In enger Zusammenarbeit mit Bosch Rexroth entwickelte das Fraunhofer IWS Dresden einen Prozess für effizientes Hochleistungs-Laser-Pulver-Auftragschweißen. Im niederländischen Boxtel rüstete ein Wissenschaftlerteam des IWS eine Anlage für das Beschichten großer Hydraulik-Kolbenstangen bis zu 19 Metern Länge und 600 Millimeter Durchmesser um. Das neue Verfahren steigert die Produktivität der Anlage um ein Vielfaches, indem es Auftragsraten von bis zu 15 Kilogramm pro Stunde ermöglicht. Die Systemtechnik der Anlage optimierten die Forscher für Laserleistungen von bis zu 20 Kilowatt und bereiteten sie außerdem für Industrie-4.0-Anwendungen vor. Ideen für potenzielle weitere Entwicklungen werden in den kommenden Monaten Bosch Rexroth und das Fraunhofer IWS gemeinsam erarbeiten. Geplant sind demnach der Aufbau von geschlossenen digitalen Regelkreisen, Simulation der Prozessführung sowie die Anbindung von selbstüberwachenden Komponenten zur automatischen Fehlerüberwachung und -minimierung zum Zwecke der Qualitätssicherung.
Metallurgisch haftsichere Verbindungen und höchste Beschichtungsqualität
Im Vergleich zur früheren Konfiguration lassen sich mit dem neuen Verfahren zur Beschichtung von Hydraulik-Kolbenstangen um ein Vielfaches höhere Pulvermengen in deutlich kürzerer Zeit verarbeiten. Ziel der Entwicklung war es, Schweißgut so aufzuschmelzen, dass eine Beschichtung entsteht, die Verschleiß und Korrosion verringert. Während sich bei dem alternativen Verfahren des thermischen Spritzens lediglich eine metallische Verklammerung zwischen dem aufgebrachten Pulver und dem zu beschichtenden Grundwerkstoff ergibt, entsteht bei der neu eingeführten Lösung eine metallurgische Schweißverbindung auf der Oberfläche der Kolbenstange – bei gleichzeitig geringer Eisen-Aufmischung von niedriglegiertem Grundwerkstoff in die Deckschicht. Im Unterschied zum Plasma-Pulver-Auftragschweißen lassen sich beim Laser-Pulver-Auftragschweißen Aufmischungsgrade von unter drei Prozent bereits bei einlagiger Beschichtung erzielen. Für die Bearbeitung werden die zu beschichtenden Hydraulikstangen in der Anlage eingespannt und gedreht, während ein Laser mit gleichmäßigem Vorschub entlang der zu bearbeitenden Stange geführt wird. Auf diese Weise entsteht eine spiralförmige Beschichtungsraupe mit geringer Porosität und gleichmäßiger Schichthöhe. Die Laserleistung beschleunigt das Schweißverfahren nicht nur erheblich, sondern bringt gleichzeitig weniger Wärme ins Basisbauteil ein. So bleibt das Basismaterial hinsichtlich Struktur und Form intakt. Je nach Einsatzzweck und -bedingungen der Hydraulikstange lassen sich verschiedene Arten von Pulverwerkstoffen mit speziell angepassten Eigenschaften wie Verschleißbeständigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit oder spezifischen Reibeigenschaften auftragen.
Induktion ermöglicht Nickel-Chrom-Alternative
Zusätzlich rüstete das Fraunhofer IWS die Bosch-Rexroth-Anlage mit einem speziell entwickelten, induktiven Erwärmungsprozess aus. Dies ermöglicht eine gezielte Prozesswärmeführung wodurch auch risskritische und schwer schweißbare Beschichtungen fehlerfrei aufgeschweißt werden können. Somit gelang es Bosch Rexroth, die Beschichtungspalette um spezifisch angepasste Lösungen (»Enduroq«-Familie) zu erweitern. Diese schützen wirksam gegen Korrosion und stellen preiswerte sowie umweltfreundliche Alternativen zu den konventionellen Nickel-Chrom-Beschichtungen dar. »Wir können von einer einzigartigen Entwicklung sprechen«, unterstreicht Bernd Bodenstedt. »Die Optimierung der Anlage und der Technologie zielte nicht nur darauf ab, unsere technischen Möglichkeiten sowie die Beschichtungspalette zu erweitern, sondern den gesamten Prozess hinsichtlich Effizienz zu verbessern. Dank dem Fraunhofer IWS war es uns möglich, den Ende 2016 eingeführten Prozess des Laserstrahl-Auftragschweißens weiter auszubauen. Wir verfügen nun über einen weniger kritischen, dafür deutlich stabileren Prozess – bei einer enormen Qualitätssteigerung.«
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Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
