Modellierung des Laser-Pulver-Auftragschwei­ßens

Das Laser-Pulver-Auftragschweißen ist ein präzises Verfahren zur Herstellung hochwarmfester Korrosions- und Verschleißschutzschichten, zur Reparatur von verschlissenen Bauteilen und Werkzeugen und zum computergesteuerten Volumenaufbau (z. B. rapid prototyping). Dabei sind die Prozessparameter so zu wählen, dass eine feste schmelzmetallurgische Verbindung bei minimaler Aufmischung der Schicht mit dem Substratwerkstoff entsteht. Risse, Schichtablösungen und Verzug, die durch thermische Kontraktion beim Abkühlen entstehen können, sind durch geeignete Prozessführung zu vermeiden bzw. zu minimieren. Mit Hilfe von Modellrechnungen ist es möglich, die zur Erzielung des gewünschten Bearbeitungsergebnisses erforderlichen Werte der Prozessparameter abzuschätzen.

Wechselwirkung Laserstrahl – Pulverstrom
Der pulverförmige Zusatzwerkstoff wird mittels einer Düse auf das Werkstück geblasen und dort von dem durch den Laserstrahl erzeugten Schmelzbad aufgenommen. Das verwendete Modell simuliert die Erwärmung der Pulverteilchen durch den Laserstrahl und die Abschattung des Strahls durch das Pulver. Im Ergebnis erhält man die Verteilungen der auf das Werkstück einwirkenden Energie- und Massestromdichten und die Temperaturen der Pulverteilchen in Abhängigkeit von ihrer Größe, Geschwindigkeit und Flugbahn.

Entstehung der Auftragsschweißraupen
Die Geometrie der entstehenden Schweißraupe wird durch die Schmelzbadgröße, die aufgenommene Pulvermenge und das Gleichgewicht zwischen Oberflächenspannung und Schwerkraft bestimmt. Raupengeometrie und Temperaturfeld werden daher in einem iterativen Prozess in selbst-konsistenter Weise berechnet (Abb. 1). Dies geschieht mit Hilfe des im IOF und Fraunhofer-IWS entwickelten Softwaretools LAVA, das das erzielte Bearbeitungsergebnis mit den Anwenderwünschen vergleicht und daraus Empfehlungen zur Prozessparameterkorrektur ableitet.

Eigenspannungen und Verzug
Eigenspannungen, Rissbildung und Verzug können durch geeignete Wahl der Prozessparameter, des Spurmusters und durch zusätzliche Energiequellen (Vor- oder Nachwärmen) und/oder Einspannungen während des Beschichtungsprozesses beeinflusst werden. Das entwickelte Softwaretool ThermCoat1D liefert in wenigen Sekunden Näherungslösungen für die Spannungs- und Deformationsfelder, die durch thermische Expansion und Phasenumwandlungen beim Beschichten einer ebenen Platte entstehen. Dieses Tool eignet sich zur Untersuchung des prinzipiellen Einflusses von Prozessparametern und Materialeigenschaften auf Spannungen und Verzug. 
Wesentlich genauer, aber auch zeitaufwendiger sind Spannungsberechnungen mittels FEM, die den Einfluss der Bauteilgeometrie korrekt erfassen können. Solche Rechnungen wurden bisher für Einzelraupen (Abb.2) sowie mehrere überlappende Raupen mit und ohne Vor-/Nachwärmen durchgeführt (Abb.3). Starke Zugspannungen in der erstarrten Schicht und in dem durch die thermische Beschichtung temporär stark erwärmten und dabei plastisch verformten Bereich des Substrats können Risse verursachen. Durch Martensitbildung entstehende lokale Druckspannungen können diese Zugspannungen aus Gleichgewichtsgründen noch verstärken. Durch Vor- oder Nachwärmen lassen sich die Martensitbildung unterdrücken sowie hohe Temperaturgradienten und die daraus resultierenden Spannungen reduzieren.
Durch mit Vergleichsexperimenten abgestimmte Modellrechnungen können somit Prozessparameter zeitsparend vorausbestimmt und optimiert und Strategien zur Minimierung von Rissgefahr und Verzug entwickelt werden.

Literatur
[1]  D. Lepski, H. Eichler, S. Scharek, V. Fux, S. Nowotny, and E. Beyer:
      „Simulation of Laser Beam Cladding by Powder Injection“, Proc. Second International WLT-Conf.
      on Lasers in Manufacturing (LIM), Munich, June 2003.
[2] F. Brückner, D. Lepski, and E. Beyer, „Modeling the Influence of Process Parameters and
     Additional Heat Sources on Residual Stresses in Laser Cladding“, J. Thermal Spray, 2007
     (im Druck).

Kontakt:
Dipl.Ing. Frank Brückner
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