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Good vibrations

Steinbeis-Team entwickelt Laserbeschichtungstechnologie unter Vibrationseinfluss

Für Bauteile, die hohem Verschleiß ausgesetzt sind, sind besonders harte Oberflächeneigenschaften wichtig. Weil metallische Werkstoffe diese Eigenschaften häufig nicht haben, werden beispielsweise mit dem Auftragsschweißen verschleißschützende Beschichtungen aufgetragen. Ein typisches Material für eine solche Beschichtung sind Wolframcarbide, die als vereinzelte Hartstoffpartikel in einem zähen Nickel- Bor-Silizium-Matrixwerkstoff eingebettet sind. Die hohe Dichte von Wolframcarbid und dementsprechend dessen hohe Masse machen das Auftragsschweißen aber schwierig: Die Hartstoffpartikel sinken wegen der Schwerkraft in der schmelzflüssigen Matrix ab, wodurch an der Oberfläche der Beschichtung kein optimaler Verschleißschutz erzeugt wird. Ein hoher Verschleißschutz ist erst dann gegeben, wenn die harten Wolframcarbid-Partikel auch an der Oberfläche der Beschichtung vorliegen. Eine Lösung des Problems haben nun die Experten am Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation entwickelt.

Gemeinsam mit dem Industriepartner, der Lunovu Integrated Laser Solutions GmbH aus Herzogenrath, hat das Steinbeis-Team den Einfluss von Schwingungen beim Laser-Auftragsschweißen untersucht. Ziel der Entwicklungsarbeiten war es, mit mechanischen Schwingungen die Fließdynamik der schmelzflüssigen Auftragsschicht zu beeinflussen und so das Absinken der Wolframcarbide gezielt zu verhindern. Schließlich soll eine verschleißschützende Beschichtung mit einer homogenen Verteilung von Wolframcarbiden generiert werden können. Beim Laser-Auftragsschweißen liegt das aufzubringende Material zunächst als gemischtes Pulver (60% Nickel-Bor-Silizium, 40% Wolframcarbid) vor. Über einen Pulverförderer und das Trägergas Argon wird das Pulver zum Werkstück transportiert, wo es vor der Umgebungsluft geschützt vom Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Hier haben die Projektpartner im Prozess nun eine Schwingprüfanlage integriert, die in der Lage ist frequenzgesteuert lineare Ausschläge auf das Grundmaterial und die Schmelze zu übertragen.

Die Untersuchungen zeigten, dass Schwingungen einen deutlichen Einfluss auf die Fließdynamik beim Auftragsschweißen haben: Eine homogene Verteilung der Wolframcarbide und dementsprechend ein Verhindern des Absinkens beobachteten die Forscher besonders bei niedrigen Frequenzen mit hohen Schwingungsaus

schlägen. Die folgende mikroskopische Aufnahme zeigt beispielhaft eine Auftragsschicht, die beim Schweißprozess mit einer Frequenz von 100 Hz angeregt wurde:

 

Die hier gezeigten Aufnahmen vergleichen jeweils drei überlappende Schweißlagen. Bei der ersten der beiden Ansichten wurde keine Schwingung übertragen, wodurch folglich ein deutliches Absinken der Wolframcarbide in jeder Schweißlage eintrat. Auf der zweiten Aufnahme dagegen ist eine homogene Verteilung erkennbar, da der Schweißprozess mit einer Frequenz von 50 Hz überlagert wurde:

Mit Messungen zur Oberflächenhärte der Beschichtungen konnte ein erhöhter Verschleißschutz erreicht und schließlich auch belegt werden. Damit war das Projekt-Team am Ziel seiner Entwicklungsarbeiten: Es ist nun möglich, einen effektiveren Verschleißschutz mit Wolframcarbidversetzten Auftragsschweißmaterialien zu generieren. Konzepte, wie in der Praxis bei großen und komplexen Bauteilen Schwingungen effektiv übertragen werden können, sind schon erarbeitet und erprobt.