Sulzer Markets and Technology AG: Laserauftragsschweissen mit 5 Achsen simultan

Redakteur: Luca Meister

>> Sulzer Innotec arbeitet seit über 20 Jahren mit Hochleistungslasern in der Materialbearbeitung. Das Laserauftragsschweissen wird erfolgreich für Schweissreparaturen eingesetzt, findet aber auch zunehmend in der Neuteilfertigung Verwendung.

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Abb. 2: Das Laserauftragsschweissen erfolgt mit Metallpulver als Schweisszusatz, das über eine Pulverdüse dem mit dem Laserstrahl erzeugten Schmelzpunkt zugeführt wird. (Bild: Sulzer Innotec)
Abb. 2: Das Laserauftragsschweissen erfolgt mit Metallpulver als Schweisszusatz, das über eine Pulverdüse dem mit dem Laserstrahl erzeugten Schmelzpunkt zugeführt wird. (Bild: Sulzer Innotec)

Die Vorteile des Verfahrens liegen neben dem geringen Verzug in der deutlich verbesserten Schweissbarkeit auch von schweisstechnisch anspruchsvollen Werkstoffen wie hochwarmfesten Nickelbasislegierungen oder hochkohlenstoffhaltigen Stählen. Bekannte Anwendungsgebiete sind Reparaturschweissungen an Gasturbinenschaufeln oder Formwerkzeugen.

Funktionsprinzip

Das Laserauftragsschweissen erfolgt mit Metallpulver als Schweisszusatz, das über eine Pulverdüse dem mit dem Laserstrahl erzeugten Schmelzpunkt zugeführt wird (Abb. 2). CNC-gesteuert werden so exakte Auftragsschweissbahnen erzeugt. Ein flächiger Schweissauftrag ist ebenso möglich wie der Schweissaufbau auf Stegen und Kanten.

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Um einen konstanten und gleichmässigen Metallpulverstrom zu garantieren, kommt ein Pulverförderer von Sulzer Metco zum Einsatz. Die einstellbare Pulvermenge wird in einem Gasstrom zur Pulverdüse transportiert. Das inerte Transportgas dient zugleich dem Schweissprozess als Schutzgasabschirmung. Mit einer geeigneten Pulverdüse wird so selbst die Verarbeitung von Titan möglich, das normalerweise äusserst stark auf Sauerstoff reagiert. Da ausserdem jeder Werkstoff zu Pulver «verdüst» werden kann, ist die Anwendung des Laserauftragsschweissens auch mit Sonderwerkstoffen möglich, die nicht als Standardpulver verfügbar sind.

Anleihen in der Fräsbearbeitung

Die Herstellung von Laufrädern – ob in offener Ausführung, mit gelöteter oder geschweisster Deckscheibe, oder vollständig integral aus einem Rohling gefräst – gehört zu den Kernkompetenzen in der mechanischen Fertigung von Sulzer Innotec. Damit einhergeht eine langjährige Erfahrung in der Programmierung von 5-Achs-Simultanfräsprozessen sowohl mit kommerzieller CAM-Software als auch mit Eigenentwicklungen.

In der Laserschweisstechnik betreibt Sulzer Innotec einen Portalroboter mit einem 2,2-Kilowatt-CO2-Laser und eine 1,5-Kilowatt-Faserlaseranlage (Abb. 3), die beide steuerungsseitig die 5-Achs-Simultanbearbeitung unterstützen. Die Idee, statt Fräsbahnen Auftragsschweissbahnen zu generieren, war daher genauso naheliegend wie das erste Einsatzfeld, die Wiederherstellung der Schaufelspitze von Abgasturboladern.

3D-Reparaturschweissen

In der 5-Achs-Simultanbearbeitung lässt sich das Werkzeug – bei der Fräsmaschine ist es der Fräser, bei der Laserschweissanlage sind es Laserstrahl und Pulverdüse – unter einem beliebigen Anstellwinkel kontinuierlich entlang beliebig programmierten Bahnen auf der Bauteiloberfläche verfahren. Für den Laserschweissprozess steht der Laserstrahl dabei idealerweise senkrecht auf dem Werkstück.

Beim Beispiel des Abgasturboladers wird auf der gekrümmten Schaufeloberkante mit dem Laser ausreichend Material aufgeschweisst und die Originalgeometrie im Anschluss durch Schleifen oder Fräsen wiederhergestellt. Die Schweissbahnen werden auf Grundlage des vorhandenen CAD-Modells im CAD-System generiert.

Eine robuste Schweissstrategie ist dabei genauso wichtig wie robuste Schweissparameter, um die Geometrieabweichungen eines Gussrades auszugleichen. Ausserdem kommt eine Koaxial-Pulverdüse zum Einsatz, mit der ein gleichmässiger Schweissaufbau unabhängig von der Schweissrichtung realisiert werden kann (Abb. 1). Während der Bearbeitung auf der Faserlaseranlage zeigt der Bearbeitungskopf mit der Pulverdüse immer nach unten und wird dabei in drei Achsen seitlich und in der Höhe verfahren, während das darunter liegende Bauteil simultan um zwei Achsen gedreht wird. Grosse Werkstücke, die aufgrund ihres Gewichts nicht auf dem Drehschwenktisch der Faserlaseranlage platziert werden können, werden in den Portalroboter der CO2-Laseranlage gefahren. Dort befinden sich stattdessen die zwei Schwenkachsen im Bearbeitungskopf, der so mit jedem gewünschten Anstellwinkel auf das feststehende Werkstück ausgerichtet und verfahren werden kann.

Verschleissschutzbeschichtungen

Das Aufbringen von Verschleissschutzschichten auf beliebig gekrümmten Oberflächen stellt ein interessantes Anwendungsgebiet der 5-Achs-Simultanbearbeitung dar. «Stellite» sind Hartlegierungen auf Cobalt-Chrom-Basis, die sich neben der grossen Härte durch hohe Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Beim Aufschweis-sen einer Stellit-Schicht auf eine Förderschnecke (Abb. 4) ist daher die vollständige Abdeckung der Oberfläche wichtig. Eine sorgfältige Abstimmung der Schweissprozessparameter stellt einen rissfreien Schweissaufbau sicher.

Konventionelles Auftragsschweissen erfordert typischerweise ein Vorwärmen des Bauteils und eine nachgelagerte Wärmebehandlung – Prozessschritte, auf die beim Laserauftragsschweissen in der Regel verzichtet werden kann. Aufgrund der hohen Durchmischung des Zusatzwerkstoffs mit dem Grundmaterial sind beim konventionellen Schweissen ausserdem mehrere Schweisslagen bzw. Schichtdicken von mehreren Millimetern notwendig, um die gewünschten Verschleissschutzeigenschaften auf der Funktionsfläche sicherzustellen. Die geringe Aufmischung während des Laserauftragsschweissens erlaubt dagegen einlagiges Aufschweissen und macht damit die Beschichtung von vergleichsweise dünnwandigen Geometrien erst möglich.

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Die Zugänglichkeit von scharfen Ecken – wie im Übergang vom Flügel der Förderschnecke auf die Nabe – stellt dabei eine zusätzliche Herausforderung dar (Abb. 5). Im Bild ist die Pulverdüse genau in der Ecke positioniert (kurz bevor der Laserstrahl eingeschaltet wird). Der Gasstrom, der das Pulver transportiert, sorgt hier auch für eine Säuberung der Schmelzzone von vorgängig abgelagerten, überschüssigen Pulverresten. Diese sind unvermeidbar, da das Aus- und Einschalten des Pulverstroms deutlich länger dauern würde als die nur wenige Sekunden dauernden Schweisspausen, wenn eine Schweissbahn beendet ist und die Schweiss-anlage zum Anfang der nächsten Schweissraupe verfährt. Diese Pausen lassen sich durch eine geschickte Schweissstrategie bei der Programmierung der Schweissbahnen im CAD-System optimieren (Abb. 6).

Bauteilpanzerungen

Für extreme Verschleiss- und Schlagbeanspruchungen bietet sich das Aufschweissen von Schichten mit Wolframkarbid in einer Kobalt- oder Nickelmatrix an, mit denen Härten bis 1300 HV erreicht werden können. Auch hier liegt der Schlüssel zum Erfolg in der lückenlosen Panzerung der Bauteiloberfläche auch in Ecken und auf Kanten.

Die Rissfreiheit steht nicht zwingend im Vordergrund. Stattdessen muss die richtige Auswahl der Prozessparameter sicherstellen, dass die Beschichtung bei Schlägen nicht abplatzt. Im vorgestellten Beispiel (Abb. 7, Detailaufnahme Abb. 8) werden Knetzähne aus einem Steinbrechwerk auf der gesamten Oberfläche beschichtet.

Der Schweissaufbau erfolgt wieder einlagig auf den zuvor im CAD-System festgelegten Schweissbahnen. Im Vergleich zum konventionellen Aufschweissen von Hand liegen die Prozesszeiten deutlich tiefer, dies bei zugleich verbesserter Schichtqualität. Durch den gleichmässigen und «Endform-nahen» Schweissaufbau wird allfälliger Nachbearbeitungsaufwand deutlich reduziert oder entfällt ganz – bei solchen extrem harten Werkstoffen ein grosser Vorteil.

Prozessqualifikation gemeinsam mit dem Kunden

Prozessparameter für das Laserauftragsschweissen sind nicht allgemeingültig, sondern müssen an die jeweils verwendete Werkstoffkombination und Bauteilgeometrie angepasst werden. Je nach Anwendungsfall bedeutet dies eine Prozessqualifikation, in der Musterstücke geschweisst und metallographisch untersucht werden.

Die langjährige und gut dokumentierte Erfahrung im Laserauftragsschweissen hilft Sulzer Innotec, den Entwicklungsprozess zu verkürzen. Die Beurteilung des Schweissergebnisses erfolgt nach den gültigen Regelwerken der Schweisstechnik oder gemäss der Spezifikation des Kunden. Das Schweiss-Engineering von Sulzer Innotec berät in Werkstoff- und Prozessfragen und kann im Bedarfsfall den Kunden unterstützen, eine sachgerechte Schweissspezifikation zu erstellen.

Neue Möglichkeiten

Der Einsatz des Laserauftragsschweissens ist generell dann sinnvoll, wenn Konkurrenzverfahren wie thermisches Spritzen oder konventionelles Schweissen sich technisch als nicht geeignet erweisen oder wenn in der Vor- und Nachbearbeitung bzw. bei der Auslegung der Bauteile Einsparungen erzielt werden können. Das hier vorgestellte 3D-Laserpulverauftragsschweissen auf Grundlage eines CAD-Modells ermöglicht die Bearbeitung beliebiger Bauteilformen, wenn die Zugänglichkeit des Werkzeugs – hier Laser- und Pulverstrahl – sichergestellt werden kann.

Das Schweissen in einer Aufspannung reduziert zusätzlich die Schweisszeiten und damit die Kosten signifikant. Die Kunden profitieren ausserdem von der langjährigen industriellen Erfahrung von Sulzer Innotec im Laserauftragsschweissen mit einer Vielzahl von Werkstoffen und Werkstoffkombinationen. <<

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