Verdreifachung der Auftragsrate

Trotz seiner hohen Materialeffizienz konnte sich das drahtbasierte Laserauftragschweißen bisher nur eingeschränkt gegen das MIG/MAG-Schweißen und das laserbasierte Pulver Cladding durchsetzen.
Hauptgrund war die niedrige Auftragsrate. Ein neues Beschichtungs-konzept mit Mehrdrahtdüsen erschließt neue Möglichkeiten.

Korrosions- und Verschleißschutzbeschichtungen sind bei vielen Metallbauteilen Standard und ein Klassiker der industriellen Oberflächenbehandlung. Dominierendes Verfahren war hier lange Zeit das MIG/MAG-Schweißen, das zur Gruppe der Lichtbogenschweißverfahren gehört. Es wird schon seit Jahrzehnten in verschiedensten Bereichen der Metallbearbeitung eingesetzt und bietet bei vergleichsweise niedrigen Investitionskosten die Möglichkeit, eine Vielzahl von Beschichtungswerkstoffen zu verarbeiten. 

Konkurrenz ist diesem Verfahren in jüngerer Zeit vor allem durch das pulverbasierte Cladding mit Diodenlasern entstanden, welches mit hoher Energieeffizienz und hohen Prozessgeschwindigkeiten punktet und umfangreiche Möglichkeiten für Prozessüberwachung und Prozessautomatisierung mit sich bringt. Für besonders preissensible Märkte ist dieses Verfahren aber trotz seiner Vorteile nicht geeignet, da die Materialkosten höher ausfallen als beim klassischen MIG/MAG-Schweißen. 

Eine Alternative bietet hier das drahtbasierte Laser Cladding: Es verbindet die bekannten Vorzüge des Laserauftragschweißens mit verringerten Grundmaterialkosten sowie einer Materialeffizienz von 100 Prozent. Zudem kommt es im Gegensatz zum pulverbasierten Cladding nicht zur Verschmutzung der Umgebung durch Pulver-Overspray.

Laterale und koaxiale Drahtzufuhr

Beim Draht-Auftragschweißen ist eine laterale Drahtzufuhr mit einem einzelnen Draht weit verbreitet. Draht und Laserstrahl werden hierbei aus unterschiedlichen Richtungen über der Werkstückoberfläche zusammengeführt. Dieser Ansatz ist grundsätzlich bewährt, hat aber zwei Nachteile: Zum einen ist die Auftragsrate limitiert. Zum anderen ist der Prozess richtungsgebunden und muss nach jeder Beschichtungsbahn unterbrochen werden, um die Bearbeitungsoptik umzuorientieren und gegebenenfalls an den Startpunkt zurückzufahren. Das kostet Zeit und wirkt sich negativ auf die geometrische Freiheit des Prozesses aus. 

Einen ersten Ausweg aus diesem Dilemma eröffnen mittlerweile Bearbeitungsoptiken mit koaxialer Drahtzufuhr. Zwar sind die Auftragsraten auch hier limitiert, die Optiken ermöglichen jedoch eine richtungsunabhängige Beschichtung ohne Unterbrechungen und damit eine effizientere und geometrisch freiere Prozessführung. Der Draht wird hier zentral von oben zugeführt und mithilfe eines per Strahlformungsoptik separierten Laserstrahls aufgeschmolzen. Kommt eine Anwendung mit insgesamt eher niedrigen Auftragsraten und Laserleistungen bis maximal 6kW aus, kann dieser Ansatz eine sinnvolle Wahl sein. 

Hohe Auftragsraten, richtungs-unabhängige Beschichtung 

Sollen hingegen höhere Auftragsraten realisiert werden, stößt auch das Laser Cladding mit koaxialer Drahtzufuhr an seine Grenzen. Hier können Anwender jedoch inzwischen auf das relativ neue Konzept des Beschichtens mit Mehrdrahtdüsen zurückgreifen. Diese Düsen werden im industriellen Umfeld bisher nur von Diodenlaserspezialist Laserline angeboten und erlauben – wie auch schon die Bearbeitungsoptiken mit koaxialer Drahtzufuhr – eine richtungsunabhängige Prozessführung. Durch die Zuführung von insgesamt drei Drähten mit Durchmessern zwischen 1,0 mm bis 1,6 mm wird mit MultiWire-Düsen eine Steigerung der Auftragsrate um bis zu 200 Prozent erreicht. Bei Schichtdicken von 1,5 bis 2 mm und Laserausgangsleistungen von 10 kW bedeutet das bei Edelstahllegierungen wie 316L oder nickelbasierten Legierungen wie IN25 beispielsweise eine Auftragsrate von 6 kg/h bzw. 6,5 kg/h, bei einer Flächenauftragsrate zwischen 0,35 und 0,4 m2/h. 

Die Düsen lassen sich je nach Bedarf auch für das Draht-Auftragschweißen mit nur einem oder zwei Drähten verwenden und bieten dem Anwender somit maximale Flexi-
bilität. Sie sind sowohl mit den Laserline OTS-3 und OTS-5 Festoptiken als auch mit der Laserline OTZ-5 Zoomoptik kompatibel und lassen sich dank ihres modularen Designs schnell und unkompliziert montieren. Durch den Einsatz einer OTZ-5 Zoomoptik wird überdies größtmögliche Freiheit bei der Gestaltung der Spotgrößen und Spurbreiten erreicht.

Optiküberwachung zur Qualitätskontrolle

Alle Bearbeitungsoptiken von Laserline lassen sich um Komponenten zur Zustandsüberwachung und Verschmutzungs-
detektion ergänzen. Die Erweiterung der Optiken um Prozess- und Temperaturüberwachungsmodule macht darüber hinaus eine systematische Kontrolle des Beschichtungsprozesses und eine zuverlässige Qualitätsprüfung möglich. Durch die Einbindung in eine übergeordnete Prozessregelung lässt sich dann beispielsweise das Auftreten von Materialfehlern wie Poren, Rissen und Delamination (Verbindungsfehler zwischen den Schichten) über weite Strecken unterbinden. 

Kommt es während des Beschichtungsvorgangs dennoch zu vereinzelten Unregelmäßigkeiten, werden diese von den Monitoring-Lösungen detektiert, und das betreffende Werkstück kann im Nachgang gezielt ausgesondert werden. Ein noch umfassenderes und präziseres Prozessmonitoring ermöglichen softwaregestützte Infrarotkameras. Sie überwachen Schmelzbadbreite und Laserleistung und lassen sich dank ihres Plug-and-Play-Designs ohne großen Aufwand an den jeweiligen Laserline Cladding-Optiken anbringen.

Ausblick 

Die Kombination aus hundertprozentiger Materialeffizienz, kompletter Richtungsunabhängigkeit und hohen Auftragsraten sowie die umfassenden Möglichkeiten zur Prozessoptimierung machen das 
Laser Cladding mit MultiWire-Düsen zu einem Beschichtungsverfahren, das für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet und zudem auch wirtschaftlich hochattraktiv ist. 

Dem MIG/MAG-Schweißen ist damit auch dort Konkurrenz erwachsen, wo bisher weder Prozesse mit lateraler noch mit koaxialer Drahtzufuhr wettbewerbsfähig waren. Darüber hinaus ist der Einsatz der flexiblen Düsen nicht allein auf den Cladding-Bereich beschränkt. Vielmehr ist mit dem MultiWire-Ansatz auch die Umsetzung von 3D-Druck-Applikationen möglich – insbesondere zur additiven Fertigung mit Drahtbogen, kurz: WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), bietet sich hierdurch eine interessante Alternative. Bislang stehen Anwendern Mehrdrahtdüsen für Kaltdraht-Applikationen zur Verfügung. Die Entwicklung ist aber nicht abgeschlossen, perspektivisch sollen auch heißdrahtfähige Lösungen verfügbar sein. Diese würden den Vorteil bieten, dass die Laserausgangsleistungen aufgrund des vorerhitzten Drahts gesenkt beziehungsweise noch höhere Auftragsraten erzielt werden können.

Laserline GmbH 
www.laserline.com