VarioClad - Laserauftragschweißen mit variabler Spurbreite

Themenbrochüre VarioClad

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Das Fraunhofer ILT hat in Zusammenarbeit mit Reis Lasertec GmbH einen kompakten Bearbeitungskopf zum Laserauftragschweißen entwickelt. Dieser kombiniert eine flexible Optik mit einer koaxialen Pulverzufuhrdüse. Das Laserauftragschweißen mit pulverförmigen Zusatzstoffen wird zum Reparieren unterschiedlichster Komponenten sowie zum Auftragen von Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten eingesetzt, z. B. im Werkzeug- und Formenbau, dem Turbomaschinenbau sowie im Automobilbau.

Laserauftragschweißen

Für die Instandsetzung sowie den Verschleiß- und Korrosionsschutz von Komponenten werden unterschiedlichste Beschichtungsverfahren  eingesetzt, wie beispielsweise die Galvanik, das thermische Spritzen oder das konventionelle Auftragschweißen (Plasma-Pulver, Wolfram-Inertgas). Gegenüber diesen Beschichtungsverfahren bietet das Laserauftragschweißen entscheidende Vorteile: Der Zusatzwerkstoff geht mit dem Grundwerkstoff eine metallurgische Verbindung ein, die Wärmebeeinflussung des Bauteils ist gering und es können Schichtdicken von 1/10 mm bis mehrere mm durch Mehrlagentechnik erreicht werden.

Beim Auftragschweißen werden der Zusatzwerkstoff und der Grundwerkstoff durch die Laserstrahlung aufgeschmolzen und metallurgisch verbunden. Üblicherweise wird ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff verwendet. Das Verfahren gewährleistet eine hohe Präzision des Materialauftrags, die Kontrollier- und Automatisierbarkeit des Prozesses bei gleichzeig geringer thermischer und mechanischer Belastung der Bauteile. Beschädigungen oder Verschleiß an Turbinenkomponenten, Maschinenteilen, Werkzeugen und Formen können so kostengünstig repariert werden. Da in diesen Bereichen schadhafte Komponenten oft ersetzt werden müssen, stellt die Reparatur mittels Laserauftragschweißen eine wirtschaftliche Option dar.

Ausgehend von einem dreidimensionalen Datenmodell des Originalbauteils kann durch Laserauftragschweißen Schicht für Schicht die ursprüngliche Kontur in hoher Präzision wieder hergestellt werden. Beim Auftragschweißen mit unterschiedlichen Werkstoffen und Schichtendicken sind angepasste Pulverzufuhrdüsen und flexible Laseroptiken erforderlich, die die Einstellung einer variablen Spurbreite ermöglichen.

Koaxiale Pulverzufuhr

Bei der koaxialen Pulverzufuhr wird das Pulver in der Achse des Laserstrahls zugeführt. Unterschieden wird zwischen der diskreten und kontinuierlichen Pulverzufuhr. Bei der diskreten Zufuhr erzeugen mindestens drei koaxial zum Laserstrahl geführte Pulvergasströme einen »Pulvergasstrahlfokus«, der einen Kerndurchmesser von 2 - 3 mm aufweist. Diese »Dreistrahldüse«  eignet sich insbesondere für das Auftragen dickerer Schichten mit hohen Laserleistungen (> 2 kW) und für das Auftragen von 3D-Konturen auch in Zwangslagen. Bei der kontinuierlichen Pulverzufuhr wird das Pulver in einem kegeligen Ringspalt verteilt. Auf diese Weise entsteht ein Pulverhohlkegel,  der den Laserstrahl umschließt. Mit dieser »Koaxialdüse« kann der Pulvergasstrahlfokus auf unter 0,2 mm reduziert werden, wodurch auch bei kleinem Laserstrahldurchmesser Auftragschweißen mit höchster Präzision und Effizienz möglich ist.

VarioClad - Variable Spurbreiten beim Auftragschweißen

Auf Basis eines gemeinsamen Patents haben das Fraunhofer ILT und Reis Lasertec einen kompakten Bearbeitungskopf für das Laserauftragschweißen entwickelt, der eine flexible Optik mit einer Koaxialdüse zur Pulverzufuhr kombiniert und damit variable Spurbreiten ermöglicht.

VarioClad automatisiert - Moving Optics

Der motorisierte Bearbeitungskopf mit integrierter koaxialer Pulverzufuhrdüse ist mit einer direktangetriebenen Linearachse in einem kompakten Gehäuse ausgerüstet. Mittels einer beweglichen Linsengruppe ermöglicht der Bearbeitungskopf die Anpassung des Strahldurchmessers während der Bearbeitung. Der Arbeitsabstand des Bearbeitungskopfs zum Werkstück wird dabei nicht verändert, sodass aufwändige Einrichtarbeiten entfallen. Der Direktantrieb erlaubt eine hohe Bewegungsdynamik während der Bearbeitung (z. B. bei schnellen Veränderungen der Geometrie). Der Bearbeitungskopf ist für Strahlleistungen bis 6 kW ausgelegt und deckt Spurbreiten zwischen 0,7 mm und 4 mm ab. Der Arbeitsbereich ist dabei abhängig von der Strahlqualität des Lasers. Die Auslegung der Bearbeitungsoptik erfolgt auf verschiedene Wellenlängen und Strahlqualitäten des Lasers entsprechend den Kundenanforderungen.

Steuerung

Der motorisierte Bearbeitungskopf wird mit einer eigenen Steuerung ausgeliefert. Die Steuerung ermöglicht eine schnelle und unkomplizierte Anbindung des Bearbeitungskopfs an Handhabungssysteme. Sie ist ausgerüstet mit einer eigenständigen Steuerung für den Antrieb und einer CanBus-Schnittstelle für die Anbindung an die Anlagensteuerung. Die Verwendung von alternativen Bus-Schnittstellen ist ebenfalls möglich.

VarioClad manuell - Modular Optics

Alternativ kann eine modulare Bearbeitungsoptik (MO) verwendet werden. Die MO kann aus verschiedenen Funktionskomponenten (Modulen) zusammengestellt werden. Entsprechend den Kundenanforderungen stehen z. B. Kamera-, Pyrometer- oder Cross-Jet-Module zur Verfügung. In Kombination mit einer Koaxialdüse zur Pulverzufuhr wird ein kompaktes und funktionelles System bereitgestellt, welches in kurzer Zeit angepasst werden kann. Die integrierte Schublade zum Linsenwechsel ermöglicht das  schnelle manuelle Umrüsten auf unterschiedliche Spurweiten durch einen einfachen Wechsel von vormontierten Linsenschubladen.

Leistungsangebot

  • Beratung
  • Machbarkeitsuntersuchungen und Prozessentwicklung zum Auftragschweißen
  • Prozessinstallation und Training beim Kunden
  • Systemtechnik zum Auftragschweißen in Kooperation mit verschiedenen Anlagenherstellern