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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit Hilfe eines Lasers nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass ein Substrat mit Hilfe eines Lasers beschichtet werden kann, wobei durch den vom Laser erzeugten Laserstrahl das Substrat entlang einer Spur aufgeschmolzen wird. Ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff wird zu dem Substrat im Bereich der aufgeschmolzenen Spur gefördert und verschmilzt zumindest teilweise mit dem aufgeschmolzenen Bereich des Substrats zur Erzeugung der gewünschten Beschichtung. Derartige Beschichtungen können beispielsweise im Bereich der Beschichtung von Ventilsitzen in Zylinderköpfen eingesetzt werden. Dabei kann eine Beschichtung mit einem kupfer- und/oder nickelhaltigen Pulver auf Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Substrat erfolgen. Als Beispiel kann hierzu die deutsche Offenlegungsschrift
DE 102 18 563 A1 genannt werden.
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Bei derartigen Laserbeschichtungsverfahren mit einem bestimmten zu erreichenden Auftragsvolumen ist es nun insbesondere am Anfang und am Ende der Beschichtung so, dass das Schmelzbad des aufgeschmolzenen Substrats typischerweise nicht optimal an den jeweiligen Pulvermassenstrom angepasst ist. Hierdurch entsteht die Gefahr von Quer- und/oder Längsrissen in der Beschichtung bzw. im Anbindungsbereich zu dem Substratwerkstoff.
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Dabei gibt es verschiedene Ursachen für derartige Fehlstellen in einer Beschichtung. Im Wesentlichen lassen sich zwei hauptsächliche Ursachen ausmachen. Zum einen ist bei einer zu geringen Laserleistung und damit einem ungenügend großen Schmelzbad bezogen auf einen bestimmten Pulvermassenstrom die Anbindung der Beschichtung an das Substrat ungenügend. Zum anderen kann bei zu viel Laserleistung das erzeugte Schmelzbad des aufgeschmolzenen Substrats zu groß werden, was je nach Art des Werkstoffs, welcher zur Beschichtung eingesetzt wird, infolge einer chemischen Aufmischung der Beschichtung mit dem Substratwerkstoff zu spröden intermetallischen Phasen führen kann. Das Verhältnis zwischen Laserleistung und Pulvermassenstrom muss daher zur Vermeidung von Quer- und/oder Längsrissen genau aufeinander abgestimmt werden.
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In diesem Zusammenhang ergeben sich jedoch bei den herkömmlichen Beschichtungsverfahren diverse Probleme. Zum einen variiert die Zeit zwischen dem Start des Pulvermassenstroms und dem Zeitpunkt, an dem das Pulver auf dem Substrat auftrifft, und zum anderen baut sich der Pulvermassenstrom in Abhängigkeit des jeweils eingesetzten Fördersystems für das Pulver typischerweise nur mit Schwankungen gegenüber einem optimalen beispielsweise linearen Anstieg zu dem konstanten und homogenen Pulvermassenstrom, welcher über den größten Teil der Lauflänge der Spur benötigt wird, auf. Ferner ist die Ausdehnung und die Temperaturverteilung des auf dem Substrat erzeugten Schmelzbads nicht nur von der Laserleistung und dem Durchmesser des Laserstrahls abhängig, sondern insbesondere auch von der Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen Substrats, der Geometrie des Substrats und selbstverständlich der Prozessgeschwindigkeit. So kann beispielsweise die Wärme in der zur Prozessrichtung entgegengesetzten Richtung durch den Vorwärmeffekt der bereits beschichteten Bereiche aufgestaut sein. Entsprechend weicht die Ausdehnung des Schmelzbads insbesondere in dieser Richtung von den Abmessungen des Laserstrahls ab. Da es aber letztendlich das Schmelzbad ist, welches optimal an den Pulvermassenstrom angepasst werden muss, sind beim Einstellen der für die Kombination aus Substrat und Pulvermassenstrom optimalen Parameter des Lasers diese sehr komplexen Wechselwirkungen zu berücksichtigen.
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Dies ist insbesondere bei sich verändernden Prozessparametern am Beschichtungsanfang und am Beschichtungsende nur sehr schwer zu realisieren. Eine optimale Anpassung gelingt in der Praxis daher sehr selten, auch wenn dies häufig versucht wird, wie beispielsweise in der
DE 10 2006 001 688 B4 beschrieben. In der Realität gibt es immer lokal eine leichte Abweichung zwischen der optimalen Laserleistung bezogen auf den jeweiligen Pulvermassenstrom. Bei herkömmlichen Beschichtungsverfahren sind daher Quer- und/oder Längsrisse, insbesondere bei sehr harten und damit spröden Werkstoffen, am Beschichtungsanfang und am Beschichtungsende nahezu unvermeidlich.
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Um dieser Problematik entgegenzuwirken schlägt die
JP 2010-201430 A vor, im Bereich des Beschichtungsanfangs den Pulvermassenstrom und die Laserleistung entlang einer vorgegebenen Funktion zu variieren. Auch dieses Verfahren ist ähnlich wie das in der zuvor genannten Schrift beschriebene Verfahren vergleichsweise sensitiv gegenüber Fehlanpassungen und führt bei variierenden Randbedingungen sehr schnell zu unbefriedigenden Ergebnissen mit Quer- und/oder Längsrissen im Bereich des Anfangs und des Endes der beschichteten Spur.
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Außerdem beschreibt die
JP 2010-201480 A eine Variation des Pulvermassenstroms, welche zur Erzeugung einer Rampe im Bereich des Beschichtungsendes und des Beschichtungsanfangs vorgesehen ist.
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Nun ist es so, dass die Variation des Pulvermassenstroms typischerweise über eine Anpassung eines Prüferfördersystems erfolgt. Typischerweise wird das Pulver über ein Inertgas bzw. Schutzgas für die Beschichtungsstelle gefördert und aus einem Pulvervorrat über eine vergleichsweise lange Wegstrecke zu dem Bearbeitungsort gebracht. Dabei ist die exakte Einstellung eines sich sehr fein verändernden Pulvermassenstroms außerordentlich schwierig, weil durch die lange Förderlänge große Abweichungen in dem Pulvermassenstrom am Ort der Beschichtung auftreten können. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, vergleichsweise dicht am Beschichtungsort eine Pulverweiche aufzubauen, welche einen Teil des Pulverstroms, welcher von dem Pulverfördersystem gefördert wird, zu dem Beschichtungsort weiterleitet und einen anderen Teil wieder zum Pulverfördersystem zurückführt. Hierdurch lässt sich die Genauigkeit verbessern, allerdings ist die Ansteuerung einer solchen Pulverweiche außerordentlich komplex und aufwändig und es wird unmittelbar im Bereich des Beschichtungsorts zusätzlicher Bauraum benötigt, welcher häufig nicht oder nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung steht. Durch den Wärmeeintrag im Bereich dieses Orts besteht ferner die Gefahr eines Verklebens und damit eines Verstopfens der Pulverweiche, was wiederum sehr negative Auswirkungen auf die Qualität der Variation des Pulvermassenstroms hat.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine einfache und effiziente Möglichkeit zu schaffen, insbesondere Fehlanpassungen zwischen Laserleistung und Pulvermassenstrom in den Bereichen des Beschichtungsanfangs und/oder des Beschichtungsendes zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass eine Vorschubgeschwindigkeit des Substrats am Beschichtungsanfang und/oder am Beschichtungsende variiert wird. Über eine solche Variation der Vorschubgeschwindigkeit des zu beschichtenden Substrats lässt sich selbst bei konstantem Pulvermassenstrom eine auf dem Substrat ansteigende Pulverrampe realisieren. Insbesondere bei einem im Bereich des Beschichtungsanfangs und des Beschichtungsendes ohnehin ansteigenden bzw. abfallenden Pulvermassenstrom lässt sich durch die zusätzliche Beschleunigung bzw. das Abbremsen des Substrats eine weitere Verlängerung der Pulverrampe auf dem Substrat erzielen. Hierfür sind keinerlei zusätzliche Aufbauten notwendig. Lediglich die Vorschubgeschwindigkeit einer Fördereinrichtung für das Substrat muss entsprechend angepasst werden, was typischerweise sehr einfach durch die Steuerung der Maschine möglich ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei den Vorteil, dass die Variation des Pulvermassenstroms, welcher typischerweise in der Art einer Rampe erfolgt, am Beschichtungsanfang und am Beschichtungsende verlängert werden kann, ohne dass hierzu eine zeitliche Veränderung der Pulvermassenstromrampe und damit eine Änderung in der Ansteuerung des Pulvermassenstromfördersystems notwendig wäre. Andererseits ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich der Vorteil, dass auch das Verhältnis der eingebrachten Leistungsdichte im Substrat durch die Absorption der Laserleistung auf dem Substrat zur Absorption im Pulver gleichmäßig auf einem Niveau gehalten werden kann. Bei einer erhöhten Geschwindigkeit am Beschichtungsanfang bzw. am Beschichtungsende, also wenn der Pulvermassenstrom gering ist und somit auch die anteilig vom Pulver absorbierte Laserleistung entsprechend gering ist, erfolgt eine höhere Einstrahlung von Laserleistung auf das Substrat, sodass die in das Substrat eingebrachte Leistungsdichte durch die Beschleunigung des Substrats ohne Nachteile verringert werden kann. In dem Bereich, in dem der Beschichtungsanfang bzw. das Beschichtungsende in die eigentliche Beschichtung übergehen und der Pulvermassenstrom maximal wird, kann dies durch eine entsprechende Reduzierung der Geschwindigkeit ausgeglichen werden, sodass auch in diesem Bereich eine Beschichtung mit der optimalen Leistungsdichte des Laserstrahls erfolgen kann.
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Das Verfahren lässt sich im Prinzip so verwenden, dass dieses bei einem konstanten Massenstrom des Pulvers realisiert werden kann, wobei lediglich durch die Variation der Vorschubgeschwindigkeit des Substrats die gewünschte Rampe in der Beschichtung realisiert wird. Von besonderem Vorteil ist es jedoch, wenn Laserleistung und Pulvermassenstrom anhand einer vorgegebenen, vorzugsweise linearen, Funktion im Bereich des Beschichtungsanfangs und des Beschichtungsendes variiert werden, wobei zusätzlich zur Verbesserung der Steuerung und zum Erreichen einer flacheren Rampe mit sehr gleichmäßiger Änderung der Schichtdicke der späteren Beschichtung die Vorschubgeschwindigkeit des Substrats variiert wird. Insbesondere diese Kombination aus dem bestehenden Verfahren, welches zusätzlich um die Variation der Geschwindigkeit ergänzt wird, ermöglicht eine sehr gute Beschichtung.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich so eine sehr gleichmäßige Rampe realisieren, wobei durch die über die Variation der Geschwindigkeit gegebene Möglichkeit, die Rampe zu verlängern, ein auf die Lauflänge der Spurrampe bezogenes Verhältnis der Laserleistung und des Pulvermassenstroms, jeweils auf deren Maximalwert normiert, in einer Größenordnung erzielt wird, in der sehr günstige Bedingungen für eine qualitativ hochwertige Beschichtung vorliegen. Ein besonders günstiges Verhältnis liegt dabei in einem Bereich von mehr als 0,4 – vorzugsweise mehr als 0,5 – und etwa 0,8 bis 0,9. Ein Verhältnis in diesem Bereich garantiert eine ausreichende Pulvermenge mit einer daran in der Art angepassten Laserleistung, da ein Aufschmelzen so erfolgt, dass ein Anhaften des Pulvers als Beschichtung sehr gut und effizient möglich wird, gleichzeitig die Laserleistung aber nicht so hoch wird, dass übermäßig viel Substrat aufgeschmolzen wird und sich intermetallische Verbindungen zwischen dem Pulver und dem Substrat bilden, welche – je nach eingesetzten Werkstoffen – gegebenenfalls zu spröden intermetallischen Phasen führen könnten.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt einen sehr stark schematisierten Aufbau zur Umsetzung es erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der Darstellung der 1 ist ein stark schematisierter Aufbau zur Beschichtung eines Substrats 1 mit Hilfe eines Lasers 2 zu erkennen. Im dem Laser 2 wird ein Laserstrahl 3 erzeugt, welcher das Substrat auf einer vorgegebenen Spur lokal aufschmilzt. Aus einem Pulverfördersystem 4 wird über eine Förderleitung 5 und eine Düse 6 ein Pulver in den Bereich des aufgeschmolzenen Substrats 1 zugeführt, welches in diesem Bereich zumindest teilweise mit dem aufgeschmolzenen Substrat 1 zu einer Beschichtung 7 verschmilzt. Dies ist soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird beispielsweise zur Beschichtung von mechanisch und/oder thermisch hochbelasteten Bereichen in Zylinderköpfen, beispielsweise zur Beschichtung von Ventilsitzen oder für andersartige Beschichtungsaufgaben, eingesetzt.
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Im Bereich eines Anfangs der Beschichtung 7 und eines Endes der Beschichtung 7 muss nun ein kontinuierliches Beginnen der Beschichtung bis zur vollen Beschichtungsstärke bzw. ein kontinuierliches Auslaufen der Beschichtung von der vollen Beschichtungsstärke auf eine Beschichtungsstärke von „0” erfolgen. Um dies zu erreichen, kann über das Pulverfördersystem 7 der über die Düse 6 auf das Substrat 1 aufgebrachte Pulvermassenstrom dm entsprechend variiert werden, um so, insbesondere mit ebenfalls variierter Leistung des Lasers 2, eine Rampe in der Beschichtung zu realisieren. In der Praxis ist eine sehr feine Ansteuerung des Pulvermassenstroms dm jedoch nicht oder nur schwer möglich, da typischerweise zwischen dem Pulverfördersystem 4 und der Düse 6 die Förderleitung 5 liegt, welche vergleichsweise lang ist und bei einer Förderung des Pulvermassenstroms dm über ein inertes Transportgas, welches im Bereich der entstehenden Beschichtung gleichzeitig als Schutzgas dient, häufig starken Schwankungen unterworfen ist. Der Pulvermassenstrom dm wird daher in der Praxis typischerweise gemäß einer vergleichsweise steilen Rampe gestartet, während des größten Teils der Beschichtung auf einem konstanten Niveau gehalten und zum Beschichtungsende hin wieder mit einer ähnlich steilen Rampe gestoppt. Eine solche steile Rampe verursacht nun jedoch den Nachteil, dass im Bereich des Beschichtungsanfangs und des Beschichtungsendes eine vergleichsweise schlechte Qualität der Beschichtung auftritt, und dass insbesondere die Ausbildung von Quer- und/oder Längsrissen in diesem Bereich auftreten kann, da entweder am Beginn bzw. Ende der beschichteten Spur der Massenstrom an Pulver noch zu gering ist oder im darauffolgenden Bereich die Laserleistung im Vergleich zum Massenstrom des Pulvers zu hoch ist und durch ein übermäßiges Aufschmelzen des Substrats sich intermetallische Phasen zwischen dem Material des Substrats 1 und dem Pulver ausbilden, welche je nach Materialien gegebenenfalls zu spröden Phasen führen können.
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Der Problematik wird bei dem hier beschriebenen Aufbau nun dadurch begegnet, dass im Bereich des Anfangs der Beschichtung 7 und des Endes der Beschichtung 7 ergänzend zu der vergleichsweise steilen Rampe des Pulvermassenstroms, welche typischerweise die einfachste Möglichkeit einer gut steuerbaren und gleichmäßigen Rampe bei dem Pulvermassenstrom darstellt, die Vorschubgeschwindigkeit des Substrats 1 in Prozessrichtung R variiert wird. Hierfür ist in der Darstellung der 1 prinzipmäßig angedeutet eine Fördereinrichtung 8 in Form eines Förderbands zu erkennen, auf dem das Substrat 1 angeordnet ist. Eine Vorschubgeschwindigkeit v des Substrats lässt sich über eine Beeinflussung der Geschwindigkeit des Förderbands einfach und effizient einstellen. Die Vorschubgeschwindigkeit v verläuft in der Prozessrichtung R.
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Nun ist es so, dass zum Beschichtungsanfang und bei dem in der Figur prinzipmäßig dargestellten Beschichtungsende die Geschwindigkeit v entsprechend erhöht wird. Ausgehend von einer vergleichsweise langsamen Geschwindigkeit v im Bereich der Beschichtung, wenn diese die volle Dicke aufweist und mit einem konstanten Pulvermassenstrom dm versorgt wird, steigt die Geschwindigkeit in Richtung des Endes der Beschichtung 7 hin kontinuierlich an und erreicht ihren höchsten Wert in dem Bereich, in dem der Pulvermassenstrom komplett abgeschaltet wird. Die Laserleistung ist dabei unabhängig von der Variation der Vorschubgeschwindigkeit v des Substrats 1 und variiert beispielsweise in an sich bekannter Art und Weise mit dem Pulvermassenstrom dm, also ebenfalls entsprechend der vergleichsweise steilen aber nur hierdurch einigermaßen exakt einstellbaren Rampe des Pulvermassenstroms dm. Durch die schnellere Vorschubgeschwindigkeit v des Substrats 1 und gleichzeitig die Verringerung der Menge an Pulver je Streckenlänge der Beschichtung bzw. der beschichteten Spur ergibt sich, ohne dass die Laserleistung entsprechend der Geschwindigkeit variiert werden müsste, eine ideale Verteilung der Laserleistung, da mit verringerter Menge an Pulver von dem Pulver weniger Laserleistung absorbiert wird und damit mehr Laserleistung zu dem Substrat 1 gelangt. Durch die Beschleunigung des Substrats im Bereich des Beschichtungsanfangs und/oder Beschichtungsendes verteilt sich diese zusätzliche zum Substrat 1 gelangende Laserleistung auf eine größere Fläche bzw. Spurlänge, sodass insgesamt die Leistungsdichte, welche auf das Substrat 1 einwirkt, in etwa konstant bleibt und damit ideale Voraussetzungen für eine homogene Beschichtung mit qualitativ hochwertigen auslaufenden Beschichtungsenden und beginnenden Beschichtungsanfängen gewährleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10218563 A1 [0002]
- DE 102006001688 B4 [0006]
- JP 2010-201430 A [0007]
- JP 2010-201480 A [0008]
