Laser Cladding

Poren- und rissfreie Schichten mit langer Lebensdauer, hohe Oberflächenqualität und außergewöhnliche Haltbarkeit.

Laser Cladding – Das Verfahren

Laserauftragschweißen – auch Laser Cladding genannt – wird wahlweise als Draht- oder Pulverauftragschweißen realisiert. Der Laserstrahl erzeugt auf der Werkstückoberfläche ein Schmelzbad, dem zugleich das Beschichtungsmaterial (Draht bzw. Pulver) zugeführt und vom Laser mit aufgeschmolzen wird. Die Einwirkzeit ist kurz und verursacht nur geringen Verzug, die Abkühlung vollzieht sich schnell. Ergebnis ist eine Schicht, die metallurgisch mit dem Grundmaterial verbunden ist. Sie ist strapazierfähiger als Beschichtungen, die durch Thermisches Spritzen erzeugt werden und im Gegensatz etwa zum Hartverchromen gesundheitlich unbedenklich.

Die Prozessvorteile des Diodenlasers

Das Top-Hat Strahlprofil des Diodenlasers erzeugt ein besonders gleichmäßiges Schmelzbad, das feinkörnige, poren- und rissfreie Beschichtungen der Werkstoffe hervorbringt. Nachbearbeitungen werden so auf ein Minimum reduziert. Integriert in Anlagen für das vom Fraunhofer ILT entwickelte Extreme Hochgeschwindigkeits-Laser-Auftragschweißen (EHLA) eignen sich unsere Diodenlaser auch zur Erzeugung sehr dünner Beschichtungen, wie sie bisher nur durch Hartverchromen realisiert werden konnten.

Vorteile auf einen Blick

  • geringe Einwirkzeit und Einwirktiefe des Lasers
  • metallurgische Verbindung von Schicht- und Grundmaterial
  • Schichten beständiger als thermische Spritzschichten 
  • hohe Oberflächenqualität und geringer Verzug, kaum Nachbearbeitungen erforderlich
  • kurze Bearbeitungszeiträume, hohe Energieeffizienz 

Anwendungsbeispiele

Bohrwerkzeuge

Die Erschließung von Erdöl- und Erdgasfeldern setzt hochleistungsfähige Bohrwerkzeuge voraus. Sie unterliegen enormer Beanspruchung und würden ohne Verschleißschutz keine lange Lebensdauer erreichen. Aus diesem Grund sind seit langem Spezialbeschichtungen Standard, die immer häufiger durch Laserauftragschweißen realisiert werden. Laserline LDM und LDF Diodenlaser erzielen hier hervorragende Ergebnisse: exzellente Anhaftung, hohe Präzision, nahezu keinerlei Porosität und begrenzte Rissbildung bei hohem Härtegrad und geringster Verformung. Die entstehende Oberfläche bedarf in den meisten Fällen keiner weiteren maschinellen Bearbeitung mehr. Konventionelle Hartpanzerungsverfahren wie etwa das Plasma-Pulver-Auftragschweißen erzielen demgegenüber keine ausreichend lange Lebensdauer.

Für Kunden aus der Ölförderungs-, Bergbau-, Hütten-und Papierindustrie beschichtet Technolgenia mithilfe von Laserline Diodenlasern Bauteile mit einem speziellen Wolframkarbitpulver.

Landmaschinen

Die typischen Karbidschichten, die Sägeblätter, Scheibeneggen oder Gegenschneiden vor Verschleiß und Korrosion schützen sollen, lassen sich mit Diodenlasern optimal realisieren. Ihr ruhiges Schmelzbad hinterlässt keine Verunreinigungen, außerdem gibt es dank der gleichmäßig oberflächlichen Wärmeeinwirkung keinen Verzug. Neben Eisenkarbidschichten sind ebenso Schichten aus Wolfram- oder Chromkarbid möglich.

Beschichtung von Hydraulikzylindern in Bergwerken

Einer wachsender Markt für die Laserbeschichtung sind Hydraulikzylinder von technischen Einrichtungen  in Bergwerken, beispielsweise in der Kohlegewinnung. Die Beschichtung der Zylinder korrodiert unter der lokalen Atmosphäre sehr schnell, was zu Undichtigkeiten führt. Damit wird ein Austausch oder eine neue Beschichtung notwendig. Diese erfolgte bisher oft mittels verchromen. Diese Schichten werden zunehmend durch Laserbeschichtungen ersetzt, da diese länger halten. Die konkrete Steigerung der Haltbarkeit kann noch nicht beziffert werden. Die bisherigen Ergebnisse lassen aber auf eine Verbesserung der Standzeiten von mehr als 100%  schließen.

Beschichten von Wärmetauschern

Die Hauptmotivation ist der Schutz vor hoch korrosiven Gasen oder Flüssigkeiten, die mit dem metallenen Wärmetauscher in Berührung kommen und seine Lebensdauer negativ beeinflussen. Hier kommen z.B. Nickel-Legierungen mit geringer Härte zum Einsatz. Diese erzeugen wenig Probleme durch Rissbildung und können in einer Schicht von bis zu 1 mm Dicke aufgebracht werden.  Sie bewirken einen hohen Verschleißschutz gegen die korrosiven Medien selbst bei hohen Temperaturen. Ein 6 kW Diodenlaser kann in solchen Anwendungsfällen bis zu 100 m² auf einem Teil in sehr akzeptablen Bearbeitungszeiten beschichten. Auftragsraten von über 8 kg/h sind so möglich.

High-Speed-Cladding statt Hartverchromung

Seit die Hartverchromung, bis dato eines der erfolgreichsten Beschichtungsverfahren, von einem EU-weiten Verbot bedroht ist, sucht die Industrie nach Alternativen. Laserbasiertes Auftragschweißen schien bisher kaum in Frage zu kommen, weil das Verfahren zu langsam war und keine hinreichend dünnen Beschichtungen ermöglichte. Das Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) hat jedoch ein patentiertes Verfahren entwickelt, das hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei geringen Schichtdicken ermöglicht und mit weniger Laserleistung auskommt, als herkömmliches Auftragschweißen: das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA). Laserline Diodenlaser werden erfolgreich im High Speed Cladding eingesetzt. Das Verfahren wurde zunächst nur für die Beschichtung rotationssymmetrischer Komponenten konzipiert, soll perspektivisch aber auch für das Laser Cladding anderer Bauteile zur Verfügung stehen.