Laser-Walzplattieren erzeugt attraktive Werkstoffpaarungen

Die Forderung nach leichten, kompakten und hochbeanspruchbaren Bauteilen und Aggregaten – zum Beispiel in der Antriebstechnik – führt zu Fertigungskonzepten, die verstärkt die Anwendung moderner Schweißverfahren forcieren. Jedoch sind härtbare Werkstoffe, die sich im Motorenbau bewährt haben und dort auch weiterhin einen festen Platz einnehmen werden, für eine schweißtechnische Verarbeitung weniger geeignet.

Monolithische Halbzeuge erfüllen neue Anforderungen nicht

Derartige, teilweise gegenläufige Werkstoffanforderungen sind daher mit konventionellen monolithischen Halbzeugformen kaum realisierbar. Einen Lösungsansatz bieten Halbzeuge aus einem Werkstoffverbund, beispielsweise eines Vergütungsstahles und eines gut schweißbaren Feinkornbaustahls.

Zur Herstellung eines solchen Werkstoffverbunds wurde am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden, gemeinsam mit der Schweizer MEC Lasertec AG, Leimbach, ein spezielles, auf Schmalband ausgelegtes Laser-Walzplattierverfahren entwickelt. Die wesentlichsten Komponenten der am IWS installierten Laboranlage sind:

-ein hydraulisch betriebener Walzenstock mit einem für die Verarbeitung von 12 mm breitem Schmalband profilierten Walzenpaar,

-zwei 25-kW-Hochfrequenz-Generatoren zum prozessintegrierten Vorwärmen der Bänder,

-ein 6-kW-CO2-Laser, der in den Walzspalt justiert wird, ein Facettenspiegel fokussiert den Laserstrahl zu einer 12 mm breiten Linie,

-Richt- und Führungseinheiten für weichgeglühte Ausgangsbänder

-sowie eine „fliegende“ Schere für das Zuschneiden plattierter Bänder.

Damit die vorgewärmten Bänder nicht oxidieren und eine Oxidbildung während des Walzplattierens verhindert wird, ist die Anlage gekapselt und mit Schutzgas gefüllt.

Vor dem Einlauf in den Walzenstock erfahren die Ausgangsbänder eine durchgreifende induktive Erwärmung auf Temperaturen von etwa 700 °C. Der in den Walzspalt justierte und mit Hilfe einer speziellen Optik linienförmig fokussierte Laserstrahl erhitzt unmittelbar vor dem Verwalzen nur die beiden zu fügenden Innenseiten der Bänder bis knapp unter Schmelztemperatur.

Dadurch lokalisiert sich die Verformung im Walzspalt weitgehend auf die laserstrahlerhitzten Volumina. Das führt schon bei geringen Gesamtumformgraden zu einer für die metallische Bindung ausreichenden Verformung der Fügezone.

Grenzflächenfreier Übergang des Gefüges

Unter dem Einfluss des Walzendrucks und bei Vermeidung des schmelzflüssigen Zustandes bildet sich zwischen beiden Bändern ein gleichmäßiger, fehler- und grenzflächenfreier Gefügeübergang aus. Es entsteht eine durchgehend metallische Bindung, wobei die Körner über die ehemalige Grenzlinie hinweg rekristallisieren. Eine Aufhärtung des Vergütungsstahles wird vermieden.

Das bei Walzgeschwindigkeiten bis 14 m/min plattierte Band, das unmittelbar nach dem Walzspalt kontinuierlich in Stücke geschnitten werden kann, lässt sich im walzplattierten Zustand nahezu beliebig verformen. Somit kann es ohne eine anschließende Wärmebehandlung direkt spanend, umformend oder schweißtechnisch weiterverarbeitet werden.

Laser-Walzplattieren kombiniert mehr Bandwerkstoffe als konventionelles Walzplattieren

Im Vergleich zu konventionellen Walzplattierverfahren erhält man beim Laser-Walzplattierverfahren eine höhere Variabilität bei Kombination unterschiedlich dicker, auf die jeweilige Applikation ausgelegter Bandwerkstoffe. Grund dafür ist die Lokalisierung der Verformung auf die fügezonennahen Bereiche.

Die Wirtschaftlichkeit des Laser-Walzplattierverfahrens wird sehr stark von der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Laser bestimmt. Aufgrund der Kombination mit einer induktiven Vorwärmung der Bänder kann die verfügbare Laserenergie optimal genutzt und die Effektivität dieses Verfahrens wesentlich erhöht werden. Dennoch ist dieses Plattierverfahren vorzugsweise auf die Verarbeitung von zumindest einem Walzpartner als Schmalband ausgelegt.

Fertigung von Nocken aus Verbundhalbzeug

Die damit hergestellten Halbzeuge aus dem Verbund härtbarer Stahl und preiswerter oder schweißbarer Trägerwerkstoff sind für die Fertigung von Teilen der Antriebstechnik geeignet. Aus diesem Verbundhalbzeugen können auch Zahnstangen hergestellt, Zahnräder gebaut, Spindeln und Werkzeuge wie Bohrer und Sägebänder gefertigt werden. Außerdem ermöglicht das Laser-Walzplattierverfahren die Herstellung von Verbundhalbzeugen aus nicht oder schwer schweißbaren NE-Werkstoffkombinationen, zum Beispiel aus Titan-Aluminium, Nickel-Titan und Nickel-Aluminium.

Darüber hinaus ist es denkbar, dass mit diesem Verfahrensprinzip Plattierungen direkt auf der Bauteiloberfläche vorgenommen werden könnten. Dadurch ließen sich unter anderem Anwendungspotenziale bei der Fertigung von Führungsbahnen, Verschleißleisten und profilierten Walzen erschließen.

Dipl.-Ing. Volker Fux ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Füge- und Randschichttechnologien des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden. Prof. Dr. Berndt Brenner leitet die Abteilung am Institut. Karl Merz ist Geschäftsführer der MEC Laser AG, Leimbach/Schweiz.