Bessere Auftraglagen

Fokus

Laserauftragschweißen wird weitverbreitet in vielen Industriezweigen verwendet, um die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Metallteilen zu verbessern. Eine neuartige Faserlasertechnologie und ein darauf basierendes automatisiertes Auftragschweißsystem sollen Kosten senken sowie die mechanische Festigkeit und Lebensdauer des Auftrags verbessern.

06. Oktober 2016
Auftragschweißen kann für Reparaturen, aber auch zu Formänderungen oder Verbesserungen physikalischer und chemischer Eigenschaften eingesetzt werden. Bildquelle: Coherent
Bild 1: Bessere Auftraglagen (Auftragschweißen kann für Reparaturen, aber auch zu Formänderungen oder Verbesserungen physikalischer und chemischer Eigenschaften eingesetzt werden. Bildquelle: Coherent)

Laserauftragschweißen ist ein Additivherstellungsverfahren, bei dem ein Metall, das anders als das Substrat ist, an der Oberfläche des Teils in Pulver- oder Drahtform zugeführt wird. Der Laser verflüssigt dieses Material sowie eine dünne äußere Schicht des Substrats selektiv, um die beiden zu verschmelzen. Laserauftragschweißen bietet mehrere Vorteile gegenüber anderen alten Methoden, so auch diese: minimaler oder kein Wärmeverzug im Bauteil, was eine spätere Nachbearbeitung erübrigt; geringe Aufmischung des Grundmaterials und eine echte metallurgische Verbindung zwischen Beschichtung und Substrat.

Jedoch erzeugt die schnelle Materialkühlung, die manchmal während des Laserauftragschweißens auftritt, Bindefehler, Kornbildung und eine gewisse Porosität in der Auftragschicht. Jeder dieser Effekte kann die Wirksamkeit und Belastbarkeit des Auftrags begrenzen. Zum Beispiel sind Risse im Auftrag anfällig für Korrosion, auch durch das Substrat selbst hindurch. Körner oder andere Mikrostrukturen beeinträchtigen potenziell die mechanischen Eigenschaften der Auftragschicht, einschließlich ihrer Zugfestigkeit.

Optimiertes Auftragschweißen

Die Wirkungen verschiedener Prozessparameter wurden im Detail untersucht und charakterisiert. Durch eine geeignete Steuerung dieser Faktoren kann die Bildung dieser unerwünschten Auftragmängel kontrolliert, Art und Weise minimiert oder beseitigt werden. Die Köthener Spezialdichtungen GmbH (KSD) aus Kleinwülknitz hat ein System entwickelt, das dieses Wissen nutzt, um ein optimiertes Auftragkonzept zu modellieren und abzuscheiden, einschließlich der automatischen Auswahl der richtigen Mischung aus Auftragpulvern. Ihr Rapid Laser-Materials-Manufacturing-System (R:LM²) besteht aus drei Hauptfunktionselementen: ein Materialmischungssystem, ein Mini-Schmelzofen und ein Abscheidungskontrollsystem.

Zum Materialmischungssystem gehören verschiedene Auftragpulver und ein Computer, der mit Material-Simulationssoftware ausgestattet ist. Der Mini-Schmelzofen umfasst einen Faserlaser und eine abgedichtete Prozesskammer mit einer Fokussierungsoptik, eine Pulverabgabedüse, ein Bewegungssystem, ein Pyrometer und eine Prozessüberwachungskamera. Das Abscheidungskontrollsystem verfügt über einen Computer, auf dem CAD-CAM- und FEM-Simulationssoftware laufen.

Das R:LM² nutzt die Möglichkeit, eine Vielzahl verschiedener Aufträge durch Kombination einer begrenzten Anzahl Metallpulver in verschiedenen Verhältnissen erstellen können. Um das richtige Set-up für eine bestimmte Anwendung zu wählen, werden die Anforderungen des Kunden, die gewünschten mechanischen und chemischen Eigenschaften des Auftrags (zum Beispiel Korrosionsbeständigkeit) ins System eingegeben. Dann verwendet das Material-Simulationsprogramm Phasendiagramme, um die optimale anforderungsgerechte Kombination aus verfügbaren Auftragmaterialien zu berechnen.

Die FEM-Simulationssoftware im Abscheidungskontrollsystem nimmt diese Rezeptur und bestimmt die Auftragsparameter, einschließlich Pulverzufuhrrate, Laserleistung, Gaszusammensetzung und Prozesstemperatur, die notwendig sind, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Innerhalb der abgedichteten Prozesskammer wird das Metallpulver auf das Werkstück durch eine Düse aufgesprüht und dann durch den Laser aufgeschmolzen.

Die genaue Form der Auftragfläche wird durch die Bewegung der Düse und des Laserstrahls mittels CAD-CAM-Software-Steuerung definiert. Das Abscheidungskontrollsystem, eine geschlossene Schleife, überwacht die Größe und Lage der Auftragfläche mit der Prozesskamera sowie die Prozesstemperatur mit dem Pyrometer und stellt automatisch die Parameter je nach Notwendigkeit ein, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Durch das R:LM² produzierte Aufträge zeichnen sich durch eine dramatisch feinere Karbidkornstruktur als herkömmliche Laserauftragschweißungen aus. Diese Beschichtungen sind frei von Poren oder Rissen und können Härtegrade von 68 HRC erreichen. Ferner bietet das System auch das Potenzial, die Kosten des Auftrags deutlich zu reduzieren. Statt teure Auftragmaterialien wie Nickellegierungen zu verwenden, erhält das R:LM² ähnliche Ergebnisse mit einer benutzerdefinierten Kombination aus weniger teuren Eisenlegierungen.

Faserlaser sind eine gute Ergänzung für die Anforderungen des R:LM²-Prozesses, weil sie die erforderliche hohe Leistung (ungefähr 800 W) und Wellenlängen auf nahezu Infrarotebene bieten.

Faserlasertechnologie zum Auftragschweißen

Mit der ersten Generation von Faserlasern auf der Basis einzelner Emitter-Laserdiodenpumpen werden die zahlreichen Pumpdioden meist per Spleißen von Lichtleitern miteinander verbunden, um die Stabilität zu maximieren. Zwar ist dieser monolithische Aufbau des Lasers im Allgemeinen robust, aber auch besonders anfällig für Schäden durch Rückreflexionen. Somit muss eine Art optischer Isolator verwendet werden, wenn reflektierende Metalle verarbeitetet werden, wie Kupfer und Messing. Der monolithische Aufbau mit den gespleißten einzelnen Fasern des Lasers verhindert, dass diese Laser vor Ort gewartet werden können; sogar leicht beschädigte Komponenten erfordern, den gesamten Laser zur Reparatur in die Fabrik zurückzuschicken.

Coherent hat einen neuartigen, modularen Weg zur zweiten Generation des Faserlaserkonzepts eingeschlagen, der auf Diodenlaserbarren als Pumpquellen anstatt Einzelemittern (monolithisch) basiert. Das Licht dieser Pumpbarren wird in die Verstärkungsfaser (Active Fiber) mit einem Strahlkombinierer aus diskreten optischen Elementen eingeführt. Der gleiche Strahlkombinierer kollimiert die Laserstrahlung der Verstärkungsfaser und koppelt dieses effizient in die Bearbeitungsfaser (Delivery Fiber) ein.

Der Aufbau des Strahlkombinierers verhindert, dass ›Rückreflexionen‹ die Pumpdiodenlaserbarren erreichen. Zusammen mit dem Fehlen schadensanfälliger Spleißstellen macht das dieses Konzept immun gegen Schäden durch Rückstreuungen.

Der modulare Ansatz ermöglicht auch die Wartung vor Ort und Flexibilität, da er dem Endbenutzer ermöglicht, die gelieferte Faser in wenigen Minuten auszutauschen: entweder, um die Laserausgangsstrahleigenschaften zu ändern, oder den am meisten gefährdeten Teil des Lasersystems zu ersetzen, wenn dieser durch übermäßig grobe Nutzung beschädigt wird. Darüber hinaus können die anderen modularen Komponenten, wie der Pumpdiodenbarren und sogar die Verstärkungsfaser, bei Bedarf auch alle vor Ort ersetzt werden.

Das heißt, ein neues, automatisiertes System für Laserauftragschweißen vereinfacht das Verfahren und macht es kostengünstiger, indem es die Verwendung weniger kostspieliger Eisenlegierungen ermöglicht. Zusammen mit einer Faserlaserquelle, die gegen Schäden durch ›Rückreflexionen‹ immun und auch leichter zu warten ist, sollte es dazu beitragen, das Laserauftragschweißen und die Laseradditivherstellung einem breiteren Markt zugänglich zu machen.

Euroblech Halle 11, Stand A02

Erschienen in Ausgabe: 06/2016