Einführung: Verständnis des Laserstrahl-Auftragschweißens und der Rissbildung

Das Laserstrahl-Auftragschweißen, eine fortschrittliche Technologie zur Oberflächenveränderung, findet in der industriellen Reparatur und Wiederaufarbeitung breite Anwendung. Allerdings bilden sich während der eigentlichen Bearbeitung häufig Risse in der plattierten Schicht, was hauptsächlich auf eine unsachgemäße Prozesssteuerung zurückzuführen ist und die Qualität und Leistung des Werkstücks erheblich beeinträchtigt. In diesem Artikel werden die Ursachen für Risse erörtert und wichtige Maßnahmen zur Unterdrückung der Rissbildung beim Laserstrahl-Auftragschweißen vorgestellt.

Beim Laserstrahl-Auftragschweißen wird das Werkstück unter dem hochenergetischen Laserstrahl schnell erhitzt, wobei die Aufheizraten 10⁶ bis 10⁷ K/s erreichen. Die Oberflächentemperatur des Grundmaterials kann sofort 10⁵ K überschreiten, und es wird dann in Gegenwart von Schutzgasen wie Argon schnell abgekühlt. Aufgrund der Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten, im Elastizitätsmodul und in anderen physikalischen Eigenschaften zwischen dem Basismaterial und der ummantelten Schicht führt diese plötzliche Temperaturänderung zu erheblichen thermischen Spannungen. Wenn die Spannung die Streckgrenze der plattierten Schicht überschreitet, bilden sich Risse. Daher ist eine effektive Kontrolle des thermischen Verhaltens und der Materialkompatibilität während des Laserstrahl-Auftragschweißens von entscheidender Bedeutung für die Vermeidung von Rissbildung.

Systematische Unterdrückung von Rissen im Laserstrahl-Auftragschweißen

Zur systematischen Reduzierung von Rissen im Laserstrahl-Auftragschweißen werden die folgenden drei Strategien vorgeschlagen:

1. Kontrolle der Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Spannungszustands beim Laserstrahl-Auftragschweißen. Zunächst wird durch das Vorwärmen des Grundmaterials auf eine Temperatur von 200-400 °C das Temperaturgefälle zwischen dem Grundmaterial und der aufgetragenen Schicht erheblich verringert, wodurch die Abkühlungsgeschwindigkeit verlangsamt und somit die Konzentration der thermischen Spannungen verringert wird. Nach dem Laserstrahl-Auftragschweißen sollte eine langsame Abkühlung oder ein Spannungsarmglühen durchgeführt werden, um den Abbau von Spannungen in der plattierten Schicht zu fördern und so Rissbildung und Ausdehnung weiter zu verhindern.

2. Kontrolle des Rohmaterials

Die Auswahl der Werkstoffe wirkt sich direkt auf den Erfolg des Laserstrahl-Auftragschweißens aus. Für das Basismaterial sollten hochwertige Schmelzmaterialien mit gleichmäßiger Zusammensetzung und minimaler Porosität und Einschlüssen ausgewählt werden, um eine gute Verbindung mit der aufgeschweißten Schicht zu gewährleisten. Für Pulverwerkstoffe sollten Legierungspulver mit guter Zähigkeit gewählt werden, und Elemente wie B, Si und C müssen sorgfältig kontrolliert werden. B und Si haben zwar gewisse schlackenbildende Eigenschaften, doch wenn sie nicht rechtzeitig entfernt werden, können sie Einschlüsse bilden, die die Rissanfälligkeit erhöhen. Während C die Härte und Verschleißfestigkeit erhöht, kann ein zu hoher Gehalt die Sprödigkeit erheblich steigern. Darüber hinaus sollten bei der Zugabe von Verstärkungsphasen wie WC oder TiN deren Anteile genau kontrolliert werden, um Spannungskonzentrationen durch lokale Anreicherung von Elementen zu vermeiden. Es wird auch empfohlen, das Pulver vor dem Laserstrahl-Auftragschweißen vorzubehandeln, z. B. durch 2-stündiges Erhitzen im Vakuum bei 200 °C, um Feuchtigkeit und flüchtige Stoffe zu entfernen, was die Qualität des Auftragschweißens verbessert.

3. Prozesskontrolle bei der Verkleidung

Die Optimierung der Prozessparameter beim Laserstrahl-Auftragschweißen ist ein wirksames Mittel zur Vermeidung von Rissen. Zunächst ist es wichtig, die Pulverzuführungsrate zu kontrollieren und die Dicke des einlagigen Auftragschweißens im Bereich von 1,0-1,5 mm zu halten, um Spannungskonzentrationen durch ungleichmäßige Schichtdicken zu vermeiden. Es wird empfohlen, beim Laserstrahl-Auftragschweißen einen linienförmigen Laserspot zu verwenden, um die Breite des Auftragschweißens in einem Durchgang zu erhöhen und die Wärmeverteilung zu verbessern. Darüber hinaus ist eine Feinabstimmung der Laserleistung, der Scangeschwindigkeit und des Spotdurchmessers erforderlich, um sicherzustellen, dass das Pulver seinen optimalen Schmelzzustand erreicht und eine gleichmäßige und dichte Auftragschweißschicht entsteht. Schließlich sollte der gesamte Prozess des Laserstrahl-Auftragschweißens in einer Schutzatmosphäre durchgeführt werden, um Oxidation und Verunreinigung zu vermeiden und die Qualität der aufgetragenen Schicht zu gewährleisten.

Schlussfolgerung: Mehr Erfolg beim Laserstrahl-Auftragschweißen durch ganzheitliche Strategien

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch eine Kombination aus Wärmebehandlungskontrolle, Materialoptimierung und Feinabstimmung der Prozessparameter die Erfolgsrate des Laserauftragschweißens erheblich verbessert und Risse wirksam unterdrückt werden können. Diese Strategien werden die breitere Anwendung der Laserstrahl-Auftragschweißtechnologie in der Hochpräzisionsfertigung fördern und ihre Rolle in verschiedenen Industriezweigen weiter ausbauen.