Ende 1974 meldete Gnanamuthu von ACVO EVERETT RES LABINC das weltweit erste Patent für das Laserstrahl-Auftragschweißen (US3952180A) an, das den Vorhang für die Grundlagenforschung zur Laserstrahl-Auftragschweißtechnik öffnete.
Aufgrund der vielen Vorteile wie geringe Verdünnungsrate, geringe Wärmezufuhr und eine breite Palette von Materialien hat die Laserstrahl-Auftragschweißtechnologie viele verschiedene Arten von industriellen Anwendungen hervorgebracht und wird in verschiedenen Bereichen der additiven Fertigung, der Nachbearbeitung und der Oberflächentechnik eingesetzt.
Je nach Art des zu schmelzenden Materials und der Form der Kopplung zwischen dem Material und dem Laserstrahl lassen sich die gängigen Laserschmelztechnologien in die koaxiale Pulverzufuhr-Laserschmelztechnologie, die Seitenachsen-Pulverzufuhr-Laserschmelztechnologie (auch seitliche Pulverzufuhr-Laserschmelztechnologie genannt) und die Hochgeschwindigkeits-Laserschmelztechnologie (auch Ultra-Hochgeschwindigkeits-Laserschmelztechnologie genannt) unterteilen.
Koaxiale Pulverbeschichtung Laser-Beschichtungstechnologie
Bei der koaxialen Pulverbeschichtungstechnologie werden im Allgemeinen ein Halbleiterfaserausgangslaser und ein scheibenförmiger, luftgetragener Pulverzuführer verwendet. Der Beschichtungskopf verfügt über ein kreisförmiges Punktschema mit zentralem Lichtaustritt, eine kreisförmige Pulverzuführung oder mehrere Pulverzuführungen um den Strahl herum und einen speziellen Schutzluftkanal, in dem sich der Pulverstrahl, der Lichtstrahl und der Schutzluftstrom in einem Punkt kreuzen. In diesem Brennpunkt bildet sich während des Beschichtungsvorgangs das Schmelzbad, und die Beschichtungsschicht wird durch die Relativbewegung von Beschichtungskopf und Werkstück auf der Oberfläche des Werkstücks gebildet.
Seitliche Pulverzufuhr Laser-Auftragschweißtechnologie
Die Laserschmelztechnologie mit seitlicher Pulverzufuhr wird auch als Laserschmelztechnologie mit seitlicher Pulverzufuhr bezeichnet, bei der im Allgemeinen ein Halbleiter-Direktausgangslaser oder ein Halbleiter-Faserausgangslaser und ein Schwerkraft-Pulverzuführer verwendet werden. Der Schmelzkopf arbeitet mit einem rechteckigen Punkt und einem Breitband-Pulverzuführungssystem mit seitlicher Achse. Wenn der Beschichtungskopf arbeitet, wird das Legierungspulver durch die Pulverzufuhrdüse zur Voreinstellung an die Werkstückoberfläche geliefert. Durch die Relativbewegung des Beschichtungskopfes und des Werkstücks tastet der rechteckige Laserstrahl das voreingestellte Legierungspulver ab und schmilzt es zu einem Schmelzbad, das nach dem Abkühlen eine Beschichtungsschicht bildet.
Ultrahochgeschwindigkeits-Laser-Auftragschweißtechnik
Die Ultrahochgeschwindigkeits-Laserschmelztechnologie ist eine neue Art der Laserschmelztechnologie, die vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Deutschland entwickelt wurde und seit 2017 in China gefördert und angewendet wird. Die Ultrahochgeschwindigkeits-Laserschmelztechnologie verwendet einen Halbleiter-Faserausgangslaser oder einen Faserlaser mit besserer Strahlqualität, einen präzisionsgefertigten Hochgeschwindigkeits-Laserschmelzkopf und einen Bewegungsmechanismus mit hoher Rotationsgeschwindigkeit oder Bewegungsgeschwindigkeit. Die Kopplung des Laserstrahls mit dem Pulverstrahl und dem Inertgasstrom ist genau so ausgelegt, dass ein Teil der Laserenergie zur Erwärmung des Pulverstrahls verwendet wird, während der andere Teil des Laserstrahls, der den Pulverstrahl durchdringt, das Substrat erwärmt, und das Pulver wird aufgeschmolzen oder auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, bevor es in das Schmelzbad gelangt, wodurch die für das Pulverschmelzen erforderliche Zeit verkürzt wird. Laserstrahl-Auftragschweißen (bis zu 2m/min).
Frequently Asked Questions (FAQ)
1) What are the key differences between coaxial and side-axis powder feeding in Laser Cladding Technologies?
- Coaxial feeds powder concentrically with the laser, offering better track symmetry, multi-directional deposition, and higher powder capture efficiency on complex geometries. Side-axis feeds from one or two lateral nozzles, ideal for wide beads and pre-placed layers, with simpler hardware and lower cost.
2) When should ultra-high-speed laser cladding be selected?
- Choose ultra-high-speed (UHS) when you need thin, uniform layers at high travel speeds (up to ~2–5 m/min), such as wear-resistant coatings on shafts, cylinders, and large surfaces where productivity is critical and dilution must remain low.
3) How does dilution affect coating performance and how is it controlled?
- Dilution (mixing of substrate into clad) reduces coating chemistry and wear/corrosion performance. Control it via lower laser specific energy, optimized standoff, proper powder flow rate, beam shaping (top-hat), and preheating where necessary.
4) What materials are most commonly used in laser cladding?
- Ni-based (Inconel 625/718, NiCrBSi), Co-based (Stellite), Fe-based martensitic alloys, stainless steels (316L), tool steels, Ti alloys, WC/W2C reinforced metal matrix composites, and Cu-based for conductivity. Selection depends on wear, corrosion, or heat requirements.
5) What in-situ monitoring improves quality in 2025 laser cladding lines?
- Melt pool vision/IR pyrometry, coaxial cameras, acoustic emission, and closed-loop power modulation. These systems stabilize bead geometry, reduce porosity/cracking, and improve first-pass yield.
2025 Industry Trends: Laser Cladding Technologies
- Throughput leap: Beam shaping and multi-spot optics raise deposition rates without excess dilution.
- AI-driven control: Real-time melt pool feedback adjusts laser power/powder feed to hold bead width/height within spec.
- Powder efficiency focus: Optimized carriers and nozzle aerodynamics push capture efficiency >80% on coaxial heads.
- Green shielding: Nitrogen for Fe-based alloys where metallurgy allows; argon recirculation cuts gas consumption 20–35%.
- Standardization: More users adopt ISO/ASTM data packages for cladding parameter traceability and performance validation.
Performance and Cost Snapshot (indicative ranges, 2023 vs 2025)
| Metrisch | 2023 Typical | 2025 Typical | Notes/Sources |
|---|---|---|---|
| Deposition rate, coaxial (kg/h) | 2–6 | 3–8 | Optics + powder aerodynamics |
| Travel speed, UHS (m/min) | 1.0-2.0 | 2.0–5.0 | Material/laser dependent |
| Dilution (Ni/Co alloys, %) | 5–12 | 3–8 | Beam shaping + control |
| Powder capture efficiency, coaxial (%) | 60–75 | 75–85 | Nozzle redesign |
| First-pass yield with closed-loop control (%) | 88–93 | 92–97 | Vision + pyrometry |
| Shielding gas consumption reduction (%) | - | 20–35 | Recirculation systems |
Sources: Fraunhofer ILT publications, ISO/ASTM 52900/52907 guidance, OEM application notes (TRUMPF, Laserline), peer-reviewed cladding studies
Latest Research Cases
Case Study 1: AI-Closed-Loop Coaxial Cladding of NiCrBSi on Hydraulic Rods (2025)
Background: A remanufacturing shop faced variable bead height and excessive post-grind on long rods.
Solution: Integrated coaxial camera and IR pyrometer with ML-based controller to modulate laser power and powder feed; optimized nozzle for higher capture efficiency.
Results: Bead height variation reduced from ±0.25 mm to ±0.08 mm; dilution dropped from 9% to 5%; grinding time −28%; powder usage −14%.
Case Study 2: Ultra-High-Speed Laser Cladding of WC‑reinforced Fe Matrix on Conveyor Rolls (2024)
Background: Steel plant required high-wear coatings with minimal downtime.
Solution: UHS head with fiber laser and preheated substrate; bimodal WC feed for dense packing; nitrogen shielding validated by hardness/carbide retention tests.
Results: Line speed 3.2 m/min; microhardness 950–1,050 HV0.3; wear rate −37% vs PTA baseline; turnaround time −22% for roll refurbishment.
Expert Opinions
- Prof. Andreas Weisheit, Head of Materials, Fraunhofer ILT
Key viewpoint: “UHS cladding with engineered powder preheating and beam shaping delivers coating quality at line speeds that were impractical a few years ago.” - Dr. Trevor Kalash, Senior Applications Engineer, TRUMPF Laser
Key viewpoint: “Coaxial heads with closed-loop melt pool control are pushing dilution below 5% on Ni/Co alloys while improving powder efficiency, which directly lowers total cost per square meter.” - Dr. Martina Zimmer, Materials Scientist, RWTH Aachen
Key viewpoint: “For carbide-reinforced layers, controlling thermal cycles is paramount; maintaining carbide integrity requires adapted shielding and rapid solidification to avoid dissolution.”
Practical Tools/Resources
- Fraunhofer ILT: Publications and application notes on laser cladding and UHS
https://www.ilt.fraunhofer.de/ - ISO/ASTM 52900 and 52907: AM terminology and powder characterization
https://www.iso.org/ - ASM Handbook, Volume 6A: Welding, Brazing, and Soldering (cladding sections)
https://www.asminternational.org/ - OEM resources: TRUMPF, Laserline, and Meltio cladding process guides and parameter frameworks
https://www.trumpf.com/ | https://www.laserline.com/ | https://meltio3d.com/ - Process simulation tools: COMSOL Multiphysics (thermal), Ansys Additive (melt pool), and open literature datasets from NIST AM‑Bench
https://www.comsol.com/ | https://www.ansys.com/ | https://www.nist.gov/ambench - Safety and compliance: HSE guidance on laser and metal powder handling
https://www.hse.gov.uk/
Last updated: 2025-08-27
Changelog: Added five focused FAQs, a 2025 performance/cost table, two case studies (AI-closed-loop cladding; UHS carbide-reinforced coatings), expert viewpoints, and vetted tools/resources for Laser Cladding Technologies.
Next review date & triggers: 2026-03-31 or earlier if major OEMs release next-gen UHS heads, ISO/ASTM standards update, or new data on dilution/powder efficiency improvements becomes available.
