Hochproduktives Laser-Auftragschweißen mit Pulver und Draht

Die Lasertechnologie ermöglicht einen präzisen, konturgetreuen Auftrag maßgeschneiderter Schichten und 3D-Strukturen für Anwendungen im Oberflächen- und Reparaturbereich, und sie ist als leistungsfähiges Basisverfahren für die unterschiedlichsten Materialkombinationen industriell eingeführt. Der niedrige energetische Wirkungsgrad und die geringen Auftragraten stehen allerdings Anforderungen an Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit entgegen und limitieren so die Einsatzmöglichkeiten besonders im Bereich der Flächenbeschichtungen. Der im Vorhaben verfolgte Lösungsansatz sieht eine Bilanzaufteilung der zugeführten Energien in geringer effiziente Laser- und andere, höher effiziente Energieformen vor. Hierbei existieren zwei grundsätzlich unterschiedliche Varianten der Energiequellenkombina tion. Bei der ersten Variante wird das Schweißgut in geeigneter Weise durch elektrische oder autogene Erwärmung simultan zum Laserprozess bis kurz unterhalb der Schmelztemperatur erwärmt und zentrisch in der Laserstrahlachse dem Schmelzbad zugeführt. Repräsentative Anwendungsbeispiele für die Laser-Induktions-Hybridvariante sind große zylindrische Bauteile, wie sie zum Beispiel im Offshore- Bereich oder auch bei Schleusen-Toren eingesetzt werden, und die dem korrosiven Angriff von Meereswasser ausgesetzt sind. Zum Korrosionsschutz dieser Stahl-Zylinder wird üblicherweise die Nickel-Basislegierung INCONEL 625 eingesetzt. Die Motivation für das Laserverfahren ergibt sich in erster Linie aus den erreichbaren geringen Aufmischungsgraden und der damit verbundenen höchstmöglichen Korrosionsbestä ndigkeit und mechanischen Belastbarkeit. Gleichzeitig sichert die schmelzmetallurgische Bindung zwischen Schicht und Substrat die erforderliche hohe Haftfestigkeit. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bestand das Ziel der Prozessentwicklung in einer Steigerung der Aufragrate bei gleichzeitigem Erhalt der lasertypischen Schichtqualität Als Strahlquelle wurde ein fasergekoppelter Diodenlaser mit 10 kW Ausgangsleistung eingesetzt. Die Fokussieroptik wurde für einen Brennfleckdurchmesser von 9,4 mm ausgelegt. Mit diesem Spot war eine hohe Pulverausnutzung >90 % auch bei dem für die hohen Laserleistungen erforderlichen großen Arbeitsabstand Düse-Werkstück von 25 mm möglich. Als Induktionsquelle stand ein Mittelfrequenz-Generator mit einer maximalen Leistung von 80 kW zur Verfügung. Die Ausl egung der verwendeten Induktoren erfolgte simulationsgestützt für die jeweilige Proben- und Bauteilgeometrie. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass auch die Laser-Autogen- Kombination Potential zur Einsparung von Laserleistung und Steigerung der Produktivität besitzt. Unter optimalen Brennerbedingungen entspricht die Schichtqualität hinsichtlich Raupengeometrie und Aufmischgrad dem erwarteten Niveau. Bezüglich der Pulverausnutzung konnten jedoch die Werte des Laser-Pulver-Auftragschweißens nicht erreicht werden, was auf Charakteristik des Pulverteilchenstrahls aus dem Autogenbrenner zurück zu führen ist.