Beim Laserauftragsschweißen, einem hochentwickelten Verfahren der Oberflächentechnik, werden Hochenergielaser eingesetzt, um Metallpulver und die Substratoberfläche gleichzeitig zu schmelzen und nach schneller Erstarrung metallurgisch gebundene Legierungsschichten zu bilden. Dieses fortschrittliche Laserauftragsschweißverfahren verleiht den Werkstückoberflächen eine hervorragende Korrosions-, Verschleiß- und Hochtemperaturbeständigkeit und findet daher in verschiedenen industriellen Anwendungen breite Anwendung.

Bei praktischen Anwendungen des Laserstrahl-Auftragschweißens streben die meisten industriellen Anwender Beschichtungen mit hoher Ebenheit an. Je flacher die Oberfläche ist, desto weniger Nachpolieren ist erforderlich, wodurch Metallpulver eingespart und die Produktionskosten erheblich gesenkt werden. Die Ebenheit der Beschichtung beim Laserstrahl-Auftragschweißen wird in erster Linie durch drei Faktoren beeinflusst: die Ebenheit eines einzelnen Beschichtungsdurchgangs, die Dicke eines einzelnen Durchgangs und die Überlappungsrate zwischen benachbarten Beschichtungsdurchgängen.

Einfluss der Spotform auf die Qualität des Laserstrahl-Auftragschweißens

Während des Laserstrahl-Auftragschweißens wirken Oberflächenspannung und Benetzbarkeit des geschmolzenen Metalls zusammen, was je nach Form des Laserspots zu deutlich unterschiedlichen Schmelzspurprofilen führt. Bei der Verwendung kleiner kreisförmiger Spots (3 mm bis 5 mm) für das Laserstrahl-Auftragschweißen bildet die Oberfläche der Schmelzspur typischerweise eine konvexe Form statt der gewünschten flachen Oberfläche. Bei der Verwendung größerer rechteckiger Spots (10 mm-30 mm) hingegen verhindern Faktoren wie die Gleichmäßigkeit der Pulverzufuhr und die Gleichmäßigkeit der Spotintensität, dass die einzelne Beschichtungsschicht die ideale Ebenheit erreicht.

Die kritische Rolle der Überlappungsrate beim Laserstrahl-Auftragschweißen

Beim Laserstrahl-Auftragschweißen müssen sich benachbarte Schmelzspuren bis zu einem gewissen Grad überlappen, ein Parameter, der für die Ebenheit der fertigen Beschichtung entscheidend ist. Die Überlappungsrate (R) wird wie folgt berechnet:
R = D/W × 100%
Wo D ist die Überlappungsbreite und W ist die Breite der einmaligen Ummantelung. Wenn eine Schrittweite d verwendet wird (die Entfernung, die der Laser nach jedem Durchgang zurücklegt), kann die Überlappungsrate wie folgt ausgedrückt werden:
R = (W-d)/W × 100%

Aus der Formel ist ersichtlich, dass die Überlappungsrate umso größer ist, je kleiner die Schrittgröße ist, was bedeutet, dass sich die Schmelzspuren stärker überlappen. Beim Laserstrahl-Auftragschweißen mit rechteckigen Punkten liegt die Überlappungsrate in der Regel unter 50%. Eine hohe Überlappungsrate kann sich negativ auf die Effizienz des Auftragschweißens auswirken, während eine Rate von weniger als 50% zu Schwankungen in der Schichtdicke führt.

Leistungsvergleich zwischen kreisförmigen und rechteckigen Spotgrößen beim Laserauftragschweißen

Nehmen wir an, die Dicke der Beschichtung pro Durchgang beträgt 1 mm. Bei dem Verfahren mit rechteckigen Spots beträgt der dünnste Teil der Beschichtung etwa 1 mm, während der dickste Teil theoretisch 2 mm erreichen kann (in der Praxis etwas weniger). Daher kann es bei langen rechteckigen Spots schwierig sein, die hohen Anforderungen an die Ebenheit von Beschichtungen zu erfüllen.

Im Gegensatz dazu weist das Laserstrahl-Auftragschweißen mit kreisförmigen Spots von 3-5 mm Größe einen deutlichen Vorteil auf. Das Prinzip dahinter ist ein anderes als bei rechteckigen Spots: Rechteckige Spots erreichen die erforderliche Auftragschweißdicke typischerweise durch eine einzige Schicht (oder höchstens zwei), während die Dicke des Laserauftragschweißens mit kreisförmigen Spots von 3-5 mm durch mehrere überlappende Schichten erreicht wird.

Bei einem kreisförmigen Spot von 5 mm Durchmesser und einer Schrittweite von 1 mm (Überlappungsrate von 80%) sind für eine 1 mm dicke Beschichtung beispielsweise fünf Schichten mit 0,2 mm dicken Schmelzspuren erforderlich. Diese Mehrschichtigkeit ist ein wesentlicher Unterschied zwischen dem Laserstrahl-Auftragschweißen mit kleinen kreisförmigen Flecken und dem Laserstrahl-Auftragschweißen mit rechteckigen Flecken.

Effektivität des Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißens in der Praxis

Durch die Anwendung des Laserstrahl-Auftragschweißverfahrens mit 3-5 mm großen kreisförmigen Punkten kann eine außergewöhnlich hohe Ebenheit (unter 10 Mikrometer) erreicht werden. Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse der Ebenheitsprüfung von Beschichtungen, die von Zhongke Zhongmei mit 3-5 mm großen kreisförmigen Punkten hergestellt wurden und deren Ebenheit ein hervorragendes Niveau von Ra5-6μm erreichte.

Schlussfolgerung: Optimierung der Spotauswahl für das Laserstrahl-Auftragschweißen

Auf der Grundlage der obigen Analyse kann eine klare Schlussfolgerung gezogen werden: Bei Anwendungen des Laserauftragschweißens, die eine hohe Ebenheit erfordern, sind die Form und die Größe des Laserspots kritische Prozessparameter. Das Laserauftragsschweißen mit einem kreisförmigen Spot von 3-5 mm erreicht die geforderte Schichtdicke durch hohe Überlappungsraten und Mehrfachschichten, was es zur besten Wahl für Beschichtungen mit hoher Ebenheit macht. Für Laserauftragsschweißanwendungen, bei denen die Qualität der Beschichtung und die anschließenden Bearbeitungskosten im Vordergrund stehen, sind runde Spots zweifellos die beste Option.

Bei spezifischen Laserstrahl-Auftragschweißprojekten sollten die Ingenieure den Spot-Typ und die Prozessparameter auf der Grundlage von Faktoren wie Werkstückanforderungen, Produktionseffizienz und wirtschaftlichen Erwägungen auswählen, um sicherzustellen, dass die Qualität des Laserstrahl-Auftragschweißens ihren optimalen Zustand erreicht.