Lasercladden

Lasercladden

Lasercladden wordt toegepast om de oppervlakte-eigenschappen van metalen en machineonderdelen plaatselijk te verbeteren. Met name gaat het daarbij om verhoging van de slijtvastheid en de weerstand tegen corrosie. De laser fungeert als warmtebron om het cladmateriaal op het basismateriaal te lassen. Door het lokaal smelten van het oppervlak ontstaat een metallische verbinding tussen cladlaag en dragermateriaal. De aangebrachte deklaag mengt niet met het basismateriaal. De eigenschappen van het gecladde oppervlak, hangen dan enkel af van het toevoermateriaal. Een geringe opmenging (van enkele procenten) van de cladlaag met het basismateriaal, wordt vaak toegelaten om een goede metallische verbinding tussen het basismateriaal en de deklaag te realiseren.

 

Verschillende poeders

Voor het verbeteren van de slijtageweerstand van staal in een aggressieve omgeving tot 200°C, wordt gebruik gemaakt van poeder met een hoog cobalt (Co) gehalte. Poeders met een hoog nikkelgehalte worden als cladmateriaal gebruikt voor lagen die naast een aggressieve omgeving ook te maken krijgen met een hoge temperatuur (bijvoorbeeld bladen in gasturbines). Poeders op basis van ijzer, chroom en koolstof worden gebruikt voor het verbeteren van de oxidatie- en corrosieweerstand van staal. Producten van nikkel legeringen worden voorzien van een cladlaag van cobaltlegeringen, chroom-oxides, of zirkonium-oxides om de slijtageweerstand te verbeteren. De slijtageweerstand van aluminium- en titaanlegeringen worden verbetered cdoor het aanbrengen van cladlagen op basis van nikkel. Een zorgvuldige materiaalkeuze is in alle gevallen noodzakelijk om scheurvrije cladlagen te realiseren, i.v.m. de grote temperatuursgradiënten en verschillen in uitzettingscoëfficiënten en hardheid van clad- en basismateriaal.
Het cladmateriaal wordt doorgaans als een poeder opgebracht, maar dat zou ook kunnen in de vorm van een pasta of op galvanische wijze. Het aanbrengen van poeder kan op twee manieren. Het is mogelijk het oppervlak eerst te bedekken met een poeder, waarna de laser het oplassen verzorgt. Betere resultaten worden behaald door gelijktijdig met de laserstraal het poeder naar het oppervlak te brengen.

 

Cladparameters

Voor het aanbrengen van een cladlaag van 3mm breed en 1 mm dik is een laservermogen tot ongeveer 3 kW nodig. De bewerkingssnelheden zijn afhankelijk van het laservermogen en de gewenste afmetingen van cladlaag en liggen in de grootte orde van 10 mm/s. De belangrijkste parameters die de geometrie van de cladlaag bepalen zijn het laservermogen, de postdiameter, de bundelsnelheid, het debiet van het cladpoeder alsmede de hoek en plaats van injectie van het poeder in het smeltbad. Grote oppervlakken kunnen van een cladlaag worden voorzien door overlappende sporen te maken. Dikkere lagen worden verkregen door cladlagen op elkaar aan te brengen. Onderstaand plaatje toont het lasercladden van een uitlaatklep van een dieselmotor met een CO2 laser. De kleprand is bij hoge temperaturen aan stootslijtage onderhevig. De met de laser aangebracht cladlaag op basis van cobalt verlengt de standtijd van de klep met een factor 3. Lasercladden wordt zowel gebruikt op nieuwe producten als op producten die gerepareerd worden.

Lasercladden van een uitlaatklep van een dieselmotor met een CO2 laser.
Bron: Demar laser

 

Hardheidsverloop in de klep als functie van de afstand tot bovenkant cladlaag.

Bovenstaande afbeelding geeft het hardheidsverloop als functie van de afstand tot de bovenkant van de cladlaag bij de uitlaagklep aan.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers, Universiteit Twente

Voordelen

De voordelen van laser-cladden t.o.v. conventionele technieken (bijvoorbeeld plasma spuiten):

  • Perfecte metallische hechting tussen cladlaag en basismateriaal
  • Cladlaag vertoont geen porositeiten
  • Claddikte is goed controleerbaar
  • Weinig opsmelting waardoor er nauwelijks menging is in de cladlaag
  • Ook moeilijk bereikbare plaatsen (bijv. binnenzijde van een buis) zijn van een cladlaag te voorzien

Kenmerken van het lasercladproces

  • Beperkte warmte-inbreng
  • Een kleine warmte-beïnvloede zone
  • Hele lage lasverdunning
  • Minimale vervorming
  • Fijne microstructuur
  • Hogere hardheid
  • Laagdikte: 0,1 mm tot meerdere millimeters
  • Glad clad-oppervlak
  • Weinig nabewerking noodzakelijk
  • Hoge reproduceerbaarheid
  • Hoge poederefficiëntie