Laserstrahlauftragschweißen unter dem Einfluss magnetischer und elektrischer Felder

Der Einsatz von Laserstrahlung in der Oberflächentechnik steht derzeit als Synonym für exzellente Oberflächenqualität, geringste thermische Bauteilbeeinflussung, feine Mikrostruktur und minimale Aufmischung beim Beschichten. Zugleich steht diese aber auch für extrem hohe Schichtkosten. Eine umfassende industrielle Nutzung wird nur bei drastischer Steigerung der Prozesseffizienz erfolgen. Ein innovativer Ansatz zur Effizienzsteigerung verfolgt das gezielte Formen des Raupenquerschnitts während des Auftragschweißens. Hierzu ist es erforderlich, das Kräfteverhältnis im Schmelzbad durch eine von außen aufgebrachte Kraftkomponente zu beeinflussen. Elektromagnetische Kräfte erlauben es, durch die Wechselwirkung magnetischer Felder mit elektrischen Strömen das Schmelzbad berührungslos und flexibel zu formen. Als Ursachen für einen elektrischen Strom in der Schmelze kommen die Schmelzbadbewegung im magnetischen Feld, die thermoelektrische Potenzialdifferenz zwischen schmelzflüssigem Zusatz- und festem Substratwerkstoff sowie eine externe Potenzialdifferenz in Betracht. Die Mechanismen werden hinsichtlich Einflussfaktoren, Wirkung, Prozessgrenzen und technologischer Nutzbarkeit untersucht und detailliert dargestellt. Unter industriellen Fertigungsbedingungen treten die drei Mechanismen immer überlagert auf, wobei die Wirkung infolge einer externen Potenzialdifferenz dominiert. Da die elektrische Leitfähigkeit bei metallischen Werkstoffen im Allgemeinen mit steigender Temperatur abnimmt, ist die Stromdichte in der Schmelze niedriger als im festen Grundwerkstoff. Hieraus resultieren für die technische Anwendung erhebliche Prozesseinschränkungen. Diese können nur überwunden werden, wenn es gelingt, eine ausreichende Stromdichte in der Schmelze zu realisieren. Diese Anforderung kann durch Ausnutzen des Skin-Effekts bei Einsatz hochfrequenter Magnetfelder grundsätzlich erfüllt werden, wobei magnetisch bedingte Instabilitäten nach einer außerordentlich komplexen Schmelzbadbeherrschung verlangen. Die erarbeiteten grundlegenden Prozesszusammenhänge belegen das weitreichende technische und ökonomische Potenzial einer elektromagnetischen Schmelzbadformung beim Laserstrahlauftragschweißen, das im Weiteren in die industrielle Anwendung zu überführen ist.