1. Einführung in die Laserauftragschweißtechnologie

Die Laserauftragschweißtechnologie bietet gegenüber anderen Oberflächenbearbeitungsverfahren erhebliche Vorteile, darunter ein breites Anwendungsspektrum, hohe Prozessanpassungsfähigkeit und große Flexibilität. Mit Laserauftragschweißen lassen sich Legierungsbeschichtungen mit spezifischen Funktionen wie Verschleiß-, Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit auf Bauteiloberflächen erzeugen. Diese Beschichtungen bilden metallurgische Verbindungen mit dem Substrat und erzeugen so dichte, hochleistungsfähige Verstärkungsschichten, die die Lebensdauer der Bauteile deutlich verlängern. Die Dicke der Laserauftragschweißschichten kann bis zu 10 mm erreichen (vergleichbar mit dem PTA-Schweißen, jedoch mit deutlich höherer Haftfestigkeit). Im Gegensatz zum Plasmaspritzen und anderen Verfahren ermöglicht das Laserauftragschweißen eine präzisere Wärmezufuhrkontrolle, wodurch die Verformung des Werkstücks minimiert wird.

Beim Laserauftragschweißen handelt es sich jedoch um einen schnellen Schmelz- und Erstarrungsprozess, bei dem das Schmelzbad innerhalb kürzester Zeit starken Temperaturschwankungen unterliegt. Dies führt zu thermischen Spannungskonzentrationen, die leicht zu Rissen in der Beschichtung führen können. Die Arten und Ursachen dieser Risse sind folgende:

2. Arten von Rissen und ihre Ursachen

1. Kaltrissbildung (entsteht während der Abkühlung)

Kaltrisse treten vorwiegend während der Abkühlphase des Beschichtungsprozesses auf. Sie werden durch thermische Spannungen verursacht, die aufgrund des Temperaturgradienten zwischen Schmelzbad und Substrat die Zugfestigkeit des Materials überschreiten. Zur Behebung dieses Problems werden üblicherweise folgende Maßnahmen ergriffen:

• VorwärmbehandlungDurch das Vorwärmen des Substrats vor dem Laserauftragschweißen lässt sich der Temperaturgradient effektiv reduzieren und die Abkühlgeschwindigkeit verlangsamen. Dadurch werden thermische Spannungen verringert und Risse vermieden. Die Vorwärmtemperatur muss jedoch präzise gesteuert werden. Ist sie zu hoch, kann dies zu einer Überhitzung des Substrats, Kornvergröberung oder sogar zu Bauteilverformungen führen, was die Maßgenauigkeit beeinträchtigt.
• ÜbergangsschichtdesignDurch das Hinzufügen einer Zwischenschicht, die sowohl mit dem Substrat als auch mit der Deckschicht kompatibel ist, lassen sich Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten abbauen und die Rissbildung verringern. Obwohl diese Methode effektiv ist, erhöht sie die Prozesskomplexität und die Herstellungskosten.

2. Heißrissbildung (entsteht während der Erstarrung)

Heißrisse treten im Allgemeinen gegen Ende der Erstarrungsphase der Schmelze auf. Zu den Hauptursachen zählen:

• Schlacke und nichtmetallische EinschlüsseEnthält das Legierungspulver einen signifikanten Anteil nichtmetallischer Bestandteile (wie Schwefel, Phosphor oder niedrigschmelzende Verunreinigungen), schmelzen diese möglicherweise nicht vollständig oder steigen aus dem Schmelzbad auf. Sie können in der erstarrten Struktur eingeschlossen werden und unter Belastung zu Rissen führen.
• Fehlende ProzessparameterSind Parameter wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Pulverförderrate nicht optimal eingestellt, hat das Schmelzbad möglicherweise nicht genügend Zeit zu reagieren oder nichtmetallische Bestandteile können nicht abscheiden. In solchen Fällen sollte die Laserleistung entsprechend erhöht oder die Scangeschwindigkeit reduziert werden, um die Verweildauer des Schmelzbads in der flüssigen Phase zu verlängern. Dies erleichtert das Aufsteigen von Verunreinigungen und das Entweichen von Gasen und verringert somit das Risiko von Heißrissen.

3. Bearbeitungsrisse (entstanden während der Nachbearbeitung)

Laserauftragschweißschichten können bei Nachbearbeitungsvorgängen wie Drehen oder Fräsen auch mechanische Risse entwickeln. Die Auftragschweißschicht enthält häufig harte und spröde Phasen (wie Karbide und Boride), die bei zu hohen Schnittkräften oder ungeeignetem Werkzeug zu lokaler Spannungskonzentration und in der Folge zu Mikrorissen oder sogar makroskopischen Abplatzungen führen können. Um dies zu vermeiden, sollten die folgenden Bearbeitungsverfahren optimiert werden:

• Geeignete Schneidwerkzeugmaterialien und geometrische Winkel auswählen.
• Schnitttiefe und Vorschubgeschwindigkeit steuern.
• Um die Schnitttemperaturen und -kräfte zu reduzieren, sollten Sie auf minimale Schmierung oder Kühlmethoden mit niedrigen Temperaturen setzen.

3. Zusammenfassung und Lösungen

Rissbildung in Laserauftragschweißbeschichtungen ist das Ergebnis des Zusammenwirkens von Materialeigenschaften, Prozessparametern und Spannungszuständen. Greenstone-Tech empfiehlt einen umfassenden Ansatz zur Risskontrolle während der Applikation, der Folgendes umfasst:

• Auswahl von LegierungspulvernDie Wahl des richtigen Legierungspulvers, das den gewünschten Leistungsanforderungen entspricht und das Risiko von Rissen verringert.
• Prozessparameteroptimierung: Anpassung von Parametern wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Pulverförderrate, um gleichmäßige und qualitativ hochwertige Beschichtungen zu gewährleisten.
• Vorwärm- und Nachbehandlungsstrategien: Durch Vorwärmen vor dem Beschichten und Nachbehandlungsverfahren wie Wärmebehandlung können innere Spannungen abgebaut und die Materialeigenschaften verbessert werden.
• BearbeitungskoordinationOptimierung der Nachbearbeitungsprozesse zur Reduzierung mechanischer Spannungen und zur Vermeidung von Rissen.

Durch die systematische Kontrolle dieser Faktoren ist es möglich, Rissbildung effektiv zu unterdrücken und vollständige, dichte und leistungsstarke Deckschichten zu erzielen.