Abstrakt
In diesem Beitrag werden die grundlegenden Prinzipien, die Prozessmerkmale und die spezifischen Anwendungen der Laserstrahl-Auftragschweißtechnologie bei der Reparatur von Dieselmotor-Kurbelwellen vorgestellt. Am Beispiel der Reparatur des aktiven Getriebewellenhalsverschleißes in der Kurbelwelle des Schiffsdieselmotors G6190ZLLCZZ-3R wird der gesamte Prozess detailliert beschrieben, einschließlich der Datenerfassung, der Fehlererkennung, der Vorwärmbehandlung, des Laserauftragschweißens, der Wärmeisolierung und Kühlung, der anschließenden Bearbeitung, des Polierens, der Reinigung und der Qualitätsprüfung. Das Laserstrahl-Auftragschweißen bietet Vorteile wie eine niedrige Verdünnungsrate, eine hohe Haftfestigkeit und eine minimale thermische Verformung, so dass es sich für die Reparatur von hochpräzisen, hochbelasteten Bauteilen wie Kurbelwellen eignet und ein ausgezeichnetes wirtschaftliches und wirtschaftliches Potenzial aufweist.

1. Einleitung
Dieselmotoren sind als effiziente Antriebsaggregate in Schiffsantrieben und Stromerzeugungssystemen weit verbreitet. Die Kurbelwelle ist das Kernstück eines Dieselmotors. Sie wandelt die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung um und überträgt das Drehmoment über das aktive Getriebe auf Nebenaggregate wie die Kraftstoffpumpe und die Ölpumpe. Bei längerem Betrieb sind Kurbelwellen anfällig für Verschleiß, insbesondere am Wellenhals des Aktivgetriebes, was ein hohes Maß an Reparaturpräzision erfordert und hohe Kosten verursacht. Das Laserstrahl-Auftragschweißen ist ein Verfahren zur Oberflächenveredelung, bei dem ein Laserstrahl das Auftragschweißmaterial und die Substratoberfläche zum Schmelzen bringt und anschließend schnell erstarrt, um eine metallurgische Verbindung herzustellen. Dieses Verfahren bietet mit seiner dichten Beschichtung, der starken Bindungskraft und der breiten Materialanwendbarkeit einen neuen Weg für die Kurbelwellenreparatur.

2. Verfahren und Merkmale der Laserstrahl-Auftragschweißtechnologie
Es gibt zwei Arten von Laserstrahl-Auftragsschweißverfahren: das vorgelagerte und das synchrone Verfahren. Beim Pre-Deposition-Verfahren wird das Beschichtungsmaterial vor dem Schmelzen mit dem Laser auf die Substratoberfläche aufgebracht, während beim Synchronverfahren das Material während der Laserbestrahlung zugeführt wird, in der Regel in Pulver- oder Drahtform. Die Technologie weist die folgenden Merkmale auf:

Schnelle Abkühlgeschwindigkeit (bis zu 10⁶ K/s), die die Bildung feiner Kristallstrukturen fördert.

Geringe Verdünnungsrate (<5%) und metallurgische Verbindung mit dem Substrat.

Minimaler Wärmeeintrag, wodurch die Verformung des Werkstücks kontrolliert werden kann.

Eine große Auswahl an Plattierwerkstoffen, die das Plattieren von hochschmelzenden Legierungen auf niedrigschmelzenden Substraten ermöglicht.

Ein breiter Bereich von Verkleidungsdicken (0,2-2,0 mm), ideal für örtliche Reparaturen.

Der Prozess lässt sich leicht automatisieren.

3. Sammlung und Vorverarbeitung von Originaldaten der Kurbelwelle
Die zu reparierende Kurbelwelle besteht aus dem Werkstoff QT800-2A, und am Wellenhals des aktiven Getriebes wurde Verschleiß festgestellt (Abschnitt BC in Abbildung 2). Der Außendurchmesser des Wellenhalses wurde gemessen und es wurde festgestellt, dass er von der Standardgröße (Ø1100.180.200.180.20 mm) abweicht und eine ungleichmäßige Abnutzung aufweist. Farbeindringprüfungen und Ultraschalluntersuchungen bestätigten, dass die Oberfläche keine Risse oder andere Defekte aufwies. Die Originalhärte des Wellenhalses wurde mit HRC43 gemessen. Der Wellenhals wurde dann auf Ø109,50 mm gedreht, um Rundheits- und Zylindrizitätsabweichungen zu beseitigen und ihn für die Beschichtung vorzubereiten.

4. Laserstrahl-Auftragschweißverfahren

Vorwärmen: Die Kurbelwelle wird auf eine Drehbank gelegt und langsam gedreht, wobei ein Ofen verwendet wird, um die Reparaturstelle gleichmäßig auf 250 °C zu erhitzen.

Reparatur der Fassade: Ein Halbleiterlaser wird mit einem Draht aus einer Eisenlegierung für das synchrone Beschichten eingesetzt. Während des Prozesses sorgt eine strenge Kontrolle des Temperaturgradienten dafür, dass sich die Plattierungsschicht metallurgisch mit dem Substrat verbindet, ohne Risse oder Porosität.

Wärmedämmung: Nach dem Verkleiden wird die Reparaturstelle mit Wärmedämmwatte abgedeckt und 30 Minuten lang gehalten, bevor sie auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Messung: Die Größe des Wellenhalses nach dem Plattieren beträgt ca. Ø112,10 mm, mit einer Plattierungsschichtdicke von ca. 1,3 mm und 0,95 mm Material für die Bearbeitung. Die Härte des Reparaturbereichs wurde auf HRC47 erhöht.

5. Bearbeitung nach dem Laserstrahl-Auftragschweißen

Bearbeitung: Die Oberfläche der Verkleidung wird durch Drehen auf Ø110,50 mm geglättet.

Schleifen: Das Endmaß wird auf Ø110,20 mm geschliffen, um die Anforderungen an die Presspassung mit dem Getriebe zu erfüllen.

Keilnutverstellung: Die Nutbreite wird von 22,7 mm bis 24 mm und die Tiefe von 4,6 mm bis 5 mm gefräst.

Berechnung der Stärke: Ausgehend von der Nennleistung des Dieselmotors von 440 kW und einer Drehzahl von 1300 U/min wurde die Torsionsschubspannung an der Reparaturstelle auf 7,39 MPa berechnet, was unter der zulässigen Spannung des Materials von 256 MPa liegt und die Betriebsanforderungen erfüllt.

Polieren und Reinigen: Die Reparaturstelle wird mit grüner Polierpaste poliert und mit einem Reinigungsmittel gesäubert.

Inspektion: Die Reparaturstelle wurde mit Farbeindringverfahren und Ultraschall geprüft, wobei keine Mängel festgestellt werden konnten.

6. Schlussfolgerung
Die Technologie des Laserstrahl-Auftragschweißens als effizientes und zuverlässiges Verfahren zur Oberflächenreparatur weist bei der Instandsetzung von Schlüsselkomponenten wie Kurbelwellen erhebliche Vorteile auf. In diesem Beitrag wird ein konkreter Reparaturfall vorgestellt, der die Wirksamkeit der Technologie bei der Wiederherstellung der Abmessungen und der Verbesserung der Oberflächeneigenschaften belegt, wobei sie auch wirtschaftlich tragfähig ist. Mit der Entwicklung der Lasertechnologie wird ihre Anwendung in der Schiffsreparatur und -herstellung voraussichtlich erheblich zunehmen.