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Laserauftragschweißen

Spotgeometrie beeinflusst Laserauftragschweißen

| Autor/ Redakteur: Thomas Molitor / Stéphane Itasse

Beim Laserauftragschweißen können Anwender zwischen Rund- und Breitstrahl wählen. In der Praxis bevorzugen sie dabei oft die breiten Linienspots – nicht immer zu Recht, denn in vielen Fällen ist eine runde Spotgeometrie sinnvoller.

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Beschichtungsoptik mit Coax-11-Breitstrahldüse. Solche Optiken sind beim Laserauftragschweißen beliebt – aber nicht für jede Anwendung optimal.
Beschichtungsoptik mit Coax-11-Breitstrahldüse. Solche Optiken sind beim Laserauftragschweißen beliebt – aber nicht für jede Anwendung optimal.
( Bild: Laserline )

Rundstrahl oder Breitstrahl? Beim Laserauftragschweißen mit hohen Beschichtungsraten haben Anwender oft eine klare Präferenz: Sie bevorzugen breite Linienspots von meist 19 mm × 6 mm oder 16 mm × 6 mm Abmessung, da diese dimensionsbedingt vermeintlich höhere Beschichtungsraten und damit wirtschaftlichere Prozesse ermöglichen als runde Strahlabmessungen mit typischen Werten um 8 bis 10 mm. Während es beim Einsatz runder Spots mehrere überlappende Laserbahnen braucht, um eine Oberfläche beschichten zu können, sind breitstrahlbasierte Beschichtungsverfahren in diesem Punkt effektiver. Zwar sind auch hier Überlappungen notwendig, aufgrund der größeren Spurbreite ist deren Anzahl jedoch kleiner als bei einem runden Strahl. Selbst Rundspots mit Top-Hat-Profil, also einer gleichmäßigen Energieverteilung in der Fokusebene, kommen noch immer auf Überlappungsquoten von etwa 40 %. Das weckt bei vielen Anwendern grundsätzliche Zweifel an rundstrahlbasierten Verfahren.

Breitstrahl für einfache Geometrien und hohe Beschichtungsraten

Doch so einfach ist die Lage bei näherem Hinsehen nicht. Anders als oft vermutet, sind die breiten Linienspots nämlich nicht für alle Formen des Laserauftragschweißens das richtige Mittel. Abhängig von der Geometrie des Werkstücks kann ihr Einsatz sogar kontraproduktiv sein – und wo er möglich ist, ist er niemals zwingend. Denn tatsächlich ist der Rundstrahl – und nicht der Breitstrahl – die einzige Strahlvariante, mit der sich alle Formen des Laserauftragschweißens realisieren lassen. Das schließt nicht aus, dass breite Linienspots im Einzelfall überlegen sein können. Doch ob dieser Fall gegeben ist, sollte jeweils individuell überprüft werden.

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Im direkten Vergleich zeigen Breitstrahl und Rundstrahl zunächst keinen gravierenden Unterschied bei den Beschichtungsraten. Das zeigen Vergleichstests des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik mit einem Laserline-LDF-20000-200-Diodenlaser. Bei der Inconel-625-Beschichtung einer Welle wurde mit einem runden Spot von 12,5 mm Durchmesser zwar vordergründig eine höhere Flächenrate von 1,76 m²/h im Vergleich zu 1,17 m²/h mit 16 mm × 6 mm durch einen Linienspot erzielt. Die Pulverauftragraten waren jedoch mit 14,25 kg/h (linienförmig) beziehungsweise 14,7 kg/h (rund) annähernd identisch. Der Breitstrahl hatte somit lediglich eine dickere Einzelschicht erzielt. Industriell relevant ist neben diesen Daten aber auch die Dauerstabilität der Düsen unter hoher Belastung. Hier sind die Breitstrahldüsen heute noch überlegen. Bereits industriell im Einsatz sind Breitstrahldüsen mit 20 kW Laserleistung. Düsen für einen runden Laserstrahl sind im Dauereinsatz hingegen häufig auf maximal 10 kW Laserleistung beschränkt.

Vorschubgeschwindigkeiten beeinflussen Ergebnisqualität

Breite Linienspots können daher vor allem bei Bauteilen mit einfacher Oberflächengeometrie von Vorteil sein. Ist etwa eine Beschichtung rotationssymmetrischer Wellen mit besonders hohen Laserleistungen gefragt, kommt der industrielle Anwender mit einer Breitstrahldüse zu höheren Auftragsraten.

Noch deutlicher als die Unterschiede in der Beschichtungseffizienz traten in den Vergleichstests die verschiedenen Beschichtungsqualitäten zutage. Hier spielen die Vorschubgeschwindigkeiten eine Rolle: Um ein optimales Schmelzbad zu erzeugen, sollten sowohl Breit- als auch Rundstrahl zunächst einmal eine homogene Intensitätsverteilung haben. Bei Lasern mit sehr hoher Strahlqualität und einer gaußschen Intensitätsverteilung kann es aufgrund der höheren Energiekonzentration zu Überhitzung des Schmelzbads und größerer Aufmischung bei gleichzeitiger Gefahr von Anbindungsfehlern im Randbereich kommen. Der fasergeführte Laserline-Diodenlaser bietet hier den Vorteil, dass er schon von Haus aus eine sehr homogene, nahezu Top-Hat-artige Intensitätsverteilung bietet und sowohl mit Rund- als auch mit Breitstrahl eingesetzt werden kann.

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