Laserauftragschweißen Laserauftragschweißen erschließt neue Anwendungsfelder

Autor / Redakteur: Thomas Peters / Stéphane Itasse

Die Anforderungen an Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten in der Neuteilfertigung steigen. Oberflächen werden immer höher belastet und sollen zugleich länger halten. Damit gewinnt das Laserauftragschweißen, englisch Laser Cladding, an Bedeutung.

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Bild 1: 10-Achsen-Handhabungssystem des ersten Metcoclad-Systems in Wohlen, Schweiz.
Bild 1: 10-Achsen-Handhabungssystem des ersten Metcoclad-Systems in Wohlen, Schweiz.
(Bild: Sulzer Metco)

Beim Laserauftragschweißen schmilzt der Laser die Bauteiloberfläche lokal auf. Dem Schmelzfleck wird der Schweißzusatz mit einer Pulverdüse in Pulverform zugeführt. Aus der Bewegung des Prozesskopfs mit Laseroptik und Pulverdüse ergeben sich Schweißraupen auf dem Bauteil. Raupe neben Raupe lassen sich so Flächen beschichten und Lage über Lage die Schichtdicke erhöhen oder ganze Geometrien aufbauen beziehungsweise wiederherstellen.

Die vergleichsweise geringe Energiezufuhr beim Auftragsschweißen erlaubt das Bearbeiten von hochkohlenstoffreichen Stählen oder hochwarmfesten Nickelbasislegierungen, die sich konventionell schwer bis gar nicht schweißen lassen. Seit vielen Jahren werden Laser daher beispielsweise für Reparaturschweißungen an Gasturbinenschaufeln eingesetzt.

Schutzschichten immer öfter mit Laserauftragschweißen angebracht

Neben anspruchsvollen Schweißreparaturen gewinnen heute Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten in der Neuteilfertigung zunehmend an Bedeutung. Es kommen zumeist Nickel- und Kobaltbasislegierungen sowie Wolframkarbid-Werkstoffe zum Einsatz.

Dabei erlaubt die geringe Aufmischung des Grundmaterials effiziente Beschichtungen schon mit nur einer dünnen Schweißlage. Die Dicke einer einzelnen Schweißlage liegt typischerweise im Bereich von 0,3 bis 2 mm, die Schweißraupen sind 1 bis 6 mm breit. Das Aufschweißen auf dünnwandigen Geometrien, aber auch auf Ecken und Kanten ist damit möglich. Und die im Gegensatz zu thermischen Spritzverfahren schmelzmetallurgische Anbindung der Schicht verhindert ein Abplatzen unter mechanischer Belastung. Typische Auftragsraten liegen heute je nach Anwendung zwischen 1 g/min für Filigranreparaturen und 6 kg/min für dicke Verschleißschutzpanzerungen. Über die letzten Jahre sind die Investitionskosten für Hochleistungslaser erheblich gesunken und erlauben dem Laserauftragsschweißen damit einen breiteren Marktzugang.

20 Jahre Erfahrung mit Laserauftragschweißen als Lohndienstleistung

Die Einführung einer neuen Beschichtungstechnik beschränkt sich nicht alleine auf die Beschaffung einer Beschichtungsanlage. Das notwendige Prozess-Know-How für die geplanten Anwendungen muss erarbeitet werden. Eine Beschichtungslösung umfasst daher neben der Maschine eine Unterstützung bei der Prozessentwicklung und Qualifikation, neben Training in der Maschinenbedienung auch eine Ausbildung in den Prozessgrundlagen sowie eine begleitende Unterstützung beim Hochfahren der Produktion.

Sulzer Metco bietet aus der Schweiz Laserauftragschweißen als Lohndienstleistung mit einer Vielzahl von Anwendungen an, die von der Wiederherstellung von Gasturbinenkomponenten über Verschleißschutzschichten in der kunststoffverarbeitenden Industrie bis zur Reparatur an Gusskomponenten reichen. Für diese Arbeiten kann auf Metcoclad-Schweißpulver aus eigener Herstellung zugegriffen werden, die in Zusammenarbeit mit der Anwendungstechnik für das Laserauftragschweißen entwickelt worden sind. Als Weltmarktführer in der Anlagentechnik für thermische Spritzverfahren, Sulzer Metcos Kerngeschäft, lag es nahe, mit dem Metcoclad-System eine Anlage für das Laserauftragschweißen anzubieten, in die der Erfahrungsschatz aus dem Laser-Cladding-Servicegeschäft eingeflossen ist.

Diodenlaser als Strahlquelle beim Laserauftragschweißen

Als Strahlquelle kommt ein Diodenlaser zum Einsatz, dessen Maximalleistung im Bereich von 1 bis 6 kW entsprechend den Anwendungsanforderungen des Kunden ausgewählt wird. Die von Sulzer Metco entwickelte volumetrische Pulverförderung, bei der das Pulver mit einem Trägergas von einer sich drehenden Dosierscheibe durch einen Pulverschlauch zur Pulverdüse befördert wird, garantiert eine beständige Förderrate. Die aktuelle Entwicklung bei Pulverdüsen konzentriert sich auf eine optimale Pulverausnutzung durch einen möglichst kleinen Pulverfokus, eine einfache Montage und Justage der Pulverdüse sowie eine optimale Kühlung der Düsenspitze, um reflektierte Laserleistung, die immerhin etwa ein Drittel der eingesetzten Laserleistung ausmacht, abführen zu können, ohne das die Pulverdüse beschädigt wird.

Das Bedienpult fasst alle Schnittstellenfunktionen von Mensch und Maschine zusammen (Bild 2): Alle relevanten Prozessparameter werden auf einem Bildschirm dargestellt und etwaige Abweichungen von programmierten Werten angezeigt. Der Betriebsstatus des Lasers ist über dessen Monitoringsoftware abrufbar. Kameras überwachen den Pulverförderer, den Arbeitsraum und den Schweißprozess, denn bei hohen Laserleistungen ist der Einbau von Sichtfenstern aus Sicherheitsgründen nicht möglich. Das Handbediengerät des Roboters kann von dem Bedienpult aus für Einrichtarbeiten in die Anlage hineingenommen werden. Die Programmierung des Systems erfolgt aber einfacher und komfortabler über das Programmiersystem des Roboterherstellers, das außerdem die Bewegungssimulation aller Maschinenachsen erlaubt und auf dem Rechner im Bedienpult installiert ist.

Alle laserspezifischen und prozessspezifischen Maschinenbefehle in die Anlagensteuerung integriert

Die sorgfältige Integration aller laserspezifischen und prozessspezifischen Maschinenbefehle in die Anlagensteuerung basiert auf langjähriger Anwendungserfahrung, vereinfacht so den Anlagenbetrieb, vermeidet Fehlbedienungen und reduziert die Einrichtaufwände für die Produktion. Außerdem steht optional ein Offline-Programmiersystem für das Laserauftragschweißen zur Verfügung, um Schweißbahnen auf komplexen Geometrien, von denen ein CAD-Modell zur Verfügung steht, zu programmieren.

Das Handhabungssystem besteht in jedem Fall aus einem Roboter mit optimierter Absolutgenauigkeit, der den Prozesskopf mit Laseroptik und Pulverdüse bewegt. Hinzu kommen nach Bedarf Bauteilpositionierer wie ein Dreh-Schwenktisch, eine Drehbank und eine Verfahrachse, auf der sich der Roboter entlang dem Drehteil bewegen kann. Eine derartige 10-Achsen-Anordnung wurde am Metco-Standort Wohlen in der Schweiz realisiert (Bild 1). Die Robotersteuerung stellt die Simultanbewegung aller beteiligten Verfahrachsen im Bearbeitungsprozess sicher. Die Abmessungen des Handhabungssystems einer Kundenanlage sowie die Anzahl der Bewegungsachsen orientieren sich dabei an den Anwendungen und Bauteilabmessungen, die der Kunde bearbeiten möchte.

Kundensupport über das Internet

Bei der Anlagensicherheit spielt die Lasersicherheit, also der Schutz der Umgebung vor Laserstrahlung, eine herausragende Rolle. Das Sicherheitskonzept und die praktische Umsetzung am Metcoclad-System, also Einhausung, Türverriegelungen und die Programmierung der Sicherheitsfunktionen, die den Bewegungsbereich des Roboters sinnvoll beschränken, werden von einem unabhängigen Sachverständigen geprüft, bevor die CE-Kennzeichnung erfolgt. Die Kundenunterstützung beginnt mit der Anpassung der Anlage an die Bedürfnisse des Kunden und reicht von Prozessentwicklungen und Aufstarten der Produktion bis zum Begleiten des Anlagenbetriebs. Die Erreichbarkeit des Metcoclad-Systems, idealerweise über IT-Netzwerkstrukturen oder über ein GSM-Mobilfunk-Modem, erlaubt nämlich nicht nur eine Fernwartung der wesentlichen Anlagenkomponenten, sondern auch eine Fernunterstützung der Kunden, in dem beispielsweise Schweißversuche simultan mit den Überwachungskameras von den Anwendungsspezialisten bei Sulzer Metco begleitet werden können.

* Dr.-Ing. Thomas Peters ist Project Manager Laser Cladding bei Sulzer Metco AG in 5610 Wohlen (Schweiz)

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