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Laserauftragschweißen

Spotgeometrie beeinflusst Laserauftragschweißen

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Werkstoffabhängige Spotauswahl für das Laserauftragschweißen

Da ein Rundspot gewöhnlich Durchmesser zwischen 1 und 10 mm aufweist, der Breitstrahl hingegen meist 16 mm × 6 mm oder 19 mm × 6 mm groß ist, muss bei gleicher Laserleistung und gleichen Auftragsraten der runde Spot schneller über das Werkstück bewegt werden. Doch die höhere Vorschubgeschwindigkeit hat Auswirkungen auf die Abkühlung des Werkstückes: Die kurze, intensive Energieeinwirkung sorgt für eine schnellere Erwärmung und Wiederabkühlung von Bauteil und Beschichtungsmaterial und kann so je nach Werkstoff Risse begünstigen. Das wurde bei Beschichtungsexperimenten mit dem 20-kW-Diodenlaser deutlich: Während die breitstrahlbasierte Beschichtung mit deutlich geringeren Vorschubgeschwindigkeiten rissfreie Schichten generierte, zeigten die mit Rundstrahl erzeugten Schichten wiederholt Risse.

Nun sind Risse nicht bei jeder Beschichtungsapplikation ein Problem: Während Antikorrosionsbeschichtungen zwingend rissfrei sein müssen, dürfen Verschleißschutzbeschichtungen zum Teil auch Risse aufweisen. Sofern rissfreien Schichten der Vorzug gegeben werden muss, spricht bei der oben genannten Parameterkombination auf jeden Fall viel für breite Linienspots.

Rundspots können bei komplexen Bauteilen punkten

Dieses Bild verändert sich aber sehr rasch, sobald die Komplexität der Werkstücke zunimmt. Bauteile, die eine zwei- oder dreidimensionale Beschichtung erfordern, lassen sich mit Breitstrahl nicht mehr sinnvoll bearbeiten. Beim Wechsel von X- in Y-Verfahrrichtung wäre beim Breitstrahl eine Umorientierung der Bearbeitungsoptik erforderlich. Der Prozess müsste daher einmal abgesetzt werden. Bei einem runden Strahl kann die Beschichtungsrichtung ohne Drehung der Optik kontinuierlich fortgesetzt werden. Ein Absetzen des Prozesses ist nicht notwendig.

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Während der Breitstrahl bei einfacheren Oberflächengeometrien wirkungsvoll ist, wird er indessen schnell zum Nachteil, sobald es zum Beispiel um Beschichtungen von Schneidkanten im Werkzeugbau oder auch um Schneidwerkzeuge aus dem Agrarsektor geht. Hier stellt sich die Herausforderung, komplexen Geometrien gerecht zu werden, die sich durch Verjüngung und spitz zulaufende Schnittkanten auszeichnen. Der Breitstrahl ist dafür denkbar ungeeignet: Durch seinen gleichmäßigen Energieeintrag wird zwar in dickeren Blechbereichen eine effektive Aufschmelzung unterstützt. An der vordersten Schneidenspitze kommt es jedoch zum Wärmestau und damit zum Verformen oder sogar Verbrennen des Bauteils.

Dank definiertem Wärmeeintrag keine Bauteildeformation

Bei Applikationen mit solch hohen bauteilgeometrischen Ansprüchen ist deshalb stets der Einsatz runder Laserspots zu empfehlen. Sie ermöglichen eine definierte Bearbeitung filigraner Bereiche durch eine gezielte Abkühlung kritischer Zonen und damit eine Reduzierung des Bauteilverzugs. Das verbleibende Risiko punktueller Überhitzungen oder Risse lässt sich dabei durch kluge Schweißstrategien beherrschen: Der Auftragschweißprozess startet dann idealerweise an den dünnen, besonders empfindlichen Bauteilbereichen. Deren Erhitzung ist in diesem Fall eher unkritisch, da das übrige Bauteil noch kalt ist und die eingetragene Wärmeenergie gut aufnehmen und abführen kann. Gleichzeitig kann an dieser Position durch geschickte Schweißstrategie mit reduzierter Laserleistung gearbeitet werden, um insgesamt den lokalen Wärmeeintrag zu reduzieren.

Ein weiterer Vorteil von Rundspots zeigt sich bei der Reparatur von stark verschlissenen Bauteilen. Sie weisen oft unterschiedlich starke Rillen und Vertiefungen auf, die wieder ausgeglichen werden müssen. Mit einem Rundstrahl kleineren Durchmessers lassen sich diese Rillen und Vertiefungen iterativ auffüllen, bis das Bauteil wieder weitgehend seine ursprüngliche Geometrie besitzt. Eine Breitstrahlanwendung ist für filigranere Konturen ungeeignet.

Auf dem weiten Feld des Laserauftragschweißens gibt es nun selbstverständlich noch eine Vielzahl weiterer Applikationen, bei denen zwischen Rund- und Breitstrahl gewählt und der Prozess so beeinflusst werden kann. Für die Anwender sind die Entscheidungen alles andere als einfach und es ist von dieser Warte her zunächst verständlich, dass oft pauschal zugunsten einer bestimmten Geometrie argumentiert wird. Schon die wenigen Anwendungsbeispiele machen indessen deutlich, dass man sorgfältig abwägen sollte. Die beliebten breiten Linienspots sind jedenfalls kein Allheilmittel, das im Zweifelsfall bedenkenlos eingesetzt werden könnte. Anwendern, die unsicher sind, ist der Einsatz runder Spots zu empfehlen, da jede Applikation mit solchen Spots zumindest sicher, wenn auch nicht immer wirtschaftlich optimal funktioniert – bauteilgeometrisch bedingte Einschränkungen bestehen hier nicht. Legt das Anwendungsspektrum hingegen den Einsatz beider Spotvarianten nahe, etwa in der Lohnbeschichtung, sind Systeme sinnvoll, die beide Spotgeometrien kombinieren. Sie arbeiten meist mit zwei Fasern sowie einer Strahlweiche, die wahlweise die eine oder andere Faser beschickt. Welche Konfiguration sich für welche Anwendung am besten eignet, wird vorzugsweise durch Testläufe erprobt.

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

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