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Ziel der Entwicklung

Bereits heutzutage wird das Laserauftragschweißen im offshore-Bereich zum Korrosionsschutz von Hydraulikzylindern oder in der Öl- und Gasförderung zum Verschleißschutz von Bohrköpfen verwendet. Überwiegend kommen dabei pulverförmige Zusatzwerkstoffe zum Einsatz, da diese über ein Trägergas koaxial oder über radial angeordnete Pulverdüsen zugeführt werden können. Drahtförmige Zusatzwerkstoffe haben den Nachteil, dass sie meist lateral zugeführt werden und somit zu einem richtungsabhängigen Auftrag führen. Neue Bearbeitungsköpfe erlauben eine koaxiale Drahtzufuhr und somit eine richtungsunabhängige Bearbeitung. Die drahtförmigen Zusatzwerkstoffe können in Massiv- und Fülldrähte unterteilt werden. Metallpulverfülldrähte bestehen entweder aus einem gefalteten Metallband oder einem nahtlosen Metallrohr, dass erst durch Vibration mit einem Metallpulver gefüllt und abschließend auf die gewünschten Enddurchmesser gezogen wird. Im Vergleich zur Verwendung von Massivdrähten aus Duplexstahl beim Laserauftragschweißen wird die Verwendung von Fülldrähten in der Literatur selten erwähnt. Fülldrähte bieten allerdings den Vorteil, dass diese schnell und kostengünstig über die Zusammensetzung der Füllung angepasst werden können. Während der Bearbeitung schmelzen der Mantel und die Füllung auf und legieren miteinander. Die Legierungszusammensetzung kann daher bei Metallpulverfülldrähten leicht durch die Verwendung einer angepassten Füllung variiert werden. Die Kombination von Metallpulverfülldrähten aus Duplexstahl und Laserauftragsschweißen bietet eine Möglichkeit, kostengünstige korrosionsbeständige Schichten mit einer hohen Festigkeit aufzutragen. Der Laserauftragsschweißprozess erlaubt dabei, bedingt durch die hohen Energiedichten und den geringen Wärmeeintrag, eine Beschichtung von dünnwandigen und sensiblen Halbzeugen. Über die Metallpulverfülldrähte kann kostengünstig und wirtschaftlich eine individuelle Legierung für einen entsprechenden Anwendungsbereich angepasst werden. Beim Schichtaufbau von Duplexstählen, unabhängig ob mit Pulver oder Draht, wird das resultierende Gefüge mit zunehmender Lagenanzahl inhomogen. Das heißt, dass die auftretenden Abkühlintervalle erheblich länger werden wodurch der Austenitanteil steigt und die Gefahr der Bildung intermetallischer Phasen sowie des Dendritenwachstums ebenfalls zunehmen. Eine derartige Gefügeausbildung beeinflusst die mechanischen und korrosiven Eigenschaften der Schicht negativ, wodurch dieser Bereich im Bauteil später eine Schwachstelle darstellt. Daher soll durch den Einsatz von Heißdraht und einer angepassten Intensitätsverteilung der Energieeintrag schichtweise präziser gesteuert werden. Im Optimalfall findet dadurch eine intrinsische Wärmebehandlung bereits während des Auftragsprozesses statt. Neben einer umfangreichen materialtechnischen Analyse erfolgt parallel dazu die Bestimmung der Abkühlraten. Hier wird auf die Erfahrungen zurückgegriffen, die bereits in einem Vorgängerprojekt gesammelt wurden.

Vorteile und Lösungen

Zur erfolgreichen Bearbeitung des Forschungsprojektes wurden folgende Schwerpunkte definiert: - Qualifizierung des Leistungsvermögens bei der Verarbeitung von Massiv- und Fülldrähten mittels Heißdraht und angepasster Intensitätsverteilung - Erhöhung der Prozesssicherheit und Vertiefung des Prozessverständnisses anhand von berührungsloser Temperaturmessung und werkstofftechnischer Analyse - Erarbeitung einer Prozesscharakteristik an Basisgeometrieelementen (Einzelspuren und flächiger Auftrag) durch Auftragschweißversuche in Abhängigkeit vom Werkstoff und von der Herstellungsform des Schweißzusatzes - Ermittlung von technologischen Prozessfenstern für das Auftragschweißen mit Massiv- und Fülldraht für die koaxiale Materialzufuhr - Prüfung der Übertragbarkeit der abgeleiteten Prozesscharakteristik auf komplexere, industrienahe Applikationen Um den Laborcharakter der Untersuchungen zu umgehen und dem industriellen Einsatzzweck gerecht zu werden, erfolgte die Prüfung der Übertragbarkeit der ermittelten Prozessparameter auf komplexere, industrienahe Auftragschweißapplikationen anhand der Plattierung von Bauteilen und dem alternativen Aufbau von 3D-Geometrien. Beispielsweise nutzen sich in Turbinengehäusen sogenannte Halbmulden ab. Durch die Plattierung dieser könnte eine Standzeitverlängerung oder Regeneration erreicht werden. Im Bereich der Generierung von Formelementen wäre die Herstellung eines Teils einer Turbinenschaufel denkbar. Turbinenschaufeln aus Duplexstahl finden Einsatz in der Energiegewinnung aus Wasserkraft. Zusammenfassend werden folgende Zielparameter, auch im Sinne der Nachhaltigkeit formuliert: - Validierung des Potentials der Auftragschweißtechnologie aus prozesstechnischer Sicht - Charakterisierung der technologischen Eigenschaften des Gesamtsystems bei der Verarbeitung von Massiv- und Fülldrähten aus Duplexstahl zur Bewertung der Prozesssicherheit - Definition von Prozessfenstern zur Ableitung geeigneter Arbeitspunkte für industrielle Applikationen als Hilfestellung für den industriellen Anwender und zur Prozessoptimierung Begleitet wurden die gesamten experimentellen Untersuchungen durch eine umfassende werkstofftechnische Analyse. Diese erstreckt sich von der Bestimmung der mechanisch-technologischen Kennwerte über die Gefügeanalyse bis zur resultierenden Korrosionsbeständigkeit. Die in einem Vorgängervorhaben abgeleitete Präparationstechnik stellt sicher, dass die Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit mit der größtmöglichen Effizienz durchgeführt wird. Die Verwendbarkeit von Metallpulver-Fülldrähten beim Laserauftragschweißen konnte im Rahmen dieses Projektes nachgewiesen werden. Durch die Untersuchungen konnten Möglichkeiten, aber auch Grenzen beim Vergleich von massiven und Fülldrähten aufgezeigt werden. Anhand der werkstofftechnischen Charakterisierung konnten trotz schwankender Ergebnisse (insbesondere Poren und unaufgeschmolzene Partikel) gute Modelle generiert werden. Anhand der entwickelten Modelle wurden optimierte Prozessparameter für den Aufbau von Schichten abgeleitet, umgesetzt und ausgewertet. Alle so abgeleiteten Prozessparameter zeigten gute mechanisch technologische Eigenschaften. Trotz der Grenzen der an die ASTM 150 angelehnten Korrosionsuntersuchungen war eine Beständigkeit gegenüber Lochfraßkorrosion nachweisbar, die vergleichbar mit konventionellen Schweißungen ist. Anhand der erzielten Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass durch die Verwendung von Metallpulver-Fülldrähten, ähnlich gute Ergebnisse erzielt werden konnten, wie mit massiven Drähten.

Zielmarkt

Wo Duplexstähle zum Einsatz kommen, da überzeugen sie durch ihre Performance und ihr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. So konnte das Kwandong Hockey Center für die Olympischen Winterspiele in Pyeongchang 2018 mit dem zur Verfügung stehenden Budget nur gebaut werden, weil kurzfristig eine Umstellung auf Duplexstahl als Baustoff erfolgte. Da ihre hohen Festigkeitswerte jedoch die Umformbarkeit einschränken, konnten sie sich bisher nur in Nischen behaupten und tragen momentan nur im geringen einstelligen Prozentbereich zum Gesamstahlmarkt bei. Die Oberflächenbeschichtung von kostengünstigen Baustählen mit Duplexstahl, wie sie im geplanten Projekt angestrebt wird, setzt hier an. Im Wettbewerb steht das entwickelte drahtbasierte Verfahren sowohl mit dem Pulverauftragschweißen, als auch mit dem thermischen Beschichten. Der Vorteil gegenüber dem Pulverauftragschweißen liegt bei der Nutzung von axial zugeführtem Draht in der größeren Geometriefreiheit sowie in einer besseren Materialausnutzung. Darüber hinaus gestaltet sich die Pulverförderung deutlich komplexer und kostenintensiver, als die von Draht. Unter anderem liegt dies daran, dass derzeit bei industriellen Systemen koaxiale Zuführkonzepte dominieren. Diese erfordern eine Aufteilung des Pulverstroms in Teilströme mit anschließender technischer Wiedervereinigung im Pulverfokus. Darüber hinaus ist die Handhabung von Pulver generell deutlich komplexer, als die von Draht. Notwendige Reinigungsprozesse sowie die fachgerechte Entsorgung überschüssiger Pulverreste wirken sich ebenfalls nachteilig aus. Neben der geringeren Materialeffizienz gegenüber dem Auftragschweißen mit Draht, stellt beim Pulverauftragschweißen weiterhin das Auftreten von Poren in der aufgetragenen Schicht eine Herausforderung dar. Der Unterschied zum thermischen Beschichten besteht darin, dass bei diesem (im Gegensatz zum Auftragschweißen) das Grundmaterial in der Regel nicht aufgeschmolzen wird. Somit handelt es sich hierbei um eine adhäsive Bindung, die (anders als die kohäsive des Laserauftragschweißens) unterwandert werden kann. Darüber hinaus bieten auftraggeschweißte Schutzschichten aus Duplexstahl einen wesentlich höheren Schutz gegenüber mechanischer Beanspruchung. Eine Ausnahme bei den thermischen Spritzverfahren bildet das Laserspritzen. Hierbei handelt es sich quasi um ein Laserauftragschweißen mit Pulver, da der Laser den Grundwerkstoff mit anschmilzt und es zu einer metallurgischen Verbindung kommt. Dementsprechend gelten hier die vom Pulverauftragschweißen bekannten Eigenschaften. Neben diesen verfahrenstechnischen Vorteilen bietet das entwickelte Verfahren den Vorteil, dass es einen Schweißkopf nutzt, in welchen die Laserstrahlquellen (als Direktdiodenstrahler) bereits integriert sind. Es ist also weder ein separater Stellplatz für die Laserquelle, noch eine Lichtführung über Lichtleitfasern (einschließlich Strahlkopplung) oder Spiegel nötig. Somit wird der Footprint der Anlage deutlich kleiner und der Verzicht auf Faserlaser bedeutet einen Verzicht auf Transportfasern, was in Summe einen ressourcenschonenderen Umgang mit den zur Verfügung stehenden Rohstoffen bedeutet. In Deutschland gibt es derzeit 66 Müllverbrennungsanlagen mit einer Gesamtkapazität von 20,6 Mio t sowie 32 Ersatzbrennstoffkraftwerke mit einer Gesamtkapazität von 5,8 Mio t. Mehr als 70 % der Stillstände in diesen Anlagen werden durch chloridinduzierte Korrosion verursacht. In Verbindung mit durch Rauchgaspartikel ausgelöster Erosion steigt das Korrosionsrisiko weiter. Nicht nur an diesen Anlagen könnte durch das entwickelte Verfahren die Beständigkeit gesteigert werden, auch das Beschichten von Rohren, die in korrosiven Medien verlegt werden sowie (bei entsprechendem Nenndurchmesser) das Innenbeschichten von Rohren, die korrosive Medien führen, sind denkbar. Ein Einsatzbeispiel für solche Rohre sind Entsalzungsanlagen. Ebenfalls denkbar ist der Einsatz im Offshore-Bereich, wo als Trägerelemente dickwandige Strukturen aus Stahl Verwendung finden (z. B. bei Bohrinseln oder Windkraftanlagen). Könnte man hier statt Duplexstahl einen Baustahl einsetzen, der mittels des zu entwickelnden Verfahrens mit einer Schutzschicht aus Duplexstahl versehen wird, so erschlösse sich hierdurch ein erhebliches Kostensenkungspotenzial. Da es sich beim Laserauftragschweißen um ein additives Fertigungsverfahren handelt, ist auch die Erzeugung komplexer dreidimensionaler Strukturen möglich. Der Markt für die additive Fertigung ist momentan von einem sehr hohen Wachstum geprägt und soll, Prognosen zu Folge, im Jahr 2020 über ein Volumen von 22,4 Mrd. $ verfügen.