Das Laserzentrum Leoben entwickelte für einen renommierten Anwender aus der Ölfeldtechnik einen seriensicheren Produktionsprozess zum Laserauftragsschweißen einer Mehrschichtpanzerung an Bohrstrangkomponenten. Mit dem sogenannten Direct Metal Deposition-Verfahren wird schichtweise Metall auf die Bohrer aufgebracht, ohne das Grundmaterial durch übermäßigen Wärmeeintrag zu schädigen.

Wesentliche Gründe, die für den Laser sprechen, sind die sehr geringe Wärmeeinbringung, wodurch der Verzug, die Eigenspannungen und die thermische Schädigung des Grundmaterials minimal sind.

Wesentliche Gründe, die für den Laser sprechen, sind die sehr geringe Wärmeeinbringung,...

In der heutigen modernen Richtbohrtechnik wird der Bohrstrang durch Steuerung des Bohrkopfes auch um Kurven an das Ölfeld herangeführt. In der Bohrstrangkomponente unmittelbar hinter dem Bohrkopf und dem Antriebsmotor befindet sich die Sensorik für die Navigation und die Erfassung wichtiger physikalischer und geologischer Daten, sodass der Leitstand jederzeit über die Lage des Bohrkopfs und über die geologischen Gegebenheiten informiert ist. Für die Funktion der Messsysteme ist es wichtig, dass keine Abschirmung des Erdmagnetfeldes stattfindet. Aus diesem Grund können für die betreffenden Bohrstrangkomponenten nur nichtmagnetisierbare Stähle mit geringster relativer Permeabilität eingesetzt werden. Die Stähle, die diese Vorgabe erfüllen sind hochlegierte austenitische Chrom-Mangan Stähle, die zusätzlich über eine hohe Korrosionsbeständigkeit und hohe Zähigkeit verfügen. Allerdings ist ihre Verschleißbeständigkeit gering, wodurch es durch die äußerst hohe abrasive Beanspruchung im Bohrloch sehr rasch zu einem unzulässig hohen Verschleiß an der Bohrstrangkomponente kommen würde.

Bis vor wenigen Jahren wurde der Verschleißschutz durch Auflöten von Hartmetallplättchen realisiert. Die Nachteile dieses Verfahrens sind die hohe Wärmeeinbringung, die nicht mögliche Automatisierbarkeit und die hohe Nacharbeit. Die hohe Wärmeeinbringung führt sehr häufig zu Abplatzungen an der Panzerung, während und nach der Bearbeitung. Die Unzulänglichkeit dieses Verfahrens und die immer komplexere Gestaltung der Oberflächengeometrie war schlussendlich für einen renommierten Anwender aus der Ölfeldtechnik der Auslöser, um mit dem Laserzentrum Leoben einen seriensicheren Produktionsprozess zum Laserauftragsschweißen einer Mehrschichtpanzerung an Bohrstrangkomponenten zu entwickeln.

Kompletter Prozess

Die bis zur Serienreife notwendigen Entwicklungsschritte des Laserzentrum Leoben umfassten die Entwicklung der Prozesstechnik unter Einbeziehung der metallurgischen Abläufe, die Erprobung der Robustheit und der Langzeitstabilität des Prozesses an geometrisch einfachen Bohrstrangkomponenten sowie eine einjährige Erprobungs- und Optimierungsphase an Bohrstrangkomponenten mit komplexen Oberflächenstrukturen. In dieser dritten Phase lag der Schwerpunkt in der Erprobung unterschiedlicher Aufschweißstrategien und der Lösung der CAD/CAM/CNC-Problematik. Basierend auf den Erfahrungen dieser mehrjährigen Entwicklungsarbeit konnte der Anwender in eine für seine Ansprüche maßgeschneiderte und optimierte Auftragsschweißanlage TruLaser Cell 7000 von Trumpf investieren.

Technologie Auftragsschweißen

Warum Laser und nicht ein anderes Auftragsschweißverfahren? Wesentliche Gründe, die für den Laser sprechen, sind die sehr geringe Wärmeeinbringung, wodurch der Verzug, die Eigenspannungen und die thermische Schädigung des Grundmaterials minimal sind. Weiters die hohe Prozessstabilität, die gute Automatisierbarkeit, das Aufschweißen feiner, komplexer Strukturen und die geringe Nacharbeit.

Für den Verschleißschutz wird ein Werkstoffsystem bestehend aus einer selbstfließenden Nickelbasislegierung NiCrBSi und sphärischen Wolframkarbiden WC/W²C mit einer Partikelgröße von 50 bis 120 μm eingesetzt. Der Aufschweißprozess wird so gesteuert, dass nur die Nickelbasislegierung vollständig aufgeschmolzen wird. Die sphärischen Wolframkarbidpartikel bleiben fast zur Gänze in ihrer festen ursprünglichen Form erhalten. Aufgrund dieser verfahrenstechnischen Besonderheit wird der Prozess in der Literatur auch oft als Lasersprühprozess bezeichnet. Als Strahlquelle verwendet man am Laserzentrum einen 2 kW cw Nd:YAG-Laser, der im Vergleich zum CO²-Laser durch sein besseres Einkoppelverhalten einige Vorteile aufweist. Die Zuführung der pulverförmigen Komponenten erfolgt getrennt, wodurch unterschiedliche Mischungsverhältnisse bzw. Gehalte an Wolframkarbiden in der Nickelbasismatrix eingestellt werden können. Das Einbringen in das Schmelzbad erfolgt über eine Koaxialdüse, die den Prozess richtungsunabhängig macht, was besonders bei geometrisch aufwändigen Oberflächenstrukturen notwendig ist.

Hohe Prozessstabilität

Der gesamte Verschleißschutz ist mehrlagig aufgebaut, wodurch eine Gradierung der Eigenschaften möglich ist. Zur Verbesserung der Haftung am Grundmaterial und zur Vermeidung von Abplatzungen wird als erste Lage ein so genannter Puffer aus einer weichen hoch korrosionsbeständigen Nickelbasislegierung aufgeschweißt. Darüber können dann theoretisch beliebig viele, in der Praxis sind es üblicherweise bis zu drei Verschleißschichten, aufgeschweißt werden. Die Aufteilung der Beschichtung in mehrere Lagen sowie die hohe Prozessstabilität ermöglichen auch bei großen Gesamtschichtdicken von 4 bis 5 mm die Einhaltung enger Maßtoleranzen von ± 0,2 mm. Die Welligkeit der Oberfläche ist insgesamt sehr gering, wodurch ein Schleifen der Oberfläche nicht erforderlich ist.

Die hohe Verschleißbeständigkeit gegen abrasiven Verschleiß wird durch die hohe Härte der Wolframkarbidpartikel von ca. 2500 HV in Kombination mit der sehr guten Einbindung in die vergleichsweise weiche Nickelmatrix (300 bis 600 HV) erzielt. An der Grenzfläche von Wolframkarbid und Nickelbasislegierung entsteht eine Übergangszone, die umso breiter ist, je mehr vom Wolframkarbid in Lösung geht. Durch diese Verbindungszone ist das Wolframkarbid sehr gut in der Nickelmatrix verankert. Die gute Steuerbarkeit des Lasers ermöglicht eine sehr genaue und stabile Einstellung der Leistungsdichte und der Streckenenergie, womit der Auflösungsgrad der Wolframkarbidpartikel eingestellt werden kann. Das in der Nickelmatrix in Lösung gebrachte Wolframkarbid scheidet sich bei der Erstarrung in Verbindung mit anderen Legierungselementen als Mischkarbid aus der Nickelmatrix aus. Die Menge an feinen Mischkarbiden in der Matrix erhöht die Verschleißbeständigkeit der Nickelbasismatrix, die Zähigkeit wird dadurch reduziert. Wie weit sich dies bei abrasiver Beanspruchung positiv oder negativ auf das Verhalten des Verschleißschutzes auswirkt hängt neben anderen Faktoren wesentlich von der Beanspruchung durch den jeweiligen Verschleißpartner ab.