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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbessern von, insbesonders korrosions- und/oder verschleiss- bedingten, Oberflächendefekten, wie Rissen, Kerben, Auswaschungen, Ausbrüchen o. ä in Metallformkör- pern, z. B. Werkzeugen, Gussformen o. ä..
Verfahren dieser Art sind seit längerer Zeit bekannt und dienen beispielsweise der Wiederherstellung eines durch Abnützung beschädigten Oberflächenbereiches eines Werkzeuges etwa aus Stahl. Die häufigsten Oberflächenschäden treten in Form von Ausbrüchen, Auswaschungen oder Haarrissen auf, die sich von der Oberfläche in die Tiefe des Materials erstrecken und mit freiem Auge gerade noch erkennbar sind. Hohe Werkzeugkosten machen eine Reparatur derartiger Defekte betriebswirtschaftlich sinnvoll.
Solche Risse treten etwa bei Werkzeugen für die Materialformgebung nach vielmaligem Einsatz auf und sind nicht nur für eine mangelnde Oberflächenqualität des herzustellenden Werkstuckes an der entsprechenden Stelle des Werkzeuges verantwortlich, sondern schwächen auch die auf das Werkstück übertragbaren Kräfte, sodass ein über den lokalen Bereich hinausgehender negativer Einfluss bestehen kann. Schliesslich müssen kleine Risse schon früh erkannt und repariert werden, um eine vollkommene Zerstörung des Werkzeuges zu verhindern.
Die Möglichkeit, mit Hilfe moderner Giesstechniken komplexe Gossteile kostengünstig und massgenau aus Leichtmetalllegierungen herzustellen, hat in den letzten Jahren vermehrt zum Einsatz derartiger Teile in unterschiedlichsten Bereichen geführt. Als Beispiel dafür sei die Anwendung von höchstfesten Aluminiumgussteilen für hochbeanspruchte Fahrwerkskomponenten im Automobilbau genannt. Neben anderen Faktoren spielt vor allem der Zustand der verwendeten Gussform eine entscheidene Rolle bei der Sicherstellung von höchster Qualität. Die daraus resultierenden hohen Anschaffungskosten der Werkzeuge macht eine Reparatur defekter Formen wirtschaftlich notwendig, da die Werkzeuge sonst nicht rentabel eingesetzt werden können.
Angestrebt wird daher grundsätzlich eine Standzeitverlängerung und eine Redaktion der Reparaturzeiten, welche sich aufgrund der hohen Werkzeugbeanspruchung mit statistischer Regelmässigkeit ergeben.
Im Einsatz unterliegen die Formen enormen Belastungen, die eine Reihe von Schädigungsmechanismen zur Folge haben. So kann es zu zerstörerischen Wechselwirkungen zwischen Formenmaterial und Gussmaterial sowie zu extremen Temperaturwechselbelastungen kommen. Letztere erzeugen zyklische Spannungen und Dehnungen und sind für Brand- und Spannungsrisse in der Formenoberfläche verantwortlich, die bei Erreichen kritischer Rissgrössen einen Werkzeugausfall zur Folge haben.
Die Reparatur von Werkzeugen oder Gussformen wie sie bisher üblich war, bestand darin, die schadhaften Bereiche etwa mittels Fräsen, Schleifen, Bohren o. ä abzutragen und anschliessend das so abgetragene Material durch händisches Auftragschweissen (WIG oder MIG) zu ersetzen.
Diese bekannten Reparatur-Verfahren, von denen die Erfindung ausgeht, weisen eine Reihe von Nachteilen auf. So ist mm Beispiel die beim konventionellen Schweissvorgang in die Form eingebrachte Wärmeenergie sehr gross, was besonders starke Deformationen im Bereich der Schweissnaht und gegebenenfalls den Verzug der ganzen Form zur Folge hat. Das Schweissen von wärmesensitiven Bereichen, z. B.
Kanten, ist aufgrund der hohen Wärmeeinbringung generell sehr kritisch. Des weiteren lassen sich die Abmessungen der Schweissnähte nur bedingt variieren. Die händisch hergestellten Schweissnähte sind jedenfalls immer relativ dick, sodass sich fein gegliederte Formenbereiche nur mit sehr hohem Zeit- und Arbeitsaufwand oder überhaupt nicht reparieren lassen.
Ein zusätzlicher Nachteil ist die nur sehr schlecht durchführbare Ausbesserung im Bereich von Kerben und Spalten. Der zur Reparaturschweissung verwendete Lichtbogen springt in schmalen Rinnen unkontrolliert zu den Seiten hin über. Gerade aber kompliziert aufgebaute Gussformen sind besonders profitabel, da damit eine enorme Kostenersparnis gegenüber konventionell hergestellten Teilen erreicht werden kann. Diese komplexen Formen lassen sich händisch aber wie bereits erwähnt nur ausserordentlich schwierig wiederherstellen. Oft ergibt sich nur aus diesen fehlenden Reparaturmöglichkeiten eine Beschränkung hinsichtlich der wirtschaftlich zu realisierenden Formkomplexität.
Aus der DE-A1-42 03 284 ist ein Verfahren zum Programmieren numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen für die Materialbearbeitung mit Laserstrahlung bekanntgeworden, bei dem ein Bearbeitungskopf der Maschine vom Bediener im Handbetrieb nacheinanderfolgend an diskrete Stützpunkte angefahren und dabei deren Koordinaten jeweils abgespeichert werden und sodann an allen Stützpunkten jeweils eine automatische, sensorgestützte Abstands- und Neigungsmessung erfolgt, an die sich die Abspeicherung der Koordinaten des Bearbeitungskopfes als Einstellwerte für die Werkstückbearbeitung anschliesst.
Weiters ist in dieser Druckschrift ein Bearbeitungskopf gezeigt, der mit einer lichtfokussierenden Optik ausgestattet ist, mit der der Abstand des Bearbeitungskopfes und dessen Neigung bezuglich der Werkstückoberfläche mit
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auf einer nicht näher beschriebenen Werkstuckoberfläche, das Ausbessern von Oberflächendefekten in Metallformkörpern wird dabei nicht gesondert erwähnt.
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Die US-A-4 115 684 offenbart eine Schweissvorrichtung mit einem programmierbaren, in einer Vielzahl von Achsen entlang eines vorbestimmbaren Pfades bewegbaren Manipulierarm. Das Programmieren erfolgt durch eine Bedienperson, welche das Ende des Manipulierarme entlang des gewünschten Pfades bewegt, währenddem diese Bewegungen von Kodiervorrichtungen gewandelt und aufgezeichnet werden Die aufgezeichneten Kodiersignale dienen als Steuerbefehle für die Schweissvorrichtung während eines Wiederholzykus. Eine auf dem Manipulatorarm anbringbare Rolle ermöglicht die Speicherung des durchlaufenen Weges und die Einstellung des richtigen Abstandes von der Werkstücksoberfläche.
In der DE-A1-33 24 948 ist ein Knickarmroboter zum Schneiden, insbesondere Brenn- oder Plasmaschneiden, von Metallen wiedergegeben, bei dem die Bahnkurve bzw. der Schneidverlauf der Roboterbewegung durch punktweises Anfahren der einzelnen Bahnpunkte von Hand aus programmiert wird. Dabei werden die einzelnen Achsen durch Tastendruck an einer Programmiereinheit in die jeweilige Position gefahren und durch Drücken einer Programmiertaste in der Robotersteuerung gepeichert. Beim Brenn- oder Plasmaschneiden fährt der vom Roboter geführte Schneidbrenner mit Hilfe der Bahnsteuerung eine beliebig im Raum gekrümmte Bahn ab, wobei eine kapazitive Brennerhöhensteuerung für einen konstanten Höhenabstand zwischen dem Brenner und der Werkstückoberfläche sorgt.
Die mit dem Roboter durchführbare Schneidtechnik ist nicht auf das Ausbessern von Oberflächendefekten bei Werkzeugen anwendbar.
In der DE-A1-34 45 981 ist eine Einrichtung zum Bearbeiten von dreidimensionalen, räumlichen Konturen an Werkstücken mit einem aus einem Laserkopf austretenden Laserstrahl geoffenbart, bei der eine kapazitive Höhenabtasteinrichtung direkt an eine NC-Steuerung angeschlossen ist. Ein mit fünf Achsen ausgestatteter Werkstück- und Strahlmanipulator besteht im wesentlichen aus einem Koordinatentisch, auf dem das Werkstück in x-Richtung verfahrbar ist, und einem den Koordinatentisch überragenden Portal, mit dem die y- und z-Achsenbewegung ermöglicht wird.
Der Laserkopf ist an einem doppelten Gelenk an der Portalführung angebracht. Über die am Gelenk angeordnete Höhenabtasteirrichtung kann während des Schweissvorganges eine Abstandskorrektur gegenüber der vorprogrammierten oder per"teach in"vorgege- benen Verfahrstrecke vorgenommen werden. Auf das Ausbessern von Oberflächendefekten an Werkstücken wird in diesem Dokument aber nicht eingegangen.
Die GB-A1-2 131 571 befasst sich mit der automatischen Steuerung einer Schweissnaht an einer Stossstelle zwischen verschiedenen Oberflächen. Ein konventionelles Robotersystenm zum automatischen Schweissen ist dabei mit einem optischen Sensorsystem ausgerüstet, welches sich aus einer Laserdiode und einer CCD-Kamera mit einem vorgesetzten Schmalbandfilter zusammensetzt. Nach einer manuellen Lernphase an einem Musterwerkstück, in der die zu schweissenden Bahnen anhand von Stützpunkten vorgegeben werden können, folgt eine visuelle Kontrolle der gelernten Punkte mit dem auf Trianguiation beruhenden optischen Sensorsystem. Anschliessend wird in der Produktion das Verschweissen von Werkstücken mit Hilfe der vom Musterwerkstück gewonnenen Daten vorgenommen.
Aufgrund der Ausrichtung dieser Druckschrift auf das Bogenschweissen sind die dort geschilderten Massnahmen nicht unmittelbar auf die Laserschweisstechnik übertragbar, welche Gegenstand der Erfindung ist.
Weiters ist aus der DE-A1-34 03 253 eine Wärmestrahlungserfassungseinrichtung bekanntgeworden, mit deren Hilfe die von einer erwärmten Werkstückfuge abstrahlende Strahlungsenergie und ein quer zum Fahrweg einer Schweissvorrichtung verlaufendes Strahlungsprofil ermittelt werden können. Die daraus gewonnenen, elektrischen Steuersignale dienen der Ansteuerung der Schweissvorrichtung und beeinflussen beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit der Schweisselektrode. Gezeigt wird dies in diesem Dokument anhand zweier Metallplatten, die durch den Schweissprozess zusammengefügt werden. Eine Ausbesserung von Oberflächendefekten wird hingegen nicht erwähnt.
Die in der DE-B2-23 56 491 beschriebene Steueranordnung beruht auf der Erzeugung und Erfassung eines Kontrastbildes der Schweissnahtstelle mit einer Beleuchtungseinrichtung und einem das Kontrastbild aufnehmenden Strahlendetektor, bei der durch eine Abschirmblende eine Kontrastlinie entsteht, deren vom Detektor gemessene Verformung in ein elektrisches Steuersignal gewandelt wird.
Weiters ist in der US-A-4 225 771 eine Vorrichtung beschrieben, mit der ein Schweissprozess von der Ferne aus betrachtet werden kann, indem der Kontrast zwischen dem Schweissbogen und der Umgebung in vorteilhafter Weise dadurch erhöht wird, dass ein Filter vorgesehen ist, welches nur ein schmales, dem Licht der Beleuchtungsquelle entsprechendes Wellenlängenband durchlässt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem Reparaturschweissungen mit geringem Aufwand und in höchster Qualität durchführbar sind.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass in einem ersten Schritt jeweils ein einen oder mehrere Defekte beinhaltendes Volumen des Formkörpers durch Wechselwirkung mit einem gerichteten Laserstrahl entlang eines per Hand oder per Steuerung bestimmbaren Weges lokal aufgeschmolzen und sodann die flüssige Materialschicht mittels eines Gasstrahles aus dem Materialvolumen ausgetrieben wird und in einem nachfolgenden zweiten Schritt durch Wechselwirkung des gerichteten Laserstrahles mit in die durch das
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Ausblasen entstandene Vertiefung eingebrachtem Metallpulver die Vertiefung verschweisst wird, wobei gegebenenfalls der verschweisste Teil der Oberfläche nach dem zweiten Schritt in weiteren Schritten mit dem Laserstrahl wärmebehandelt, gehärtet und/oder angelassen o. ä. und wieder geglättet wird.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich die folgenden Vorteile erzielen.
Die Reparatur schwer zugänglicher Bereiche von Werkzeugen, Formen o. ä. wie Rillen, Kerben, Nuten ist aufgrund der Fokussierbarkeit des Laserschweissstrahles möglich, wobei sehr feine Schweissnähte die Folge sind, die die Struktur des Werkzeuges nicht zerstören. Es findet ein wesentlich geringerer Wärmeeintrag in das Werkstück statt, dadurch verringert sich der Verzug und die Reichweite von Gefügeänderungen bleibt extrem klein. Weiters ist die Reparatur von besonders empfindlichen Kanten möglich. Auch die Dimensionierung der Nahtgeometrie mit sehr schmalen Schweissraupe (Breite im Bereich 1, 5 bis 0, 5 mm) ist sehr exakt durchführbar. Die aus zwei oder mehreren Schritten bestehende Reparatur ist auf einer einigen Anlage ausführbar.
Gegenüber der händischen Bearbeitung ist eine schnellere und genauere Bearbeitung über mechanische Steuerung und Sensorik möglich. Schliesslich ist die Materialauswahl für den Aufschweissvorgang durch die Verwendung von Pulver und Pulermischungen sehr flexibel.
Bei den bisher angewandten Verfahren der eingangs genannten Art wurde eine Reparatur nur händisch ausgeführt, der Einsatz eines Lasers ist aufgrund der hohen Kosten und des dafür erforderlichen Justieraufwandes bisher noch nie für den gattungsgemässen Anwendungszweck in Betracht gegen worden. Die dazu durchgeführten Untersuchungen hatten immer ergeben, dass-so vorteilhaft die Einzelprozesse des Abtragens und Aufschweissens per Laser auch sein mögen-die Umsetzung in der Praxis am hohen apparativen Aufwand und an der dafür benötigten Zeit scheiterte. Die zur Reparatur erforderliche Zeit ist aber von ausserordentlicher Wichtigkeit, da die Kosten für einen Produktionsausfall entsprechend der Ausfallzeit proportional anwachsen.
Erst durch die erfindungsgemässe Kombination der Einzelverfahren und die gemeinschaftliche Realisierung in einer Anlage kann die Laserapplikation wirtschaftlich sinnvoll zur Reparatur derartiger Gussformen herangezogen werden.
Da das Zusatzmaterial beim Laserauftragsschweissen in Pulverform zugeführt wird, sind nahezu beliebige Pulverkombinationen möglich. So ist an besonders exponierten Stellen etwa der Einsatz von neuen Legierungszusätzen verwirklichbar. Diese werden in das Schmelzbad eingeblasen, um so eine lokale Legierung des Grundwerkstoffes zu erzielen, um etwa die Härte zu erhöhen. Die Pulvermischungen dazu sind relativ leicht herzustellen und zu verarbeiten.
Bei Verfahren der eingangs genannten Art muss bei gängigen Vorrichtungen die Geometrie des Formkörpers und der darin vorhandenen Defekte vollkommen vermessen werden, um dann eine Laserbearbeitungsstation entsprechend programmieren zu können. Dieser Vorgang ist naturgemäss sehr zeitaufwendig und verteuert damit den Reparaturprozess erheblich. Ein weiteres Problem in diesem Zusammenhang stellt die oft sehr verwinkelte Struktur der zu reparierenden Formkörper dar, wodurch sich der Vermessungsaufwand oftmals erheblich erhöht.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann daher vorgesehen sein, dass in einem dem ersten vorangehenden Hilfsschritt, der wahlweise auch gleichzeitig mit dem ersten Schritt ausführbar ist, die den Laserstrahl fokussierende Einheit relativ zur Metallformkörperoberfläche höhenversetzt entlang eines per Hand oder per Steuerung bestimmbaren Weges geführt wird, und dass im Hilfsschritt bzw.
im ersten Schritt der zur Fokussierung des Laserstrahles erforderliche Höhenabstand der Laserstrahl-Einheit von der Formkörperoberfläche laufend automatisch eingestellt wird, dass die dabei durchlaufenen Raumkoordinaten, vorzugsweise relativ zur Metallformkörperoberfläche, gespeichert werden, und dass im zweiten Schritt, gegebenenfalls im ersten Schritt und weiteren Schritten, die Laserstrahl-Einheit anhand der während des Hilfsschrittes oder des ersten Schrittes gespeicherten Raumkoordinaten automatisch entlang des im Hilfsschritt oder ersten Schritt durchlaufenen Weges mit fokussiertem Laserstrahl geführt wird.
Dadurch ist es nicht mehr notwendig den Formkörper aufwendig zu vermessen, es können die
Defektstrukturen durch direktes manuelles Abfahren der entsprechenden Bereiche in verarbeitbare Raumkoordinaten gewandelt werden, die im ersten und/oder im zweiten bzw. weiteren Schritten dafür verwendet werden können, die Laserstrahl-Einheit automatisch über die richtigen Stellen der Oberfläche zu führen.
Aufgrund der manuellen Führung der Laserstrahl-Einheit können selbst sehr komplizierte Defektstrukturen auf einfache Weise erfasst und ausgebessert werden. Da alle Verfahrensschritte ohne ein Wechseln der Vorrichtung und ohne Austausch der verwendeten Mittel durchführbar sind, ist eine sehr schnelle und effektive Reparatur des Formkörpers möglich.
Die Erfindung beschränkt sich aber nicht nur auf die erwähnten Oberflächen von Werkzeugen sondern ist für metallische Formkörper, so etwa auch Gusskörper, im allgemeinen geeignet. Die manuelle Führung kann darin bestehen, dass die Laserstrahl-Einheit oder die Formkörperaufnahme direkt mit der Hand oder etwa über eine elektronisch gesteuerte Mechanik bewegt wird und dabei die vektorielle Aufzeichnung des Weges über eine dafür geeignete Erfassungs- und Speichereinheit vorgenommen wird. Durch die manuelle
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Führung können sehr komplexe Defektgeometrien auf einfache und schnelle Weise erfasst werden. Das Schweissen oder auch das Ausblasen der geschädigten Zonen kann danach automatisch mit vorbestimmbaren Parametern erfolgen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der manuell vorbestimmbare Weg der Laserstrahl-Einheit geschlossen um einen Oberflächenbereich des Formkörpers geführt wird, und dass die Laserstrahl-Einheit mittels einer vorbestimmbaren Füllfunktion, vorzugsweise in Form von Linien, im zweiten und gegebenenfalls in weiteren Schritten über den vom vorbestimmbaren Weg umschlossenen Bereich diesen vollkommen bedeckend gefuhrt wird.
Dadurch können flächige Oberflächenzonen ausgebessert werden, indem diese durch händische Steuerung mit der Laserstrahl-Einheit umfahren werden. Eine so umschlossene Fläche wird nunmehr mit Hilfe der automatischen Füllfunktion vollständig bedeckt, wobei der Lasersträhl durch einen programmierbaren Algorithmus innerhalb der durch den Weg vorgegebenen Grenzen die Fläche abfährt und so die flächige Zone füllt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass zur automatischen Laserstrahlfokussierung ein Hilfs-Lichtstrahl auf der Formkörperoberfläche reflektiert wird, und zur Höhenabstandsbestimmung ein an sich bekanntes Lichtschnittverfahren verwendet wird.
Dadurch ist eine zuverlässige und für die verwendeten Zwecke mit ausreichender Genauigkeit durchführbare Abstandsvermessung erzielbar.
Gemäss einer anderen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur automatischen Laserstrahlfokussierung während des ersten und/oder zweiten Schrittes und gegebenenfalls in weiteren Schritten über einen ortsauflösenden Strahlungssensor ein Bild oder eine Bildfolge des vom Laserstrahl auf der Formkörp- eroberfläche hervorgerufenen Lichtfleckes erzeugt wird, und dass der Höhenabstand der Laserstrahl-Einheit entsprechend einem minimalen Lichtfleckdurchmesser automatisch eingestellt wird.
Diese Art der Abstandsbestimmung von der Formkörperoberfläche hat den Vorteil, dass ein ortsauflö- sender Detektor zur Messung der reflektierten Strahlung für die Bilderzeugung verwendet werden kann, der auch zur Temperaturmessung für die Optimierung des erfindungsgemässen Schweissprozesses einsetzbar ist.
Eine weitere Möglichkeit die Abstandsmessung durchzuführen, kann darin bestehen, dass zur automatischen Laserstrahifokussierung die Raumkoordinaten mindestens zweier Punkte des Formkörpers bestimmt werden, und dass aus der bekannten Geometrie des Formkörpers der Höhenabstand der Laserstrahl-Einheit errechnet wird.
Eine weitere genaue Abstimmung des erfindungsgemässen Verfahrens auf die jeweils vorliegenden Materialien und auf die Wünsche des Anwenders kann dadurch erreicht werden, dass für jede ermittelte Defektgeometrie jeweils Daten über die vorbestimmbare Breite und die Tiefe des Abtragvolumens gespeichert werden und mit diesen eine Steuerung der Laserstrahl-Einheit vorgenommen wird.
Weiters kann vorgesehen sein, dass während der Wechselwirkung des Lasers mit der Oberfläche, insbesonders mit der entstandenen Vertiefung, im zweiten Schritt die Temperatur im Bereich ausserhalb der Vertieffing gemessen und die Laserleistung in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur gesteuert wird.
Dadurch wird eine Überhitzung des Formkörpers während des Schweissvorganges vermieden. Es wird damit ein genau vorbestimmbarer Wärmeeintrag in den Formkörper erreicht, wobei durch die manuelle Führung der Laserstrahl-Einheit der Zugang zu schmalen Nuten, Rillen o. ä. erleichtert wird.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass während der Wechselwirkung des Lasers mit der Oberfläche, insbesonders mit der entstandenen Vertiefung und dem Metallpulver die räumliche Temperaturverteilung in der und im Bereich um die Schweissraupe gemessen wird und die Förderrate des Metallpulvers in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Schweissraupe und dem umgebenden Material gesteuert wird.
Durch die Bestimmung der Differenztemperatur zwischen Schweissraupe und der Umgebung der Vertiefung kann auf die bei der Verschweissung entstehende Qualität der Verbindung rückgeschlossen werden, da ein guter Wärmeschlüss, der gleichbedeutend mit einer geringen Temperaturdifferenz zwischen Substrat und Vertiefung ist, eine gute Schweissqualität bedeutet.
Gemäss einer anderen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass nach dem zweiten Schritt die Schweissraupe umgeschmolzen, gehärtet und/oder angelassen wird, wobei der gespeicherte Weg mit entsprechend geänderter Geschwindigkeit, Fokussierung und Leistung des Laserstrahles nochmals durchlaufen wird.
Durch diese nach dem Schweissen vorzunehmende Wärmebehandlung, die mit denselben Mitteln wie die des Abtragens und des Schweissens erfolgen kann, können die Materialeigenschaften der Schweissraupe dem umgebenden Material weitestgehend angepasst werden.
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Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem Beschichtungen komplexer Teile durchgeführt werden können.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch gelöst, dass durch Wechselwirkung des gerichteten Laserstrahles die Oberfläche mit aufgetragenem Metallpulver verschweisst wird, wobei nachfolgend gegebenenfalls der verschweisste Teil in weiteren Schritten mit dem Lasersträhl wärmebehandelt, gehärtet und/oder angelassen o. ä. und wieder geglättet wird.
Dabei wird auf einer Oberfläche ein punktförmiger oder strichförmiger Bereich beschichtet, in dem der Laserstrahl das aufgetragene Pulver mit der Oberfläche verschweisst. Dadurch kann je nach Wahl des Metallpulvers auch gleichzeitig ein bereichsweises Härten der Oberfläche erfolgen. Soll die gesamte Oberfläche beschichtet werden, kann diese mit einem Strich neben dem anderen überdeckt werden.
Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass eine höhenversetzt zur Oberfläche des Metallformkör- pers räumlich bewegbare und in ihrer Bewegung manuell steuerbare Laserstrahl-Einheit und/oder Formkörperaufnahme vorgesehen ist, welche Laserstrahl-Einheit und/oder Formkörperaufnahme eine Vorrichtung zur Aufzeichnung und Speicherung der Raumkoordinaten von ihr zurückgelegter Wegstrecken, ein Koppelglied zur Einkopplung eines Laserstrahles auf die Formkörperoberfläche, eine Fokussieroptik zur Fokussierung des eingekoppelten Laserstrahles und Mittel zur automatischen Fokussierung des Laserstrahles auf die Formkörperoberfiäche umfasst.
Dadurch ist die Laserstrahl-Einheit entlang manuell führbarer Wege der Formkörperoberfläche bewegbar, sodass auch komplizierte Defektstrukturen direkt erfasst werden können. Es besteht die Möglichkeit, zuerst den zu beschreitenden Weg zu speichern, indem die Laserstrahleinheit entlang der zu verbessernden Wege geführt wird, und danach den ersten und/oder zweiten Verfahrensschritt und gegebenenfalls weitere Schritte automatisch ablaufen zu lassen, oder aber auch beim manuellen Abfahren der zu reparierenden Positionen auf dem Formkörper gleich das Vorbehandeln der Oberfläche durch Aufschmelzen und Wegblasen der gestörten Volumina vorzunehmen und dabei den zuruckgelegten Weg zu speichern.
Weiters kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die Mittel zur automatischen Fokussierung einen Hilfslaser umfassen, der auf die Oberfläche des Formkörpers gerichtet ist.
Dadurch kann unter Anwendung des an sich bekannten Lichtschnittverfahrens der Abstand der Laserstrahl-Einheit zum Formkörper immer genau auf die Fokusdistanz eingestellt werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Laserstrahl-Einheit weiters einen Strahlungsdetektor zum Ermitteln der räumlichen Temperaturstrahlungsverteilung im Bereich der Laserwechselwirkungszone, Mittel zur Strahlteilung zum Trennen von eingekoppeltem Laserstrahl und Temperaturstrahlung der Oberfläche und Mittel zur Wellenlängenfilterung der Temperaturstrahlung umfasst.
Auf diese Weise kann über die aus der Messung der Temperaturstrahlung erhaltene Information eine Temperaturmessung während des Schweissprozesses vorgenommen werden und dabei sofort eine Stellgrö- sse für die Beeinflussung der für den Schweissprozess wichtigen Parameter wie Laserleistung und Pulverförderrate generiert werden. Weiters kann der Strahlungsdetektor auch zum Abstandsbestimmen herangezogen werden, da durch sein räumliches Auflösungsvermögen der Lichtfieckdurchmesser des konischen Laserstrahles auf der Formkörperoberfläche bestimmbar ist.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Laserstrahl-Einheit weiters eine Metallpulverzufuhreinrichtung zum Auftragen eines Metallpulvers auf die Oberfläche, insbesonders in die abgetragene Vertiefung der Formkörperoberfläche während des Schweissens umfasst.
Durch die direkte Kopplung der Düse mit der Lasersträhl-Einheit ergibt sich der Vorteil, die Düse nicht getrennt führen zu müssen. Ein Richtungswechel beim Durchlaufen des Weges erfordert dabei entweder eine Verschwenkung der Pulverzuführung, um die bestmögliche Verschweissung zu erreichen, sodass für das Verschwenken geeignete Vorrichtungen vorgesehen werden müssen, oder aber eine starre Pulverzuführung mit einer entsprechenden Verschwenkung und Richtungsänderung durch eine entsprechende Werkstuck-
Positioniereinheit. Besonders günstig ist es, wenn das Pulver konzentrisch zum Laserstrahl, beispielsweise über Düsensysteme, zugeführt wird.
In diesem Zusammenhang kann weiters vorgesehen sein, dass die Laserstrahl-Einheit weiters eine Gasstrahleinheit zum Ausblasen der geschmolzenen Volumensbereiche umfasst.
Dadurch lässt sich eine direkte räumliche Kopplung von Laserstrahl-Einheit und Gasstrahleinheit erreichen, wobei letztere aufgeschmolzene Volumina ausbläst und daher entlang des Weges der Laserstrahl-
Einheit mitgeführt werden muss.
Als besonders bevorzugte Ausführungsform eines Bewegungsmittels kann vorgesehen sein, dass die
Lasersträhl-Einheit auf einer Verschiebeeinheit angeordnet ist, mit der die Laserstrahl-Einheit entlang
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mehrerer, vorzugsweise orthogonaler, Achsen verschiebbar und gegebenenfalls um diese verdrehbar ist. Zusätzliche Dreh- und Translationsachsen der Formkörperaufnahme sind weiter mögliche Ausführungsformen der Vorrichtung.
Auf diese Weise können auch sehr komplizierte Formgebungen des Formkörpers für das erfindungsgemässe Verfahren erreicht werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann das Koppelglied zur Einkopplung eines Laserstrahles aus einer Lichtleitfaser gebildet sein, die an ihrem einen Ende mit einem den Laserstrahl erzeugenden Laser verbunden und mit ihrem anderen Ende an die Laserstrahl-Einheit angeschlossen ist.
Dadurch kann die hochenergetische Laserstrahlung völlig unabhängig von der bewegbaren LaserstrahlEinheit erzeugt und dem Formkörper zugeführt werden.
Dabei kann in bevorzugter Weise der Laser ein Nd : YAG- oder ein C02 Laser mit einer Leistung von vorzugsweise grösser als 500 W Maximalleistung sein.
Ein weiteres Merkmal kann sein, dass die Fokussieroptik aus einer Kollimations- und einer Fokussierlinse gebildet ist, die im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet sind.
Dadurch ergibt sich eine feste Fokuslänge, sodass mittels der automatischen Fokussierung immer der Abstand von Formkörperoberfläche zu Laserstrahl-Einheit konstant gehalten werden muss, um die benötigte Energiebündelung zu erreichen. Alternativ dazu ist auch ein in sich selbst verstellbares Linsensystem ausführbar, bei dem die automatische Fokussierung durch Verschieben der Linsen und nicht durch Konstanthalten des Abstandes von Oberfläche zu Lasenstrahl-Einheit geschieht.
Weiters kann vorgesehen sein, dass der Strahlungsdetektor entlang der optischen Achse der Fokussieroptik angeordnet ist, wobei zwischen der Fokussieroptik und dem Strahlungsdetektor die Mittel zur Strahlteilung, vorzugsweise ein halbdurchlässiger Spiegel, angeordnet sind, über den der normal zur optischen Achse der Fokussieroptik eintreffende Laserstrahl in die optische Achse der Fokussieroptik umgelenkt wird.
Auf diese Weise kann der Laserstrahl auf die Formkörperoberfläche gerichtet und gleichzeitig die dabei entstehende Temperaturstrahlung vermessen werden.
Vorzugsweise ist dabei der Strahlungsdetektor als ein ortsauflösendes Quotientenpyrometer ausgeführt, welches in besonders bevorzugter Weise in Form einer CCD-Matrix vorliegen kann, wodurch eine sehr einfache und schnelle Verarbeitung der anfallenden Information in einem Rechner erfolgen kann.
Schliesslich kann ein weiteres Merkmal der Erfindung darin bestehen, dass der Metallformkörper um eine, vorzugsweise durch eine Symmetrieachse, verlaufende Schwenkachse, vorzugsweise auf einem Drehtisch verschwenkbar gelagert ist.
Auf diese Weise kann sich bei einfachen Formkörpergeometrien die Achsenverschiebbarkeit der Laserstrahl-Einheit auf drei Achsen beschränken. Durch Verschwenken des Formkörpers können die gewünschten Bereiche seiner Oberfläche unter den Laserstrahl gebracht werden.
Nachfolgend wird nun die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele eingehend erläutert. Dabei zeigt :
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil einer defekten Formkörperoberfläche ;
Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Laserstrahl- Einheit ;
Fig. 3 eine Verschiebeeinheit für eine erfindungsgemässe Laserstrahl-Einheit ;
Fig. 4 ein Blockdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens und
Fig. 5 eine Seitenansicht einer Formkörperaufnahme.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Teil eines metallischen Werkzeuges 3 abgebildet, der einen von der Oberfläche sich in die Tiefe des Materials, z. B. Stahl, erstreckenden Riss 1, der typisch etwa 1 mm tief ist, aufweist, weicher durch Verschleisswirkung, die sich aufgrund der vielfachen Verwendung des Werkzeugrnaterials etwa bei Biege-, Stanz-, Giess oder Prägevorgängen einstellt, entstanden ist. Die Art des zu reparierenden Formkörpers und das Metall, aus dem dieser hergestellt ist, sind dabei im Rahmen der Erfindung keiner Einschränkung unterworfen. In vielen Fällen tritt ein solcher Riss wie in Fig. 1 an einer unzugänglichen Stelle auf wodurch die Reparatur erschwert wird. Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, die Reparatur der Oberfläche in folgender Weise vorzunehmen.
Die bei einer Untersuchung der Oberfläche des Werkzeuges mit freiem Auge bzw. unter Zuhilfenahme einer Vergrösserungsoptik festgestell- ten Schäden werden in ihrer Relativlage zu den formgebenden Kanten und Ecken vermessen. Dazu wird die Form der zu behandelnden Defekte manuell vorgegeben, um eine zeitraubende Programmierung des Rechners zu vermeiden. Die Vorgabe kann sowohl durch direktes, manuelles Abfahren der Geometrie, als auch durch einfaches Markieren auf einem Bildschirm erfolgen.
In einem ersten Schritt wird die Oberfläche 3 mittels eines auf das jeweils einen oder mehrere Defekte beinhaltende Volumen gerichteten Laserstrahls lokal, etwa in einem strichlierten Bereich 2, der den Riss 1 vollkommen beinhaltet, aufgeschmolzen und danach die flüssige Oberflächenschicht mittels eines Gasstrahles aus einer auf den beschädigten Bereich
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gerichteten Düse 5 mit Kanal 4 ausgetrieben. Auch ein Absaugen der Schmelze ist möglich. Die entstehende Abluft wird abgesaugt und durch einen entsprechenden Filter einer Reinigung zugeführt. Es können auch stark oxidierte Oberflächenbereiche auf diese Weise abgetragen werden.
In einem nachfolgenden zweiten Schritt wird ein für das Verschweissen geeignetes Metallpulver mittels einer Fördereinrichtung in die durch das Ausblasen entstandene Vertiefung eingebracht und unter Wechselwirkung des Laserstrahles mit dem Metallpulver und dem Werkstück verschweisst. Die dabei entstehende Schweissraupe, welche gewöhnlich über die ursprüngliche Oberfläche vorsteht, wird danach wieder geglättet, sodass der beschädigte Oberflächenteil vollkommen durch neues Material ersetzt und ausgebessert worden ist. In weiteren Verfahrensschritten kann eine gezielte Wärmebehandlung durch Härten oder Anlassen der Formkörperoberfläche durchgeführt werden.
Die Oberflächenschäden können nicht nur punktuell in die Tiefe reichen, sondern erstrecken sich in den meisten Fällen auch linienförmig oder flächig entlang der Oberfläche. Daher wird der Laserstrahl in den beiden Verfahrensschritten entlang dieser Linien verschoben und das Materialabtragen bzw. das Verschwei- ssen durchgeführt. Ist ein Defekt ausgebessert, kann zum nächsten übergegangen werden.
In den Fällen einer flächenförmigen Schädigung werden diese über verschiedene vorwählbare Muster, vorzugsweise Linien, erfasst und anschliessend abgefahren. Dies gilt für sämtliche Bearbeitungsschritte. Um das Reparaturschweissen mit geringem Zeit- und Kostenaufwand und mit hoher Qualität durchführen zu können, wird erfindungsgemäss in einem dem ersten vorangehenden Hilfsschritt, der wahlweise auch gleichzeitig mit dem ersten oder zweiten Schritt ausführbar ist, die den Laserstrahl erzeugende LaserstrahlEinheit oberhalb der Metallformkörperoberfläche entlang eines manuell bestimmbaren Weges geführt, wobei der zur Fokussierung des Laserstrahles erforderliche Höhenabstand der Laserstrahl-Einheit von der Formkörperoberfläche laufend automatisch eingestellt wird.
Die dabei durchlaufenen Raumkoordinaten, vorzugsweise relativ zur Metallformkörperoberfläche, werden gespeichert und im zweiten und gegebenenfalls im ersten Schritt und weiteren Schritten die Laserstrahl-Einheit anhand der während des Hilfsschrittes oder des ersten Schrittes gespeicherten Raumkoordinaten automatisch entlang des im Hilfsschritt oder ersten Schritt durchlaufenen Weges mit fokussiertem Laserstrahl geführt.
Die manuelle Führung der Laserstrahl-Einheit kann dabei entweder direkt durch händisches Verschieben mit Hilfe einer Knüppel-Steuerung oder z. B. über Vorgabe auf einem Bildverarbeitungssystern, das eine räumliche Bewegungseinheit ansteuert, geschehen. Essentiell dabei ist, den von der Laserstrahl-Einheit zu durchlaufenden Weg direkt durch Verfolgen der Defekte zu erfassen, wodurch nicht erst vorher eine komplizierte und zeitraubende Programmierung vorgenommen werden muss.
Bei flächigen Oberflächen defekten wird der manuell vorbestimmbare Weg der Laserstrahl-Einheit geschlossen um einen Oberflächenbereich des Formkörpers geführt und die Laserstrahl-Einheit mittels einer vorbestimmbaren Füllfunktion, vorzugsweise in Form von Linien, im zweiten und gegebenenfalls in weiteren Schritten über den vom vorbestimmbaren Weg umschlossenen Bereich diesen vollkommen bedeckend geführt. Dadurch kann eine automatische Bearbeitung von flächigen Bereichen erfolgen, ohne dass die Koordinaten jedes einzelnen Flächenelementes erfasst und gespeichert werden müssen.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich jedoch auch zur effizienten Beschichtung komplexer Teile, wenn anstelle des ersten Schrittes nur der zweite Schritt durchgeführt wird. Dabei wird auf einer Oberfläche ein punktförmiger oder strichförmiger Bereich beschichtet, indem der Laserstrahl das aufgetragene Pulver mit der Oberfläche verschweisst. Dadurch kann je nach Wahl des Metallpulvers auch gleichzeitig ein bereichsweises Härten der Oberfläche erfolgen. Soll die gesamte Oberfläche beschichtet werden, kann diese mit einem Strich neben dem anderen überdeckt werden.
Um den erforderlichen Abstand der Laserstrahl-Einheit gegenüber der Formkörperoberfläche einzuhalten, können verschiedene Laserstrahlfokussierungsmethoden angewandt werden. So kann etwa durch Reflexion eines Hilfs-Lichtstrahles auf der Formkörperoberftäche ein bekanntes Lichtschnittverfahren für
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einen entsprechenden Vorschub in eine fokussierte Stellung derselben durchführt.
Eine weitere Möglichkeit der Höhenabstandsteuerung besteht in der Verwendung eines ortsauflösenden Strahlungssensors, der den vom Laserstrahl auf der Formkörperoberfläche hervorgerufenen Lichtfleck in ein Bild oder eine Bildfolge wandelt, und aus der so gewonnenen Information den Durchmesser des Lichtflekkes bestimmt. Eine die Laserstrahl-Einheit bewegende Höhenvorschubeinheit wird dann so angesteuert, dass sich ein minimaler Lichtfleckdurchmesser einstellt.
Eine weitere Möglichkeit der automatischen Fokussierung bietet sich durch das Bestimmen der Raumkoordinaten mindestens zweier Punkte des Formkörpers von der Laserstrahl-Einheit, sodass aufgrund der bekannten Geometrie des Formkörpers der Höhenabstand der Laserstrahl-Einheit in jeder Position errechnet werden kann. Höhendifferenzen durch Defekte werden durch den ersten Verfahrensschritt
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ausgeglichen, da hier bis zu einer vorbestimmbaren Tiefe Material unter Nachführung der Fokuslage abgetragen und so eine definierte Oberfläche geschaffen wird.
Die im Hilfschritt aufgenommenen Raumkoordinaten des von der Laserstrahl-Einheit zurückgelegten Weges werden erfasst und gespeichert, wobei zu diesen Daten jeweils weitere Daten über die Breite und die Tiefe des gewünschten Abtragvolumens mitgespeichert werden können. Es können auch die entsprechenden Parameter für den zweiten Verfahrensschritt mit aufgezeichnet werden.
Um das erfindungsgemässe Verfahren durchführen zu können, wird eine in Fig. 2 und 3 dargestellte Vorrichtung verwendet, die eine oberhalb der Oberfläche des Metallformkörpers räumlich bewegbare und in ihrer Bewegung manuell steuerbare Laserstrahl-Einheit 16 aufweist, welche eine nicht dargestellte Vorrichtung zur Aufzeichnung und Speicherung der Raumkoordinaten der von ihr zurückgelegten Wegstrecken, ein Koppelglied 20 zur Einkopplung eines Laserstrahles auf die Formkörperoberfläche, eine Fokussieroptik 10 zur Fokussierung des eingekoppelten Laserstrahles und nicht dargestellte Mittel zur automatischen Fokussierung des Laserstrahles auf die Formkörperoberfläche umfasst.
Die in Fig. 3 auf einer Verschiebeeinheit angeordnete Laserstrahl-Einheit 16 ist entlang dreier Achsen 12,13, 14 verschiebbar und zusätzlich um die Achse 13 verschwenkbar gelagert, sodass eine weitgehende Verstellbarkeit gegeben ist. In weiteren Ausführungsformen ist eine entlang mehrerer Achsen bewegliche, mindestens jedoch um eine vertikale Achse drehbare Probenaufnahme möglich.
Die Mittel zur automatischen Fokussierung sind durch einen nicht eingezeichneten Hiifstichtstrah) gebildet, der mittels eines niederenergetischen Ziellasers über einen Strahlteiler 6 auf die Oberfläche des Formkörpers gerichtet und dort reflektiert wird. Zur Höhenabstandsbestimmung wird ein an sich bekanntes Lichtschnittverfahren angewendet.
Der Strahlungsdetektor 7 ist gemäss Fig. 2 entlang der optischen Achse der Fokussieroptik 10 angeordnet, wobei zwischen der Fokussieroptik 10 und dem Strahlungsdetektor 7 die Mittel zur Strahlteilung 9, vorzugsweise ein halbdurchlässiger Spiegel, angeordnet sind, über den der normal zur optischen Achse der Fokussieroptik 10 eintreffende Laserstrahl in die optische Achse der Fokussieroptik 10 umgelenkt wird.
Die Laserstrahl-Einheit 16 umfasst somit einen Strahlungsdetektor 7 zum Ermitteln der räumlichen Temperaturstrahlungsverteilung im Bereich der Laserwechsetwirkungszone. Um dabei eine möglichst direkte Verwertung der von der Schweissstelle ausgehenden Strahlung zu erlangen, ist ein Strahlteiler 9 zum Trennen von eingekoppeltem Laserstrahl und Temperaturstrahlung der Oberfläche vorgesehen. Zur Erfas-
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lengang eingefügt..
Um eine gleichbleibende Qualität der Materialbearbeitung auch für lange Risse und grosse bearbeitete Flächen zu erlangen, wird die Werkstücktemperatur bzw. die Temperatur der aufgeschweissten Raupe gemessen und zur Regelung der Laserausgangsleistung verarbeitet. verwendetes ortsauflösendes Quoten- tenpyrometer, welches aus einer CCD-Matrix 7 und der zugehörigen Elektronik aufgebaut ist. Die aus der Pixelmatrix des CCD-Sensors in einem Rechner errechneten Temperaturwerte, die Substrattemperatur und die Temperaturdifferenz zwischen Werkstück und Raupe werden über Regeleinheiten 26 und 27, vorzugsweise PID-Regler zur Steuerung der Laserleistung und der Pulverförderrate weitergeleitet. Ein zugehöriger schematischer Schaltplan der einzelnen Funktionseinheiten ist aus Fig. 4 zu ersehen.
Die CCD-Matrix 7 misst die Werkstücktemperatur anhand dessen Schwatzkörperstrahlung, die zur Regelung der Laserleistung über den zentralen Rechner 20 weiterverarbeitet wird. So erfolgt die Grundregelung in der Art, dass bei längerer Bearbeitungsdauer sich die Temperatur des Werkstückes erhöht, woraufhin die Laserleistung über den PID- Regler 27 entsprechend abgesenkt wird, um eine Überhitzung zu vermeiden. Das erforderliche Signal kann ermittelt werden, indem der Mittelwert aller Pixelsignale der CCD-Matrix gebildet wird, die unterhalb einer vorbestimmbaren Schwelle liegen.
Der CCD-Detektor 7 ist direkt an der Laserstrahl-Einheit angebracht und misst die vom Werkstück abgegebene Strahlung über den Strahlteiler 9, der einerseits den Laserstrahl einblendet und andererseits die reflektierte Strahlung zum Detektor hin durchlässt.
Um eine gute Verschweissung der Raupe mit ihrem umgebenden Formkörpermaterial zu erreichen, wird die Differenztemperatur zwischen Formkörpermateria ! und Schweissraupe laufend gemessen. Zur Bestimmung der Temperaturdifferenz wird die ermittelte Formkörpertemperatur von der Raupentemperatur subtrahiert. Die Raupentemperatur ergibt sich als Mittelwert aller Pixelsignale des CCD-Detektors, die eine vorbestimmbare Temperatur (Strahlungintensität) überschreiten. Bei guter Verschweissung garantiert der entsprechend gute Wärmeschluss eine geringe Absoluttemperatur der Raupe und eine kleine Differenztemperaur zum umgebenden Formkörpermaterial.
Daher kann die Differenztemperatur über den Rechner als Regelgrösse für den PtD-Regter 26 zur Düsensteuerung Verwendung finden, welcher auf die Fördermenge des Metallpulvers einer auf die Schweissstelle gerichtete Pulverdüse über eine Steuerung 25 wirkt. Je nach gewünschter Raupenstärke und
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gewähltem Pulver wird eine Pulverförderrate an der entsprechenden Fördereinrichtung eingestellt.
Als Fokussieroptik 10 ist eine Kollimations- und eine Fokussierlinse im Strahlengang des Laserstrahles angeordnet. Als das Laserlicht erzeuqende Quelle kommt beispielsweise ein Materialbearbeitungslaser, z. B. ein ND : YAG- oder C02-Laser in einem Leistungbereich über 500 W Maximalleistung zum Einsatz. Nicht dargestellt in den Figuren ist das für das Schweissen benötigte Pulverfö, rdersystem welches ein für das Schweissen geeignetes Metallpulver oder eine Metallpulvermischung über eine Düse dem Wechselwirkungsbereich Formkörpermateria) und Laser zuführt. Die Düse ist vorzugsweise konzentrisch zur Strahlachse angeordnet, um eine Richtungsunabhängigkeit der Schweissung zu gewährleisten.
Während des ersten Verfahrensschrittes, in dem das beschädigte Material aufgeschmolzen und abgetragen wird, wird somit die Fokuslage auf der Werkstückoberfläche immer automatisch augepasst und die entstehende Schmelze mittels eines Gasstrahles ausgetrieben. Dabei sollte sichergestellt sein, dass die Position der Düse relativ zur Vorschubrichtung konstant bleibt. Dies wird entweder durch eine vorzugsweise seitlich um den Laserkopf schwenkbar angeordnete Düse oder aber durch eine feste Vorschubrichtung des Laserkopfes und eine Drehung des Werkstückes erreicht.
Im zweiten Verfahrensschritt kann der Strahlfokus wahlweise verlagert werden, wobei die Temperatur des Werkstückes ständig überwacht wird. Da sämtliche Daten über den Verlauf der Defekte bereits gespeichert sind, braucht der Weg über die Werkstückoberfläche, der während des Hilfschrittes oder des ersten Verfahrensschrittes zurückgelegt worden ist, nur nochmals zurückgelegt werden. Die Fokusebene wird je nach den Prozessparametern beibehalten oder um einen vorbestimmbaren Betrag gegenüber dem ersten Schritt versetzt. Die typischen Vorschubgeschwindigkeiten betragen 0, 1 bis 1 m/min. Im Falle einer seitlich am Laserkopf angeordneten Pulverdüse ist während der Verfahrensschritte die Orientierung der Düse zur Vorschubrichtung konstant zu halten.
Nach dem Schweissen kann die Schweissnaht umgeschmolzen, gehärtet oder angelassen werden. Auch dieser Verfahrensschritt kann mit den Daten des ersten Verfahrensschrittes erfolgen.
Eine Verschiebeeinheit gemäss Fig. 3 kann beispielsweise zur Reparatur von einfachen Gussformen verwendet werden. Aus Sicherheitsgründen ist die dafür verwendete Bearbeitungsstation vollständig gekapseit und kann Werkstücke etwa in der Grösse 800 x 800 x 300 mm aufnehmen. Bei nicht allzu komplizierten Geometrien wird davon ausgegangen, dass ein Verkippen des Laserkopfes nicht notwendig ist. Die zu bearbeitenden Flächen sind in etwa senkrecht zum Laserstrahl ausgerichtet und befinden sich lediglich in verschiedenen Höhen relativ zur Laserstrahl-Einheit, welche in drei orthogonalen Achsen (x-y-z-Achse) verfahrbar ist (Fig. 5).
Zur Steuerung des Vorschubes dienen für den Fall einer konzentrisch zum Strahlengang angeordneten Puiverdüse genauso wie im Fall einer um die Strahlachse drehbaren Düse die x-und y-Achsen 12 und 13. Diese können anstelle des Laserkopfes wahlweise auch die Formkörperaufnahme bewegen. Im Falle einer starren seitlichen Pulverdüse erfolgt die Richtungsänderung über einen Drehtisch für die Formkörperaufnahme. Ein durch eine exzentrische Drehung hervorgerufener Versatz wird über die x-und y-Achsen kompensiert. Die Nettoverschubrichtung und Geschwindigkeit wird entlang einer Achse vorgegeben. Hierdurch wird die Orientierung der Düse zur Vorschubrichtung stets konstant gehalten. Es ist notwendig, die Geschwindigkeit des resultierenden Nettovorschubes konstant zu halten.
Die Verfahrgeschwindigkeiten der drei Achsen werden daher aufeinander abgestimmt, so dass die aus der Schwenkung resultierende yGeschwindigkeit durch eine Verschiebung entlang der y-Achse gerade kompensiert wird. In x-Richtung muss nach der Addition der Komponenten aus Drehung und Translation die Vorschubgeschwindigkeit resultieren.
Der Formkörper, der z. B. ein Werkstück sein kann, ist dabei, wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, auf einem Drehtisch 38 um eine beliebige vertikale Schwenkachse, welche vorzugsweise eine Symmetrieachse des Formkörpers darstellt und durch einen Drehpunkt 31 auf dem Drehtisch 38 verläuft, verschwenkbar gelagert. Die Schwenkachse liegt dabei parallel zur Strahlachse, ohne jedoch mit ihr identisch zu sein zu müssen. Die Strahlachse, welche in Fig. 5 in der z-Achse des Koordinatensystems verläuft, ist dabei durch die Laserstrahl-Einheit 16 mit einer seitlich angeordneten Metallpulverzuführdüse 34 vorgegeben. Sind Schwenkachse und Strahlachse nicht identisch, so resultiert aus jeder Drehung des Drehtisches 38 ein Versatz des Bearbeitungspunktes 32 auf dem Drehtisch bzw. auf dem nicht dargestellten Werkstück.
Dieser wird durch Nachführung des Laserkopfes entlang der x-y-Achsen kompensiert. Zu der Nachführbewegung wird dann der eigentliche Prozessvorschub, z. B. entlang der x-Achse addiert. Auf diese Weise kann die Richtung der Bearbeitungslinie auf dem Werkstück selbst bei starren Düsen variiert werden.
Als Bearbeitungslaser dient beispielsweise ein 1 kW Nd : YAG-Laser, der über eine Lichtleitfaser in die Laserstrahl-Einheit eingekoppelt und von dort auf das Werkstück fokussiert wird. Die Gasdüse und die Pulverdüse sind in einem Winkel von ca. 30'zur Vertikalen geneigt am Laserkopf befestigt. Dieser Winkel kann zur Regelung der Pulverförderung gesteuert werden. Die CCD-Matrix, die für das Quotientenpyrometer und die Abstandsbestimmung gleichzeitig genutzt werden, ist in der Laserstrahl-Einheit integriert. Zur
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Bestimmung des Abstandes während des Hilfsschrittes oder des ersten Schrittes wird ein Ziellaser verwendet. Das reflektierte Signal gelangt teilweise in den Detektor. Aus der Ausdehnung des Lichtpunktes wird der Abstand zum Werkstück errechnet.
Nach dem Hilfsschritt besteht die Möglichkeit die Breite und Tiefe der abzutragenden Schicht anzugeben, um besonders breite oder tiefe Risse schweissen zu können.