Laserstrahlauftragschweißen unter dem Einfluss magnetischer und ...

Laserstrahlauftragschweißen
unter dem Einfluss
magnetischer und elektrischer Felder
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktoringenieur (Dr.-Ing.)
vorgelegt der Fakultät für Maschinenbau
der Technischen Universität Ilmenau
von
Diplom-Ingenieur (FH) Markus Dolles
geboren am 23. September 1978 in Hirschau
1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Johannes Wilden, TU Ilmenau
2. Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Andre Thess, TU Ilmenau
3. Gutachter Prof. Dr.- Ing. Andreas Emmel, FH Amberg
Tag der Einreichung: 24. Januar 2007
Tag der wiss. Aussprache: 10. September 2007

Markus Dolles
Laserstrahlauftragschweißen unter dem Einfluss magnetischer und elektrischer Felder
ISBN: 3-86130-991-2
1. Auflage 2007
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Wer glaubt, etwas zu sein,
hat aufgehört, etwas zu werden.
- Sokrates -

Danksagung
„Ilmenau hat mir viel Zeit, Mühe und Geld gekostet, dafür habe ich aber auch etwas
gelernt“. Dieses klassische Zitat von J. W. v. Goethe symbolisiert auf trefflichste Art
und Weise die Gedanken, mit denen ich an die Zeit in Ilmenau zurückdenke.
Trotz alledem hat sich die Zeit gelohnt und ich möchte das Gelernte nicht mehr
missen. Verantwortlich war dafür vorwiegend Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. J. Wilden, der
mir die Möglichkeit eröffnete, als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet
Fertigungstechnik zu promovieren und durch seine Unterstützung zum erfolgreichen
Gelingen dieser Dissertation beitrug.
Prof. A. Thess vom Fachgebiet Thermo- und Magnetofluiddynamik der Technischen
Universität Ilmenau und Prof. A. Emmel von der Fachhochschule Amberg (Lehrgebiete
Werkstoff- und Lasertechnik) danke ich für die Übernahme der Co-Referate und
für die fruchtbaren Diskussionen zu Fragestellungen der Magnetofluiddynamik und
der Lasermaterialbearbeitung.
Weiterhin möchte ich mich bei J.P. Bergmann, T. Luhn, S. Reich, G. Fischer,
S. Jahn, I. Franzke, R. Ziegler, M. Bastick, E. Hamatschek, D. Szczesny, S. Pinzl,
A. Popp, L. Sandrock, D. Weisheit, R. Müther, M. Merten, M. Melan, A. Recke, den
„Werkstoffwissenschaftlern“ und weiteren Kollegen, Studenten und Bekannten
bedanken, die sowohl in fachlicher, als auch in zwischenmenschlicher Hinsicht auf
ihre Art zu dieser Arbeit beigetragen haben.
Mein größter Dank gilt jedoch meiner Familie, die mich stets motiviert und zu mir
gestanden hat.

Kurzfassung
Laserstrahlauftragschweißen unter dem Einfluss magnetischer und elektrischer Felder
Der Einsatz von Laserstrahlung in der Oberflächentechnik steht derzeit als Synonym
für exzellente Oberflächenqualität, geringste thermische Bauteilbeeinflussung, feine
Mikrostruktur und minimale Aufmischung beim Beschichten. Zugleich steht diese
aber auch für extrem hohe Schichtkosten. Eine umfassende industrielle Nutzung wird
nur bei drastischer Steigerung der Prozesseffizienz erfolgen.
Ein innovativer Ansatz zur Effizienzsteigerung verfolgt das gezielte Formen des
Raupenquerschnitts während des Auftragschweißens. Hierzu ist es erforderlich, das
Kräfteverhältnis im Schmelzbad durch eine von außen aufgebrachte Kraftkomponente
zu beeinflussen. Elektromagnetische Kräfte erlauben es, durch die Wechselwirkung
magnetischer Felder mit elektrischen Strömen das Schmelzbad berührungslos
und flexibel zu formen.
Als Ursachen für einen elektrischen Strom in der Schmelze kommen die Schmelzbadbewegung
im magnetischen Feld, die thermoelektrische Potenzialdifferenz
zwischen schmelzflüssigem Zusatz- und festem Substratwerkstoff sowie eine externe
Potenzialdifferenz in Betracht. Die Mechanismen werden hinsichtlich Einflussfaktoren,
Wirkung, Prozessgrenzen und technologischer Nutzbarkeit untersucht und
detailliert dargestellt. Unter industriellen Fertigungsbedingungen treten die drei
Mechanismen immer überlagert auf, wobei die Wirkung infolge einer externen
Potenzialdifferenz dominiert. Da die elektrische Leitfähigkeit bei metallischen Werkstoffen
im Allgemeinen mit steigender Temperatur abnimmt, ist die Stromdichte in der
Schmelze niedriger als im festen Grundwerkstoff. Hieraus resultieren für die technische
Anwendung erhebliche Prozesseinschränkungen. Diese können nur überwunden
werden, wenn es gelingt, eine ausreichende Stromdichte in der Schmelze zu
realisieren.
Diese Anforderung kann durch Ausnutzen des Skin-Effekts bei Einsatz hochfrequenter
Magnetfelder grundsätzlich erfüllt werden, wobei magnetisch bedingte Instabilitäten
nach einer außerordentlich komplexen Schmelzbadbeherrschung verlangen.
Die erarbeiteten grundlegenden Prozesszusammenhänge belegen das weitreichende
technische und ökonomische Potenzial einer elektromagnetischen Schmelzbadformung
beim Laserstrahlauftragschweißen, das im Weiteren in die industrielle
Anwendung zu überführen ist.

Laserstrahlauftragschweißen unter dem Einfluss magnetischer und elektrischer Felder
Abstract
The use of lasers for surface engineering implies excellent surface quality, low
thermal influence towards the substrate, fine microstructure and minimized dilution
for cladding applications. At the same time it also implies extreme high costs. There
has to be a drastic increase in process efficiency to fulfil the industrial demands.
An innovative attempt to raise the efficiency aims at the active forming of the coating
geometry. In order to achieve this, the force distribution within the melt pool had to be
changed through an external force. Electromagnetic forces, which are generated
through the interaction of magnetic fields with an electric current, offer a flexible and
non-contact possibility to form the melt pool.
The electric current within the melt pool results from three origins:
- movement of the melt within the magnetic field
- difference between the thermoelectric potentials of base material and melt
- external potential difference.
These three aspects will be investigated regarding influences, effectiveness, boundaries
and technological possibilities. For industrial conditions those mechanisms
always appear superposed, whereas the external potential difference will dominate
the effects. As consequence of the temperature dependence of electric conductivity,
which decreases with increasing temperature, the current density within the melt pool
is smaller then the current density in the base material. Thus, this means a restriction
for technical applications, which can only be removed through a sufficient current
density within the melt pool.
These requirements can be fulfilled through the application of high frequency magnetic
fields and the resulting skin effect. On the other hand magnetically caused melt
pool instabilities require extremely complex process handling.
The investigated process conditions show an enormous technological and economic
potential to form the melt pool through electromagnetic forces for laser beam cladding
applications, which must now be adapted for use in industrial applications.

Inhaltsverzeichnis
Laserstrahlauftragschweißen unter dem Einfluss magnetischer und elektrischer Felder
1 Einführung 1
2 Technologie des Laserstrahlauftragschweißens 3
2.1 Einordnung und Begriffsdeklaration 3
2.2 Prozessbeschreibung 4
2.2.1 Verfahrenscharakteristik 4
2.2.2 Strahlquellen 7
2.2.3 Werkstoffe 9
2.2.4 Auftragsleistung und Kostensituation 10
2.2.5 Physikalische Vorgänge beim Laserstrahlauftragschweißen 10
2.2.6 Aktueller Entwicklungsstand 18
2.3 Verfahrenskombinationen zur Steigerung der Prozesseffizienz 21
2.4 Elektromagnetische Kräfte bei der Materialbearbeitung 27
2.5 Magnetische und elektrische Felder in der Laseroberflächenbearbeitung 30
3 Motivation und Zielstellung 32
4 Theoretische Betrachtungen zum magnetisch gestützten
Laserstrahlauftragschweißen 34
4.1.1 Elektrische Leitfähigkeit 35
4.1.2 Ladungstransport in metallischen Schmelzen 40
4.1.3 Permeabilität 41
4.2 Eigenmagnetfeld 43
4.3 Permanente Magnetfelder 44
4.3.1 Externes elektrisches Feld 46
4.3.2 Thermoelektrische Potenziale 46
4.3.3 Bewegung elektrisch leitfähiger Fluide im magnetischen Feld 48
4.4 Hochfrequente Magnetfelder 50
4.4.1 Induktionsstrom 53
4.4.2 Elektromagnetische Kräfte 54
4.5 Temperaturverteilung im Werkstoff 55
4.6 Kräfteverhältnis im Schmelzbad 57
4.7 Magnetohydrodynamische Dämpfung der Schmelzbadströmung 59

Laserstrahlauftragschweißen unter dem Einfluss magnetischer und elektrischer Felder
5 Experimentelles Vorgehen 62
5.1 Vorgehensweise / Versuchsplan 62
5.1.1 Eigenmagnetfeld 62
5.1.2 Permanente Magnetfelder 62
5.1.3 Hochfrequente Magnetfelder 64
5.2 Laserbearbeitung 64
5.2.1 Laserstrahlquellen 64
5.2.2 Zuführeinrichtungen für pulver- und drahtförmige Zusatzwerkstoffe 66
5.3 Werkstoffe 66
5.3.1 Substratwerkstoffe 67
5.3.2 Zusatzwerkstoffe 68
5.4 Externes elektrisches Feld 68
5.5 Auslegung der magnetischen Felder 69
5.5.1 Permanente Magnetfelder 69
5.5.2 Hochfrequente Magnetfelder 73
6 Ergebnisse und Diskussion 76
6.1 Eigenmagnetfeld 76
6.2 Permanente Magnetfelder 78
6.2.1 Bewegung elektrisch leitfähiger Fluide im magnetischen Feld 78
6.2.2 Thermoelektrische Potenziale 94
6.2.3 Externes elektrisches Feld 116
6.3 Hochfrequente Magnetfelder 134
6.3.1 Nutzung elektromagnetischer Kräfte für das flächige
Auftragschweißen 134
6.3.2 Nutzung elektromagnetischer Kräfte für das Generieren 137
6.3.3 Induktionsstrom 139
7 Zusammenfassung 144
8 Ausblick 146
Literaturverzeichnis 147
Abkürzungsverzeichnis 156
Verwendete Formelzeichen und Konstanten 157
Curriculum Vitae 160

1 Einführung
Einführung
Die in den letzten Jahren erzielten Fortschritte in der Lasermaterialbearbeitung
führen zu einer deutlichen Steigerung der Prozessflexibilität und zu einer Aufweitung
des Anwendungsspektrums. In der Mikromaterialbearbeitung werden die Verfahren
Beschriften, Bohren und Abtragen am häufigsten angewandt. Im makroskopischen
Bereich sind das Schneiden und das Schweißen von metallischen Werkstoffen mit
Laserstrahlung etabliert und industriell umgesetzt. Geringe thermische Bauteilbeeinflussung,
hohe Vorschubgeschwindigkeit, breite Werkstoffpalette, etc. sind nur einige
der Vorteile, die zu einer hohen Flexibilität und Effizienz der Laserstrahlverfahren
führen. Das der Makromaterialbearbeitung zugeordnete Laserstrahlauftragschweißen
erlaubt das Herstellen hochwertiger Korrosions- und Verschleißschutzschichten, die
sich über die erwähnten Vorteile der Lasermaterialbearbeitung hinaus durch einen
geringen Aufmischungsgrad, eine gute Oberflächenqualität, eine sehr feine Gefügestruktur
und eine metallurgische Verbindung mit dem Substrat auszeichnen. Infolge
der geringen Wirtschaftlichkeit kommt das Auftragschweißen mittels Laserstrahlung
derzeit nur für Sonderanwendungen, beispielsweise zur Reparatur hochwertiger
Bauteile wie Turbinenschaufeln /Kat 97; Gäu 98; Kra 01; Cap 05/, zum Einsatz.
Voraussetzung für eine umfassende industrielle Umsetzung ist eine signifikante
Steigerung der Prozesseffizienz, die Kernaspekt zahlreicher aktueller Forschungsarbeiten
auf dem Gebiet des Laserstrahlauftragschweißens ist. Ein möglicher Ansatz
lässt sich aus der Effizienz der Strahlquellen selbst ableiten. In dieser Hinsicht sind
moderne Diodenlasersysteme aufgrund ihres im Vergleich zu anderen Laserstrahlquellen
hohen Wirkungsgrades für dieses Anwendungsgebiet prädestiniert. Aufgrund
der vergleichsweise großen Brennfleckabmessungen, die beim Laserstrahlauftragschweißen
zum Einsatz kommen, führt die geringe Strahlqualität derartiger Strahlquellen
zu keiner negativen Beeinflussung des Bearbeitungsergebnisses. Im Gegensatz
zu einer gaußförmigen Energieverteilung, wie sie eine Vielzahl der CO2- und
Nd:YAG-Laserstrahlquellen aufweisen, bewirkt das homogene Strahlprofil von
Diodenlasern eine gleichmäßige Energieverteilung über die gesamte Bearbeitungsbreite
und somit eine konstante Aufschmelzung des Grundwerkstoffes. Das Emissionsspektrum
von Diodenlaserstrahlquellen im nahen Infrarot-Bereich ermöglicht den
Einsatz von Lichtleitfasern, die im Vergleich zur Strahlführung mittels Spiegelsystemen
eine einfachere Handhabung erlauben und somit umfassendere Möglichkeiten
hinsichtlich industrieller Automatisierungslösungen aufweisen.
Trotz der Vorteile und der durch den Einsatz moderner Diodenlaser gesteigerten
Prozesseffizienz des Laserstrahlauftragschweißens konnte sich das Verfahren bisher
nur bedingt in der industriellen Fertigung etablieren. Auch umfangreiche Entwicklungsarbeiten,
beispielsweise die Kopplung von Auftragschweißverfahren zur
Erzielung von Synergieeffekten, führten nur zu einer geringfügig gesteigerten
industriellen Akzeptanz.
1

Einführung
Durch den neuen Ansatz in der vorliegenden Arbeit sollen grundlegende Erkenntnisse
zur Beeinflussung der Schmelzbadgeometrie gewonnen werden. Daraus resultieren
über den Stand der einzelnen Techniken hinausreichende Anwendungspotenziale
und eine Steigerung der Prozesseffizienz beim Laserstrahlauftragschweißen.
2

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
2 Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
Das Auftragschweißen als ein Teilbereich der Oberflächenbehandlung mittels
Laserstrahlung hebt sich durch zahlreiche positive Faktoren von anderen Verfahren
zum Beschichten und Generieren ab. Insbesondere im Hinblick auf die Qualität der
Auftragschweißungen, beispielsweise deren Aufmischung, Oberflächenrauheit und
Mikrostruktur, ist es den Lichtbogenverfahren überlegen. Zudem ist es trotz geringer
Aufmischungsgrade möglich eine metallurgische Verbindung zwischen Substrat- und
Zusatzwerkstoff sicherzustellen. Die erforderliche Korrosions- und Verschleißbeständigkeit
kann demzufolge schon durch einlagiges Auftragschweißen erreicht werden.
Aufgrund der geringen Prozesseffizienz und der hohen Prozesskosten im Vergleich
zu thermischen Spritzverfahren oder zum Plasma-Pulver-Auftragschweißen kommt
das Laserstrahlverfahren derzeit nur vereinzelt und vorwiegend bei Spezialanwendungen
mit hoher Wertschöpfung zum Einsatz.
2.1 Einordnung und Begriffsdeklaration
Die Oberflächenmodifikation mittels Laserstrahlung im Sinne des Aufbringens eines
schmelzflüssigen Zusatzwerkstoffes wird entsprechend DIN 8580 „Fertigungsverfahren
– Begriffe, Einteilung“ der Hauptgruppe „Beschichten“ zugeordnet. In der weiteren
Unterteilung nach der Form des Zusatzwerkstoffes ist es unter der Gruppe
„Beschichten durch Schmelzauftragschweißen“ zu finden /DIN 03/.
Nach DIN ISO 857-1 „Schweißen und verwandte Prozesse – Begriffe – Teil 1: Metallschweißprozesse“
wird das Verfahren entsprechend dem Zweck der Anwendung
dem Auftragschweißen zugeordnet und wie folgt definiert: „Erzeugen einer Schicht
aus Metall auf einem Werkstück durch Schweißen, um gewünschte Eigenschaften
oder Abmessungen zu erhalten“ /DIN 02/.
Im Rahmen der Norm DIN 2311-1: „Anforderungen und Anerkennung von Laserstrahloberflächenverfahren
mit Zusatzwerkstoffen - Teil 1: Anweisung zur Oberflächenbearbeitung
mit Laserstrahlung unter Verwendung von Zusatzwerkstoffen“ wird
hingegen nur vom Beschichten, Legieren und Dispergieren gesprochen. Das formgebende
Auftragschweißen zum Erzeugen definierter Abmessungen ist nicht Bestandteil
der aufgeführten Verfahren /DIN 98/.
Eine klare Einteilung des Laserstrahlauftragschweißens hinsichtlich der einzelnen
Anwendungen erfolgt nicht. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine anwendungsbezogene
Unterteilung in die Gruppen:
- flächiges Auftragschweißen bzw. flächiges Beschichten
- formgebendes Auftragschweißen bzw. Generieren.
Flächiges Auftragschweißen oder flächiges Beschichten dient vorwiegend der
Erhöhung der Verschleißbeständigkeit (Panzern / Hartauftragen) und / oder der
Korrosionsbeständigkeit (Plattieren). Der Zusatzwerkstoff wird dabei meist einlagig
3

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
auf die zu schützende Bauteiloberfläche aufgetragen. Die Anwendung des Verfahrens
beschränkt sich demzufolge vorwiegend auf zweidimensionale Strukturen.
Formgebendes Auftragschweißen oder Generieren wird als der schichtweise Aufbau
oder das Wiederherstellen von konturierten dreidimensionalen Formkörpern definiert.
2.2 Prozessbeschreibung
Im Rahmen der folgenden Kapitel sollen die grundlegenden Abläufe beim Laserstrahlauftragschweißen,
beginnend bei den Eigenschaften der Laserstrahlung, über
die Strahl-Stoff-Wechselwirkung bis hin zu den physikalischen Vorgängen im
Schmelzbad eingehend beschrieben werden.
2.2.1 Verfahrenscharakteristik
Die hohe Qualität der mittels Laserstrahlverfahren bearbeiteten Funktionsoberflächen
resultiert vorwiegend aus den Eigenschaften der Laserstrahlung und aus deren
Wechselwirkungsmechanismen mit dem zu bearbeitenden Material.
Aufgrund seiner charakteristischen Eigenschaften
4
- Monochromasie
- Kohärenz
- minimale räumliche Divergenz
hebt sich die Laserstrahlung bzw. der Laser von thermischen Strahlungsquellen ab.
Insbesondere die monochromatische Strahlung und die geringe Divergenz der
Laserstrahlung erlauben eine extreme Fokussierung des Strahls bis in den
μm-Bereich. Die dadurch erreichte hohe Leistungsdichte bildet die grundlegende
Voraussetzung für die Verfahren Schneiden, Schweißen und Bohren.
Bei der Oberflächenbearbeitung mittels Laserstrahlung hingegen kommen vergleichsweise
große Brennfleckabmessungen und geringe Leistungsdichten zum
Einsatz. Demzufolge resultieren aus der geringen Strahlqualität moderner Hochleistungsdiodenlaser
keine Einschränkungen für dieses Anwendungsgebiet. Meist ist
sogar eine homogene Intensitätsverteilung über die gesamte Bearbeitungsbreite
gewünscht bzw. gefordert. Diese kann je nach eingesetzter Laserleistung
(50 W - 20 kW) mehrere Millimeter betragen.
Die der Oberflächenbehandlung zugeordneten Prozesse lassen sich nach ihrem
physikalischen Wirkprinzip in zwei Gruppen unterteilen. Während das Härten und das
Umschmelzen auf einer rein thermischen Behandlung beruhen, erfolgt beim Beschichten,
Legieren und Dispergieren aufgrund der zugeführten Zusatzwerkstoffe
eine thermochemische Behandlung des Werkstoffes.

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
2.2.1.1 Verfahrensablauf
Bedingt durch den erforderlichen Zusatzwerkstoff können die thermochemischen
Randschichtverfahren sowohl ein- als auch zweistufig (Abb. 2-1) ausgeführt werden.
Bei der einstufigen Prozessführung werden die Zusätze während der Bearbeitung
dem Schmelzbad zugeführt. Bei der zweistufigen Prozessführung hingegen werden
die Zusätze vordeponiert und in einem zweiten Schritt mittels Laserstrahlung nachbehandelt.
Bedingt durch die kürzere Prozesskette und die verfahrenstechnischen
Vorteile kommt derzeit vorwiegend die einstufige Prozessführung zur Anwendung.
Diese kann im Hinblick auf die Zuführung der Zusatzwerkstoffe nach stechender und
schleppender Anordnung (Abb. 2-1) unterschieden werden.
Abb. 2-1: Prozessführung und Zusatzwerkstoffzuführung
Für das Auftragschweißen / Beschichten und Legieren kommt meist die schleppende
Anordnung zum Einsatz, da die zugeführten Werkstoffe den Laserstrahl durchqueren
müssen und dabei aufschmelzen. Die stechende Anordnung führt insbesondere beim
Dispergieren von Hartstoffen zu prozesstechnischen Vorteilen. Ein Zuführen der
Hartstoffe am Ende des Schmelzbades unmittelbar vor dessen Erstarrung beschränkt
das Auflösen bzw. Aufschmelzen auf ein Minimum.
2.2.1.2 Beschichten, Legieren und Dispergieren
Nach DIN 2311-1 zählen zur thermochemischen Oberflächenbehandlung mittels
Laserstrahlung die drei Verfahrensvarianten Beschichten, Legieren und Dispergieren
(Abb. 2-2), die sich vorwiegend im Hinblick auf die Aufmischung bzw. die Verteilung
der Zusatzwerkstoffe unterscheiden /DIN 98/.
5

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
6
Abb. 2-2: Übersicht Oberflächenveredelungsverfahren (nach /Hüg 92; Bey 98/)
Beim Beschichten wird eine fest haftende Schicht auf den Grundwerkstoff aufgetragen,
wobei eine möglichst geringe Aufmischung angestrebt wird. Die Beschichtungen
besitzen demzufolge vorwiegend die Eigenschaften des Zusatzwerkstoffes.
Beim Legieren hingegen sollen durch großflächiges Aufschmelzen des Grundwerkstoffes
die mechanischen und technologischen Eigenschaften der Randschicht
gezielt verändert werden. Dabei wird eine homogene Durchmischung zwischen dem
zugeführten Werkstoff und dem aufgeschmolzenen Substrat angestrebt. Neben dem
Legieren mit Feststoffen (z. B. Chrom, Nickel; Silizium, Bor, etc.) kommen auch
gasförmige Zusätze zum Einsatz. Insbesondere bei Aluminiumwerkstoffen sind
zahlreiche Untersuchungen zum Gaslegieren in Stickstoffatmosphäre bekannt
/Jas 95; Bar 98/.
Während beim Legieren eine Reaktion zwischen dem aufgeschmolzenen Grundwerkstoff
und den Legierungselementen erfolgt und somit der bearbeitete Bereich die
Eigenschaften der erzeugten Legierung aufweist, werden beim Dispergieren hochschmelzende
Hartstoffe in das Schmelzbad zugeführt. Diese werden dabei teilweise
angeschmolzen und somit fest in die metallische Matrix des Grundwerkstoffes
eingebunden. Bei den eingesetzten Werkstoffen handelt es sich vorwiegend um
karbidische und boridische Hartstoffe (z. B. Wolframcarbid WC, Vanadiumcarbid VC,
Titancarbid TiC, Chromcarbid Cr3C2, Titandiborid TiB2, etc.) /Hüg 92/.

2.2.2 Strahlquellen
Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
Die industrielle Umsetzung der mittels Laserstrahlung durchführbaren Oberflächenveredelungsverfahren
konnte erst durch Verfügbarkeit leistungsstarker Strahlquellen
erfolgen.
2.2.2.1 CO2-Laser
Die für die Lasermaterialbearbeitung erforderlichen Ausgangsleistungen im Kilowatt-
Bereich konnten erst durch die Einführung längsgeströmter CO2-Laser im industriellen
Maßstab zur Verfügung gestellt werden. Mit einer Wellenlänge von 10600 nm
emittieren derartige Strahlquellen weitab vom sichtbaren Spektralbereich im fernen
IR-Bereich. Trotz des aus Abb. 2-3 hervorgehenden Absorptionskoeffizienten von nur
etwa 10 % für Stahlwerkstoffe reicht die eingekoppelte Leistung aus, diese aufzuschmelzen.
Wird zusätzlich der Laserwirkungsgrad von maximal 20 % berücksichtigt,
ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von nur etwa zwei Prozent. Weitere Verluste
kommen aufgrund der Wärmeableitung in den Grundwerkstoff und durch die Wärmestrahlung
der heißen Oberfläche hinzu, wodurch sich ein realer Wirkungsgrad von
etwa einem Prozent ergibt. Im Hinblick auf die energetische Effizienz ist eine wirtschaftliche
industrielle Umsetzung der Oberflächenbearbeitung mittels Laserstrahlung
derzeit nur bedingt zu erreichen. Insbesondere bei Aluminiumwerkstoffen mit
einem Absorptionskoeffizienten von weniger als zwei Prozent ist eine wirtschaftliche
Materialbearbeitung mit CO2-Lasern nur sehr eingeschränkt möglich.
Abb. 2-3: Wellenlängenabhängige Absorption /Her 93; Sch 98/
7

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
2.2.2.2 Nd:YAG-Laser
Durch die Einführung von Nd:YAG-Festkörperlasern mit einer Ausgangsleistung von
mehreren Kilowatt konnte das Anwendungsspektrum von Stahlwerkstoffen auch auf
hochreflektierende Werkstoffe wie beispielsweise Aluminium erweitert werden.
Bedingt durch die kürzere Wellenlänge wird die Strahlung des Nd:YAG-Lasers
besser absorbiert, und somit kann trotz des geringeren Wirkungsgrades von etwa
10 % im Vergleich zu CO2-Lasern und den höheren Anschaffungskosten eine
wirtschaftliche Materialbearbeitung realisiert werden.
Die kürzere Wellenlänge erlaubt zudem eine stärkere Fokussierung der Laserstrahlung
und führt somit zu einer höheren Leistungsdichte, wodurch sich derartige
Strahlquellen für das sogenannte Keyhole-Schweißen prädestinieren.
Nd:YAG-Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm ermöglicht zudem die
Strahlführung mittels Lichtleitfasern. Die dadurch erreichte hohe Flexibilität prädestiniert
Nd:YAG-Laser für den industriellen Einsatz, beispielsweise für die Handhabung
mittels konventioneller Mehrachs-Knickarm-Roboter. Insbesondere bei komplexen
Bahngeometrien und häufig wechselnder Bauteilkontur führt ein solches Bearbeitungskonzept
zu wirtschaftlichen Vorteilen im Vergleich zur Strahlführung mittels
Spiegel.
2.2.2.3 Hochleistungsdiodenlaser
Während Schweißapplikationen meist eine hohe Leistungsdichte bei geringen
Brennfleckabmessungen und demzufolge eine gute Strahlqualität erfordern, ist bei
der Oberflächenveredelung eine homogene Energiedichteverteilung über den
gesamten Strahlquerschnitt gewünscht bzw. gefordert. Vor diesem Hintergrund
bieten sich Diodenlaser und ihre homogene Energieverteilung für Anwendungen in
diesem Bereich an. Die in den letzten Jahren vorangetriebene Weiterentwicklung
führte neben einer Steigerung der maximalen Ausgangsleistung (aktuell bis zu 6 kW
/Las 05/) zu einer Senkung der Herstellungskosten. Die emittierte Wellenlänge ist
dabei abhängig von der jeweiligen Dotierung der eingesetzten Halbleiter und liegt
meist im Bereich 800-940 nm. Für Aluminium ergibt sich dadurch ein Absorptionskoeffizient
von über 10 %, für Stahlwerkstoffe sogar über 30 %. Zusammen mit dem
hohen Wirkungsgrad der Strahlquelle von bis zu 40 % resultiert daraus eine Gesamteffizienz,
die den beiden bisher vorgestellten Lasern weit überlegen ist.
Aufgrund der vergleichsweise geringen Strahlqualität beschränken sich die industriellen
Anwendungen vorwiegend auf Wärmeleitungsprozesse. Auch bei der Fasereinkopplung
führt die große Divergenz zu Einschränkungen. Während Nd:YAG-Laserstrahlung
bis zu einem Leistungsbereich von mehreren Kilowatt problemlos in
Lichtleitfasern mit einem Kerndurchmesser von 600 μm eingekoppelt werden kann,
kommen bei Diodenlasern Faserdurchmesser von 1,5 mm und mehr zum Einsatz.
Aufgrund ihrer kompakten Bauweise ist neben der Strahlführung mittels Lichtleitfasern
auch die direkte Montage an einem Roboter möglich. Die dadurch erreichte
8

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
Flexibilität förderte so die industrielle Verbreitung derartiger Strahlquellen für beispielsweise
Schweiß-, Löt- und Härtapplikationen.
Unter Verwendung spezieller oberflächenaktiver Gase ist es möglich, den Tiefschweißeffekt
zu erreichen /Bru 02; Dan 02/. Eine umfassende industrielle Umsetzung
ist jedoch derzeit noch nicht abzusehen.
2.2.2.4 Faserlaser
Die in den letzten beiden Jahren sehr starke Weiterentwicklung im Bereich der
Faserlaser zeigt ebenfalls viel versprechende Ansätze für die Lasermaterialbearbeitung.
Hinsichtlich der Absorption weist die emittierte Wellenlänge von etwa 1070 nm
dem Nd:YAG-Laser vergleichbare Eigenschaften auf und liegt bei etwa fünf Prozent
für Aluminium- und bei über 30 % für Stahlwerkstoffe. Die exzellente Strahlqualität
erlaubt neuartige Anwendungen im Bereich des Tiefschweißens, derzeit kann das
Potenzial derartiger Strahlquellen nur bedingt industriell umgesetzt werden. Mit
einem Wirkungsgrad von bis zu 25 % ist eine wirtschaftliche Nutzung auch für die
Oberflächenbearbeitung denkbar. Jedoch erfolgten aufgrund der geringen Verbreitung
noch keine umfassenden Untersuchungen hinsichtlich der industriellen Umsetzbarkeit.
Dabei bleibt zu klären, in welchem Umfang sich die hohe Strahlqualität für
Oberflächenveredelungsverfahren nutzen lässt.
2.2.3 Werkstoffe
Das Verfahren Laserstrahlauftragschweißen kommt derzeit vorwiegend bei Aluminium-
und Stahlwerkstoffen zur Anwendung, wobei auch zahlreiche andere Werkstoffe
bearbeitet werden.
Die Bauteile für das Auftragschweißen bestehen meist aus Werkstoffen, die sich
durch spanende oder umformende Fertigungsverfahren wirtschaftlich bearbeiten
lassen. Da die Bauteiloberfläche die gestellten Anforderungen hinsichtlich Verschleiß-
und Korrosionsbeständigkeit oftmals nur eingeschränkt erfüllen kann,
werden die entsprechenden Bereiche mittels anforderungsoptimierter Werkstoffe
verstärkt.
Damit lassen sich kostengünstig beanspruchungsgerechte „Tailored“-Werkzeuge und
Bauteile herstellen. Durch geeignete Kombination von Grund- und Zusatzwerkstoff ist
es möglich, trotz der extremen Härte des aufgeschweißten Werkstoffes eine ausreichende
Duktilität sicherzustellen. Im Bereich des Formenbaus kommen meist
konventionelle Warm- und Kaltarbeitsstähle zum Einsatz, die an besonders beanspruchten
Stellen mittels entsprechender Werkstoffe an die erhöhten Anforderungen
hinsichtlich Verschleißbeständigkeit angepasst werden. Das Laserstrahlauftragschweißen
kommt über Stahlwerkstoffe hinaus auch bei Aluminium-, Kupfer-, Nickel-,
Titan- und Magnesiumlegierungen zur Anwendung.
Die Auswahl des Zusatzwerkstoffes richtet sich dabei neben dem Grundwerkstoff
vorwiegend nach den Anforderungen an die Funktionsfläche. Es kommen demzufol-
9

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
ge artgleiche und –fremde Legierungen mit angepasstem Eigenschaftsprofil zum
Einsatz. Für Stahlwerkstoffe sind dies meist verschleiß- und korrosionsbeständige
Legierungen auf Nickel-, Kobalt- und Eisenbasis. Unterschiedliche Legierungszusammensetzungen
und Hartphasenanteile (Karbide, Boride, etc.) ermöglichen eine
Anpassung an das jeweilige Anwendungsprofil. Hohe Nickel- und Chromanteile
sorgen für eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit des aufgetragenen Werkstoffes.
Obwohl das Anwendungsspektrum der Werkstoffe vorwiegend im Bereich Verschleiß-
und Korrosionsschutz liegt, kommt das Laserstrahlauftragschweißen nicht
nur für das flächige Beschichten von Neuteilen zum Einsatz, sondern auch für die
Instandsetzung verschlissener Werkzeuge und Formen oder für den Aufbau dreidimensionaler
Strukturen zur Anwendung. Der Zusatzwerkstoff ist dabei in Abhängigkeit
des Anforderungsprofils zu wählen. Somit können durch das Laserstrahlauftragschweißen
zahlreiche neue Anwendungsbereiche erschlossen und bisherige Lösungen
optimiert werden.
2.2.4 Auftragsleistung und Kostensituation
In wirtschaftlicher Hinsicht beschränkt sich die Anwendung des Verfahrens Laserstrahlauftragschweißen
derzeit auf Nischenanwendungen mit hoher Wertschöpfung,
welche die im Vergleich zu anderen thermischen Beschichtungs- und Auftragschweißverfahren
hohen Kosten (hoher Energiebedarf, geringe Auftragsleistung,
etc.) rechtfertigen. So kann beispielsweise mittels Plasmaspritzen (50 kW Plasmaleistung
� 100 kW elektrische Anschlussleistung) eine Auftragsrate von 6 kg/h
erreicht werden /Bey 01/. Beim Laserstrahlauftragschweißen mit einer Leistung von
1,4 kW (ebenfalls rund 100 kW elektrische Anschlussleistung) hingegen kann nur
eine Auftragsrate von 0,3 kg/h realisiert werden /Bey 01/. Selbst beim Einsatz
moderner Hochleistungsdiodenlaser mit Ausgangsleistungen von bis zu 6 kW und
einem Wirkungsgrad von maximal 30 % können derartige Auftragsleistungen nicht
erreicht werden. Somit liegen unter optimalen Bedingungen die Kosten aufgrund der
teureren Anlagen und der geringeren Prozesseffizienz um ein Vielfaches höher als
bei anderen thermischen Beschichtungs- und Auftragsschweißverfahren. Jedoch
eröffnet das Laserstrahlauftragschweißen aufgrund der einfachen Prozessführung
und -kontrolle und durch die Möglichkeit filigrane Strukturen zu bearbeiten neuartige
Anwendungsfelder.
2.2.5 Physikalische Vorgänge beim Laserstrahlauftragschweißen
Ausschlaggebend für die exzellente Qualität der Auftragschweißungen ist neben den
typischen Lasercharakteristika (monochromatische, kohärente Strahlung; geringe
Divergenz) vorwiegend die Eigenschaft des Lichtes selbst, das während der Ausbreitung
als elektromagnetische Welle betrachtet werden kann. Die Energieübertragung
ist demzufolge nicht an ein Medium gebunden und erlaubt prinzipiell auch eine
10

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
Anwendung im Vakuum. Aus Kostengründen erfolgt jedoch meist nur eine lokale
Abschirmung der Bearbeitungsstelle mittels Schutzgas.
2.2.5.1 Strahl-Stoff-Wechselwirkung
Der Dualismus Welle-Teilchen kommt erst zum Tragen, wenn das Laserlicht auf die
zu bearbeitende Oberfläche trifft und über Elektron-Phonon-Wechselwirkung seine
Energie und seinen Impuls an den Werkstoff abgibt und so zur Erwärmung des
Materials führt. Die Wechselwirkung findet dabei in der unmittelbaren Werkstoffoberfläche
statt. Der Laserstrahl dringt bis zur vollständigen Absorption bzw. Reflexion
nur wenige Atomlagen (d < 10 -7 - 10 -8 m) in den Werkstoff ein /Wis 85/ und kann
somit als Oberflächenwärmequelle betrachtet werden. Beim Laserstrahlhärten ergibt
sich die Temperaturverteilung vorwiegend aus der 3-dimensionalen Wärmeableitung
in das Substrat, wohingegen das Auftreten einer schmelzflüssigen Phase, wie
beispielsweise beim Laserstrahlauftragschweißen, zu deutlich komplexeren Zusammenhängen
zwischen Laserleistung, räumlicher Intensitätsverteilung und der daraus
resultierenden Temperaturverteilung und Schmelzbadgeometrie führt.
Während der Energietransport in festen Werkstoffen ausschließlich durch Wärmeleitung
erfolgt, dominiert beim Auftreten einer schmelzflüssigen Phase der Energietransport
infolge Konvektion. Diese führt zu einer homogenen Durchmischung und
beeinflusst die Temperaturverteilung und somit die Form des Schmelzbades.
Begrenzend wirkt dabei lediglich die Zeit, in der eine schmelzflüssige Phase vorliegt.
2.2.5.2 Schmelzbadkonvektion
Die Konvektion im Schmelzbad selbst wird dabei vorwiegend von der Intensitätsverteilung
im Laserstrahl und der temperaturabhängigen Oberflächenspannung der
Metallschmelze bestimmt. Im Gegensatz zur natürlichen oder Bernard-Konvektion,
die durch temperaturabhängige Dichteunterschiede in Fluiden hervorgerufen wird,
kommt als Ursache für die Schmelzbadbewegung in der Lasermaterialbearbeitung
zusätzlich die Marangonikonvektion zum Tragen. Die erforderlichen Scherspannungen
werden durch die inhomogene Temperaturverteilung an der Schmelzbadoberfläche
und der temperaturabhängigen Oberflächenspannung hervorgerufen (Abb. 2-4).
11

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
12
Abb. 2-4: Gradient im Verlauf der Oberflächenspannung und daraus resultierende
Marangoni-Konvektion /Bey 95/
Die erhöhte Temperatur des flüssigen Werkstoffes in der Mitte des Schmelzbades,
wie sie beispielhaft in Abb. 2-4 dargestellt ist, ergibt sich aus der Wärmeableitung in
den Grundwerkstoff an der Schmelzbadgrenzfläche. Durch die gaußförmige Intensitätsverteilung
zahlreicher Strahlquellen wird die Temperaturerhöhung in der
Schmelzbadmitte zusätzlich unterstützt. In Abhängigkeit des Oberflächenspannungsgradienten
ergibt sich eine Scherspannung, die zur Bewegung der Schmelze führt.
Die Strömungsrichtung im Schmelzbad wird dabei vom temperaturabhängigen
Verlauf der Oberflächenspannung bestimmt (Abb. 2-5).
Abb. 2-5: Strömungs- und Schmelzbadform in Abhängigkeit des temperaturabhängigen
Verlaufs der Oberflächenspannung /Mil 98/

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
Bei Stahlwerkstoffen kommt es mit steigender Temperatur meist zu einem Absinken
der Oberflächenspannung, wie es in Abb. 2-5/a dargestellt ist, und zu einer an der
Schmelzbadoberfläche nach außen gerichteten Strömung. Da für eine Vielzahl von
Legierungen und insbesondere für hochlegierte Stähle die Stoffwerte nur unzureichend
bekannt sind, ist eine Vorhersage der jeweiligen Strömungsform nicht möglich.
Für gebräuchliche Stahlwerkstoffe kann anhand der Stoffwerte die Strömungsgeschwindigkeit
im Schmelzbad durch eine einfache Näherung abgeschätzt werden.
Als treibende Kraft wirkt die aufgrund der temperaturabhängigen Oberflächenspannung
�S über die Schmelzbadbreite x aufgebaute Scherspannung �S (Gleichung 2-1).
Durch Erweitern mit �T kann die Gleichung auf die Veränderung der Oberflächenspannung
infolge der Temperatur d�S/dT und auf den Temperaturgradienten �T/�x
an der Oberfläche zurückgeführt werden.
��
�x
��
�x
�T
�T
��
�T
�T
�x
d�
dT
S S
S
S
� S � � � �
Gleichung 2-1
Der dadurch hervorgerufenen Strömung wirkt eine Scherspannung �S aufgrund der
viskosen Reibung der Schmelze an der Grenzfläche zum Grundwerkstoff entgegen,
die durch Gleichung 2-2 näherungsweise beschrieben werden kann. Dabei stellt v
die Geschwindigkeit der Strömung, z die Schmelzbadtiefe sowie � die dynamische
Viskosität der Schmelze dar.
�v
v
� � � �
�z
�z
� S
Gleichung 2-2
Unter stationären Bedingungen stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der Scherspannung
aufgrund der temperaturabhängigen Oberflächenspannung und der
Reibung im Schmelzbad ein und erlaubt so eine Abschätzung der sich ausbildenden
Strömungsgeschwindigkeit:
d S
�
dT
�T
�x
� �
v
�z
�T
�x
Gleichung 2-3
Über die temperaturabhängige Oberflächenspannung d�S/dT hinaus wird die Strömungsgeschwindigkeit
v vorwiegend von der dynamischen Viskosität � der Schmelze,
der Schmelzbadtiefe �z und dem Temperaturgradienten �T/�x an der Schmelzbadoberfläche
beeinflusst und kann näherungsweise durch folgende Gleichung
dargestellt werden:
d�S
�z
�T
d�S
�z
�T
v �
�
dT � �x
dT �x
�
Gleichung 2-4
Obwohl die Oberflächenspannung �S eine nichtlineare temperaturabhängige
Stoffgröße darstellt, kann sie durch eine Reihenentwicklung ersten Grades näherungsweise
dargestellt werden.
13

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
14
d�S
�S � �S0
� ( T � T0
)
Gleichung 2-5
dT
Für reines Eisen ergibt sich die angenäherte temperaturabhängige Oberflächenspannung
�S zu /Smi 92/:
N
�4
N
� S � 1,
87 � ( T �1809K
)( �4,
9 �10
)
Gleichung 2-6
m
Km
Durch den negativen Oberflächenspannungsgradienten d�S/dT (-4,9*10 -4 N/Km < 0)
resultiert eine Strömung, die das Material von der überhitzten Schmelzbadmitte in
Richtung kälteren Rand transportiert. Für das Laserstrahlwärmeleitungsschweißen
ergibt sich folglich ein flaches und breites Schmelzbad. Liegt hingegen ein positiver
Oberflächenspannungsgradient vor, kommt es zur Umkehr der Strömungsrichtung,
und ein schmales Schmelzbad mit deutlich größerer Eindringtiefe resultiert
(vgl. Abb. 2-5). Besitzt die temperaturabhängige Oberflächenspannung hingegen ein
lokales Maximum, kann es auch zur Ausbildung mehrerer Wirbel kommen.
Typische Werte für die aufgrund der Marangoni-Konvektion hervorgerufenen Strömungsgeschwindigkeiten
werden in der Größenordnung 1 – 10 m/s angenommen
/Bey 95/. Aufgrund der begrenzten Beobachtungs- und Messmöglichkeiten werden
die Strömungsform und –geschwindigkeit derzeit mit Hilfe computergestützter
Simulation numerisch abgeschätzt /Ehl 98; Ehl 02/, eine exakte Berechnung ist
aufgrund der zahlreichen Einflussfaktoren jedoch noch nicht möglich. Neben den
bisher angesprochenen Faktoren Temperaturverteilung im Schmelzbad, Oberflächenspannung
und Viskosität der Schmelze spielt auch die Form des Schmelzbades,
die Vorschubgeschwindigkeit und die Beeinflussung der Oberflächenspannung durch
aktive Elemente in der Umgebungsatmosphäre eine entscheidende Rolle. So kann
die Bildung einer Oxidschicht infolge der veränderten Oberflächenspannung unter
Umständen sogar zu einer vollständigen Unterdrückung der Marangoni-Konvektion
führen. Oberflächenaktive Elemente wie beispielsweise Sauerstoff kommen beim
Schweißen von Stahlwerkstoffen mittels Diodenlaser zum Einsatz und erlauben das
Erreichen des Tiefschweißeffektes /Böh 02; Bru 02; Dan 02/. Durch den Einsatz von
Gasgemischen mit CO2-Anteil kommt es zur Wechselwirkung zwischen der
Schmelzbadoberfläche und den dissozierten Gasmolekülen, was den negativen
Oberflächenspannungsgradienten in einen positiven umkehrt und somit auch die
Richtung der Schmelzbadströmung beeinflusst (vgl. Abb. 2-5/b).
2.2.5.3 Raupengeometrie, Benetzungsverhalten
Während die Marangoni-Konvektion beim Laserstrahlschweißen einen signifikanten
Einfluss auf die sich ausbildende Schmelzbadgeometrie ausübt, spielt sie beim
Auftragschweißen nur eine untergeordnete Rolle im Hinblick auf die resultierende
Raupengeometrie. Diese wird beim Auftragschweißen aufgrund der deutlich größeren
freien Oberfläche vorwiegend durch die aus der Oberflächenspannung resultie-

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
renden Kräfte bestimmt. Die Marangoni-Konvektion beschränkt somit ihre Wirkung
vornehmlich auf die homogene Durchmischung des Schmelzbades.
Zur Sicherstellung der metallurgischen Verbindung ist ein geringfügiges Aufschmelzen
des Grundwerkstoffes notwendig. Durch die Konvektion wird das aufgeschmolzene
Material gleichmäßig im Schmelzbad verteilt. Um eine Verschlechterung der
mechanischen und technologischen Eigenschaften zu verhindern, sollte der Anteil an
aufgeschmolzenem Grundwerkstoff in der Auftragschweißung einen Wert von 10 %
nicht überschreiten. Beim Laserstrahlauftragschweißen kann problemlos ein Aufmischungsgrad
von etwa fünf Prozent erreicht werden, demzufolge ist es möglich das
ursprüngliche Eigenschaftsprofil des Zusatzwerkstoffes weitgehend zu erhalten.
Dadurch ist es im Vergleich zu beispielsweise MIG- und WIG-Auftragschweißverfahren
möglich, die geforderte Qualität bereits durch einlagiges Auftragen sicherzustellen.
Die Veränderung der Oberflächenspannung infolge der Temperaturverteilung führt
beim Auftragschweißen zu einer Veränderung des Benetzungsverhaltens. Durch den
negativen Temperaturgradienten von Stahlwerkstoffen verbessert sich die Benetzung
mit steigender Temperatur, und der Kontaktwinkel zwischen Substrat und Zusatzwerkstoff
verkleinert sich. Der Kontaktwinkel, der an der Dreiphasengrenze
(Schmelzbad - Substrat - Schutzgasatmosphäre) den Winkel zwischen Substrat und
Schmelze charakterisiert und auf das Benetzungsverhalten bzw. die Oberflächenspannung
zurückgeführt werden kann, sollte unter günstigen Voraussetzungen
maximal 70-80° betragen. Dadurch wird ein Wiederaufschmelzen der benachbarten
Raupe ermöglicht und eine durchgehende metallurgische Verbindung zwischen den
einzelnen Auftragschweißungen sichergestellt. Im Falle größerer Kontaktwinkel kann
eine Anbindung zur vorherigen Raupe nur schwer erreicht werden und führt zur
Bildung von Hohlräumen.
2.2.5.4 Korrelation Prozessparameter - Raupengeometrie
Obwohl das Laserstrahlauftragschweißen für zahlreiche Anwendungen eingesetzt
werden kann, beschränkt sich das Einsatzgebiet aufgrund der geringen Flächen- und
Auftragsleistung derzeit vorwiegend auf filigrane und komplexe Geometrien. Typische
Abmessungen der Raupengeometrie betragen in Abhängigkeit der Anwendung
1-5 mm Breite und 0,3-2 mm Höhe. Trotz der Vielzahl an Prozessgrößen, die sich auf
die geometrische Form und die Abmessungen der Auftragschweißungen auswirken,
können Einstellgrößen identifiziert werden, die es erlauben die Raupengeometrie in
geforderter Weise zu beeinflussen.
Insbesondere die beiden Hauptabmessungen Raupenbreite und -höhe können durch
die Prozessführung gezielt verändert werden. Während die Breite der Einzelraupe in
etwa dem Fokusdurchmesser entspricht, kann die Raupenhöhe durch die zugeführte
Pulvermenge beeinflusst werden. Erforderlich ist dabei jedoch, dass energetische
Randbedingungen eingehalten werden und ausreichend Laserleistung zum Auf-
15

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
schmelzen der Werkstoffe zur Verfügung gestellt wird. Die Leistungsdichte beträgt
dabei etwa 10 4 - 10 6 W/cm² (Abb. 2-6) und ist somit deutlich geringer als beim
Tiefschweißen (ab ca. 5*10 6 W/cm²), weshalb beim Auftragschweißen meist kein
Plasma entsteht. Die erforderliche Wechselwirkungszeit liegt in Abhängigkeit der
Leistungsdichte im Sekunden- bis Millisekunden-Bereich, so dass sich eine Energiedichte
von etwa 10² J/cm² ergibt.
16
Abb. 2-6: Energiedichte für das Laserstrahlauftragschweißen (nach /LLT 98/)
Unter Einhaltung der angegebenen energetischen Randbedingungen ist es möglich,
die Abmessungen der Raupe in weiten Bereichen durch Anpassung der Prozessparameter
gezielt einzustellen (vgl. Abb. 2-7 und Abb. 2-8).
Die Raupenhöhe kann, konstante Randbedingungen vorausgesetzt (vgl. Abb. 2-7 /
Flächenleistung 10 4 W/cm²; Strahldurchmesser 5,3 mm), über die zugeführte
Pulverstreckenmasse beeinflusst werden. Je mehr Zusatzwerkstoff zugeführt wird,
desto höhere Raupen resultieren, wobei aus Abb. 2-7 ein näherungsweise linearer
Zusammenhang hervorgeht. Hinsichtlich der Raupenbreite führt ein veränderter
Pulvermassenstrom nur zu geringfügigen Veränderungen (vgl. Abb. 2-8).
Die Vorschubgeschwindigkeit, konstante Pulverstreckenmasse vorausgesetzt, besitzt
nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Raupenabmessungen. Insbesondere
die Höhe der Auftragschweißungen (vgl. Abb. 2-7) kann durch die Vorschubgeschwindigkeit
nur begrenzt beeinflusst werden.

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
Abb. 2-7: Beeinflussung der Raupenhöhe (Flächenleistung 10 4 W/cm²; Strahldurchmesser
5,3 mm, konstante Streckenmasse der einzelnen Messreihen)
/Vol 98/
Die Raupenbreite (vgl. Abb. 2-8) hingegen zeigt eine leicht abnehmende Tendenz
mit steigender Vorschubgeschwindigkeit, da die Leistungsdichte in den Randbereichen
nicht mehr ausreicht, um innerhalb der kurzen Wechselwirkungszeit das
Substrat an- und das Pulver aufzuschmelzen.
Abb. 2-8: Beeinflussung der Raupenbreite (Flächenleistung 10 4 W/cm²; Strahldurchmesser
5,3 mm, konstante Streckenmasse der einzelnen Messreihen)
/Vol 98/
Einen deutlich ausgeprägteren Einfluss auf die Raupenbreite besitzt der Fokusdurchmesser
(vgl. Abb. 2-9). Bei konstanten Randbedingungen (konst. Laserleistung
2,75 kW; konst. Vorschubgeschwindigkeit 0,2 m/min; konst. Pulvermenge
9 g/min) geht aus Abb. 2-9 ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen
Spotdurchmesser und Breite der Auftragschweißung hervor.
17

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
18
Abb. 2-9: Raupengeometrie in Abhängigkeit vom Fokusdurchmesser (Laserleistung
2,75 kW, Vorschubgeschwindigkeit 0,2 m/min, Pulvermenge 9 g/min)
/Hüg 92/
Aufgrund der einfachen Prozessführung und der eben dargestellten Möglichkeit, die
Geometrie der Einzelraupe über die Variation der Prozessparameter an die jeweilige
Bearbeitungsaufgabe anzupassen, stellt das Laserstrahlauftragschweißen ein
flexibles Verfahren dar, das es erlaubt qualitativ hochwertige Auftragschweißungen
herzustellen.
2.2.6 Aktueller Entwicklungsstand
Die extreme Flexibilität und das breite Anwendungsspektrum des Verfahrens Laserstrahlauftragschweißen
zeigen sich anhand zahlreicher Applikationsmöglichkeiten.
Die umfassende industrielle Umsetzung wird jedoch nicht nur durch die geringe
Prozesseffizienz, sondern auch durch die aktuellen Prozessgrenzen zusätzlich
eingeschränkt.
Die geometrischen Parameter Raupenbreite und -höhe können, wie im letzten
Kapitel erläutert, über weite Bereiche variiert werden. Die bisher erreichten minimalen
bzw. maximalen Abmessungen ergeben sich jedoch aufgrund von zum Teil
laserunabhängigen Prozessgrößen.
Hinsichtlich der minimalen Raupenbreite spielt sowohl die Fokussierbarkeit als auch
der erreichbare minimale Fokusdurchmesser eine ausschlaggebende Rolle. Zudem
ist es notwendig, Pulverwerkstoffe mit entsprechend feiner Korngrößenverteilung
prozesssicher zuzuführen, was wiederum spezielle Dosier- und Fördersysteme
erfordert. So sind mit derzeit handelsüblichen Nd:YAG-Lasern und maximalen
Pulvergrößen bis etwa 50 μm minimale Raupenbreiten bis etwa 200 μm erreichbar
/Hen 96/. Sollen filigranere Stege realisiert werden, so erhöhen sich die Anforderungen
an das Pulver und dessen Zuführung beträchtlich.
Der maximalen Raupenbreite sind theoretisch nur durch die verfügbare Strahlleistung
Grenzen gesetzt. So können mit linienförmigen Strahlprofilen, wie sie vorwiegend bei
Hochleistungsdiodenlaser auftreten, Breiten von 20 mm und mehr in einem Über-

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
gang realisiert werden. Bedingt durch den enormen Aufwand für die Strahlformung
werden breitere Auftragschweißungen meist durch das Nebeneinanderlegen mehrerer
Einzelraupen ausgeführt. Aufgrund ihres modularen Aufbaus können mit Diodenlasersystemen
zwar Strahlquerschnitte beliebiger Breite realisiert werden, jedoch
sind derartige Systeme nur für Spezialanwendungen einsetzbar. Ihr entscheidender
Vorteil, nämlich die enorme Flexibilität, geht dadurch jedoch verloren.
Bei der Raupenhöhe hingegen können derzeit Abmessungen bis in den Zehntelmillimeter
- Bereich realisiert werden. Die Oberflächenspannung führt dabei zu einer
gleichmäßigen Verteilung der Schmelze über die gesamte Breite des angeschmolzenen
Grundwerkstoffes. So können mit der gleichen Partikelgrößenverteilung
(max. 50 μm) minimale Raupenhöhen von etwa 40 μm erreicht werden /Hen 96/.
Hinsichtlich der maximal erreichbaren Höhe spielt die geometrische Form der
Einzelraupe eine entscheidende Rolle. Bei einer Breite von 5 mm kann eine maximale
Höhe von etwa 3 mm realisiert werden. Höhere Einzelraupen sind aufgrund des
Kräfteverhältnisses im Schmelzbad (vgl. Kapitel 4.6) nur bedingt zu erreichen.
Schmalere Raupen weisen eine entsprechend geringere maximale Höhe auf. Für
eine Vielzahl von Anwendungen ist eine derartige Schichthöhe völlig ausreichend.
Sind größere Schichtdicken gefordert, so können diese mit Lichtbogenschweißverfahren
deutlich effizienter aufgetragen werden.
Aus energetischer Sicht (vgl. Kapitel 2.3) ist es sinnvoll eine möglichst hohe Auftragsgeschwindigkeit
anzustreben, jedoch sind dieser durch die maximal zur Verfügung
stehende Laserleistung und der einzuhaltenden energetischen Randbedingungen
(Leistungsdichte 10 4 - 10 6 W/cm²; Energiedichte ca. 10² J/cm²) Grenzen gesetzt.
Da der Energietransport beim Erwärmen und Aufschmelzen der Partikel von der
Wärmeleitung dominiert wird, ist zum vollständigen Aufschmelzen der Pulverkörner
eine partikelgrößenabhängige minimale Wechselwirkungszeit erforderlich. Zudem
steigt mit zunehmender Prozessgeschwindigkeit der Temperaturgradient und die
Erstarrungsgeschwindigkeit, was aufgrund der Aufhärtung zu Rissen in der Auftragschweißung
führen kann. Typische Prozessgeschwindigkeiten liegen derzeit im
Bereich von 5 mm/s bis etwa 50 mm/s, jedoch wurden auch bereits Geschwindigkeiten
von bis zu 500 mm/s erreicht /Par 03; Par 05/, wobei die erzeugten Auftragschweißungen
zahlreiche Risse und eine geringe Oberflächenqualität aufwiesen.
Für die Wirtschaftlichkeit stellt jedoch nicht die Vorschubgeschwindigkeit, sondern die
letztendlich erreichte Auftragsleistung den ausschlaggebenden Gesichtspunkt dar.
Während beim eher selten angewandten Feinbeschichten nur wenige Gramm pro
Stunde aufgetragen werden, kann beim konventionellen Laserstrahlauftragschweißen
je nach zur Verfügung stehender Leistung bis zu etwa 1 kg/h verarbeitet werden.
Bei einer Schichtdicke von etwa einem Millimeter ergibt sich somit eine Flächenleistung
von etwa 0,1 m²/h.
Erst im Verhältnis zu anderen Verfahren, z. B. dem Plasmaspritzen (80 kW Plasmaleistung;
ca. 6 kg/h /Now 01/), wird die geringe Auftragsleistung deutlich. Aufgrund
19

Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
der geringen Prozesseffizienz des Laserstrahlauftragschweißens resultieren sehr
hohe Kosten, die eine wirtschaftliche Umsetzung des Verfahrens derzeit nur bei
entsprechend hoher Wertschöpfung der Bauteile erlauben.
Obwohl das Auftragschweißen mittels Laserstrahlung derzeit nur vereinzelt zum
Einsatz kommt, besitzt es aufgrund der exzellenten Qualität und des breiten Werkstoffspektrums
ein nahezu uneingeschränktes Anwendungsfeld. So können derzeit
fast alle handelsüblichen Substratwerkstoffe (Fe, Al, Ti, Ni, Cu, Co und deren
Legierungen) mit einer Vielzahl von Werkstoffen in Draht- und Pulverform bearbeitet
werden, wobei vorwiegend Eisen-, Aluminium-, Nickel-, Kobalt- und Titanbasislegierungen
zum Einsatz kommen. Hinsichtlich der Grundwerkstoffe ergeben sich Einsatzgrenzen
vorwiegend aufgrund der Rissbildung und der hohen Reflektivität. Dabei
zeigen insbesondere Kupferwerkstoffe in Abhängigkeit der Wellenlänge (vgl.
Abb. 2-3) eine sehr geringe Absorption. Meist kann durch das Aufbringen von
absorptionserhöhenden Schichten, z. B. Graphit, ausreichend Leistung eingekoppelt
und der Werkstoff bearbeitet werden.
Komplexer gestaltet sich die Bearbeitung von kaltrissgefährdeten Werkstoffen. Die
hohe Energiedichte beim Laserstrahlauftragschweißen erlaubt zwar einerseits, den
Energieeintrag in das Bauteil und die thermische Bauteilbeeinflussung zu minimieren,
führt jedoch andererseits zu einer vergleichsweise hohen Abkühlrate. Insbesondere
bei martensitbildenden Werkstoffen kann es dadurch zu Kaltrissen kommen. Eine
effektive Abhilfe kann meist nur durch Reduktion der Abkühlrate, z. B. durch Ofenvorwärmung
oder durch lokale induktive Vorwärmung /Pat 94; Bre 97; Bey 01;
Sti 01/, erreicht werden. Durch die zusätzlich eingebrachte Energie wird der Temperaturgradient
reduziert und der Abkühlvorgang an den jeweiligen Werkstoff angepasst.
Geringere Abkühlraten lassen sich auch durch Senkung der Auftragsgeschwindigkeit
erreichen, wobei jedoch auch die Effizienz des Prozesses abnimmt
(vgl. Kapitel 2.3).
Das Problem der Kalt- oder Aufhärtungsrisse tritt speziell beim mehrlagigen Auftragschweißen
auf. Hier wurden von Seiten der Zusatzwerkstoffhersteller Anstrengungen
unternommen, diese Gefahr durch geeignete Materialzusammensetzung zu minimieren.
Insbesondere in Verbindung mit hybrider Prozessführung (z. B. induktive
Vorwärmung) ist es möglich, fast alle derzeit in Draht- oder Pulverform zur Verfügung
stehenden Werkstoffen rissfrei zu verarbeiten. Obwohl die Verarbeitung von kaltrissgefährdete
Werkstoffe durch die beim Laserstrahlauftragschweißen erreichbaren
hohen Aufheiz- und Abkühlraten zu Problemen führt, können durch das Laserstrahlauftragschweißen
zahlreiche metallurgische Problemstellungen gelöst werden. So
wird beispielsweise bei hartstoffhaltigen Legierungen das Auflösen der Festphasen
verhindert bzw. reduziert. Zudem verhindern hohe Abkühlraten und die dadurch
bedingte rasche Erstarrung das Entmischen unlöslicher bzw. nicht aufgeschmolzener
Bestandteile.
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Technologie des Laserstrahlauftragschweißens
Auch hinsichtlich der Bildung spröder Phasen erlaubt das Laserstrahlauftragschweißen
eine deutliche Aufweitung des Anwendungsspektrums im Vergleich zu anderen
schmelzmetallurgischen Auftragschweißverfahren. Durch den geringen Aufmischgrad,
der gewöhnlich im Bereich 2-10 % liegt, kann die Ausbildung intermetallischer
Phasen weitgehend vermieden und das Eigenschaftsprofil des Zusatzwerkstoffes
aufrechterhalten werden. Zudem verhindert die rasche Abkühlung ein übermäßiges
Wachstum von massiven intermetallischen Phasen.
Aus der hohen Abkühlrate resultieren auch prozesstechnische Vorteile hinsichtlich
der Bearbeitungsposition. Obwohl derzeit vorwiegend in Wannenlage gearbeitet wird,
ist es aufgrund der geringen Schmelzbadgröße und der raschen Erstarrung problemlos
möglich, auch in Zwangslage bzw. über Kopf zu arbeiten. Die dadurch an die
Pulverzufuhr gestellten Anforderungen hinsichtlich Richtungs- und Zwangslagenunabhängigkeit
konnten durch die Einführung von koaxialen Pulverzuführungen gelöst
werden /Now 01/. Insbesondere für das flächige Beschichten von komplexen Freiformflächen
und dem 3-dimensionalen Generieren bieten derartige Pulverzufuhrsysteme
deutliche Vorteile im Gegensatz zur weitverbreiteten seitlichen Zuführung.
Speziell für das Generieren und der dafür notwendigen Kontrolle der jeweiligen
Steghöhe wurden in den letzten Jahren verstärkt Strategien und Sensoren zur
Prozesskontrolle entwickelt /Maz 06; Hua 06/. Moderne Prozessbeobachtungs- und
Kontrollstrategien erlauben es, auch beim mehrlagigen Auftragschweißen prozessbedingte
Steghöhenschwankungen durch Anpassung der Prozessparameter auszugleichen.
So kann beispielsweise eine lokale Überhöhung im Bereich sich kreuzender
Strukturen vermieden werden.
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