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Laser-Auftragsschweißen mit Pulver: Welchen Einfluss hat die Pulver-Partikelgröße auf die Prozesseffizienz?

Motivation

Das Laser-Auftragsschweißen mit Pulver ist lange nicht mehr nur ideal für Reparatur oder Ausbesserung von Oberflächen, sondern sorgt vielmehr auch im 3-D-Druck, also in der additiven Fertigung, für Furore.

Die Technologie zeichnet sich neben einem erhöhten Durchsatz und eine besonders hohe Qualität, auch durch eine geringe Aufmischung aus. Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Vorteil im Vergleich zu traditionellen Schweißtechnologien ist der minimale Verzug durch den geringeren Energieeintrag. Gekoppelt mit der wenig porösen oder rauen Oberfläche, die beim Auftragsschweißprozess entsteht, können nachfolgende Verarbeitungsschritte weitgehend entfallen – hier überzeugt die Technologie zudem noch mit einer nicht zu vernachlässigenden Zeit- und Kostenersparnis!

Den Einsatzmöglichkeiten sind beinahe keine Grenzen gesetzt. Dank der verfügbaren softwaregestützten Fertigungsoptionen können unterschiedlichste Geometrien erstellt werden. Der Auftrag kann in einer Schicht oder mehreren Schichten erfolgen; es können sogar ganz neue Objekte entstehen, die mit einer vorhandenen Komponente verbunden werden.

Verschiedene Prozessparameter wie Laserleistung, Punktgröße und Geschwindigkeit beeinflussen die Effizienz und Qualität des Auftragsschweißens. Ein sehr wichtiger Faktor, der allerdings häufig unterschätzt und deshalb nicht berücksichtigt wird, ist die Energiekopplungseffizienz. Diese bezeichnet den Anteil der Laserleistung, der das Werkstück tatsächlich erreicht und von diesem es absorbiert wird. Die Energiekopplungseffizienz verringert sich einerseits durch die Reflexion des Laserstrahls vom Teil selbst und andererseits durch die von den Pulverpartikeln verursachte Streuung und Absorption: Wenn also nur ein kleiner Teil des Laserstrahls übertragen wird, schmilzt die Oberfläche des Substrats nicht richtig. Auf der anderen Seite besteht das Risiko, dass die Pulverkörner zu viel Laserenergie aufnehmen und schmelzen. Das dadurch entstandene Schmelzbad auf dem Werkstück verhindert eine ausreichende Verbindung mit dem Basismaterial. Um dies zu verhindern, muss die Energiekopplungseffizienz des Prozesses optimiert werden.

Absorption durch das Metall

Die Absorption des Laserstrahls durch das Werkstück hängt von der Wellenlänge der Laserquelle ab. Für das Laser-Auftragsschweißen mit Pulver werden häufig diodengepumpte Laser eingesetzt. OR Laser beispielsweise bietet diodengepumpte Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 µm für diese Anwendungen an. Interessanterweise ist die Absorption des Laserstrahls durch eine Metalloberfläche bei der gleichen Wellenlänge nicht immer konstant. Sie hängt auch von der Oberflächentemperatur des Metallwerkstücks ab.

Wenn das Werkstück die Energie des Laserstrahls absorbiert und sich erwärmt, steigt der Absorptionskoeffizient allmählich an. Wenn dann der Schmelzpunkt des Metalls erreicht ist, erhöht sich der Absorptionskoeffizient plötzlich sehr stark.

Jedoch erreicht nicht die gesamte Laserenergie das Werkstück. Die Laserstrahlung wird zudem entweder teilweise von den Pulverpartikeln absorbiert, sodass diese sich im Schmelzbad auflösen, oder sie wird von der Oberfläche der Pulverpartikel gestreut und/oder reflektiert.

Der Anteil der Laserenergie, die vom Pulver absorbiert wird, kann mit der Mie-Theorie bestimmt werden. Dazu wird die Streuung der ursprünglichen Strahlung durch die kleinen Partikel berechnet, die im Durchmesser nur wenige Mikrometer groß sind.

Bei kleineren Pulverpartikeln und einer erhöhten Zufuhrgeschwindigkeit wird weniger Laserenergie übertragen. Gleichzeitig erhöht sich die Absorption durch die Partikel. Am besten eignen sich Partikel mit einer Größe zwischen 40 und 90 µm und eine relativ geringe Zufuhrgeschwindigkeit. Größere Partikel halten die Transmission relativ konstant, selbst wenn die Zufuhrgeschwindigkeit schwankt. So erhält der Gesamtprozess eine angemessene Stabilität.

OR Laser empfiehlt eine Pulverpartikelgröße von maximal 90 Mikrometer für seine Laser-Auftragsschweißsysteme mit Pulverdüse. Bei noch größeren Partikeln besteht die Gefahr, dass die koaxiale Pulverdüse blockiert wird; bei kleineren Partikeln reduzieren sich die Effizienz und Qualität des Prozesses.

Zusammenfassung

Die Größe der Pulverpartikel, die beim Laser-Pulver-Auftragsschweißen verwendet werden, hat einen großen Einfluss auf die Gesamtqualität und Effizienz des Prozesses. Um einen stabilen Prozess zu gewährleisten, muss der Laserstrahl ein Schmelzbad auf dem Basismaterial erzeugen. Der Laserstrahl wird durch die Streuung oder die Reflexion an der Oberfläche der Pulverpartikel gestört. Kleine Partikel und hohe Zufuhrgeschwindigkeiten blockieren die Laserstrahlen und reduzieren damit die Effizienz und Qualität des Pulverauftragsschweißens.

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