Prinzip und Einführung des Laserauftragschweißens

Plattierungsverfahren: Das Laserplattieren kann je nach Zufuhrmethode der Plattierungsmaterialien grob in zwei Kategorien unterteilt werden, nämlich voreingestelltes Laserplattieren und synchrones Laserplattieren.

Beim voreingestellten Laserplattieren wird das Plattierungsmaterial vorab auf den Plattierungsteil der Substratoberfläche aufgebracht und anschließend mittels Laserbestrahlung gescannt und geschmolzen. Das Plattierungsmaterial wird in Pulver- oder Drahtform aufgetragen, wobei Pulver am häufigsten verwendet wird.

Beim synchronen Laserauftragschweißen werden Pulver- oder Drahtauftragsmaterialien während des Auftragschweißprozesses synchron durch die Düse in das Schmelzbad eingebracht. Das Auftragmaterial wird in Pulver- oder Drahtform hinzugefügt, wobei die Pulverform am häufigsten verwendet wird.

Der Hauptprozess des voreingestellten Laserauftragschweißens ist: Vorbehandlung der Substratauftragsoberfläche – voreingestelltes Auftragschweißmaterial – Vorwärmen – Laserauftragschweißen – Wärmenachbehandlung.

Der Hauptprozessablauf beim synchronen Laserauftragschweißen ist: Vorbehandlung der Substratauftragsoberfläche – Vorwärmen – synchrones Laserauftragschweißen – Wärmenachbehandlung.

Gemäß dem Prozessablauf sind die mit dem Laserauftragschweißen verbundenen Prozesse hauptsächlich die Vorbehandlung der Substratoberfläche, die Zuführung des Auftragsmaterials, das Vorwärmen und die Wärmenachbehandlung.

Funktionsprinzip des Lasers:

Der komplette Satz der Laserbeschichtungsausrüstung besteht aus: Laser, Kühleinheit, Pulverzufuhrmechanismus, Verarbeitungstisch usw.

Auswahl an Lasern: Gängige Lasertypen unterstützen das Laserauftragschweißen, wie etwa CO2-Laser, Festkörperlaser, Faserlaser, Halbleiterlaser usw.

Prozessparameter

Zu den Prozessparametern des Laserauftragschweißens zählen hauptsächlich Laserleistung, Punktdurchmesser, Auftragsgeschwindigkeit, Defokussierungsgrad, Pulverzufuhrgeschwindigkeit, Scangeschwindigkeit, Vorwärmtemperatur usw. Diese Parameter haben großen Einfluss auf die Verdünnungsrate der Auftragsschicht, Risse, Oberflächenrauheit und Kompaktheit der Auftragsteile. Die Parameter beeinflussen sich auch gegenseitig, was einen sehr komplexen Prozess darstellt. Um diese Parameter innerhalb des zulässigen Bereichs des Laserauftragschweißens zu halten, müssen geeignete Kontrollmethoden eingesetzt werden.

Laserauftragschweißen hat 3 wichtige Prozessparameter

Laserleistung

Je höher die Laserleistung, desto größer die Menge des geschmolzenen Mantelmetalls und desto wahrscheinlicher ist die Bildung von Porosität. Mit zunehmender Laserleistung vergrößert sich die Mantelschichttiefe, das umgebende flüssige Metall schwankt stark, und die dynamische Erstarrung kristallisiert, wodurch die Anzahl der Poren allmählich reduziert oder sogar vollständig verschwindet und sich auch Risse allmählich verringern. Erreicht die Mantelschichttiefe die Grenztiefe, steigt mit zunehmender Leistung die Oberflächentemperatur des Substrats an, und Verformungen und Rissbildung verstärken sich. Ist die Laserleistung zu gering, schmilzt nur die Oberflächenbeschichtung, das Substrat selbst jedoch nicht. Dadurch entstehen lokale Risse an der Mantelschichtoberfläche. Pilling, Hohlräume usw. erfüllen den Zweck der Oberflächenbeschichtung nicht.

Lichtfleckdurchmesser

Der Laserstrahl ist in der Regel kreisförmig. Die Breite der Mantelschicht hängt hauptsächlich vom Punktdurchmesser des Laserstrahls ab. Mit zunehmendem Punktdurchmesser wird die Mantelschicht breiter. Unterschiedliche Punktgrößen verändern die Energieverteilung auf der Mantelschichtoberfläche, wodurch sich Morphologie und Mikrostruktur der Mantelschicht deutlich unterscheiden. Generell gilt: Die Qualität der Mantelschicht ist bei kleiner Punktgröße besser, während sie mit zunehmender Punktgröße abnimmt. Ein zu kleiner Punktdurchmesser begünstigt jedoch nicht die Erzielung einer großflächigen Mantelschicht. [3]

Plattierungsgeschwindigkeit

Die Beschichtungsgeschwindigkeit V hat einen ähnlichen Effekt wie die Laserleistung P. Ist die Beschichtungsgeschwindigkeit zu hoch,das Legierungspulverkann nicht vollständig geschmolzen werden, und der Effekt einer hochwertigen Plattierung wird nicht erreicht; wenn die Plattierungsgeschwindigkeit zu niedrig ist, besteht das Schmelzbad zu lange, das Pulver wird übergebrannt, die Legierungselemente gehen verloren und die Wärmezufuhr der Matrix ist groß. wird das Ausmaß der Verformung erhöhen.

Die Parameter des Laserauftragschweißens beeinflussen die makroskopische und mikroskopische Qualität der Auftragsschicht nicht unabhängig voneinander, sondern beeinflussen sich gegenseitig. Um den umfassenden Einfluss von Laserleistung P, Punktdurchmesser D und Auftragsgeschwindigkeit V zu veranschaulichen, wird das Konzept der spezifischen Energie Es vorgeschlagen:

Es = P/(DV)

Das heißt, die Bestrahlungsenergie pro Flächeneinheit und Faktoren wie LaserLeistungsdichteund die Ummantelungsgeschwindigkeit können gemeinsam betrachtet werden.

Die Reduzierung der spezifischen Energie trägt zur Verringerung der Verdünnungsrate bei und steht in einem gewissen Zusammenhang mit der Dicke der Mantelschicht. Bei konstanter Laserleistung nimmt die Verdünnungsrate der Mantelschicht mit zunehmendem Punktdurchmesser ab. Bei konstanter Mantelgeschwindigkeit und Punktdurchmesser steigt die Verdünnungsrate der Mantelschicht mit zunehmender Laserstrahlleistung. Mit zunehmender Mantelgeschwindigkeit verringert sich zudem die Schmelztiefe des Substrats und damit auch die Verdünnungsrate der Mantelschicht vom Substratmaterial.

Beim mehrstufigen Laserauftragschweißen ist die Überlappungsrate der Hauptfaktor, derdie Oberflächenrauheitder Mantelschicht. Mit zunehmender Überlappungsrate nimmt die Oberflächenrauheit der Mantelschicht ab, die Gleichmäßigkeit des überlappenden Bereichs kann jedoch nur schwer gewährleistet werden. Die Tiefe des Überlappungsbereichs zwischen den Mantelbahnen unterscheidet sich von der Tiefe der Mantelbahnmitte, was die Gleichmäßigkeit der gesamten Mantelschicht beeinträchtigt. Darüber hinaus wird die Restzugspannung der mehrlagigen Mantelschicht überlagert, was den lokalen Gesamtspannungswert erhöht und die Rissempfindlichkeit der Mantelschicht erhöht. Vorwärmen und Tempern kann die Rissneigung der Mantelschicht verringern.