Temperaturmessung im Nanosekundenbereich

Am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) wurde ein pyrometrisches Messverfahren zur Untersuchung schneller Erstarrungsvorgänge entwickelt. Das Messsystem wurde eingesetzt zur Untersuchung von Erstarrungsvorgängen in verschiedenen Aluminiumlegierungen und einem kohlenstoffarmen Stahl.

Der zeitliche Verlauf der Abkühlung während der Erstarrung einer Metallschmelze hat erheblichen Einfluss auf das sich bildende Gefüge und damit auf die Festigkeitseigenschaften des Werkstoffes, so zum Beispiel beim lasergestützten Umschmelzen von metallischen Werkstoffen. Um solche Vorgänge genauer untersuchen zu können, wurde am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ein pyrometrisches Messverfahren zur Untersuchung schneller Erstarrungsvorgänge entwickelt.

Der zeitliche Verlauf der Abkühlung während der Erstarrung einer Metallschmelze hat erheblichen Einfluss auf das sich bildende Gefüge und damit auf die Festigkeitseigenschaften des Werkstoffes, so zum Beispiel beim lasergestützten Umschmelzen von metallischen Werkstoffen. Um solche Vorgänge genauer untersuchen zu können, wurde am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ein pyrometrisches Messverfahren zur Untersuchung schneller Erstarrungsvorgänge entwickelt.

Das Messsystem wurde eingesetzt zur Untersuchung von Erstarrungsvorgängen in verschiedenen Aluminiumlegierungen und einem kohlenstoffarmen Stahl. Durch geeignete Wahl der Laserprozessparameter wurden Abkühlzeiten bis in den Bereich weniger Millisekunden realisiert und die Phasenübergänge deutlich als Haltepunkte (Schultern) in den Abkühlkurven nachgewiesen. An der Aluminiumdruckgusslegierung GD-AlSi10Mg wurde mit Hilfe licht- und elektronenoptischer Gefügeuntersuchungen (Lichtmikroskopie, REM, TEM, EDX) der Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die Struktur des Gefüges ermittelt. Dabei ergaben sich signifikante Zusammenhänge zwischen der Abkühlgeschwindigkeit und der Phasenzusammensetzung sowie der Feinheit des Gefüges.

Das Messsystem verfügt über eine zeitliche Auflösung von 250 ns, eine Messfleckgröße von 300 µm und eine thermische Nachweisgrenze von 150°C bei voller zeitlicher Auflösung. Es eignet sich daher grundsätzlich zur Untersuchung aktueller und künftiger kurzzeitmetallurgischer Fragestellungen, z. B. im Bereich des Schweißens neuer metallischer Werkstoffe (Schweißen von Magnesiumlegierungen).

Weiteres Anwendungspotenzial liegt in der thermischen Kontrolle bzw. Regelung beim Schweißen niedrigschmelzender metallischer Werkstoffe. Insbesondere beim Schweißen von Magnesium wäre eine genaue Messung aufgrund des niedrigen Siedepunkts zur Sicherung der Prozessstabilität sehr vorteilhaft. Konventionelle Nahinfrarotpyrometer sind hierzu aufgrund der relativ niedrigen Prozesstemperaturen kaum geeignet.

Partner in dem vom DFG geförderten Forschungsprojekt war das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik.

Kontakt:
Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
Michael Botts
Hollerithallee 8, D-30419 Hannover
Tel.: 0511-2788-151, Fax: -100
E-Mail: bt@lzh.de