Laserstrahlbeschichten und Simulation der Temperatur- und Eigenspannungssituation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Laserauftragschweißen ist ein etabliertes nachhaltiges und wertschöpfendes Verfahren. Bisher profitieren jedoch ausschließlich statisch belastete Bauteile von diesem, da der Einfluss des Verfahrens auf Bauteileigenschaften unter zyklischer Last weitgehend unerforscht war. Anhand des Beschichtens legierter Stähle mit einer in der Praxis häufig verwendeten Kobaltbasislegierung konnte im Vorhaben gezeigt werden, dass Eigenspannungen einen maßgeblichen Einfluss auf resultierende Schwingfestigkeiten haben. Diese können weder durch Prozessparameter noch durch thermische Nachbehandlung so verändert werden, dass die Schwingfestigkeit signifikant beeinflusst wird. Entweder ist die Wahl der Werkstoffkombination so zu treffen, dass die thermische Dehnung des Substrats größer ist als die der Beschichtung, oder mechanische Nachbearbeitung, z.B. Festwalzen ist anzuwenden. Zugeigenspannungen im Übergang Beschichtung-Grundwerkstoff sind zu vermeiden, da hier eine hohe Versagensanfälligkeit vorliegt. In den betrachteten Werkstoffkombinationen konnte durch Einstellen einer günstigen Eigenspannungssituation mindestens die Schwingfestigkeit erzielt werden, die der Beschichtungswerkstoff in Gussform bietet. Darüber hinaus wurde die Dauerfestigkeit des Stahls X5CrNi18-10 nach dem Laserauftragschweißen mit Stellite 21 in Folge von Druckeigenspannungen am Werkstoffübergang um bis zu 7% übertroffen. Die Dauerfestigkeit des Stahls 42CrMo4 fiel nach dem Auftragschweißen von 560 MPa auf 162 MPa um 71% in Folge hoher Zugeigenspannungen am Werkstoffübergang in Lastrichtung. Mittels Nachbearbeitung durch Festwalzen wurde die Dauerfestigkeit auf 365 MPa gesteigert, was einer Steigerung gegenüber dem beschichteten Zustand ohne Nachbehandlung von 225% entspricht, wenngleich auch festzustellen ist, dass es einem Abfall von 35% gegenüber dem für den Grundwerkstoff gemessenem Wert entspricht. In Kombination mit Erkenntnissen im Stand der Technik kann der Einfluss der mittleren Rautiefe auf die Dauerfestigkeit als schwach eingeordnet werden. Er ist in den hier jeweils betrachteten Variationsbereichen deutlich schwächer als der Einfluss der Eigenspannungen. Im Rahmen des Vorhabens wurden erstmals Temperaturfeldmessungen mit ortsaufgelöster Emissivitätskompensation durchgeführt, die zur Auswertung des Wärmeeintrags genutzt wurden. Eine quantitative Gegenüberstellung der experimentell gemessenen und mittels FE-Methode errechneten Oberflächentemperaturverteilung wurde somit ermöglicht. Generell wurde eine qualitative Übereinstimmung festgestellt, wobei insbesondere im für Phasenumwandlungen und sich aufbauende Eigenspannungen wichtigen erstarrten Festkörper geringe Abweichungen zwischen Simulation und Experiment ermittelt wurden. Im aufgebauten Vorhersagemodell der Temperaturfeld- und Eigenspannungssituation konnte trotz Berücksichtigung genauer Kenntnisse des prozessinduzierten Wärmeeintrags sowie der vom Partner IWT ermittelten Werkstoffeigenschaften keine quantitative Vorhersage resultierender Eigenspannungen erzielt werden. Der Vergleich experimentell ermittelter und berechneter Eigenspannungen zeigte auf, dass die Vorhersage für eine qualitative Abschätzung der generell aus dem Beschichten resultierenden Eigenspannungssituation genutzt werden kann. Die identifizierten Abweichungen werden auf eine eingeschränkte Gültigkeit bisheriger Umwandlungsmodelle im Fall mehrfacher Wärmeeinträge zurückgeführt. Der Erkenntnisgewinn stellt einen wichtigen Beitrag und Ansatzpunkt dar, um die Güte zukünftiger Vorhersagemodelle des Laserauftragschweißens sowie konzeptionell ähnlicher, iterativer thermischer Prozesse wie das selektive Laserschmelzen zu erhöhen. Mindestens für Bauteilgeometrien und Werkstoffe, die im Vorhaben untersucht wurden, können die experimentell erarbeiteten Erkenntnisse zielführend angewendet werden. Im Rahmen anknüpfender Forschungsaktivität wird im Vorhaben ein Erkenntnistransfer von Bearbeitungsstrategien auf Realbauteile größerer Geometrie angestrebt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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An approach to calculate fatigue properties of laser cladded components. Production Engineering Research and Development 6 (2012), Springer-Verlag, pp. 137-148
Koehler, H.; Schumacher, J.; Schuischel, K.; Partes, K.; Bomas, H.; Jablonski, F.; Vollertsen, F.; Kienzler, R.
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Residual stresses in steel specimens induced by laser cladding and their effect on fatigue strength, 7th International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering (LANE 2012), Physics Procedia 39, Elsevier B.V. Amsterdam (2012), pp. 354-361
Köhler, H.; Partes, K.; Rebelo Kornmeier, J.; Vollertsen, F.
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A Novel Thermal Sensor applied for Laser Materials Processing, Lasers in Manufacturing (LIM 2013). Physics Procedia 41, eds.: C. Emmelmann, M.F. Zaeh, T. Graf, M. Schmidt., Elsevier Amsterdam (2013), pp. 495-501
Köhler, H.; Jayaraman, V.; Brosch, D.; Hutter, F. X.; Seefeld, T.
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Dauerfestigkeit nach dem Laserstrahlbeschichten - Rekonditionierung hoch belasteter Bauteile am Beispiel großer Kurbelwellen, Lasertechnikjournal, März 2013, Nr. 2, S. 36-39
Köhler, H.; Seefeld, T.; Vollertsen, F.
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Contact-less temperature measurement and control with applications to laser cladding, Doc.IV-1181-14, Doc.IV-1191-14, 212-1340-14, IIW Annual Assembly, Com. IV, Seoul (2014) pp. 1-12
Köhler, H.; Thomy, C.; Vollertsen, F.
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Einflussfaktoren auf die Wechselfestigkeit laserstrahlbeschichteter Proben. HTM Journal of Heat Treatment and Materials, Vol. 69, No. 5, pp. 282-294
Schumacher, J.; Köhler, H.; Clausen, B.; Zoch, H.-W.
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Kontaktlose Temperaturmessung und -regelung in der Lasermaterialbearbeitung, BLZ Workshop „Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung“, Nürnberg, 05.06.2014
Köhler, H.; Vollertsen, F.
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On the influence of laser cladding and post-processing strategies on residual stresses in steel specimens, 8th International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering (LANE 2014), Physics Procedia 56, Elsevier B.V. Amsterdam (2014), pp. 250-261
Köhler, H.; Rajput, R.; Khazan, P.; Rebelo Kornmeier, J.
