Einführung: Laser-Cladding und die Auswirkungen von Rissen

Das Laserstrahl-Auftragschweißen ist ein fortschrittliches Verfahren zur Oberflächenveredelung, das in der industriellen Fertigung und bei der Wiederaufbereitung von Werkstücken eine wichtige Rolle spielt. Allerdings bilden sich während des Laserauftragschweißens aufgrund verschiedener Faktoren häufig Risse, die sich direkt auf die Qualität des Auftragschweißens und die Leistungsfähigkeit des Werkstücks auswirken. In diesem Artikel werden die Mechanismen der Rissbildung beim Laserstrahl-Auftragschweißen systematisch analysiert und gängige Rissarten kategorisiert, um theoretische Grundlagen für die Prozessoptimierung zu schaffen.

Ursachen für Risse im Laser Cladding

Die Bildung von Rissen während des Laserstrahl-Auftragschweißens ist in erster Linie auf thermische Spannungskonzentrationen und strukturelle Defekte im Material zurückzuführen.

Beim Laserstrahl-Auftragschweißen bewirkt der hochenergetische Laserstrahl ein schnelles Schmelzen und Erstarren des Substrats und des Auftragschweißmaterials in sehr kurzer Zeit. Durch diesen Prozess entsteht ein erhebliches Temperaturgefälle zwischen der aufgeschweißten Schicht und dem Substrat, was wiederum zu einer ungleichmäßigen thermischen Ausdehnung und Kontraktion führt. In der anschließenden Abkühlphase entstehen zwischen der plattierten Schicht und dem Substrat aufgrund der unterschiedlichen thermischen und physikalischen Eigenschaften innere Spannungen. Wenn diese Spannungen die Materialtoleranz überschreiten, bilden sich Risse. Daher ist die Kontrolle des thermischen Verhaltens während des Laserstrahl-Auftragschweißens von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Qualität des Auftragschweißens.

Außerdem wirkt sich die Mikrostruktur der plattierten Schicht direkt auf die Rissempfindlichkeit aus. Während der Erstarrung entwickelt die plattierte Schicht häufig eutektische Strukturen und grobe dendritische Strukturen am Boden. Aufgrund der dendritischen Entmischung reichern sich Legierungselemente an den Korngrenzen an, wodurch die Haftfestigkeit der Korngrenzen verringert wird und schwache Zonen entstehen, in denen sich Risse mit größerer Wahrscheinlichkeit bilden und ausbreiten können. Die Optimierung der Prozessparameter beim Laserstrahl-Auftragschweißen und die Verbesserung der Erstarrungsstruktur sind für die Unterdrückung solcher Risse von entscheidender Bedeutung.

Häufige Arten von Rissen im Laser Cladding

Risse im Laserstrahl-Auftragschweißen lassen sich je nach Entstehungsmechanismus und Ort in drei Typen einteilen:

Risse in der Ummantelungsschicht

Diese Risse entstehen in erster Linie während der Erstarrung des geschmolzenen Metalls und treten in der Regel an der Oberfläche oder innerhalb der Laserstrahl-Auftragsschichten auf. Mit der Zeit neigen sie dazu, sich in Richtung des Substrats auszudehnen. Die Bildung dieser Risse steht in engem Zusammenhang mit der Abkühlgeschwindigkeit, der Legierungszusammensetzung und der Dicke der Auftragschweißschicht. Diese Art von Rissen ist eine der repräsentativsten beim Laserstrahl-Auftragschweißen.

Schnittstelle Risse

Grenzflächenrisse entstehen durch Defekte in der Verbindungszone zwischen der plattierten Schicht und dem Substrat, z. B. durch Poren oder Einschlüsse. Unter Belastung entwickeln sich diese Defekte zu Mikrorissen und breiten sich allmählich zur Oberfläche hin aus. Das Vorhandensein dieser Risse beeinträchtigt die Haftfestigkeit und die Betriebssicherheit der Laserstrahl-Auftragsschichten erheblich.

Scannen von Rissen im Überlappungsbereich

Beim überlappenden Laserstrahl-Auftragschweißen in mehreren Durchgängen ist der Bereich der Scan-Überlappung eine häufige Stelle für Risse. In diesem Bereich kann das geschmolzene Metall das Substrat oder die vorherige Beschichtungsschicht nicht ausreichend benetzen, was zu einer unzureichenden Haftfestigkeit führt, was wiederum Risse an der Verbindungsstelle verursacht. Die richtige Gestaltung des Laserstrahl-Auftragschweißweges und des Überlappungsverhältnisses ist eine wirksame Methode zur Kontrolle dieser Fehler.

Schlussfolgerung: Verständnis und Kontrolle von Rissen im Laserauftragschweißen

Das Problem der Risse beim Laserstrahl-Auftragschweißen ist ein komplexes Zusammenspiel von Thermodynamik, Werkstoffkunde und Prozessparametern. Ein klares Verständnis der Rissbildungsmechanismen und die korrekte Identifizierung der Rissarten sind von grundlegender Bedeutung für das Erreichen einer hohen Qualität beim Laserauftragschweißen. Durch eine systematische Optimierung des Laserauftragsschweißverfahrens, eine geeignete Materialauswahl und eine Prozessüberwachung lässt sich die Leistung der aufgetragenen Schicht erheblich verbessern, was die breitere Anwendung dieser Technologie in der High-End-Fertigung fördert.