zustand
    • ... ionisierten Zustand durch elektrolytisches oder chemisches Abscheiden
    • ...festen (körnig oder pulvrig) Zustand
  3. Definiere Stoffeigenschaftsändern (samt 3 möglicher Formen)!
    • Stoffeigenschaftsändern ist das Fertigen eines festen Körpers...
    • ... durch Umlegen
    • ... durch Aussondern
    • ... durch Einbringen
    • von Stoffteilchen, wobei eine etwaige unwillkürliche Formänderung nicht zum Wesen gehört
  4. Erkläre den Verfahrensablauf der meisten Randschichtbehandlungen mit Laserstrahlung, wie Umschmelzen, Verglasen, Legieren und Beschichten!
    • Aufheizen des Werkstücks über die Schmelztemperatur zur Erzeugung eines Schmelzbades
    • Umverteilung der Atome in der Schmelze durch Konvektion und/oder chemische Reaktion in der Schmelze
    • Erstarrung der Schmelze
  5. Nenne die 4 wichtigsten physikalischen Effekte beim Randschichtbehandeln mit Laserstrahlung!
    • Absorption
    • Wärmeleitung
    • Konvektion
    • Schnelle Erstarrung
    • Image Upload 2
  6. In welchen Formen kann eine Schmelze erstarren, wenn stark Abgekühlt wird?
    • planar, zellular oder dendritisch
    • Image Upload 4
  7. Unterteile die Randschichtbehandlungsverfahren nach der Temperatur und ordne Temperaturbereiche zu!
    • TM = Schmelztemperatur
    • TV = Verdampfungstemperatur
    • Wärmeverfahren TM
    • Schmelzverfahren TMV
    • Plasmaverfahren T> TV
  8. Nenne zwei Wärmeverfahren der Randschichtbehandlung!
    • Umwandlungshärten
    • Anlassen
  9. Nenne 4 Schmelzverfahren der Randschichtbehandlung!
    • Umschmelzen
    • Umschmelzlegieren
    • Verglasen
    • Dispergieren
  10. Nenne 3 Plasmaverfahren des Randschichtbehandelns!
    • Umschmelzen
    • Umschmelzlegieren
    • Verglasen
  11. Was ist Glasieren?
    • Erzeugen eines amorphen (nichtkristallinen) Werkstoffzustands durch schnelle Aufheizung und extrem schnelle Abkühlung
    • Funktioniert nur bei best. Legierungen
  12. Zeige in einer Skizze die Unterschiede der Wärme-, Schmelze- und Plasmaverfahren bei der Randschichtbehandlung!
    Image Upload 6
  13. Erkläre die Vorgänge beim Umwandlungshärten mit Skizze!
    • Ausgangsgefüge durch Laserstrahlung über Austenit-Umwandlungs-Temperatur erhitzt => Austenitbildung
    • zu härtender Berich muss best. Zeit über dieser Temp. gehalten werden [1]
    • anschließende Selbstabschreckung durch Wärmeleitung in das Umgebungsmaterial => Martensitbildung [2]
    • auf Werkstückoberfläche gehärtete Spur [3]
    • Image Upload 8
  14. Wozu dienen Härtebehandlungen und auf welchen 2 Wegen wird die Festigkeit physikal. erhöht?
    Dient Behinderung des Gleitens von Versetzungen

    • Festigkeit erhöht durch:
    • Änderung der chem. Zusammensetzung
    • thermische bzw. mechanische Einwirkung während der Verarbeitung
  15. Erkläre das Umwandlungshärten!
    Wann kann es angewendet werden?
    • bei C-Gehalten über 0,2%
    • Erwärmen des Stahl auf 30°C-50°C
    • Kohlenstoff des zementits wird im Austenit gelöst
    • schnelle Abkühlung in Öl, Wasser oder an Luft
    • Umwandlung des Austenits in Martensit
  16. Nenne Eigenschaften des Laserhärtens (6)!
    • Feine martensitische Struktur ohne austenitische Einschlüsse wgn. schneller Aufheizung und Abkühlung
    • Erhöhte Ermüdungsfestigkeit
    • Erhöhte Abriebsfestigkeit
    • Erhöhte Korrosionsbeständigkeit
    • Geringerer Verzug, geringe therm. Spannungen
    • Geringere geometrische Einschränkungen, lokales Härten möglich
  17. Wodurch kann die Absorption der Laserstrahlung beim CO2-Laser erhöht werden?
    • Vorwärmen
    • Oxidieren der Oberfläche
    • Aufrauhen der Oberfläche
    • Beschichten der Oberfläche (sog. Coatings)
  18. Nenne Auswirkungen des Oxidierens von Oberflächen!
    • mit zunehmender Oxidschichtdicke steigt der Absorptionskoeffizient
    • Geschwindigkeit der Oxidschichtbildung und deren Enddicke nimmt mit steigender Oxidationstemperatur zu
    • degressiver Kurvenverlauf durch zunehmende Isolationswirkung der Oxidationsschicht ab ca. 20mm
    • bei sehr hoher Schichtdicke Gefahr des Abplatzens
  19. Nenne Anforderungen an Coatings (4)!
    • leicht und gleichmäßig aufzutragen
    • einfach und möglichst rückstandslos zu entfernen
    • keine schädlichen Bestandteile für Härtungprozeß und Umwelt
    • ausreichende Wärmeleitung
  20. Nenne in der Praxis eingesetzte Coatings (3)!
    Welche Absorptionsgraderöhungen sind möglich?
    • Metalloxidpulver (Cu-Oxid, Fe-Oxid)
    • Kohlenstoff, Graphit (wird z.B. in alkoholischer Suspension aufgespritzt)
    • Phosphatierungen
    • Erhöhung des Absorptionsgrades auf 70-80%
  21. Wie kommt Konvektion in einem Schmelzbad zustande (auch Skizze)?
    • Konvektion durch Temperatur- und Konzentrationsgradienten verursacht, da Temperatur- bzw. konzentrationsabhängige Oberflächenspannung
    • Temperatur an Oberfläche proportional zur eingestrahlten Intensitätsverteilung => Temperaturverteilung => Oberflächenspannungsgradient
    • Oberfläche in Mitte auseinandergezogen => Teilchen vom Zentrum strömen nach außen; Teilchen von unten Strömen nach Oben
  22. Zeige in einem Diagramm, in dem der logarithmierte Temperaturgradient über der Erstarrungsgeschwindigkeit aufgetragen ist, welche Erstarrungsformen auftreten können!
    Image Upload 10
  23. Was bewirkt eine immer schnellere Abkühlung?
    immer feinere Gefügestruktur bis amorphes Gefüge entsteht
  24. In welche beiden Gruppen lassen sich die Schmelzverfahren der Randschichtbehandlung weiter unterteilen?
    • Verfahren ohne Zusatzwerkstoffe
    • Verfahren mit Zusatzstoffen
  25. Was sind die Ziele des Laserstrahlumschmelzens (3)?
    • hohe Härte
    • ausreichende Zähigkeit
    • geringe mittlere Rauhtiefe
  26. In welchen beiden Varianten kann das Laserstrahlumschmelzen durchgeführt werden?
    mit und ohne gezielte Härtesteigerung
  27. Erkläre die Vorgänge beim Laserstrahlumschmelzen (beide Varianten)!
    • Aufschmelzen dünner Randschicht des Werkstoffs
    • gezieltes Abkühlen
    • Erzeugung des gewünschten Gefüges
    • ohne gezielte Härtesteigerung:
    • Verbesserung der Gebrauchseigenschaften durch Auflösung oder Verdampfung nichtmetallischer Einschlüsse (Oxide, Nitride, Sulfide)
    • Homogenisierung oder Kornfeinung des Gefüges
    • mit gezielter Härtesteigerung:
    • insbesondere bei Gusseisen, da Randgefüge aufgrund hoher Abkühlrate als Ledeburit mit hohen Härtewerten und ausreichender Zähigkeit erstarrt
    • hohe Oberflächenspannungen der Schmelze führen zu geringen mittleren Rauhigkeiten
  28. Mit welchen nichtbeschichtenden laser-oberflächenbehandelnden Verfahren können Gusseisen, Stahlwerkstoffe und Nicht-Eisen-Metalle bearbeitet werden?
    • Gusseisen:
    • Härten
    • Umschmelzen
    • Stahlwerkstoffe:
    • Härten
    • Nicht-Eisen-Metalle:
    • Gasnitrieren
    • Umschmelzen
  29. Welche Schmelzverfahren mit Zusatzwerkstoffen kennst du in der Oberflächenbehandlung?
    Woran orientiert sich die Unterteilung?
    • Legieren
    • Beschichten
    • Dispergieren
    • Art der Verteilung der eingebrachten Stoffteilchen in der behandelten Randschicht dient Unterteilung
  30. Beschreibe typische zugehörige Konzentrationsverläufe von Zusatz- und Grundwerkstoff, sowie typische Querschliffe von Legierten Werksücken!
    Image Upload 12
  31. Beschreibe typische zugehörige Konzentrationsverläufe von Zusatz- und
    Grundwerkstoff, sowie typische Querschliffe von beschichteten Werksücken!
    Image Upload 14
  32. Beschreibe typische zugehörige Konzentrationsverläufe von Zusatz- und Grundwerkstoff, sowie typische Querschliffe von dispergierten Werksücken!
    Image Upload 16
  33. Stelle kurz die Prizipien von Legieren, Beschichten und Dispergieren gegenüber!
    • Legieren: Grund- und Legierungswerkstoff aufgeschmolzen und vollständig durchmischt
    • Beschichten: möglichst reine Schicht aufgebracht, mit anderen Gebrauchseigenschaften als Grundwerkstoff. Aufmischungsgrad soll minimal sein und metallurgische Verbindung hergestellt werden
    • Dispergieren: Zusatzwerkstoffe in das Schmelzbad eingebracht; homogene Verteilung; Zusatzwerkstoffe nicht zersetzen oder auflösen; Korngröße und Kornform wichtige Eigenschaften des Zusatzwerkstoffs
  34. Wie werden die Randschichtverfahren mit Zusatzstoff hinsichtlich der Stoffeinbringung unterschieden?
    ein- und zweistufige Materialeinbringung
  35. Erkläre den Prozess der einstufigen Materialeinbringung beim Beschichten mit Laserstrahlung (beispielhaft am Zusatzstoff Pulver)! Auch mit Skizze!
    In welcher Form kann Zusatzmaterial vorliegen?
    • Zusatzmaterial direkt in die Bearbeitungszone geführt
    • Zusatz gas-, pulver-, draht- oder pastenförmig
    • Image Upload 18
    • Zusatz mit Pulverdüse in Bearbeitungszone eingebracht
    • vom Laserstrahl mit dünner Randschicht des Grundmaterial verschmolzen
    • Bildung schmelzmetallurgischer Verbindung
    • Transport des Pulvers übernimmt inerter Trägergasstrom, der Oxidation während der Beschichtung verhindert
  36. Erkläre den Prozess der zweistufigen Randschichtverfahren mit Laserstrahlung!
    • erst Zusatzwerkstoff mit konventionellen Techniken aufgetragen (meist therm. Spritzverfahren wie Flamm- und Plasmaspritzen)
    • dann verdichten der aufgetragenen Schichten mit Laserstrahlung
  37. Beschreibe Prinzipskizze des Beschichtens von Ventilen!
    Welche Strahlquellen werden genutzt?
    • Image Upload 20
    • CO2- oder Diodenlaser
    • Diodenlaser möglich, da WEZ nicht sehr begrenzt sein muss
  38. Welches Ziel hat der Entwurf der Düse beim Pulvergasstrahl?
    • gleichmäßige und kontinuierliche Förderung
    • genaue Dosierung des Pulvers
  39. Welche Pulverdüsenkonzepte haben sich durchgesetzt und wie funktionieren sie?
    • außeraxial (off-axis) bzw. koaxial zum Laserstrahl angeordnete Pulverzufuhr
    • (Mehrfachdüse besteht aus drei off-axis Düsen)
    • off-axis: Freistrahl; möglichst großer Anteil des Pulverstrahls im Laserfokus auf die Werkstückoberfläche
    • koaxial: eine engste Stelle im Pulverstrahl (Pulverstrahltaille); Pulverstrahltaille genau im vom Laserstrahl erzeugten Schmelzbad positioniert => möglichst hoher Pulverwirkungsgrad
  40. Warum ist das Laserstrahlbeschichten für Reperaturarbeiten besonders gut geeignet?
    Schichten bestimmter Dicker aufgrund exakt einstellbarer Fokusabmessungen und Intensitäten herstellbar
  41. Was ist das Ziel des Legierens?
    Aufbringen von Zusatzstoffen auf preiswerte Grundwerkstoffe zur räumlich begrenzten Veredelung
  42. Was sind die Vorteile des Laserstrahl-Legierens gegenüber konventionellen Verfahren?
    • kürzere Prozesszeiten
    • Möglichkeit der lokalen Bearbeitung beanspruchter Bereiche
  43. Welche Verfahrensvarianten des Legierens mittels Laserstrahlung werden nach welchem Aspekt unterschieden?
    • Je nach Aggregatzustand:
    • Einschmelzlegieren
    • Gaslegieren
  44. Nenne Eigenschaften vom Gaslegieren!
    • gute Durchmischung von Grundwerkstoff und festem bzw. flüssigem Legierungszusatz
    • Konzentration und Zusammensetztung in Abhängigkeit von Legierungstiefe einstellbar
  45. Welche Gaslegierungen kennst du?
    Welche Stoffe werden hierfür genutzt?
    • Karburieren (C, Methan)
    • Nitrieren (N, Ammoniak)
  46. Was ist das Problem beim konventionellen Gaslegieren von Titan-Nitrid?
    Welche Vorteile bietet das Laserstrahl-Legieren und aufgrund welches Vorganges?
    • Problem konv.:
    • Große Bildungszeiten von Titannitrid aufgrund langsamer Massendiffusion
    • Vorteile Laser:
    • Aufschmelzen der Oberfläche
    • Reaktion in der Schmelze in stickstoffhaltiger Atmossphäre zu TiN
    • TiN entsteht innerhalb kurzer Zeit aufgrund der schnellen Konvektion in Schmelze
    • Stufenlose Einstellung der Härte
  47. Welche allgemeine Anforderung wird an Strahlquellen zur Oberflächenbehandlung gestellt und warum?
    • hohe Ausgangsleistung
    • Grund: Bearbeitung von Flächen => großer Brennfleck erforderlich um Wirtschaftlichkeit zu erreichen
  48. Welche Strahlquellen werden zur Oberflächenbehandlung eingesetzt? Nenne auch Eigenschaften (Leistung, Einsatz, andere Charakteristika)!
    • Nd:YAG:
    • Leistung von 500W... 5kW
    • aufgrund höher Leistungsklassen auch zunehmend für Härten und Beschichten
    • keine absorbierende Deckschicht erforderlich
    • aufgrund wellenlängenbasierter Einkopplung auch Al und Cu
    • CO2-Laser:
    • 2,5k... 25kW
    • meist quergeströmt, da höhere Leistung als längsgeströmt
    • (dadurch zwar geringere Fokussierbarkeit, aber für Oberflächenbehandlung egal)
  49. Trage in einem Leistungsdichte-Wechselwirkungszeit-Diagram die Verfahren Flächenabtrag/Reinigen, Formabtrag/Strukturieren, Bohren, Schneiden, Schweißen, Härten!
    Image Upload 22
  50. Was für Laser sollten warum fürs Abtragen und Reinigen genutzt werden?
    • sogenannte Kurzpulslaser, da höhere Leistungsdichten und wesentlich kleinere Wirkzeiten als bei anderen Verfahren
    • => gütegeschaltete Nd:YAG-, TEA-CO2- und Excimer-Laser
  51. Wann werden welche Laserstrahlquellen fürs Abtragen und Reinigen benutzt?
    • CO2-Laser: hohe Abtragraten, hauptsächlich stationäre Anlagen
    • Festkörperlaser: mobile und kompakte Geräte, insbesondere in Verbindung mit Lichtwellenleitern
    • Excimer-Laser: Spezialanwendungen, Mikrotechnik
  52. Welche Vorteile bietet Laserabtragen gegenüber konventionellen Reinigungsverfahren?
    • zu entfernende Schichten (z.B. Farbe) nicht angelöst, sondern abgehoben => kein Verschmieren
    • keine Chemikalien oder abrasive Partikel
    • einzige Abfallprodukt ist abgetragene Schicht, die durch Filtersystem aufgefangen wird
    • berührungsfrei => für empfindliche Gegenstände geeignet
    • für schlecht zugängliche Orte geeignet
  53. Wofür steht LIPS? Erkläre!
    • Spektralanalyse des Plasmadampfens während der Reinigung
    • Schichterkennung durch Abgleich des aktuellen Spektrums mit zuvor aufgenommenen Referenzspektren
    • genaue Positionsbestimmung und somit Prozessregelung möglich
  54. Erkläre den prinzipiellen Aufbau des LIPS-Verfahrens (Skizze)!
    Image Upload 24
Author
Zockerino
ID
321273
Card Set
Laser Groche Oberflächenbehandlungen
Description
ert
Updated

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