Laserauftragschweißen
Das Verfahren

Das Laserpulverauftragschweißen wird schematisch in Abbildung 1 gezeigt. Dargestellt ist der Prozess mit einer beispielsweisen, koaxialen Pulver- und Schutzgaszufuhr, das bedeutet, dass beide Medien aus der gleichen Achsrichtung wie der Laserstrahl in Richtung des Substrats gefördert werden. Hierfür wird aus einer Fördereinheit Pulver über einen Gasstrom in Richtung des Schmelzbades transportiert, überwiegend dient Argon als Trägermedium. Weiterhin kommt ein Schutzgas zum Einsatz, um zum einen die Oxidation des Schmelzbades zu verhindern und zum anderen auch die Optik vor Verschmutzung zu schützen. In den meisten Fällen kommt ebenfalls Argon zur Anwendung. Knapp oberhalb der Substratoberfläche bildet der Laserstrahl die höchste Intensität aus (Fokuspunkt) und schmilzt das Pulver, welches im gleichen Bereich die höchste Partikeldichte zeigt, auf. Der Bearbeitungskopf, welcher von einem Manipulator, wie z.B. einem Roboter oder einem kartesischen System bewegt wird, verfährt in x-y-Ebene über das Substrat, so, dass die Metallschmelze mit hoher Geschwindigkeit erstarrt (Mikrostruktur ähnelt teilweise einem Gussgefüge).

Das erzeugte Schweißgut einer Einzelspur wird in Abbildung 2 gezeigt. Die Spurbreite ist dabei abhängig von der Spotgeometrie des Lasers. Die Höhe der Schweißraupe wird durch die zugeführte Pulvermenge sowie die Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfs bestimmt. Je nach Anwendungsfall ist eine Durchmischungszone A2 mehr oder weniger erwünscht. So versucht man bei der Reparatur von Eisen-Gusswerkstoffen (z.B. Tiefziehwerkzeuge) im Optimalfall einen Zustand A1 + A2 = A1 zu erreichen, da das Anschmelzen des Grundmaterials wegen der steigenden Rissgefahr nicht erwünscht ist. Die Einschmelztiefe lässt sich durch die Wahl der Prozessgrößen (Fokuslage, Leistungsdichte, Vorschub) soweit beeinflussen.

Hierdurch entsteht beim richtigen Einstellen der Parameter Laserleistung, Vorschub, Massenstrom des Pulvers oder alternativ des Draht- bzw. Bandvorschubes, und der Fokuslage ein Materialauftrag auf dem Werkstück, der bei mehrmaligen Überfahrten – nebeneinander oder übereinander – zu einer Fläche oder Wand geformt werden kann. Die Generierung von freigeformten Strukturen ohne Hinterschneidung ist bei entsprechender Prozessführung ebenfalls möglich. Die Anbindung an das Grundmaterial kann z. B. durch die Ausbildung einer Zwischenschicht über die Parameter beeinflusst werden. Meistens sind anschließende Nachbearbeitungsschritte, wie Fräsen oder Drehen, notwendig.
In der industriellen Anwendung wird das Laserauftragschweißen mit Pulver hauptsächlich vollautomatisiert eingesetzt, während das Laserauftragschweißen mit Draht überwiegend an manuellen Laserschweißanlagen zum Einsatz kommt.
Die Technologie findet Anwendung im Bereich der Wiederherstellung verschlissener Oberflächen, ist jedoch nicht auf diesen Bereich eingeschränkt. Es ist Stand der Technik, dass Oberflächen verändert/veredelt werden. Insbesondere finden Modifikationen, wie die Verbesserung von Verschleißeigenschaften durch Aufbringen von Hartschichten (Aufpanzern) oder durch geeignete Werkstoffpaarungen (Gleiteigenschaften), häufig Anwendung. Darüber hinaus ist eine gezielte Optimierung der Korrosionsbeständigkeit durch Aufschweißung von z.B. Ni-Basis-Legierungen eine gängige Lösung. Größere Volumina entstehen durch wiederholtes Auftragen weiterer Schichten. Für den Aufbau auf Gusseisen und Legierungen wie GGG 70 oder GG 25CrMo werden bevorzugt eisenbasierte Pulver verwendet. Diese Pulver können ohne Vorheizen verarbeitet werden, es lassen sich rissfreie Schichten und Kanten bis 62 HRC erzielen. Weitere Zusatzmaterialien sind nickel- und kobaltbasiert. Sie kommen dann zum Einsatz, wenn besonders hohe Anforderungen an den Verschleißschutz bestehen.
Neben dem Verändern der Oberflächeneigenschaften oder dem Wiederherstellen dieser, gibt es weitere Einsatzmöglichkeiten für das Laserauftragschweißen. Speziell in der Konturänderung bietet diese Technologie immenses Potenzial. Anstatt ein Bauteil komplett neu herstellen zu müssen, können Designänderung auf der bestehenden Fläche realisiert werden, indem fehlendes Volumen generiert werden kann. Die herstellbaren Schichthöhen liegen typischerweise bei 0,2 mm bis 2,0 mm je Einzellage. Größere Volumina entstehen durch wiederholtes Auftragen weiterer Schichten.
Das Verfahren kommt überall dort zum Einsatz, wo teure, meist große Bauteile, instandgesetzt werden müssen, da sie nicht kostengünstig ausgetauscht werden können. Neben Umform- und Schneidwerkzeugen werden auch Falzbetten oder Kunstoffspritzgussformen, instandgesetzt, repariert und modifiziert. Ebenso zählen Triebwerksteile und Turbinenteile wie Blades, Disks und Blisks zu den bekanntesten Reparaturteilen.