DE102019132191A1

DE102019132191A1 - Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit mehreren Laserauftragschweißköpfen

Info

Publication number: DE102019132191A1
Application number: DE102019132191.3A
Authority: DE
Inventors: Phillip Utsch
Original assignee: HPL Technologies GmbH
Current assignee: HPL Technologies GmbH
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2021-05-27
Also published as: DE112020005761A5; US20230001507A1; CA3159492A1; EP4065308A1; KR20220100951A; WO2021104566A1; CN114829055A; MX2022006283A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Laserauftragschweißen mit mehreren Laserauftragschweißköpfen (3) und ein Verfahren (100) zum Betreiben einer solche Vorrichtung (1) mit einer Laserauftragschweißeinheit (2) mit mehreren darauf angeordneten Laserschweißköpfen (3) zum (quasi-) simultanen Auftragen von Material (M) auf eine Oberfläche (41) eines Bauteils (4) und einer oder mehrerer Fördereinheiten (5) zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe (3) mit dem aufzutragenden Material (M) und einer oder mehrere Laserstrahlquellen (6) zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe (3) mit Laserstrahlung (L) zur Durchführung des Laserauftragschweißens.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit mehreren Laserauftragschweißköpfen und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Laserauftragschweißen ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung (z.B. Beschichtung, Reparatur) und zur additiven Fertigung von Bauteilen mit draht- oder pulverförmigen Zusatzwerkstoffen. Aufgrund der größeren Robustheit gegenüber Justagefehlern bei der Prozesseinrichtung und der größeren Flexibilität bei der Werkstoffauswahl werden überwiegend pulverförmige Zusatzwerkstoffe eingesetzt. Das Pulver wird dabei in ein durch einen Laserstrahl erzeugtes Schmelzbad auf einer Oberfläche eines Bauteils unter einem definierten Winkel mittels einer Pulverdüse eingebracht. Bei der Wechselwirkung von Laserstrahlung und Pulverpartikeln oberhalb des Schmelzbades wird ein Teil der Laserstrahlung vom Pulver absorbiert. Der nicht absorbierte Anteil wird (mehrfach-)reflektiert oder transmittiert. Der durch die Pulverpartikel absorbierte Strahlungsanteil führt zu einer Erwärmung der Pulverpartikel, durch den transmittierten Strahlungsanteil wird das Schmelzbad erzeugt. Je nach Grad der Erwärmung der Partikel in der Strahl-Stoff-Wechselwirkungszone sind die Partikel des Zusatzwerkstoffes vor Eintritt in das Schmelzbad fest und/oder partiell oder vollständig flüssig.
Wird nun das Bauteil gegenüber dem Laser und der Pulverzufuhr bewegt, so bewegt sich das Material des Schmelzbades aus dem Einflussbereich der Laserstrahlung heraus und erstarrt zur Schicht. Die Voraussetzung zur Herstellung von defektfreien, schmelzmetallurgisch angebundenen Schichten besteht darin, eine Prozesswärme zur Verfügung zu stellen, die ausreicht um einen Temperatur-Zeit-Zyklus zu initiieren, der sowohl ein Aufschmelzen des Substrates als auch des Zusatzwerkstoffes gewährleistet. Abhängig von der Laserleistung und der Einstellung weiterer Verfahrensparameter (bspw. Vorschubgeschwindigkeit, Spurabstand, Strahldurchmesser, Materialzufuhr, etc.) findet daher eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Durchmischung von Zusatzwerkstoff und Bauteilwerkstoff statt. Das Pulver kann seitlich oder koaxial in das Schmelzbad injiziert werden.
Mit der üblichen Verfahrensführung lassen sich Vorschubgeschwindigkeiten, d. h. Relativgeschwindigkeiten des Bauteils gegenüber dem Laserstrahl, typischerweise zwischen 0,2 m/min und 2 m/min erreichen. Bei dem in DE 10 2011 100 456 B4 offenbarten Verfahren, wird das zugeführte Material bereits oberhalb der Oberfläche mittels eines entsprechend fokussierten Laserstrahls mit hoher Leistung aufgeschmolzen, sodass es bereits im geschmolzenen Zustand das Schmelzbad auf der Oberfläche des Bauteils erreicht, was eine schnellere Bearbeitung des Bauteils durch weiter erhöhte Vorschubgeschwindigkeiten im Bereich ≥ 150 m/min ermöglicht. Mit dem Verfahren gemäß DE 10 2011 100 456 B4 ist zwar nun die Flächenrate größer (damit die Beschichtungsdauer kleiner) als bei der konventionellen Verfahrensführung, jedoch begünstigen die große Abkühlraten infolge der vergrößerten Vorschubgeschwindigkeit die Rissbildung (Spannungsrisse infolge der Schrumpfspannungen). Dadurch sind viele Legierungen, insbesondere schwer-schweißbare Legierungen vorwiegend zum Verschleißschutz, nicht mehr verarbeitbar. Trotz größerer Flächenrate liefert DE 10 2011 100 456 B4 keine Ansätze zur Vergrößerung der Auftragrate (aufgetragene Menge an Pulver pro Zeiteinheit).
Unter Anwendung einer Vorwärmung für das Bauteil kann grundsätzlich die Rissneigung vermindert und die Auftragsrate vergrößert werden. EP 0 190 378 A1 offenbart, dass eine schnellere Bearbeitung des Bauteils erreicht werden kann, indem das ganze Bauteil vor der vorstehend beschriebenen Behandlung einer zusätzlichen durchgreifenden Vorerwärmung in einem Ofen unterzogen wird. Die Vorwärmtemperatur der Ofenerwärmung beträgt bis 600 °C. Damit lässt sich das Material mit einer Vorschubgeschwindigkeit bis zu 5,4 m/min auftragen. Die EP 1 285 719 A1 offenbart ein modifiziertes Vorwärmverfahren, mit dem deutlich höhere Vorschubgeschwindigkeiten bei gleichzeitiger Vermeidung von Rissen in der Schicht oder dem Substratwerkstoff erreicht werden können. Hierbei wird das Werkstück beim Laserauftragschweißen induktiv erhitzt. Die Verwendung der induktiven Vorheizung schränkt die Verwendung auf Bauteilen mit dafür geeigneter Geometrie ein. DE102011100456 B4 . Eine Vermeidung von zeitaufwendigen Vorwärmeprozeduren oder zusätzlich benötige Komponenten wie Induktive Heizmittel wäre wünschenswert.
Es wäre daher wünschenswert, einen effektiven Laserauftragschweißprozess zur Verfügung zu haben, mit dem eine größere Auftragsrate für verschiedenste Materialien bei geringerer Prozesszeit für das Bauteil ermöglicht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen effektiven Laserauftragschweißprozess zur Verfügung zu stellen, der eine größer Auftragsrate für verschiedenste Materialien bei geringer Prozesszeit für das Bauteil ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit mit mehreren darauf angeordneten Laserschweißköpfen zum (quasi-) simultanen Auftragen von Material auf eine Oberfläche eines Bauteils und einer oder mehrerer Fördereinheiten zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe mit dem aufzutragenden Material und einer oder mehrere Laserstrahlquellen zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe mit Laserstrahlung zur Durchführung des Laserauftragschweißens.
Begrifflich sei hierzu Folgendes erläutert:

Zunächst sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und Zahlenangaben wie „ein“, „zwei“ usw. im Regelfall als „mindestens“-Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein...“, „mindestens zwei...“ usw., sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ausdrücklich ergibt oder es für den Fachmann offensichtlich oder technisch zwingend ist, dass dort nur „genau ein...‟, „genau zwei...“ usw. gemeint sein können.

Der Begriff „Laserauftragschweißen“ bezeichnet alle Verfahren, bei denen ein durch einen Laserauftragschweißkopf in Richtung des zu bearbeitenden Bauteils hindurchtretendes Material, beispielsweise ein pulverförmiges Material, mittels eines Laserstrahls, der ebenfalls durch den Laserauftragschweißkopf in Richtung des zu bearbeitenden Bauteils durch das Material geführt ist, in einem vom Laserstrahl auf der Oberfläche des Bauteils erzeugten Schmelzbad aufgeschmolzen wird und so auf die ebenfalls durch den Laserstrahl angeschmolzene Oberfläche des Bauteil aufgetragen wird. Das nachfolgend erstarrte Material verbleibt dort als mit der Oberfläche verschweißtes Material. Der Laserauftragschweißkopf umfasst dabei beispielsweise einer Optik für den Laserstrahl sowie eine Pulverzufuhrdüse inklusive Justageeinheit für das aufzutragende Material, gegebenenfalls mit einer integrierten, lokalen Schutzgaszufuhr. Hierbei kann der Laserstrahl auch so geführt sein, dass das Material bereits im Laserstrahl aufgeschmolzen wird, beispielsweise durch einen Laserstrahl, der einen Fokuspunkt oberhalb der Oberfläche des Bauteils aufweist.
Der Begriff „Laserauftragschweißeinheit“ bezeichnet eine Komponente, die die Laserauftragschweißköpfe umfasst. Hierbei können die Laserauftragschweißköpfe beispielsweise auf einer Trägerplatte der Laserauftragschweißeinheit befestigt sein. Die Befestigung kann vorzugsweise so ausgeführt sein, dass sich die Laserauftragschweißköpfe relativ zueinander bewegen können. Außerdem kann die Laserauftragschweißeinheit als Ganzes räumlich beweglich in der Vorrichtung angeordnet sein, beispielsweise auf einer Verstelleinheit der Vorrichtung. Als Ausführungsform kann die Laserauftragschweißeinheit auf einem Roboterarm angeordnet sein, der mittels geeigneter Verfahrkurven die Laserauftragschweißeinheit beliebig räumlich bewegen kann. Die Anzahl der Laserauftragschweißköpfe beträgt hier mindestens zwei. Es können daher auch drei, vier, fünf oder mehr Laserauftragschweißköpfe von der Laserauftragschweißeinheit umfasst sein. Wie viele Laserauftragschweißköpfe in der Vorrichtung vorhanden sein können, ist in der Regel ein geometrisches Problem und wird durch die Größe der Laserauftragschweißköpfe und das zu bearbeitende Bauteil bestimmt.
Der Begriff „Laserauftragschweißkopf‟ bezeichnet die Einheit, die mittels des durch sie hindurchgeleiteten Laserstrahl einen Laserschweißpunkt auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils erzeugt, und die das ebenfalls durch sie hindurchtretende Material im Laserstrahl auf dem Weg zur Oberfläche des Bauteils aufschmilzt, sodass es beim Auftreffen auf die Oberfläche des Bauteils mit diesem verschweißt wird.
Das aufgetragene Material kann beispielsweise in Pulverform für das Laserauftragschweißen bereitgestellt werden. Hierbei kann als Material jedes für das Laserauftragschweißen geeignete Material verwendet werden. Beispielsweise kann das Material Metalle und/oder MetallKeramik-Verbundwerkstoffe (sogenannten MMCs) umfassen oder daraus bestehen. Der Fachmann kann die für den jeweiligen Laserauftragschweißprozess geeigneten Materialen auswählen. Hierbei kann das Material aus einer einzigen Fördereinheit den Laserköpfen zugeführt werden. Die Vorrichtung kann aber auch mehrere Fördereinheiten umfassen, wodurch die Laserauftragschweißköpfe mit unterschiedlichen Materialien versorgt werden können, sodass die von unterschiedlichen Laserauftragschweißköpfen erzeugten Auftragschweißspuren gleiche oder unterschiedliche Materialien umfassen können oder es kann die Materialzufuhr zu einem oder mehreren Laserauftragschweißköpfen während des Laserauftragschweißens von einer Fördereinheit zu einer anderen Fördereinheit mit einem anderen Material geändert bzw. umgeschaltet werden.
Die Laserstrahlung wird mittels einer oder mehrere Laserstrahlquellen bereitgestellt. Der Fachmann kann geeignete Laserstrahlquellen für das Laserauftragschweißen auswählen.
Der Begriff „(quasi-) simultanes Auftragen“ bezeichnet den Prozess des Laserauftragschweißen, wobei pro Laserauftragschweißkopf separate Auftragschweißspuren gleichzeitig (im Vor- oder Nachlauf) mit anderen Auftragschweißspuren mittels anderen Laserauftragschweißköpfen auf die Oberfläche aufgetragen werden. Dieses (quasi-) simultane Auftragen erfolgt zeitgleich, dabei aber jeweils an anderen Positionen auf dem Bauteil, also an unterschiedlichen Orten auf dem Bauteil. Damit steigt das pro Zeiteinheit auf die Oberfläche aufgetragene Material proportional mit der Anzahl der Laserauftragschweißköpfe. Die separaten Auftragschweißspuren können dabei aneinander angrenzen oder sich gegebenenfalls zumindest teilweise überlappen. Gegebenenfalls können die separaten Auftragschweißspuren auch direkt aufeinander aufgetragen werden. Beispielsweise lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Bearbeitung von Bremsscheiben mittels Laserauftragschweißen bisher übliche Bearbeitungszeiten von 3 - 15 Minuten auf unter 1 Minute reduzieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit durch das (quasi-) simultane Auftragen von Material mittels mehrerer Laserauftragschweißköpfe einen effektiven Laserauftragschweißprozess, der der eine größer Auftragsrate für verschiedenste Materialien bei geringer Prozesszeit für das Bauteil ermöglicht, als es nur mit einem Laserschweißkopf möglich wäre. Zur Erzielung einer kürzeren Prozesszeit braucht hierbei nicht die Vorschubgeschwindigkeit gegenüber bekannten Verfahren gesteigert werden, was die Qualität der aufgetragenen Schicht verbessert und Schichtfehler wie Rissbildung mittels einer prozessgerechten Vorschubgeschwindigkeit zu vermeiden hilft.
In einer Ausführungsform erzeugen die Laserauftragschweißköpfe jeweils einen Laserschweißpunkt auf der Oberfläche des Bauteils und benachbarte Laserschweißpunkte besitzen einen ersten Versatz zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung der Laserschweißpunkte auf der Oberfläche des Bauteils. Der Begriff „auf der Oberfläche des Bauteils“ bezeichnet dabei die momentane Oberfläche des Bauteils zum Zeitpunkt, wo der jeweilige Laserschweißpunkt die Oberfläche überstreicht. Die Oberfläche des Bauteils braucht dabei nicht die ursprüngliche Oberfläche des Bauteils vor Beginn des Laserauftragschweißens sein. Die Oberfläche des Bauteils kann auch die Oberfläche einer bereits aufgetragenen Auftragschweißspur oder einer Schicht aus aufgetragenen Material darstellen, da diese nach erfolgten Auftragen mit der vorherigen Oberfläche verschweißt ist und somit selbst die Oberfläche des Bauteils für nachfolgende Auftragschweißspuren darstellt. Der Begriff „Laserschweißpunkt“ bezeichnet den räumlichen Ort auf der Oberfläche des Bauteils, auf dem das aufgeschmolzene Material mittels Laserauftragschweißen auf die Oberfläche aufgetragen wird. Der Laserschweißpunkt kann dabei auch als Schmelzgebiet des aufgetragenen Materials bezeichnet werden, in dem das mittels Laserstrahlung aufgeschmolzene Material auf die Oberfläche des Bauteils trifft. Der Begriff „benachbarte Laserschweißpunkte“ bezeichnet zwei Laserschweißpunkte, die Auftragschweißspuren von auf der Oberfläche des Bauteils aufgebrachten Material erzeugen, die aneinander angrenzen und sich gegebenenfalls zur Herstellung einer flächenmäßigen Auftragung des Materials zumindest teilweise überlappen können. Benachbarte Laserschweißpunkte können von benachbarten Laserauftragschweißköpfen erzeugt werden. Hierbei bezeichnen benachbarten Laserschweißpunkte und/oder Laserauftragschweißköpfe nicht notwendigerweise Laserschweißpunkte oder Laserauftragschweißköpfe, die den kleinsten geometrischen Abstand zueinander haben, sondern sind oder erzeugen diejenigen Laserschweißpunkte, die aneinander angrenzende Auftragschweißspuren erzeugen. Durch den zumindest ersten Versatz der benachbarten Laserschweißpunkte zueinander kann die Vorwärmung des Bauteils gezielt gesteuert werden, was die Verarbeitung von schwer-schweißbaren Legierungen vereinfacht bzw. je nach Legierung erst ermöglicht. Durch den zumindest ersten Versatz mit geeigneter Größer wird auch der Nachbearbeitungsaufwand verringert. In einer weiteren Ausführungsform erzeugen dafür die Laserschweißpunkte Auftragschweißspuren mit einer Materialbreite entlang der Vorschubrichtung auf der Oberfläche, bei denen der erste Versatz benachbarter Laserschweißpunkte zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite der Auftragschweißspur beträgt.
In einer weiteren Ausführungsform besitzen die benachbarten Laserschweißpunkte auf der Oberfläche des Bauteils einen zweiten Versatz zueinander in Vorschubrichtung. Durch diesen zweiten Versatz der Laserschweißpunkte kann die Vorwärmung des Bauteils ebenfalls gezielt gesteuert werden, insbesondere im Zusammenspiel mit dem ersten Versatz, was die Verarbeitung von schwer-schweißbaren Legierungen noch weiter vereinfacht bzw. je nach Legierung erst ermöglicht. Durch den zweiten Versatz mit geeigneter Größer, insbesondere im Zusammenspiel mit dem ersten Versatz, wird auch der Nachbearbeitungsaufwand weiter verringert.
In einer Ausführungsform ist der zweite Versatz dazu so eingestellt, dass sich durch die Laserschweißpunkte auf der Oberfläche induzierte Temperaturprofile so weit überlappen, dass das Material in einem Überlappungsbereich benachbarter Auftragschweißspuren noch eine für den Prozess nutzbare/zuträgliche Restwärme besitzt. Hierbei kann der Laserschweißkopf mit dem zweiten Versatz zur benachbarten Auftragschweißspur dazu verwendet werden, neben dem Auftragen der eigenen Auftragschweißspur die benachbart aufgetragene Auftragschweißspur umzuschmelzen.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung so ausgestaltet ist, nach einer flächenmäßigen Auftragung vom Material als eine vorangegangene Schicht auf die Oberfläche des Bauteils die Laserauftragschweißköpfe so zu führen, dass eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material als nachfolgende Schicht auf die vorangegangene Schicht ausgeführt wird, um das Material als Mehrfachschichtsystem aufzutragen. Damit sind Multischichtsysteme einfach herstellbar. Diese Multischichtsysteme können aus dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen. Multischichtsysteme können dazu verwendet werden, Schichten mit einer größeren Schichtdicke herzustellen, als mit einem Einfachschichtsystem möglich wäre, oder mehrere unterschiedliche funktionale Schichten mit einem gemeinsamen Prozess aufzutragen. Hierbei kann der Auftragungsprozess der nachfolgenden Schicht dazu verwendet werden, die zuletzt aufgetragene Schicht zur Modifikation ihrer Eigenschaften in gewünschter Weise umzuschmelzen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich typischerweise Schichtdicken von 0,3 mm bis 3,0 mm pro Schicht auftragen. Bei gewünschten größeren Schichtdicken können diese erreicht werden, indem mehrere Schichten desgleichen Materials übereinander aufgetragen werden. Gleiches gilt für Schichten aus unterschiedlichen Materialien.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Auftragschweißspuren der nachfolgenden Schicht mit einem dritten Versatz senkrecht zur Vorschubrichtung relativ zu den darunterliegenden Auftragschweißspuren der vorangegangenen Schicht auf die vorangegangene Schicht aufgetragen. So können sich die Konturen der einzelnen Schichten beispielsweise so überlappen, dass die Oberfläche des Mehrfachschichtsystems eine Welligkeit geringer als die Welligkeiten der jeweils einzelnen Schichten besitzt, was die Intensität eventuell notwendiger Nachbearbeitungsschritte wie abschleifen und glätten verringert.
In einer weiteren Ausführungsform besitzen die aufgetragenen Schichten eine variierende Schichtdicke mit einer kleinere Schichtdicke und einer größeren Schichtdicke, wobei der dritte Versatz der Auftragschweißspuren übereinanderliegender Schichten so eingestellt ist, dass die größeren Schichtdicken der nachfolgenden Schicht oberhalb der kleineren Schichtdicken der vorangegangenen Schicht angeordnet sind. So kann die Oberfläche des Mehrfachschichtsystems mit einer sehr gering ausgeprägten Kontur bzw. einer sehr geringen Oberflächenunebenheit oder Rauigkeit bereitgestellt werden. Das macht Nachbearbeitungsschritte wie Abschleifen zur Glättung der Oberfläche des aufgetragenen Materials im Multischichtsystem weniger aufwändig oder gegebenenfalls sogar obsolet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu ausgestaltet, mittels geeigneter Ansteuerung der Fördereinheiten die Laserauftragschweißköpfe mit unterschiedlichen Materialien zum Auftragen auf die Oberfläche des Bauteils zu versorgen. Damit können sowohl benachbarte Auftragschweißspuren von verschiedenen Laserschweißköpfen aus unterschiedlichem Material bestehen, als auch verschiedene Schichten in einem Multischichtsystem aus unterschiedlichen Materialien gefertigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Ansteuerung dazu so ausgeführt, dass Schichten eines Mehrfachsichtsystems aus unterschiedlichen Materialien mit ersten Schichten aus einem ersten Material und zweiten Schichten aus einem zweiten Material bestehen. Werden Bauteile mit Laserauftragschweißen bearbeitet, so kann beispielsweise eine erste Schicht aus einem ersten Material und eine zweite Schicht aus einem zweiten Material auf die erste Schicht aufgetragen werden. Hierbei kann die zweite Schicht beispielsweise eine Anti-Korrosionsschicht aus einem korrosionsbeständigen Material zum Schicht der Eigenschaften der ersten Schicht sein. In einem anderen Beispiel könnte die zweite Schicht auch ein Abrasionsschicht, beispielsweise für Bremsscheiben sein. Hierbei können zur Vergrößerung der Schichtdicke die voranstehenden ersten und zweiten Schichten selber jeweils ein Multischichtsystem aus Schichten des jeweils selben Materials hergestellt sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Laserauftragschweißeinheit zur Ausführung einer Bewegung relativ zur Oberfläche des Bauteils bewegbar in der Vorrichtung angeordnet, vorzugsweise mittels einer Bewegungseinheit. Damit lassen sich Bauteile flexibel flächenmäßig mittels Führung der Laserauftragsschweißeinheit über eine Oberfläche hinweg bearbeiten, beispielsweise auf einer rotierenden Oberfläche oder entlang eines sich drehenden Welle.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Laserauftragschweißköpfe zur Ausführung einer Bewegung relativ zueinander bewegbar in der Vorrichtung angeordnet, vorzugsweise mittels einer Laserauftragschweißkopf-Bewegungseinheit. Somit lassen sich die einzelnen Auftragschweißspuren relativ zueinander und über die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteils hinweg genau führen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Kontrolleinheit, die dazu eingerichtet ist, zumindest die Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit und/oder der Laserauftragschweißköpfe und/oder die Fördereinheiten und/oder der Laserstrahlquellen zur Ausführung des Laserauftragschweißens geeignet anzusteuern, wozu die Kontrolleinheit mit diesen Komponenten geeignet verbunden ist. Die Kontrolleinheit kann eine softwarebasierte Maschinensteuerung sein, auf der ein entsprechendes Kontrollprogramm installiert ist und entsprechende zur Steuerung des Prozesses ausgeführt wird.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betrieben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit mit mehreren darauf angeordneten Laserauftragschweißköpfen umfassend den Schritt des (quasi-) simultanen Auftragens von Material auf eine Oberfläche eines Bauteils. Durch das (quasi-) simultane Auftragen von Material mittels mehrerer Laserauftragschweißköpfe stellt das Verfahren einen effektiven Laserauftragschweißprozess zur Verfügung, der der eine größer Auftragsrate für verschiedenste Materialien bei geringer Prozesszeit für das Bauteil ermöglicht, als es nur mit einem Laserschweißkopf möglich wäre. Zur Erzielung einer kürzeren Prozesszeit braucht hierbei nicht die Vorschubgeschwindigkeit gegenüber bekannten Verfahren gesteigert werden, was die Qualität der aufgetragenen Schicht verbessert und Schichtfehler wie Rissbildung mittels einer prozessgerechten Vorschubgeschwindigkeit zu vermeiden hilft.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erzeugen die Laserauftragschweißköpfe jeweils einen Laserschweißpunkt auf der Oberfläche des Bauteils, wobei das Verfahren den weiteren Schritt des Bewegens benachbarter Laserschweißpunkte mit einem ersten Versatz zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung der Laserschweißpunkte auf der Oberfläche des Bauteils umfasst.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Bewegens benachbarter Laserschweißpunkte auf der Oberfläche des Bauteils mit einem zweiten Versatz zueinander in Vorschubrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Steuerns zumindest der Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit und/oder der Laserauftragschweißköpfe und/oder der Fördereinheiten und/oder der Laserstrahlquellen zur Ausführung des Laserauftragschweißens mittels einer mit diesen Komponenten geeignet verbunden Kontrolleinheit.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Auftragens eines Mehrfachschichtsystems auf die Oberfläche des Bauteils mittels geeigneter Führung der Laserauftragschweißköpfe der Vorrichtung, bei dem nach einer flächenmäßigen Auftragung vom Material als eine vorangegangene Schicht auf die Oberfläche des Bauteils eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material als nachfolgende Schicht auf die vorangegangene Schicht erfolgt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, wobei die aufgetragenen Schichten des Mehrfachschichtsystems eine variierende Schichtdicke mit einer kleinere Schichtdicke und einer größeren Schichtdicke besitzen, umfasst dieses den weiteren Schritt des Einstellens eines dritten Versatzes senkrecht zur Vorschubrichtung zwischen Auftragschweißspuren der nachfolgenden Schicht und darunterliegenden Auftragschweißspuren der vorangegangenen Schicht, sodass die größeren Schichtdicken der nachfolgenden Schicht oberhalb der kleineren Schichtdicken der vorangegangenen Schicht angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Ansteuerns der Fördereinheiten für die Laserauftragschweißköpfe so, dass die Schichten des Mehrfachschichtsystems aus unterschiedlichen Materialien mit ersten Schichten aus einem ersten Material und zweiten Schichten aus einem zweiten Material bestehen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, wobei das Bauteil, vorzugsweise eine Bremsscheibe, eine kreisförmige Oberfläche mit einer Rotationsachse umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfasst dieses die weiteren Schritte des

- Rotierens der kreisförmigen Oberfläche um die Rotationsachse unter den Laserauftragschweißköpfen hindurch, sodass deren Laserschweißpunkte auf der kreisförmigen Oberfläche bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen kreisförmig die Oberfläche überlaufen würden; und des
- Bewegens der Laserauftragschweißköpfe in Richtung der Rotationsachse, sodass das Material in spiralförmigen Auftragschweißspuren flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche aufgetragen wird.

Durch die Bewegung der Laserauftragschweißköpfe im Kombination mit dem rotierenden Bauteil wird das Material flächig auf das Bauteil aufgetragen. Die Geschwindigkeit der einzelnen Bewegungen für Bauteil und Laserauftragschweißköpfe bestimmt u.a., wie stark die benachbarten Auftragschweißspuren miteinander überlappen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, wobei das Bauteil, vorzugsweise eine Welle, eine rotationssymmetrische Oberfläche mit einer Rotationsachse umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfasst dieses die weiteren Schritte des

- Rotierens der rotationssymmetrischen Oberfläche, vorzugsweise die Zylinderfläche der Welle, um die Rotationsachse unter den Laserauftragschweißköpfen hindurch, sodass deren Laserschweißpunkte auf der rotationssymmetrischen Oberfläche bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen kreisförmig die Oberfläche überlaufen würden; und des
- Bewegens der Laserauftragschweißköpfe in Vorschubrichtung parallel zur Rotationsachse, sodass das Material in spiralförmigen Auftragschweißspuren flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche aufgetragen wird.

Durch die Bewegung der Laserauftragschweißköpfe im Kombination mit dem rotierenden Bauteil wird auch für diese Bauteilgeometrie das Material flächig auf das Bauteil aufgetragen. Die Geschwindigkeit der einzelnen Bewegungen für Bauteil und Laserauftragschweißköpfe bestimmt u.a., wie stark die benachbarten Auftragschweißspuren miteinander überlappen.
Die voranstehend aufgelisteten Ausführungsformen können einzeln oder in beliebiger Kombination abweichend von den Rückbezügen in den Ansprüchen zueinander zur Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen oder Verfahren verwendet werden.
Figurenliste
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt.

1 : eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2: eine Draufsicht auf eine Bremsscheibe als Beispiel eines kreisförmigen Bauteils mit dem dynamischen Verhalten der Laserschweißpunkte während des Laserauftragschweißens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in dieser Ausführungsform mit vier Laserauftragschweißköpfen;
3: eine perspektivische Ansicht einer Welle als Beispiel eines rotationssymmetrischen Bauteils mit dem dynamischen Verhalten der Laserschweißpunkte während des Laserauftragschweißens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in dieser Ausführungsform mit drei Laserauftragschweißköpfen;
4: eine beispielhafte seitliche Ansicht von mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung flächenmäßige aufgetragenen Auftragschweißspuren (a) als einzelne Schicht (b) als einzelne Schicht mit einem größeren ersten Versatz im Vergleich zu 4a, und (c) eines Mehrfachschichtsystems; und
5: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit 2 mit hier beispielsweise zwei darauf angeordneten Laserauftragschweißköpfen 3 zum (quasi-) simultanen Auftragen von Material M auf eine Oberfläche 41 eines Bauteils 4 entlang einer jeweiligen Auftragsschweißspur MS pro Laserauftragschweißkopf 3, einer oder mehrerer Fördereinheiten 5 (hier symbolisch als eine Einheit 5 gezeigt) zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe 3 mit dem aufzutragenden Material M, einer oder mehrere Laserstrahlquellen 6 (hier symbolisch als eine Einheit 6 gezeigt) zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe 3 mit Laserstrahlung L zur Durchführung des Laserauftragschweißens sowie mit einer Kontrolleinheit 7, die dazu eingerichtet ist, zumindest die Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit 2 und/oder der Laserauftragschweißköpfe 3 und/oder die Fördereinheiten 5 und/oder der Laserstrahlquellen 6 zur Ausführung des Laserauftragschweißens geeignet anzusteuern, wozu die Kontrolleinheit 7 mit diesen Komponenten geeignet verbunden ist, beispielsweise über Datenleitungen oder andere Verbindungsmittel angedeutet durch die durchgezogenen Linien. Der Laserauftragschweißkopf 3 umfasst dabei eine Optik zur Strahlführung der Laserstrahlung, eine Pulverzufuhrdüse inklusive Justageeinheit und gegebenenfalls eine lokale Schutzgaszufuhr. Geeignete Laserstrahlquellen für das Laserauftragschweißen sind bekannt. Die beiden hier gezeigten Laserauftragschweißköpfe 3 erzeugen jeweils einen Laserschweißpunkt 31 auf der ursprünglichen Oberfläche 41 des Bauteils 4 beziehungsweise auf der Auftragschweißspur MS des vorangehend positionierten Laserauftragschweißkopf 3, wobei die beiden Laserschweißpunkte 31 relativ zur Oberfläche 41 des Bauteils 4 einen zweiten Versatz R2 zueinander in Vorschubrichtung VR besitzen. Hierbei werden die ursprüngliche Oberfläche 41 und die Oberfläche der ersten Auftragschweißspur MS beide als die Oberfläche des Bauteils 41 bezeichnet, auf die das Material mittels der Auftragschweißspur MS aufgetragen wird. Des Weiteren, wenn auch hier nicht explizit gezeigt, können die beiden Laserschweißpunkte 31 einen ersten Versatz R1 zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR der Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 besitzen. Die Vorrichtung 1 kann dabei dazu ausgestaltet sein, mittels geeigneter Ansteuerung der Fördereinheiten 5 die Laserauftragschweißköpfe 3 mit unterschiedlichen Materialien zum Auftragen auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 zu versorgen. In diesem Fall umfasst die Vorrichtung 1 je eine Fördereinheit 5 für jedes unterschiedliche Material. Für eine flächige Beschichtung des Bauteils 4 mit mehreren nebeneinander angeordneten Auftragschweißspuren MS kann die Laserauftragschweißeinheit 2 zur Ausführung einer Bewegung relativ zur Oberfläche 41 des Bauteils 4 bewegbar in der Vorrichtung 1 angeordnet sein, vorzugsweise mittels einer Bewegungseinheit. Der Fachmann ist in der Lage, geeignete Bewegungseinheiten für die jeweiligen Bauteile und den zu erzeugenden Materialaufträgen zu verwenden. Hierbei können zusätzlich die Laserauftragschweißköpfe 3 zur Ausführung einer Bewegung relativ zueinander bewegbar in der Vorrichtung 1 angeordnet sein, vorzugsweise mittels einer Laserauftragschweißkopf-Bewegungseinheit, für die selbiges gilt. Die zu bearbeitenden Bauteile können unterschiedliche Geometrien und Größen besitzen und aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Je nach dem zu bearbeitenden Bauteil kann die Anzahl der verwendeten Laserauftragschweißköpfe variieren, wobei immer mindestens zwei Laserauftragschweißköpfe verwendet werden.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine Bremsscheibe 42 als Beispiel eines kreisförmigen Bauteils 4 mit dem dynamischen Verhalten der Laserschweißpunkte 31 während des Laserauftragschweißens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in dieser Ausführungsform mit vier Laserauftragschweißköpfen 3 zum des (quasi-) simultanen Auftragen 110 von Material M auf die Oberfläche 41 eines Bauteils 4. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl der Laserauftragschweißköpfe auch zwei, drei, fünf, sechs oder mehr betragen, wobei die maximale Anzahl nur durch die Größe der Laserauftragschweißköpfe 3 und den verfügbaren Platz über dem Bauteil 4 limitiert ist. Die vier hier gezeigten Laserauftragschweißköpfe 3 erzeugen jeweils einen Laserschweißpunkt 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4, wobei die vier Laserschweißpunkte 31 einen ersten Versatz R1 zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR der Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 besitzen und mit diesem ersten Versatz während des Verfahrens über die Oberfläche 41 bewegt werden.
Die Laserschweißpunkte 31 erzeugen so Auftragschweißspuren MS mit einer Materialbreite MB entlang der Vorschubrichtung VR auf der Oberfläche 41, bei denen der erste Versatz R1 benachbarter Laserschweißpunkte 31 zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite MB der Auftragschweißspur MS beträgt. Des Weiteren besitzen die benachbarten Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 einen zweiten Versatz R2 zueinander in Vorschubrichtung VR, hier jeweils ein Viertel des Umfangs der Bremsscheibe 42 für die jeweilige radiale Entfernung des Laserschweißpunkts 31 zum Mittelpunkt der Bremsscheibe 42, durch den die Drehachse D der Bremsscheibe 52 als Bauteil 4 geht. Der zweite Versatz R2 ist dabei so eingestellt, dass sich durch die Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 induzierte Temperaturprofile so weit überlappen, dass das Material M in einem Überlappungsbereich benachbarter Auftragschweißspuren MS noch eine für den Prozess nutzbare/zuträgliche Restwärme besitzt. Eine nutzbare/zuträgliche Restwärme wäre dabei beispielsweise eine Temperatur, bei der sich das Material einer oder mehrerer benachbarter Auftragschweißspuren MS aufgrund der im Laserschweißpunkt induzierten Temperatur der gerade aufgetragenen Auftragschweißspur MS noch verformen kann. Die Bremsscheibe 42 könnte dabei mittels der Schraubenlöcher 42a auf einem Drehtisch montiert sein, über den die Bremsscheibe 42 um die Drehachse D gedreht wird. Um das Material M auf die Bremsscheibe 42 aufzutragen, wird die kreisförmige Oberfläche 41 um die Rotationsachse D unter den Laserauftragschweißköpfen 3 hindurch rotiert 180, sodass deren Laserschweißpunkte 31 auf der kreisförmigen Oberfläche 41 bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden; und simultan dazu die Laserauftragschweißköpfe 3 in Richtung der Rotationsachse D bewegt 190, sodass das Material M in spiralförmigen aneinander angrenzenden oder sich teilweise überlappenden Auftragschweißspuren MS flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche 41 aufgetragen wird.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer 43 Welle als Beispiel eines rotationssymmetrischen Bauteils 4 mit dem dynamischen Verhalten der Laserschweißpunkte 31 während des Laserauftragschweißens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in dieser Ausführungsform mit drei Laserauftragschweißköpfen 3, die hier aus Übersichtsgründen nicht im Detail gezeigt sind, zum (quasi-) simultanen Auftragen 110 von Material M auf die Oberfläche 41 der Welle 43. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl der Laserauftragschweißköpfe auch zwei, vier fünf oder mehr betragen, wobei die maximale Anzahl nur durch die Größe der Laserauftragschweißköpfe 3 und den verfügbaren Platz über dem Bauteil 4 limitiert ist. Die drei Laserauftragschweißköpfe 3 erzeugen jeweils einen Laserschweißpunkt 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 und benachbarte Laserschweißpunkte 31 besitzen einen ersten Versatz R1 zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR der Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4, bei denen der erste Versatz R1 benachbarter Laserschweißpunkte 31 zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite MB der Auftragschweißspur MS beträgt.. Ebenso besitzen die benachbarten Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 einen zweiten Versatz R2 zueinander in Vorschubrichtung VR, der so eingestellt ist, dass sich durch die Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 induzierte Temperaturprofile so weit überlappen, dass das Material M in einem Überlappungsbereich benachbarter Auftragschweißspuren MS noch eine für den Prozess nutzbare/zuträgliche Restwärme besitzt, wobei hier gleiches wie bei 2 gilt. Zum Auftragen des Materials M wird hier die rotationssymmetrische Oberfläche 41, hier die Zylinderfläche der Welle 43, um die Rotationsachse D unter den Laserauftragschweißköpfen 3 hindurch rotiert 200, sodass deren Laserschweißpunkte 31 auf der rotationssymmetrischen Oberfläche 41 bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden; und die Laserauftragschweißköpfe 3 in Vorschubrichtung VR parallel zur Rotationsachse D bewegt 210, sodass das Material M in spiralförmigen Auftragschweißspuren MS flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche 41 aufgetragen wird. Voranstehende Bewegung 210 ist dabei eine Relativbewegung, wobei entweder die Laserauftragschweißköpfe 3 (mit beliebiger Anzahl) über die Welle 43 oder die Welle 43 unter den Laserauftragschweißköpfen 3 hindurchbewegt wird. Die Welle 43 kann dazu zur Rotation und ggf. zur Längsbewegung in einer entsprechenden Bewegungseinheit eingespannt sein.
4 zeigt eine beispielhafte seitliche Ansicht von mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 flächenmäßige aufgetragenen Auftragschweißspuren MS (a) als einzelne Schicht (b) als einzelne Schicht mit einem größeren ersten Versatz R1 im Vergleich zu 4a, und (c) eines Mehrfachschichtsystems beispielhaft aus den Schichten S1 und S2 als Zweischichtsystem. In 4c wurden die Laserauftragschweißköpfe 3 so geführt, dass auf die flächenmäßige Auftragung vom Material M als vorangegangene Schicht S1 auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material M als nachfolgende Schicht S1 auf die vorangegangene Schicht S1 ausgeführt wurde, um das Material als Zweischichtsystem SS aufzutragen, wobei die Auftragschweißspuren MS der nachfolgenden Schicht S2 einen dritten Versatz R3 senkrecht zur Vorschubrichtung VR relativ zu den darunterliegenden Auftragschweißspuren MS der vorangegangenen Schicht S1 besitzen. Da die aufgetragenen Schichten S1, S2 eine variierende Schichtdicke mit einer kleinere Schichtdicke SD1 und einer größeren Schichtdicke SD2 besitzen, wurde der dritte Versatz R3 der Auftragschweißspuren der beiden übereinanderliegenden Schichten S1, S2 so eingestellt, dass die größeren Schichtdicken SD2 der nachfolgenden Schicht oberhalb der kleineren Schichtdicken SD1 der vorangegangenen Schicht S1 angeordnet sind, um die resultierende Welligkeit der Oberfläche des Zweifachschichtsystem möglichst klein zu halten. Gleiches gilt auch für Mehrfachschichtsystemen aus mehr als zwei Schichten. Hierbei können die Schichten S1, S2 eines Mehrfachsichtsystems SS aus unterschiedlichen Materialien M beispielsweise mit ersten Schichten S1 aus einem ersten Material M1 und zweiten Schichten S2 aus einem zweiten Material M2 im Falle des hier gezeigten Zweifachschichtsystems bestehen.
5 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Betrieben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit 2 mit mehreren darauf angeordneten Laserauftragschweißköpfen 3 umfassend den Schritt des (quasi-) simultanen Auftragens 110 von Material M auf eine Oberfläche 41 eines Bauteils 4. Hierbei erzeugen die Laserauftragschweißköpfe 3 jeweils einen Laserschweißpunkt 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4. Dabei können benachbarte Laserschweißpunkte 31 mit einem ersten Versatz R1 zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR der Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 bewegt werden 120. Ebenso können benachbarte Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 mit einem zweiten Versatz R2 zueinander in Vorschubrichtung VR bewegt werden 130. Hierbei können die Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit 2 und/oder der Laserauftragschweißköpfe 3 und/oder der Fördereinheiten 5 und/oder der Laserstrahlquellen 6 zur Ausführung des Laserauftragschweißens mittels einer mit diesen Komponenten 2, 3, 5, 6 geeignet verbunden Kontrolleinheit 7 gesteuert werden 140. Dabei kann eine Mehrfachschichtsystems SS auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 mittels geeigneter Führung der Laserauftragschweißköpfe 3 der Vorrichtung 1 aufgetragen werden 150, bei dem nach einer flächenmäßigen Auftragung vom Material M als eine vorangegangene Schicht S1 auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material M als nachfolgende Schicht S1 auf die vorangegangene Schicht S1 erfolgt. Hierbei können die aufgetragenen Schichten S1, S2 des Mehrfachschichtsystems S eine variierende Schichtdicke mit einer kleinere Schichtdicke SD1 und einer größeren Schichtdicke SD2 besitzen. Dabei kann ein dritter Versatzes R3 senkrecht zur Vorschubrichtung VR zwischen Auftragschweißspuren MS der nachfolgenden Schicht S2 und darunterliegenden Auftragschweißspuren MS der vorangegangenen Schicht S1 eingestellt werden 160, sodass die größeren Schichtdicken SD2 der nachfolgenden Schicht oberhalb der kleineren Schichtdicken SD1 der vorangegangenen Schicht S1 angeordnet sind. Hierbei können die Fördereinheiten 5 für die Laserauftragschweißköpfe 3 so angesteuert werden 170, dass die Schichten S1, S2 des Mehrfachschichtsystems SS aus unterschiedlichen Materialien M mit ersten Schichten S1 aus einem ersten Material M1 und zweiten Schichten S2 aus einem zweiten Material M2 bestehen. In einer Ausführungsform wo das Bauteil 4, vorzugsweise eine Bremsscheibe 42, eine kreisförmige Oberfläche 41 mit einer Rotationsachse D umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfasst das Verfahren 100 die weiteren Schritte des Rotierens 180 der kreisförmigen Oberfläche 41 um die Rotationsachse D unter den Laserauftragschweißköpfen 3 hindurch, sodass deren Laserschweißpunkte 31 auf der kreisförmigen Oberfläche 41 bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden; und des Bewegens 190 der Laserauftragschweißköpfe 3 in Richtung der Rotationsachse D, sodass das Material M in spiralförmigen Auftragschweißspuren MS flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche 41 aufgetragen wird. In einer weiteren Ausführungsform wo das Bauteil 4, vorzugsweise eine Welle 43, eine rotationssymmetrische Oberfläche 41 mit einer Rotationsachse D umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfasst das Verfahren 100 die weiteren Schritte des Rotierens 200 der rotationssymmetrischen Oberfläche 41, vorzugsweise die Zylinderfläche der Welle 43, um die Rotationsachse D unter den Laserauftragschweißköpfen 3 hindurch, sodass deren Laserschweißpunkte 31 auf der rotationssymmetrischen Oberfläche 41 bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden; und des Bewegens 210 der Laserauftragschweißköpfe 3 in Vorschubrichtung VR parallel zur Rotationsachse D, sodass das Material M in spiralförmigen Auftragschweißspuren MS flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche 41 aufgetragen wird.
Bezugszeichenliste

1: erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserauftragschweißen
2: Laserauftragschweißeinheit
3: Laserauftragschweißkopf
31: Laserschweißpunkt
4: Bauteil
41: Oberfläche des Bauteils, auf die das Material aufgetragen wird
42: Bremsscheibe
42a: Schraubenlöcher
43: Welle
5: Fördereinheit
6: Laserstrahlquelle
7: Kontrolleinheit
100: erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieben einer Vorrichtung zum Laserauftragschweißen
110: (quasi-) simultanes Auftragen von Material (M) auf eine Oberfläche eines Bauteils mittels mehrerer Laserauftragschweißköpfe
120: Bewegen benachbarter Laserschweißpunkte mit einem ersten Versatz zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung der Laserschweißpunkte
130: Bewegen benachbarter Laserschweißpunkte mit einem zweiten Versatz zueinander in Vorschubrichtung
140: Steuern zumindest der Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit und/oder der Laserauftragschweißköpfe sowie zumindest der Fördereinheiten und/oder Laserstrahlquellen mittels einer geeignet verbunden Kontrolleinheit
150: Auftragen eines Mehrfachschichtsystems auf die Oberfläche des Bauteils
160: Einstellen eines dritten Versatzes senkrecht zur Vorschubrichtung zwischen Auftragschweißspuren der nachfolgenden Schicht und darunterliegenden Auftragschweißspuren der vorangegangenen Schicht
170: Ansteuern der Fördereinheiten für die Laserauftragschweißköpfe so, dass die Schichten des Mehrfachsichtsystems aus unterschiedlichen Materialien bestehen
180: Rotieren der kreisförmigen Oberfläche um die Rotationsachse der Oberfläche unter den Laserauftragschweißköpfen hindurch
190: Bewegen der Laserauftragschweißköpfe in Richtung der Rotationsachse der Oberfläche
200: Rotieren der rotationssymmetrischen Oberfläche um die Rotationsachse unter den Laserauftragschweißköpfen hindurch
210: Bewegen der Laserauftragschweißköpfe in Vorschubrichtung parallel zur Rotationsachse
D: Rotationsachse des Bauteils beim Laserauftragschweißen
M: aufzutragendes Material
MB: Materialbreite der Auftragschweißspur
MS: Auftragschweißspur des aufgebrachten Materials auf der Oberfläche des Bauteils
L: Laserstrahlung
R1: erster Versatz benachbarter Laserschweißpunkte zueinander senkrecht zur Vorschubrichtung
R2: zweiter Versatz benachbarter Laserschweißpunkte zueinander in Vorschubrichtung
R3: dritter Versatz der Auftragschweißspuren übereinander angeordneter Schichten senkrecht zur Vorschubrichtung
RB: Rotationsrichtung des Bauteils
S1: erste Schicht aus flächenmäßig aufgetragenem Material
S2: zweite Schicht aus flächenmäßig aufgetragenem Material
SD1: kleinere Schichtdicken
SD2: größere Schichtdicken
SS: Mehrfachschichtsystem
VR: Vorschubrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011100456 B4 [0004, 0005]
EP 0190378 A1 [0005]
EP 1285719 A1 [0005]

Claims

Eine Vorrichtung (1) zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit (2) mit mehreren darauf angeordneten Laserauftragschweißköpfen (3) zum (quasi-) simultanen Auftragen von Material (M) auf eine Oberfläche (41) eines Bauteils (4) und einer oder mehrerer Fördereinheiten (5) zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe (3) mit dem aufzutragenden Material (M) und einer oder mehrere Laserstrahlquellen (6) zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe (3) mit Laserstrahlung (L) zur Durchführung des Laserauftragschweißens.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserauftragschweißköpfe (3) jeweils einen Laserschweißpunkt (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4) erzeugen und benachbarte Laserschweißpunkte (31) einen ersten Versatz (R1) zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung (VR) der Laserschweißpunkte (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4) besitzen.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißpunkte (31) Auftragschweißspuren (MS) mit einer Materialbreite (MB) entlang der Vorschubrichtung (VR) auf der Oberfläche (41) erzeugen, bei denen der erste Versatz (R1) benachbarter Laserschweißpunkte (31) zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite (MB) der Auftragschweißspur (MS) beträgt.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Laserschweißpunkte (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4) einen zweiten Versatz (R2) zueinander in Vorschubrichtung (VR) besitzen.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Versatz (R2) so eingestellt ist, dass sich durch die Laserschweißpunkte (31) auf der Oberfläche (41) induzierte Temperaturprofile so weit überlappen, dass das Material (M) in einem Überlappungsbereich benachbarter Auftragschweißspuren (MS) noch eine für den Prozess nutzbare/zuträgliche Restwärme besitzt.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) so ausgestaltet ist, nach einer flächenmäßigen Auftragung vom Material (M) als eine vorangegangene Schicht (S1) auf die Oberfläche (41) des Bauteils (4) die Laserauftragschweißköpfe so zu führen, dass eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material (M) als nachfolgende Schicht (S1) auf die vorangegangene Schicht (S1) ausgeführt wird, um das Material als Mehrfachschichtsystem (SS) aufzutragen.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragschweißspuren (MS) der nachfolgenden Schicht (S2) mit einem dritten Versatz (R3) senkrecht zur Vorschubrichtung (VR) relativ zu den darunterliegenden Auftragschweißspuren (MS) der vorangegangenen Schicht (S1) auf die vorangegangene Schicht (S1) aufgetragen sind.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetragenen Schichten (S1, S2) eine variierende Schichtdicke mit einer kleinere Schichtdicke (SD1) und einer größeren Schichtdicke (SD2) besitzen, wobei der dritte Versatz (R3) der Auftragschweißspuren übereinanderliegender Schichten (S1, S2) so eingestellt ist, dass die größeren Schichtdicken (SD2) der nachfolgenden Schicht oberhalb der kleineren Schichtdicken (SD1) der vorangegangenen Schicht (S1) angeordnet sind.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, mittels geeigneter Ansteuerung der Fördereinheiten (5) die Laserauftragschweißköpfe (3) mit unterschiedlichen Materialien zum Auftragen auf die Oberfläche (41) des Bauteils (4) zu versorgen.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung so ausgeführt wird, dass Schichten (S1, S2) eines Mehrfachsichtsystems (SS) aus unterschiedlichen Materialien (M) mit ersten Schichten (S1) aus einem ersten Material (M1) und zweiten Schichten (S2) aus einem zweiten Material (M2) bestehen.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserauftragschweißeinheit (2) zur Ausführung einer Bewegung relativ zur Oberfläche (41) des Bauteils (4) bewegbar in der Vorrichtung (1) angeordnet ist, vorzugsweise mittels einer Bewegungseinheit.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserauftragschweißköpfe (3) zur Ausführung einer Bewegung relativ zueinander bewegbar in der Vorrichtung (1) angeordnet sind, vorzugsweise mittels einer Laserauftragschweißkopf-Bewegungseinheit.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Kontrolleinheit (7) umfasst, die dazu eingerichtet ist, zumindest die Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit (2) und/oder der Laserauftragschweißköpfe (3) und/oder die Fördereinheiten (5) und/oder der Laserstrahlquellen (6) zur Ausführung des Laserauftragschweißens geeignet anzusteuern, wozu die Kontrolleinheit (7) mit diesen Komponenten (2, 3, 5, 6) geeignet verbunden ist.
Ein Verfahren (100) zum Betrieben einer Vorrichtung (1) zum Laserauftragschweißen nach einem der voranstehenden Ansprüche mit einer Laserauftragschweißeinheit (2) mit mehreren darauf angeordneten Laserauftragschweißköpfen (3) umfassend den Schritt des (quasi-) simultanen Auftragens (110) von Material (M) auf eine Oberfläche (41) eines Bauteils (4).
Das Verfahren (100) nach Anspruch 14, wobei die Laserauftragschweißköpfe (3) jeweils einen Laserschweißpunkt (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4) erzeugen, umfassend den weiteren Schritt des Bewegens (120) benachbarter Laserschweißpunkte (31) mit einem ersten Versatz (R1) zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung (VR) der Laserschweißpunkte (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4).
Das Verfahren (100) nach Anspruch 15, umfassend den weiteren Schritt des Bewegens (130) benachbarter Laserschweißpunkte (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4) mit einem zweiten Versatz (R2) zueinander in Vorschubrichtung (VR).
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, umfassend den weiteren Schritt des Steuerns (140) zumindest der Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit (2) und/oder der Laserauftragschweißköpfe (3) und/oder der Fördereinheiten (5) und/oder der Laserstrahlquellen (6) zur Ausführung des Laserauftragschweißens mittels einer mit diesen Komponenten (2, 3, 5, 6) geeignet verbunden Kontrolleinheit (7).
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, umfassend den weiteren Schritt des Auftragens (150) eines Mehrfachschichtsystems (SS) auf die Oberfläche (41) des Bauteils (4) mittels geeigneter Führung der Laserauftragschweißköpfe (3) der Vorrichtung (1), bei dem nach einer flächenmäßigen Auftragung vom Material (M) als eine vorangegangene Schicht (S1) auf die Oberfläche (41) des Bauteils (4) eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material (M) als nachfolgende Schicht (S1) auf die vorangegangene Schicht (S1) erfolgt.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 18, wobei die aufgetragenen Schichten (S1, S2) des Mehrfachschichtsystems (S) eine variierende Schichtdicke mit einer kleinere Schichtdicke (SD1) und einer größeren Schichtdicke (SD2) besitzen, umfassend den weiteren Schritt des Einstellens (160) eines dritten Versatzes (R3) senkrecht zur Vorschubrichtung (VR) zwischen Auftragschweißspuren (MS) der nachfolgenden Schicht (S2) und darunterliegenden Auftragschweißspuren (MS) der vorangegangenen Schicht (S1), sodass die größeren Schichtdicken (SD2) der nachfolgenden Schicht oberhalb der kleineren Schichtdicken (SD1) der vorangegangenen Schicht (S1) angeordnet sind.
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, umfassend den weiteren Schritt des Ansteuerns (170) der Fördereinheiten (5) für die Laserauftragschweißköpfe (3) so, dass die Schichten (S1, S2) des Mehrfachschichtsystems (SS) aus unterschiedlichen Materialien (M) mit ersten Schichten (S1) aus einem ersten Material (M1) und zweiten Schichten (S2) aus einem zweiten Material (M2) bestehen.
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei das Bauteil (4), vorzugsweise eine Bremsscheibe (42), eine kreisförmige Oberfläche (41) mit einer Rotationsachse (D) umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfassend die weiteren Schritte des - Rotierens (180) der kreisförmigen Oberfläche (41) um die Rotationsachse (D) unter den Laserauftragschweißköpfen (3) hindurch, sodass deren Laserschweißpunkte (31) auf der kreisförmigen Oberfläche (41) bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen (3) kreisförmig die Oberfläche (41) überlaufen würden; und des - Bewegens (190) der Laserauftragschweißköpfe (3) in Richtung der Rotationsachse (D), sodass das Material (M) in spiralförmigen Auftragschweißspuren (MS) flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche (41) aufgetragen wird.
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei das Bauteil (4), vorzugsweise eine Welle (43), eine rotationssymmetrische Oberfläche (41) mit einer Rotationsachse (D) umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfassend die weiteren Schritte des - Rotierens (200) der rotationssymmetrischen Oberfläche (41), vorzugsweise die Zylinderfläche der Welle (43), um die Rotationsachse (D) unter den Laserauftragschweißköpfen (3) hindurch, sodass deren Laserschweißpunkte (31) auf der rotationssymmetrischen Oberfläche (41) bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen (3) kreisförmig die Oberfläche (41) überlaufen würden; und des - Bewegens (210) der Laserauftragschweißköpfe (3) in Vorschubrichtung (VR) parallel zur Rotationsachse (D), sodass das Material (M) in spiralförmigen Auftragschweißspuren (MS) flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche (41) aufgetragen wird.