Laserstrahlschweißen von Titanwerkstoffen unter Berücksichtigung des Einflusses des Sauerstoffes. - In: Materials science and engineering technology, ISSN 1521-4052, Bd. 35 (2004), 9, S. 543-556
Im Rahmen dieses Aufsatzes wird erstmalig ein innovatives Konzept zum Laserstrahlschweißen von Titan für die Serienfertigung dargestellt und validiert. Durch den neuartigen Einsatz eines 6-lagigen Metallgewebes ist es möglich, die Strömung vom Schutzgas so stark zu beruhigen, dass die beim Schweißen schädlichen Verwirbelungen vermieden werden können. Der Einbau eines derartigen Gewebes als Boden einer offenen Schweißkammer ermöglicht sowohl das mechanisierte als auch das vollautomatisierte Schweißen von hochreaktiven Werkstoffen, wie zum Beispiel Titanwerkstoffen, unter atmosphärischen Druckbedingungen und unter inerter Abdeckung. Damit wird der für eine industrielle Fertigung, insbesondere für Industrieroboter, notwendige Freiheits- und Zugänglichkeitsgrad zur Fügestelle im Vergleich zu konventionellen geschlossenen WIG-Schweißhauben gewährleistet. Von weitgehender Bedeutung für die Schweißtechnik von Titanwerkstoffen ist es, dass auch die Bereiche, die in der Praxis mittels einer Nachschleppdüse vom Schutzgas nicht erreichbar wären, wie z. B. die Überlappgebiete bei der Überlappnaht, erfolgreich durch das Prinzip der wirbelfreien Schweißkammer geschützt werden können. Mit Hilfe dieser neuartigen Vorgehensweise und eines modernen Fügeverfahrens, wie dem Nd:YAG-Laserschweißen, konnten erstmalig systematische Grundlagenuntersuchungen zum Einfluss von Sauerstoff in der Schweißumgebung auf die Mikrostruktur und auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften einer Modellschweißverbindung durchgeführt werden. Durch die Validierung des gesamten Systems konnte bewiesen werden, dass im Vergleich zum konventionellen WIG-Verfahren geringere Anforderungen an die Reinheit des Schutzgases, um Anlauffarben und unzulässige Aufhärtungen zu vermeiden, gerichtet werden können. Für das Laserstrahlschweißen kann ein maximaler Restsauerstoffgehalt von 1000 ppm in der Schweißumgebung unbedenklich toleriert werden. Für das WIG-Schweißen gilt dagegen ein Höchstwert von etwa 30 ppm. Ferner konnte nachgewiesen werden, dass die Qualitätsmerkmale der derzeitigen Regelwerke für das WIG-Schweißen für die Luft- und Raumfahrttechnik auf das Verfahren Laserstrahlschweißen mit Nd:YAG-Quellen übertragen werden können.
http://dx.doi.org/10.1002/mawe.200400776
New perspectives to improve properties of laser cladded coatings applying external magnetic fields. - In: Laser assisted net shape engineering 4, (2004), S. 819-830
Laser beam cladding is characterised by several positive aspects, as for example low dilution of the base material, minimized heat input into the substrate and the possibility of a very local treatment. Laser cladding has established itself in practice only in some applications as for example in gas turbine blades or repair of dies and inserts. Negative aspects of laser cladding are nowadays the low process efficiency and the high processing costs. The development of high power laser sources in the last decade improved the process reliability and flexibility. The use of diode lasers for example allows to enhance the efficiency of the laser process as absorption is higher and the coated area is larger. A further possibility to improve process characteristics is offered by the use of hybrid coating processes, which optimise the energy efficiency, as for example plasma assisted laser cladding. A more effective technique to improve laser cladding is the generation of an additional force on the melting pool through an external superposed magnetic field. Depending on the magnetic field strength and on the resulting force the geometry and the microstructure of the layer can be influenced positively. In the first part of the paper investigations on AISI 304 steel is carried out, in order to observe the main influences. In the second part the applications on commercially pure metals as copper/substrate and nickel/coating systems are reported. Compared to other conventional coating processes the use of an adjustable magnetic field and the electric current is an easy tool to vary the geometry of the seam and to enhance coating properties, such as for example surface roughness.
Laser reactive surface alloying of aluminium. - In: Laser assisted net shape engineering 4, (2004), S. 897-903
Reactive laser surface alloying, which is characterized through a simultaneous exothermic reaction (selfpropagating high-temperature synthesis, SHS) are used to produce for example high power composite materials. The ratio of reactants for the generation of Al2O3-TiC-Al-composite has a great influence on the properties of the material. The aluminothermic reaction of TiO2 and Al is used for the production of titanium. The main parameters are the reaction temperature, the ratio of Al/TiO2 and the rate of CaO in the slag. The resulting intermetallic compound shows a good ductility and a high hardness. The direct reactive laser alloying of titanium with titanium oxide wasn't investigated so far, even if it offers many advantages for high abrasive wear resistant coatings. The TiAl matrix guarantees a high strength, while fine dispersed Al2O3 offer wear resistance.
Einflussgrößen beim vollmechanisierten Plasma-Pulver-Auftragsschweißen in Zwangslagen. - In: Neue Materialien und Verfahren in der Beschichtungstechnik, (2004), S. 214-219
Der industrielle Einsatz des Plasma-Pulver-Auftragschweißens mit übertragenem Lichtbogen hat im letzten Jahrzehnt stark zugenommen. Die Möglichkeit eine breite Palette an Auftragswerkstoffen in Pulverform bei hohen Auftragsleistungen, geringer Wärmeeinbringung und geringer Durchmischung aufzutragen zeichnet dieses Verfahren aus. Die Prozessführung des PTA- Auftragschweißens in Wannenlage ist weitestgehend untersucht. Für den industriellen Einsatz besteht jedoch weiterhin großes Interesse den Anwendungsbereich auf Zwangslagen, steigend oder fallend schweißen, auszuweiten, um z. B. bei Reparaturen Standzeiten durch Ausbau und Instandsetzung der verschleißbeanspruchten Bauteile zu verringern. Im Rahmen dieses Beitrages wird das Auftragschweißen von verschleißbeanspruchten Funktionsflächen in Zwangslagen behandelt. In Auftragspositionen, die der Wannenlage abweichen, kommt der Schwerkraft einer besonderen Bedeutung zu, da diese zum Herabfließen der Schmelze und zur Bildung von Tropfen führt. Die Bearbeitungsstrategie ist so auszuwählen, dass die Prozessgeschwindigkeit höher als die Erstarrungsgeschwindigkeit ist. In den dargestellten experimentellen Untersuchungen werden Strategien zum erfolgreichen Bearbeiten von Auftragschichten in Zwangslagen aus Ni-Basis und Co- Basis Pulvern aufgezeigt. Neben den Prozessparametern Plasmastromstärke und Auftraggeschwindigkeit wird ein besonderes Augenmerk auf die Auswirkung des Vorwärmens des Substrates und der Substratdicke gelegt.
Werkstofftechnische Aspekte bei der Auswahl von Laserquellen für die Fügetechnik. - In: Stand und Perspektiven in der Lasermaterialbearbeitung, (2004), S. 139-148
Die Entwicklung von Hochleistungsdiodenlasern bis hin zu 6 kW und von Nd:YAG Lasern höherer Leistung hat in den letzten Jahren, mit dem Ziel schnellere Prozesse zu ermöglichen, rasant zugenommen. Die Eignung einer Laserquelle für die Fügetechnik kann sich sehr unterschiedlich bewerten lassen. Wirkungsgrad, Schweißgeschwindigkeit oder Verwendung von Lichtleitfasern sind nur einige fertigungstechnische Aspekte bei der Auswahl von Laserstrahlquellen. Bei der Qualifizierung von Schweißverfahren für Dünnbleche werden bei Stahlwerkstoffen oftmals die Ausbildung des tragenden Querschnittes, der Nahteinfall und die Porenfreiheit bewertet. Der Einsatz von neuartigen Hochleistungslaserquellen mit Fokustaillen unterschiedlicher Ausbreitung und Form führt zur Erweiterung der Prozessgrenzen für diese Laserart. Neue Prozessbedingungen rufen jedoch eine veränderte Temperaturverteilung im Werkstoff hervor, die zu einer Veränderung der werkstofftechnischen Merkmale, wie Erstarrungsbedingungen und Schmelzbadform, und der Belastbarkeit führt. In diesem Beitrag werden vergleichende Untersuchungen zum Fügen von laserstrahltypischen Verbindungen aus austenitischen Stahlwerkstoffen an einem 4,4 kW Nd:YAG Laser und an unterschiedlichen Hochleistungsdiodenlasern (der Leistung 6 kW und 3 kW) präsentiert. Die Prozessmerkmale beider Laserquellen, wie beispielsweise Einschweißtiefe und Geschwindigkeit, Spaltüberbrückbarkeit und Positionierung des Brennfleckes werden ausgearbeitet und bieten dem Anwender eine Hilfe und eine Referenz bei der Auswahl. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein besonderes Augenmerk auf die Eigenschaften der Verbindungen gelegt. Insbesondere konnte festgestellt werden, dass die Erstarrungsbedingungen, die sich aus dem Temperaturfeld, und damit aus der Wahl der Laserquelle und Prozessbedingungen, ergeben, eine entscheidende Rolle auf das Tragverhalten auch unter schwingender Belastung spielen. Somit ergeben sich weitere werkstofftechnische Aspekte, die bei der Auswahl der Laserquelle betrachtet werden müssen.
Nutzung von Synergieeffekten zur Erhöhung der Prozessflexibilität und -effizienz in der Laseroberflächenbehandlung. - In: Stand und Perspektiven in der Lasermaterialbearbeitung, (2004), S. 202-211
Einfluss der Strom-Spannungs-Charakteristik auf die Schichtbildung und -eigenschaften beim Lichtbogenspritzen. - In: Neue Materialien und Verfahren in der Beschichtungstechnik, (2004), S. 95-100
Optimisation of energy management through plasma-augmented-laser-cladding (PALC). - In: Conference proceedings, (2004), insges. 7 S.
Laser cladding is a very promising technology from a metallurgical point of view. The benefits are low heat input into the substrate, high cooling rates resulting in a fine microstructure of the coating and an excellent metallurgical bonding to the substrate. The main disadvantage of laser cladding, however, is poor process efficiency, which causes high processing costs. In order to gain interest on the industrial level an optimisation of the energy management, for example reducing the energy loss through conduction, is necessary. Improved process efficiency and reduced processing time can be realized by a hybrid technology of coupling laser with a plasma arc. The feed can be coaxial to the plasma gun in form of powder. The main advantage of this process is that the processing area as well as the powder is preheated and activated by a transferred arc. The laser power is mainly used for heating up the feedstock material till melting temperature. The experimental results prove the theoretical considerations. Compared to laser cladding an increase in cladding speed and a lower energy input are reached. Further the efficiency towards material can be nearly doubled, reducing stock costs. At last the heat-affected zone is reduced, which offers the possibility to process crack sensitivity materials.
Thin plasma-transferred-arc welded coatings : an alternative to thermally sprayed coatings?. - In: Optimisation of energy management through plasma-augmented-laser-cladding (PALC), (2004), insges. 6 S.
HVOF-, arc- and plasma sprayed coatings are widely used for wear protection. Today these type of layers are dominant if thin coatings from 50 up to 500 micro m and low heat input into the work piece are required. The main disadvantage of thermally sprayed coatings is the adhesion to the substrate and the early failure when cyclic loaded. In both cases a metallurgical bonding to the substrate can improve the life cycle time. Plasma transferred arc (PTA) welded coatings show a metallurgical bonding to the substrate. The main disadvantages of this coating technology are the dilution of about 5%, the heat input into the substrate and that nowadays all welding positions seem to be impossible to carry out. In this paper the theoretical background for welding thin coatings (less than 500 micro m) with a decreased dilution and in all welding positions is given and experimentally proved.
Arc spraying with dynamic current generators. - In: Thin plasma-transferred-arc welded coatings, (2004), insges. 7 S.
Low running costs, high spray rates and efficiency make electric arc spraying a good tool for coating large areas with high production rates. The main applications are in the field of corrosion and wear protection of large structures, e. g. parts for bridges or offshore industry. New applications are expected for high quality coatings produced by cored wires. Disadvantages of the arc spraying process are that only electrically conductive wires can be processed and the lower particle velocity in comparison to other thermal spray processes like HVOF or APS. Depending on the process parameters the oxidation of particles has a negative effect on the mechanical and the electrochemical properties of the coating, too. In this paper some investigations with new and flexible power supply systems for arc spraying are presented. The particle size and the morphology of the coating can be optimised, due to the possibility of changing the current generator characteristic and modulating the power by pulsing up to 500 Hz. The oxidation of particles can be reduced by a lower heat input based on lower spray voltage. For a higher quality of the coating microstructure investigations with dynamic generators were performed for Zn, Al, ZnAl, 110MnCrTi8 and Al. An enhancement of the process stability was achieved, too.