Higher deposition rates in laser hot wire cladding (LHWC) by beam oscillation and thermal control

Abstract

Laser hot wire cladding (LHWC) provides high deposition rates in laser- based melting processes by the assistance of an electrical preheating of the wire-shaped filler material. The higher deposition rates are enabled in most cases at the expenses of the quality compared to other cladding processes like powderbased laser metal deposition.

The present study demonstrates LHWC with high deposition rate and high quality. Therefore beam-oscillation strategies with an appropriate energy deposition are investigated and the power density is adjusted. Dilution is decreased to values of about 3 % to 15 % for deposition rates of more than 2 kg/h up to 5 kg/h with less than 4 kW laser power. Furthermore a novel spatial resolved and emissivity compensated temperature measurement system observes the process zone. The in-situ measured melt pool geometry is used to identify variations of the process conditions. The thermal conditions were kept constant by closed loop control adjusting the laser power to generate layers with constant quality. The improvement is demonstrated by a lower standard deviation in weld bead geometry. The transferability of cladding results is proven by solid and cored filler wire materials like 316L, Inconel 625 or Stellite 6 and different wire diameter. High deposition rates of more than 2 kg/h are achieved for all materials.

Abstract

Das Laser-Heißdrahtbeschichten (LHWC) bietet hohe Abschmelzleistungen durch die Kombination der Laserleistung mit einer elektrischen Vorwärmung des drahtfömigen Zusatzwerkstoffes. In den meisten Fällen ist die Qualität solcher Schichten mit hoher Abschmelzleistung geringer im Vergleich zu pulverbasierten Verfahren.

Im vorliegenden Paper wird das LHWC mit hoher Abschmelzleistung und hoher Qualität vorgestellt. Um diese Ziele zu erreichen, muss die zur Verfügung stehende Energie optimal in der Prozesszone verteilen werden, was mittels Strahloszillation gelingt. Dadurch ist die Reduktion des Aufmischungsgrad auf 3 % bis 15 % möglich, während die Abschmelzleistung auf 2 kg/h für eine Laserleistung von 1 kW und für 4 kW sogar auf bis zu 5 kg/h erhöht werden kann. Des weiteren wird eine neuartige 2-Kanal-Pyrometer-Kamera zur Beobachtung der Prozesszone genutzt. Dies ermöglicht die emissionsgradkompensierte Messung der Schmelzbadgeometrie anhand derer der Prozesszustand beurteilt werden kann. Mit einer auf diesem Prinzip aufbauenden Regelung der Laserleistung können die thermischen Bedingungen während des Prozesses konstant gehalten werden und Schichten mit gleichmäßiger Qualität erzeugt werden. Die Verbesserung zeigt sich durch eine geringe Standardabweichung der gemessenen Werte. Anschließend wurde das Prozessprinzip auf weitere Werkstoffe, wie 316l, Inconnel625 oder Stellite 6, und unterschiedliche Drahtdurchmesser übertragen. Auch hier konnten Abschmelzleistungen von mehr als 2 kg/h erreicht werden.