DE102005058172A1 - Laser treatment unit comprises a head with a zoom optical unit and a nozzle head section - Google Patents

Laser treatment unit comprises a head with a zoom optical unit and a nozzle head section

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DE102005058172A1 DE200510058172 DE102005058172A DE102005058172A1 DE 102005058172 A1 DE102005058172 A1 DE 102005058172A1 DE 200510058172 DE200510058172 DE 200510058172 DE 102005058172 A DE102005058172 A DE 102005058172A DE 102005058172 A1 DE102005058172 A1 DE 102005058172A1
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Abstract

An arrangement for laser treatment, comprises a head with a zoom optical unit and a nozzle head. The latter has an axial outlet opening for the laser and a protective gas, and powder outlet openings. The powder outlet opening axes cross the laser beam axes. There are at least three powder outlet openings, and the angle between the powder outlet and the beam is 5-45 degrees.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Lasermaterialbearbeitung mit einem Bearbeitungskopf, der eine Zoom-Optik, eine sich daran anschließende Justageeinrichtung und einen Düsenkopf, koaxial aufgebaut, aufweist, wobei der Düsenkopf eine axial angeordnete Strahlaustrittsöffnung für die Laserstrahlung sowie für ein Schutzgas und Pulveraustrittsbohrungen mit Pulveraustrittsöffnungen aufweist, wobei die Achsen der Pulveraustrittsbohrungen die Achse der Strahlaustrittsöffnung schneiden und wobei im Bereich des/der Schnittpunkts/Schnittpunkte ein Pulverfokus gebildet wird. The present invention relates to a device for laser machining with a machining head which has a zoom lens, an adjacent thereto adjusting device and a nozzle head, coaxially constructed, wherein the nozzle head an axially disposed beam exit opening for the laser radiation as well as a shielding gas and powder outlet bores with powder having outlet orifices, the axes of the powder outlet bores intersect the axis of the beam exit opening, and wherein a powder focus is formed in the region of / the intersection point / points of intersection.
  • Eine solche Vorrichtung ist allgemein bekannt und wird unter anderem für das Laserstrahl-Auftragschweißen eingesetzt. Such a device is generally known and is used inter alia for the laser cladding. Das Laserstrahl-Auftragschweißen mit pulverförmigen Zusatzwerkstoffen wird für die Instandsetzung, den Verschleiß- und Korrosionsschutz in den Bereichen des Werkzeug-, des Formen-, des Triebwerk- und des Maschinenbaus eingesetzt. The laser cladding with powdered filler materials is used for the repair, the wear and corrosion protection in areas of the mold, the mold, the engine and mechanical engineering. Der Zusatzwerkstoff wird hierbei pulverförmig in die Wechselwirkungszone des Laserstrahls mit dem zu bearbeitenden Werkstoff zugeführt, aufgeschmolzen und mit dem Grundwerkstoff verbunden. The additional material is in this case supplied in powder form in the zone of interaction of the laser beam with the workpiece material is melted and bonded to the base material. Aufgrund der geringen Wärmeeinbringung in das Substrat werden geringe Aufmischungsgrade (< 10%) bei geringen Verzügen des Bauteils realisiert. Due to the low heat input into the substrate low dilution rates (<10%) can be realized at low distortions of the component. Die Pulverzufuhr bringt sowohl werkstoff- als auch prozesstechnisch mehrere Vorteile gegenüber einer Drahtzufuhr mit sich, die sich in der Qualität der Schicht äußern und den Forderungen, wie artgleiches Auftragschweißen und erzielbare Härte, Rechnung tragen. The powder feed brings both on material and process technology has several advantages over a wire feeder with it, which are manifested in the quality of the layer and contribute to the requirements as artgleiches surfacing and attainable hardness bill. Zunehmend wird das Laserstrahl-Auftragschweißen auch für 3D-Applikationen eingesetzt. Increasingly, laser cladding is also used for 3D applications.
  • Um die Spurbreite beim Laserstrahl-Auftragschweißen zu variieren, wird im allgemeinen der Abstand zwischen der Optik und der Oberfläche verstellt (wird als "Defokussieren" bezeichnet); In order to vary the track width when laser cladding, in general, the distance between the optics and the surface is adjusted (referred to as "defocusing"); beim Laserstrahl-Auftragschweißen werden Spurbreiten von ca. 0,5 mm bis zu mehreren mm (abhängig von der zur Verfügung stehenden Laserleistung, der Wellenlänge und dem optischen System) erzeugt. when laser cladding track width of about 0.5 mm to several mm are generated (depending on the available laser power, the wavelength and the optical system).
  • Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, dass sie ein Auftragschweißen dreidimensional bei einer Verkippung der Anordnung von bis zu 90° zur Vertikalen (zB Schweißposition (PF (Steigposition), PG (Fallposition), PC (Querposition)) nach DIN EN ISO 6947 ermöglicht, weiterhin die Möglichkeit bietet, mit zusätzlichen Maßnahmen einen variablen Strahldurchmesser zu erzeugen und für unterschiedliche Strahldurchmesser eine Leistungsdichteverteilung zu erzeugen, die möglichst nahe an einer Top-Hat-Verteilung liegt, und bei der mit einfachen Maßnahmen eine optische Teach-Hilfe, die einen Teach-Vorgang vor dem Laserstrahl-Auftragschweißen unterstützt, angewandt werden kann. The present invention now has for its object to embody a device of the type described above so that it (a hardfacing three-dimensionally (in a tilting of the assembly of up to 90 ° to the vertical, for example, welding position PF (ascending position), PG (down position), PC (lateral position)) in accordance with DIN EN ISO 6947 allows to continue offering the opportunity to generate additional measures a variable beam diameter and generate a power density distribution for different beam diameter that is as close to a top-hat distribution, and in the simple measures can be applied to an optical teaching aid that supports a Teach-in procedure before the laser cladding.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den eingangs angegebenen Merkmalen, die dadurch gekennzeichnet ist; This object is achieved by an apparatus having the characteristics indicated in the introduction, which is characterized by; dass mindestens drei Pulveraustrittsöffnungen vorgesehen sind, die unter gleichen Abständen zueinander um die Strahlachse herum verteilt sind, dass der jeweilige Winkel α zwischen der Strahlachse und der Achse der jeweiligen Pulveraustrittsbohrung zwischen 5° und 45° liegt und dass der Rand der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung in einer Ebene liegt. that at least three powders exit openings are provided, which are distributed about the beam axis at equal distances from each other that the respective angle is α between the beam axis and the axis of the respective powder outlet bore between 5 ° and 45 ° and that the edge of each powder outlet opening in a plane lies. Wesentlich ist, dass mit dieser Anordnung und Ausgestaltung der Düsen ein 3D-Auftragschweißen vorgenommen werden kann und dass auch bei Verkippen des Bearbeitungskopfes ein Auftragschweißen in Richtung bis zu 90° zur Horizontalen erfolgen kann, ohne dass dadurch die Qualität der Auftragschweißung herabgesetzt wird. It is essential that a 3D deposition welding can be carried out with this arrangement and design of the nozzle and that at tilting of the machining head build-up welding in the direction can be carried out up to 90 ° to the horizontal without affecting the quality of the surfacing is reduced.
  • Für eine weiter optimierte Verteilung des Pulvers in der Bearbeitungsebene sollte der Rand der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung in einer Ebene liegen. For a further optimized distribution of the powder in the working plane to the edge of the respective powder outlet opening should lie in one plane. Dadurch wird ein gleichmäßiger Strahlkegel des Pulvers zu der Strahlachse des Lasers hin erreicht, was wesentlich dann ist, wenn eine Bearbeitung von stark konturierten Werkstücken dreidimensional erfolgen soll, dh wenn der Bearbeitungskopf den Konturen des Werkstücks nachgeführt werden muss. Thus, a uniform beam cone of powder is achieved to the beam axis of the laser back, which is essential when processing is to be a highly contoured three-dimensional workpieces, that is, when the machining head must be tracked to the contours of the workpiece. Aus gleichem Grund ist es bevorzugt, dass sich die Achsen der Pulveraustrittsbohrungen in einem gemeinsamen Punkt, den Pulverfokus bildend, auf der Strahlachse schneiden. For the same reason, it is preferred that the axes of the powder outlet bores in a common point, the powder focus is forming, cutting on the beam axis.
  • Für die Pulveraustrittsöffnungen hat sich jeweils ein Durchmesser von 0,5 mm bis 3 mm als geeignet erwiesen, um die erforderlichen Pulvermengen gleichmäßig verteilt in die Bearbeitungsebene zuzuführen. For the powder outlet openings in each case a diameter of 0.5 mm has proved to be suitable to 3 mm in order to supply the required amounts of powder evenly distributed in the working plane.
  • Um die erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Pulvers durch die Pulveraustrittsbohrungen und eine gleichförmige Pulvermenge, die von den Pulveraustrittsöffnungen abgegeben wird, zu erreichen, sollten die Bohrungen mit einer Oberflächenrauheit R z ≤ 1 μm bearbeitet werden. In order to achieve the necessary flow rates of the powder through the powder outlet bores and a uniform amount of powder is discharged from the powder outlet openings, the bores with a surface roughness R z ≤ 1 micron should be processed. Dadurch werden gleichmäßige Strömungen innerhalb der Bohrungen und damit auch ein effektiver Transport des Pulvers durch die Bohrungen erreicht. Characterized uniform flow within the bores and thus also a more effective transportation of the powder can be achieved through the bores.
  • Um die Vorrichtung den Anforderungen entsprechend einstellen und justieren zu können, sind zwei Einrichtungen vorgesehen, die eine optische Teach-Hilfe bilden, die jeweils eine Referenzmarkierung in der Ebene des Pulverfokus abbilden. To the apparatus may choose according to the requirements and adjust, two devices are provided which form an optical teaching aid that represent each a reference mark in the plane of the powder focus. Dadurch kann erreicht werden, dass vor, aber auch online während der Bearbeitung, der Pulverfokus optimal in der Bearbeitungsebene eingestellt wird. This can be achieved that the powder focus is optimally adjusted in the working plane, but also online during processing. Zum Erzeugen einer solchen Referenzmarkierung kann mindestens eine Zusatzbohrung im Düsenkopf vorgesehen sein, deren Bohrungsachse den Pulverfokus schneidet. To generate such a reference mark may be provided in the nozzle head at least one auxiliary bore, the bore axis intersects the powder focus. Über eine solche Bohrung wird eine Referenzmarkierung erzeugt, die dann mit einer zweiten Referenzmarkierung in Deckung gebracht wird, um einen korrekten Arbeitsabstand des Bearbeitungskopfs zu der Bearbeitungsebene einzustellen. Through such a bore a reference mark is generated, which is then brought in register with a second reference mark, to set a proper working distance of the machining head to the working plane. Beide Referenzmarkierungen können über zwei Zusatzbohrungen in der Bearbeitungsebene erzeugt werden. Both reference markers can be generated by two additional holes in the machining plane.
  • Um die Referenzmarkierungen zu erfassen, kann eine Kamera vorgesehen werden; In order to detect the reference marks, a camera can be provided; hierbei ist es bevorzugt, dass zumindest eine Referenzmarkierung in der Bearbeitungsebene mit einer Kamera über einen optischen Weg entlang der Strahlachse abgebildet wird. Here, it is preferable that at least one reference mark in the working plane with a camera is imaged via an optical path along the beam axis.
  • Eine einfache, allerdings wirkungsvolle, Ausgestaltung ergibt sich dann, wenn die Referenzmarkierung durch ein Fadenkreuz gebildet wird. A simple, but effective, configuration results when the reference mark is formed by a crosshair.
  • Für einen automatisierten Ablauf der Einstellung des korrekten Abstands des Bearbeitungskopfs zu der Bearbeitungsebene wird eine Auswerteeinheit vorgesehen, die die Referenzmarkierungen auswertet und bei einer Abweichung einer Überdeckung der Referenzmarkierungen zueinander über eine Nachführeinheit den Abstand des Bearbeitungskopfs zu der Bearbeitungsebene, die Überdeckung der Referenzmarkierungen wiederherstellend, ändert. For an automated operation of the adjustment of the correct distance of the machining head to the working plane, an evaluation unit is provided which evaluates the reference marks and at a deviation of an overlapping of the reference marks to each other over a tracking unit the distance of the machining head to the working plane, the overlapping of the reference marks restoring changes ,
  • Um eine passende Verteilung der Laserstrahlung in der Bearbeitungsebene relativ zu der Spurbreite, die entlang des Werkstücks eingehalten werden soll, und der auf das Werkstück aufgebrachten Pulvermengen, zu erreichen, werden bevorzugt Mittel vorgesehen, die im Pulverfokus eine sogenannte Top-Hat-Verteilung der Leistungsdichte des Laserstrahls erzeugen. To a suitable distribution of the laser radiation in the working plane to achieve relative to the track width, which is to be maintained along the workpiece, and the force applied to the workpiece quantities of powder, means are preferably provided in powder focus a so-called top-hat distribution of the power density generate the laser beam. Eine solche Verteilung zeigt ein annähernd rechteckiges Verteilungsprofil der Leistungsdichte. Such a distribution shows an approximately rectangular distribution profile of the power density.
  • Eine solche Top-Hat-Verteilung kann durch die Abbildung der aus einer Lichtleitfaser austretenden Laserstrahlung erzeugt werden. Such a top-hat distribution may be generated by the mapping of the emerging from an optical fiber laser radiation.
  • Vorzugsweise wird bei gleichbleibendem Durchmesser des Pulverfokus in der Bearbeitungsebene der dem Pulverfokus überlagerte Strahlquerschnitt der Laserstrahlung über die Zoom-Optik verändert. Preferably, in a constant diameter of the powder focus in the working plane of the powder focus superimposed beam cross section of the laser beam changed with the zoom lens. Über eine Einrichtung für die automatische Verstellung der Zoom-Optik ist weiterhin die Möglichkeit gegeben, die Spurbreite während des Bearbeitungsprozesses zu verändern. A device for the automatic adjustment of the zoom lens, the possibility is further added to change the track width during the machining process. Hierdurch wird ein vorher festgelegter TCP eingehalten. In this way, a predetermined TCP is maintained.
  • Mit einem Beschichtungskopf, bestehend aus einer Zoom-Optik für Festkörper- oder Diodenlaser und einer Dreistrahl-Pulverzufuhrdüse, kann ein 3D-Auftragschweißen mit variablen Spurbreiten und konstantem TCP realisiert werden. With a coating head, comprising a zoom lens for solid state or diode laser and a three-beam powder feed nozzle, a 3D build-up welding can be realized with variable track widths and constant TCP.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei drei neue Komponenten vereinen: The device can thereby combine three new components:
    • – eine Dreistrahl-Pulverdüse, die ein Auftragschweißen in Zwangslagen bei einer Verkippung von bis zu 90° zur Horizontalen ermöglicht, - a three-beam powder nozzle that allows a job position welding at a tilt of up to 90 ° to the horizontal,
    • – eine Zoom-Optik, die einen variablen Strahldurchmesser erzeugt und für möglichst viele Strahldurchmesser eine Leistungsdichteverteilung (LDV) erzeugt, die möglichst nahe an der „Top-Hat" Verteilung liegt, creates a zoom lens that produces a variable beam diameter and power density distribution for as many beam diameter (LDV), which is as close to the "top hat" distribution -
    • – und eine „optische" Teach-Hilfe, die den Teach-Vorgang vor dem Laserstrahl-Auftragschweißen unterstützt. - and an "optical" Teach-help support the Teach-in procedure before the laser cladding.
  • Mit der Erfindung ist es möglich, variable Spurbreiten beim 3D-Laserstrahl-Auftragschweißen zu realisieren, ohne den Arbeitsabstand (Abstand zwischen Oberseite des Gehäuses der Zoom-Optik zu der Bearbeitungsebene) zu verändern. With the invention it is possible to realize variable track widths in 3D laser cladding, without changing the working distance (distance between top of the housing of the zoom lens to the working plane). Dabei wird eine Leistungsdichteverteilung realisiert, die möglichst nahe an einer „Top-Hat" Verteilung liegt. Zusätzlich ist es möglich, in Zwangslagen von bis zu 90° zur Vertikalen das Auftragschweißen durchzuführen. Für das Teachen wird zusätzlich eine optische Teach-Hilfe integriert, die zum korrekten Einstellen des Abstandes der Düse zur Oberfläche genutzt werden kann. In this case, a power density distribution is realized that is as close to a "top-hat" distribution. In addition, it is possible to perform in difficult positions of up to 90 ° to the vertical, the cladding. For teaching an optical teaching aid is additionally integrated, the can be used to correct adjustment of the distance of the nozzle to the surface.
  • Beim Einsatz von zwei Diodenlasern ist der korrekte Arbeitsabstand erreicht, wenn die zwei Diodenlaserstrahlen in der Bearbeitungsebene übereinander liegen. When using two diode lasers, the correct working distance is achieved when the two diode laser beams lie in the working plane one above the other. Dies wird durch den Bediener oder eine Auswerteeinheit überprüft, und gegebenenfalls wird der Arbeitsabstand nachgeführt. This is checked by the operator or an evaluation unit, and, if appropriate, the working distance is tracked.
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Further details and features of the invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the drawings.
  • In der Zeichnung zeigt In the drawing
  • 1 1 eine Außenansicht eines Bearbeitungskopfes, an external view of the machining head,
  • 2 2 eine Schnittdarstellung einer Pulverzuführdüse, wie sie auch in dem Bearbeitungskopf der a section of a Pulverzuführdüse, which as well as in the processing head 1 1 einsetzbar ist, in einer Schnittdarstellung, is used, in a sectional view,
  • 3 3 das Prinzip einer Teach-Hilfe, die in dem Bearbeitungskopf der the principle of a teach-help in the processing head 1 1 integrierbar ist, in einer ersten Ausführungsform, be integrated, in a first embodiment;
  • 4 4 das Prinzip einer Teach-Hilfe, die in dem Bearbeitungskopf der the principle of a teach-help in the processing head 1 1 integrierbar ist, in einer zweiten Ausführungsform, be integrated, in a second embodiment,
  • 5 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Variation der Spurbreite durch „Defokussieren" beim Laserstrahl-Auftragschweißen sowie Diagramme der Leistungsdichteverteilung an den verschiedenen Positionen, und a schematic diagram for explaining the variation of the track width by "defocusing" when laser cladding, as well as graphs of the power density distribution at the various positions, and
  • 6 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Bearbeitungskopfes, sowie Diagramme der Leistungsdichteverteilung für zwei Positionen der Zoom-Optik. a schematic diagram for explaining the operation of the machining head, as well as graphs of the power density distribution for two positions of the zoom lens.
  • Der Bearbeitungskopf, der in The machining head in 1 1 gezeigt ist, umfasst ein Gehäuse shown, comprises a housing 1 1 , in dem eine Zoom-Optik, angedeutet durch ein Linsenpaket In which an optical zoom system, indicated by a lens package 2 2 , aufgenommen ist. is added. Unterhalb des Gehäuses Below the housing 1 1 befindet sich eine Justageeinrichtung There is a adjusting device 3 3 , an die sich eine Düsenaufnahme To which a nozzle receiving 4 4 anschließt, an der ein Düsenkopf followed, where a nozzle head 5 5 gehalten ist. is maintained. Der gesamte Bearbeitungskopf ist koaxial um eine Achse The entire processing head is coaxially around an axis 6 6 aufgebaut. built up. In diesen Bearbeitungskopf wird Laserstrahlung In these machining head is laser radiation 7 7 von einer nicht näher dargestellten Laserquelle über eine Strahleintrittslinse eingestrahlt, insbesondere über eine optische Lichtleitfaser. irradiated from a laser source not shown via a beam entrance lens, in particular via an optical fiber. Die über die Strahleintrittslinse aufgeweitete Laserstrahlung verläuft in dem Bearbeitungskopf entlang der Achse The expanded via the beam entrance lens laser radiation in the machining head passes along the axis 6 6 . , Über das Linsenpaket About the lens package 2 2 erfolgt eine Fokussierung der Strahlung auf eine Bearbeitungsebene, die in effected focusing of the radiation on a working plane, in which 1 1 mit dem Bezugszeichen by the reference numeral 8 8th bezeichnet ist. indicated.
  • Der Düsenkopf The nozzle head 5 5 besitzt einen konusförmigen Grundkörper has a cone-shaped body 9 9 , wie dies insbesondere auch in der Schnittdarstellung der As especially in the sectional representation of 2 2 zu sehen ist, der Kanäle can be seen, the channels 10 10 zur Wasserkühlung aufweist. having water cooling.
  • In dem Düsenkopf In the nozzle head 5 5 sind drei gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnete Pulveraustrittsbohrungen are three evenly distributed around the circumference arranged powder exit holes 11 11 ausgebildet, deren Achsen formed, the axes 12 12 unter einem Winkel von etwa 5° bis 45° zu der Achse at an angle of about 5 ° to 45 ° to the axis 6 6 des Bearbeitungskopfs verlaufen. the machining head run. Am oberen Ende der Pulveraustrittsbohrung At the upper end of the powder outlet bore 11 11 befindet sich ein Anschlusssockel There is a connection base 13 13 für eine Pulverzuführung; a powder supply; die Pulveraustrittsöffnung the powder outlet opening 14 14 der jeweiligen Pulveraustrittsbohrung the respective powder outlet bore 11 11 ist unmittelbar angrenzend an eine Strahlaustrittsöffnung is immediately adjacent to a beam exit opening 15 15 für die Laserstrahlung des Düsenkopfs for the laser radiation of the nozzle head 5 5 positioniert. positioned. Wie anhand der As demonstrated by 2 2 angedeutet ist, sind die einzelnen Pulveraustrittsbohrungen is indicated, the individual powder exit holes 11 11 so gebohrt, dass sich deren Achsen drilled so that their axes 12 12 in einem gemeinsamen Punkt auf der Achse at a common point on the axis 6 6 schneiden, so dass im Schnittpunkt, der vorzugsweise in die Bearbeitungsebene cut, so that at the intersection, which is preferably in the machining plane 8 8th gelegt wird, ein Pulverfokus entsteht, wo sich die drei Pulverstrahlen vereinigen. is placed, a powder focus arises where unite the three jets of powder.
  • Insbesondere in especially in 2 2 ist zu erkennen, dass der Rand der Pulveraustrittsöffnung, die in It can be seen that the edge of the powder outlet opening in 2 2 im Schnitt zu sehen ist, in einer Ebene liegt, was bedeutet, dass die Kegelfläche des Düsenkopfs can be seen in section, in a plane, which means that the conical surface of the nozzle head 5 5 im Bereich der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung abgeflacht ist. is flattened in the region of the respective powder outlet opening. Mit dieser Maßnahme wird ein definierter Strahlquerschnitt des aus der Pulveraustrittsöffnung This measure is a defined beam cross section of from the powder outlet opening 14 14 austretenden Pulverstrahls erreicht. exiting powder jet reached. Die Ebene, in der der Rand der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung The plane in which the edge of the respective powder outlet opening 14 14 liegt, kann senkrecht zu der Achse is, can perpendicular to the axis 12 12 der Pulveraustrittsbohrung the powder outlet bore 11 11 liegen. lie. Um eine gleichmäßige, möglichst verwirbelungsfreie Strömung innerhalb der Pulveraustrittsbohrungen To obtain a uniform, turbulence-free flow possible within the powder exit holes 11 11 zu erhalten, sind diese in ihrer Oberfläche bearbeitet, beispielsweise gerieben; to obtain, these are processed in their surface, for example, rubbed; die Oberflächenrauheit R z wird dabei auf einen Wert ≤ 1 μm bearbeitet. the surface roughness R z is thereby machined to a value of ≤ 1 micron.
  • Der Bearbeitungskopf besteht somit im Wesentlichen aus drei Komponenten, einer Zoom-Optik, einem Düsenkopf The machining head is therefore essentially consists of three components, a zoom lens, a nozzle head 5 5 und einer Teach-Hilfe. and a teaching aid. Die optischen Komponenten und der Düsenkopf werden wassergekühlt, die Zoom-Optik wird zusätzlich mit Gas gespült, damit kein Pulver in das Gehäuse The optical components and the nozzle head are water cooled, the zoom lens is additionally purged with a gas, so that no powder into the housing 1 1 eindringen kann. can penetrate. Der Düsenkopf The nozzle head 5 5 besitzt ein Schutzglas, das ein Verschmutzen der optischen Komponenten der Zoom-Optik verhindert. has a protective glass, which prevents contamination of the optical components of the optical zoom system. Dieses Schutzglas kann ausgetauscht werden, indem der Düsenkopf This protective glass can be replaced by the nozzle head 5 5 abmontiert wird, oder optional indem eine Schublade seitlich herausgezogen wird. is removed, or optionally by a drawer is pulled out laterally. Der Düsenkopf The nozzle head 5 5 wird zusätzlich mit einem Schutzgas von innen gespült. is additionally purged with a protective gas from the inside. Dieses Schutzgas wird zusätzlich zur Abschirmung des Schweißprozesses eingesetzt. This inert gas is additionally used for shielding the welding process. Eine weitere Option stellt die Integration einer CCD-Kamera im Bereich der Düsenaufnahme Another option is the integration of a CCD camera in the nozzle receiving 4 4 dar, um die zu bearbeitende Oberfläche zu beobachten. is to observe the surface to be processed.
  • Neben den drei Pulveraustrittsbohrungen In addition to the three powders exit holes 11 11 befindet sich in dem Düsenkopf is located in the nozzle head 5 5 eine Zusatzbohrung an additional bore 16 16 , deren Achse unter einem identischen Winkel zu der Achse Whose axis at an identical angle to the axis 6 6 verläuft wie der Winkel, mit dem die Achsen proceeds as the angle at which the axes 12 12 der Pulveraustrittsbohrungen the powder outlet holes 11 11 ausgerichtet sind. are aligned. Über eine solche Zusatzbohrung About such additional bore 16 16 wird eine Referenzmarkierung in der Bearbeitungsebene abgebildet, beispielsweise das Licht einer Leuchtdiode. a reference mark is imaged in the working plane, for example the light from a light emitting diode. Diese Referenzmarkierung wird zur Justierung (Teach-Hilfe) der Anordnung herangezogen (Einstellung des Arbeitsabstandes This reference mark is to adjust the arrangement (teaching aid) is used (setting of the working distance 23 23 ). ). Falls eine zweite Referenzmarkierung erforderlich ist, kann eine weitere Zusatzbohrung If a second reference mark is required, an additional hole 16 16 , umfangsmäßig versetzt zu der in Circumferentially offset from the in 1 1 zu sehenden Zusatzbohrung to seeing additional bore 16 16 , vorgesehen werden, was nachfolgend anhand der are provided, which below with reference to 3 3 und and 4 4 erläutert wird. is explained.
  • In In 3 3 ist oberhalb der Bearbeitungsebene is above the working plane, 8 8th schematisch ein Düsenkopf schematically shows a nozzle head 5 5 mit seinem kegelförmigen Grundkörper with its conical base body 9 9 gezeigt, mit den drei Querschnitten der Pulveraustrittsbohrungen shown with the three cross-sections of the powder exit holes 11 11 sowie einer Zusatzbohrung and an additional bore 16 16 , durch die die Strahlung Through which the radiation 17 17 einer Laserdiode, als Referenzmarkierung, auf die Bearbeitungsebene a laser diode, as a reference mark on the working plane 8 8th abgebildet wird. is mapped. Weiterhin wird eine zweite Referenzmarkierung in Form eines Fadenkreuzes Further, a second reference mark is in the form of a crosshair 18 18 gebildet, wie dies in den beiden Kamerabildern formed, as in the two camera images 19 19 zu sehen ist. you can see. Für die Justierung des Bearbeitungskopfes, dh als Teach-Hilfe, werden die beiden Referenzmarkierungen, dh zum einen das Laserdiodenlicht For the adjustment of the working head, ie teaching aid, the two reference marks, ie on the one hand the laser diode light 17 17 und zum anderen der Schnittpunkt and on the other the intersection 21 21 des Fadenkreuzes the crosshairs 18 18 , zur Deckung gebracht, wie dies in dem rechten Kamerabild der , Made to coincide, as in the right camera image 3 3 zu sehen ist. you can see.
  • Während in while in 3 3 das Laserdiodenlicht the laser diode light 17 17 zum einen und der Schnittpunkt on the one hand and the point of intersection 21 21 des Fadenkreuzes the crosshairs 18 18 die beiden Referenzmarkierungen für die Teach-Hilfe bilden, sind in der schematisch gezeigten Ausführungsform der forming two reference markings for the teaching assistance, are in the schematically shown embodiment of the 4 4 zwei Zusatzbohrungen two additional holes 16 16 vorgesehen, über die jeweils Laserdiodenlicht provided, via which each laser diode light 20 20 (Laserdioden im mW Bereich) auf die Bearbeitungsebene (MW laser diodes in the range) to the working plane 8 8th geführt wird. to be led. Zur Justierung werden die beiden Laserdiodenlichtflecke To adjust the two laser diodes light spots 20 20 , wie sie beispielhaft in der oberen linken , As exemplified in the upper left 22 22 der the 4 4 zu sehen sind, durch Nachführen des Bearbeitungskopfs in Überdeckung gebracht, wie dies in der rechten can be seen, brought by tracking the processing head in coverage, as right in the 22 22 der the 4 4 gezeigt ist. is shown.
  • 5 5 beschreibt schematisch den Stand der Technik für die Variation des Strahldurchmessers in der Arbeitebene durch „Defokussieren". In schematically describes the prior art for the variation of the beam diameter in the working plane by "defocusing". In 5 5 sind der Strahlquerschnitt der Laserstrahlung mit einer Fokusposition, einer Arbeitsposition are the beam cross section of the laser radiation with a focal position, a working position 1 1 und einer Arbeitsposition and a working position 2 2 sowie den drei diesen Positionen zugeordneten Leistungsdichteverteilungen in den jeweiligen Ebenen gezeigt. and the three such positions associated power density distributions shown in the respective planes. Weiterhin sind die Pulverstrahlen, die der Arbeitsposition Further, the powder blasting, the working position of 1 1 und der Arbeitsposition and the working position 2 2 zugeordnet sind, angedeutet und mit Pulverdüse Position are associated with and indicated powder nozzle position 1 1 und Pulverdüse Position and powder nozzle position 2 2 bezeichnet. designated. Durch eine Verschiebung der relativen Lage des Bearbeitungskopfes zur Bearbeitungsebene wird der Strahldurchmesser variiert, die Pulverdüse und der entsprechende TCP müssen an die jeweilige Arbeitsposition angepasst werden. By shifting the relative position of the machining head to the machining plane, the beam diameter is varied, the powder nozzle and the corresponding TCP must be adapted to the respective working position.
  • Beim Einsatz von fasergekoppelten Festkörperlasern oder Diodenlasern ergibt sich zusätzlich eine starke Variation in der Leistungsdichteverteilung (LDV). When using fiber-coupled diode lasers or solid state lasers a strong variation results additionally in the power density distribution (LDV). Während die LDV im Fokus eine "Top-Hat" Verteilung aufweist, besitzt die LDV im defokussierten Zustand (Position While the LDV focus a "top-hat" has distribution LDV has in-focus state (position 1 1 oder or 2 2 ) eine eher gaussförmige Verteilung, wie dies in ) A more Gaussian distribution, as in 5 5 dargestelt ist. is dargestelt. Für das Laserstrahl-Auftragschweißen eignet sich insbesondere die "Top-Hat" LDV (rechteckige Leistungsdichteverteilung, wie dies in dem oberen Diagramm in For the laser cladding, in particular, suitable "top-hat" LDV (rectangular power density distribution as shown in the upper diagram in 5 5 , der Fokusposition zugeordnet, dargestellt ist), während eine gaussförmige Verteilung zu starken Aufmischungsgraden in der Mitte der Spur (höchste Leistungsdichte) und Bindefehlern am Rand (geringe Leistungsdichte) führen kann. , The focus position assigned illustrated is), while a Gaussian distribution to strong Aufmischungsgraden in the center of the track (highest density), and bonding defects can lead (at the edge of low power density).
  • Eine Möglichkeit, variable Spurbreiten zu erzeugen, ist der Einsatz einer adaptiven Optik. One way to generate variable track widths, is the use of an adaptive optic. Bei feststehendem Arbeitsabstand und feststehender Beschichtungsdüse wird die Spurbreite durch eine Veränderung der Krümmung von Spiegeln eingestellt. With a fixed working distance and stationary coating die, the track width is adjusted by changing the curvature of mirrors.
  • Die Arbeitsweise der Anordnung, wie sie vorstehend beschrieben ist, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf The operation of the arrangement as described above will be described below with reference to 6 6 erläutert. explained. Die Erzeugung eines variablen Strahldurchmessers bei einem gegebenen Arbeitsabstand (in der Bearbeitungsebene The generation of a variable beam diameter at a given working distance (in the working plane 8 8th ) erfolgt mittels einer Zoom-Optik, die in ) By means of a zoom lens, which in 1 1 in dem Gehäuse in the housing 1 1 angeordnet ist. is arranged. Durch Verschieben eines Linsenpakets By moving a lens package 2 2 (manuell oder mit einem Zusatzmotor) wird der Durchmesser der Laserstrahlung (Manually or with an auxiliary motor) is the diameter of the laser radiation 7 7 in der Bearbeitungsebene In the working plane 8 8th variiert. varied. Die Auslegung der Optik ist derart, dass die Leistungsdichteverteilung für möglichst viele Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene The design of the optical system is such that the power density distribution for as many beam diameter in the working plane 8 8th einer „Top-Hat" Verteilung entspricht, wie dies in der schematischen Darstellung der a "top hat" distribution corresponds, as in the schematic diagram 6 6 zu sehen ist. you can see. Somit ist es möglich, während der Bearbeitung, die Spurbreite CNC gesteuert zu variieren, wenn die Verstellung motorisch erfolgt, ohne den TCP zu verändern. Thus, it is possible to vary controlled machining, the track width CNC whereas if the adjustment is motorized, without changing the TCP.
  • Die Pulverzufuhr erfolgt mittels der drei Pulveraustrittsöffnungen The powder is supplied by means of the three powders exit openings 11 11 im Düsenkopf in the nozzle head 5 5 (siehe (please refer 2 2 ); ); falls erforderlich, sind auch mehr als drei Bohrungen möglich, wobei die Anzahl der Bohrungen allerdings durch den vorhandenen Raum am Düsenkopf if necessary, more than three holes are possible, the number of holes, however, by the space available on the nozzle head 5 5 , insbesondere im Bereich der Strahlaustrittsöffnung , In particular in the region of the beam exit opening 15 15 , begrenzt ist. is limited. Der von einem Pulverförderer kommende Pulvermassenstrom wird durch einen nicht näher dargestellten Pulverteiler in drei (oder mehrere) gleiche Pulverstrahlen aufgeteilt. The coming from a powder feeder powder mass flow is divided by a non-illustrated powder divider in three (or more) beams same powder. Diese werden zu den Anschlusssockeln These are the connection sockets 13 13 der Pulveraustrittsbohrungen the powder outlet holes 11 11 zugeführt. fed. Die Bohrungen sind so konzipiert, dass sich die drei Teilpulverstrahlen in einem Punkt treffen. The holes are designed so that the three sub-powder jets meet at a point. Der Düsenkopf The nozzle head 5 5 ist so an der Zoom-Optik montiert, dass das Pulver genau in der Bearbeitungsebene is mounted on the zoom lens that the powder exactly in the working plane 8 8th der Zoom-Optik injiziert wird. the zoom lens is injected. Der Düsenkopf The nozzle head 5 5 wird direkt über die Kanäle is directly over the channels 10 10 (siehe (please refer 2 2 ) wassergekühlt. ) Water-cooled. Um einen möglichst kleinen Pulverfokus (und damit einen hohen Pulvernutzungsgrad) und eine gleichmäßige Pulverströmung zu erhalten, ist die Innenwand der Pulveraustrittsbohrungen To the smallest possible focus powder (and thus a high powder efficiency) and to obtain a uniform powder flow, the inner wall of the powder exit holes 11 11 in dem Düsenkopf in the nozzle head 5 5 geglättet ausgeführt. running smoothed. Dies wird beispielsweise durch die Benutzung einer Reibahle oder durch ein Polieren der Bohrungen realisiert. This is realized for example by the use of a reamer or by polishing of the holes. Der Querschnitt der Pulveraustrittsbohrungen The cross section of the powder outlet holes 11 11 ist so gestaltet, dass das Pulver eine Strömungsgeschwindigkeit erhält, die ein Verkippen des Düsenkopfs is designed so that the powder receives a flow rate that a tilting of the nozzle head 5 5 erlaubt, ohne dass sich die Gravitation auf den Pulverstrom wesentlich bemerkbar macht. allowed without that makes the gravity significantly noticeable on the powder flow. Dabei dürfen die eingesetzten Gasdurchflüsse nicht zu hoch gewählt werden, damit das Schmelzbad beim Laserstrahl-Auftragschweißen nicht deformiert wird. The gas flow rates used must not be too high, the melt pool is not deformed during the laser cladding.

Claims (17)

  1. Vorrichtung für die Lasermaterialbearbeitung mit einem Bearbeitungskopf, der eine Zoom-Optik, eine sich daran anschließende Justageeinrichtung, und einen Düsenkopf, koaxial aufgebaut, aufweist, wobei der Düsenkopf eine axial angeordnete Strahlaustrittsöffnung für die Laserstrahlung sowie für ein Schutzgas und Pulveraustrittsbohrungen mit Pulveraustrittsöffnungen aufweist, wobei die Achsen der Pulveraustrittsbohrungen die Achse der Strahlaustrittsöffnung schneiden und wobei im Bereich des/der Schnittpunkts/Schnittpunkte ein Pulverfokus gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Pulveraustrittsöffnungen ( Apparatus for the laser machining with a machining head including a zoom lens, an adjoining the adjusting device, and a nozzle head, constructed coaxially, wherein the nozzle head has an axially disposed beam exit opening for the laser radiation as well as a shielding gas and powder outlet bores with powder outlet openings, wherein the axes of powder outlet bores, the axis of the beam exit opening, and wherein a powder focus is formed in the region of / the intersection point / points of intersection, characterized in that at least three powder outlet openings ( 14 14 ) vorgesehen sind, die unter gleichen Abständen zueinander um die Strahlachse ( ) Are provided which (at equal intervals each other about the beam axis 6 6 ) herum verteilt sind, dass der jeweilige Winkel α zwischen der Strahlachse ( ) Are distributed around that the respective angle α (between the beam axis 6 6 ) und der Achse ( ) And the axis ( 12 12 ) der jeweiligen Pulveraustrittsbohrung ( () Of the respective powder outlet bore 11 11 ) zwischen 5° und 45° liegt und dass der Rand der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung ( ) Is between 5 ° and 45 ° and that the edge of each powder outlet opening ( 14 14 ) in einer Ebene liegt. ) Lies in a plane.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Ebene, in der die jeweilige Pulveraustrittsöffnung ( Device according to claim 1, characterized in that the respective plane in which (each powder outlet opening 14 14 ) liegt, im rechten Winkel zu der Achse ( ) Is, (at right angles to the axis 12 12 ) der Pulveraustrittsbohrung ( () Of the powder outlet bore 11 11 ) verläuft. ) Runs.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Achsen ( Device according to claim 1 or 2, characterized in that the axes ( 12 12 ) der Pulveraustrittsbohrungen ( () Of the powder exit holes 11 11 ) in einem gemeinsamen Punkt, den Pulverfokus bildend, auf der Strahlachse ( ) In a common point, the powder focus-forming, (on the beam axis 6 6 ) schneiden. ) to cut.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung ( Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the diameter of the respective powder outlet opening ( 14 14 ) 0,5 mm bis 3 mm beträgt. ) Is 0.5 mm to 3 mm.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung ( Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the bore ( 11 11 ) mit einer Oberflächenrauheit R z ≤1 μm bearbeitet sind. ) ≤1 microns are machined with a surface roughness R z.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Einrichtungen vorgesehen sind, die jeweils eine Referenzmarkierung ( Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that two means are provided which (in each case a reference mark 17 17 , . 18 18 , . 20 20 ) in der Ebene des Pulverfokus abbilden. mapped) in the plane of the powder focus.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zusatzbohrung ( Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one additional bore ( 16 16 ) im Düsenkopf ( ) (In the nozzle head 5 5 ) vorgesehen ist, deren Bohrungsachse den Pulverfokus schneidet. ) Is provided, the bore axis intersects the powder focus.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Zusatzbohrungen ( Device according to claim 7, characterized in that two auxiliary bores ( 16 16 ) im Düsenkopf ( ) (In the nozzle head 5 5 ) vorgesehen sind. are provided).
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Referenzmarkierungen ( Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that one (the reference marks 17 17 , . 18 18 , . 20 20 ) erfassende Kamera vorgesehen ist. ) Detecting camera is provided.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarkierungen ( Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the reference marks ( 17 17 , . 18 18 , . 20 20 ) in der Bearbeitungsebene mit einer Kamera über einen optischen Weg entlang der Strahlachse ( ) In the working plane (with a camera over an optical path along the beam axis 6 6 ) abgebildet werden. ) Are mapped.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzmarkierung durch ein Fadenkreuz ( Device according to claim 6, characterized in that a reference mark (by crosshairs 18 18 ) gebildet ist. ) Is formed.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die die Referenzmarkierungen ( Device according to one of claims 6 to 11, characterized in that an evaluation unit is provided which (the reference marks 17 17 , . 18 18 , . 20 20 ) auswertet und bei einer Abweichung einer Überdeckung der Referenzmarkierungen ( ) Evaluates and (when a deviation of an overlapping of the reference marks 17 17 , . 18 18 , . 20 20 ) zueinander über eine Nachführeinheit den Abstand des Bearbeitungs kopfs zu der Bearbeitungsebene ( ) The distance of the processing head to each other over a tracking unit (to the working plane 8 8th ), die Überdeckung der Referenzmarkierungen wiederherstellend, ändert. ), The overlapping of the reference marks restoring changes.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die in der Bearbeitungsebene ( Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that means are provided which (in the working plane 8 8th ) eine Top-Hat-Leistungsdichteverteilung erzeugen. ) Create a top-hat power density distribution.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Top-Hat-Verteilung über die Abbildung der aus einer Lichtleitfaser austretenden Laserstrahlung ( Device according to claim 13, characterized in that the top-hat distribution over the image emerging from an optical fiber laser radiation ( 7 7 ) erzeugt wird. ) is produced.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichbleibendem Arbeitsabstand ( Device according to claim 1, characterized in that (at constant working distance 23 23 ) in der Bearbeitungsebene ( ) (In the working plane 8 8th ) der dem Pulverfokus überlagerte Strahlquerschnitt der Laserstrahlung ( ) Of the powder is superimposed on the focused beam cross section of the laser radiation ( 7 7 ) über eine Zoom-Optik veränderbar ist. ) Can be changed through a zoom lens.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung für die automatische Verstellung der Zoom-Optik vorgesehen ist. Device according to one of claims 1 to 15, characterized in that a device for the automatic adjustment of the zoom lens is provided.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur automatischen Änderung des Strahldurchmessers unter Beibehalten eines festgelegten TCP (Tool Center Point – Werkzeugmittelpunkt) vorgesehen ist. Device according to one of claims 1 to 16, characterized in that a device for automatic change of the beam diameter while maintaining a fixed TCP (Tool Center Point - tool center point) is provided.
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