Eine schlanke Innenbearbeitungsoptik für das Stahlwerk

Um kritische Komponenten, die hohen Temperaturen in einem Stahlwerk ausgesetzt sind, nachhaltig vor Korrosion und Verschleiß zu schützen, entschied sich das namhafte taiwanesische Unternehmen Pro Arc beim Bau seines Schweißautomaten für die schlanke Innenbearbeitungsoptik I-Clad der deutschen Firma Pallas.

Pro Arc wurde 1966 in Taoyuan im Nordwesten Taiwans gegründet und ist heute mit seinen CNC-Brennschneidmaschinen, CNC-Blechbohrmaschinen, Schweißdrehtischen und Manipulatoren international etabliert. Zu den internationalen Kunden zählen Metallverarbeiter, Stahlbauunternehmen sowie in die Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie genießt. Die Expertise in spanabhebenden Verfahren, Schneidsystemen und Oberflächenbearbeitung machen Pro Arc seit vielen Jahren auch für den größten Stahlproduzenten und Anlagenbauer in Taiwan zum Partner der Wahl, der Pro Arc jetzt mit dem Bau eines Schweißautomaten mit Optiken zum Laserauftragschweißen beschädigter Außen- und Innenkonturen beauftragte.

Ausschlaggebend für den Auftrag war unter anderem die umfangreiche Beratung zur Auslegung des Manipulators. Für die Auswahl von Diodenlaser und Innenbearbeitungsoptik reisten Sam Hsieh, Senior Engineer, und Steven Hung, Assistant Service Manager bei Pro Arc, nach Deutschland zu Laserline. Dieser führende Hersteller von Diodenlasern setzt seinerseits auch Manipulatoren von Pro Arc ein. Da Pallas ebenfalls ein strategischer Partner von Laserline ist, lag es nahe, den Gästen aus Taiwan dort auch die Innenbearbeitungsoptik I-Clad vorzustellen.

Diese Spezialoptik zur gezielten prozesstechnischen Optimierung von Innenkonturen – Beschichten, Härten oder Legieren – hat in ihrer kleinsten Ausführung einen Außendurchmesser von 27 mm. Damit kann sie bei einem nur 30 mm großen Öffnungsdurchmesser Innenbohrungen in bis zu 1.000 mm Eintauchtiefe bearbeiten.

• Eine integrierte aktive Wasserkühlung schützt den Prozesskopf vor Überhitzung. Ablagerungen oder Beschädigungen der Linsen
• durch Pulverpartikel beugt Schutzgas vor, eine Schutzgasspülung sorgt für zusätzlichen Schutz.
• Der Anschluss für die Lichtleitfaser und die Zuleitung der Prozessmedien werden kundenspezifisch an der Optik angeschlossen.
• Wahlweise per CNC oder Roboter gesteuert, ermöglicht es die I-Clad, in den Bohrungen endkonturnahe Schichten oder Strukturen in Dicken von einem Zehntelmm bis zu mehreren mm aufzubauen.
• Für diese 2D- oder 3D-Applikationen dreht sich das zu bearbeitende Rohr um den feststehenden Bearbeitungskopf. Dabei beträgt der Arbeitsabstand zwischen Kopf und Bauteil nur fünf bis zwölf mm.
• Je nach Lage des Arbeitspunktes erfolgt die Wahl des Laserstrahlwinkels: 30 °, um Sackbohrungen präzise bis in die Kante zu beschichten, 90 ° bei durchgängigen Bohrungen.

Die Optik wird mit entsprechenden Düsen bestückt und kann wahlweise senkrecht oder waagerecht in die Bohrung eingeführt werden. Dort schmilzt der Laserstrahl die Bauteiloberfläche und das per Düse eingestrahlte Pulver auf, sodass sie sich im Schmelzbad metallurgisch zu einer dichten Schicht mit geringer Aufmischung verbinden. Der eng begrenzte Wärmeeintrag minimiert die thermische Belastung und verhindert so Bauteilverzug, Einbrandkerben oder Härteverlust im Grundwerkstoff.

Pro Arc wählte für den Einsatz beim Stahlproduzenten und Anlagenbauer in Taiwan eine I-Clad-Optik vom Typ 42-1.000 mit 42 mm Außendurchmesser für Öffnungsdurchmesser ab 50 mm Größe aus, die an einen 16-kW-Diodenlaser angeschlossen wird. Sie kommt für Innenbeschichtungen von beschädigten Rohren und Keilnuten aus hoch chromhaltigem Stahl zum Einsatz, um diese Komponenten, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, nachhaltig vor Korrosion und Verschleiß zu schützen. Dafür soll der Grundwerkstoff auf Eisenbasis mit Inconel 625 oder einem hoch chromhaltigen Stahl beschichtet werden.

Bei der von Pro Arc gewählten Brennfleckgröße von 3 mm, der erforderlichen Eintauchtiefe und der großen Fläche wird die Beschichtung pro Kolben mindestens vier Stunden Bearbeitungszeit in Anspruch nehmen. Da Pro Arc bis dato keine Erfahrung mit der I-Clad hatte, umfasste das Angebot von Pallas auch Inbetriebnahme der Spezialoptik, Schulung und Service in Taiwan. Nach Bauabschluss und Montage des Manipulators bestückte Pro Arc ihn mit einer Steuerung, die ebenfalls im eigenen Werk entwickelt wurde. Für den Einbau der I-Clad war dann jedoch die Unterstützung von Pallas Geschäftsführer Stephan Kalawrytinos und Rodion Honisch, Leiter der Abteilung Laser bei Pallas, vor Ort gefragt.

Im ersten Schritt bauten sie die bei Pro Arc bereits installierte I-Clad ab, um Sam Hsieh und Steven Hung die Funktionsweise der Laserbearbeitungsoptik zu erklären. Dafür zerlegten sie die Optik in ihre Einzelteile und zeigten den Ingenieuren, wo die einzelnen Komponenten eingebaut sind, wie man diese wechselt und bedient. Den Abschluss dieser ebenso intensiven wie praxisnahen Schulung bildete der gemeinsame Zusammenbau der I-Clad durch die Teams von Pallas und Pro Arc.

Hieran schloss sich eine Schweißeinweisung an: Anhand erster Flachschweißungen und -beschichtungen vermittelte Pallas die für den Einsatz der I-Clad relevanten Parameter. Dabei zeigte sich auch konkreter Beratungsbedarf zu spezifischen Gegebenheiten vor Ort: Da der Pulverförderer von Pro Arc in großer Entfernung zur Anlage stand, war der Pulverfluss zunächst unregelmäßig. Mit gezielten Anregungen half Pallas, die lange Strecke für einen reibungslosen Pulverfluss zu überbrücken.

Auch bei der Parametereinstellung für das vom Stahlproduzenten und Anlagenbauer gewählte Pulver war die Expertise von Pallas gefragt. Dieser Chrom-Ersatzstoff ist hoch korrosionsbeständig und mit einer Härte von 58 Rockwell sehr abrasionsbeständig. Pallas hatte bereits im eigenen Unternehmen mit diesem Pulver gearbeitet und konnte deshalb konkrete Erfahrungen aus der Praxis mit in die Beratung einbringen. So ist eine Besonderheit dieses Werkstoffs, dass er – anders als Chrom, das nur im Mikrometerbereich aufgetragen werden kann – einen dicken Schichtauftrag erlaubt. Dadurch kann der Stahlhersteller seine geplanten Schutzbeschichtungen einschichtig durchführen.

Entsprechend positiv war die Resonanz von Pro Arc auf die Zusammenarbeit mit dem deutschen Experten für Oberflächenbearbeitung: „Unser erster Kontakt mit Pallas war bei Laserline, wo auch das Angebot zur Vor-Ort-Schulung in Taiwan erfolgte“, so Sam Hsieh, Senior Engineer von Pro Arc. Er ergänzt: „Bei dieser Schulung war das Team von Pallas sehr nett und hilfsbereit – eine tolle Erfahrung!“

Vor der Lieferung an den Stahlproduzenten und Anlagenbauer in Taiwan führte Pro Arc noch umfangreiche Systemprüfungen mit der I-Clad durch: In achtstündigen Dauertests musste die Spezialoptik im Beschichtungseinsatz zeigen, ob sie den harten Anforderungen eines Stahlwerks gewachsen ist. Zu diesem Zweck wurden insgesamt sechs Rohre und 4.000 mm lange und 1.200 mm breite Bleche von Pro Arc mit dem schlanken Laserbearbeitungskopf beschichtet. Mit den Testergebnissen waren Pro Arc und der Stahlhersteller gleichermaßen hochzufrieden: “Die I-Clad arbeitet sehr stabil und präzise“, so ihr einhelliges Urteil.