DE10154093A1

DE10154093A1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung durch einen Pulverwerkstoff mit Hilfe eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE10154093A1
Application number: DE10154093A
Authority: DE
Inventors: Reiner Heigl; Markus Kern
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2021-11-03
Also published as: DE10154093B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks durch einen pulverförmigen Zusatzwerkstoff mit Hilfe eines Laserstrahls. Bei dem Verfahren wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff mit Hilfe eines Zufuhrgasstrahls in einen Laser-Wechselwirkungsbereich eingebracht, durch den Laserstrahl erhitzt und anschließend auf die durch den Laserstrahl erhitzte Werkstückoberfläche geleitet. Um das gattungsgemäße Verfahren im Hinblick auf energetischen Wirkungsgrad und Oberflächengüte zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der erhitzte pulverförmige Zusatzwerkstoff durch einen separat vom Zufuhrgasstrahl geführten Transportgasstrahl auf die Werkstückoberfläche hin beschleunigt wird. Ferner wird eine Vorrichtung mit einer Düse zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks durch einen pulverförmigen Zusatzwerkstoff mit Hilfe eines Laserstrahls gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
Da Werkstückoberflächen im Betrieb immer höheren Beanspruchungen ausgesetzt sind, kommt der Verbesserung von Werkstoffeigenschaften an Oberflächen eine wachsende Bedeutung zu. Insbesondere die thermische Beschichtung stellt ein interessantes Verfahren zur Steigerung der Oberflächenqualität dar. Eine relativ neue Variante der thermischen Beschichtung ist das Laserstrahl- Pulver-Auftragschweißen.

Aus der gattungsbildenden US 5 111 021 ist ein Verfahren zur Pulverbeschichtung einer Werkstückoberfläche mit Hilfe eines Laserstrahles bekannt. Dem Laserstrahl wird in einer Düse koaxial zu seiner optischen Achse ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff zugeführt. Durch Veränderung des Abstands zwischen Werkstückoberfläche und Düse werden die Oberfläche des Werkstücks und der Pulverwerkstoff unterschiedlich stark aufgeschmolzen. So können verschiedene Arten der Oberflächenbehandlung realisiert werden.

Diese Vorgehensweise ist jedoch mit Nachteilen verbunden. Bei dieser Düse existiert nur ein optimaler Abstand, in dem sich der Pulverstrahl und der Laserstrahl genau aufeinander befinden. Bei Abweichungen von diesem optimalen Abstand erfolgt entweder eine schlechte Pulverausnutzung oder ein inhomogener Schichtaufbau. Ist der Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück zu klein, wird die Werkstückoberfläche zwar stark aufgeschmolzen, der pulverförmige Zusatzwerkstoff aber kaum. So können Risse in der Oberfläche aufgrund spröder, intermetallischer Phasen auftreten. Wird der Abstand erhöht, so ist zwar das Pulver aufgrund seiner langen Interaktion mit dem Laserstrahl stark aufgeschmolzen, so dass eine schmelzmetallurgische Verbindung zwischen Werkstückoberfläche und Pulverwerkstoff stattfindet. Es ergibt sich jedoch ein hoher Verbrauch an Pulver, da das Pulver in einem breiten Bereich außerhalb eines Bearbeitungsbereichs, in dem der Werkstoff durch den Laser aufgeschmolzen wird, auf der Werkstückoberfläche auftrifft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung vorzuschlagen, bei dem ein weitgehendes Aufschmelzen des Pulverwerkstoffs gewährleistet wird bei gleichzeitig möglichst hoher Pulverausnutzung.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Danach wird der erhitzte pulverförmige Zusatzwerkstoff durch einen separat von einem der Pulverzufuhr dienenden Zufuhrgasstrahl geführten Transportgasstrahl auf die Werkstückoberfläche hin beschleunigt. Ferner wird der Transportgasstrahl mit dem darin enthaltenen Pulverwerkstoff auch nach dem Zuführen des Pulvers durch die Düsengeometrie geformt und auf den Bearbeitungsbereich auf der Werkstückoberfläche fokussiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber dem gattungsgemäßen Verfahren den Vorteil, dass es einen hohen energetischen Wirkungsgrad besitzt. Da die Pulverpartikel in den separat geführten Transportgasstrahl zum Beschleunigen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs eingebracht werden und nach ihrer Zuführung durch die Düsengeometrie fokussiert werden, haben sie eine lange Wechselwirkungszeit mit dem Laserstrahl und nehmen daher sehr viel Wärme- sowie Beschleunigungsenergie auf. Es findet eine permanente Energiezufuhr bis zum Auftreffen der Pulverpartikel auf der Werkstückoberfläche statt.

Zweckmäßigerweise wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert. So wird erreicht, dass nur eine vergleichsweise geringe Menge an Pulverwerkstoff beim Beschichtungsprozess ungenutzt bleibt, da der Pulverstrahl nur eine geringe Divergenz im Vergleich zum Laserstrahl besitzt und daher der größte Teil des Pulvers auf der Werkstückoberfläche innerhalb des Bearbeitungsbereichs auftrifft, also direkt zur Oberflächenbehandlung genutzt wird (Anspruch 2).

Zweckmäßigerweise wird die Oberfläche des Werkstücks durch den Laserstrahl aufgeschmolzen. So wird keine reine Beschichtung des Werkstücks durchgeführt, sondern es wird durch eine schmelzmetallurgische Verbindung ein Schichtverbund zwischen dem pulverförmigen Zusatzwerkstoff und dem Werkstoff des Werkstücks gebildet (Anspruch 3).

Vorteilhafterweise erhalten die Pulverpartikel durch die Energieeinkopplung während der Zeit bis zum Auftreffen auf der Werkstückoberfläche eine teigige bis flüssige Konsistenz. So gelingt es, bei relativ geringer Aufschmelzung der Oberfläche des Werkstückes eine schmelzmetallurgische Verbindung zwischen Pulver und Werkstoff des Werkstücks zu erreichen, was eine hohe Qualität der Oberflächenbehandlung zur Folge hat (Anspruch 4).

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine Düse mit einem zwischen einem Laser-Wechselwirkungsbereich und dem Werkstück angeordneten Formungsbereich. In diesem Bereich wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff durch den Transportgasstrahl beschleunigt und auf die Werkstückoberfläche fokussiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung der Oberflächenbehandlung bietet den Vorteil, dass sie auch in miniaturisierter Bauform hergestellt werden kann, da durch die einfachere Zufuhr von Pulverwerkstoff, Schutzgas und evtl. Kühlflüssigkeit gegenüber bisherigen Düsenausführungen weniger Bauteile verwendet werden müssen und die Düse insgesamt schmaler ausgeführt werden kann. So eröffnen sich Anwendungsfelder wie die Beschichtung von Bauteilen mit beengten geometrischen Verhältnissen, z. B. die Beschichtung von Ventilsitzen im Fahrzeugbau (Anspruch 5).

Zweckmäßigerweise besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Kreisspalt, über den der pulverförmige Zusatzwerkstoff mit Hilfe des Zufuhrgasstrahls in den Laser-Wechselwirkungsbereich zugeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Pulverpartikel unter strömungstechnisch günstigen Bedingungen direkt in den Laserstrahl gefördert werden können, wobei die den Spalt versorgenden Zufuhrbohrungen fertigungstechnisch einfach zu erstellen sind (Anspruch 6).

Vorteilhafterweise besitzt der Formungsbereich der Düse eine Lavalkontur. So ist es möglich, die Pulverpartikel nach ihrer Zuführung in die Düse derart zu beschleunigen, dass sie möglichst tief in die Schmelze auf der Werkstückoberfläche eindringen können, was eine höhere Homogenität der gebildeten Schicht zur Folge hat (Anspruch 9).

Dieser Vorteil kommt sowohl bei Geschwindigkeiten im Unterschallbereich als auch dann zum Tragen, wenn die Pulverpartikel innerhalb der Düse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden (Anspruch 10).

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Düse zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Laser-Wechselwirkungsbereich der Düse und
Fig. 3 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düse für den Unterschallgeschwindigkeitsbereich.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Düse 1 zur Durchführung der Behandlung einer Oberfläche 2 mit Hilfe eines Laserstrahls 3 und eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs 4 an einem Werkstück 5. Die Düse 1 umfasst drei Bereiche: Einen werkstückabgewandten Transportbereich 6, in dem ein Transportgasstrahl 7 koaxial zu dem Laserstrahl 3 geführt wird, einen dazu benachbarten Laser-Wechselwirkungsbereich 8, in dem der pulverförmige Zusatzwerkstoff 4 in den Laserstrahl 3 eingebracht wird, sowie einen Formungsbereich 9.
Der Transportbereich 6 weist eine hohlkegelförmige Geometrie auf, deren Querschnitt sich in Richtung der Werkstückoberfläche 2 verringert. Ferner besitzt er in seinem werkstückabgewandten Abschnitt einen Zufuhrkanal 10, über den der Transportgasstrahl 7 in den Transportbereich 6 eingeleitet wird. Auf der werkstückabgewandten Seite des Transportbereichs 6 befindet sich eine Optik 11 zur Fokussierung des Laserstrahls 3.
An den Transportbereich 6 schließt sich auf seiner werkstückzugewandten Seite der Laser-Wechselwirkungsbereich 8 an. In diesem Bereich 8 liegt der Fokus 12 des Laserstrahls 3. Hier findet zudem die Zuführung des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs 4 statt. Fig. 2 stellt einen Schnitt durch den Laser-Wechselwirkungsbereich 8 dar. Zu erkennen sind zwei einander gegenüberliegende Zufuhrbohrungen 13. Die Bohrungen 13 münden in einen Ringkanal 14, der etwa die gleiche Breite wie die Bohrungen 13 besitzt. Dieser Ringkanal 14 umschließt einen Kreisspalt 15, der typischerweise eine Tiefe von 0,25 bis 0,75 mm aufweist. Für eine Vergleichmäßigung der Strömungsverhältnisse im Kreisspalt 15 sorgen zwei Ablenkbleche 16, die an der Innenseite des Ringkanals 14 den Zufuhrbohrungen 13 gegenüberliegen.
An die werkstückzugewandte Seite des Laser-Wechselwirkungsbereichs 8 schließt sich der Formungsbereich 9 an. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Formungsbereich 9 aus konischen und zylindrischen Teilabschnitten, wie in Fig. 1 angedeutet. Alternativ kann der Formungsbereich 9 auch eine Lavalkontur besitzen, bei der sich der Querschnitt bis zu einem schmalsten Querschnitt im mittleren Bereich des Formungsbereichs 9 verjüngt und sich davon ausgehend wieder erweitert. Diese Lavalkontur dient in der Strömungstechnik zur Beschleunigung von Fluiden auf Überschallgeschwindigkeit.
Das Verfahren zur Behandlung der Oberfläche 2 des Werkstücks 5 läuft nun in den im Folgenden beschriebenen Schritten ab:
Der Laserstrahl 3 wird mit Hilfe der Optik 11 so fokussiert, dass sein Fokus 12 innerhalb der Düse 1 liegt. In der hier dargestellten Ausführungsform liegt der Fokus 12 direkt in dem Laser-Wechselwirkungsbereich 8.
Der pulverförmige Zusatzwerkstoff 4, typischerweise eine Aluminium-, Nickel-, Eisen- oder Kobalt-Legierung, wird mit Hilfe eines zusätzlichen Zufuhrgasstrahls 17 über die oben beschriebenen Zufuhrbohrungen 13 und den Kreisspalt 15 in den Laser- Wechselwirkungsbereich 8 der Düse 1, in diesem Fall genau in den Fokus 12 des Laserstrahls 3, eingebracht.
Gleichzeitig wird durch den Zufuhrkanal 10 das Transportgas 7 in den Transportbereich 6 eingeleitet, den es koaxial zu dem Laserstrahl 3 durchströmt. Im Laser-Wechselwirkungsbereich 8 erfasst der Transportgasstrahl 7 den pulverförmigen Zusatzwerkstoff 4 und beschleunigt ihn in Richtung der Oberfläche 2. Der Transportgasstrahl 7 erfüllt mehrere Funktionen: Zum einen verhindert er, dass pulverförmiger Zusatzwerkstoff 4 aus dem Laser-Wechselwirkungsbereich 8 in den Transportbereich 6 der Düse 1 aufsteigt und die Optik 11 verschmutzt. Weiterhin schirmt er einen Bearbeitungsbereich 18 auf der Oberfläche 2 des Werkstücks 5 sowie den pulverförmigen Zusatzwerkstoff 4 gegenüber der Atmosphäre ab. Eine dritte, entscheidende Funktion des Transportgasstrahls 7 liegt darin, den pulverförmigen Zusatzwerkstoff 4 nach seiner Zufuhr in den Laser-Wechselwirkungsbereich 8 zu beschleunigen und auf die Oberfläche 2 zu fokussieren. Als Transportgas 7 wird ein inertes Gas wie Argon oder Helium verwendet.
Nach der Erfassung des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs 4 im Laser-Wechselwirkungsbereich 8 durchströmt der Transportgasstrahl 7 mitsamt der in ihm enthaltenen Pulverpartikel 19 den Formungsbereich 9. Durch den sich verjüngenden Querschnitt oder durch die Lavalkontur des Formungsbereichs 9 findet eine Beschleunigung des Transportgasstrahls 7 und damit der Pulverpartikel 19 statt. Neben dieser Beschleunigung besitzt der Formungsbereich 9 aber auch die Aufgabe, die im Transportgasstrahl 7 enthaltenen Pulverpartikel 19 derart zu fokussieren, dass sie nur in dem Bearbeitungsbereich 18 auf der Werkstückoberfläche 2 auftreffen, der möglichst der Auftrefffläche des Laserstrahls 3 entspricht. So kann die Nutzung des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs 4 hoch gehalten werden.
Ist der Formungsbereich 9 so ausgestaltet, dass der Transportgasstrahl 7 mit den darin befindlichen Pulverpartikeln 19 stark beschleunigt wird, was zum Beispiel durch die Lavalkontur erreicht wird, dann treffen die Pulverpartikel 19 mit hoher Geschwindigkeit auf dem Bearbeitungsbereich 18 auf. So kann eine hohe Homogenität des durch die Oberflächenbehandlung entstehenden Schichtverbundes erreicht werden.
Während der oben beschriebenen Pulverzufuhr erzeugt der Laserstrahl 3 auf der Werkstückoberfläche 2 ein Schmelzbad 20, auf das die Pulverpartikel 19 in seit ihrer Zufuhr durch den Laserstrahl 3 verflüssigter oder teigiger Form auftreffen. So wird eine schmelzmetallurgische Verbindung zwischen pulverförmigem Zusatzwerkstoff 4 und dem Werkstoff der Oberfläche 2 erreicht und dadurch eine hohe Qualität der Oberflächenbehandlung erzielt.
Die Düse 1 wird während der oben beschriebenen Verfahrensschritte durch einen Vorschub 21 relativ zum Werkstück 5 bewegt. Das Schmelzbad 20 mit den darin enthaltenen Pulverpartikeln 19 erkaltet und zurück bleibt ein Schichtverbund 22 mit den gewünschten Werkstoffeigenschaften.
Fig. 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Darstellung von Unterschallströmungen mit dem entsprechenden Düsenprinzip. Auch hier lässt sich der Transportbereich 6 zur Zufuhr des Transportgasstrahls 7, der Laser-Wechselwirkungsbereich 8 sowie der Formungsbereich 9 erkennen. Die Düse 1 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten dadurch, dass der Transportgasstrahl 7 relativ weit von der Optik 11 entfernt durch den Zufuhrkanal 10 eingeleitet wird.
Ferner ist die Düse 1 mit einer konischen Verengung 23 auf etwa den Querschnitt des Laserstrahls 3 am werkstückzugewandten Ende des Transportbereichs 6 versehen. Diese Verengung 23, die eine Kante 24 aufweist, sorgt für eine Beschleunigung des Transportgasstrahls 7. Auf diese Weise entsteht an dieser Stelle ein Unterdruck, durch den die Pulverpartikel 19 mit dem Zufuhrgasstrahl 17 in die Düse 1 hineingesaugt werden. In dieser Ausführungsform kann der Formungsbereich 9 sowohl zylindrisch als auch konisch ausgestaltet sein.
Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Zufuhr des Pulverförmigen Zusatzwerkstoffs 4 koaxial zum Laserstrahl 3 erfolgt, ist das beschriebene Verfahren richtungsunabhängig anwendbar.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die beiden dargestellten bevorzugten Ausführungsformen.
So sind auch andere Geometrien der Düse 1 oder der einzelnen Teilbereiche der Düse 1, insbesondere des Formungsbereichs 9, vorstellbar.
Denkbar sind weiterhin außer den hier genannten verschiedene Werkstoffkombinationen für Oberflächenwerkstoff und pulverförmigen Zusatzwerkstoff 4.
Ferner sind neben der dargestellten Art der Pulverzufuhr auch andere möglich, die z. B. durch eine andere konstruktive Ausgestaltung des Laser-Wechselwirkungsbereichs 8 erzielt werden können. Die Düse 1 kann eine größere oder geringere Anzahl von Zufuhrbohrungen 13 enthalten, die auch nicht notwendig senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls 3 stehen müssen, sondern zum Beispiel schräg dazu angeordnet sein können.

Claims

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks durch einen pulverförmigen Zusatzwerkstoff mit Hilfe eines Laserstrahls, bei dem der pulverförmige Zusatzwerkstoff
mit Hilfe eines Zufuhrgasstrahls in einen Laser-Wechselwirkungsbereich eingebracht wird,
durch den Laserstrahl erhitzt wird und anschließend
auf die durch den Laserstrahl erhitzte Werkstückoberfläche geleitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erhitzte pulverförmige Zusatzwerkstoff (4) durch einen separat vom Zufuhrgasstrahl (17) zugeführten Transportgasstrahl (7) auf die Werkstückoberfläche (2) hin beschleunigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Zusatzwerkstoff (4) auf einen Bearbeitungsbereich (18) auf der Werkstückoberfläche (2) fokussiert wird, der näherungsweise der Auftrefffläche des Laserstrahls (3) auf der Werkstückoberfläche (2) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückoberfläche (2) durch den Laserstrahl (3) aufgeschmolzen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Zusatzwerkstoff (4) in der Zeit vom Einbringen in den Laser-Wechselwirkungsbereich (8) bis zum Auftreffen auf der Werkstückoberfläche (2) vom Laserstrahl (3) teilweise geschmolzen wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
mit einer Düse (1), innerhalb derer sich der Fokus (12) des Laserstrahls (3) befindet, umfassend
einen Transportbereich (6) zur zum Laserstrahl (3) koaxialen Zufuhr des Transportgasstrahls (7),
den Laser-Wechselwirkungsbereich (8), in dem der pulverförmige Zusatzwerkstoff (4) in den Laserstrahl (3) eingebracht wird, sowie
einen Formungsbereich (9), in dem der pulverförmige Zusatzwerkstoff (4) durch den Transportgasstrahl (7) in Richtung der Werkstückoberfläche (2) beschleunigt und geformt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs (4) durch einen Kreisspalt (15) auf der Höhe des Laser-Wechselwirkungsbereichs (8) erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus (12) des Laserstrahls (3) sich in dem Laser- Wechselwirkungsbereich (8) befindet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formungsbereich (9) aus konischen und zylindrischen Teilabschnitten besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Formungsbereich (9) eine Laval-Kontur besitzt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Formungsbereich (9) so gestaltet ist, dass der in dem Transportgasstrahl (7) enthaltene pulverförmige Zusatzwerkstoff (4) darin auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird.