Laserauftragschweißen Technologie wird ein ausgewähltes Beschichtungsmaterial mit verschiedenen Füllmethoden auf die Oberfläche eines Substrats aufgebracht. Durch Laserbestrahlung schmilzt eine dünne Schicht der Substratoberfläche und verfestigt sich schnell, wodurch eine metallurgisch gebundene Oberflächenbeschichtung mit sehr geringer Verdünnung entsteht. Dadurch werden die Oberflächeneigenschaften des Substratmaterials wie Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und elektrische Eigenschaften erheblich verbessert.

Klassifizierung des Laserstrahl-Auftragschweißens

Je nach Art der verwendeten Materialien und ihrer Kopplung mit dem Laserstrahl sind die üblichen Laserauftragschweißen Technologien können unterteilt werden in: koaxiales Pulver-Laser-Auftragschweißen, außeraxiales Pulver-Laser-Auftragschweißen (auch laterales Pulver-Laser-Auftragschweißen genannt), Hochgeschwindigkeits-Laser-Auftragschweißen (auch Ultra-Hochgeschwindigkeits-Laser-Auftragschweißen genannt) und Hochgeschwindigkeits-Draht-Laser-Auftragschweißen.

Koaxiales Pulver-Laser-Auftragschweißen

Koaxiales Pulver Laserauftragschweißen verwendet typischerweise einen Halbleiter-Faserlaser und einen scheibenförmigen gasgespeisten Pulverförderer. Der Beschichtungskopf verwendet ein kreisförmiges Lichtpunktsystem mit einem zentralen Lichtstrahl und um diesen herum zugeführtem Pulver oder mehreren Pulverströmen. Durch einen speziell konstruierten Schutzgaskanal laufen Pulver, Lichtstrahl und Schutzgas an einem Punkt zusammen, wo sich ein Schmelzbad bildet. Wenn sich der Beschichtungskopf relativ zum Werkstück bewegt, bildet sich eine Beschichtungsschicht auf der Oberfläche.

Vorteile des koaxialen Pulverbeschichtens:

Hohe Freiheit und einfache Automatisierung: Die Qualität der Verkleidungsschicht bleibt unabhängig von der Bewegungsrichtung konstant, wodurch sie sich hervorragend für die Automatisierung mit Industrierobotern oder mehrachsigen Maschinen eignet.

Guter Schutz vor Inertgas: Das Schmelzbad ist durch Inertgase abgeschirmt, was die Prozessstabilität verbessert.

Kleines Schmelzbad, gleichmäßige Erwärmung und gute Rissbeständigkeit: Die gleichmäßige Wechselwirkung zwischen Pulver und Licht sorgt für eine bessere Qualität und Haltbarkeit der verkleideten Oberfläche.

Off-Axis-Pulver-Laser-Auftragschweißen

Auch bekannt als Seitenpulver Laserauftragschweißen, Bei diesem Verfahren wird ein Halbleiter- oder Faserlaser mit einem schwerkraftbetriebenen Pulverförderer verwendet. Der Beschichtungskopf arbeitet mit einem rechteckigen Lichtfleck in Kombination mit einer seitlichen Pulverzufuhr. Das Legierungspulver wird der Werkstückoberfläche zugeführt und durch den Laserstrahl aufgeschmolzen, wodurch ein Schmelzbad entsteht.

Vorteile des achsunabhängigen Pulver-Laser-Auftragschweißens:

Hohe Materialausnutzung: Das Pulver wird vor dem Schmelzen durch den Laser auf die Oberfläche aufgebracht, wodurch eine Materialausnutzung von über 95% erreicht wird.

Hohe Effizienz der Ummantelung: Der rechtwinklige Strahl ermöglicht eine höhere Laserleistung und eine größere Spotgröße, was die Beschichtungsgeschwindigkeit erhöht.

Kein Inertgasverbrauch: Bei dieser Methode wird kein Inertgas verbraucht, allerdings muss die Oxidationsbeständigkeit des Pulvers sorgfältig geprüft werden.

Ultra-Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen

Bei diesem Verfahren werden ein hochwertiger Faserlaser und Hochgeschwindigkeits-Auftragsköpfe eingesetzt, um extrem hohe Auftragsgeschwindigkeiten (bis zu 200 m/min) zu erreichen. Das Pulver wird vorgewärmt oder vollständig aufgeschmolzen, bevor es in das Schmelzbad gelangt, wodurch die für das Schmelzen des Pulvers benötigte Zeit drastisch verkürzt wird.

Vorteile des Ultra-Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißens:

Hohe Ausnutzung der Laserenergie: Der Laserstrahl erwärmt das Pulver und das Werkstück effizient, minimiert den Energieverlust und maximiert die Effizienz des Beschichtens.

Niedrige Verdünnungsrate: Bei hohen Beschichtungsgeschwindigkeiten und kurzen Schmelzbadeinwirkungszeiten bleibt die Verdünnungsrate der Beschichtungsschicht gering.

Geringe Oberflächenrauhigkeit und Rissbeständigkeit: Das Verfahren minimiert Defekte in der plattierten Schicht und sorgt für hochwertige Ergebnisse.

Hochgeschwindigkeits-Drahtlaser-Auftragschweißen

Hochgeschwindigkeitsdraht Laserauftragschweißen verwendet Metalldraht als Beschichtungsmaterial, der in den Laserstrahl eingeführt wird. Der Metalldraht wird zu einem Schmelzbad geschmolzen, das sich verfestigt und so die Plattierungsschicht bildet.

Vorteile des Hochgeschwindigkeits-Drahtlaserauftragschweißens:

Vorteile für die Umwelt: Durch die Verwendung von Draht anstelle von Pulver werden Spritzer und Metallstaub vermieden und die Umweltfreundlichkeit verbessert.

Hohe Materialausnutzung: Der Draht ist vollständig geschmolzen, was eine nahezu vollständige Ausnutzung des Materials 99% gewährleistet.

Hohe Effizienz der Ummantelung: Der kontrollierte Energieeintrag und die schnelle Beschichtungsgeschwindigkeit führen zu einer hohen Materialeffizienz.

Der Einfluss von Prozessparametern auf den Cladding-Effekt

Laserauftragschweißen Parameter wie Laserleistung, Spotdurchmesser, Beschichtungsgeschwindigkeit, Fokus-Offset, Pulverzufuhr, Scangeschwindigkeit und Vorwärmtemperatur haben einen erheblichen Einfluss auf die Verdünnungsrate der Beschichtungsschicht, die Rissbildung, die Oberflächenrauhigkeit und die Gesamtdichte der beschichteten Teile. Ungeeignete Parametereinstellungen können zu einer schlechten metallurgischen Verbindung zwischen der Beschichtung und dem Substrat führen und die Bildung von Mehrschichtkanälen behindern.

Zu den wichtigsten Prozessparametern gehören:

Laserleistung: Dies bestimmt das Schmelzvolumen des Substrats. Eine Erhöhung der Leistung führt zu einer tieferen Plattierung, erhöht aber auch die Wahrscheinlichkeit von Porosität. Eine höhere Leistung kann jedoch Risse und Porosität verringern, indem sie die dynamische Erstarrung während der Abkühlphase verbessert.

Spot-Durchmesser: Der Spotdurchmesser des Lasers beeinflusst die Breite der Beschichtungsschicht. Während kleine Spotgrößen eine bessere Qualität liefern, sind große Spots besser für die Abdeckung größerer Flächen geeignet.

Ummantelung Geschwindigkeit: Die Beschichtungsgeschwindigkeit hat Einfluss darauf, wie gut das Legierungspulver schmilzt. Ist sie zu hoch, schmilzt das Pulver nicht vollständig; ist sie zu niedrig, überhitzt das Becken, was zu Materialverlust führt.

Merkmale der Laserstrahl-Auftragsschweißtechnologie

Schnelle Abkühlgeschwindigkeit und schnelle Erstarrung.

Geringe thermische Verformung, mit geringen Verdünnungsraten und hervorragender metallurgischer Haftung zwischen Beschichtung und Substrat.

Große Auswahl an Materialien: Eisenbasis, Nickelbasis, Kupferbasis, Titanbasis und mehr.

Präzise Kontrolle der Dicke: Die Dicke der Verkleidung reicht von 0,2 mm bis 2 mm, ideal für die Wiederherstellung von Verschleißteilen.

Hohe Verarbeitungspräzision, geeignet für kleine oder schwer zu bearbeitende Bereiche.

Einfache Integration der Automatisierung.

Laserstrahl-Auftragschweiß-Materialsysteme

Die Wahl der Verkleidungsmaterialien ist entscheidend für das Erreichen der gewünschten Oberflächenqualität und -eigenschaften. In der Regel hängt die Auswahl geeigneter Materialien von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Substrats ab, und das Verkleidungsmaterial muss entsprechend ausgewählt werden.

Werkstoffsysteme:

Selbstschmelzende Legierungspulver: Dazu gehören Pulver auf Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis, die am häufigsten beim Laserstrahl-Auftragschweißen verwendet werden. Sie bieten eine hervorragende Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit.

Verbundwerkstoff-Pulver: Diese kombinieren hochschmelzende Keramiken wie Karbide, Nitride und Boride mit Metallen und bilden Pulver, die sich ideal für die Herstellung verschleißfester Beschichtungen eignen.

Keramische Pulver: Dazu gehören Keramiken auf Oxidbasis wie Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, die häufig zur Herstellung hitzebeständiger Beschichtungen verwendet werden.

Andere Legierungspulver: Kupfer-, Titan-, Aluminium- und andere Speziallegierungspulver werden je nach den Anforderungen der Anwendung ebenfalls verwendet.

Abschluss

Laserauftragschweißen Technologie wird in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Petrochemie, der Metallurgie und dem Schienenverkehr zur Reparatur und Verbesserung kritischer Komponenten eingesetzt. Sie bietet eine kostengünstige Lösung für die Reparatur beschädigter Teile, Laserauftragschweißen senkt die Kosten, steigert die Effizienz und verbessert die Leistung. Mit Fortschritten bei Hochleistungslasern und reduzierten Herstellungskosten, Laserauftragschweißen ist sowohl in der akademischen als auch in der industriellen Forschung ein wichtiges Thema.