capilla Schweißmaterialien GmbH
Laserauftragschweißen
Was ist Laserauftragschweißen eigentlich und welche Verfahren kommen bei capilla im Laserkompetenzzentrum LKZ zum Einsatz?
Der Einsatz von Laserstrahlung ist in der Materialbearbeitung für Prozesse wie messen, tasten, selektieren, gravieren, schneiden, reinigen, schweißen, härten und viele weitere Verfahren bereits seit vielen Jahren Stand der Technik.
Für den Einsatz in der Schweißtechnik spricht zum einen, die minimale Beeinträchtigung der Bauteilgeometrie und zum anderen die minimale thermische Beeinträchtigung der zu schweißende Werkstoffe. Durch die fokussierte Energiezufuhr und damit einhergehende minimale Veränderung des Grundwerkstoffs zeichnet sich das Verfahren „Laserauftragschweißen“ u.a. durch minimalen Verzug aus.
Im Folgenden betrachten wir die aktuell bei capilla präferierten Verfahren
* capiClad 3D W-LC – Laserdrahtauftragschweißen
* capiClad 3D P-LC – Laserpulverauftragschweißen
* capiClad Hybrid 3D PW-LC – Laserdraht und Laserpulverauftragschweißen
Wie funktioniert das sog. LMD/DED Laserauftragsschweißen eigentlich?
Das Verfahren basiert auf der punktuellen Energiezufuhr per Laserstrahl. Diese Laserstrahlen erzeugen an der Oberfläche des Grundwerkstoffes ein lokales Schmelzbad, in das ein oder mehrere Pulver- oder Füll- respektive Massivdrähte zentral zugeführt und aufgeschmolzen werden.
Das Laserschweißen zeichnet sich dank des energieintensiven Laserstrahls u.a. durch eine sehr hohe Schweißgeschwindigkeit, einen sehr geringen thermischen Verzug im Bauteil aus.
Es wird daher bei hochpräzisen Anwendungen im Werkzeugbau, in der Automobilindustrie, im Stahlbau, im Schiffbau, in der Luft- und Raumfahrt sowie in vielen weiteren Branchen eingesetzt.
Durch die 2D und 3D-Bewegung der Optik und Düse ergeben sich Schweißbahnen, sog. Schweißraupen, auf dem zu beschichtenden Bauteil. Im Gegensatz zu Lichtbogenprozessen wie beispielsweise PTA oder konventionalen Beschichtungen werden dem Draht oder dem Pulver absichtlich zugeführte Sonderkarbide nicht durch die hohe Temperatur eines Lichtbogens zerstört.
Diese sog. Pseudolegierungen oder Karbide der Werkstoffe werden in einem Schmelzbad des Grundkörpers und der Pulvermatrix i.d.R. unbeschädigt und homogen durch den pneumatischen oder mechanischen Förderweg eingebettet.
Im direkten Vergleich mit den im thermischen Spritzverfahren hergestellten Schutzschichten ist die Anbindung zum Grundwerkstoff schmelzmetallurgisch hergestellt.
Im Vergleich zu konventionellen Schweißprozessen zeichnet sich das Laserauftragsschweißen neben dem schon erwähnten minimalen Energieeintrag auch durch eine sehr geringe Aufmischung zum Werkstoff aus. Hierdurch entsteht ein viel geringerer Härteverlust der Legierung als beim gewöhnlichen PTA-Schweißen und deutlich kleiner als bei konventionellen Schweißverfahren.
Ein weiterer Vorteil einer Laserstrahlquelle gegenüber u.a. dem PTA-Prozess ist, dass beim Laserprozess nicht mit einem übertragenden Lichtbogen geschweißt und gearbeitet wird und demnach dem Pulver oder dem Fülldraht zusätzlich zugeführte Karbide nicht im Lichtbogen bei den hohen Temperaturen in Lösung gehen, sondern erhalten bleiben.
Erwähnenswert ist zudem, dass eine Vielzahl der Schweißpositionen im Laserprozess auch in Zwangslagen geschweißt werden können und ein sehr präziser und endkonturnaher Lagenaufbau möglich ist.
Darüber hinaus sind Werkstoffe, die oftmals aufgrund Ihres hohen Kohlenstoffgehaltes in der Praxis gemeinhin mit konventionellen Schweißverfahren als nicht schweißbar eingestuft werden, ggf. durch den punktuellen energieintensiven Laserstrahl, auch ohne hohe Vorwärmung mittels Laser problemlos schweißbar.
Zusammenfassend lässt sich über das Verfahren Laserauftragsschweißen folgendes Fazit ziehen.
Die Schichten zeichnen sich u.a. durch ein endkonturnahes Schweißen, ein reproduzierbares Gefüge, einen Schweißprozess mit hoher Energiedichte und eine minimale jedoch perfekte schmelzmetallurgischer Anbindung zum Grundwerkstoff aus. Die minimale Aufmischung respektive Durchmischung des Schweißzusatzes mit dem Grundmaterial erlaubt im direkten Vergleich zu konventionellen Auftragungen wesentlich geringere Schichtdicken und damit einhergehend einen wesentlich geringeren Härteverlust sowie einen deutlich geringeren Bedarf an Schweißzusatzmaterial.
So ist es üblich, dass bereits gut eingestellte 0,25 – 1,00 mm mit dem Laser ausgeführte Hartauftragsschichten, bereits die geforderten Eigenschaften und die geforderte Härte mitbringt, die konventionelle Schweißverfahren aus dem gleichen oder ähnlichen Legierungssystem erst in der 3-4 Lage respektive bei 4-6 mm erreichen.
Vorteile Laser-Hartauftragungen von karbidischen Pseudolegierungen mittels Laser.
Da das Prozessfenster für diesen Schweißprozess sehr klein, jedoch gesteuert ist, ist die Gefahr entgegen konventionellen Schweißprozessen sehr gering, dass die eingebrachten Karbide durch u.a. den enormen Dichte-. und Gewichtunterschied bis auf den Grund absinken. So entstehen homogene Schichten und eine durch die Schicht hinweg gleichmäßige Karbidverteilung.
Weitere Vorteile sind eine hohe Reproduzierbarkeit, ein hoher Automatisierungsgrad sowie kurze Bearbeitungszeiträume und eine hohe Energieeffizienz. Durch eine sehr geringe Aufmischung wird ein deutlich geringerer Härteverlust und geringerer Verzug der Bauteile erreicht.
Durch dieses Verfahren sind für einen vergleichbaren Einsatzzweck deutlich dünnere Korrosions-, Funktions- oder Verschleißschutzschichten notwendig, als sie bei konventionellen Schweißverfahren erzeugt werden können.
Im direkten Vergleich ist der Verschleißwiderstand einer 1 mm starken Laser-Hartauftragsschicht oftmals deutlich langlebiger als eine 4 – 5 mm starke Auftragsschichten konventioneller Schweißverfahren eines vergleichbaren Legierungssystems. Dadurch wird mit einem deutlich geringeren zusätzlichen Gewicht und einem deutlich geringeren Bedarf an Schweißzusatz gearbeitet.
Reparaturen an defekten Bauteilen sind schnell und ohne großen Aufwand möglich. Beschichtungen können zudem an sehr kleinen und zugleich sehr großen Bauteilen durchgeführt werden. Beschichtungswerkstoffe und Eigenschaften sind kombinierbar.
Bei komplizierten Konturen, in dringenden Fällen oder wenn dringend benötigte Originalteile nicht zu beschaffen sind, ist ein schneller 3D-Druck komplexer Geometrien oder signifikanter Bereiche kurzfristig artgleich möglich.