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Experimentelle und modelltheoretische Untersuchungen zum Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen

Experimental and Model-theoretical Investigations on Extreme High-speed Laser Material Deposition
 
: Schopphoven, Thomas
: Poprawe, R.; Zäh, M.

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Volltext urn:nbn:de:0011-n-5934443 (5.8 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: f4a740ba630f0a8a349ccb29d64da147
Erstellt am: 1.7.2020

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Stuttgart: Fraunhofer Verlag, 2020, 105 S.
Zugl.: Aachen, Univ., Diss., 2019
ISBN: 978-3-8396-1587-4
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer ILT ()

Abstract
Das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA) ist eine neue Verfahrensvariante des Laserauftragschweißens (LA) mit pulverförmigen Zusatzwerkstoffen. Bei dieser Prozessführung wird das Pulver nicht wie beim LA durch den Kontakt mit der Schmelze geschmolzen, sondern durch die Laserstrahlung bereits oberhalb der Substratoberfläche aufgeschmolzen und damit dem Schmelzbad flüssig zugeführt. Dadurch entfällt die erforderliche Zeit zum Aufschmelzen der Partikel im Schmelzbad, wodurch die erreichbare Vorschubgeschwindigkeit von wenigen Metern pro Minute auf bis zu einige Hundert Meter pro Minute vergrößert werden kann. Nach aktuellem Stand der Technik existieren für die Prozessführung beim EHLA jedoch bislang keine Werkzeuge bzw. Methoden, mit denen die prozessrelevanten Einflussgrößen wie Transmissionsgrad, Partikelerwärmung im Strahlengang, Erwärmung des Substrates und Spurbildung beschrieben werden können. Demzufolge liegt bislang auch kein ausreichendes Prozessverständnis vor, um die technologischen Grenzen des EHLA-Verfahrens, z. B. hinsichtlich erreichbarer Vorschubgeschwindigkeit oder Spurbildung abschätzen zu können und durch Verschieben der Prozessgrenzen zukünftig die Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens für die Produktion nachhaltig zu vergrößern. Übergeordnetes Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Erarbeitung der Grundlagen für das EHLA-Verfahren, die eine Skalierbarkeit ermöglichen und prinzipiell begrenzen. Dazu werden zunächst die Werkzeuge für das EHLA, der Pulver-Gas-Strahl und die Laserstrahlung, experimentell charakterisiert und mit einem mathematischen Modell beschrieben, dessen Annahmen aus experimentellen Beobachtungen abgeleitet werden. Damit können die physikalischen Prozesse des EHLA-Verfahrens in Abhängigkeit der Einstellungen für die Pulverförderung (Kornfraktion, Pulvermassenstrom etc.), des Arbeitsabstandes, der Laserleistung und der Vorschubgeschwindigkeit erstmalig vollständig beschrieben werden. Auf Basis des gesteigerten Prozessverständnisses wird experimentell und modelltheoretisch gezeigt, dass die Erzeugung einer Schmelze vor dem Kontakt mit den schmelzflüssigen Partikeln keine notwendige Voraussetzung zur Herstellung metallurgisch angebundener Schichten ist. Das Substrat muss durch den transmittierten Strahlungsanteil nur so weit vorgewärmt werden, dass der zusätzliche Energieeintrag der geschmolzenen Pulverpartikel ausreichend ist, um durch die Temperaturerhöhung infolge des Wärmekontaktes selbst bei einem vorher festen, noch nicht geschmolzenen Substrat eine schmelzmetallurgische Verbindung an der Oberfläche auszubilden. Diese im Rahmen der Arbeit erstmalig beschriebene neue Prozessvariante wird als „Extremes HochgeschwindigkeitsLaserschmelzspritzen“ (MELT-X) bezeichnet. Da beim MELT-X- gegenüber dem EHLA-Verfahren bei ansonsten gleichen Voraussetzungen (Transmissionsgrad, Partikelerwärmung etc.) eine geringere Laserleistung benötigt wird, kann die erreichbare Vorschubgeschwindigkeit weiter vergrößert und die bisherige Prozessgrenze beim EHLA-Verfahren überwunden werden.

 

Extreme High-speed Laser Material Deposition (German acronym EHLA) is a new approach to Laser Material Deposition (German acronym: LA) with powdery additive materials. In this approach, the powdery additive material is melted above, rather than upon contact with the melt pool as with the conventional approach, and is thus supplied to the melt pool in liquid form. This eliminates the time required to melt the particles in the melt pool and allows the achievable feed rate to be increased from a few meters per minute to up to several hundred meters per minute. Up to now, however, there are no tools or methods available to describe the process-relevant factors that influence the process layout of EHLA, such as degree of transmission, particle-heating in the beam path, heating of the substrate and track formation. Consequently, there is no sufficient understanding of the process to estimate the technological limitations of the EHLA process in terms of achievable feed rate or track formation and to shift the process limits in the future to sustainably increase the application range of the process for production. The overall objective of the present work is therefore to develop the fundamentals of the EHLA process, which enable as well as principally limit the scalability of the process. First, the tools for the EHLA, the powder gas jet and the laser radiation, are characterized experimentally and described with a mathematical model. The model’s assumptions are derived from experimental observations. This allows to completely describe the physical process of EHLA for the first time as a function of the settings for powder feed (grain fraction, powder mass flow, etc.), working distance, laser power, and feed rate. Based on this enhanced breakdown of the process, this study demonstrates both experimentally and model-theoretically that the formation of a melt pool prior to contact with the molten particles is not a necessary condition for the production of metallurgically bonded layers. The substrate must be preheated by the transmitted radiation only to the extent that the energy input of molten powder particles is sufficient to form a metallurgical bond on the surface, even in the case of a solid, not yet molten substrate. This new process layout is called “Extreme High-speed Laser Melt Spraying” (MELT-X). Since MELT-X requires lower laser powers than the EHLA process, the achievable feed rate can be further increased, assuming otherwise identical conditions (degree of transmission, particle heating, etc.), and existing limits to the EHLA process can be overcome.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-593444.html