Technologie

Laserauftragschweißen plus optische Kohärenztomografie

24.02.2022 - Kombination führt zur Verbesserung der Prozessstabilität.

Prozessstabilität und -kontrolle sind beim Laser­auftrag­schweißen von großer Bedeutung: Auf Störungen und Abweichungen muss sofort reagiert werden, um Prozess­abbrüche zu verhindern. Hier sind maschinen­integrierte Überwachungs­systeme gefragt, die die Prozesse an Ort und Stelle prüfen und Korrekturen veranlassen können. Das Fraunhofer-Institut für Produktions­technologie in Aachen hat mit Partnern aus Industrie und Forschung das bildgebende Verfahren der optischen Kohärenz­tomografie, kurz OCT, in einen koaxialen Prozess zum Laserauftrag­schweißen von Draht integriert. Die OCT kann den Schweiß­vorgang nicht nur aufzeichnen, sondern die Qualität im laufenden Prozess kontrol­lieren und so Ausschuss reduzieren.

Das Laserauftrag­schweißen von Draht – Wire-based Laser Metal Deposition, kurz: LMD-w – soll in Zukunft als voll­wertiges 3D-Druck­verfahren genutzt werden. Das LMD-w ist ein additives Fertigungs­verfahren, bei dem ein Metall­draht als Zusatz­werkstoff mithilfe eines Lasers in Schweißraupen auf einem Werkstück aufge­schweißt wird. Mehrere dieser Schweißraupen neben­ein­ander ergeben eine Schicht, mehrere Schichten aufein­ander ein Bauteil. Da beim LMD-w nur dort Werkstoff aufgetragen wird, wo er gebraucht wird, zählt es zu den ressourcen­schonenden Verfahren. Die aufwendige Prozess­entwicklung und die geringe Prozess­stabilität verhinderten jedoch bisher einen breiteren industriellen Einsatz, der über spezielle Reparatur­verfahren oder das Aufbringen von Verschleiß­schutz­schichten hinausgeht.

Im Projekt „TopCladd – Adaptive Laser Cladding for Precise Metal Coating Based on Inline Topography Charac­te­ri­zation“ haben die Forschungs­partner erstmals ein koaxiales LMD-w-System mit einem OCT-System versehen, um den Laserprozess zu stabilisieren und aktiv zu regeln. Die OCT, die ihren Ursprung in der Augen­heil­kunde findet, ist ein Messver­fahren zur berührungs­losen und hoch­auf­ge­lösten Darstellung tomo­graphischer Schnitt­bilder, das auf kurz­kohärenter Inter­fero­metrie basiert. In Kombination mit einer hohen Messfrequenz kann anhand der OCT die Ober­flächen­qualität der Auftrags­schweißnaht direkt im Prozess geprüft und verbessert werden.

Die Qualität beim Laser­auftrag­schweißen hängt vor allem von der Oberfläche der Schweißnaht ab: je welliger, desto geringer die Bauteil­qualität. Um den Prozess des Laser­auftrag­schweißens stabiler zu machen und eine qualitativ hochwertige Schweißnaht zu fertigen, müssen die Prozess­schritte einzeln aufgenommen werden. Qualitativ mangelhafte Schweißnähte können dann nachträglich ausgebessert und der Schweiß­prozess für zukünftige Fertigungen angepasst werden. Die OCT ist in der Lage, die Oberfläche der Schweißnaht im Phasen­übergang von fest zu flüssig zu überprüfen und damit die Ausprägung der finalen Schweiß­raupen­geometrie zu bestimmen. Anhand der gewonnenen Daten lässt sich der Laser­prozess gegebenen­falls in der benach­barten oder darüber­liegenden Schweißraupe anpassen.

Um die Vorteile der OCT für den Prozess des Laser­schweißens zu nutzen, integrierten die Forscher das OCT-System koaxial in den Bearbeitungs­kopf des Lasers. Der Laser zur Bearbeitung und das OCT-System nutzen dabei eine gemeinsame Optik, inter­ferieren aber aufgrund ihrer unter­schied­lichen Wellenlängen nicht. Die Koaxialität des Bearbeitungs- und Messlichts wird durch die Verwendung eines Axikons, einer kegel­förmigen Linse, sowie einiger prismen­förmiger Optiken gewährleistet. Dieses optische Design ermöglicht es, dass der Messlaser die aufgetragene Schweißnaht um den zentral verlaufenden Metalldraht herum kreisförmig abtasten kann. So gelingt eine multi­direktionale Messung, unabhängig von der Bewegungs­richtung des Schweißkopfs. Auf diese Weise kann das gesamte Werkstück vermessen werden, ohne dass der Draht das Messlicht blockiert.

Die Integration der OCT in den Prozess des Laser­auftrag­schweißens erlaubt es, die Ober­flächen­struktur der gesamten Schmelzspur genau abzubilden. Anhand der Prozess­daten, die im Projekt gesammelt wurden, entwickeln die Forscher ein Prozess­modell für eine datengestützte Prozess­anpassung und -regelung. Die Laser­prozesse werden dadurch robuster, sodass sich eine Vielzahl neuer Anwendungs­felder erschließen lässt. »Mit der OCT können wir beim Laser­auftrag­schweißen in Zukunft nicht nur ein bis zwei Ebenen über­ein­ander aufbringen, sondern beliebig viele Schichten. „Auf diese Weise wird das LMD-w zu einem voll­wertigen und nach­haltigen additiven Herstellungs­verfahren aufge­wertet“, sagt Robin Day, Leiter der Abteilung Energetische Strahl­ver­fahren am Fraunhofer-IPT.

Fh.-IPT

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