Abstract
Gehäuseteile aus Aluminiumlegierungen neigen während der Fertigung und im Betrieb zu Defekten wie Porosität und Rissen, was zu Ausschuss und Ressourcenverschwendung führt. Diese Studie befasst sich mit Bauteilen aus der Aluminiumlegierung ZL105A für die Luft- und Raumfahrt. Dabei wird die im Betrieb entstandene Porosität mittels Laserauftragschweißen mit AlSi10Mg-Pulver repariert. Durch Anpassung der Prozessparameter und metallografische Analysen wurde die Porosität der Beschichtungsschicht unter verschiedenen Bedingungen untersucht. Die optimalen Prozessparameter wurden wie folgt ermittelt: Laserleistung 1.6–1.8 kW, Pulverfördergeschwindigkeit 0.6 U/min, Argon-Gasfluss 4 l/min, Scanabstand 1.2 mm und Scangeschwindigkeit 600 mm/min. Nach der Reparatur erreichte das Bauteil eine Dichte von 98.18 %.

Einführung
Mit der Entwicklung additiver Fertigungstechnologien für Metalle hat sich das Laserauftragschweißen zu einer wichtigen Methode zur Reparatur von Bauteilfehlern entwickelt. Aluminiumlegierungen zeichnen sich jedoch durch geringe Laserabsorption, hohe Wärmeleitfähigkeit und Oxidationsanfälligkeit aus, was – zusammen mit der komplexen Struktur und den dünnen Wandstärken von Gehäuseteilen – die Reparatur erschwert. Ausgehend von den Anforderungen der realen Produktion untersucht diese Studie die Laserauftragschweiß-Reparaturtechnologie für Gehäuse aus Aluminiumlegierungen und leistet damit einen technischen Beitrag zur Wiederaufbereitung wichtiger Luft- und Raumfahrtkomponenten.

Aktuelle Forschung zur Laserauftragschweißtechnologie

Inländische Forschung
Die Forschung zur Laserauftragschweißtechnologie in China begann in den 1990er Jahren und konzentrierte sich hauptsächlich auf die Optimierung der Prozessparameter, die Eigenschaften der Beschichtungsmaterialien und die Anlagenentwicklung. So untersuchten beispielsweise Liu Xiubo et al. den Einfluss der Scangeschwindigkeit auf die Mikrostruktur und Härte der Beschichtungsschicht. Wu Hongliang et al. verwendeten Nickelbasislegierungen zum Laserauftragschweißen der Oberfläche der Titanlegierung TA2 und konnten deren Härte deutlich erhöhen. Wang et al. führten eine systematische Studie der Eigenschaften der Ti₂Ni₃Si/Ni₃Ti-Beschichtungsschicht durch. Chinesische Unternehmen wie Xi’an Bishi und Bolite entwickeln aktiv Laserauftragschweißanlagen. Die derzeitigen Anlagen arbeiten jedoch typischerweise mit einer Leistung von 3000 bis 6000 W und weisen eine begrenzte Beschichtungstiefe auf.

Internationale Forschung
Die Forschung zum Laserauftragschweißen begann im Ausland bereits früher und umfasste Materialeigenschaften und Anlagenentwicklung. So analysierten beispielsweise Ignat et al. den Zusammenhang zwischen Verdünnungsgrad und Prozessparametern. Bernabe et al. verwendeten Al-Si-Pulver zum Auftragschweißen von Magnesiumlegierungen und erzielten so hochharte und korrosionsbeständige Beschichtungen. Ocelik et al. verbesserten die Reibungseigenschaften durch Laserauftragschweißen von TiB₂/Ti-6Al-4V. Unternehmen im Ausland, wie Lasermach in Belgien und Nittany Laser in den USA, haben Anlagen zum Laserauftragschweißen von Innenflächen mit Leistungen von 2000 bis 6000 W und maximalen Bearbeitungstiefen von bis zu 500 mm entwickelt.

Experimentelle Methoden

Ausrüstung und Materialien
Die Versuche wurden mit einem LDM8060-Laserauftragschweißsystem durchgeführt, das mit einem koaxialen Pulverzuführungssystem, einem Fünf-Achs-Bearbeitungstisch und einer Argon-Schutzgasanlage ausgestattet war. Als Beschichtungsmaterial diente AlSi10Mg-Pulver, das durch Atomisierung hergestellt wurde und eine Partikelgröße von 53–105 μm aufwies, wodurch eine gute Schweißbarkeit gewährleistet war.

Auslegung der Prozessparameter
Es wurden mehrere Sätze von Prozessparametern verglichen (siehe Tabelle 1), und die Parameter der Gruppe B und der Gruppe C wurden zur weiteren Überprüfung ausgewählt:

Leuchtendesign
Zur Reparatur von Innenlöchern in Gehäuseteilen wurde eine spezielle Vorrichtung entwickelt, die die unteren Bohrungen und parallelen Flächen des Teils zur Fixierung nutzt. Die Vorrichtung wies während der Rotation eine maximale Laserpunktverschiebung von 1.5 mm auf, was die Qualität der Beschichtung geringfügig beeinträchtigte.

Resultate und Diskussion

Qualitätsanalyse der Fassadenschicht
Die Ergebnisse der metallographischen Analyse und der statistischen Bestimmung der Porosität mithilfe der ImageJ-Software lauten wie folgt:

Parameter der Gruppe B : Durchschnittliche Schmelzbadtiefe von 181.73 μm, durchschnittliche Anzahl der Poren 274.67, wobei 98.58 % der Poren einen Durchmesser von ≤ 50 μm aufweisen.

Parameter der Gruppe C : Durchschnittliche Schmelzbadtiefe von 961.63 μm, durchschnittliche Anzahl der Poren 188.67, wobei 98.18 % der Poren einen Durchmesser von ≤ 50 μm aufweisen.

Bei den Parametern der Gruppe C ist das Schmelzbad tiefer und weist deutlich weniger Poren auf, wodurch es sich besser zur Reparatur tiefer Lochdefekte eignet.

Tatsächlicher Teilereparaturtest
Die Beschichtungsprüfungen wurden unter Argon-Schutzgasatmosphäre (Sauerstoffgehalt < 200 ppm) und an Luft durchgeführt. Die Beschichtung unter Argon-Schutzgasatmosphäre war gleichmäßiger und dichter, während bei der Beschichtung an Luft voraggregierte Partikel auftraten. Nach der Reparatur wurde das Werkstück geschnitten. Aufgrund einer ungenauen Zentrierung führte dies jedoch zu einem ungleichmäßigen Schnitt der Beschichtungsschicht, was darauf hindeutet, dass die Ausrichtungsgenauigkeit der Vorrichtung verbessert werden muss.

Fazit
Durch Optimierung der Prozessparameter wurden die optimalen Parameter für die Reparatur von Gehäusen aus der Aluminiumlegierung ZL105A wie folgt ermittelt: Laserleistung 1.6~1.8 kW, Pulverfördergeschwindigkeit 0.6 U/min, Argon-Gasfluss 4 L/min, Scanabstand 1.2 mm und Scangeschwindigkeit 600 mm/min.

Die unter Argonschutz stehende Mantelschicht wies eine überlegene Qualität auf, war aber mit höheren Kosten verbunden.

Die Luftverkleidung war zwar effizienter und kostengünstiger, führte aber zu einer weniger gleichmäßigen Schicht.

Bei tatsächlichen Reparaturen muss die Zentrierungsgenauigkeit der Vorrichtung sichergestellt werden, um die Unversehrtheit der Verkleidungsschicht und die Verarbeitungsqualität zu gewährleisten.