of 100 /100
Rok założenia 1928 PL ISSN 0033-2364 Index 37125 Cena 17 zł (w tym 5% V AT) przeglad Welding Technology Review Rok założenia 1928 PL ISSN 0033-2364 Index 37125 Cena 17 zł (w tym 5% V AT) Nr 9/2011 I Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna NAPAWANIE – POSTĘP i ZASTOSOWANIA Wrocław, 19-21 wrzesień 2011

Nr 2/2011 Nr 9/2011 - hosting2997635.az.plhosting2997635.az.pl/pliki/Numery/201109_PSpaw.pdf · Selektywne regeneracyjne napawanie plazmowe warstw Ni-WC na tytanowe łopatki sprężarki

  • Author
    docong

  • View
    218

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Nr 2/2011 Nr 9/2011 - hosting2997635.az.plhosting2997635.az.pl/pliki/Numery/201109_PSpaw.pdf ·...

1Przegld sPawalnictwa9/2011

przeglad

Welding Technology Review

Rok

zaoen

ia1928

PLIS

SN0033-2364

Inde

x37125

Cen

a17z(wty

m5%V

at)

Nr 2/2011

Przegld

Spa

walnictwaNr9/2011

przeglad

Welding Technology Review

Rok

zaoen

ia1928

PLIS

SN0033-2364

Inde

x37125

Cen

a17z(wty

m5%V

at)

Nr 9/2011

IMidzynarodowaKonferencjaNaukowo-Techniczna NAPAWANIEPOSTPiZASTOSOWANIA Wrocaw,19-21wrzesie2011

2 Przegld sPawalnictwa 9/2011

UDT-CERT

Certyfikacja systemw zarzdzania 140 wasnych auditorw na terenie caej Polski certyfikacja systemw zarzdzania wg norm:

PN-EN ISO 9001:2009, PN-EN ISO 14001:2005 PN-N-18001:2004/ OHSAS 18001:2007, PN-EN ISO 3834:2007,

PN-EN 16001:2009, PN-ISO/IEC 27001:2007, PN-EN ISO 22000:2006, HACCP, PEFC

Ocena zgodnoci - oznakowanie CE najwiksza jednostka notyfikowana wPolsce (nr 1433) notyfikacja do 12 dyrektyw

Certyfikacja wyrobw certyfikacja wyrobw cinieniowych, dwignicowych

iinnych na zgodno z normami oraz specyfikacjami technicznymi okrelonymi przez klienta

prawo znakowania urzdze znakiem zgodnoci UDT-CERT Wyrb certyfikowany

Badania iekspertyzy techniczne 900 rzeczoznawcw na terenie caej Polski wasne laboratorium badawcze

Certyfikacja osb najszersza oferta w Polsce w zakresie certyfikacji personelu

bada nieniszczcych

certyfikacja spawaczy stali, spawaczy aluminium, miedzi, niklu, tytanu, cyrkonu i ich stopw, lutowaczy, laminerw, klejaczy, spawacze i zgrzewacze termoplastycznych tworzyw sztucznych, operatorw urzdze spawalniczych inastawiacze zgrzewania oporowego

certyfikacja personelu nadzoru spawalniczego certyfikacja osb napeniajcych zbiorniki cinieniowe oraz obsugujcych i konserwujcych urzdzenia transportu bliskiego

certyfikacja osb odpowiedzialnych za bezpieczestwo funkcjonalne

ocena orodkw szkoleniowych i egzaminacyjnych spajaczy

Twoje bezpieczestwo - nasz certyfikat

1Przegld sPawalnictwa9/2011

rok zaoenia 1928dawniej

nr9/2011 Plissn0033-2364 lXXXiii

F O R U M S P A W A L N I K W P O L S K I C H

Miesicznik naukowo-techniczny agenda wydawnicza SIMP

Czasopismo jest notowane na licie czasopism naukowych (6 pkt) i czciowo dotowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyszego

Redakcja PRzegLd sPawaLnictwaagendawydawniczasiMPul.witokrzyska14a,00-050warszawatel./fax: 22 827 25 42, 22 336 14 79e-mail:[email protected],www.pspaw.ps.pladres do korespondencji:00-950warszawa1,skr.poczt.56

wydawca

Redaktor naczelny

z-ca redaktora naczelnego ds. naukowych

z-cy redaktora naczelnego ds. wydawniczych

Redaktorzy dziaw

sekretarz redakcji

Przewodniczcy Rady Programowej

Rada Programowa

skad, druk, korekta

staa wsppraca

Michadudziski

skadiamanie:redakcjaPrzegldspawalnictwaawsiMPKorekta:mgrin.Halinawierzbickadruk:editsp.zo.o.,warszawa

prezesMarekBryMessereutecticcastolindrin.HubertdrzeniekeuromatdyrektoreugeniuszidziakKwBBechatwprof.drhab.in.andrzejKolasaPolitechnikawarszawskadyrektorMichaKozowskiesaBPolskadrhab.in.Jerzyabanowskiprof.PgPolitechnikagdaskaprezesMirosawnowaktechnikaspawalniczaPoznadyrektorzbigniewPawowskilincolnelectricBesterprezesandrzejPiatzwizekzakadwdoskonaleniazawodowegodrin.JanPlewniakprezeszgsekcjispawalniczej,Pol.czstochowskadrin.annaPocicaPolitechnikaOpolskaprezesJacekrutkowskiKemppiPolskadrKrzysztofsadurskilincolnelectricBesterprof.drhab.in.JaceksenkaraPolitechnikawarszawskaprezesandrzejsiennickicloosPolskaprof.drhab.in.andrzejskorupaakademiagrniczo-HutniczaKrakwmgrin.JacekwitkowskigcePolskaprof.drhab.in.edmundtasakakademiagrniczo-HutniczaKrakwprezesMarekwalczakUrzddozorutechnicznego

prof.drhab.in.JanPilarczykinstytutspawalnictwa

drh.c.prof.drhab.in.leszekdobrzaskiPolitechnikalska(Materiay)

drh.c.prof.drhab.in.wadysawKarolwosiskiPolskaakademia

nauk(zaawansowanetechnologie)

drhab.in.zbigniewMirskiprof.PwrPolitechnikawrocawska

(lutowanieiklejenie)

drhab.in.Jaceksaniainstytutspawalnictwa(Praktykaspawalnicza)

drin.KazimierzFerencPolitechnikawarszawska(Konstrukcjespawane)

mgrJaninaJackiewicz-sikorskazarzdgwnyzwizkuzdz(szkolenia)

prof.drhab.in.andrzejKlimpelPolitechnikalska

zastpca Przewodniczcego Rady Programowej

drhab.in.andrzejambroziakprof.PwrPolitechnikawrocawska

z-ca redaktora naczelnego ds. wsppracy z przemysem

mgrin.wodzimierzJacekwalczaklindegazPolska

mgrin.irenawiniewska,mgrin.lechosawtuz

prof.drhab.in.JerzynowackizachodniopomorskiUniwersytettechnologicznywszczecinie

spis treci znajduje sie na stronie 2

IMidzynarodowaKonferencjaNaukowo-Techniczna

NAPAWANIEPOSTPiZASTOSOWANIAWrocaw,19-21wrzesie2011

KomitetNaukowy

Przewodniczcydr hab. in. Andrzej Ambroziak, prof. PWr, Politechnika Wrocawskadr in. Hubert Drzeniek, Euromat, Wrocaw

Sekretarzdr in. Piotr Biaucki, Politechnika Wrocawska

prof. dr hab. in. Edward Chlebus, Politechnika Wrocawskadr hab. in. Dariusz Golaski, Politechnika Warszawskadr hab. in. Kazimierz Granat, prof. PWr, Politechnika Wrocawska dr hab. in. Andrzej Gruszczyk, prof. P, Politechnika lskaprof. dr hab. in. Andrzej Klimpel, Politechnika lskadr hab. in. Andrzej Kolasa, prof. PW, Politechnika Warszawskaprof. dr hab. in. Walerij Kuznietsov, Narodowy Techniczny Uniwersytet Ukrainyprof. dr.-ing. Christoph Leyens, Fraunhofer IWS, Dreznodr hab. in. Jerzy abanowski, prof. PG, Politechnika Gdaskadr hab. in. Mirosaw omozik, prof. w IS, Instytut Spawalnictwa, Gliwicedr hab. in. Zbigniew Mirski, prof. PWr, Politechnika Wrocawskaprof. dr hab. in. Jerzy Nowacki, Zachodniopomorski Uniwersytet

Technologiczny, Szczecinprof. dr hab. in. Igor Pakov, ZAO Alarm, Moskwaprof. dr hab. in. Jan Pilarczyk, Instytut Spawalnictwa, Gliwicedr in. Jan Plewniak, Politechnika Czstochowskadr hab. in. Igor Riabtsev, Instytut Spawania Elektrycznego im. E. O.

Patona Narodowej Akademii Nauk Ukrainy, Kijwprof. dr hab. in. Jacek Senkara, Politechnika Warszawskadr hab. in Jacek Sania, prof. IS, Instytut Spawalnictwa, Gliwiceprof. dr hab. in. Edmund Tasak, AGH, Krakwdr hab. in. Eugeniusz Turyk, prof. IS, Instytut Spawalnictwa, GliwiceUniv.-Prof. Dr.-Ing. habil. Johannes Wilden, Hochschule Niederheim, Niemcy

KomitetOrganizacyjny

Przewodniczcydr in. Ryszard Kaczmarek, EUROMAT, Wrocaw

Sekretarzemgr in. Anna Wona, Politechnika Wrocawskamgr in. Jerzy Korniak, EUROMAT, Wrocawdr in. Jerzy Gobek, Welding Alloys Polskadr in. Mirosaw Pigiel, Politechnika Wrocawskamgr in. Andrzej Woniacki, SIMP Oddzia Wrocaw

UDT-CERT

Certyfikacja systemw zarzdzania 140 wasnych auditorw na terenie caej Polski certyfikacja systemw zarzdzania wg norm:

PN-EN ISO 9001:2009, PN-EN ISO 14001:2005 PN-N-18001:2004/ OHSAS 18001:2007, PN-EN ISO 3834:2007,

PN-EN 16001:2009, PN-ISO/IEC 27001:2007, PN-EN ISO 22000:2006, HACCP, PEFC

Ocena zgodnoci - oznakowanie CE najwiksza jednostka notyfikowana wPolsce (nr 1433) notyfikacja do 12 dyrektyw

Certyfikacja wyrobw certyfikacja wyrobw cinieniowych, dwignicowych

iinnych na zgodno z normami oraz specyfikacjami technicznymi okrelonymi przez klienta

prawo znakowania urzdze znakiem zgodnoci UDT-CERT Wyrb certyfikowany

Badania iekspertyzy techniczne 900 rzeczoznawcw na terenie caej Polski wasne laboratorium badawcze

Certyfikacja osb najszersza oferta w Polsce w zakresie certyfikacji personelu

bada nieniszczcych

certyfikacja spawaczy stali, spawaczy aluminium, miedzi, niklu, tytanu, cyrkonu i ich stopw, lutowaczy, laminerw, klejaczy, spawacze i zgrzewacze termoplastycznych tworzyw sztucznych, operatorw urzdze spawalniczych inastawiacze zgrzewania oporowego

certyfikacja personelu nadzoru spawalniczego certyfikacja osb napeniajcych zbiorniki cinieniowe oraz obsugujcych i konserwujcych urzdzenia transportu bliskiego

certyfikacja osb odpowiedzialnych za bezpieczestwo funkcjonalne

ocena orodkw szkoleniowych i egzaminacyjnych spajaczy

Twoje bezpieczestwo - nasz certyfikat

2 Przegld sPawalnictwa 9/2011

spis treci contents

F O R U M S P A W A L N I K W P O L S K I C H

Miesicznik naukowo-techniczny agenda wydawnicza SIMP

AndrzejAmbroziakNapawanie postp i zastosowania .................................................. 3

SESJAI:Technologielaserowewnapawaniu ............................... 4

TomaszSzulc*Pocztki napawania utwardzajcegoEarly years of hard-facing ................................................................... 5

JohannesWilden*LaserauftragschweienNapawanie laserowe ........................................................................ 10

NowociwydawniczeZgrzewanie tarciowe materiaw o rnych waciwociach ............ 21

TomaszBaraniecki,EdwardChlebus,MarianDziatkiewiczJakubKdzia,JacekReiner,MarcinWiercioch*System laserowego mikronapawania proszkw metaliSystem for laser microcladding of metal powders ............................ 22

HannaSmoleska,WodzimierzKoczewicz,Jerzyabanowski*Regeneracja zaworw silnikw okrtowych metod napawania laserowegoRegeneration of marine engine valves using laser hard-facing ........ 27

SESJAIITechnologieplazmowewnapawaniu ............................ 31

MariuszBober,JacekSenkara*Badania porwnawcze napawanych plazmowo warstw niklowych z wglikami Ti i Cr Plasma surfaced nickel layers with chromium and titanium carbides comparative research ................................. 32

JerzyJakubowski,PiotrWysocki,JacekSenkara*Selektywne regeneracyjne napawanie plazmowe warstw Ni-WC na tytanowe opatki sprarki silnika lotniczegoSelective regeneration of Ni-WC layers over titanium-made compressor blades of aircraft engines by plasma surfacing ............. 38

SESJAPosterowa ........................................................................... 42

AndrzejKlimpel,AgnieszkaRzenikiewicz*Technologia naprawy uchwytw klapy duej biernej silnika odrzutowego RD-33RD-33 jet engine large passive flap handles repair technology ....... 43

WydarzeniaZakad Air Products w Siewierzu otrzyma prestiow europejsk zot nagrod stowarzyszenia EIGA w dziedzinie bezpieczestwa ...... 49

LincolnElectricPolskaLincoln Electric Polska najwiksze centrum produkcyjne materiaw i urzdze spawalniczych w Polsce! .............................. 50

Energediagnostyka ........................................................................ 51 Resurs ............................................................................................. 51

Promotech ....................................................................................... 51

ZwizekZakadwDoskonaleniaZawodowegoKsztacenie spawaczy w 85 letniej tradycji edukacyjnejZakadu Doskonalenia Zawodowego w Katowicach ......................... 52

ABBUrzdzenia dodatkowe i uzupeniajce w zrobotyzowanych celach spawalniczych. Na co zwrci uwag przy wyborze rozwizania i dostawcy systemu? cz II ................. 54

JohannesWilden,JeanPierreBergmann*Automatisiertes Regenerieren von groen TiefziehwerkzeugenAutomatyzacja regeneracji duych narzdzi do gbokiego toczenia .................................................................... 58

4metal.pl .......................................................................................... 63

JohannesWilden*Auftragschweien von nanokristallin erstarrenden Eisenbasiswerkstoffen auf Aluminiumsubstraten Napawanie nanostrukturalnie krystalizujcych materiaw na osnowie elaza na podoe aluminium ...................... 64

NowocitechniczneOkulary ochronne od 3M moda na bezpieczestwo ...................... 72

HannaSmoleska,WodzimierzKoczewicz,Jerzyabanowski*Regeneracja zaworw silnikw okrtowych metod napawania plazmowegoMarine engine valves plasma hard-facing regeneration ................... 73

53.KrajowaNaukowo-TechnicznaKonferencjaSpawalnicza ... 78

TomaszKikJacekGrka,ArturCzupryski,AdamMartyniszyn*Napawanie krawdzi przedmiotw metodami TIG i PTAThe surfacing of the items edges by TIG and PTA methods ........... 79

JacekGrka,ArturCzupryski,TomaszKik,MarcinMelcer*Przemysowe aplikacje napawania plazmowego proszkowegoIndustrial applications of powder plasma transfered arc welding ...... 87

XVIIIKonferencjaSpawalniczaSpawaniewenergetyce......... 94

AWAST2011 .................................................................................... 95

Informacjewydawcy ....................................................................... 96* artykuy recenzowane

3Przegld sPawalnictwa9/2011

Szanowni Pastwo,

Zainteresowanie organizowanymi w cyklu trzyletnim monotematycznymi midzynarodowymi konferencjami naukowo-technicznymi: Postp w technologiach lutowania (2004, 2007, 2010), Natryskiwanie cieplne (2006, 2009), skonio rodowisko spawalnikw dolnolskich do wystpienia z inicjatyw zorganizowania nowej mono-tematycznej Midzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej Napawanie postp i zastosowania. Konfe-rencja ma na celu prezentacj dokona naukowych, badawczych i innowacyjnych w caym obszarze tematyki na-pawania oraz stanowi uzupenienie tematyczne dotychczasowych konferencji organizowanych w kraju. Napawa-nie jest technologi, ktra pozwala nie tylko uzupeni ubytki materiaw, ale i polepszy waciwoci warstw po-wierzchniowych, wic stanowi cenne narzdzie w inynierii powierzchni.

Misj konferencji jest zintegrowanie rodowisk naukowych i przemysowych w celu wymiany dowiadcze, na-wizania kontaktw i dalszego rozwoju technologii napawania. Midzy innymi z tego wzgldu organizacji konfe-rencji podjli si wsplnie: Zakad Spawalnictwa Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji na Wydziale Me-chanicznym Politechniki Wrocawskiej i firma EUROMAT Sp. z o.o. z Wrocawia, majca szerokie kontakty w prze-myle, przy wspudziale Dolnolskiej Sekcji Spawalniczej SIMP.

Rozwj napawania jest zwizany z jednej strony z rozwojem metod spawania, a z drugiej strony rozwojem no-wych materiaw do napawania. W ostatnim czasie obserwujemy szeroki rozwj technologii laserowych, nie tyl-ko w spawaniu, ale take w napawaniu. Dlatego sesja pierwsza konferencji powicona jest wanie tej tematyce. Inne sesje powicone s napawaniu plazmowemu, ukowemu oraz waciwociom warstw.

Z przyjemnoci odnotowujemy obecno na konferencji przedstawicieli wszystkich znanych w kraju orod-kw naukowych, jak i goci z Niemiec i Ukrainy. Jestemy przekonani, e tak kompetentna reprezentacja uczo-nych i praktykw, jaka zgromadzia si na naszej konferencji, da impuls nowym pracom, ktre w przyszoci za-owocuj wdroeniem ich wynikw w praktyce.

Dzikuj Pastwu za zainteresowanie i przybycie na konferencj. ycz udanych i owocnych obrad oraz wie-lu miych chwil i wrae z pobytu we Wrocawiu.

dr hab. in. Andrzej Ambroziak, prof. PWrPrzewodniczcy Komitetu Naukowego

Konferencja sponsorowana jest przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyszego oraz Dziekana Wydziau Mechanicznego Politechniki Wrocawskiej.

Napawaniepostpizastosowania

IMidzynarodowaKonferencjaNaukowo-TechnicznaNAPAWANIEPOSTPiZASTOSOWANIA

Wrocaw,19-21wrzesie2011

4 Przegld sPawalnictwa 9/2011

SESJAITechnologielaserowewnapawaniuPrzewodniczcy: prof. dr hab. in. Jan Pilarczyk, prof. dr hab. in. Andrzej Klimpel

Godzina Cz Autorzy Tytu

1450 A Prof. Dr.-Ing. habil. Johannes WildenHochschule Niederheim, NiemcyErhhung der Prozesseffizienz beim Laserauftragschwei- en (Wzrost efektywnoci procesu napawania laserem)

1510 A Prof. Chr. Leyens, Dr St. Nowotny, F. Brueckner, H. Hillig, Fraunhofer IWS, Drezno

High Performance Laser Surface Cladding Using the Laser Induc-tion Hybrid Technology (Wysokowydajne napawanie przy zasto-sowaniu hybrydowej technologii laserowej)

1530 A Dr St. Nowotny, S. Scharek, F. Kubisch, Prof. Chr. Leyens, Fraunhofer IWS, DreznoIndustrial Solutions for Laser Beam Cladding and Buildup (Prze-mysowe aplikacje napawania laserowego)

1550 A Jrg Spatzier, Dipl.-Eng./ IWEFraunhofer IWS, Drezno

Preparation of Fine Grained MMC-coatings for Highly Lo-aded Components by Laser Cladding (Wytwarzanie drob-noziarnistych warstw napawanych laserowo na silnie ob-cionych elementach)

PRZERWA NA KAW

Przewodniczcy: prof. dr hab. in. Jacek Senkara, prof. Christoph Leyens

1630 BDr in. J. Reiner, Mgr in. M. Dziatkiewicz, J. Kdzia, M. Wiercioch, T. Baraniecki, prof. dr hab. in. E. Chle-bus, Politechnika Wrocawska

Laserowe mikronapawanie proszkw metali

1650 BDr in. Hanna Smoleska, Politechnika Gdaska Mgr in. Wodzimierz Koczewicz, Akademia Morska w GdyniProf. dr hab. in. Jerzy abanowski, Politechnika Gdaska

Regeneracja zaworw silnikw okrtowych z wykorzystaniem napawania laserowego

1710 B Dr in. Bartomiej Dudziak, dr in. Marek GociaskiZBiRM KMR Pozna

Wpyw wybranych parametrw laserowego napawania proszkw metali na stal typu C45 w aspekcie zmian twardoci napoiny

1730 B Dr in. Aleksander Iwaniak, Politechnika lska, GliwiceMgr in. Ryszard Grzelka, Plasma System SAWytwarzanie warstw ochronnych napawanych laserowo na opatkach turbin parowych

1750 B Kamil Jaworski, Wichary Technologies, Pyrzowice Zaawansowane technologie mikrospawania laserowego1815 ZWIEDZANIE LABORATORIUM CAMT, HALA B-41830 KOLACJA, HALA CAMT B-4

Program sesji II na stronie 42

Poniedziaek19.09.20111200-1400 Przyjazd i rejestracja uczestnikw 2.29 bud. B-4, II pietro, ul. ukasiewicza 51300-1400 Poczstunek (Kawa) 2.36 bud. B-4, II pietro

1400-1450

Otwarcie Konferencji: Aula B-4 PWr, II pitro

Dr in. Ryszard Kaczmarek Przewodniczcy Komitetu Organizacyjnego Konferencji, Euromat, WrocawDr hab. in. Andrzej Ambroziak, prof. PWr Przewodniczcy Komitetu Naukowego, Politechnika WrocawskaDr in. Hubert Drzeniek Wspprzewodniczcy Komitetu Naukowego, Euromat, WrocawProf. dr hab. in. Tadeusz Wickowski Rektor Politechniki WrocawskiejProf. dr hab. in. Eugeniusz Rusiski Prorektor Politechniki WrocawskiejProf. dr hab. in. Edward Chlebus Dziekan Wydziau Mechanicznego PWrProf. dr hab. in. Zbigniew Gronostajski Dyrektor Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji PWrDr in. Jan Plewniak Prezes Sekcji Spawalniczej SIMPDr hab. in. Zbigniew Mirski, prof. PWr Przewodniczcy Dolnolskiej Sekcji Spawalniczej SIMPWrczenie Medalu im. in. Stanisawa Olszewskiego

Otwarciekonferencji

IMidzynarodowaKonferencjaNaukowo-TechnicznaNAPAWANIEPOSTPiZASTOSOWANIA

Wrocaw,19-21wrzesie2011

5Przegld sPawalnictwa9/2011

Tomasz Szulc

Pocztki napawania utwardzajcego

earlyyearsofhard-facing

Drin.TomaszSzulc Politechnika Wrocawska.

StreszczenieZaprezentowano pierwsze prby napawania, prowa-

dzone w czasach opanowywania technologii spawalni-czych, pierwsze technologie napawania, ktre zostay zastosowane w praktyce. Przedstawiono pierwsze apli-kacje napawania oraz wczesne zalecenia, dotyczce przygotowania procesu.

Zasygnalizowano ewolucj pogldw na temat mo-liwych do uzyskania waciwoci warstw oraz sposobw wytwarzania materiaw dodatkowych w postaci prtw, drutw i proszkw. Przedstawiono take pocztki bar-dziej wspczesnych technologii napawania: ukiem kry-tym, plazmowego i in.

AbstractFirst attempts of surfacing, conducted in early years

of welding, early surfacing technologies which have fo-und practical use were presented. Early guidelines and applications of surfacing and hard-facing were described.

Evolution of opinions concerning properties of layers and methods of production of consumables in form of rods, powders and wires was highlighted. Roots of most popular technologies were briefly described, including: submerged arc, plasma etc.

WstpDziewidziesit lat temu w USA powstaa firma

braci Stoody, ktr powszechnie uwaa si za wiato-wego prekursora utwardzajcego napawania regene-racyjnego i uszlachetniajcego (ang. hard-facing). Hi-storia napawania jest w rzeczywistoci nieco dusza i liczy sobie 130 lat, czyli tyle samo, ile klasyczne spa-wanie.

Napawanie traktowano pocztkowo jako odmian spawania stosowano te same technologie i materia-y dodatkowe [1]. Zamiast jednak nadtapia krawdzie elementw i wypenia szczelin midzy nimi stopio-nym materiaem dodatkowym, nanoszono go na nad-topion powierzchni materiau rodzimego. Wzmianki o wczesnym uywaniu napawania do celw regene-racyjnych, np. do odtwarzania geometrii przedmiotw, ktrych krawdzie ulegy wyszczerbieniu, nie zawieraj szczegowych informacji na temat stosowanych mate-riaw i ewentualnych odmiennoci technologii.

PrekursorzynapawaniaPrekursor spawania ukowego Nikoaj N. Benardos

(rys. 1) w swych pierwszych patentach, dotyczcych

Metody obrbki metalu za pomoc bezpored-nio uytego prdu elektrycznego, wydanych w Ro-sji (1885) i innych krajach, wspomina o uyciu ma-teriau dodatkowego o tym samym skadzie che-micznym co materia rodzimy do naprawy odleww i odtwarzania geometrii zuytych czci maszyn (rys. 2) [2, 3]. Podobno napawanie Benardos demon-strowa podczas swych wyjazdw do Europy Zachod-niej, np. w paryskim laboratorium Electricien Kabatha, ju w 1881 r. Z perspektywy czasu naley przyj, e utwardzone wskutek silnego nawglenia stopiwo, powstajce w metodzie Benardosa, lepiej nadawao si do napawania ni spawania.

Rys.1. Nikoaj Benardos [12]Fig.1.Nikolai Benardos [12]

6 Przegld sPawalnictwa 9/2011

rodzimego. Napawanie remontowe k zbatych pozo-stao na wiele lat jedn z najchtniej stosowanych apli-kacji tej technologii [5].

RozwjmetodnapawaniaNapawanie praktykowano take w celu okrelenia

parametrw spawania, prbowano na tej podstawie szacowa szeroko lica i gboko wtopienia mo-liwe do uzyskania podczas spawania. Metod t sto-sowa m.in. Oscar Kjellberg, doskonalc spawanie u-kowe, co doprowadzio do opatentowania przez niego w 1908 r. elektrod otulonych [6].

Pierwszy wniosek patentowy dotyczcy moliwoci napawania utwardzajcego zoy w 1896 r. J. Spen-cer z Phoenix Iron Works Glasgow, ale prawdopodob-nie nie zrealizowa w praktyce swego pomysu [7]. Dla-tego za pierwsze praktyczne zastosowanie napawania utwardzajcego uznawana jest dziaalno Ameryka-nw, braci Winstona i Shelleya Stoody (rys. 4), ktrzy w 1921 r. zaoyli w Whittier w Kalifornii zakad Stoody Welding Co. i zajli si napraw urzdze rolniczych oraz traktorw. W tym samym roku w okolicy odkryto zoa ropy naftowej i bracia przerzucili si na naprawy sprztu wiertniczego. Szybko zauwayli, e najszybciej zuywajce si czci to tzw. koronki wierte. Nie za-choway si informacje, jak drog byskawicznie do-szli do koncepcji zastosowania napawania utwardzaj-cego do regeneracji, a potem produkcji wierte (rys. 5). Opracowali materia dodatkowy w postaci stalowych rurek wypenionych proszkiem Cr3C2 i zwanych Stoody Rod (prt Stoodyego). Topili go najpierw w pomieniu

Inny rosyjski spawalnik Nikoaj Sawianow, pracu-jcy jako inynier w fabryce broni w Permie (obecnie fabryka Motowilichinskije Zawody) stosowa napawa-nie ukowe do naprawy wadliwych odleww. W 1890 r. opatentowa udoskonalon metod Benardosa, w ktrej zamiast grafitowej elektrody stosowa jako prze-wodnik prt wykonany z metalowego materiau dodat-kowego, ktry nazwa elektrod, wzorujc si na Fa-radayu. W cigu trzech lat w fabryce wykonano ponad 1600 takich napraw odleww; podobno w wikszoci przypadkw wykonywa je osobicie Sawianow. Zale-ca przy tym wstpne podgrzewanie odleww [4]. P-niej skonstruowa prototyp gowicy z automatyczn re-gulacj dugoci uku, a w 1896 r. automat do na-pawania powierzchni roboczych k zbatych (rys. 3). We wszystkich opisanych przypadkach stosowano na-poiny o skadzie chemicznym zblionym do materiau

Rys.3. Koo zbate po napraw-czym napawaniu wyamanych zbw [5]Fig. 3. The gear after repair cladding of broken tooth [5]

Rys.4. Bracia Winston i Shelley Stoody [8]Fig.4. Winston and Shelley Stoody brothers [8]

Rys.2.N. Benardos podczas naprawy pknitego kota [3]Fig.2. N. Benardos during the repair of broken boiler [3]

7Przegld sPawalnictwa9/2011

acetylenowo-tlenowym, a pniej za pomoc ciepa uku elektrycznego [8]. Co ciekawe, pierwsze elektro-dy z rdzeniem proszkowym opatentowa F. Leitner, kie-rownik stalowni braci Bhler, dopiero w 1925 r.

Tymczasem inna technologia napawania utwardza-jcego zastaa jeszcze wczeniej, bo w 1868 r. Wtedy to w kopalni zstaa zapocztkowana miasteczku Delo-ro (prowincja Ontario) nalecej do M.J. OBriena od-kryto wysokogatunkowe pokady kobaltu. W 1907 r. w Kokomo (Indiana, USA) Elwood Haynes (rys. 6) opa-tentowa twarde stopy na bazie kobaltu, ktre nazwa stellitami (gra sw: stellite wymawia si tak samo jak stellar light gwiezdny blask). Sprzeda stellitw, ro-snca skokowo w czasie I wojny wiatowej, uczynia go w 1916 r. milionerem. Odlewane paeczki stellito-we zaczto nieco pniej stosowa do pomieniowe-go napawania utwardzajcego, ale popularno me-toda zyskaa dopiero wwczas, gdy OBrien i Hay-nes poczyli w 1917 r. siy, zakadajc Deloro Smel-ting and Refining Ltd (obecnie Deloro Stellite) i otwie-rajc rok pniej pierwsz fili w Europie w brytyj-skim Birmingham [9]. Pierwsze napawanie zaworw silnika spalinowego prtami stellitowymi przeprowadzi w 1922 r. Haynes w swojej fabryce samochodw oso-bowych w Kokomo [7]. W Europie pierwsze napawanie elementw zaworw miao miejsce w niemieckiej fabry-ce KSB w 1921 r. (zgodnie z patentem wydanym firmie w Belgii i dotyczcym napawania stali austenitycznej na wyroby ze stali wglowej). Ta sama firma jako pierw-sza na Starym Kontynencie zacza napawa elemen-ty zaworw stellitami w 1928 r. [10].

Bracia Stoody opracowali tymczasem prty la-ne Stoodite (podobiestwo nazw Stoodite i Stelli-te nie jest przypadkowe), a pniej opracowa-li w swym laboratorium pierwszy materia do napa-wania utwardzajcego zawierajcy wglik wolfra-mu. Ich niewielka firma rekordowo dugo zachowa-a samodzielno, dopiero w 1988 r. zostaa wykupio-na przez Thermadyne Industries, ale zachowaa sw nazw i jako Stoody Division funkcjonuje w Bowling Creek w Kentucky (USA).

W latach dwudziestych XX w. i jeszcze wiele lat p-niej wszelkie zastosowania napawania miay charak-ter eksperymentalny i nie byy poparte rozwaaniami

Rys.5. Napawane utwardzajco koronki wierte grniczych [5]Fig.5. Hard faced mining core cutters [5]

Rys.6.Elwood Haynes [9]Fig.6. Elwood Haynes [9]

o charakterze metalurgicznym. Brak wiadomoci nierwnowagowego przebiegu procesu prowadzi do trudnoci prognozowania napre i odksztace w materiale. Take ostateczny skad warstwy napawa-nej by zwykle okrelany post factum empirycznie. Takim wanie sposobem wypracowano zalecenia, do-tyczce prowadzenia procesu. Wskazywano na ryzyko pkni warstwy napawanej, rosnce wraz z jej grubo-ci, czemu przeciwdziaa miao zastpowanie jednej warstwy duej gruboci kilkoma cieszymi. W ten sam sposb ograniczano wspczynnik wymieszania, czy-li zawarto skadnikw podoa w warstwie. Wstpne podgrzewanie podoa, zalecane w przypadku napraw odleww, nie byo powszechnie stosowane w napawa-niu elementw kutych i walcowanych.

W Europie tymczasem rozwijay si technologie na-pawania ukowego, ktre stosunkowo dugo traktowa-no jako odmian spawania. I tak w 1929 r. D. Dulczew-ski uzyska w b. ZSRR patent na spawanie ukiem kry-tym, ktre okazao si bardzo wydajn metod ukowe-go stapiania materiau dodatkowego, nadajca si do napawania. Licencj na analogiczn metod zyskaa 7 lat pniej w USA firma Linde, a za amerykaskich prekursorw napawania pod topnikiem uznaje si bra-ci Stoody.

Eksperymentowano take z napawaniem za pomo-c lecej elektrody grafitowej w postaci dugiej pyt-ki. Na materia rodzimy sypano warstw praonego bo-raksu, potem warstw proszku metalicznego penice-go funkcj materiau dodatkowego o gruboci 35 mmi szerokoci 4060 mm, na niej ukadano elektrod nie-co dusz ni warstwa proszkw. Podczano j do dodatniego bieguna rda zasilania i zajarzano uk. Odmian tej metody byo napawanie lec pytko-w elektrod metalow. W tym przypadku pytka sta-lowa bya ukadana na warstwie topnika pokrywaj-cej materia rodzimy. W razie potrzeby na pytk sy-pano warstw proszku stopowego, potem kolejn war-stw granulowanego topnika i cao dociskano py-t miedzian. Uzyskiwane napoiny miay grubo do 3 mm [1]. Pniej rozpoczto eksperymenty z napa-waniem lec elektrod otulon. Zapocztkowao je opatentowanie w 1917 r. w USA metody Firecrac-ker, znanej pniej jako spawanie elektrod lec.

8 Przegld sPawalnictwa 9/2011

Baildon produkowaa ca gam elektrod, nadajcych si do spawania i napawania, w tym elektrody ze stali wysokomanganowej (Hadfielda) Le Chatelier N.4 zale-cane do napawania utwardzajcego.

Napawanie elektrodami otulonymi byo m.in. stoso-wane do remontw wozw bojowych w czasie II wojny wiatowej [14]. Byy to prace prowadzone na ogrom-n skal obliczono, e np. na froncie wschodnim przy sprzyjajcych warunkach (gdy uszkodzone i nie-sprawne wozy nie pozostaway za liniami przeciwni-ka) przecitny czog by remontowany czterokrotnie, a tylko w ZSRR wyprodukowano ich w latach woj-ny ponad 100 tys. Napawanie z powodu swej czaso-chonnoci nie byo jednak w tym przypadku techno-logi dominujc najczciej stosowano spawanie, wcznie ze wstawianiem stalowych at w celu napra-wy konstrukcji staliwnych i eliwnych.

Po wojnie napawanie wieloelektrodowe najczciej stosowano w celu zwikszenia wydajnoci napawania ukiem krytym liczba doprowadzanych rwnoczenie elektrod wynosia czasem nawet 24 [15]. Informacje o wieloelektrodowym napawaniu pod topnikiem zacz-y pojawia si w literaturze fachowej na samym po-cztku lat 50. ub. stulecia [16]. W tym czasie, a i p-niej napawanie traktowano gwnie jako grup tech-nologii regeneracyjnych, a nie uszlachetniajcych po-wierzchnie nowych czci i elementw. Na przykad w b. ZSRR nalecym do czowki pastw, stosuj-cych napawanie, jeszcze w poowie lat 70. ub.w. po-nad 70% zastosowa napawania dotyczyo prac rege-neracyjno-remontowych [17].

Do napawania produkowano specjalne elektrody o pro-stoktnym przekroju. Niektre rda np. [7] podaj, e za pomoc takiej elektrody w 1939 r. inynierowie Mi-chajow i arionow zrealizowali po raz pierwszy w prak-tyce proces napawania zautomatyzowanego, co jed-nak budzi wtpliwoci dwojakiego rodzaju: po pierwsze znacznie wczeniej zostao opatentowane urzdzenie Sawianowa, a od poowy lat 30. ub. w. praktykowano napawanie pod topnikiem, bdce z definicji procesem zautomatyzowanym.

Na du skal praktykowano napawanie elektro-dami otulonymi Kjellberga i rdzeniowymi Leitnera, a take elektrodami, ktrych otulin stanowi owini-ty wok rdzenia sznur azbestowy nasycony zwiz-kami chemicznymi. Dla zwikszenia wydajnoci na-pawania proponowano stosowanie pakietw lub wi-zek elektrod [11]. Co ciekawe, Benardos jeszcze w 1893 r. proponowa stosowanie wizki elektrod gra-fitowych w celu zwikszenia powierzchni jeziorka spa-walniczego [12].

W II Rzeczpospolitej elektrody do napawania pro-dukowaa Huta Baildon, a palniki do napawania po-mieniowego zakady Perun. Podobnie jak w innych krajach europejskich, jednym z gwnych uytkowni-kw elementw napawanych byy koleje pastwowe. W 1935 r. szacowano, e z uyciem krajowych urz-dze poddano regeneracji co najmniej trzy tysice roz-jazdw, zwrotnic i krzyownic torowych [13]. Typowy zestaw oferowany w tym celu przez Peruna skada si z tzw. acetylenowego palnika drogowego wysokiego ci-nienia (rys. 7) i drutu do napawania Tor (rys. 8). Huta

Rys.7.Reklama polskiego palnika do napawania z 1935 r. [13]Fig.7. Advertisement of Polish hard-facing burner from 1935 [13]

Rys. 8. Reklama polskiego materiau dodatkowego do napawania z 1935 r. [13]Fig.8. Advertisement of Polish filler for hard-facing 1935 [13]

9Przegld sPawalnictwa9/2011

Najwydajniejsz technologi napawania napa-wanie elektroulowe zaczto stosowa w Instytu-cie Spawania Elektrycznego E.O. Patona w Kijowie w 1951 r. Ju pierwsze prby napawania elementw konstrukcji wielkich piecw obniyy cakowity koszt ich remontu o 15%. W przypadku konstrukcji grubocien-nych, gdzie napawanie mona byo stosowa na wik-sz skal (np. myny), efekty ekonomiczne byy jeszcze bardziej znaczce [18].

W 1957 r. rozpocza si epoka technologii pla-zmowych uruchomiono wtedy pierwsz maszyn do cicia plazmowego, tzw. plazmotron. Pi lat p-niej ruszya produkcja urzdze do plazmowego spa-wania, a nieco pniej napawania i natryskiwania. Pierwsze urzdzenie generujce uk plazmowy opra-cowa in. Schnner z firmy BASF jeszcze w 1908 r., ale jego praktyczne zastosowania byy opanowywa-ne powoli. Pocztkowo, w celu uzyskania napoin za pomoc strumienia gazu plazmowego topiono mate-ria dodatkowy w postaci drutu lub prta, pniej za-czto stosowa materia w postaci proszku, transpor-towany przez strumie gazu. Pierwsze firmy, specja-lizujce si w napawaniu i natryskiwaniu plazmowym, zaczy pojawia si w USA pod koniec lat 60. ub.w.

PodsumowanieNapawanie regeneracyjne, naprawcze i uszlachet-

niajce jest obecnie uznan i powszechnie stosowa-n grup technologii spawalniczych. W praktyce sto-suje si niemal wszystkie z opracowanych na prze-strzeni stu lat technologii, systematycznie powsta-j te nowe metody napawania. Znaczcy postp jest notowany w dziedzinie materiaw dodatkowych

Literatura[1] Pilarczyk J., Pilarczyk J.: Spawanie i napawanie elektryczne

metali. Wyd. lsk, Katowice 1996.[2] Kaiserliches Patentamt; Patentschrift Nr 38011, Verfahren

der Metallbearbeitung mittels direkt angewendeten elektri-schen Stromes. Klasse 48 chemische Metallbearbeitung. Berlin, 31. Oktober 1885.

[3] Bernsdorf G.: Auf heissem Spuren vom Schmieden, Lten and Schweissen. VEB Fachbuchverlag, Leipzig 1986.

[4] Istoria Motovilikhinskich Zavodov, Perm 2008.[5] Wassermann R.: Wie sparrt man Millionen durch Abbau der

Ersatzteillager. Castolin Eutectic Institut, St. Sulpice/Lausan-ne 1971.

[6] Kaiserliches Patentamt; Patentschrift 231733. Klasse 21h, Gruppe 12, Elektrode und Verfahren zum elektrischen Lten. Berlin, 27. Juni 1908.

[7] Hasui A., Morigaki O.: Naplavka i napylenie. Masinostrojenie, Moskva 1985.

[8] Materiay informacyjne firmy Thermadyne Industries Inc.[9] Materiay informacyjne firmy Deloro Stellite.[10] Prospekt firmy KSB Aktiengesellschaft.

do napawania. Na przestrzeni ostatnich dziesiciole-ci najwiksze zmiany nastpiy w dziedzinie sterowa-nia i kontroli procesu napawania, a zaawansowane metody badawcze i symulacyjne umoliwiy precyzyj-ne prognozowanie waciwoci nanoszonych warstw. U podstaw tych ultranowoczesnych procesw le jednak niezmiennie pionierskie osignicia minionych dziesicioleci.

[11] Szustakowski J.: Poradnik spawacza elektrycznego. WNT, Warszawa 1981.

[12] Benardos N.N.: Naucno-tekhniceskije izobretienia i projekty. Naukova Dumka, Kiev 1982.

[13] Perun. Kalendarz Spawalniczy na rok 1935. Warszawa 1935.[14] Friedli L.: Die Panzer Instandesetzung der Wehrmacht.

Schneider Armour Research 2010.[15] Dziubiski J., Klimpel A.: Napawanie i natryskiwanie cieplne.

WNT, Warszawa 1985.[16] Emelianov N.: Mnogoelektrodnaja elektrodugovaja i elektro-

slakovaja naplavka pod flusom. Transzeldorogizd, Moskva 1962.

[17] Lejnacuk J.: Avtomaticna naplavka pid flusom pri remontnych rabotach. Derztechvidav. URSR, Kiiv 1959.

[18] Paton B.E.: Elektroslag Welding and Hardfacing. Mir, Moskva 1983.

[19] Szczeciski Z.: Kronika Instytutu Spawalnictwa z lat 1945-1996. Gliwice 1997.

[20] Ghanamuthu D.: Laser surface treatment. w: Optical Engine-ering SPIE. Vol.19, nr. 5/1980, Bellingham USA.

W Polsce pierwsz firm, ktra rozpocza produk-cj plazmotronw do nanoszenia warstw, by Insty-tut Bada Jdrowych w wierku. Pierwsze urzdze-nia, np. PN-110 i PN-200 zaczto tam opracowywa ju w poowie lat 50. ub.w., a prototyp plazmotronu do zautomatyzowanego napawania NP1-250 skon-struowano w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach w 1973 r. [19].

Najnowsz technologi napawania, stosowan na szersz skal, jest napawanie laserowe. Po raz pierw-szy zastosowano je pod kierunkiem D. Ghanamuthu w laboratorium firmy Rockwell International Corp. w Thousand Oaks w Kalifornii pod koniec lat 70. ub.w. [20]. Poniewa prowadzono tam prace nad sprz-tem wojskowym, podano jedynie, e napawanie la-serowe zostao zastosowane do nanoszenia niepo-rowatych powok ceramicznych na podoe metalo-we. Pocztkowo stosowano podobno jedynie prze-tapianie warstw natryskiwanych termicznie (byaby to wic jedna z pierwszych spawalniczych technolo-gii hybrydowych), pniej materia dodatkowy w po-staci proszku lub drutu zaczto doprowadza bez-porednio do strefy cieplnego oddziaywania wizki laserowej.

10 Przegld sPawalnictwa 9/2011

Johannes Wilden

Laserauftragschweien

napawanielaserowe

Prof. Dr.-Ing. habil. Johannes Wilden Funk-tionswerkstoffe und Beschichtungen, Hochschule Niederrhein.

StreszczenieEkstremalne wymagania stawiane elementom ma-

szyn i urzdze powoduj, e nowoczesne materiay mog by stosowane w bardzo wskim zakresie.

Chocia istnieje wiele metod nakadania powok, praktyczne ich zastosowanie nie jest jeszcze powszech-ne. Czsto brakuje odpowiedniej wiedzy na temat da-nej techniki i jej ogranicze, kosztw stosowania oraz szeroko rozumianych waciwoci stosowanych mate-riaw powokowych. Wybr metody nakadania powo-ki zaley od wymaga stawianych okrelonemu elemen-towi oraz warunkw pracy tego elementu. Obecne na rynku lasery duej mocy umoliwiaj napawanie powok z rnych materiaw i na podoa o bardzo rnych wa-ciwociach. Szczeglnie istotne jest to, e urzdzenia laserowe charakteryzuj si atw automatyzacj proce-su, prost obsug i serwisem.

AbstractExtreme requirements for machinery and equipment

make that modern materials can be used in a very narrow range of applications.

Although there are many surfacing methods, their prac-tical application is not yet widespread. There is often lack of adequate knowledge related to the technique and it limita-tions, the cost of application and properties. The choice of method depends on the coating requirements for a particu-lar part and the working conditions of it. The high-power la-sers are used for surfacing by welding of different coating materials and substrates with very different properties. Par-ticularly important is the fact that lasers are characterized by a simple process automation, operation and service

GrundlagenLaserstrahlbeschichtenIm folgenden Kapitel soll ein kurzer berblick ber

die Grundlagen des Auftragschweiens mittels La-serstrahlung gegeben werden. Beginnend bei den

EinfhrungDie extremen Anforderungen die derzeit an Bauteile und

Komponenten gestellt werden, knnen selbst von modernen Werkstoffe nur bedingt erfllt werden. In dieser Hinsicht ge-winnen angepasste Beschichtungslsungen zunehmend an Bedeutung. Dadurch ist es mglich unterschiedliche Werk-stoffe zu kombinieren und somit eine beanspruchungsgerech-te Lsung zur Verfgung zu stellen. So kann der Grundkrper wirtschaftlich aus kostengnstigem und einfach bearbeitbarem Werkstoff hergestellt werden. Bauteilregionen in den die Kor-rosions- und/oder Verschleibestndigkeit des Grundwerkstof-fes nicht ausreicht, knnen durch Beschichtungslsungen ent-sprechend verstrkt werden und somit an das Anforderungspro-fil angepasst werden.

Obwohl zahlreiche Verfahren zur Ausfhrung derarti-ger Auftragschweiungen zur Verfgung stehen finden Be-schichtungslsung derzeit nur vereinzelt Anwendung. Oft-mals hemmen mangelnde Kenntnisse ber Einsatzgrenzen, Beschichtungskosten und verarbeitbares Werkstoff- spektrum die Integration von beanspruchungsangepassten

Funktionswerkstoffen in der Komponente. Infolge des schnellen Verschleies mssen derartige Mono-Material-Bauteile inner-halb krzester Zeit ausgetauscht werden. Wodurch neben We-rkstoff- und Fertigungskosten zustzliche Kosten infolge Still-stand, Reparatur, etc. entstehen. Hhere Kosten fr anwen-dungsangepasste Beschichtungslsungen amortisieren sich demzufolge nach bereits kurzer Zeit.

Die Auswahl des Beschichtungsverfahrens richtet sich nach der jeweiligen Anwendung und den Anforderungen. So stehen derzeit das thermische Spritzen, das Plasma-Pulver-Auftragschweien, das Laserstrahlbeschichten und zahlreiche weitere Verfahren zur Verfgung. Insbesondere durch die indu-strielle Verfgbarkeit leistungsstarker, energieeffizienter und ko-stengnstiger Hochleistungsdiodenlaser wandelt sich das Au-ftragschweien mittels Laserstrahlung vom Nischenverfahren zum effizienten Beschichtungsverfahren mit hoher Flexibilitt und guter Automatisierbarkeit. Insbesondere durch die einfache Handhabung, Prozessfhrung und berwachung etabliert sich das Laserstrahlbeschichten zunehmend fr ein breites Anwen-dungsfeld.

11Przegld sPawalnictwa9/2011

charakteristischen Merkmalen der Laserstrahlung ber verfgbare Strahlquellen und verarbeitbare Werkstoffe bis hin zu den derzeitigen Prozessgrenzen soll das Verfahren interessierten Anwendern dargestellt werden und daraus die prozesstechnischen Vorteile abgeleitet werden.

EigenschaftenderLaserstrahlung

Laserstrahlung kann durch drei signifikante Merk-male charakterisiert werden: Monochromatisch Zeitliche und rumliche Kohrenz Minimale Divergenz

Diese drei Eigenschaften lassen sich aus der Wir-kungsweise des Lasers ableiten und spiegeln sich im Akronym LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) wieder.

Durch die stimulierte Strahlungsemission werden die Lichtquanten phasengleich verstrkt, so dass die emittierte Strahlung sowohl zeitlich als auch rumlich kohrent ist. Durch den Aufbau des Lasers und die di-skreten Energieniveaus, welche die Elektronen einneh-men knnen, bildet sich innerhalb des Resonator eine stehende Welle aus. Demzufolge werden nur Lich-tquanten mit einer definierten Wellenlnge verstrkt. Lichtquanten die sich nicht parallel zur Strahlachse des Lasers ausbreiten, werden nicht reflektiert und lschen sich aus. Der aus dem Resonator durch einen teildur-chlssigen Spiegel ausgekoppelte Strahl ist demzufol-ge nahezu parallel und besitzt nur eine minimale Di-vergenz. Folglich weist Laserstrahlung im Vergleich zu Strahlung einer thermischen Lichtquelle eine deutlich bessere Fokussierbarkeit auf und erlaubt es hohe Le-istungsdichten zur Verfgung zu stellen.

Strahlquellen

Das Beschichten mittels Laserstrahlung wur-de erst durch die industrielle Verfgbarkeit leistungs-starker Strahlquellen mglich. Zu Beginn konnten

Ausgangsleistungen im Kilowatt-Bereich nur durch lngsgestrmte CO2-Laser zur Verfgung gestellt wer-den. Aufgrund des schlechten Absorptionsverhaltens der von derartigen Strahlquellen emittierten Wellenln-ge (10,6 m) eignen sie sich nur bedingt fr das Au-ftragschweien (vgl. Abb. 1).

So ergibt sich fr Stahlwerkstoffe ein Absorption-skoeffizient von etwa 10%, was in Verbindung mit der geringen Effizienz der Strahlquelle von etwa 20%, zu einem geringen Gesamtwirkungsgrad des Prozesses und somit zu hohen Bearbeitungskosten fr das Ver-fahren fhrt.

Erste Fortschritte hinsichtlich einer gesteigerten Gesamteffizienz konnten durch die Einfhrung von Nd:YAG-Festkrperlasern erzielt werden. Das deutlich bessere Absorptionsverhalten der Werkstoffe fr die Strahlung derartiger Laser (1,064 m) mit etwa 35% fr Stahlwerkstoffe erlaubte es, trotz eines geringeren Wirkungsgrades der Strahlquelle von nur etwa 10% die Gesamteffizienz zu verbessern. Ein weiterer Vor-teil des Nd:YAG-Lasers gegenber CO2-Strahlquellen ist auf die Mglichkeit zurckzufhren, dass die Nd:Y-AG-Strahlung mittels flexibler Lichtleitfasern gefhrt und gehandhabt werden kann. Die deutlich lngere Wellenlnge der CO2-Strahlung hingegen erfordert Spiegel zur Strahlfhrung und weist somit Einschrn-kungen hinsichtlich Automatisierbarkeit und flexibler Prozessfhrung auf.

Durch den im Vergleich zum Schneiden und Schwe-ien hohen Energiebedarf beim Beschichten resultie-ren hohe Prozesskosten, die eine wirtschaftliche An-wendung nur bedingt zulassen und somit das Anwen-dungsspektrum auf Spezialanwendungen mit hoher Wertschpfung beschrnken.

Erst durch die in den letzten Jahren vorangetriebe-ne Entwicklung von leistungsstarken Hochleistungs-diodenlasern gelang es die Prozesseffizienz zu ste-igern und die Beschichtungskosten zu reduzieren. Aus Abb. 1 geht hervor, dass die von derartigen Strahlquel-len emittierte Wellenlngen von 808 und 940 nm insbe-sondere fr Aluminiumwerkstoffe einen Absorptionsko-effizienten von bis zu 15% aufweisen und somit um den Faktor 3 ber Nd:YAG- bzw. CO2-Laserstrahlung liegt. Zusammen mit dem hohen Wirkungsgrad von Dioden-laserstrahlquellen von bis zu 35% ergibt sich eine deu-tlich bessere Gesamteffizienz. Folglich erlauben Dio-denlasersysteme eine wirtschaftlichere Materialbear-beitung als klassische Strahlquellen. Zudem resultiert aus der Mglichkeit, die Strahlung in Lichtleitkabeln einzukoppeln, eine gute Handhabbarkeit, hohe Flexi-bilitt und eine gute Automatisierbarkeit. Auch hinsich-tlich der verfgbaren Leistung sind Diodenlasersyste-me mit bis zu 6 kW Ausgangsleistung in das Gebiet an Festkrper- und Gaslaser vorgestoen. Die geringe Strahlqualitt derartiger Halbleiterlaser schrnkt das Anwendungsspektrum im Hinblick auf Schwei- und Schneidapplikationen ein, fhrt jedoch beim Beschich-ten, das nur geringe Anforderungen an die Qualitt des Strahls stellen, zu keinen Einschrnkungen. Abb.1. Wellen- und werkstoffabhngiges Absorptionsverhalten Rys.1.Zaleno wspczynnika absorpcji od dugoci fali

12 Przegld sPawalnictwa 9/2011

Werkstoffe

Das Anwendungsspektrum des Laserstrahlbe-schichtens deckt eine breite Palette von Grund- und Zusatzwerkstoffen ab, wobei vorwiegend metallische Werkstoffe zum Einsatz kommen.

Als Substratwerkstoffe kommen vorwiegend Stahl- und Aluminiumwerkstoffe zum Einsatz. Die Legierungszusammensetzung spielt dabei meist nur eine untergeordnete Rolle, da der Werkstoff nur ge-ringfgig angeschmolzen wird, um so eine metallur-gische Verbindung zwischen Substrat und Schicht zu gewhrleisten. Durch die Mglichkeit mittels La-serstrahlbeschichten die Eigenschaften von Baute-ilen lokal anzupassen, kann der Grundkrper aus ko-stengnstigem Material gefertigt werden, das sich einfach bearbeiten bzw. umformen lsst. Bereiche mit besonderer Beanspruchung werden anschlie-end mittels anforderungsangepasster Werkstof-fe beschichtet. Durch die Duktilitt des Grundwerk-stoffes ist es mglich Verschleischutzwerkstoffe mit extremer Hrte rissfrei aufzutragen und somit das Eigenschaftsprofil zu optimieren. Es werden jedoch nicht nur Aluminium- und Stahlwerkstoffe beschich-tet, sondern auch Kupfer-, Titan-, Nickel-, Magne-sium- und zahlreiche andere Legierungen werden mittels Laserstrahlbeschichten an das jeweilige An-forderungsprofil angepasst.

Hinsichtlich der mittels Laserstrahlbeschichten verarbeitbaren Zusatzwerkstoffe knnen fast alle schmelzflssig prozessierbaren Werkstoffe genutzt werden. Whrend fr das lokale Instandsetzen und Reparieren vorwiegend artgleichen Materialen zum Einsatz kommen, resultiert aus der Intention des Au-ftragschweiens zur Erhhung der Verschlei- und/oder Korrosionsbestndigkeit, dass artfremde We-rkstoffe mit hherer Bestndigkeit aufgetragen wer-den. Dabei kommen bei Stahlwerkstoffen meist Le-gierungen auf Nickel- Kobalt- und Eisenbasis unter-schiedlicher Zusammensetzung in Verbindung mit Hartphasenanteilen (Karbide, Boride, etc.) zum Ein-satz. Jedoch werden auch Aluminium- Kupfer- Wol-fram- und zahlreiche andere Legierungen mittels La-serstrahlbeschichten verarbeitet. Die Zusatzwerk-stoffe liegen meist in Pulverform vor und werden mit entsprechenden Pulverfrdersystemen dem Be-schichtungsprozess zugefhrt. Die Korngrenver-teilung der verwendeten Pulver liegt blicherweise im Bereich 50150 m. Bei ausreichend duktilen Werkstoffen, die eine Verarbeitung als drahtfrmigen Zusatz erlauben, werden diese aufgrund der besse-ren Handhabbarkeit auch in Form von Drhten ge-nutzt. Wodurch zum einen kein Overspray, wie es bei pulverfrmigen Werkstoffen der Fall ist, entsteht und zum anderen entfallen aufwndige Reinigungsschrit-te zur Beseitigung des berschssigen Pulvers. Der Durchmesser der verwendeten Drhte betrgt dabei 0,81,6 mm, wobei meist 1,6 mm Drhte zum Ein-satz kommen.

Verfahrensablauf

Die hohe Energiedichte des fokussierten Laser-strahles erlaubt es, die zu bearbeiteten Werkstoffe in-nerhalb sehr kurzer Zeit bis auf Schmelztemperatur aufzuheizen. Fr eine sichere Verbindung zwischen Grund- und Zusatzwerkstoff muss das Substrat obe-rflchlich angeschmolzen und der Beschichtungswerk-stoff meist vollstndig aufgeschmolzen werden. Der Zusatzwerkstoff kann dabei bereits auf der Oberflche des Substrates vordeponiert sein und wird durch den Laserstrahl umgeschmolzen (zweistufige Prozess-fhrung) oder whrend des Beschichtungsvorganges unmittelbar dem Prozess in Draht- oder Pulverform zu-gefhrt werden (einstufige Prozessfhrung). In Abb. 2 ist der einstufige Prozess mit schleppender Anordnung der Zusatzwerkstoffzufhrung, in diesem Fall Pulver, schematisch dargestellt.

Die Prozessparameter Vorschubgeschwindigke-it, Laserleistung, Brennfleckdurchmesser sind dabei so aufeinander abzustimmen, dass der Grundwerk-stoff nur geringfgig aufgeschmolzen wird und mit der Beschichtung eine fest haftende metallurgische Verbindung eingeht. Der Aufmischungsgrad liegt da-bei meist im Bereich zwischen 5 und 10%, so dass die Eigenschaften des Schichtwerkstoffes nahe voll-stndig erhalten bleiben. Die geforderte Schichtquali-tt hinsichtlich Verschlei- und Korrosionsbestndig-keit kann somit im Vergleich zu anderen thermischen Auftragschweiverfahren wie beispielsweise dem WIG-Auftragschweien bereits bei einlagigem Schich-tauftrag sichergestellt werden.

Das beim Laserstrahlauftragschweien aufgesch-molzene Substratmaterial wird durch die Marango-ni-Konvektion gleichmig im Schmelzbad verteilt, so dass eine homogene Schichtzusammensetzung vor-liegt. Ursache fr die ausgeprgte Schmelzbadkonvek-tion ist die temperaturabhngige Oberflchenspannung des Schichtwerkstoffes und eine inhomogene Tempe-raturverteilung ber die Oberflche der Beschichtung, so dass ein Gradient im Verlauf der Oberflchenspan-nung resultiert. Dieser fhrt zu einer Scherspannung und somit zu einer Bewegung der Schmelze.

Die Oberflchenspannung ist zudem mageblich fr die geometrische Form des Schmelzbades und so-mit fr die resultierende Geometrie der Einzelraupe ve-rantwortlich. Das Schmelzbad bildet sich aufgrund der dominierenden Rolle der Oberflchenspannung meist

Abb.2. Verfahrensablauf (Schematisch) Rys.2.Przebieg procesu (schematycznie)

13Przegld sPawalnictwa9/2011

in Form eines Kreisabschnitts aus (vgl. Abb. 3). Sol-len Flchen mit ber die Breite der Einzelraupe hinau-sreichenden Abmessungen bearbeitet werden, so er-folgt dies durch das Nebeneinanderlegen entsprechen-der Einzelraupen. Zum Erreichen einer dichten und ge-schlossenen Oberflche wird die vorhergehende Rau-pe oberflchlich angeschmolzen, so dass eine durch-gehende metallurgische Verbindung resultiert.

In Abhngigkeit des jeweiligen Anwendungszwecks spricht man dabei vom Plattieren oder Panzern/Har-tauftragen. Whrend beim Plattieren das Hauptaugen-merk auf der Erhhung der Korrosionsbestndigke-it liegt, soll beim Panzern/Hartauftragen eine erhhte Verschleibestndigkeit erzielt werden. Moderne Le-gierungen zum Auftragschweien kombinieren me-ist beide Eigenschaften in Abhngigkeit des jeweiligen Anwendungsfalls.

Weiterhin erfolgt eine Unterteilung des Verfah-rens Laserstrahlauftragschweien nach dem Anwen-dungsbereich. Das flchige Beschichten dient der An-passung der lokalen Oberflcheneigenschaften eines Bauteils, whrend das Generieren oder formgebende Auftragschweien fr das Erreichen der gewnschten Bauteilabmessungen eingesetzt wird.

ProzessparameterundLeistungsgrenzen

ber die bisher dargestellten Vorteile hinaus, ze-ichnet sich das Verfahren Laserstrahlauftragschwe-ien durch eine vergleichsweise einfache Prozessfh-rung aus. So kann die geometrische Form der jeweili-gen Einzelraupen durch Parametervariation gezielt be-einflusst werden.

Die jeweilige Breite der Einzelraupen bR kann unter Einhaltungen energetischer Randbedingungen ber den Fokusdurchmesser 2rf verndert werden (vgl. Abb. 4). Aufgrund der Wrmeableitung in den Grundwerk-stoff bildet sich ein Schmelzbad aus, das geringfgig schmaler als der Brennfleckdurchmesser ist. Typi-sche Raupenbreiten liegen im Bereich 15 mm, gre-re Breiten sind aufgrund der begrenzten Laserleistung und des enorm steigenden Aufwands fr die Strahl-formung wenig sinnvoll und werden meist durch das Nebeneinanderlegen mehrere Einzelraupen realisiert. Der berlappungsgrad betrgt dabei etwa 1535%, so dass Auftragschweiungen mit geringer Welligkeit und dementsprechend geringem Nachbearbeitungsau-fwand resultieren. Minimale Raupenbreiten von bis zu 200 m sind durch entsprechende Strahlfokussierung und entsprechend reduzierte Leistung zu erreichen.

Abb.3.SchweiauflageRys.3. Napoina

Abb.4. Raupenbreite in Abhn-gigkeit des Fokusdurchmessers (Hg 92)Rys. 4. Zaleno szeroko-ci ciegu od rednicy ogniska (Hueg 92)

Fr die Ausfhrung noch geringerer Nahtbreiten ist zu-dem eine angepasste Pulverfraktion, die deutlich unter der gewnschten Raupenbreite liegt erforderlich. In wirtschaftlicher Hinsicht sind dabei jedoch der deutlich erhhte Aufwand und die Kosten zu bercksichtigen.

Eine vergleichbare Abhngigkeiten besteht zwi-schen Pulverfrderrat und Hhe der Einzelraupe (vgl. Abb. 5).

Aus Abb. 5 geht hervor, dass die Hhe hB der Ein-zelraupe primr von der zugefhrten Pulverstrecken-masse bestimmt wird. Aufgrund der nherungsweise halbkreisfrmigen Nahtgeometrie ist das Verhltnis zwischen Hhe zu Breite bei etwa 1:2, so dass sich die typische Raupenhhen im Bereich 0,52,5 mm be-wegt. Hhere Raupen sind aufgrund der eingeschrnk-ten Schmelzbadstabilitt nur mit besonderem Aufwand zu erreichen und werden meist durch mehrlagiges Au-ftragschweien realisiert. Minimale Auftragshhe liegt bei etwa 200 m und erfordert ein eine exakte Abs-timmung der Prozessparameter. Auch hier sind kon-stante Randbedingungen vorausgesetzt und energe-tische Grenzen zu bercksichtigen. Die Vorschubge-schwindigkeit, als ausschlaggebender Prozesspara-meter fr die Auftrags- bzw. Flchenleistung, besitzt hingegen nur einen geringen Einfluss auf die Geome-trie der Raupe. Unter Umstnden ist sogar zu erken-nen, dass die Raupenhhe mit steigender Prozess-geschwindigkeit zunimmt. Dies ist auf die effizientere Energienutzung mit steigender Prozessgeschwindig-keit zurckzufhren, wodurch sich die Verluste infol-ge Wrmeableitung in den Grundwerkstoff reduzieren und somit mehr Energie zum Aufschmelzen der Werk-stoffe zur Verfgung steht. Typische Bearbeitungsge-schwindigkeiten liegen im Bereich 0,22 m/min, wobei jedoch auch Untersuchungen mit bis zu 30 m/min be-kannt sind /Par 03/.

Aus energetischer Sicht ergibt sich fr das La-serstrahlauftragschweien eine erforderliche Le-istungsdichte von etwa 104106 W/cm und liegt so-mit im Bereich des Wrmeleitungsschweiens und des Hrtens. Aufgrund der geringen Leistungsdichte

Abb. 5. Raupenhhe hB in Abhngigkeit der Pulverstrecken-masse (Vol 98)Rys. 5. Zaleno wysokoci ciegu hB od wydatku proszku (Vol 98)

14 Przegld sPawalnictwa 9/2011

unterbleibt whrend der Bearbeitung ein Plasma-bildung, wie es beispielsweise beim Tiefschweien (I > 5*106 W/cm) der Fall ist.

Typischerweise wird beim Laserstrahlauftragschwe-ien mit einer Laserleistung von etwa 13 kW gearbe-itet. Die Frderrate des Zusatzwerkstoffes betrgt in Abhngigkeit der jeweiligen Anwendung 10100 g/min. Bei einem Pulvernutungsgrad von 2575 % ergibt sich eine Auftragsleistung von etwa 1 kg/h, was im Vergle-ich zu anderen thermischen Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise dem Plasmaspritzen mit einer Au-ftragsleistung von bis zu 10 kg/h, die hohen Kosten des Verfahrens erklrt. In dieser Hinsicht sind durch neue Entwicklungen groe Fortschritte erzielt worden, auf die in Kapitel 4 nher eingegangen werden soll.

AnwendungenHinsichtlich des Anwendungsspektrums werden

beim Laserstrahlauftragschweien zwei grundlegende Bereiche unterschieden. Das flchige Auftragschwe-ien, meist auch als Beschichten bezeichnet, erlaubt eine Anpassung der lokalen Oberflcheneigenschaften an die Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls und kommt meist bei erhhten Anforderungen an Kor-rosions- und Verschleischutz zum Einsatz. Das mehr-lagige formgebende Auftragschweien erlaubt es die Form der Oberflche anzupassen.

FlchigesBeschichten

Durch seine Flexibilitt, seine vergleichsweise ein-fache Prozessfhrung und das umfassende Werkstof-fspektrum kommt das Laserstrahlauftragschweien in einem breiten Anwendungsfeld zum Einsatz. Aufgrund der hohen Prozesskosten ist eine Anwendung fr gro-flchige Bauteile nur bedingt sinnvoll. Vielmehr wird das flchige Beschichten fr komplexe Konturen und hufig wechselnde Bearbeitungsaufgaben eingesetzt.

Als klassisches Anwendungsbeispiel ist das lokale Verstrken hoch- und hchstbeanspruchter Umform- und Spritzgiewerkzeuge (Abb. 6) zu sehen. So unter-liegen beispielsweise Gussformen aus dem Bere-ich Kunststoffspritz- oder Aluminiumdruckguss ins-besondere im Angussbereich aufgrund der hohen Strmungsgeschwindigkeiten und der hohen Tempera-turen einer extremen thermomechanischen Beanspru-chung. Durch lokales Auftragschweien ist es mglich den Verschlei zu reduzieren und somit die Standze-it zu erhhen, wodurch sich die Mehrkosten fr das La-serstrahlauftragschweien nach kurzer Zeit amortisiert haben.

Zahlreiche weitere Anwendungsgebiete ergeben sich im Bereich des Umformens, wo das Laserstrah-lauftragschweien eingesetzt wird um mechanisch be-sonders beanspruchte Bereiche zu verstrken und so-mit einer vorzeitigen Abnutzung entgegenzuwirken

(Abb. 7). Auch ist es mglich bereits verschlissene Be-reich wieder herzustellen und somit die Lebensdau-er zu verlngern. Durch geeignete Werkstoffwahl, hin-sichtlich Verschleibestndigkeit, Warmhrte, etc., kann eine anforderungsangepasste Werkzeugober-flche erzieAber nicht nur die eigentliche Form beim Spritzguss ist enorm hohen Belastungen ausgesetzt. So kommt es auch bei der Zufhrung des Materials zu extremen Beanspruchungen, so dass beispielsweise Extruderwellen einem extremen Verschlei aufweisen. Insbesondere bei der Verarbeitung von partikel- oder faserverstrkten Werkstoffe ergeben sich hohe Abnut-zungserscheinungen. Demzufolge wird auch in diesem Bereich auf das Laserstrahlauftragschweien zurck-gegriffen. Eine Zuordnung zum flchigen Beschichten oder zum formgebenden Auftragschweien ist nicht di-rekt mglich, sondern erfolgt in Abhngigkeit der jewe-iligen Ausfhrungsform. Da ein direktes Generieren der Stegstrukturen aufgrund der eingeschrnkten Schmel-zbadstabilitt derzeit nur begrenzt mglich ist und ein mehrlagiges Auftragen enorme Kosten mit sich bringt werden vorgefertigte Stegstrukturen mittels entspre-chender Werkstoffe beschichtet. Folglich ist auch hier von flchigem Beschichten auszugehen.

Die Palette der mglichen Anwendungen kann da-bei beliebig fortgefhrt werden und reicht von der Be-schichtung von Ventildeckeln, ber Kurbelwellenlager-sitze bis hin zu Messerschneiden. Insbesondere bei in-dustriell genutzten Messerschneiden, die im Schnitt-bereich eine extreme Verschleibestndigkeit erfor-dern, kann die geforderte Schichteigenschaft nur durch mehrlagiges Auftragschweien mit variabler Pulverzu-sammensetzung realisiert werden. Fr eine gute Ha-ftung und eine metallurgische Anbindung an den Grun-dwerkstoff ist eine artgleiche oder hnliche Legierung erforderlich. Der eigentliche Schneidenbereich

Abb. 6. Spritzgusswerkzeug fr GfK-Bauteile Kanten laserstrahl-beschichtet (Quelle: Laser Bear-beitungs- und Beratungszentrum GmbH)Rys.6. Krawdzie odlewu cinie-niowego napawane laserem (r-do: Laser Bearbeitungs- und Be-ratungszentrum GmbH)

Abb. 7. Lokales Beschichten eines Umformwerkzeuges (Quel-le: Laser Bearbeitungs- und Be-ratungszentrum GmbH)Rys. 7. Miejscowe napawanie narzdzia do obrbki plastycznej (rdo: Laser Bearbeitungs- und Beratungszentrum GmbH)

15Przegld sPawalnictwa9/2011

hingegen erfordert jedoch einen hohen Hartstoffan-teil, um die Anforderungen hinsichtlich Verschleibe-stndigkeit zu erfllen. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten ist ein direkter Auftrag auf den Schichtwerkstoff nicht mglich. Demzufolge kom-men zwei Pulverzufhreinheiten zum Einsatz und die Schichtzusammensetzung kann gezielt verndert wer-den. Mit zunehmender Beschichtungshhe wird der Hartstoffanteil erhht und die unterschiedlichen Aus-dehnungskoeffizienten knnen ausgeglichen werden.Zahlreiche Anwendungen, wie beispielsweise die In-standsetzung verschlissener Zahnrder oder ungenau gefertigte Werkzeuge, etc. knnen jedoch nicht ein-deutig dem Beschichten zugeordnet werden, da auch eine direkte Formgebung des Werkstckes erfolgt und mssen deshalb dem Generieren zugeordnet werden.

Filigranere Auftragschweiungen werden meist mit-tels gepulster Laserstrahlung und mit von Hand zuge-fhrtem Zusatzwerkstoff durchgefhrt, wodurch sich kleine Flchen wirtschaftlich instandsetzen oder be-schichten lassen. Insbesondere bei der Materialbear-beitung mit gepulster Laserstrahlung lsst sich der Vor-teil einer geringen thermischen Bauteilbeeinflussung nutzen, so dass im Grundwerkstoff nur eine minima-le bzw. vernachlssigbare Gefgevernderung erfolgt.

Beim manuellen Laserstrahlauftragschweien wird der Laserstrahl mittels Joystick positioniert und der drahtfrmige Zusatzwerkstoff von Hand zugefhrt.

Abb. 8. Laserstrahlauftrag-schweien einer Extrudersch-necke (Quelle: Pallas AG) Rys.8.Element prasy limako-wej napawany laserem (rdo: Pallas AG)

Der Werkstoff wird durch den Laserstrahl Puls fr Puls an den jeweiligen Stellen aufgetragen. Insbesondere bei komplexen und sehr filigranen Strukturen entstehen Vorteile gegenber der klassischen Vorgehensweise, da der Programmieraufwand und dergleichen entfllt.

ber das flchige Beschichten hinaus findet das Laserstrahlauftragschweien zunehmend Anwendung zur direkten Herstellung komplexer Bauteile. Vergleich-bar zu Rapid-Prototyping-Verfahren, werden die Baute-ile Schicht fr Schicht aufgebaut und erlauben dadurch die Herstellung enorm komplexer Geometrien. Im Ge-gensatz zu konventionellen Rapid-Prototyping werden nicht nur Kunststoffe verarbeitet, sondern direkt Metal-lpulver verschweit. Zudem erfolgt die Zufhrung des Zusatzwerkstoffes whrend des Beschichtungsvorgan-ges. Im Falle des formgebenden Auftragschweiens wird oftmals von Laserstrahlgenerieren gesprochen.

Generieren

Eine genaue Abgrenzung des Generierens vom flchigen Laserstrahlauftragschweien ist bei zahlre-ichen Anwendungen nur bedingt mglich, da meist eine Mischung aus beiden Anwendungsgebieten auftritt. So kommen auch beim formgebenden Auftragschweien meist verschleibestndige Werkstoffe zum Einsatz. Durch eine zustzliche Integration von beispielsweise Khlkanlen kann jedoch nur bedingt vom flchigen Beschichten gesprochen werden.

Das Laserstrahlgenerieren bietet sich insbesondere bei Anwendungen an, bei den klassische Herstellung-sroutinen, wie beispielsweise das Frsen oder Drehen versagen. Innenliegende Khl- und Medienkanle kn-nen insbesondere bei komplexen Werkzeugformen nur bedingt durch konventionelle Fertigungsprozesse re-alisiert werden. Durch das mehrlagige Laserstrahlau-ftragschweien ist es mglich derartige Werkzeuge di-rekt herzustellen.

Dazu wird das Modell des Formkrpers in einzelne Schichten zerlegt (slicen) und anschlieend mittels La-serstrahlschweien Schicht fr Schicht aufgebaut. So knnen Werkzeuge mit anforderungsangepassten In-nenkonturen zur Khlung, Medienzufhrung, Hohlru-me zur Gewichts- und Kostenersparnis oder zahlre-ichen anderen Funktionen gefertigt werden. Insbeson-dere die breite Werkstoffpalette, die beim Laserstrah-

Abb.9.Beschichtete Laufflche einer Kurbelwelle (Quelle: Laser Bearbeitungs- und Beratung-szentrum)Rys. 9. Wa korbowy z pokry-t powierzchni czopa (rdo: Laser Bearbeitungs- und Bera-tungszentrum)

Abb.10. Instandgesetztes Zahnrad (Quelle: LLT, RWTH Aachen Rys.10.Zregenerowane koo zbate (rdo: LLT, RWTH Aachen)

Abb.11. Manuelles Auftragschweien (Quelle: Rofin Lasertechnik; Hamburg) Rys.11. Napawanie rczne (rdo: Rofin Lasertechnik; Hamburg)

16 Przegld sPawalnictwa 9/2011

lauftragschweien verarbeitet werden kann, erlaubt es das Anforderungsprofil bestmglich zu erfllen.

So knnen beispielsweise mageschneiderte Khl-lsungen gefertigt werden (Abb. 12/rechts). Der Grund-krper wird dabei aus gut wrmeleitfhigem Material, z.B. Kupfer, aufgebaut. Die Khlkanle werden dabei an den entsprechenden Stellen integriert und sorgen so fr eine effiziente Wrmeableitung. Die eigentliche Werkzeugoberflche hingegen wird aus Werkstoff mit entsprechender Verschleibestndigkeit gefertigt und ist somit in der Lage das Anforderungsprofil hinsichtlich kurzer Khlzeiten und optimaler Standzeit zu erfllen.

Die in Abb. 12 dargestellten Anwendungsbeispie-le fr das Laserstrahlgenerieren weisen eine vergle-ichsweise einfache Kontur auf. Durch das formgeben-de Laserstrahlauftragschweien knnen jedoch auch weitaus komplexere Geometrien realisiert werden. So ist es beispielsweise denkbar, die Stegstruktur beim Extruderschnecken direkt aufzubauen. Hingegen der bisherigen Strategie, vorgefertigte Stege zu beschich-ten, knnen so die fr die Plastifizierung und Transport des Granulats erforderliche Stege auf eine Welle end-konturnah aufgebracht werden. Neben einem gre-ren Verschleivolumen kann so auch die Bearbeitung-szeit minimiert und somit die Kosten reduziert werden. Aufgrund der eingeschrnkten Stabilitt des Schmel-zbades sind fr das direkte Generieren von Stegstruktu-ren mit ausgeprgtem Aspektverhltnis in einem ber-gang spezielle Lsungsanstze erforderlich, auf die im folgenden Kapitel nher eingegangen werden soll.

NeueEntwicklungenDie exzellente Qualitt der mittels Laserstrahlau-

ftragschweien hergestellten Beschichtungen erlaubt es, das Verfahren fr zahlreichen Anwendungen ein-zusetzen. Die geringe Prozesseffizienz hingegen fhrt jedoch zu hohen Beschichtungskosten, so dass sich das Einsatzgebiet auf wenige Spezialanwendungen mit verhltnismig hoher Wertschpfung beschrnkt.

Fr eine Aufweitung des Anwendungsspek-trums sind demzufolge Strategien zur Steigerung

Abb. 12. Anwendungsbeispiele Laserstrahlgenerieren (Quelle: Trumpf Lasertechnik; Ditzingen)Rys.12. Przykady zastosowania wizki promieniowania laserowe-go do technik specjalnych (rdo: Trumpf Lasertechnik; Ditzingen)

der Wirtschaftlichkeit erforderlich. Diese lassen sich primr durch folgende Mglichkeiten realisieren: Effizienzerhhung der Strahlquellen Steigerung der Prozesseffizienz (z.B. hybride Ver-

fahren) Optimierung der Schmelzbadgeometrie

Nachfolgend sollen anhand von ausgewhlten Be-ispielen die Mglichkeiten und das Potenzial der ein-zelnen Lsungsstrategien erlutert werden.

EffizienzerhhungderStrahlquellen

Die derzeit zu Laserstrahlauftragschweien ein-gesetzten CO2- und Nd:YAG-Strahlquellen fhren aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades von etwa ma-ximal 15% zu einer vergleichsweise geringen Prozes-seffizienz. Zudem wird die emittierte Strahlung mit einer Wellenlnge von 1060 und 1064 nm nur schlecht vom Werkstoff absorbiert. Insbesondere fr die Bearbeitung von Aluminium resultiert ein Absorptionsgrad von ma-ximal 5 % (Nd:YAG) und 3% (CO2) und somit eine Ge-samteffizienz im Bereich von etwa 1%, wodurch enor-me Beschichtungskosten resultieren.

In dieser Hinsicht resultieren aus der Entwicklung neuartiger Hochleistungsdiodenlasersysteme umfas-sende Mglichkeiten zur Reduktion der Beschichtung-skosten. Neben einer deutlich hheren Wirkungsgrad der Strahlquelle von bis zu 40% ergeben sich zudem Vorteile aus der Wellenlnge der emittierten Strahlung. Durch die Dotierung der Halbleiter emittieren derarti-ge Laser Strahlung mit deutlich besseren Absorption-seigenschaften. Derzeit eingesetzte Strahlquellen mit einer Wellenlnge von 808 & 940 nm beispielsweise besitzen eine Absorption von ber 10 % fr Aluminium und von deutlich ber 30 % fr Stahlwerkstoffe.

Weiterhin weisen Diodenlasersysteme eine fr den Auftragschweiprozess optimierte homogene Intensi-ttsverteilung auf. Somit kann eine ber den gesamten Querschnitt der Auftragschweiung homogene Ener-gieverteilung erreicht werden. Der zugefhrte Werk-stoff wird dadurch gleichmige aufgeschmolzen.

Die eingeschrnkte Strahlqualitt spielt beim Auftragschweien nur eine untergeordnete Rolle. Ein-zig bei der Einkopplung in Lichtleitfasern entstehen au-fgrund der eingeschrnkten Fokussierbarkeit Proble-me. So kommen beispielsweise bei Strahlquellen mit einer maximalen Ausgangsleistung von 4 kW Faser-durchmesser von 1,5mm zum Einsatz. Somit ist eine flexible Bearbeitung mittels Industrieroboter mglich. Aufgrund der geringen Baugre ist auch eine Direkt-bearbeitung mglich, wobei der Diodenlaser direkt am Roboter befestigt wird.

Fr das Laserstrahlauftragschweien kommen bli-cherweise Leistungen im Bereich 13 kW zum Ein-satz, so dass Diodenlasersysteme, die derzeit mit bis zu 6 kW Ausgangsleistung zur Verfgung stehen, ausreichen.

17Przegld sPawalnictwa9/2011

SteigerungderProzesseffizienz(z.B.hybrideVerfahren)

Ein weiterer Ansatz zur Senkung der Schichtko-sten ergibt sich aus Hybridprozessen. Zum einen kann durch die zustzliche Energie die Auftragsgeschwin-digkeit gesteigert und zum anderen kann durch die zweite Energiequelle der Wrmeeintrag in Grund- und Zusatzwerkstoffe getrennt gesteuert und so der Be-schichtungsprozess optimiert werden. So kann zum Aufheizen der Werkstoffe die kostengnstige Ener-gie beispielsweise eines Lichtbogenprozesses genutzt werden und der eigentliche Beschichtungsvorgang mit-tels Laserstrahlung durchgefhrt werden. Die resultie-renden Synergieeffekte fhren zu einer signifikanten Steigerung der Prozesseffizienz und somit zu einer Re-duktion der Schichtkosten.

InduktivuntersttztesLaserstrahlbeschichten[Bey01]

Das induktiv untersttzte Laserstrahlbeschichten, wie auch das induktiv untersttzte Laserstrahlschwe-ien, dienen vorrangig der Bearbeitung kaltrissge-fhrdeter Werkstoffe. Jedoch ergeben sich aus der zustzlich eingebrachten Induktionsleistung ber die Anpassung der Abkhlverhaltens hinaus Synergieef-fekte.

Wie aus Abb. 13 hervorgeht, kann durch das induk-tive Vor- und/oder Nachwrmen die Abkhlrate verrin-gert und so die Gefahr von Aufhrtungsrissen reduziert werden, ohne dabei auf eine vollstndige Ofenvorwr-mung zurckgreifen zu mssen. Durch die Vernde-rung des Abkhlverhaltens kann die Bildung eines ris-sanflligen Martensitgefges verhindert und anstelle dessen ein weniger empfindlicheres Bainit- oder Per-litgefge erreicht werden.

ber die metallurgischen Effekte hinaus, ist es durch die zustzliche Induktionsleistung mglich, die zur Verfgung stehende Laserleistung effektiver fr den Beschichtungsprozess zu nutzen. So konnte beispielsweise die Auftragsrate beim Laserstrahlbe-schichten um den Faktor 5-10 gesteigert werden, wo-mit eine signifikante Reduktion der Schichtkosten ein-hergeht.

Abb.13. Verndertes Zeit-Tempertur-Regime bei der induktiv unter-sttzen Lasermaterialbearbeitung [Sti 01]Rys. 13. Wpyw wizki promieniowania laserowego na przebiegi czas-temperatura podczas procesu podgrzewania [Sti 01]

Laser-Plasmaspritzen

Das Plasmaspritzen kennzeichnet sich neben einer hohen Auftragsleistung auch durch eine im Vergleich zu anderen thermischen Spritzverfahren gute Quali-tt der aufgetragenen Beschichtung. Der fr das ther-mischen Spritzen charakteristische lamellenfrmige Schichtaufbau, mit Poren und Hohlrumen tritt jedoch auch beim Plasmaspritzen auf und fhrt neben einer eingeschrnkten Schichthaftung auch zu einer be-grenzten Korrosionsbestndigkeit.

Oftmals wird deshalb ein zustzlicher Nachbehan-dlungsprozess mittels Laserstrahlung durchgefhrt und der aufgetragene Werkstoff umgeschmolzen, so dass eine dem Laserstrahlauftragschweien quivalente Schichtqualitt resultiert. Somit kann die hohe Auftragsle-istung des thermischen Spritzens mit der ausgezeichne-ten Qualitt des Laserstrahlschweiens kombiniert wer-den. Aufgrund der zweistufigen Prozessfhrung resultiert jedoch eine hoher Zeit- und auch Kostenaufwand, was eine wirtschaftliche industrielle Umsetzung unterbindet.

Durch die simultane Anwendung der beiden Ver-fahren, kann zum einen die Prozesszeit signifikant re-duziert und zudem die Restwrme aus dem Spritzpro-zess fr das Laserstrahlumschmelzen genutzt werden. Somit ist es mglich groflchige Bauteile wirtscha-ftlich mit einer qualitativ hochwertigen Beschichtung zu versehen. Die fr das konventionelle Laserstrah-lauftragschweien charakteristische Detailgenauigkeit geht dabei jedoch verloren, so dass eine Anwendung fr filigrane Strukturen nicht gegeben ist.

Untersuchungen mit dem in Abb. 14 dargestell-te Aufbau zum hybriden Laser-Plasmaspritzen, bele-gen, dass durch die Kombination der beiden Verfah-ren Plasmaspitzen und Laserstrahlumschmelzen eine Steigerung der Auftragsleistung um den Faktor 4 im Vergleich zum konventionellen Laserstrahlbeschich-ten mglich ist und die Schichtkosten signifikant redu-ziert werden knnen.

PlasmauntersttztesLaserstrahlauftragschweien

Soll die Detailgenauigkeit des Laserstrahlauftrag-schweiens erhalten bleiben, so zum Vorwrmen

Abb.14. Schematischer und realer Aufbau zum hybriden Laser Pla-smaspritzen [Now 01]Rys.14.Proces hybrydowy natryskiwanie plazmowe z laserem; schemat ideowy i aplikacja [Nov 01]

18 Przegld sPawalnictwa 9/2011

der Werkstoffe eine Energiequelle zu whlen, die der Charakteristik des Laserstrahlauftragschweiens hin-sichtlich Bearbeitungs- bzw. Wechselwirkungsgre entspricht.

Konventionelle Lichtbgen, wie sie beispielsweise beim WIG-Schweien zum Einsatz kommen, weisen nur eine geringe Leistungsdichte auf, wodurch ein ef-fektives lokales Vorwrmen nur eingeschrnkt mglich ist. Zudem fhrt die geringe Stabilitt des Lichtbogens zu Prozessinstabilitten bei der Bearbeitung von Kan-ten und Nuten. In dieser Hinsicht bieten Plasmalicht-bgen aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte, ihrer ge-ringen Abmessungen und ihrer ausgesprochenen Sta-bilitt deutlich umfassendere Mglichkeiten. So kn-nen die zugefhrten Pulverwerkstoffe effektiv vorge-wrmt werden und der Grundwerkstoffe lokal begrenzt aktiviert und erwrmt werden. Die zustzlich einge-brachte Energie erlaubt es die zur Verfgung stehen-de Laserleistung effektiver zu nutzen und dadurch die Prozessgeschwindigkeit zu steigern, wodurch ein zu-stzlicher Synergieeffekt resultiert.

Der prinzipielle Aufbau eines derartigen Hybrid-prozesses ist in Abb. 15 schematisch dargestellt. Der dem Laserprozess vorgelagerte Plasmalichtbogen wrmt den Zusatzwerkstoff und das Substrat vor. Der in geringem Abstand folgende Laserstrahl schmilzt die Werkstoffe auf und erzeugt ein Schmelzbad.

Die spezifischen Vorteile der Verfahrenskombina-tion resultieren jedoch nicht nur aus der zustzlichen Energie des Plasmalichtbogens, sondern sind auch auf das dadurch verbesserte Energiemanagement zurck-zufhren. So wird durch die Steigerung der Prozess-geschwindigkeit eine effektivere Nutzung der zur Ver-fgung stehenden Leistung erreicht (vgl. Abb. 16).

Die fr den Beschichtungsprozess erforderliche Le-istung Plaser kann dabei drei unterschiedlichen Me-chanismen zugeordnet werden. PHEAT charakteri-siert den zum erwrmen der Werkstoffe erforderli-chen Leistungsanteil und nimmt linear mit der Pro-zessgeschwindigkeit zu. Auch die fr das Schmelzen und berhitzen der Werkstoffe erforderliche Leistung zeigt ein vergleichbares Verhalten und nimmt direkt proportional mit der Vorschubgeschwindigkeit zu.

Gleichzeitig wird jedoch auch ein nicht zu vernachls-sigender Leistungsanteil PCOND durch Wrmeleitung an das Substrat abgegeben und steht nicht fr den eigentlichen Beschichtungsprozess zur Verfgung. Entgegen den beiden anderen Anteile nimmt Pcond nur mit etwa der dritten Wurzel der Prozessgeschwin-digkeit zu. Somit ergibt sich fr hhere Prozessge-schwindigkeiten eine effektivere Nutzung der verfg-baren Leistung, die durch das Verhltnis von Pcond/Plaser veranschaulicht werden kann. Je hher die Pro-zessgeschwindigkeit, desto geringer wird der Anteil der durch Wrmeleitung in den Grundwerkstoff abgefhr-ten Leistung Pcond im Verhltnis zur Gesamtleistung PLASER, die Prozesseffizienz steigt.

Der in Abb. 17 dargestellte Prozessvergleich zeigt sehr anschaulich, dass durch die zustzliche Plasma-energie von etwa 0,9 kW, die Prozessgeschwindigkeit um mehr als den Faktor 3 gesteigert werden kann. Der Effekt kann dabei nicht vollstndig auf die zustzliche Energie zurckgefhrt werden, da diese nur etwa um 50% erhht wurde. Vielmehr ist der Effekt der aus der hheren Prozessgeschwindigkeit resultierenden Opti-mierung des Energiemanagements zuzuschreiben.

ber die Steigerung der Auftragsleistung hinaus knnen zahlreiche weitere Synergieeffekte erzielt wer-den. So kann die thermische Bauteilbelastung von

Abb. 15. Schematischer Aufbau zum plasmauntersttzten Laser-strahlbeschichtenRys.15. Schemat napawania laserowego wspomaganego napawa-niem plazmowym

Abb.16.Energieverteilung beim LaserstrahlauftragschweienRys.16. Rozkad energii przy napawaniu laserowym

Abb.17.ProzessvergleichRys.17.Porwnanie procesw

19Przegld sPawalnictwa9/2011

6,1 kJ/cm fr das konventionelle Laserstrahlbeschich-ten auf 2,6 kJ/cm reduziert werden. Dadurch ergeben sich zum einen Vorteile hinsichtlich der Energiekosten und zudem kann die thermisch bedingte Gefgeve-rnderung des Substratmaterials signifikant verringert werden, so dass auch temperaturempfindliche Baute-ile bearbeitet werden knnen.

In wirtschaftlicher ergeben sich weitere Vorteile, da durch die Vorwrmung des Pulvers ein rasches Aufsch-melzen der Werkstoffe erreicht werden kann, wodurch der ungenutzte Pulveranteil von etwa 50% fr das La-serverfahren auf etwa 10% reduziert werden kann. So-mit ist auch ber die Werkstoffkosten eine Senkung der Beschichtungskosten zu erreichen.

Die signifikanteste Reduktion der Schichtkosten re-sultiert aus der Verdoppelung der Auftragsleistung von etwa 0,8 kg/h fr das Laserstrahlbeschichten auf etwa 1,6 kg/h, wobei in beiden Fllen eine konstante Laser-leistung von 1,8 kW zum Einsatz kam.

Die Prozesskombination plasmauntersttztes La-serstrahlauftragschweien erlaubt somit ber eine Ste-igerung der Prozesseffizienz hinaus, die Charakteristik des konventionellen Laserstrahlbeschichtens aufrecht zu erhalten und ermglicht so auch das Bearbeiten fili-graner Strukturen.

OptimierungderSchmelzbadgeometrie

Ein neuer Ansatz zur Senkung der Schichtkosten bezieht sich auf die geometrische Form der Auftrag-schweiung. So kann durch eine entsprechend ange-passte Schmelzbadgeometrie das flchige Beschich-ten und das formgebende Auftragschweien (Generie-ren) optimiert werden.

Aufgrund des Krfteverhltnisses im Schmelzbad, das fr das konventionelle Laserstrahlbeschichten von den Krften aufgrund der Oberflchenspannung domi-niert wird, bildet sich die an Abb. 18a dargestellte Geo-metrie aus. Diese weist Optimierungspotenzial fr das flchige Beschichten, wo eine breite und flache Naht-form gewnscht wird (vgl. Abb. 18b), und fr das Gene-rieren, bei dem ein ausgeprgtes Aspektverhltnis zur Verkrzung der Prozesszeit fhrt (vgl. Abb. 18cDurch eine zustzliche Kraft auf das Schmelzbad, beispiel-sweise durch die Wechselwirkung magnetischer Fel-der und einem elektrischen Strom, kann der Quersch-nitt der Raupengeometrie optimiert und an die jeweili-ge Anforderung angepasst werden.

Abb. 18. Nahtgeometrie beim Auftragschweien: a) Nahtquersch-nitt beim konventionellen Auftragschweien, b) Optimierte Raupen-geometrie fr das flchige Beschichten, c) Erhhtes Aspektverhlt-nis fr das GenerierenRys.18.Geometria napoiny: a) przekrj napoiny proces konwen-cjonalny, b) optymalna geometria ciegu napawanie paskie, c) wy-soka napoina proces specjalny

PermanentesMagnetfeld

Dazu wurde ein Aufbau realisiert der es erlaubt ein magnetisches Feld und einen elektrischen Strom auf das Schmelzbad auszuben (vgl. Abb. 19). In Abhn-gigkeit der Orientierung der beiden Komponenten kann die Wirkrichtung der induzierten Lorentzkraft ge-zielt beeinflusst und somit die Form des Schmelzbades optimiert werden.

Die in Abb. 20 dargestellten Querschliffe zeigen das Schichtsystem NiCrBSi aufgetragen auf korrosionsbe-stndigem CrNi-Stahl (1.4301) bei einer magnetischen Feldstrke von 0,55 Tesla und unterschiedlichen Strom-strken. Dabei ist zu erkennen, dass die Wirkung der Lorentzkraft mit steigender Stromstrke zunimmt und bei einer in Richtung Substrat wirkenden Lorentzkraft zum Abflachen der Beschichtung fhrt. Eine entgegen-gesetzte Kraftrichtung, die entweder durch Umkehr der Feld- oder Stromrichtung erreicht werden kann, fhrt zum Aufrichten der Beschichtung, so dass ein ausge-prgtes Aspektverhltnis resultiert und Vorteile fr das mehrlagige Generieren aufweist.

Im Rahmen der durchgefhrten Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass fr die Beeinfluss-ung der Schmelzbadgeometrie gewisse Voraussetzun-gen erfllt sein mssen. Die induzierten Lorentzkrfte mssen beispielsweise grer als die Krfte aufgrund der Oberflchenspannung sein. Demzufolge hngt die erforderliche Lorentzkraft, und somit auch der Feld-

Abb. 19. Aufbau zum magnetisch gesttzten Laserstrahlauftrag-schweienRys.19. Schemat stanowiska napawanie laserowe wspomagane polem magnetycznym

Abb.20.Schichtsystem NiCrBSi 1.4301 Rys.20.Powoki ze stopu NiCrBSi 1.4301

20 Przegld sPawalnictwa 9/2011

und Stromstrke, von der Schmelzbadgre ab. Kleine Schmelzbder erfordern aufgrund des starken Einflus-ses der Oberflchenspannung hohe Strom- und Feld-strken. Zudem ist fr die Wirkung der Lorentzkraft die lokale Stromdichte im Schmelzbad ausschlaggebend, so dass auch die elektrische Leitfhigkeit der einge-setzten Werkstoffe und die Gre der zu beschichten-den Bauteile einen entscheidenden Einfluss besitzen. Eine wirtschaftliche Umsetzung ist deshalb derzeit nur fr geringe Substratquerschnitte abzusehen.

HochfrequentesMagnetfeldDurch den Einsatz hochfrequenter Magnetfelder

und den dadurch bedingten Skin-Effekt ist es mglich die bei permanenten Magnetfeldern auftretenden Pro-bleme zu umgehen. Durch die wechselnde Feldstr-ke im Grundwerkstoff wird der fr die elektromagneti-schen Krfte erforderliche elektrische Strom direkt im Schmelzbad induziert, so dass kein externer elektri-scher Strom erforderlich ist.

In Abhngigkeit der jeweiligen Form und Position des verwendeten Induktors ist es mglich das Aspek-tverhltnis zu erhhen oder ein flaches und breites Schmelzbad zu erhalten.

Fr einen ber dem Schmelzbad positionierten In-duktor fhrt die elektromagnetische Kraft zu einem Ab-flachen der Schmelzbadgeometrie (vgl. Abb. 21). Dabei ist mit zunehmendem Induktorstrom und dementspre-chend zunehmender Feldstrke ein Abflachen der Na-htgeometrie zu beobachten. Unsymmetrische Nahtqu-erschnitte, wie sie in Abb. 21 bei 90 und 120 mT auftre-ten, knnen durch einen optimierten Induktorquersch-nitt vermieden werden. So fhrt ein rechteckiger Induk-torquerschnitt zu einem Selbststabilisierungseffekt und Nahtunregelmigkeiten knnen verhindert werden.

Einen hnlich entscheidenden Einfluss hat die In-duktorgeometrie beim Einsatz fr das Generieren (Abb. 22). Im Gegensatz zum flchigen Beschichten wird der Induktor zu beiden Seiten des Schmelzba-des positioniert und fhrt durch die Kraftwirkung auf die Seitenflanken des Schmelzbades zu einem er-hhten Aspektverhltnis. Bedingt durch die geome-trische Form des Schmelzbades ist eine definierte

Kraftverteilung erforderlich, die durch den Querschnitt des Induktors gezielt beeinflusst werden kann. Durch entsprechende computergesttzte Optimierung des In-duktors sollten deutlich ausgeprgtere Aspektverhlt-nisse, als in Abb. 22 dargestellt, erreicht und somit das Generieren von Stegstrukturen effizienter gestal-tet werden knnen.

Das magnetisch gesttzte Laserstrahlbeschichten zeigt, dass es auch ber die Form der Beschichtungs-geometrie mglich ist, die Prozesseffizienz zu steigern und so das Anwendungsfeld des Verfahrens auszu-weiten. Whrend fr das flchige Beschichten bereits optimierte Prozessbedingungen erreicht werden konn-ten, bedarf die Anwendung fr das Generieren weiter-fhrender Untersuchungen hinsichtlich der Schmelz- badstabilitt und des maximal erreichbaren Aspektver-hltnisses.

Abb.21. Hochfrequente Magnetfelder fr das flchige BeschichtenRys.21. Wpyw pola wysokiej czstotliwoci na tworzenie paskich powok

Abb.22.Aufbau und Nahtquerschnitte fr das Generieren von Steg-strukturenRys.22. Schemat stanowiska i przekroje napoin budowanie struk-tur eber

ZusammenfassungNeue Entwicklungen im Bereich des Laserstrah-

lauftragschweiens erlauben eine signifikante Ste-igerung der Prozesseffizienz und fhren dadurch zu einer Reduktion der Beschichtungskosten. Das Po-tenzial des Verfahrens Laserstrahlauftragschweien wird somit fr eine breites industrielle Anwendungs-feld zugnglich.

Die vorgestellten Technologien erlauben es die spe-zifischen Vorteile des Verfahrens, wie beispielsweise

geringe thermische Bauteilbelastung, geringe Aufmi-schung, hohe Przision, gute Oberflchenqualitt, etc. aufrechtzuerhalten oder sogar zu erhhen und zugleich die Wirtschaftlichkeit zu steigern, so dass das Laserstrahlauftragschweien mit anderen Be-schichtungsverfahren hinsichtlich der Schichtkosten konkurrieren kann. Es ist demzufolge von einem zu-nehmenden industriellen Einsatz des Laserstrahlau-ftragschweiens auszugehen.

21Przegld sPawalnictwa9/2011

Literatura[1] E. Beyer: Survey of Laser Hybrid Processes; Tagungsband

Lasers in Manufacturing 2001; Mnchen; Seite 404-415; Juni 2001.

[2] B. Brenner; V. Fux; A. Wetzig: Induktiv untersttztes Lase-rauftragschweien; Hrterei-technische Mitteilungen; Heft 52; Band 4; Seite 221-225: 1997.

[3] H. Hgel: Strahlwerkzeug Laser eine Einfhrung; BG Teubner; Stuttgart; 1992.

[4] Lehrstuhl fr Lasertechnik der RWTH Aachen; Lehrunterla-gen zur Vorlesung Lasertechnik I + II auf CD; Stand 1998

[5] S. Nowotny et al; Hybrid techniques and highest precision in laser cladding; in LaserOpto 33.2001; Seite 57-60; 2001.

[6] K. Partes; C. Theiler; T. Seefeld; F. Vollertsen: Laser clad-ding powered by diode lasers at high processing speed; in Tagungsband 2nd International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing; Seite 51-55; 2003.

[7] H. Stiele; B. Brenner; Induktiv untersttzte Laser-Material-bearbeitung; Stahl 2001; Band 6; Seite 49-51; 2001.

[8] R. Volz: Optimiertes Beschichten von Gusseisen-, Alumi-nium- und Kupfergrundwerkstoffen mit Lasern; Disserta-tion Universitt Stuttgart; Teubner-Verlag; Stuttgart; 1998, auf. lt werden.

Na rynku wydawniczym pojawia si unikatowa oraz poszukiwa-na pozycja Zgrzewanie tarciowe materiaw o rnych waciwo-ciach, ktrej autorem jest prof. dr hab. in. Andrzej Ambroziak.

Ksika dotyczy zoonej problematyki jednego z najnowocze-niejszych i rozwojowych procesw spajania elementw maszyn i konstrukcji, jakim jest zgrzewanie tarciowe. Problematyka zgrzewa-nia tarciowego materiaw o rnym skadzie chemicznym i waci-wociach jest stosunkowo sabo opracowana i stanowi przedmiot ak-tualnego zainteresowania licznych orodkw badawczych, szczegl-nie w obszarze podstaw procesu.

W rozdziaach pierwszym i drugim, Podstawy czenia materia-w w stanie staym oraz czenie materiaw rnorodnych w sta-nie staym, Autor przedstawia podstawy fizyczne zgrzewania tarcio-wego i charakterystyk procesw FW i FSW.

W rozdziale trzecim pt Charakterystyka zgrzewania tarciowego dokonany jest opis znaczenia tarcia w tych procesach.

W rozdziale czwartym Zgrzewanie tarciowe rnorodnych ma-teriaw analizowane s uwarunkowania materiaowe, parame-try zgrzewania oraz waciwoci zgrzein metali i ich stopw: mie-dzi, aluminium, stali, tytanu, molibdenu, wolframu, tantalu, cerami-ki i kompozytw o rnym skadzie chemicznym i rnych waci-wociach.

W rozdziale pitym Modelowanie procesu zgrzewania tarcio-wego rozwaana jest problematyka numerycznej symulacji procesu zgrzewania w obszarze jego geometrii, rozkadu ciepa, wpywu opo-rw tarcia na te charakterystyki.

Rozdzia szsty Wpyw midzywarstwy na waciwoci wytrzy-maociowe zcza dotyczy moliwoci i efektw stosowania warstw porednich podczas zgrzewania elementw z materiaw o rnym skadzie chemicznym i waciwociach.

W rozdziale sidmym Badanie procesu zgrzewania tarciowego rozwaane s zagadnienia metod planowania eksperymentu w pro-cesie zgrzewania tarciowego, monitorowania procesu, niszczcych i nieniszczcych metod bada zczy oraz problemy jakoci zgrze-wania.

W ksice Zgrzewanie tarciowe materiaw o rnych waciwo-ciach dr hab. in. Andrzej Ambroziak, prof. PWr dokona obszernej charakterystyki podstaw i technik zgrzewania tarciowego oraz silnie zaakcentowa znaczenie i rol praktycznych zastosowa tych technik w spawalnictwie a liczne fragmenty ksiki stanowi oryginalny pu-blikowany i niepublikowany dorobek Autora. Jednoczenie ksika cechuje si wysokim poziomem naukowym, atrakcyjn form gra-ficzn a take duymi walorami dydakt