Ein Hochleistungs-Diodenlaser bietet beim Laserauftragschweißen eine höhere Arbeitskapazität, eine hervorragende Gesamtqualität der Beschichtung, sehr geringe Verdünnungsraten, eine geringere Wärmeaufnahme, minimale Verformungen der Bauteile und eine bessere Kontrolle über den Auftragsprozess als die meisten herkömmlichen Technologien.
Das Aufschweißen und das Aufplattieren sind weit verbreitete Verfahren zur Verbesserung der Oberflächen- und Materialeigenschaften von Bauteilen oder zur Wiederherstellung der Oberfläche von Teilen, die durch den Gebrauch abgenutzt sind. Beim Plattieren wird eine neue Oberflächenschicht auf dem Grundwerkstoff aufgebracht. Damit unterscheidet es sich von der Oberflächenhärtung, bei der lediglich die Eigenschaften des Grundwerkstoffs selbst in einer dünnen Oberflächenschicht verändert werden.
Derzeit gibt es eine relativ große Anzahl verschiedener Techniken zur Durchführung der Beschichtung, von denen jede ihre spezifischen Eigenschaften hinsichtlich der verwendeten Materialien, der Qualität der aufgebrachten Schicht und verschiedener praktischer Aspekte wie Durchsatzgeschwindigkeit, Prozesskompatibilität und Kosten aufweist. Wir möchten Ihnen zeigen, wie das Plattieren mit einem Hochleistungs-Diodenlaser eine bessere Prozessdurchlässigkeit, eine hervorragende Gesamtqualität der Plattierung, sehr geringe Verdünnungsgrade, geringere Wärmeeinbringung, minimale Verformung der Bauteile und eine bessere Kontrolle über den Auftrag der Beschichtung bieten als die meisten herkömmlichen Technologien.
Herkömmliche Plattierungs- und Schweißverfahren
Die meisten herkömmlichen Plattierungstechnologien lassen sich allgemein als Lichtbogenschweiß- oder Thermospritzverfahren klassifizieren. Jeder dieser Ansätze hat seine Vor- und Nachteile, weshalb es bestimmte Anwendungsbereiche gibt, für die jeweils einer davon am besten geeignet ist. Es gibt eine Reihe verschiedener Lichtbogenschweißtechniken, beispielsweise das Wolfram-Inertgas-Schweißen (GTAW), das Plasma-Übertragungsschweißen (PTA), Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), Unterpulverschweißen (SAW) und einige weitere. Bei all diesen Verfahren entsteht ein Lichtbogen, der die Oberfläche des Grundwerkstoffs schmilzt, in der Regel unter Schutzgas. Das Zusatzmaterial wird dann entweder in Form von Draht oder Pulver zugeführt und ebenfalls durch den Lichtbogen geschmolzen, wodurch eine Zusatzschicht entsteht. Die verschiedenen Ausführungsformen dieses Grundverfahrens unterscheiden sich in Details wie der Verwendung von Füllmetall als Elektrode, dem Einsatz von Flussmittel oder der Möglichkeit, heißen (vorgewärmten) oder kalten Fülldraht zu verwenden. Ganz allgemein lässt sich sagen, dass alle Lichtbogenschweißverfahren eine vollständig verschweißte metallurgische Verbindung ergeben, die sich durch hohe Festigkeit, gute Schlagzähigkeit und geringe Porosität auszeichnet. Bogen-Schweißverfahren bieten zudem eine hohe Auftragsgeschwindigkeit (was sich in einer hohen Leistungsfähigkeit niederschlägt) und relativ geringe Investitionskosten für die Ausrüstung.
Die Hauptnachteile des Lichtbogenschweißens durch Auftragschweißen sind die hohe Wärmezufuhr in das Werkstück und – abhängig von den konkreten Bedingungen – eine relativ starke Verwässerung des aufgetragenen Materials (d. h. unerwünschte Migration des Grundwerkstoffs in die aufgetragene Schicht). Die Wärmezufuhr in das Werkstück kann zu mechanischen Verformungen führen, die häufig eine weitere Nachbearbeitung nach dem Aufschweißen erforderlich machen. Zudem ist es in der Praxis nicht immer möglich, die hohen Auftragsgeschwindigkeiten zu erreichen, zu denen Lichtbogenschweißverfahren theoretisch fähig sind. Dies liegt daran, dass die Verdünnung, die Wärmezufuhr, die Verformung, die Härte und andere metallurgische Eigenschaften manchmal negativ beeinflusst werden, wenn die Lichtbogenenergie über das optimale Niveau hinaus erhöht wird, das im Allgemeinen an der Untergrenze des Auftragsgeschwindigkeitsbereichs liegt.
Beim thermischen Spritzen wird das Beschichtungsmaterial, meist in Pulverform, durch eine Flamme oder elektrischen Strom geschmolzen und anschließend auf das Werkstück aufgespritzt. In den meisten Fällen handelt es sich um ein Verfahren mit geringer Erwärmung, bei dem die Temperatur des Substrats in der Regel unter 200 °C bleibt. Die vier gängigsten Ausführungsformen dieses Verfahrens sind das Flammspritzen, das Lichtbogenspritzen (bei dem Draht als Verbrauchsmaterial verwendet wird), das Plasmaspritzen und das Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffspritzen (HVOF).
Der Hauptvorteil aller thermischen Spritzverfahren ist die geringe Wärmezufuhr in das Werkstück, was bedeutet, dass keine thermisch beeinflusste Zone entsteht und nur eine minimale Verdünnung auftritt. Dies ermöglicht zudem den Einsatz dieses Verfahrens für eine breite Palette von Grundwerkstoffen, darunter Metalle, Karbide, Keramiken und sogar Kunststoffe. Das thermische Spritzen bietet zudem einen sehr breiten Prozessbereich hinsichtlich der erreichbaren Schichtdicken und der möglichen Auftragsgeschwindigkeiten, obwohl diese Schichten in der Regel dünner sind als lichtbogengeschweißte Schichten.
Ein wesentlicher Nachteil des Thermospritzverfahrens besteht darin, dass die Verbindung zwischen der aufgebrachten Schicht und dem Substratmaterial mechanischer und nicht metallurgischer Natur ist. Dies kann zu Haftungsproblemen und geringer Verschleißfestigkeit führen, insbesondere bei punktueller Belastung. Zudem weist die thermisch gespritzte Beschichtung häufig einen gewissen Grad an Porosität und Verbindungsfehlern auf. Das Vorhandensein dieser Fehler in der Beschichtung ist besorgniserregend, da diese Fehler zur Korrosion des Grundmaterials führen können.
Grundlagen des Laserauftragschweißens und der Laserauftragbeschichtung
Laser-Plattierungsverfahren bieten gegenüber dem Lichtbogenschweißen und thermischen Spritzverfahren mehrere Vorteile, die sich auf die Qualität und den Prozess beziehen. In der Praxis haben herkömmliche Lasertypen dieses Versprechen jedoch nicht immer erfüllt und wiesen zudem erhebliche Nachteile hinsichtlich 
Leistungscharakteristik, Betriebskosten und einfache Umsetzung.
Als Reaktion auf den Bedarf an einer besseren Lichtquelle für Anwendungen wie das Plattieren, Schweißen und die Wärmebehandlung haben Laserhersteller einen leistungsstarken Direktdiodenlaser entwickelt. Ein Hochleistungs-Direktdiodenlaser ist eine kompakte Anordnung aus einer sehr großen Anzahl von Halbleiterlaseremittern mit geringerer Leistung (jeweils ca. 100 W), deren Ausgangsstrahlung zu einem einzigen Strahl gebündelt wird. Dieser Strahl hat in der Regel die Form eines langen, schmalen Rechtecks, das meist etwa 3 mm breit und zwischen 6 mm und 36 mm lang ist. Der linienförmige Ausgangsstrahl eines Hochleistungs-Diodenlasers eignet sich gut für die meisten Anwendungen in der Metallbearbeitung, da er über das gesamte Werkstück verteilt werden kann und so eine schnelle Bearbeitung großer Flächen ermöglicht. Beispielsweise ist beim pulverbasierten Plattieren die Längsachse des Linienstrahls senkrecht zur Bewegungsrichtung des Strahls ausgerichtet, wie in der Abbildung dargestellt. Bei einer Strahlänge von 24 mm lässt sich beispielsweise in der Regel eine „effektive“ Plattierungsbreite von 20 mm in einem Durchgang erzielen (siehe Abbildung 1).
Chancen für das Laserauftragschweißen und -beschichten mit einem leistungsstarken Diodenlaser
Das Laserauftragschweißen mit einem leistungsstarken Diodenlaser vereint in gewisser Weise die besten Eigenschaften von Lichtbogenschweißen und thermischem Spritzen. Im Vergleich zu Lichtbogenschweißverfahren bieten Diodenlasersysteme geringere wärmebedingte Verformungen, eine geringere Materialverdünnung, eine extrem niedrige Porosität und eine bessere Oberflächengleichmäßigkeit. Diese Eigenschaften reduzieren gemeinsam den Nachbearbeitungsaufwand sowie den damit verbundenen Zeit- und Kostenaufwand erheblich. Die hohe Abkühlgeschwindigkeit beim Diodenlaserverfahren sorgt zudem für eine feinere Kornstruktur in der Beschichtung, was zu einer besseren Korrosionsbeständigkeit führt. Diese Vorteile werden zudem im Allgemeinen nicht wesentlich beeinträchtigt 
durch eine Erhöhung der Laserleistung und der Auftragsgeschwindigkeit nennenswert beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu verschlechtert sich bei den meisten Lichtbogenschweißverfahren die Qualität der Beschichtung mit steigender Leistung und Auftragsgeschwindigkeit. Schließlich können dank der Form des Linienstrahls große Flächen schnell bearbeitet werden, wobei die Breite, Dicke und Auftragsgeschwindigkeit der Beschichtung in hohem Maße kontrollierbar sind.
Sowohl die Diodenlaser- als auch die Thermospritztechnik verhindern eine nennenswerte Wärmeeinbringung in das Werkstück und minimieren die Materialverdünnung. Dieser geringe Materialverlust (~ 4 % bis 7 %) trägt in der Regel dazu bei, die gewünschte chemische Zusammensetzung der Oberfläche der aufgebrachten Schicht bereits in einem einzigen Beschichtungsdurchgang zu erreichen, wodurch die Prozesskosten minimiert werden. Im Gegensatz zum thermischen Spritzen erzeugt das Plattieren mit dem Diodenlaser eine echte metallurgische Verbindung mit dem Grundwerkstoff. Das Ergebnis sind eine bessere Haftung und Verschleißfestigkeit. Darüber hinaus verringern metallurgisch gebundene, mittels Diodenlaser hergestellte Beschichtungen Risse und Delaminationen, die manchmal mit mechanisch gebundenen Beschichtungen einhergehen. Mikrostrukturfotos zeigen einige der gefragtesten Eigenschaften des Laserauftragschweißens
Das Diodenlaser-Auftragschweißen ist zudem kompatibel mit und wird häufig bei Standardlegierungen eingesetzt, die üblicherweise in Pulverform erhältlich sind. Dazu gehört eine breite Palette an Standard-Edelstählen, Werkzeugstählen sowie korrosions- und hitzebeständigen Nickellegierungen. Dank der geringen Verdünnung und weiterer Eigenschaften, die bei der Laserbearbeitung entstehen, weist das plattierte Material eine chemische Zusammensetzung auf, die den Eigenschaften des ursprünglichen Schüttguts entspricht. Dies ist wichtig, da es bedeutet, dass sich die plattierte Schicht vorhersehbar verhält und dieselben gewünschten und erwarteten Eigenschaften aufweist wie eine Volumenprobe derselben Legierung. Die Tatsache, dass die Materialeigenschaften der lasergeschweißten Schichten den Anwendern besser bekannt sind, wird sich letztendlich positiv auf den Einsatz dieser Technologie in einer immer größeren Zahl industrieller Anwendungen auswirken. Die geringere Verdünnung beim Laserauftragschweißen im Vergleich zu Lichtbogenschweißverfahren ermöglicht es zudem, die gewünschten Ergebnisse mit einer geringeren Anzahl von Auftragschichten zu erzielen. Die Einschränkungen des Hochleistungs-Diodenlaser-Auftragschweißens sind vor allem praktischer Natur. Insbesondere sind die anfänglichen Investitionskosten höher als bei anderen Auftragschweißverfahren, und die physische Größe der Anlage kann deren Integration in bestimmte Produktionsanlagen erschweren. Zudem erreicht das Laserauftragschweißen in manchen Fällen nicht die beim Lichtbogenschweißen erzielbare Auftragsgeschwindigkeit (auch wenn beim schnellen Lichtbogenschweißen in der Regel Abstriche bei der Qualität des Auftragschweißens hingenommen werden müssen).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die besonderen optischen und betrieblichen Eigenschaften von Hochleistungsdiodenlasern sie derzeit für den Einsatz beim Plattieren prädestinieren. Insbesondere ermöglichen sie das Erzeugen hochwertiger Aufschweißungen mit einer breiten Palette an Werkstoffen, die bereits gut auf dem Markt erhältlich sind und über dokumentierte Betriebseigenschaften verfügen. Vor allem die Laserbearbeitung erfüllt den wachsenden Marktbedarf an Aufschweißungen mit standardisierten Legierungen. Die hervorragende Integrität des Laserauftragschweißens mit Standardlegierungen liefert Ergebnisse, die in höherem Maße der Grundlegierung entsprechen, was zu besser vorhersehbaren Leistungsmerkmalen führt. Darüber hinaus kann das Laserauftragschweißen mit relativ hohen Auftragsgeschwindigkeiten durchgeführt werden und erfordert in der Regel nur eine Schicht, was es zu einem schnellen Verfahren macht. Diese Faktoren führen zusammen mit der geringen thermischen Verformung, die den Bedarf an Nachbearbeitung erheblich reduziert, dazu, dass das Aufbringen mit einem Hochleistungs-Diodenlaser preislich mit herkömmlichen Methoden des Lichtbogenschweißens und des thermischen Spritzens konkurrieren kann.
