Laserauftragschweißen Haltbarer Verschleißschutz braucht richtige Laserstrategie

Autor / Redakteur: Thomas Molitor / Stéphane Itasse

Laserauftragschweißen Verschleißschutz-Beschichtungen von Maschinenmessern werden immer häufiger durch Laserauftragschweißen realisiert. Bevorzugter Lasertyp sind dabei Diodenlaser. Optimale Ergebnisse bietet jedoch nur eine Laserstrategie, die die unterschiedliche Wärmeempfindlichkeit der Bauteilzonen berücksichtigt.

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Bei Maschinenmessern – hier im Bild ein Cutter – erhöht die Verschleißschutz-Beschichtung die Standzeit und Lebensdauer.
Bei Maschinenmessern – hier im Bild ein Cutter – erhöht die Verschleißschutz-Beschichtung die Standzeit und Lebensdauer.
(Bild: ©salomonus_ - stock.adobe.com)
  • Beschichtungsverfahren wie das thermische Spritzen, das Fülldrahtschweißen oder das plasmabasierte Pulverauftragschweißen sind nicht für alle Maschinenmesser optimal geeignet.
  • Die Preisentwicklung der Anlagen macht das Laserauftragschweißen immer wirtschaftlicher.
  • Der Beschichtungsprozess sollte auch beim Laserauftragschweißen mehrstufig und für dünne Kantenbereiche punktgenau sein, damit die Wärme ausreichend abgeführt wird.

Bei Maschinenmessern sind Verschleißschutz-Beschichtungen seit langem Standard. Neben Härteverfahren sind sie eine der wichtigsten Maßnahmen, um Standzeit und Lebensdauer der Schneidwerkzeuge zu erhöhen. Typische Beispiele sind Hartmetallbeschichtungen bei Klingen von Bau-, Forst-, Land- oder Werkzeugmaschinen, aber auch zahlreiche andere anwendungsspezifische Beschichtungen bei Papier-, Kunststoff- und Lebensmittel-Schneidemaschinen.

Klassische Beschichtungsverfahren genügen Verschleißschutzanforderungen nicht mehr

Nicht immer jedoch halten die Beschichtungsverfahren, was sie versprechen. Thermische Spritzschichten unterliegen dem Risiko eines Abplatzens, wenn sie harten Stößen oder Schlägen ausgesetzt sind. Hartmetallbeschichtungen wiederum, die durch Fülldrahtschweißen- oder plasmabasiertes Pulverauftragschweißen realisiert wurden, erreichen oft nicht die anvisierte Härte; zum Teil kann der hohe Temperatureintrag je nach Werkstoff sogar eine höhere Brüchigkeit der Messer bedeuten.

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Diese Defizite sind kein Zufall, sondern gründen in strukturellen Schwächen der eingesetzten Beschichtungsverfahren. Beim thermischen Spritzen wird nur eine mechanische Verklammerung zwischen Schicht und Werkstückoberfläche erzeugt, was die Schlag- und Stoßfestigkeit von Grund auf einschränkt. Bei draht- oder pulverbasierten Plasmaschweißschichten hingegen wird zwar eine metallurgische Verbindung zwischen Schicht und Oberfläche und damit eine weit höhere Schichtstabilität erreicht – der verfahrensbedingte Wärmeeintrag ist jedoch so hoch, dass die Beschichtungswerkstoffe und zum Teil auch die Bauteile selbst Schaden nehmen können.

Wachsende Nachfrage nach Laserauftragschweißen

Auf der Suche nach Beschichtungsverfahren, die speziell bei Hartmetallbeschichtungen bessere Prozessergebnisse bieten, fällt der Blick immer häufiger auf das Laserauftragschweißen. Es ermöglicht kurze, intensive Energieeinträge, die zum Aufbau metallurgisch angebundener Beschichtungen führen, das Bauteil aber nicht übermäßig thermisch belasten. Dadurch lassen sich ohne Verformungs- oder gar Zerstörungsgefahr auch bei filigranen Klingen stabile Beschichtungen realisieren. Aufgrund der Qualitätsstandards fragen inzwischen sogar Endanwender nach laserbasierten Messerbeschichtungen. Das bringt Lohnfertiger und Maschinenhersteller nicht selten in Zugzwang, denn nicht überall werden entsprechende Anlagen bereits vorgehalten.

Tatsächlich galt das Laserauftragschweißen lange Zeit als eher unwirtschaftlich, da die Anschaffung industrietauglicher Strahlquellen mit sehr hohen Ausgaben verbunden war. Doch diese Situation hat sich längst entspannt. Die Preise von Industrielasern sinken schon seit Jahren kontinuierlich – ein Trend, der nach Expertenschätzungen auch weiter anhalten wird. Der Aufbau von Laserbeschichtungsanlagen ist deshalb wirtschaftlicher denn je, wachsende Nachfrage und sinkende Investitionsvolumina versprechen heute eine zügige Amortisierung. Hinzu kommt, dass die gängigen Laserauftragschweißverfahren einen Pulverwirkungsgrad von über 90 % aufweisen und damit bei der Materialausnutzung effizienter sind als etwa das thermische Spritzen, bei dem je nach Anwendung ein deutlich höherer Prozentsatz des Pulvers verloren geht.

Unter den verfügbaren Industrielasertypen eignen sich vor allem Diodenlaser, wie etwa die Systeme der Laserline-LDF- und -LDM-Serien, für die Beschichtung von Maschinenmessern. Sie erzeugen keinen klassischen Gaußstrahl mit energetischem Peak in der Strahlmitte, sondern besitzen von Haus aus ein top-hat-artiges Strahlprofil und damit eine weitgehend homogene Energieverteilung in der Fokusebene. Das ermöglicht sehr gleichmäßige Energieeinträge und senkt so das Risiko zonenweiser oder punktueller Überhitzungen. Auch werden durch den diodenlasertypischen Wellenlängenmix ruhige und spritzerarme Schmelzbäder erzeugt, was hohe Schichtqualitäten sicherstellt. Ausgangsleistungen bis 45 kW unterstützen jede industrietypische Beschichtungsanwendung. Mit einem elektrischen Wirkungsgrad von über 50 % besitzen die Systeme zudem die beste Energieeffizienz am Markt.

Schweißstrategie muss differenziert sein

Anwender, die auf diodenlaserbasiertes Laserauftragschweißen setzen, sollten nun freilich nicht undifferenziert auf möglichst hohe Flächenraten abzielen. Auch wenn es sicherlich wünschenswert ist, mithilfe der Breitstrahldüse in einem Durchgang besonders hohe Auftragraten zu erreichen, sollte gerade bei Klingen und Messern sehr genau geprüft werden, ob dies wirklich der richtige Ansatz ist. Denn die Wahl von Pulverdüse und Strahlgeometrie entscheidet über den Erfolg des Verfahrens.

Grund ist die Bauteilgeometrie vieler Maschinenmesser: Sie verjüngen sich in Richtung Schnittkante und laufen schließlich spitz zu, woraus erhöhte Wärmeempfindlichkeiten am scharfen Kanten- beziehungsweise Spitzenbereich resultieren. Filigrane Schnittkanten können sich verformen oder sogar abschmelzen, wenn die Wärme nicht über die materialstärkeren Bauteilzonen abgeführt werden kann. Wird eine Klinge aber per Breitstrahldüse bearbeitet und dadurch flächendeckend erwärmt, ist dieser Ausweg versperrt und es kommt zu einem Wärmestau im Schnittkantenbereich, der Klinge und Schichtmaterial Schäden zufügen kann. In diesem Fall ist der Vorteil des Laserauftragschweißens verschenkt und das Ergebnis nicht besser als bei einfachen MAG-Auftragschweißprozessen.

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Entgegen der landläufigen Auffassung sollten Anwender deshalb speziell bei geringen Bauteilvolumina und spitz zulaufenden Kanten einen mehrstufigen Beschichtungsprozess anstreben, bei dem zunächst nur der dünnere Kantenbereich bearbeitet wird. Das lässt Raum für eine Wärmeabführung über die materialstärkeren Bauteilregionen und beugt Verformungen oder gar Zerstörungen des Kantenbereichs vor. Empfehlenswert sind klassische Rundstrahldüsen, mit denen sehr punktgenau beschichtet werden kann und die auch Richtungswechsel optimal unterstützen. Die großflächigere Beschichtung materialstarker Bereiche kann dann zum Beispiel per Breitstrahldüse realisiert werden. Beide Schritte lassen sich je nach Schichtauslegung mehrfach wiederholen; mehrlagige Beschichtungen sind also auch mit diesem mehrstufigen Beschichtungskonzept möglich.

Ein Lasersystem für mehrere Prozessschritte

Um eine mehrstufige Maschinenmesserbeschichtung zu realisieren, müssen Anwender nicht in zwei getrennte Lasersysteme investieren. Fasergekoppelte Diodenlaser wie die Systeme der Laserline-LDF-Serie bieten mehrere Faserabgänge, die über eine Strahlweiche adressiert werden können. Das ermöglicht Systemkonfigurationen, bei denen der erste Abgang für Rundstrahl-, der zweite für Breitstrahlbeschichtung und bis zu zwei weitere für alternative Prozesse wie Härten oder Verbindungsschweißen vorgehalten werden. Damit lassen sich mithilfe eines Lasersystems alle Maßnahmen zur Erhöhung der Messerstandzeit durchführen. Wird nur ein Faserabgang benötigt, etwa weil lediglich Kantenbereiche beschichtet werden sollen, können auch die Laserline-LDM-Systeme ausreichend sein. Sie bieten in einem 19‘‘-Einschub vollwertige Lasersysteme mit bis zu 8 kW Ausgangsleistung und lassen sich aufgrund ihrer kompakten Bauart problemlos in Schweißanlagen integrieren.

Auch für die Anpassung der Prozessparameter an die Schnittkantengeometrien bieten die Laserline-Systeme Konfigurationsmöglichkeiten. So lässt sich zum einen die Ausgangsleistung binnen Millisekunden feinabgestuft regulieren. Zum anderen ermöglichen Bearbeitungsoptiken wie die Laserline-OTZ-Zoomoptiken mit Stellmotor sogar Fokusänderungen im laufenden Prozess. Beides stellt im Verbund mit den einfachen Richtungswechseln der Rundspots und den hohen Flächenraten breiter Linienspots eine Adaption an alle Bauteilstrukturen und damit eine sachgerechte Beschichtung aller Messerbereiche sicher.

* Dr.-Ing. Thomas Molitor arbeitet im technischen Vertrieb der Laserline GmbH in 56218 Mülheim-Kärlich

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