Experimentelle und modelltheoretische Untersuchungen zum Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen

Aachen / Fraunhofer Verlag (2020) [Buch, Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (105 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA) ist eine neue Verfahrensvariante des Laserauftragschweißens (LA) mit pulverförmigen Zusatz-werkstoffen. Bei dieser Prozessführung wird das Pulver nicht wie beim LA durch den Kontakt mit der Schmelze geschmolzen, sondern durch die Laserstrahlung bereits oberhalb der Substratoberfläche aufgeschmolzen und damit dem Schmelzbad flüssig zugeführt. Dadurch entfällt die erforderliche Zeit zum Aufschmelzen der Partikel im Schmelzbad, wodurch die erreichbare Vorschubgeschwindigkeit von wenigen Metern pro Minute auf bis zu einige Hundert Meter pro Minute vergrößert werden kann. Nach aktuellem Stand der Technik existieren für die Prozessführung beim EHLA jedoch bislang keine Werkzeuge bzw. Methoden, mit denen die prozessrelevanten Einflussgrößen wie Transmissionsgrad, Partikelerwärmung im Strahlengang, Erwärmung des Substrates und Spurbildung beschrieben werden können. Demzufolge liegt bislang auch kein ausreichendes Prozessverständnis vor, um die technologischen Grenzen des EHLA-Verfahrens, z. B. hinsichtlich erreichbarer Vorschubgeschwindigkeit oder Spurbildung abschätzen zu können und durch Verschieben der Prozessgrenzen zukünftig die Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens für die Produktion nachhaltig zu vergrößern. Übergeordnetes Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Erarbeitung der Grundlagen für das EHLA-Verfahren, die eine Skalierbarkeit ermöglichen und prinzipiell begrenzen. Dazu werden zunächst die Werkzeuge für das EHLA, der Pulver-Gas-Strahl und die Laserstrahlung, experimentell charakterisiert und mit einem mathematischen Modell beschrieben, dessen Annahmen aus experimentellen Beobachtungen abgeleitet werden. Damit können die physikalischen Prozesse des EHLA-Verfahrens in Abhängigkeit der Einstellungen für die Pulverförderung (Kornfraktion, Pulvermassenstrom etc.), des Arbeitsabstandes, der Laserleistung und der Vorschubgeschwindigkeit erstmalig vollständig beschrieben werden. Auf Basis des gesteigerten Prozessverständnisses wird experimentell und modelltheoretisch gezeigt, dass die Erzeugung einer Schmelze vor dem Kontakt mit den schmelzflüssigen Partikeln keine notwendige Voraussetzung zur Herstellung metallurgisch angebundener Schichten ist. Das Substrat muss durch den transmittierten Strahlungsanteil nur so weit vorgewärmt werden, dass der zusätzliche Energieeintrag der geschmolzenen Pulverpartikel ausreichend ist, um durch die Temperaturerhöhung infolge des Wärmekontaktes selbst bei einem vorher festen, noch nicht geschmolzenen Substrat eine schmelz-metallurgische Verbindung an der Oberfläche auszubilden. Diese im Rahmen der Arbeit erstmalig beschriebene neue Prozessvariante wird als „Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserschmelzspritzen“ (MELT-X) bezeichnet. Da beim MELT-X- gegenüber dem EHLA-Verfahren bei ansonsten gleichen Voraussetzungen (Trans-missionsgrad, Partikelerwärmung etc.) eine geringere Laserleistung benötigt wird, kann die erreichbare Vorschubgeschwindigkeit weiter vergrößert und die bisherige Prozessgrenze beim EHLA-Verfahren überwunden werden.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Schopphoven, Thomas

Gutachterinnen und Gutachter

Poprawe, Reinhart
Zäh, Michael

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2020-05458

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