Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Laser-Plasma-Auftragschweißen als hybrides Beschichtungsverfahren für hohe Auftragsraten mit geringer thermischer Belastung

Moderne Bauteile sind stetig steigenden korrosiven, abrasiven oder thermischen Belastungen ausgesetzt. Kostenintensive Werkstoffe sind notwendig, um mit diesen Belastungen umzugehen. Alternativ besteht durch Beschichtungen die Möglichkeit, Bauteiloberflächen an ausgewählten Stellen vor den Belastungen zu schützen. Das Aufbringen von Beschichtungen ist insbesondere für klein- und mittelständische Unternehmen im Werkzeugbau sowie für Lohnfertiger ein wichtiges Anwendungsfeld. Das Beschichtungsverfahren soll dabei eine hohe Auftragsrate, gute Oberflächenqualität und einen geringen Wärmeeintrag ins Werkstück erreichen. Mit den derzeit verfügbaren Beschichtungstechnologien kann dieses komplexe Anforderungsprofil nur eingeschränkt erfüllt werden.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, der Industrie ein hybrides Laser-Plasma-Beschichtungs-verfahren zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist hohe Auftragsraten mit einer möglichst geringen thermischen Belastung des Bauteiles zu erreichen. Dadurch eignet sich das Verfahren zum verzugsarmen Beschichten präziser Bauteile und zum Erhalt der Eigenschaften wärmeempfindlicher Werkstoffe. Das hybride Verfahren soll für Beschichtungen zum Verschleiß- und Korrosionsschutz eingesetzt werden. Im Vergleich zu den Einzelprozessen sollen eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit durch größeren Karbidgehalt, sowie verbesserte Korrosionseigenschaften aufgrund besserer Oberflächenqualität erreicht werden. Im Laufe des Projektes wird untersucht, welche Anordnung von Laser- und Plasmaprozess am besten zum Erreichen dieser Ziele geeignet ist. Dabei wird das Verständnis der Laser-Plasma-Interaktion verbessert.

Der hybride Beschichtungsprozess soll aufbauend auf den bei KMU bereits vorhandenen Schweißeinrichtungen in die industrielle Anwendung überführt werden können. Es wird eine wirtschaftliche Bewertung des entwickelten Verfahrens erstellt, die KMU eine Investitionsentscheidung ermöglicht.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurde das laserunterstützte PTA-Auftragschweißen als neuartiges Plasma-Laser-Hybrid-Verfahren entwickelt. Die Untersuchungen zur Plasma-Laser-Hybrid-Kombination zeigen, dass ein Laser, der in einer gemeinsamen Prozesszone einem PTA-Prozess vorlaufend angeordnet ist, den PTA-Prozess erhebliche Steigerungen der Prozessgeschwindigkeit sowie eine Verbesserung der Prozessstabilität ermöglicht. Das Laserlicht stärkt die Stabilität des Plasmalichtbogens durch die Unterstützung bei der Ausbildung des Schmelzbads, es verbessert die Anbindung des Zusatzwerkstoffs an den Grundwerkstoff und die Benetzung des Substrats. Die Plasma-Laser-Hybrid-Prozessanordnung konnte mit Verschleißschutzwerkstoffen sowie dem Korrosionsschutzwerkstoff Inconel 625 bei Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/min erfolgreich validiert werden. Die Qualität der Beschichtungen ist vergleichbar mit denen konventioneller LPA-Beschichtungen. Auch die Charakteristik der Korrosionsschutzbeschichtungen des entwickelten Plasma-Laser-Hybrid-Verfahrens ist vergleichbar mit denen konventioneller LPA-Beschichtungen. Die prozesstechnischen Kennzahlen übertreffen die Kennzahlen der konventionellen Referenzverfahren deutlich. Im Hinblick auf die aktuellen Entwicklungen zu Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißprozessen kann der Plasma-Laser-Hybrid-Prozess zwischen diesen und den konventionellen Verfahren eingeordnet werden. Der entwickelte Plasma-Laser-Hybrid-Prozess kann als Beschichtungsprozess überall dort industrielle Anwendungsmöglichkeiten haben, in der Auftragschweißungen zur Aufpanzerung, dem Korrosionsschutz oder der Aufarbeitung von Bauteilen eingesetzt werden. In einer Vielzahl von Industriezweigen werden solche Beschichtungstechnologien benötigt, um die Lebensdauer der Bauteile zu verlängern. Dazu gehören beispielsweise die Strom- und Gasindustrie, der Bergbau oder die Landwirtschaft.