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JOANNEUM RESEARCH Design-Vorlage

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Laserhärten und
Laserauftragsschweißen
Elmar Brandstätter
Laserproduktionstechnik
materials@joanneum.at
www.joanneum.at/materials
2
vormals
Laserzentrum Leoben
3
Standorte der
JOANNEUM RESEARCH
Wien
Niklasdorf
Leoben
Hartberg
Graz
Weiz
Leistungsangebot der
Laserproduktionstechnik LPT
Beratung, Def. Anforderungsprofil
Machbarkeitsstudie
Prozessentwicklung
Versuchsteile, Muster, Prototypen
Kleinserien
Serienanlauf
Serienüberleitung
QS Management
„Klassisches Angebot“ von
F&E-Unternehmen
Zusätzliches Angebot
der LPT
Laserproduktionstechnik LPT
Laserschweißen
Laseroberflächenmodifikation
Laserlegieren
Laserauftragsschweißen
Fokus auf Verschleißschutz
3D-Formgebendes Laserauftragsschweißen
Rapid tooling / Rapid manufacturing
Wärmeleitungssenken bei Gießwerkzeugen
Formenreparatur
Verschleißschutz von komplexen Oberflächenstrukturen
Laserschweißen im
Automotivbereich
Getriebeteile
Differentialgehäuse
Magna Powertrain
Synchroset
MIBA
Stossfänger
Magna Presstec
Einschweißtiefen: 2 bis 5 mm
Karosserie
Tailored blanks
Voestalpine Europlatinen
Durchschweißung: 0,7 bis 1,2 mm
Verfahren des Laserhärtens
Laserstrahl
Umwandlungshärten
Einschränkung des Härtepotential auf den
Grundwerkstoff / Beschränkung in der Härtegeometrie insbesondere in
der Einhärtetiefe / Anwendung am fertigen Bauteil / +
Konkurrenz: Induktivhärten
IS < 104 W/cm²
WEZ
Q
Q
GW
Schmelzhärten
Höhere Einhärtetiefen als beim Umwandlungshärten / +
Rasche Erstarrung > feines Gefüge / +
Anwendung nur am Halbzeug / Prinzip des Wärmeleitungsschweißens
WEZ = Austenitsierungsbereich
IS > 104 W/cm²
SZ
Laserlegieren
Änderung der chemischen Zusammensetzung des
Grundwerkstoffs / + +
Baustahl > Werkzeugstahl (Schnellarbeitsstahl)
WEZ
Q
Q
Verfahrensvergleich
Laserlegieren
Laseralloying
Laserauftragsschweißen
Lasercladding
Lasersprühprozess
Sonderverfahren
Bisher nur CO2 - Laser
Standardverfahren
Nd-YAG-, Yb-YAG-, oder Diodenlaser
Sonderverfahren des
Laserauftragsschweißen
Düse
NiBas
WSC-s
SZ
SZ
bis 4 mm
bis 7 mm
Panzerung von Flächen
mehrspuriger Auftrag
Zwickel
Spurüberlapp
Stetig steigende Aufmischung X durch
überlappende Spuren
1
2
3
4
5
6
7
Legierungsstrategie: Auftrennung in 2
Legierungspakete 1 und 2
1
5
2
6
3
7
4
2. Lage
1. Lage
Spurpaket 1: Spur 1 bis 4
Spurpaket 2: Spur 5 bis 7
Anzahl der Lagen ist nicht begrenzt
Variation der Legierung ist möglich
Herstellung von 3D-Strukturen (Rapid
Manufacturing) und Kombination
unterschiedlicher Materialien
Laserlegieren
Rückstromsperren
Legierungsprozess mit MC-Pulver (Grundmaterial: Stahl)
Anzahl der Spuren dimensionsabhängig
Laserlegieren
Rückstromsperren
Legierungsprozess
MC Bildung in der
Schmelze
Härte der MC-Partikel
bis zu 3000 HV…
17%MC
feine Karbide mit dichter
Verteilung
…in Kombination mit dem
„weichen“ Stahl…
gute Zähigkeit bei
gleichzeitig hoher
Verschleißbeständigkeit
20 μm
Laserlegieren
Kaltumformbiegewerkzeuge
Kaltumformwerkzeuge sind an den Biegekanten extremen
Belastungen ausgesetzt
Grundwerkstoffe:
Vergütungsstähle, Kaltarbeitsstähle
Biegewerkzeug
Potential bei WBH
Nitrierung
Härtepotential in der LL-Spur durch Ausscheidung
von Sekundärkarbiden bei der Nitrierung
Härteverlauf
Härtepotential
LL-Spur +
Nitrierung
LL-Spur
GW
Nitrierung
Induktivhärtung
1
16
21
Biegewerkzeug
Potential bei WBH
LL-Spur
Härteverlauf aus der LL-Spur ins gehärtete Grundmaterial
67 HRC
Rasche Abkühlung und rasche
Erstarrung des Schmelzbades
Abkühlungsrate 103 bis 104 K/s
Resultat der hohen Kühlrate:
feine Mikrostruktur, übersättigter
Mischkristall, Ausscheidung
metastabiler Phasen
LL-Spur
61 HRC
Induktivhärtung
34 CrNiMo4
Laserauftragsschweißen
Extruderschnecken
Grundmaterial: 1.8519 / 31CrMoV9
Aufschweißung: Stellite 6 (Kobaltbasis, 28% Cr, ≈ 40 HRC)
Laserauftragsschweißen
Flossenwände für Müllverbrennungsanlagen
Bemusterung auf Originalgeometrie
Korrosionsschutz
Ni-Basislegierung NiCr22Mo9Nb / Inconel 625
Herausforderung
Große Fläche
Oberflächengeometrie
Verzug aufgrund thermischer Spannungen
Laserauftragsschweißen
Flossenwände für Müllverbrennungsanlagen
Aufschweißung auf Prototyp für Feldversuch
Nachbearbeitung: Entspannungsglühen
Kooperation mit
Prototyp seit mehr als 3 Jahren in der Müllverbrennungsanlage Dürnrohr
im Einsatz
Laserauftragsschweißen
Bohrrohre für die Ölfeldtechnologie
Motivation
Paramagnetische Werkstoffe erforderlich
Cr-Mn-Stähle mit hoher Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit
zu geringe Verschleißbeständigkeit
zusätzlicher Verschleißschutz an den kritischen Stellen erforderlich
Laserauftragsschweißen
Bohrrohre für die Ölfeldtechnologie
4-Schicht-System
Dicke = 4,0±0.2 mm, Bearbeitungszeit ≈ 3 h, Auftragsrate ≈ 3 cm3/min
23
3D - Formgebendes
Laserauftragsschweißen
3D-Laser-Frässtation
Alternierende Anwendung von
Aufbauprozess > Laserauftragsschweißen und
Abbauprozess > HSC-Fräsen in einer Aufspannung in beliebiger
Reihenfolge
Einschränkung: Begrenzte Bauteilgröße
Modifikation und Reparatur von
Werkzeugen
gezielte Aufschweißung nach CAD-Daten mit zerspanender
Nachbearbeitung
Grundwerkstoff: Werkzeugstahl (1.2738 bzw. 40CrMnNiMo8-6-4)
Aufschweißung: MM-H13 (1.2344 bzw. X40CrMoV5-1)
3D-Manufacturing
Herstellung komplexer Werkzeugeinsätze für
Spritzgussformen
Inlay aus einer Cu-Legierung > rasche Ab- und Zufuhr der
Wärme
Außenhaut aus Ni-, Co- oder Fe-Basislegierung
~2 mm
Roboter und dynamisch fokussierende
Schweißoptik
Scheibenlaser TruDisk 6002
Pmax = 6 kW, P
min
< 100 W
6-Achs-Knickarmroboter
IRB 4600 (ABB)
Tragkraft: 60 kg
Reichweite: 2,05 m
externe Dreh- und Kippachse
Vorteil:
Bearbeitung großer Bauteile
Variation der Spurgröße „on time“
Dynamische Fokussierung
Kollimation
Fokussierung
Variabler
Brennfleck
Ontime (während eines laufenden Prozesses)
Quelle: www.trumpf.de
Dynamische Fokussierung
dynamisches Auftragsschweißen in der Ebene
Variation von Leistung, Geschwindigkeit, Pulverförderrate, Strahldurchmesser
Nutzen der dynamischen Fokussierung
an Freiformflächen
Schweißbahngenerierung
auf 3D-Freifromflächen:
1) mehrlagig
2) Kanten, Löcher und sonstige
Unstetigkeiten
Automatisiertes Laserauftragsschweißen (auch mehrlagig) an beliebig
komplexen, nicht mathematisch beschreibbaren Oberflächen
(Freiformflächen), inklusive Berücksichtigung aller Unstetigkeiten
Ausblick
Gründe für den Siegeszug der Lasertechnologie in der
Fertigungstechnik
Hohe Eignung für Automatisierung > Voraussetzung für die
industrielle Fertigung
Neue Produkte durch Einsatz der Lasertechnologie
Neue moderne Festkörperlaser in modularer Bauweise
Strahlführung über Lichtwellenleiter
Laser und Bearbeitungsstation sind ortsunabhängig
1 Laser für mehrere Bearbeitungsstationen
Für jede Anwendung den richtigen Laser
Entwicklung der Laserquellen ist vergleichbar mit der des
mobile phone
billiger, kleiner, stabiler > „plug and play“
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