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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 4.
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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.
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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.
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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 ent weder 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.
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Weiterhin
ist aus der
DE 39 42
050 A1 ein Verfahren zum Laserplasmaspritzen mit einer
zusätzlichen
axialen Strömung
in der Düse
offenbart. Diese axiale Strömung
schützt
das optische System vor Beschädigung,
unterstützt
die Ausbildung des Plasmas und trägt das geschmolzene Material
zum Substrat.
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Ferner
ist bei einem in der
JP
09241863 A vorgestellten Verfahren zum Laserplasmaspritzen ein
zusätzlicher
axialer Gasstrahl vorgesehen, der dazu dient, das Pulvermaterial
auf die Werkstückoberfläche hin
zu beschleunigen.
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Die
JP 61264168 A sowie
die
JP 02070054 A zeigen ähnliche
Verfahren, bei denen jedoch der Fokus des Laserstrahls außerhalb
der Düse
liegt.
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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.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1 und 4 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,
der näherungsweise
der Auftrefffläche
des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche entspricht.
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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.
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So
wird weiterhin 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.
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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 2).
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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 3).
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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
4).
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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 5).
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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 8).
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Dieser
Vorteil kommt sowohl bei Geschwindigkeiten im Unterschallbereich
als auch dann zum Tragen, wenn die Pulverpartikel innerhalb der
Düse auf Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt werden (Anspruch 9).
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Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und
der Beschreibung hervor.
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In
den Zeichnungen ist die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
einer Düse
zur Oberflächenbehandlung
eines Werkstücks,
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2 einen
Schnitt durch den Laser-Wechselwirkungsbereich der Düse und
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3 eine
alternative Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Düse für den Unterschallgeschwindigkeitsbereich.
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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.
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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.
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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. 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.
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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 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 1 dargestellten dadurch, dass
der Transportgasstrahl 7 relativ weit von der Optik 11 entfernt
durch den Zufuhrkanal 10 eingeleitet wird.
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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.
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Da
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die
Zufuhr des Pulverförmigen
Zusatzwerkstoffs 4 koaxial zum Laserstrahl 3 erfolgt,
ist das beschriebene Verfahren richtungsunabhängig anwendbar.
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Die
Erfindung ist nicht beschränkt
auf die beiden dargestellten bevorzugten Ausführungsformen.
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So
sind auch andere Geometrien der Düse 1 oder der einzelnen
Teilbereiche der Düse 1,
insbesondere des Formungsbereichs 9, vorstellbar.
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Denkbar
sind weiterhin außer
den hier genannten verschiedene Werkstoffkombinationen für Oberflächenwerkstoff
und pulverförmigen
Zusatzwerkstoff 4.
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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.