Auftragschweißen

20.07.2018

Unter dem Begriff Auftragschweißen (engl. Cladding) wird im Allgemeinen das Beschichten von metallischen Werkstücken mittels schweißtechnischer Verfahren verstanden. Als klassisches Nachbearbeitungsverfahren dient es zur Wirtschaftlichkeitssteigerung bereits bearbeiteter Materialien. Die Haupteinsatzgebiete des Verfahrens liegen überall dort, wo die Materialbelastung und Verschleiß besonders hoch sind: z.B. Schiffbau, Kraftwerkbau, Tiefbau, Bergbau.

Hierfür wird das Auftragschweißen neben der Instandsetzung verschlissener Oberflächen vor allem zum Schweißpanzern gegen abrasiven Verschleiß und zum Schweißplattieren gegen Korrosionsangriff von Bauteiloberflächen eingesetzt. Ferner können mit dem Verfahren Pufferlagen aufgetragen werden, damit im Nachgang artfremde Auftragsschichten auf den Grundwerkstoff aufgebracht werden können. 

Das Verfahrensprinzip beruht auf der gleichzeitigen Aufschmelzung des aufzutragenden Schichtmaterials und des oberen Werkstückbereiches. Dadurch kommt es zu einer Vermischung beider Materialien und zum Einbrennen des Schweißzusatzes in den Grundwerkstoff. Mit dem Auftragsschweißen lassen sich Schichten zwischen 0,1 mm bis 10 mm und mehr pro Schweißlage herstellen. Grundsätzlich zeigen die so hergestellten Schichten infolge des schmelzmetallurgisch erzeugten Stoffverbundes eine geringe Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie, gute Haftfestigkeit zum Grundwerkstoff sowie eine gute Wärmeleitung von Schicht zu Substrat. Durch das Aufschmelzen der Bauteiloberfläche und deren Aufmischung mit dem Schichtwerkstoff unterscheidet sich das Auftragsschweißen von den thermischen Spritzverfahren, bei denen die Bauteiloberfläche im Allgemeinen nicht wesentlich erwärmt wird.

Die Qualität und Funktionseigenschaften erzeugter Schichten sind stark von der Aufmischung, d.h. vom Verhältnis des aufgeschmolzenen Volumens des Substratwerkstoffes zum aufgeschmolzenen Gesamtvolumen der Auftragschicht abhängig. Grundsätzlich ist die Aufmischung wie auch das Abmischen einzelner Legierungselemente möglichst gering zu halten, damit eine ausreichende Bindung zwischen Beschichtung und Substratwerkstoff gewährleistet ist. Entsprechende Maßnahmen zur Vermeidung der Aufmischung und des Abmischens sind z.B. die Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit bei vermindertem Energieeintrag, das Schweißen in Stichraupen oder die Verwendung von (z.B. überlegierten) Schweißzusätzen mit kleinen Querschnitten. Die Güte einer erzeugten Schicht lässt sich mittels eines metallographischen Querschliffes planimetrisch oder über das Verhältnis der chemischen Analyse des Schweißzusatzes, des Substratwerkstoffes und des Schweißguts überprüfen. Die Schichtmaterialien bestehen aus Legierungen oder Verbundwerkstoffen und können je nach Verfahren in Form von Stäben, (Füll-) Drähten, Pulvern, Pasten oder Bändern verarbeitet werden.

Die thermischen Auftragschweißverfahren lassen sich abhängig von der verwendeten Energiequelle (z.B. Flamme, Lichtbogen, Plasma oder Elektrowärme) einteilen. Die wichtigsten Arten sind:

• Flammen-Auftragschweißen – Mittels eines Gasbrenners wird bei neutral bis leicht reduzierend eingestellter Flamme die zu beschichtende Oberfläche angeschmolzen und gleichzeitig das aufzubringende Material von einem Stab abgeschmolzen. Alternativ kann das Schichtmaterial auch als Pulver in die Flamme injiziert werden.
• Lichtbogen-Auftragschweißen – Mit Hilfe eines Lichtbogens, der zwischen einer nicht abbrennbaren Elektrode und dem Werkstück aufrechterhalten wird, schmilzt das Schichtmaterial kontinuierlich ab, welches z.B. als Draht oder Stab zugeführt wird. Bei den auf einem Lichtbogen basierenden Auftragsschweißverfahren brennt der Lichtbogen unter einer Inertgasglocke (Wolfram-Inertgas, Metall-Inertgas) oder einer Gasglocke mit reaktionsfähigem Gas (Metall-Aktivgas). Beim Unterpulver (UP)-Auftragschweißen wird das Schichtmaterial in Form von Pulver auf das Werkstück gegeben und eine vom Pulver bedeckte Drahtelektrode abgeschmolzen. Das Pulver schirmt hierbei den Lichtbogen und das Schmelzbad gegen die Atmosphäre ab.
• Elektroschlacke (ES)-Auftragschweißen – Zu Prozessbeginn wird zwischen der Abschmelzelektrode und der mit Pulver bedeckten Werkstückoberfläche ein Lichtbogen gezündet. Das Pulver wird dabei durch die Stromwärme erhitzt und wandelt sich in ein elektrisch leitendes Schlackebad um. Ist anschließend die elektrische Leitfähigkeit kleiner als die des Schlackebades, erlischt der Lichtbogen und die Stromwärme reicht für die fortschreitende Elektrodenabschmelzung aus.
• Plasma-Auftragschweißen – In einen durch einen Plasmabrenner gezündeten Lichtbogen wird das Schichtmaterial entweder durch ein Transportgas in den Plasmastrahl injiziert oder eine Stab- bzw. Drahtelektrode dem Plasma zugeführt. Die letzteren zwei Fälle werden mittels einer Inertgas-Schutzglocke gegen die Atmosphäre geschützt.