Untersuchung eines Zweistrahlprozesses als Ansatz zur Prozessstabilitätserhöhung des drahtbasierten Laserauftragschweißens

Das drahtbasierte Laserauftragschweißen (LMD-w) vereint hohe Auftragraten und Genauigkeit mit einem kostengünstigen und einfach handhabbaren Zusatzwerkstoff. Allerdings ist seine Prozessstabilität aufgrund der komplexen Draht-Schmelzbad-Interaktion im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren gering und die industrielle Anwendung begrenzt.
Diese Arbeit zielte darauf ab, einen Zweistrahlprozess, in dem der konventionelle kontinuierliche Prozesslaser (cw) mit einem gepulsten Laserstrahl (pw) mit geringer Leistung überlagert wird, hinsichtlich seiner prozessstabilisierenden Wirkung auf das LMD-w zu untersuchen. Untersuchungswerkstoff war ein Cr- und Mn-legierter Sonderwerkzeugstahl.
Die Vorgehensweise war aus drei Teilschritten zusammengesetzt. Zunächst wurden die Wirkmechanismen des gepulsten Laserstrahls grundlegend erforscht. Es wurde gezeigt, dass durch die pulslaserinduzierte Verdampfung an der Werkstückoberfläche eine Dampfwolke entsteht, die den Prozess maßgeblich beeinflusst. In dem Dampf wird die Absorption im Vergleich zum konventionellen LMD-w-Prozess erhöht, sodass die Abschmelzleistung steigt und die Viskosität des Schmelzbades sinkt. Durch die Expansion des Werkstoffs bei der Verdampfung entsteht zudem eine Kraft, die auf das Schmelzbad wirkt und dessen Geometrie verändert.
Im nächsten Schritt wurde analysiert, ob und wie der modulierte Laserstrahl zu einer Prozessstabilisierung beim Auftrag von Einzelschweißraupen führt. Es wurde erkannt, dass die Dampfwolke die Schmelzbadform und -dynamik stabilisiert und ein Abreißen der Verbindung zwischen Draht und Schmelzbad verhindert. Die möglichen Prozessfenster, in denen der Prozess bei einer Parametervariation weiterhin stabil verläuft, sind für Zweistrahlprozesse mit geringen resultierenden Kräften auf das Schmelzbad deutlich größer als im Einstrahlprozess. Die Erkenntnisse wurden in Modelle der Einzeleffekte und des Gesamtprozesses überführt.
Im dritten Schritt erfolgte eine Übertragung auf die Fertigung dreidimensionaler Geometrien. Hier wurde neben der Erhöhung der Prozessstabilität eine Steigerung der Oberflächen- und Gefügequalität durch den Zweistrahlprozess nachgewiesen.
Zusammenfassend belegen die Ergebnisse dieser Arbeit die Eignung des Zweistrahlprozesses zur Stabilisierung drahtbasierter Laserauftragschweißprozesse. Sie eröffnen die Perspektive eines mittelfristigen Industrietransfers mit dem Blick auf eine höhere Resilienz und Nachhaltigkeit in der Produktion.