Weltweit steht das gängige Verfahren des Hartverchromens unter einem immer stärkeren gesetzlichen Regulierungsdruck, besonders in der Europäischen Union. Die neue High-Speed-Variante des Laserauftragschweißens (Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen) bietet sich als wirtschaftliches und sicheres Verfahren, nicht nur als Alternative für das Hartverchromen, an, soweit einige Voraussetzungen bezüglich des Substrats vorliegen.
Ein noch junges, aber vielversprechendes Verfahren für die Herstellung von hochbeanspruchten Oberflächen ist das Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen. Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung des Laserauftragschweißens (LMD) durch das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und der RWTH Aachen University. Der wesentliche Unterschied zum herkömmlichen Laserauftragschweißen besteht darin, dass der Laserstrahl die Pulverpartikel schon vor dem Auftreffen auf das Werkstück nahezu aufschmilzt und nicht erst auf dessen Oberfläche (Abb. 1). Entscheidend für die Qualität der Beschichtung und insbesondere für die Wirtschaftlichkeit des Prozesses ist die Technologie der Düse.
Abb. 1: Der Laserstrahl schmilzt das Pulver über der Verbindungszone (dem sogenannten Schmelzbad) auf, wodurch sich unter anderem besonders hohe Aufbauraten und Bearbeitungsgeschwindigkeiten erzielen lassen, wie auch der schematische Vergleich zwischen konventionellem Laserauftragschweißen (links) und Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen erkennen lässt
Das neu entwickelte Trumpf-Equipment mit und rund um die Düse verhilft der Technologie zu neuen Einsatzmöglichkeiten. Dies lässt sich an einer Reihe von positiven Eigenschaften erkennen.
Mittels Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißens können Schichtdicken auf 25 µm bis 300 µm je Einzelschicht reduziert werden. Bisher lagen die Schichtdicken bei Werten um 500 µm.
Die aufgetragenen Schichten zeichnen sich im Vergleich zum klassischen Laserauftragschweißen durch eine geringe Oberflächenrauheit von Rz = 10 µm bis 20 µm aus. Die Oberfläche ist nach dem Auftrag nahezu glatt und benötigt keine oder nur eine geringfügige Nachbearbeitung je nach Applikation, beispielsweise als Verschleißschutz auf Bremsscheiben (Abb. 2).
Abb. 2: Durch Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen beschichtete Bremsscheibe
Die Wärmeeintragszone bemisst lediglich 5 µm bis 10 µm. Das erlaubt es erstmals, auch temperaturempfindliche Materialien wie Aluminium oder Gusseisenlegierungen gegen Verschleiß durch schmelzmetallurgisch angebundene Schichten zu schützen.
Der Vorteil der Werkstoffkombination beim Laserauftragschweißen bleibt bei der High-Speed-Variante erhalten (Abb. 3). Im Gegensatz zum galvanischen Hartverchromen oder dem thermischen Spritzen erzeugt das Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen durch das Verschmelzen eine stoffschlüssige Verbindung ohne Risse und Poren. Die Schicht kann nicht abplatzen und zeigt sich in diesem Hinblick auf lange Sicht und bei hohen Belastungen qualitätsstabil.
Abb. 3: Im Querschliff einer mittels Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen hergestellten Beschichtung ist die stoffschlüssige Verbindung zu erkennen; auf Guss entsteht mit einer Haftschicht aus Nickel ein hervorragender Verschleißschutz durch Wolframkarbide in einer Edelstahlmatrix, wie er beispielsweise bei Bremsscheiben eingesetzt werden kann
Zudem werden beim Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen keine Chemikalien eingesetzt und der Energieeinsatz ist verhältnismäßig klein.
Unter ökonomischen Gesichtspunkten ist die hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit der interessanteste Parameter: Mit Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 500 m/min sind Flächenraten von bis zu 1000 cm2/min möglich, so dass sich das Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen auch zur wirtschaftlichen Beschichtung von Großbauteilen eignet. Die Vorschubgeschwindigkeiten liegen beim konventionellen Laserauftragschweißen bei maximal 2 m/min. Die hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten lassen sich besonders leicht bei rotationssymmetrischen Bauteilen wie Hydraulikzylindern oder Arbeitswalzen aufgrund einer guten Werkstückführung erzielen.
Auch ist der Pulverwirkungsgrad beim Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen mit bis zu 90 % hoch.
Versuche zeigen, dass das Hochgeschwindigkeitsauftragschweißen derzeit technologisch, qualitativ und wirtschaftlich ein attraktives Verfahren zur Erzeugung eines effektiven Verschleiß- und Korrosionsschutzes ist. Insbesondere die hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit unterstützt bei Einsatz von entsprechenden Anlagen die Anwendung bei hohen Stückzahlen beziehungsweise Losgrößen, vorzugsweise bei rotationssymmetrischen Teilen (Abb. 4).
Abb. 4: Durch Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen beschichtete Welle, bestehend aus einem Stahlsubstrat und einer Schicht aus Inconel 718
Abb. 5: Bei dem Querschliff einer Beschichtung mittels Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen sind die stoffschlüssige Verbindung und die Werkstoffkombination zu erkennen. Das Substrat ist Stahl, die Schicht besteht aus Stahl und Bronze
Moderne Anlagen mit der neuen Düsentechnik von Trumpf bieten die Möglichkeit, in einem Arbeitsgang unterschiedliche Werkstoffe nebeneinander, also in Zonen mit unterschiedlicher Geometrie, oder in Lagen übereinander aufzutragen (Abb. 5). Dabei wird bei allen Schichtkombinationen eine sehr gute Haftung auf dem Grundwerkstoff sowie ein guter Übergang zwischen parallel angeordneten Schichtzonen sowie horizontal aufgebrachten Schichtlagen erreicht.
Hinweis
Die Trumpf Laser- und Systemtechnik stellt die neue Beschichtungstechnologie auf der Surface Technology Germany 2020 auf dem WOTech-Gemeinschaftsstand aus.
- www.trumpf.com
