DVS 3215-2011 Laser beam surface welding.pdf

1、DVS, Ausschuss fr Technik, Arbeitsgruppe Laserstrahlschweien und verwandte Verfahren“Nachdruck und Kopie,auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des HerausgebersDVS DEUTSCHER VERBANDFR SCHWEISSEN UNDVERWANDTE VERFAHREN E.V.Bezug: DVS Media GmbH, Postfach 10 19 65, 40010 Dsseldorf, Telefon (02 11) 15

2、91- 0, Telefax (02 11) 15 91- 150Diese Verffentlichung wurde von einer Gruppe erfahrener Fachleute in ehrenamtlicher Gemeinschaftsarbeit erstellt und wird als eine wichtige Erkenntnisquelle zur Beachtung empfohlen. Der Anwender muss jeweils prfen, wie weit der Inhalt auf seinen speziellen Fall anwen

3、dbar und ob die ihm vorliegende Fassung noch gltig ist. Eine Haftung des DVS und derjenigen, die an der Ausarbeitung beteiligt waren, ist ausgeschlossen.Inhalt:1 Geltungsbereich2 Begriffsbestimmung3 Merkmale des Laserstrahl-Auftragschweiens4 Verfahrensprinzip5 Technische Komponenten von Laserstrahl-

4、Auftragschwei-anlagen5.1 Laser und Strahlformung5.2 Bereitstellung des Zusatzwerkstoffs6 Werkstoffe und Schichtaufbau7 Durchfhrung des Laserstrahl-Auftragschweiens7.1 Oberflchenvorbereitung7.2 Prozessparameter7.3 Schutzgase7.4 Richtwerte zur Parameterfestlegung8 Wirtschaftlichkeit9 Arbeitssicherheit

5、10 Schrifttum1 GeltungsbereichDas Merkblatt gibt einen berblick ber das Auftragschweien mit Dauerstrichlasern im kW-Bereich beim Einsatz von CO2-, Nd:YAG-, Faser-, Scheiben- und Diodenlasern. Auftragschwei-en mit gepulsten Nd:YAG-Lasern wird in diesem Merkblatt nicht behandelt. Die Anwendungsbereich

6、e des Verfahrens betreffen verschiedenste Aufgaben der Oberflchenmodifizierung und Re-paratur von Bauteilen und Werkzeugen. Das vorliegende Merk-blatt enthlt Empfehlungen fr den fachgerechten Einsatz und Hinweise auf Schichteigenschaften und Anwendungsmglichkei-ten, ergnzt mit Grunddaten zur Abschtz

7、ung der Wirtschaftlich-keit.2 BegriffsbestimmungDas Laserstrahl-Auftragschweien ordnet sich technologisch neben dem Plasma-Pulver- und dem WIG-Auftragschweien ein. Es ist vom Thermischen Spritzen klar abgegrenzt, da der Zusatz-werkstoff erst in der Wechselwirkungsflche des Laserstrahls auf der Baute

8、iloberflche aufgeschmolzen wird, wobei gleichzeitig der Grundwerkstoff geringfgig anschmilzt. Ein gltiges Synonymist Laserstrahlbeschichten. Im englischsprachigen Raum hat sich die Bezeichnung laser cladding durchgesetzt.3 Merkmale des Laserstrahl-AuftragschweiensDas Laserstrahl-Auftragschweien wird

9、 fr den Oberflchen-schutz komplex beanspruchter Bauteile und fr Reparaturauf-gaben eingesetzt. Der Anwendungsbereich erstreckt sich auf die Bearbeitung von Funktionsflchen an Bauteilen und Werkzeu-gen, deren Gre nicht verfahrensbedingt begrenzt ist. Insbe-sondere erfolgt der Einsatz des Verfahrens b

10、ei Beschichtungs-aufgaben, die hchste Przision hinsichtlich der Schichtgeo-metrie und des Bauteilverhaltens erfordern.Die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Schicht-Substrat-Verbundes knnen durch die Wahl des Zusatzwerk-stoffs und der Prozessparameter in weiten Grenzen gezielt und beansp

11、ruchungsgerecht eingestellt werden.In der Regel ist auch bei Laserstrahl-Auftragschweiungen eine Endbearbeitung erforderlich. Diese kann durch Drehen, Frsen, Schleifen oder Erodieren erfolgen.Charakteristische Merkmale des Laserstrahl-Auftragschweiens sind in Tabelle 1 zusammengefasst.Tabelle 1. Mer

12、kmale des Laserstrahl-Auftragschweiens.Merkmal Grenzen/Bewertung BemerkungenLasertypen CO2, Nd:YAG, Faser, Scheibe, Diodei. d. R. mindestens 1000 W (cw)Leistungsdichte 5.000 bis 1.000.000 W/cm2CO2-Laser wegen geringerer Absorption mit Leistungsdichten im Bereich von 1.000.000 W/cm2Einwirkzeit 0,001

13、bis 2 Sekunden EinzelraupeSpurgeometrie Spurbreite Einzelraupenhhe typische Schichtdicken0,2 bis 10 mm 0,1 bis 2 mm 0,3 bis 3 mmgrere Schichtdicken durch Mehrlagentechnik, 3D-Konturbeschichtungen mglichLokalisierbarkeit sehr gutEndkonturnhe mittel bis hoch Endbearbeitung meistens erforderlichFlchenl

14、eistung/Auftragrate 100 bis 1.200 mm2/min / 0,1 bis 2 kg/h*)abhngig von Laserleistung, Werkstoff und BauteilgeometrieWrmeeintrag in das Bauteil gering bis mittel*) 6000 WLaserstrahl-AuftragschweienJuni 2011MerkblattDVS 3215Ersetzt Ausgabe Februar 1999B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF836

15、8C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 2 zu DVS 32154 VerfahrensprinzipBeim Laserstrahl-Auftragschweien wird prinzipiell zwischen dem einstufigen und dem zweistufigen Verfahren unterschieden. Whrend im zweistufigen Verfahren der vordeponierte Zu

16、satz-werkstoff durch den Laserstrahl aufgeschmolzen wird, erfolgt die Zufhrung des Zusatzwerkstoffs beim einstufigen Verfahren simul-tan mit dem Laserstrahl.Beim einstufigen Verfahren bestimmen neben den Laserpara-metern im Wesentlichen die Art und Ausfhrung des Frder-systems, dessen Orientierung zu

17、m Strahlwirkbereich, die Frder-rate des Zusatzwerkstoffs sowie die Schutzgasfhrung das Ergebnis. Als Zusatzwerkstoffe kommen beim einstufigen Ver-fahren Pulver, Drhte und selten auch Pasten zum Einsatz.Das Einschmelzen des Zusatzwerkstoffs beim zweistufigen Ver-fahren erfolgt von der Schichtoberflch

18、e aus. Der Energietrans-port zum Grundwerkstoff basiert berwiegend auf Wrmeleitung. Daraus resultiert eine hhere Empfindlichkeit gegen berhit-zung, und die in einer Lage erreichbaren Schichtdicken sind mit ca. 0,3 bis 0,8 mm deutlich geringer.Das von der Art des Zusatzwerkstoffs unabhngige Grundprin

19、zip des einstufigen Verfahrens ist am Beispiel des Laser-Pulver-Auf-tragschweiens in Bild 1 dargestellt.Bild 1. Prinzipdarstellung des Laserstrahl-Auftragschweiens mit Pulvern.Durch den Laserstrahl wird ein streng lokalisiertes Schmelzbad auf der Werkstckoberflche erzeugt. Das zugefhrte Pulver oder

20、Pulvergemisch wird beim Durchgang durch den Laserstrahl erwrmt, schmilzt aber erst im Schmelzbad auf. Das zum Erzielen einer metallurgischen Bindung erforderliche geringfgige Anschmelzen des Grundwerkstoffs erfolgt im Wesentlichen ber Wrmeleitung. Durch Wrmeableitung in das kalte Substrat erstarrt d

21、er schmelzflssige Zusatzwerkstoff sehr schnell und es entstehen raupenfrmige Auftragspuren.Die Art des Zusatzwerkstoffs wird in Abhngigkeit von der Bean-spruchung des Bauteils und von der Geometrie der Bearbei-tungsstelle ausgewhlt. Die grte Flexibilitt haben dabei pul-verfrmige Werkstoffe. Die Haup

22、tvorteile bestehen in der varia-bel an die Lasereinwirkzone anpassbaren Pulverstrahlform und der groen Anzahl verfgbarer Metalle, Legierungen und Hart-stoffe. Neben der dargestellten Variante der seitlichen Pulver-zufuhr knnen auch Bearbeitungskpfe mit einem koaxial zum Laserstrahl angeordneten Pulv

23、erstrom oder quasikoaxial angeor-denten Pulverstrmen (Mehrstrahldsen) verwendet werden. Die Besonderheit besteht hier darin, dass die Pulvereinbringung un-abhngig von der Vorschubrichtung erfolgt und somit beliebige zweidimensionale Konturen geschweit werden knnen. Den Vorteilen des Pulvers stehen d

24、ie nicht vollstndige Pulverausnut-zung (Overspray) und die Gefhrdung des Bedienpersonals durch atembare Pulverteilchen gegenber. Neben Pulvern haben vor allem bei Reparaturschweiungen an Werkzeugen sowie an Bauteilen der Luft- und Raumfahrt Drhte an Bedeutung erlangt. Zum Erzeugen relativ breiter Au

25、ftragraupen, die einen rechtecki-gen Querschnitt haben sollen, knnen auch metallische Bnder verwendet werden.Vorzugsweise wird das Laserstrahl-Auftragschweien ohne Vor-wrmung ausgefhrt. Fr bestimmte, rissempfindliche Kombina-tionen von Schicht- und Zusatzwerkstoff kann dennoch ein Vor-wrmen oder das

26、 Schweien einer Pufferlage (z. B. aus Nickel) notwendig sein. Ebenso kann eine Khlung des Werkstcks erforderlich werden, wenn ein ungnstiges Verhltnis von Schichtdicke und Grund-werkstoffwanddicke vorliegt. Bei stark differierenden Ausdehnungskoeffizienten von Grund- und Zusatzwerkstoff sowie der Ne

27、igung zur Bildung sprder Pha-sen im Aufmischungsbereich kann eine metallurgisch geeignete Zwischenschicht aufgeschweit werden bevor der eigentliche, funktionsbestimmende Zusatzwerkstoff aufgebracht wird.5 Technische Komponenten von Laserstrahl-Auftrag-schweianlagenGrundstzliche Voraussetzung zur Nut

28、zung des Lasers fr die Werkstoffbearbeitung ist die Integration des Lasers in ein funk-tionsfhiges System. Ein solches System lsst sich unabhngig von der Art der Anwendung in die vier Subsysteme Laser, Strahl-fhrung und -formung, Werkstckhandhabung sowie Steuerung und berwachung untergliedern. Die b

29、esonders relevanten Kom-ponenten sind hervorgehoben (Bild 2).Merkmal Grenzen/Bewertung BemerkungenVerzug, Formabweichungen gering bis mittelSchichtgefge dicht, homogenHaftfestigkeit schmelzmetallurgische Bindung Haftfestigkeit in der Grenordnung der SchichtzugfestigkeitAufmischung der Schicht mit Gr

30、undwerkstoff2 bis 5%Umgebungsbedingungen meist unter normalen Atmosphren-bedingungenzustzliche Schutzgasabschirmung mglich, typischerweise N2, Ar oder HeBauteilgre unbegrenzt abhngig von der verfgbaren LaseranlageOberflchengeometrie kleinere und/oder komplexe Funktionsflchengroflchige Beschichtungen

31、 vor allem aus wirtschaftlicher Sicht ungnstigBearbeitungsaufgaben Oberflchenschutz Reparaturbeschichtungen PrzisionsbearbeitungB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 3 zu DVS 3215Bild 2. Komponen

32、ten von Laserstrahl-Auftragschweianlagen.Lasersysteme knnen konstruktiv in weiten Grenzen variiert und damit der jeweiligen Bearbeitungsaufgabe angepasst werden. Bei entsprechender Auslegung der Strahlfhrung ist die Bearbei-tung auch ohne Bewegung des Werkstcks mglich.Fr das Laserstrahl-Auftragschwe

33、ien sind Einrichtungen zur Handhabung des Zusatzwerkstoffs und je nach Anwendung spe-zielle Optiken zur Strahlformung, z. B. Linienscanner notwendig. Ansonsten unterscheidet sich ein Lasersystem zum Auftrag-schweien nicht wesentlich von einem Laserschweisystem. Bei entsprechender Strahlcharakteristi

34、k des Lasers kann ein System sogar universell zum Schneiden, Schweien und zur Ober-flchenbehandlung eingesetzt werden. Fr das Laser-Pulver-Auftragschweien sollte jedoch auf konstruktive Schutzmanah-men zur Verhinderung des Eindringens von Pulverpartikeln in die Fhrungsachsen und Antriebe geachtet we

35、rden.5.1 Laser und StrahlformungEs knnen CO2-, Nd:YAG-, Faser-, Scheiben- und Dioden-Dauer-strichlaser eingesetzt werden. Typische Strahlleistungen liegen im Bereich von 1000 bis 6000 W. Alle genannten Laser sind auch mit deutlich hheren Leistungen verfgbar. Mit Ausnahme des CO2-Lasers eignen sich d

36、ie Laser auch zum Auftragen mit niedri-geren Leistungsdichten. Grund hierfr ist die wegen der krzeren Wellenlngen deutlich bessere Absorption.Im Gegensatz zum Schneiden und Schweien ist die Strahlquali-tt des Lasers von geringerer Bedeutung, da zur Strahlformung hufig spezielle Optiken (z. B. Linien

37、scanner, Bild 3) eingesetzt werden.Tabelle 2 zeigt die verschiedenen Mglichkeiten zur Strahlfor-mung. Mit Linsen und Parabolspiegeln knnen durch Defokussie-ren einfach und schnell verschiedene Leistungsdichten einge-stellt werden. Bei hheren Ansprchen an Homogenitt, Strahl-geometrie und Flexibilitt

38、empfiehlt sich der Einsatz eines Linienscanners. Tabelle 2. Optiken zur Strahlformung.Bild 3. Linienscanner.Lasersystem fr MaterialbearbeitungLaser undLaserzubehrWerkstckhandhabungSteuerung undberwachungStrahlfhrung undStrahlformungLaserPulseinrichtungStromversorgungKhlaggregatLasergasversorgungJust

39、ierlaserFormenTeilenFokussierenAbschirmenBe- und EntladenSpannen/FhrenSPS/CNCSensorenQualittssicherungUmlenkenSchadstoffentsorgungZusatzwerkstoffeTyp Flexi-bilittKosten Leistungs-grenzeHomo-genittLinse gering gering mittel abhngig vom LaserParabol-spiegelgering gering sehr hoch abhngig vom LaserLini

40、enfokus-spiegelmittel gering sehr hoch eine Achse gut, andere abhngig vom LaserLinienscanner mit Schwing-spiegelsehr hoch mittel bis hochgering bis sehr hochmittel bis gutLinien-scanner mit Drehspiegelsehr hoch mittel hoch sehr gutB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74

41、F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 4 zu DVS 32155.2 Bereitstellung des ZusatzwerkstoffsDer Zusatzwerkstoff wird durch spezielle Frdersysteme unmit-telbar in den Wirkungsbereich des Lasers gefhrt (einstufiges Verfahren) oder durch geeignete Verfahren vor der Las

42、er-behandlung aufgetragen (zweistufiges Verfahren). Die Bilder 4 und 5 sowie die Tabellen 3 und 4 zeigen eine bersicht der wich-tigsten Verfahrensvarianten.Bild 4. 1-Stufen-Verfahren.Bild 5. 2-Stufen-Verfahren.Tabelle 3. Varianten der Werkstoffzufuhr beim einstufigen Verfahren.Tabelle 4. Varianten d

43、es Werkstoffauftrags beim zweistufigen Verfahren.Im Allgemeinen bernimmt im einstufigen Verfahren das Trger-gas des Pulvers (N2,Ar oder He, je nach Frdergert 60 bis 400 l/h) auch die Funktion des Schutzgases fr eine teilweise Abschirmung des Schmelzbades. Fr besonders oxidationsemp-findliche Werksto

44、ffe empfiehlt sich ein zustzliches Schutzgas, vorzugsweise Ar, das zum Beispiel durch eine besondere Dse des Schweikopfs koaxial zum Pulverstrahl zugefhrt wird. Bei der Verwendung von Pulvern bzw. Grundwerkstoffen auf Basis von Aluminium oder Titan empfiehlt sich die Verwendung von He als Trgergas.

45、6 Werkstoffe und SchichtaufbauDie Hauptanwendungsgebiete des Laserstrahl-Auftragschwei-ens sind die Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie der Ma-schinen- und Werkzeugbau. Die wichtigsten Zielstellungen des Lasereinsatzes sind die Verbesserung des Verschlei- und Kor-rosionswiderstands, das Erzeugen

46、 bestimmter tribologischer Eigenschaften, die Steigerung der Dauerfestigkeit sowie die Re-paratur kostenintensiver Werkzeuge und Bauteile. Die verwende-ten Grund- und Zusatzwerkstoffe orientieren sich an diesen Anwendungsfeldern und Zielstellungen. Je nach der Beanspru-chung des Bauteils werden entw

47、eder homogene metallische Zusatzwerkstoffe oder Hartstoff-Verbundwerkstoffe eingesetzt. Darber hinaus wird gegenwrtig daran gearbeitet, auch Oxid-keramik verwenden zu knnen. Bei allen Varianten kann durch ein Mischen von Pulverkomponenten die Zusammensetzung stufenlos variiert werden. In einer bersi

48、cht, Tabelle 5, sind die wichtigsten, heute verfgbaren Grund- und Zusatzwerkstoffe zu-sammengestellt.Den Aufbau einer Metallbeschichtung zeigt Bild 6a am Beispiel eines mit Stellit 21 beschichteten Massivumformwerkzeugs (Bild 6b) aus Warmarbeitsstahl. Die Schicht ist vollstndig dicht und weist eine

49、feindendritische Erstarrungsstruktur auf. Die metallur-gische Bindung der Schicht zum Grundwerkstoff wird ber eine Methode BemerkungenPulver wird mit Trgergas (N2, Ar, He) in das Schmelz-bad geblasen Dynamic Powder Feed (DPF)bis zu 2 mm Schichtdicke in einer Lage, z. T. hohe Pulver-verlusteDrahtfrderer Dynamic Wire Feed (DWF)bis zu 3 mm Schichtdicke in einer Lage, einges