CN113165106A - 调节式粉末沉积焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种激光沉积焊接方法，其中，在表面(46)上借助激光束(18)生成包括至少一种熔化填充材料的熔池(56)以产生涂层(60)，所述激光束(18)照射到所述熔池(56)上，其中，所述填充材料借助所述激光束(18)在距所述熔池(56)一定距离处熔化，从而所述填充材料以完全熔化的形式被导入到所述熔池(56)，其中，所述激光束(18)在所述表面上的入射点(53)沿所述表面以至少20m/min的相对速度移动，其中，借助测量装置(48)至少暂时地检测所述产生的涂层(60)的层厚度(d)和/或表面特性，其中，当所述检测到的层厚度(d)和/或表面特性偏离额定尺寸时，触发动作。

Description

调节式粉末沉积焊接方法

技术领域

本发明涉及一种激光沉积焊接方法。本发明还涉及所属的构件、属于其的装置以及属于其的调节装置。

背景技术

常规的激光沉积焊接在现有技术中是众所周知的。在这里，构件的表面借助激光束而熔化，并且粉末状填充材料被导入到在这里构造的熔池。然后粉末也在熔池中熔化，从而在熔化的粉末材料和表面固化之后，形成材料配合连接的、尤其是熔化冶金连接的材料层。该过程可以根据应用情况在表面的不同位置处或者也通过工件表面的较大连续区域执行，从而可以借助激光沉积焊接来施加3D形状。此外，也可以在表面上堆叠地构造由不同材料制成的多个材料层。对于沉积了金属材料的情况，该沉积方法也称为“激光金属沉积(Laser Metal Deposition)”(LMD)。激光沉积焊接的典型应用领域可以在维修、涂层和连接技术领域中找到。

先前从DE102011100456B4中已知所谓的极高速激光沉积焊接(EHLA)。根据该方法，与常规的激光沉积焊接相比，通过以下方式实现了可获得的处理速度的显著提高，即，将至少一种填充材料以完全熔化的形式导入到存在于待处理表面上的熔池。为此，最初尤其是呈粉末状存在的填充材料借助激光束在距熔池大于零的距离处熔化，然后以完全液态的形式导入到熔池。在这里，可以通过相同的激光束在距熔池的指定距离处进行填充材料、尤其是粉末的熔化以及进行熔池的加热。入射到熔池上的激光束还会引起填充材料在距熔池的指定距离处的熔化。这是通过将熔池和激光束的焦点以至少20m/min的速度相对于表面彼此平行移动来实现的。此外，在粉末状填充材料的情况下，可以尤其如此设定粉末密度，使得熔池中的激光束的激光功率小于激光束与粉末接触之前的激光功率的60％。尽管可以借助EHLA方法显著提高激光沉积焊接过程的处理速度，然而已经证实，不能可靠地确保通过激光沉积焊接施加的涂层的容许公差，尤其是均匀的层厚度。

发明内容

因此，本发明基于的目的是改进EHLA方法。

该目的通过具有权利要求1的特征的一种激光沉积焊接方法来实现。因此，提出了一种激光沉积焊接方法，其中，在表面上借助激光束生成包括至少一种熔化填充材料的熔池以产生涂层，所述激光束入射到所述熔池上。在这里，所述填充材料借助所述激光束在距所述熔池一定距离处熔化，从而所述填充材料以完全熔化的形式被导入到所述熔池。此外，所述激光束在所述表面上的入射点沿所述表面以至少20m/min的相对速度移动。此外，至少暂时地借助测量装置检测所述产生的涂层的层厚度和/或表面特性。最后，当所述检测到的层厚度和/或表面特性偏离额定尺寸时，触发动作。

因此，所述相对速度是所述待涂层表面相对于所述激光束在所述表面上的入射点移动的速度。在这里，所述激光束如此入射到所述表面上，使得在所述表面上形成熔池。因此，还可以说，所述入射点以及因此所述熔池沿着所述表面以至少20m/min的速度位移。

所述额定尺寸可以是特定值，例如额定层厚度。另一方面，也可以设想的是，所述额定尺寸是范围，例如所述层厚度的公差范围。

对所述层厚度和/或表面特性的检测可以暂时借助所述测量装置进行。不过，尤其地，可以在整个激光沉积焊接过程期间执行检测。由此可以可靠地监视所述方法。

表面特性可以尤其是粗糙度、波纹度和/或沟槽和/或孔的存在和特性。因此，作为对所述层厚度的附加或替代，可以例如检测上述表面特性之一。

通过当所述检测到的层厚度和/或表面特性偏离额定尺寸时触发动作，可以尤其在允许公差内确保涂层产生。因此，尽管在EHLA方法中具有高的处理速度，仍可以实现足够高质量的涂层。

有利地，所述填充材料在借助激光束熔化之前以粉末、金属线、带或板条的形式存在。然后，固体填充材料在激光束撞击时熔化并且以完全熔化的形式被导入到熔池。

本发明的一个有利的设计方案规定的是，所述额定尺寸是所述层厚度的公差范围或所述层厚度的所述公差范围内的范围，其中，当所述检测到的层厚度超出所述额定尺寸时，触发所述动作。因此，可以设想的是，借助所述激光沉积焊接过程施加的涂层的层厚度可以在公差范围内。因此，公差范围可以包括下限值和上限值。另一方面，额定尺寸也可以在公差范围内，从而上下限值仍在公差范围内。由此，可以尤其确保的是，所生成的涂层不超出允许公差。

如果确定为所产生的层厚度低于极限值或高于极限值，则可以相应地触发动作，以便因此尤其实现具有在公差范围内的层厚度的表面涂层。

特别优选的是，所述动作是适配所述相对速度。由此，可以以特别简单而有效的方式实现涂层特性、尤其是层厚度的适配。因此，如果在涂层过程期间确定为例如超过层厚度的额定尺寸的上限值，从而层厚度太大或有可能变得太大，则可以提高相对速度，以便可以在填充材料质量流量恒定，尤其是粉末质量流量恒定的情况下减小涂层厚度。

本发明的一个有利的改进方案规定的是，所述表面绕旋转轴线旋转以生成所述相对速度。因此，所述表面可以是旋转运动的构件的表面。在这里，所述表面可以尤其构造成旋转对称的。尤其地，也可以设想的是，所述整个构件是旋转对称的。在这里，所述构件可以是制动盘、活塞或气缸。

在此方面，特别可以设想的是，借助所述激光沉积焊接过程，将各个层迹线呈螺旋形从径向内部向径向外部或反之亦然地施加。因此，可以设想的是，具有所述待涂层表面的所述构件绕旋转轴线旋转，并且所述激光束逐步从径向外部向径向内部或反之亦然地移动，以便因此也使所述熔池呈螺旋形从径向内部向径向外部或反之亦然地呈螺旋形以至少20m/min的速度位移。能够以特别简单的方式适配所述表面的转速，从而能够以特别简单的方式适配所述表面相对于所述激光束的运动的相对速度。由此，可以特别简单且快速地对可旋转移动的构件进行涂层。然而，可以提供足够质量的涂层，尤其是在允许公差内的层厚度和/或具有足够高的表面品质，例如在允许公差内的粗糙度。

还可以设想的是，所述动作是适配激光功率。因此，如果检测到所检测的层厚度和/或表面特性与额定尺寸的偏差，则所触发的动作可以是适配激光器的功率。由此，可以尤其对所生成的涂层厚度产生影响，因此可以总体上实现具有相对较高的均匀性的涂层。如果例如额定尺寸是层厚度的额定范围并且超过上限值，使得层厚度可能变得太大或者太大，则可以尤其提高激光功率，以便填充材料流量恒定，尤其是粉末质量流量恒定的情况下使所生成的涂层厚度变得更薄。

尤其地，可以设想的是，在所检测到的层厚度太大的情况下，不仅提高相对速度，而且提高激光功率，以便在填充材料流量恒定，尤其是粉末质量流量恒定的情况下使涂层变得更薄。类似地，在所检测到的层厚度太小的情况下，可以降低相对速度和/或激光功率，以便在填充材料流量恒定，尤其是粉末质量流量恒定的情况下使涂层变得更厚。

在这里，特别优选的是，所述动作是改变所述导入的填充材料的数量，所述导入的填充材料可以尤其是以粉末形式存在。因此，所述动作也可以是适配所述填充材料流量，尤其是粉末质量流量。由此，也可以尤其是对所生成的层厚度产生影响。

还特别优选的是，所述动作是改变所述激光束相对于所述表面的位置。因此，除了在所述激光束的入射点与所述表面之间的预定的相对运动之外，还可以进行该位置适配。用于生成所述激光束的位置适配的装置可以尤其布置在线性驱动器处。因此，在用于生成相对运动的可旋转移动的构件的情况下，可以尤其从径向外部向径向内部或反之亦然地改变所述激光束的位置。在这里，可以例如适配轨迹偏移或进给速度，以便也对所生成的涂层产生影响。如果在可旋转移动的构件的情况下呈螺旋状施加涂层，则例如可以设想的是，可以通过适配所述激光束的位置来改变线圈间距。

还可以设想的是，所述动作是输出警告，尤其是可以在视觉、听觉和/或触觉上感知到的警告。附加地或替代地，可以停止所述EHLA方法。由此，可以提供特别简单的动作。尤其地，可以由此省略相对复杂的调节策略。在输出警告之后，操作员可以尤其手动对激光沉积焊接过程的可变参数产生影响。同样地，可以在停止之后适配单个或多个参数，以便随后使用新的构件再次开始所述方法或继续进行对相同构件的涂层。

优选地，所述相对速度为100m/min至800m/min，优选为200m/min至600m/min，更优选为200m/min至450m/min，进一步优选为300m/min至400m/min。由此，可以实现特别高的沉积速度以及因此涂层速度。因此，尤其地，所述EHLA方法也可以用于批量生产构件。例如，可以由此比较经济地对客车、货车和轨道车辆的制动盘进行涂层。

本发明的一个特别优选的改进方案由以下得出，即，所述测量装置构造成生成光截面。光截面法是从现有技术中已知的。在此涉及一种光学3D测量技术的方法，该方法尤其使得能够沿着投影光线测量高度轮廓。例如，能够以4kHz进行光截面扫描。在这里，所述层厚度可以尤其是在所述表面的未涂层部分和所述表面的刚涂层部分之间的差异。如果借助所述EHLA方法施加了相同材料或不同材料的多个层，则所述差异也可能是在前一层与刚产生的另一层的部分之间的差异。还可以设想的是，所述测量装置构造成生成条状投影。

替代地，还可以设想的是，使用不同的光学传感器来检测所述层厚度和/或表面特性。因此，可以例如设想使用光学相干断层扫描(OCT)，尤其是扫描式OCT。当前借助OCT的线的扫描速率约为100Hz。

开头提出的目的还通过一种构件来实现，所述构件包括已涂层表面，所述已涂层表面借助根据本发明的方法来产生。通过使用根据本发明的方法，可以尤其实现涂层厚度在允许公差内的涂层。附加地或替代地，可以实现在遵守一个或多个期望的表面特性(粗糙度，波纹度，沟槽和/或孔)的情况下的涂层。

本发明的一个特别优选的改进方案规定的是，所述已涂层表面是旋转对称的。由于旋转对称性，所述构件可以可旋转移动并因此特别简单且快速地被涂层。在这里，所述构件可以例如构造成制动盘、气缸或活塞。还可以设想的是，所述整个构件是旋转对称的。在这里，通过在旋转运动期间的所述构件的转速可以尤其是对所述层厚度产生影响，从而所述EHLA方法尤其适合用于批量生产例如用于客车、货车或轨道车辆的制动盘。

此外，开头提出的目的还通过一种用于执行根据本发明的方法的装置来实现，所述装置包括用于测量层厚度和/或至少一个表面特性的测量装置。在这里，所述测量装置可以尤其包括光学传感器。例如，所述测量装置可以构造成执行光截面法。在某些情况下，还可以设想用于执行扫描式OCT方法的构造。

最后，开头提出的目的还通过一种调节装置来实现，所述调节装置构造并设置成执行根据本发明的方法。所述调节装置可以由根据本发明的装置包括。所述调节装置可以尤其构造成评估由所述测量装置检测的测量数据。尤其地，可以确定所述层厚度和/或至少一种表面特性。基于此，所述调节装置可以适合用于适配工艺参数，例如所述激光束相对于所述表面的相对速度和/或位置。由此，可以实现调节式涂层，以实现确定的涂层特性，尤其是确定的层厚度。

在下面的描述中可以找到本发明的其他细节和有利的设计方案，在此基础上，对附图中所示的本发明的实施方式进行详细描述和说明。

附图说明

图1示出了用于执行根据一个实施方式的方法的装置的示意性示出的立体图；和

图2示出了具有分段施加的涂层的表面的示意性示出的截面。

具体实施方式

图1总体上示出了用于激光沉积焊接的装置10。装置10包括用于生成激光束的激光器12。所生成的激光束经由光波导电缆14被导入到光出口16。然后，如此生成的激光束18朝准直透镜20平行定向。于是，激光束18穿过构件22。在该构件22内布置有未示出的用于聚焦激光束的聚焦透镜。在通过聚焦透镜之后，激光束18穿过构件22的圆柱形部段24和漏斗形部段26。由光出口16、准直透镜20和构件22构成的整个组件可以借助线性驱动器28使用电动机30来线性位移。

装置10还包括用于输送粉末状填充材料的粉末输送器32。在粉末输送器32中，向粉末中添加气体，尤其是惰性气体如氮气或氩气，以生成用于输送粉末的粉末气流57。在分配器构件34中，粉末气流57被分配到多个，在当前情况下为三个导入软管36中，然后流入到圆柱形部段24中。在这里，构件22的部段24和26具有双壁，其中，激光束18被引导穿过由此获得的环形间隙，使得粉末气流57在两个壁之间流通。因此，激光束18和粉末气流57彼此同轴地通过部段24和26。在这里，在漏斗形构件26中，两个壁之间的环形间隙渐缩，从而粉末气流57通过由此形成的喷嘴状出口离开构件26。装置10还包括用于支承和旋转构件42的旋转单元。在该旋转单元中，仅示出了旋转轴38和用于驱动旋转轴38的电动机40。在这里，在当前情况下，构造为制动盘的构件42绕旋转轴线44旋转。构件42包括待涂层的圆环形表面46。构件42总体上构造成旋转对称的。

该装置还包括测量装置48。该测量装置48设置为执行光截面法，以生成表面46的高度轮廓。在这里，可以例如以4kHz执行光截面扫描。在这里，尤其地，可以沿着示意性示出的投射光线50生成高度轮廓。

最后，该装置包括调节装置52。一方面，该调节装置52用于控制激光器12和粉末输送器32。此外，该调节装置52用于对也属于装置10的控制单元54进行控制，该控制单元54构造成对电动机30和电动机40进行控制。调节装置52还设置成评估由测量装置48检测到的测量信号。

总体上，装置10构造成执行以下列出的方法：

借助装置10通过极高速激光沉积焊接(EHLA)来对表面46进行涂层。为此，首先通过使轴38由电动机40驱动来使构件42旋转。此外，生成激光束18并将其投射到表面46上，其中，该激光束在入射点53处入射到表面46上。由此，在表面46上生成熔池56。此外，生成粉末气流57。在这里，在离开圆柱形构件26之后，粉末气流57的填充材料粉末颗粒58在其飞行阶段期间撞击激光束18的光路。结果，粉末颗粒58完全熔化，更确切地说在它们到达熔池56之前完全熔化。因此，填充材料以完全熔化的形式被导入到熔池56。在这里，构件42如此快速地绕旋转轴线44旋转，使得激光束18的入射点53以至少20m/min的速度沿着表面46位移到表面46上。由此，借助激光束18生成的熔池56以至少20m/min沿着表面46位移。

在这里，通过激光沉积焊接过程逐渐生成涂层60。为此，借助线性驱动器28使激光束18相对于旋转轴线44从径向外部向径向内部逐段地移动，从而激光束18的入射点53沿着表面46以螺旋形轨迹移动。结果，同样地，将熔池56以螺旋形从径向外部向径向内部引导以生成涂层60。在这里，从图1和图2可以看出，表面46包括已涂层的径向外部部段62和未涂层的径向内部部段64。

根据图1和图2可以看出，可以借助光截面法确定涂层60的表面66的层厚度d和/或至少一个表面特性，并且可以基于此在必要时触发动作。表面特性可以例如是粗糙度、浮雕结构、存在的沟槽、存在的波纹度和/或存在的孔。

不过，尤其地，可以确定涂层60是否具有额定厚度d(参见图2)。在这里，在整个涂层过程期间连续检测光截面50。在这里，如果如在涂层60的部段68中那样确定为超过额定厚度d，则调节装置52可以基于此触发动作。该动作可以例如是对控制装置54、激光器12和/或粉末输送器32进行控制，以便如此适配属于其的参数，使得层厚度d减小。在这里，一方面，可以以特别简单的方式改变轴38的转速并因此改变构件42的转速。如果层厚度如在区域68中那样太厚，则可以尤其提高转速，以便再次减小层厚度。附加地或替代地，可以适配激光器12的激光功率。在层厚度太高的情况下，可以尤其提高激光功率。此外，可以通过控制粉末输送器32来适配粉末质量流量。最后，附加地或替代地，可以通过相应地控制线性驱动器28来改变激光束18的轨迹偏移或位移速度。总体上，可以由此以调节的方式进行涂层生成。结果，基于在图2的涂层60的部段68中检测到的层厚度，调节装置52如此控制装置10的相关部件，使得所生成的涂层厚度减小，这可以根据部段70中的涂层厚度的减少看出。如果涂层厚度太薄(参见部段72)，则调节装置触发相应的控制信号，以再次实现提高的涂层厚度(参见部段74)。该做法尤其是在整个EHLA涂层工艺中进行，从而总体上实现了具有约为额定厚度d的相对均匀的涂层厚度的涂层。

总体上，本发明能够借助极高速激光沉积焊接来以涂层60进行对构件42的调节式涂层。由于对涂层60的特性尤其是层厚度d进行监视并且通过调节装置52进行基于此的调节式参数适配，可以实现涂层60的足够的均匀性，尤其是对涂层60的层厚度d的公差的遵守。附加地或替代地，可以适配涂层60的表面66的表面品质。

在这里，总体上，与常规的激光沉积焊接相比，可以以显著提高的处理速度执行激光沉积焊接，从而可以提高经济效益。而在生产过程期间可以实现对涂层60的所获得的层厚度d和/或表面特性的监视和质量保证。

Claims (16)

1.一种激光沉积焊接方法，其中，在表面(46)上借助激光束(18)生成包括至少一种熔化填充材料的熔池(56)以产生涂层(60)，所述激光束(18)入射到所述熔池(56)上，其中，所述填充材料借助所述激光束(18)在距所述熔池(56)一定距离处熔化，从而所述填充材料以完全熔化的形式被导入到所述熔池(56)，其中，所述激光束(18)在所述表面(46)上的入射点(53)沿所述表面(46)以至少20m/min的相对速度移动，其特征在于，至少暂时地借助测量装置(48)检测所述产生的涂层(60)的层厚度(d)和/或表面特性，其中，当所述检测到的层厚度(d)和/或表面特性偏离额定尺寸时，触发动作。

2.根据权利要求1所述的激光沉积焊接方法，其中，所述填充材料在借助激光束熔化之前以粉末(58)、金属线、带或板条的形式存在。

3.根据权利要求1或2所述的激光沉积焊接方法，其中，所述额定尺寸是所述层厚度(d)的公差范围或所述层厚度(d)的所述公差范围内的范围，并且其中，当所述检测到的层厚度(d)超出所述额定尺寸时，触发所述动作。

4.根据权利要求1或2或3所述的激光沉积焊接方法，其中，所述动作是适配所述相对速度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的激光沉积焊接方法，其中，所述表面(46)绕旋转轴线(44)旋转以生成所述相对速度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的激光沉积焊接方法，其中，所述动作是适配激光功率。

7.根据前述权利要求中任一项所述的激光沉积焊接方法，其中，所述动作是改变所述导入的粉末(58)的数量。

8.根据前述权利要求中任一项所述的激光沉积焊接方法，其中，所述动作是改变所述激光束(18)相对于所述表面(46)的位置。

9.根据权利要求8所述的激光沉积焊接方法，其中，所述动作是改变所述激光束(18)相对于所述表面(46)的轨迹偏移和/或进给速度。

10.根据前述权利要求中任一项所述的激光沉积焊接方法，其中，所述动作是输出警告，尤其是可以在视觉、听觉和/或触觉上感知到的警告，和/或停止所述方法。

11.根据前述权利要求中任一项所述的激光沉积焊接方法，其中，所述相对速度为100m/min至800m/min，优选为200m/min至600m/min，更优选为200m/min至450m/min，进一步优选为300m/min至400m/min。

12.根据前述权利要求中任一项所述的激光沉积焊接方法，其中，所述测量装置(48)构造成生成光截面或条状投影。

13.一种构件(42)，其包括已涂层表面(46)，所述已涂层表面(46)借助根据前述权利要求中任一项所述的方法来产生。

14.根据权利要求13所述的构件(42)，其中，所述已涂层表面(46)是旋转对称的。

15.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的装置(10)，其包括用于测量层厚度(d)和/或至少一个表面特性的测量装置(48)。

16.一种调节装置(52)，其构造并设置成执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

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