CN117396296A - 用于激光堆焊的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于通过激光堆焊来涂覆工件(14)的旋转的表面区域(12)的方法，其中：将粉状的涂层材料(22)在与工件(14)相遇之前在指向所述表面区域(12)的激光束(18)中熔融；检测由工件(14)发射的热辐射(30)的空间分辨强度分布；将强度分布的至少一个性质与至少一个预定义的目标值相比较；基于该比较的结果来修改涂覆工序的至少一个参数。本发明还涉及一种用于通过激光堆焊来涂覆工件(14)的旋转的表面区域(12)的系统(10)，该系统包括：激光装置(16)，用于将激光束(18)指向表面区域(12)；喷嘴(20)，用于将涂层材料(22)吹入激光束(18)中；旋转装置(24)，用于使工件(14)旋转；相机(28)，用于记录由工件(14)发射的热辐射(30)的强度分布；以及闭环控制装置(32)，该闭环控制装置被配置成将强度分布的至少一个性质与至少一个预定义的目标值相比较并根据该比较的结果来修改涂覆工序的至少一个参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于通过激光堆焊来涂覆工件的表面区域的方法，其中，将粉状的涂层材料在与工件相遇之前在指向所述表面区域的激光束中熔融。本发明进一步涉及一种用于通过激光堆焊来涂覆工件的表面区域的系统，该系统包括用于将激光束指向表面区域的激光装置以及用于将涂层材料吹入激光束中的喷嘴。
背景技术
这种方法被称为超高速激光堆焊或激光熔覆焊接(EHLA)。为此，使用对应的系统。
由于涂层材料已经在激光束中熔融，因此与激光束使工件的表面熔融并且然后将涂层材料吹入熔体中的常规激光堆焊方法相比，工艺速度可以显著提高。此外，使用EHLA方法可以实现改进的表面性质，比如降低粗糙度。
WO 2004/022816 A1披露了一种用于激光堆焊的(常规)方法。在该方法中，激光束移动到工件的表面上。激光束使所述表面局部熔融，从而获得熔体池。借助于气体射流将粉末从喷嘴吹入熔体池中。采集并评估来自熔体池的光学信号以确定熔体池的温度。出于调整工艺参数(比如激光功率、或激光束与工件之间的相对速度)的目的，在控制回路中使用所述光学信号的信息。
在超高速激光堆焊中，热状态可能会由于工件的几何形状而变化。这可能会影响涂层的质量。举例来说，工件上的截面的减小可能会减少散热，从而使得热量积聚。这进而可能会导致涂层中形成小凹坑。相反，散热增加可能会导致工件材料与涂层之间的结合误差。
发明内容
本发明的目的是提高超高速激光堆焊的工艺可靠性。
根据本发明，所述目的通过如权利要求1所述的方法和具有权利要求12中具体说明的特征的系统来实现。相应的从属权利要求和描述具体说明了有利的变型或实施例。
本发明的涂覆方法
根据本发明，提供了一种用于通过激光堆焊来涂覆工件的旋转的表面区域的方法。通过工件的旋转产生沿周向方向的进给。表面区域可以是例如制动盘的端面。替代性地，表面区域可以是例如管的侧面、特别是液压缸的侧面。原则上，旋转的表面区域至少是基本上旋转对称的。特别地，表面区域的内部轮廓和外部轮廓通常是旋转对称的。表面区域的个别部分可能会破坏旋转对称性。例如，表面区域可能具有单独的孔等。工件优选地绕表面区域的对称轴线旋转。
在本发明的涂覆方法中，粉状的涂层材料在与工件相遇之前在指向表面区域的激光束中熔融。因此，这涉及一种超高速激光堆焊(EHLA)方法。
检测工件所发射的热辐射的空间分辨强度分布。特别地，热辐射是红外辐射。原则上，强度分布是在激光束在表面区域上的入射点或相遇点的区域中检测的。强度分布典型地包括入射点的这样一种周围环境，在该周围环境中，工件的材料没有熔融。
将强度分布的至少一个性质与至少一个预定义的目标值进行比较。为此，可以确定至少一个性质的至少一个特征值。特征值可以实现与目标值的直接比较。如果涂覆工序按预期运行，则目标值表征强度分布的性质的特征。
基于比较的结果来修改涂覆工序的至少一个参数。将涂覆工序的至少一个参数控制成使得所测量的强度分布的至少一个性质接近对应的目标值。这改进了表面区域上的涂层的质量。
强度分布的检测、性质与目标值的比较以及参数的调整在原则上在执行涂覆工序期间连续进行。就此而言，连续执行上述步骤也应理解为在足够小的时间间隔内(例如以至少100Hz的频率)重复执行。
对强度分布进行分析使得可以对涂覆工序进行监测。通过连续地调整至少一个参数，工艺可靠性得以提高。此外，这可以允许以恒定的质量实现涂层，特别是在整个表面区域上和在多个工件上以恒定的质量实现涂层。此外，根据本发明的涂覆工序的闭环控制简化了工艺参数的编程和确定，这是因为不利地选择的参数初始值会被自动校正。此外，这种类型的工艺控制允许对使用常规方法无法以足够的质量进行涂覆的工件(例如因为这些工件的吸热率在表面区域内变化如此显著以至于为此必须分别应用不同的涂覆工序参数)进行涂覆。
本发明的涂覆方法优选地用如下所述的、根据本发明的涂覆系统来实施。根据本发明的方法可以具有下文描述的进一步的特征。
所述强度分布可以利用相机、优选地红外相机检测。使用这种相机简化了该方法的执行。
优选地，为激光束和热辐射或相机设置公共光学单元。激光束和热辐射典型地沿不同方向被引导通过所述公共光学单元。通过公共光学单元，可以降低与检测激光束的入射点的区域中的强度分布相关联的复杂性。如果借助于光学单元(例如通过使光学单元倾斜或移位)例如针对横向方向上的进给运动修改了激光束的入射点，则由相机检测的区域也会以对应的方式被自动修改。此外，借助于公共光学单元，可以容易地获得无畸变的图像。
替代性地，相机可以相对于激光束倾斜地直接指向工件。这可以简化现有涂覆系统的后续改装以执行根据本发明的方法。
强度分布的至少一个性质可以选自以下：
-强度分布的直径，
-全局强度最大值的量值，
-强度的总和，
-强度的平均值，和/或
-强度分布的形状。
上述性质可以容易地确定。此外，发明人已经认识到，在与涂覆工艺的目标状态有所偏差的情况下，这些性质会显著变化。
可以通过评估强度分布的截面来确定所述至少一个性质。这简化了对强度分布的分析。
优选地，截面沿表面区域的周向方向延伸。发明人已经认识到，这样可以改进对与目标状态的偏差的识别。
截面可以相对于全局强度最大值偏移地延伸。优选地，截面被布置成在横向进给方向上在强度分布的全局强度最大值之前。在如此延伸的截面中，与目标状态的偏差特别明显。横向方向对应于对端面进行涂覆时的径向方向和对侧面进行涂覆时的轴向方向。
特别优选地，所述性质是局部强度最大值的特征、特别是量值。这使得能够特别可靠地识别出热量积聚。在评估相对于全局强度最大值偏移的截面的情况下，局部强度最大值看起来像是相关截面的全局最大值；然而，局部强度最大值小于整体强度分布的全局强度最大值。
涂覆工序的要修改的至少一个参数可以选自以下：
-激光功率，
-周向方向上的进给速率，
-横向方向上的进给速率，
-激光束的相继的入射点在横向方向上的偏移，和/或
-涂层材料的质量流。
这些参数使得能够有效地补偿与温度相关的、对涂覆工序的干扰。
有利地，涂层材料从与激光束同心的喷嘴喷出。这改进了涂层材料在工件上的熔覆均匀性。可选地，喷嘴还可以与用于激光束和相机的公共光学单元同心。涂层材料可以经由供应装置通过喷嘴吹出。
工件的吸热率可以在横向方向和/或周向方向上变化。在此上下文中，吸热率是指储存和/或传递热量的能力。在这样的工件的情况下，根据本发明的方法的优点特别明显地显现出来。工件的吸热率的局部差异可能需要不同的涂覆工序参数。因此，如果使用的是固定参数，那么在某些情况下可能无法实现(高质量)涂层。相比之下，至少一个参数的自动调整甚至允许对这样的难以涂覆的工件进行高质量且具有成本效益的涂覆。举例来说，变化的吸热率可能是由工件的内部结构引起的；例如，工件可以在其内部具有通风通道。变化的吸热率可能会在表面上表现出来；例如，工件可能在要涂覆的表面区域中具有钻孔。
本发明的涂覆系统
本发明的范围进一步包括一种用于通过激光堆焊来涂覆工件的旋转的表面区域的系统。
该系统包括用于将激光束指向表面区域的激光装置。激光装置的激光功率可以是至少2000W。激光束的波长可以是至少800nm、优选地至少1000nm，和/或不超过2000nm、优选地不超过1100nm。
该系统还包括用于将涂层材料吹入激光束中的喷嘴。喷嘴优选地与指向工件的激光束同中心地布置。
进一步地，该系统包括用于使工件旋转、特别是绕表面区域的对称轴线旋转的旋转装置。通过借助于旋转装置使工件旋转，可以特别容易地引起周向方向上的进给。
此外，该系统包括用于记录工件所发射的热辐射的强度分布的相机。相机优选地是红外相机。相应地，热辐射可以是红外辐射。借助于相机，可以确定涂覆工序的实际热状态。
最后，该系统包括闭环控制装置，该闭环控制装置被配置成将强度分布的至少一个性质与至少一个预定义的目标值进行比较并根据比较的结果来修改涂覆工序的至少一个参数。闭环控制装置特别地被配置成将涂覆工序的至少一个参数修改成使得所测量的强度分布的至少一个性质接近对应的目标值。这改进了表面区域上的涂层的质量。闭环控制装置典型地还被配置成确定强度分布的至少一个性质。替代性地，可以例如借助于相机来确定至少一个性质。
该系统、特别是相机和闭环控制装置原则上被配置成连续地检测强度分布、连续地将至少一个性质与至少一个预定义的目标值进行比较、并且连续地调整至少一个参数。就此而言，连续执行上述步骤也应理解为在足够小的时间间隔内(例如以至少100Hz的频率)重复执行。
本发明的系统被配置成执行上文所描述的本发明的方法。该系统可以被配置成实现该方法的进一步的特征。
该系统可以包括用于激光装置或激光束和相机或热辐射的公共光学单元。公共光学单元典型地允许激光束和热辐射在不同方向上通过。通过公共光学单元，可以降低与检测激光束的入射点的区域中的强度分布相关联的复杂性。如果借助于光学单元(例如通过使光学单元倾斜或移位)例如针对横向方向上的进给运动修改了激光束的入射点，则由相机检测的区域也会以对应的方式被自动修改。此外，借助于公共光学单元，可以容易地获得无畸变的图像。
该系统还可以包括用于存储强度分布的至少一个值和/或至少一个性质的至少一个值的存储装置。这使得对涂覆工序进行分析和影响更加简单。特别地，这可以实现例如用于质量控制的回顾性评估。
进一步地，该系统可以包括显示装置，该显示装置用于输出强度分布的至少一个值、至少一个性质的至少一个值、至少一个参数的至少一个值、和/或至少一个参数与至少一个目标值的偏差的至少一个值。作为替代或补充，显示装置可以被配置成输出相机的图像。因此，系统操作员可以容易地监测涂覆工序或对系统进行设置。
本发明的进一步优点从说明书、权利要求和附图中得出。根据本发明，上述特征和还有待进一步呈现的特征可以在各自情况下单独使用或以任何期望的有利组合一起使用。所示出和描述的实施例不应被理解为详尽的列表，而是具有用于阐明本发明的示例性特性。
附图说明
基于实施例对本发明进行描述并在附图中对其进行展示，在附图中：
图1示出了根据本发明的用于通过激光堆焊来涂覆旋转的工件的系统的示意草图；
图2a示出了对旋转的工件进行激光堆焊期间在没有热量积聚的情况下来自涂覆区域的热辐射的强度分布的示意性灰度值表示；
图2b以示意性三维表示示出了图2a的强度分布；
图3a示出了对旋转的工件进行激光堆焊期间在热量积聚的情况下来自涂覆区域的热辐射的强度分布的示意性灰度值表示；
图3b以示意性三维表示示出了图3a的强度分布；
图4示出了根据本发明的涂覆方法的示意性流程图。
具体实施方式
图1示出了用于通过激光堆焊来涂覆工件14的旋转的表面区域12的系统10。例如，工件14可以是具有内部通风通道的内部通风式制动盘。在这种情况下，表面区域12位于工件14的用作摩擦表面的端面上。所述表面区域12应设有减少磨损的涂层。
为了涂覆旋转对称的表面区域12，工件14借助于旋转装置24绕对称轴线26旋转。旋转运动引起涂覆工序沿周向方向进给。此外，工件可以借助于旋转装置24在径向方向上移位，以便引起在沿横向(在这种情况下是径向)方向的对应的进给。
系统10包括激光装置16。激光装置16发射激光束18。激光束18照射到旋转的表面区域12。因此，工件14的材料可以在激光束18的入射点的区域中局部熔融。为了引起沿横向方向的进给，可以使激光装置16移位，而不是使工件14移位。
通过喷嘴20借助于供应装置40将粉状的涂层材料22吹向工件14并吹入激光束18中。应当理解，这在图1中仅非常抽象地示出，特别是未按真实比例示出。喷嘴20可以与激光束18同中心地布置。涂层材料22在与工件14相遇之前在激光束18中熔融。因此，这涉及一种超高速激光堆焊方法。熔融的涂层材料22在表面区域12上与工件14的局部熔融的材料相遇。当激光束18的入射点由于工件14的进给运动而进一步迁移时，涂层材料22和工件14的熔体彼此连接并且在形成涂层的情况下固化。
在图4所示的流程图中，上述涂覆工序被表示为步骤102。在执行涂覆工序102期间，在步骤104中记录热辐射30(更确切地说，红外辐射)的强度分布，该热辐射是工件14在激光束18的入射点和涂层材料22的区域中所发射的。为此，系统10包括相机28、具体地红外相机(参见图1)。
在所展示的实施例中，系统10包括用于激光束18和相机28或由相机28检测的热辐射30的公共光学单元34。公共光学单元34可以包括透镜或透镜系统。分色镜42可以允许从激光装置16发出的激光束18传递到工件14并且可以使从工件14以与激光束18同轴的方式反向发射的热辐射转向到相机28。
图2a和图2b中示出了在对旋转的工件14上按照期望运行涂覆工序时来自加工区的热辐射的强度分布。该强度分布类似于高斯分布并且具有全局最大值44。由于进给运动，强度分布不是对称的，而是有一定程度的畸变。在这种情况下，全局最大值44在横向进给方向46上在激光束18在工件14上的入射点之后。沿周向方向的进给沿箭头48的方向进行。
图3a和图3b示出了在对工件14进行涂覆工序期间例如在通风通道的区域中出现热量积聚的情况下热辐射的强度分布。强度分布的形状通过所述热量积聚而改变。特别地，除了全局最大值44之外，强度分布还具有局部最大值50。局部最大值50在横向进给方向46上在全局最大值44之前并且在切向进给方向48上在全局最大值之后。在沿周向方向(平行于切向进给方向48)延伸并且相对于全局最大值44偏移地延伸(准确地说是在横向进给方向46上在全局最大值44之前)的强度分布的截面中，局部最大值50看起来像是“全局最大值”。在这种情况下，局部最大值50的量值小于全局最大值44的量值。
在相对于全局最大值44定义的截面中是否存在这种局部最大值50表示强度分布的性质。特别地，热辐射的强度在此截面中的最大量值也描述强度分布的性质(如果形成有局部最大值50，则该最大量值对应于该局部最大值的量值)。强度分布的其他性质可以包括例如强度分布的直径(相对于强度的下限阈值)、全局强度最大值44的量值、强度的总和(强度在下限阈值所界定的强度分布的区域上的积分)、强度的平均值(在通过下限阈值界定的强度分布内)、和/或强度分布的形状。在步骤106(参见图4)中确定针对前述性质之一的至少一个特征值。
为了在按照期望进行的涂覆工序中表达所述性质中的至少一个性质，在涂覆工序开始之前，在步骤108中定义至少一个对应的目标值。在步骤110中将目标值和所确定的性质或其特征值相互比较。
如果比较的结果表明(例如由于热量积聚或过度散热)与涂覆工序所期望的进程有所偏差，则在步骤112中适当地调整涂覆工序的至少一个参数。在此，对涂覆工序的顺序进行修改，使得强度分布的性质接近其目标值。这一修改的结果是，与参数保持不变的情况相比，获得了质量更好的涂层。例如，要修改的参数可以是激光束18的激光功率、周向方向48上的进给速率、横向方向46上的进给速率、激光束18的相继的入射点在横向方向46上的偏移、和/或涂层材料22的质量流。
为了执行步骤106、108、110和112，系统10包括闭环控制装置32，参见图1。闭环控制装置32可以集成在相机28中。系统10进一步包括存储装置36，该存储装置同样可以集成在相机28中。强度分布的一个或多个目标值、一个或多个特征值、和/或与目标值的比较结果可以存储在所述存储装置36中。显示装置38也可以连接到或集成在相机28中。显示装置38使得可以显示相机28所记录的图像，以便能够调整相机设置，例如在曝光、聚焦、图像部分的大小等方面进行调整。
总之，本发明涉及一种超高速激光堆焊方法。工件被旋转，从而使得基本上旋转对称的表面区域被涂覆。根据热图像确定正在进行的涂覆工序的热特征值，并将这些热特征值与目标值进行比较。基于比较能够识别出次优的涂覆条件(例如由于工件的局部偏差的热吸收率)，并且在必要时相应地对次优的涂覆条件进行校正。
附图标记清单
系统10
表面区域12
工件14
激光装置16
激光束18
喷嘴20
涂层材料22
旋转装置24
对称轴线26
相机28
热辐射30
闭环控制装置32
光学单元34
存储装置36
显示装置38
供应装置40
分色镜42
全局最大值44
横向进给方向46
切向进给方向48
局部最大值50
通过激光堆焊进行涂覆102
记录104强度分布
确定106性质的特征值
预定义108目标值
比较110
修改112。
Claims (15)
1.一种用于通过激光堆焊来涂覆工件(14)的旋转的表面区域(12)的方法，其中，将粉状的涂层材料(22)在与所述工件(14)相遇之前在朝所述表面区域(12)指向的激光束(18)中熔融，
其中，检测由所述工件(14)发射的热辐射(30)、特别是红外辐射的空间分辨强度分布，
其中，将所述强度分布的至少一个性质与至少一个预定义的目标值相比较，其中，根据所述比较的结果来修改所述涂覆工序的至少一个参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中，使用相机(28)、优选地红外相机来检测所述强度分布。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，为所述激光束(18)和所述热辐射(30)设置公共的光学单元(34)。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述强度分布的至少一个性质选自以下：
-强度分布的直径，
-全局强度最大值(44)的量值，
-强度的总和，
-强度的平均值，和/或
-强度分布的形状。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过评估所述强度分布的截面来确定所述至少一个性质。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述截面沿所述表面区域(12)的周向方向延伸。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中，所述截面相对于全局强度最大值偏移地延伸，优选地在横向进给方向(46)上在全局强度最大值(44)之前。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述性质是局部强度最大值(50)的特征、特别是量值。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述涂覆工序的至少一个参数选自以下：
-激光功率，
-周向方向(48)上的进给速率，
-横向方向(46)上的进给速率，
-激光束(18)的相继的入射点在横向方向上的偏移，和/或
-涂层材料(22)的质量流。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述涂层材料(22)从与所述激光束(18)同心的喷嘴(20)喷出。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述工件(14)具有在横向方向和/或周向方向上变化的吸热率。
12.一种用于通过激光堆焊来涂覆工件(14)的旋转的表面区域(12)的系统(10)，包括：
-激光装置(16)，用于将激光束(18)指向所述表面区域(12)；
-喷嘴(20)，用于将涂层材料(22)吹入到所述激光束(18)中；
-旋转装置(24)，用于使所述工件(14)旋转；
-相机(28)、特别是红外相机，用于记录由所述工件(14)发射的热辐射(30)、特别是红外辐射的强度分布；
-闭环控制装置(32)，该闭环控制装置被配置成将所述强度分布的至少一个性质与至少一个预定义的目标值相比较并根据该比较的结果来修改涂覆工序的至少一个参数。
13.如权利要求12所述的系统(10)，其中，为所述激光装置(16)和所述相机(28)设置公共的光学单元(34)。
14.如权利要求12或13所述的系统(10)，进一步包括存储装置(36)，用于存储所述强度分布的至少一个值和/或所述至少一个性质的至少一个值。
15.如权利要求12至14中任一项所述的系统(10)，进一步包括显示装置(38)，用于输出所述强度分布的至少一个值、所述至少一个性质的至少一个值、所述至少一个参数的至少一个值、所述至少一个参数与所述至少一个目标值的偏差的至少一个值和/或用于显示所述相机(28)的图像。
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