Laser cladding with diode lasers

Auftragschweißen bezeichnet das Beschichten von Bauteilen durch Schweißen unter Einsatz eines Schweißzusatzwerkstoffs. Auftragschweißen kann zu Reparaturzwecken, oder auch zur Erzeugung von Oberflächen mit bestimmten Funktionen eingesetzt werden. Das Aufbringen von Beschichtungen mit einem gegenüber dem  Grundwerkstoff verschleißfesteren Werkstoff wird als Panzern bezeichnet.  Beim Auftragschweißen mit Werkstoffen zur Erhöhung der chemischen Beständigkeit von Oberflächen spricht man auch von Plattieren.

Laser Pulver Auftragschweißen

Eine der bedeutendsten Anwendungen von Diodenlasern im industriellen Bereich ist das Laserauftragssschweißen, auch als Laser-Cladding bezeichnet.  Es ist ein etabliertes Verfahren zur Erzeugung oder Wiederherstellung qualitativ sehr hochwertiger Laser Beschichtungen. Per Diodenlaser Auftragsschweißen veredelte Bauteile kommen in verschiedensten Bereichen zum Einsatz: von der Schwerindustrie über die Fahrzeugproduktion bis hin zur Landwirtschaft.

Beim Auftragschweißen mit dem Laser erzeugt der Laserstrahl auf der Werkstückoberfläche ein Schmelzbad, dem zugleich das Beschichtungsmaterial zugeführt und vom Laser mit aufgeschmolzen wird. Das Zusatzmaterial, zugeführt als Draht oder Pulver, erzeugt nach Aufschmelzung durch den Laser eine Schicht auf einem Basismaterial. Die kurze Einwirkzeit 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.

Oberflächenschutz und Aufbau komplexer Strukturen

Diodenlaser stellen dabei ein ideales Werkzeug für alle Varianten des Auftragschweißens dar. Grundlegende Vorteile sind hohe Flexibilität und kurze Bearbeitungszeiträume, geringer Verzug behandelter Werkstücke sowie feinkörnige Beschichtungen mit hervorragender Haftung. Die höchst strapazierbaren Oberflächen erfordern kaum Nachbearbeitung. Die Motivation für die zusätzlichen Schichten ist sehr unterschiedlich. Alle Beschichtungen, die stark beanspruchte Oberflächen von Metallwerkstücken vor Verschleiß und Korrosion schützen, Reparaturen hochwertiger Bauteile, aber auch die generative Fertigung komplexer Strukturen können sehr effektiv mit  dem Laser ausgeführt werden.

Motivation Korrosionsschutz

Das Laserbeschichten ist sehr gut geeignet, um mit den Zusatzschichten sowohl die Kriechkorrosion als auch die Spaltkorrosion zu verhindern. Hierzu werden Edelstähle genauso wie Nickellegierungen auf niedrig legierten Stählen aufgebracht. Die Durchmischung der Werkstoffe liegt bei der Verwendung von Diodenlasern als Energiequelle bei typisch unter 5 %. Damit reicht eine Schicht von ca. 1 mm bereits für einen guten Korrosionsschutz aus, während alternative und herkömmliche Verfahren zwei Schichten benötigen.

Motivation Verschleißschutz

Eine weitere Motivation ist der Schutz von Oberflächen gegen Verschleiß. Hier steht Laserauftragschweissen unter anderem im Wettbewerb zum thermischen Spritzen. Da das Laserauftragschweissen eine metallurgische Verbindung zwischen dem Basiswerkstoff und der Zusatzschicht schafft, erzielt es gegenüber der rein mechanischen Verbindung des Spritzens sehr viel längere Standzeiten. Die Materialien sind häufig Ni-Basis Legierungen (In 625) mit Wolfram Carbiden. Diese können bis zu 60 Gewichtsprozent der aufgebrachten Schicht betragen.

Die Reparatur von Bauteilen

Neben Erstbeschichtungen wird auch das sogenannte Reparaturschweißen als Draht- oder Laser Pulver Auftragschweißen realisiert. Nach Abtrag der alten Beschichtung und Reinigung der Werkstückoberfläche lassen sich äußerst stabile Neubeschichtungen realisieren, bei denen das aufgetragene Material metallurgisch mit dem Grundmaterial verbunden ist.  Anders als beim Verschleiß- oder Korrosionsschutz werden hier in der Regel identische Materialien zum Grundwerkstoff aufgebracht, um eine abgenutzte Oberfläche, herausgebrochene Stücke oder andere Schäden an Bauteilen zu reparieren. Solange der in Frage kommende Werkstoff schweißbar ist, sind hier praktisch keine Grenzen gesetzt.

Die generative Fertigung

Der letzte große Bereich des Laserauftragschweissens ist das Generieren von Bauteilen, oft auch unter dem Stichwort Additive Manufacturing (AM) oder 3D-Drucken geführt. Hier werden ebenfalls Schichten aus identischem Materialien aufgebracht. Die Durchmischung ist somit nicht gesondert zu beachten und Lage um Lage kann bei entsprechender Programmierung des Bearbeitungssystems auch Bauteile mit komplexen Strukturen generiert werden. Neben Edelstählen kommen hier auch vermehrt Aluminium, Titan und Superlegierungen zum Einsatz, wie der Flugzeugbau sie in Turbinen, Rumpf und Flügeln verwendet.

Laser Pulver Auftragschweißen

Der Laserstrahl verbindet das Metallwerkstück mit dem aufgetragenen Pulver. Als Grundwerkstoff können verschiedene Stähle, Gußeisen, Kupfer, Aluminium, Nickelbasis- und Kobaltbasislegierungen zum Einsatz kommen. Die Schichten werden gebildet aus Eisenbasislegierungen (niedrig legierte Stähle, Werkzeugstähle, Edelstähle), Nickelbasislegierungen wie Inconell (625, 718, 738), Kobaltbasislegierungen wie Stellite, Hochtemperaturlegierungen, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und Werkstoffen, die Carbide als zusätzlichen Verschleißschutz beinhalten. Entscheidend ist die Verfügbarkeit des Zusatzwerkstoffes in Pulverform, mit einer Partikelgröße von typisch 40-120 µm um den Einsatz einer koaxialen Pulverdüse zu ermöglichen. Laserline LDM und LDF Diodenlaser erzielen beim Aufschmelzen von Metallpulver hervorragende Ergebnisse: Exzellente Anhaftung, hohe Präzision, nahezu keinerlei Porosität und begrenzte Rissbildung bei hohem Härtegrad und geringster Verformung. Die durch Aufmischung entstehende Oberfläche bedarf in den meisten Fällen keiner weiteren maschinellen Bearbeitung mehr. Konventionelle Hartpanzerungsverfahren, wie etwa das Plasma-Pulver-Auftragschweißen, erzielen demgegenüber für viele Anwendungen keine ausreichend lange Lebensdauer. 

Laserauftragschweißen mit Draht

Bei diesem Prozess schmilzt der Laserstrahl einen zugeführten Draht und den Werkstoff des zu beschichteten Bauteils auf. Zum Einsatz kommt Draht mit Durchmessern von ca. 0,8 bis 1,6 mm der mit handelsüblichen Drahtförderern den Draht in den Auftragsschweißprozess fördern kann. Geschätzt werden heute 90 % der Anwendungen mit Pulver und 10 % mit Draht beschichtet. Einsatzgebiete des Laserauftragschweißens mit Draht sind das Reparieren von Bauteilen sowie das Funktionalisieren von Oberflächen. Das Verfahren ist besonders sparsam, sauber und die Nacharbeit wird auf ein Minimum reduziert.

With laser hot wire cladding or laser powder cladding, the laser beam creates on the surface of the workpiece a molten pool, to which the coating material in the form of a wire or powder is simultaneously added and melted by the laser. The short period of exposure creates only a short warpage, and the cooling is quick. The result is a layer that is connected with the basic material metallurgically. It is tougher than those cladding coatings created by thermal spraying, and compared to hard chromium plating for example, it is harmless to health, too.

Cladding or the laser cladding technology is an established method for creating or regenerating high-quality laser coating that are supposed to protect metal components from wear and tear. These refined components are used in many different areas – from industrial usage in heavy industry such as vehicle production to agriculture.

Besides initial coatings, the so-called repair welding is also realized as wire or laser powder cladding. After ablating the old coating and cleaning the workpiece surface, very stable new coatings can be realized, at which the applied material is connected metallurgically with the basic material.

Diode lasers are the ideal tool for various forms of cladding. The basic advantages of the laser cladding process are high flexibility and short process periods, a low warpage of processed workpieces, and fine-grained coatings with excellent adhesion. The very durable surfaces created by laser cladding equipment also require rare post-processing.

Laser powder cladding process 

The laser beam connects the metal workpiece with the applied powder. Laserline’s LDM and LDF diode lasers achieve at the melting of metal powder outstanding results: excellent adhesion, high precision, almost no porosity, limited crack formation, a high degree of hardness, and low deformation. In most cases, the surface created by mixing does not require any further mechanical processing. In comparison, conventional hard plating methods such as plasma powder cladding do not achieve sufficiently long lifetimes.