DE102019132192A1

DE102019132192A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Optimierung der Schichtdickenverteilung beim Laserauftragschweißen

Info

Publication number: DE102019132192A1
Application number: DE102019132192.1A
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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Laserauftragschweißen und ein Verfahren (100) zum Betreiben einer solche Vorrichtung (1) mit einer Laserauftragschweißeinheit (2) mit einem darauf angeordneten Laserauftragschweißkopf (3) zum Auftragen von Material (M) auf eine Oberfläche (41) eines Bauteils (4), einer oder mehrerer Materialquellen (5) zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfs (3) mit dem aufzutragenden Material (M) und einer Laserstrahlquelle (6) zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfes (3) mit Laserlicht (L) zur Durchführung des Laserauftragschweißens, wobei die Vorrichtung (1) des Weiteren eine Kontrolleinheit (7) zur Kontrolle des Laserauftragsschweißprozesses und eine Sensoreinheit (8) zumindest zur Bestimmung einer Schichtdickenverteilung (DV) von mehreren nebeneinander zumindest teilweise überdeckend aufgetragenen Auftragschweißspuren (MS) im flächenförmig aufgetragenen Material (M) während des Laserauftragsschweißprozesses umfasst, wobei die Sensoreinheit (8) zumindest die gemessene Schichtdickenverteilung (DV) als Sensorsignal (81) an die Kontrolleinheit (7) übermittelt, welche dazu vorgesehen ist, auf Basis des Sensorsignals (81) ein oder mehrere Prozessparameter der Laserauftragsschweißprozess zumindest zur Angleichung der gemessenen Schichtdickenverteilung (DV) an eine Sollschichtdicke (DS) zu modifizieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer Sensoreinheit zur Bestimmung einer Schichtdickenverteilung des aufgetragenen Materials und einer Kontrolleinheit zu Steuerung des Laserauftragschweißkopfes auf Basis des Sensorsignals 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, trotz größerer Flächenrate liefert DE 10 2011 100 456 B4 keine Ansätze zur Vergrößerung der Auftragrate (aufgetragene Menge an Pulver pro Zeiteinheit).
Die Materialien werden abhängig von der räumlichen Ausdehnung des Schmelzbades in breiteren oder weniger breiten Auftragschweißspuren mit einer über die Breite der Auftragschweißspur variierenden Dicke aufgetragen. Der Querschnitt einer solchen Auftragschweißspur senkrecht zur Vorschubrichtung, in die sich der Laserstrahl über das Bauteil bewegt, ist in der Regel kuppelförmig mit einer maximalen Schichtdicke in der Mitte der Auftragschweißspur und eine in Richtung Null abnehmende Dicke zu den Rändern der Auftragschweißspur. Bei einem flächenmäßigen Auftragen von Material mittels Laserauftragschweißen werden die Auftragschweißspuren nebeneinander aufgetragen, wobei sich dieser zumindest teilweise überlappen können. Die resultierende Schichtdicke des flächenmäßig als Schicht aufgetragenen Materials variiert über die einzelnen Auftragschweißspuren. Hinzu kommt, dass durch die Schmelzbadbewegung sowie anhaftende, nur teilweise aufgeschmolzene Pulverpartikel eine i.d.R. große Oberflächenrauhigkeit (im Vergleich zu konventionellen Herstellverfahren, bspw. Drehen, Fräsen, Schleifen) entsteht. Sofern als Endprodukte eine ebene Schicht aus aufgetragenem Material gewünscht ist, muss die aufgetragene Schicht nachbearbeitet werden. Diese Nachbearbeitung ist aufwändig. Je nach Welligkeit und Rauheit der Schicht muss zum Glätten gegebenenfalls viel aufgetragenes Material wieder entfernt werden. Dieses zu viel aufgetragene Material stellt einen Materialverlust dar, da es zur Glättung der aufgetragenen Materialschicht wieder entfernt wird. Außerdem verursacht das zu viel aufgetragene Material einen unnötig verlängerten Auftragungsprozess. Zusätzlich verursacht das Glätten einen zeitaufwändigen Nachbearbeitungsschritt, der ebenfalls Anlagenzeit kostet und die dafür benötigten Komponenten zudem zusätzliche Werkzeugkosten darstellen.
Insbesondere bei Schichtsystemen, die Hartstoffpartikel beinhalten, kann der Kostenanteil durch den Materialverlust beim Beschichten und durch die Werkzeugkosten der Nachbearbeitung bis zu 90% der Wertschöpfungskette betragen. Es wäre daher wünschenswert, wenn man den Nachbearbeitungsaufwand und den damit verbundenen Materialverlust reduzieren könnte.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen effektiven Laserauftragsschweißprozess zur Verfügung zu stellen, der einen verringerten Nachbearbeitungsaufwand und geringere Materialverluste ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit mit einem darauf angeordneten Laserauftragschweißkopf zum Auftragen von Material auf eine Oberfläche eines Bauteils, einer oder mehrerer Materialquellen zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfes mit dem aufzutragenden Material und einer Laserstrahlquelle zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfes mit Laserlicht zur Durchführung des Laserauftragschweißens, wobei die Vorrichtung des Weiteren eine Kontrolleinheit zur Kontrolle des Laserauftragsschweißprozesses und eine Sensoreinheit zumindest zur Bestimmung einer Schichtdickenverteilung von mehreren nebeneinander zumindest teilweise überdeckend aufgetragenen Auftragschweißspuren im flächenförmig aufgetragenen Material während des Laserauftragsschweißprozesses umfasst, wobei die Sensoreinheit zumindest die gemessene Schichtdickenverteilung als Sensorsignal an die Kontrolleinheit übermittelt, welche dazu vorgesehen ist, auf Basis des Sensorsignals ein oder mehrere Prozessparameter des Laserauftragsschweißprozesses zumindest zur Angleichung der gemessenen Schichtdickenverteilung an eine Sollschichtdicke zu modifizieren.
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 den oder die Laserauftragschweißköpfe umfasst. Hierbei können der oder die Laserauftragschweißköpfe beispielsweise auf einer Trägerplatte der Laserauftragschweißeinheit befestigt sein. Die Befestigung kann vorzugsweise so ausgeführt sein, dass sich bei mehreren Laserschweißköpfen 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 eins. Es können daher auch zwei, 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 „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 erfolgtem Auftragen mit der vorherigen Oberfläche verschweißt ist und somit selbst die Oberfläche des Bauteils für nachfolgende Auftragschweißspuren darstellt.
Die Kontrolleinheit zur Kontrolle des Laserauftragsschweißprozesses kann jede dafür geeignete Kontrolleinheit sein, beispielsweise ein Prozessor oder eine Rechnereinheit, auf der ein entsprechende Kontrollprogramm installiert ist und während des Laserauftragschweißens ausgeführt wird.
Die Sensoreinheit zumindest zur Bestimmung einer Schichtdickenverteilung kann dabei jede dafür geeignete Sensoreinheit sein. Die Sensoreinheit kann dabei die Schichtdicke mittels Abtastung an einem oder mehreren separaten Orten zur Bestimmung der Schichtdickenverteilung messen oder die Schichtdickenverteilung über die Schicht, beispielsweise entlang der Breite der Schicht senkrecht zur Vorschubrichtung kontinuierlich abtasten. Die Abtastung kann im mechanischen Kontakt mit der Schicht oder berührungslos erfolgen. Hierbei kann die Abtastung beispielsweise mechanisch mittels eines Fühlers oder aufgrund der Messung von Kräften bestimmt werden, die schichtdickenabhängig von der Schicht auf eine über die Schicht geführte mechanische Probe oder Bearbeitungsmittel wirken. Die Abtastung kann auch berührungslos beispielsweise optisch, elektrisch oder akustisch erfolgen. Die Bestimmung der Schichtdickenverteilung kann dabei direkt, beispielsweise über Abstandsmessungen, oder indirekt, beispielsweise über Kraftmessungen, aus denen ein Abstand zur Sensoreinheit und somit die resultierende lokale und/oder globale Schichtdicke berechnet werden kann, erfolgen.
Das an die Kontrolleinheit ausgesendete Sensorsignal kann die gemessenen Rohdaten zur weiteren Auswertung durch die Kontrolleinheit oder die bereits bestimmte Schichtdickenverteilung zusammen mit der dazugehörigen Ortsinformation auf der Oberfläche des Bauteils umfassen. Auf Basis des Sensorsignals werden dann ein oder mehrere Prozessparameter der Laserauftragsschweißprozess so modifiziert, dass der Laserauftragschweißprozess Auftragschweißspuren erzeugt, die eine größere oder kleinere oder gleichbleibende Schichtdicke in Relation zur vorangegangenen Schichtdicke des vor der Anpassung aufgetragenen Materials besitzen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit einen effektiven Laserauftragsschweißprozess mit einem verringerten Nachbearbeitungsaufwand und geringeren Materialverlusten, da durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die Aufbringung von überflüssigem Material, das anschließend wieder aufgetragen werden müsste, bereits während des Laserauftragschweißvorgangs vermieden oder zumindest deutlich reduziert wird.
In einer Ausführungsform ist die Kontrolleinheit dazu vorgesehen, die Auftragschweißspur des Laserauftragschweißkopfes auf der Oberfläche so zu steuern, dass diese Auftragschweißspuren nebeneinander zumindest teilweise überdeckend aufgetragenen werden. Dadurch kann unter anderem die Herstellung einer geschlossenen Schicht auf der Oberfläche des Bauteils ermöglicht werden. Dabei kann die laterale Überdeckungstoleranz geregelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Laserauftragschweißeinheit mehrere Laserschweißköpfe zum (quasi-) simultanen Auftragen von Material auf die Oberfläche des Bauteils, wobei die Laserauftragschweißköpfe jeweils einen Laserschweißpunkt auf der Oberfläche des Bauteils erzeugen und benachbarte Laserschweißpunkte einen ersten Versatz zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung der Laserschweißpunkte auf der Oberfläche des Bauteils besitzen. 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. Durch das (quasi-) simultane Auftragen von Material mittels mehrerer Laserauftragschweißköpfe wird ein noch effektiverer Laserauftragschweißprozess mit einer größeren 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. 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. 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 Material bezeichnet werden, in dem das mittels Laserlicht 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 Laserschweißköpfen erzeugt werden. Hierbei bezeichnen benachbarten Laserschweißpunkte und/oder Laserschweißköpfe nicht notwendigerweise Laserschweißpunkte oder Laserschweißköpfe, die den kleinsten geometrischen Abstand zueinander haben, sondern sind oder erzeugen diej enigen 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 trägt jeder Laserauftragschweißkopf die durch ihn erzeugte Auftragschweißspur zumindest teilweise überlappend zu den benachbarten Auftragschweißspuren erzeugt durch die anderen Laserschweißköpfe auf, sodass das Material flächenförmig auf der Oberfläche aufgetragen wird.
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. 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 weiteren Ausführungsform ist die Sensoreinheit verfahrbar oder verschwenkbar aufgehängt, um die Schichtdickenverteilung zumindest über einige benachbarte Auftragschweißspuren messen zu können.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensoreinheit ein Sensorarray, dass zumindest einige nebeneinander aufgetragene Auftragschweißspuren zumindest senkrecht zu einer Vorschubrichtung zur Messung der Schichtdickenverteilung überdeckt. Damit kann die Schichtdickenverteilung simultan zumindest für mehrere Positionen auf der Oberfläche des Bauteils bestimmt werden, was unter anderem die Bestimmung der Schichtdickenverteilung erleichtern, verbessern und/oder beschleunigen kann.
In einer weiteren Ausführungsform misst die Sensoreinheit die Schichtdickenverteilung aufgrund eines mechanischen Kontakts zu den Auftragschweißspuren. Hierzu kann die Vorrichtung eine Materialabtragseinheit zum Abtragen der vorher aufgetragenen Auftragschweißspuren auf die Sollschichtdicke umfassen, die damit in einer zusätzlichen Funktion als die Sensoreinheit verwendet wird, um über einen bei diesem Abtragen notwendigen Kraftaufwand die Schichtdickenverteilung über die Auftragschweißspuren zu messen. Damit wird die Sensoreinheit in derselben Komponente auch als Bearbeitungseinheit verwendet, was die Komponentenanzahl in der Laserauftragschweißvorrichtung verringert und unter anderem den Laserauftragschweißprozess vereinfachen, beschleunigen und/oder präziser machen kann. In einer Ausführungsform kann die Materialabtragseinheit eine Schleifeinheit zum Abschleifen (Abtragen) oder eine Abdreheinheit zum Abdrehen (Abtragen) oder eine Abfräseinheit zum Abfräsen (Abtragen) der vorher aufgetragenen Auftragsschweißspuren sein.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schleifeinheit, die Abdreheinheit oder Abfräseinheit ein Array an Schleifscheiben, Drehmittel oder Fräsmittel, um mehrere Auftragschweißspuren simultan abschleifen, abdrehen oder abfräsen zu können, wobei hier der beim Abschleifen, Abdrehen oder Abfräsen notwendigen Kraftaufwand für jede der Schleifscheiben, Drehmittel, Fräsmittel gemessen wird. Dadurch kann unter anderem der Laserauftragschweißprozess beschleunigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform misst die Sensoreinheit die Schichtdickenverteilung berührungslos. Eine berührungslose Messung ermöglicht die Positionierung der Sensoreinheit an einer beliebigen geeigneten Position entfernt von der Oberfläche des Bauteils, was vorteilhaft bei der Prozessführung unter anderem an schwer zugänglichen Bauteilen sein kann.
In einer weiteren Ausführungsform misst die Sensoreinheit die Schichtdickenverteilung mittels optischer oder akustischer Verfahren, die unter anderem präzise Messwerte liefen können.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung so ausgestaltet, nach einer flächenmäßigen Auftragung vom Material als eine vorangegangene Schicht auf die Oberfläche des Bauteils den oder die Laserschweißköpfe 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. Dadurch wird unter anderem das Auftragen von Mehrfachschichtsystemen ermöglicht. Diese Mehrfachschichtsysteme können aus dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen. Mehrfachschichtsysteme 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 0,05 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 Versatz senkrecht zur Vorschubrichtung relativ zu den darunterliegenden Auftragschweißspuren der vorangegangenen Schicht auf die vorangegangene Schicht aufgetragen, wobei der Versatz der Auftragschweißspuren übereinanderliegender Schichten so eingestellt ist, dass größere Schichtdicken der nachfolgenden Schicht oberhalb kleinere Schichtdicken der vorangegangenen Schicht angeordnet sind, wobei die Sensoreinheit nur die gemessene Schichtdickenverteilung der letzten aufgetragenen Schicht als Sensorsignal zur Modifizierung von Prozessparametern an die Kontrolleinheit übermittelt. Da nur die endgültige Oberfläche des Mehrfachschichtsystems bearbeitet wird, wird kein Material der vorangegangenen Schichten bearbeitet, was Materialverluste an diesen Schichten vermeidet und Bearbeitungszeit spart. Durch die Führung der Auftragschweißspuren wird zudem die Welligkeit der resultierenden endgültigen Oberfläche positiv beeinflusst, was unter anderem erneut Materialverluste durch die Nachbearbeitung vermindern und damit die Nachbearbeitungszeit wie auch die Bearbeitungskosten verringern kann.
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 unter anderem flexibel flächenmäßig mittels Führung der Laserauftragsschweißeinheit über eine Oberfläche hinweg bearbeiten, beispielsweise auf einer rotierenden Oberfläche oder entlang einer sich drehenden Welle.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Laserauftragschweißkopf zur Ausführung einer Bewegung bewegbar angeordnet, vorzugsweise mittels einer Laserauftragschweißkopf-Bewegungseinheit. Somit lassen sich unter anderem die einzelnen Auftragschweißspuren relativ zueinander und über die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteils hinweg genau führen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kontrolleinheit dazu eingerichtet, die Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit und/oder der Laserschweißköpfe und/oder die Materialquellen und/oder der Lichtquellen zur Ausführung des Laserauftragschweißens auf Basis des Sensorsignals 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.
In einer weiteren Ausführungsform betreffen der oder die zu modifizierenden Prozessparameter ein oder mehrere Elemente aus einer Gruppe von Elementen umfassend Laserleistung, Materialmenge, Materialart, Versatz benachbarter Auftragschweißspuren zueinander, Versatz von Auftragschweißspuren unterschiedlicher Schichten zueinander, oder im Falle von mehreren Laserschweißköpfen auch ein Versatz von Laserschweißpunkten benachbarten Laserschweißköpfe zueinander senkrecht und/oder parallel zur Vorschubrichtung.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit mit einem darauf angeordneten Laserschweißkopf, einer Kontrolleinheit zur Kontrolle des Laserauftragsschweißprozesses und einer Sensoreinheit, umfassend die Schritte:

- flächenmäßiges Auftragen von Material auf eine Oberfläche eines Bauteils in Form von mehreren nebeneinander zumindest teilweise überdeckend aufgetragenen Auftragschweißspuren;
- Messen einer Schichtdickenverteilung über mehrere nebeneinander aufgetragene Auftragschweißspuren während des Laserauftragsschweißprozesses mittels einer Sensoreinheit;
- Übermitteln der gemessenen Schichtdickenverteilung als Sensorsignals an die Kontrolleinheit; und
- Modifizieren von Prozessparametern im Laserauftragsschweißprozesses durch die Kontrolleinheit auf Basis des Sensorsignals zumindest zur Angleichung der gemessenen Schichtdickenverteilung an eine Sollschichtdicke.

In einer Ausführungsform, wobei die Vorrichtung eine Materialabtragseinheit, vorzugsweise eine Abschleifeinheit, eine Abdreheinheit oder eine Abfräseinheit, zum Abtragen der vorher aufgetragenen Auftragschweißspuren auf die Sollschichtdicke umfasst, die als weitere Funktion als die Sensoreinheit eingesetzt wird, umfasst das Verfahren den Schritt des Messens eines beim Abtragen notwendigen Kraftaufwand über die teilweise abzutragenden Auftragschweißspuren zur Messung der Schichtdickenverteilung.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens trägt die Materialabtragseinheit im Falle eines Mehrfachschichtsystems zusätzlich zumindest teilweise eine vorangegangene Schicht aus einem ersten Material ab, bevor eine nachfolgende Schicht aus einem zweiten Material aufgetragen wird. Das Abtragen bezeichnet hier nicht das Entfernen der vorangegangenen Schicht, sondern lediglich das Bearbeiten dieser Schicht, beispielsweise das Glätten dieser Schicht.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens modifiziert die Kontrolleinheit als Prozessparameter ein oder mehrere Elemente aus einer Gruppe von Elementen umfassend Laserleistung, Materialmenge, Versatz benachbarter Auftragschweißspuren zueinander, Versatz von Auftragschweißspuren unterschiedlicher Schichten zueinander, oder im Falle von mehreren Laserschweißköpfen auch ein Versatz von Laserschweißpunkten benachbarten Laserschweißköpfe zueinander senkrecht und/oder parallel zur Vorschubrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform, wobei das Bauteil, vorzugsweise eine Bremsscheibe, eine kreisförmige Oberfläche mit einer Rotationsachse senkrecht zur Oberfläche umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfasst der Schritt des Auftragens die weiteren Schritte:

- Rotieren der kreisförmigen Oberfläche um die Rotationsachse unter dem Laserauftragschweißkopf hindurch, sodass dessen Laserschweißpunkt auf der kreisförmigen Oberfläche bei ruhendem Laserauftragschweißkopf kreisförmig die Oberfläche überlaufen würde; und
- Bewegen des Laserauftragschweißkopfes in Richtung der Rotationsachse, sodass das Material in einer spiralförmigen Auftragschweißspur flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche aufgetragen wird.

In einer weiteren Ausführungsform, wobei das Bauteil, vorzugsweise eine Welle, eine rotationssymmetrische Oberfläche mit einer Rotationsachse parallel zur Oberfläche umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfasst der Schritt des Auftragens die weiteren Schritte:

- Rotieren der rotationssymmetrischen Oberfläche, vorzugsweise die Zylinderfläche der Welle, um die Rotationsachse unter dem Laserauftragschweißkopf hindurch, sodass dessen Laserschweißpunkt auf der rotationssymmetrischen Oberfläche bei ruhendem Laserauftragschweißkopf kreisförmig die Oberfläche überlaufen würden; und
- Bewegen des Laserauftragschweißkopfes in Vorschubrichtung parallel zur Rotationsachse, sodass das Material in einer spiralförmigen Auftragschweißspur flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche aufgetragen wird.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens bewegt sich die Materialabtragseinheit analog zu den Laserschweißpunkten über die Oberfläche des Bauteils.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Verwendens von mehreren Laserschweißköpfen in der Vorrichtung zum Auftragen des Materials, wobei der Schritt des Bewegens für jeden der Laserschweißköpfe gilt.
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 mit einer Sensoreinheit;
2: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Schleifeinheit als Materialabtragseinheit, die auch als Sensoreinheit dient;
3: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Sensorarray als Sensoreinheit im seitlichen Schnitt;
4: die Ausführungsform gemäß 2 im seitlichen Schnitt quer durch die benachbarten Auftragschweißspuren des flächenförmig aufgetragenen Material;
5: eine beispielhafte Darstellung von möglichen Schichtdickenverteilungen über das flächenförmig aufgetragene Material;
6: eine Ausführungsform eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgetragenen Mehrfachschichtsystem, wo beispielsweise der Versatz der Auftragschweißspuren relativ zueinander in der gleichen Schicht und relativ zueinander zwischen unterschiedlicher Schichten von der Kontrolleinheit optimiert wurde;
7: 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 vier Laserschweißköpfen;
8: 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 Laserschweißköpfen; und
9: 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 einem darauf angeordneten Laserauftragschweißkopf 3 zum Auftragen von Material M auf eine Oberfläche 41 eines Bauteils 4, einer oder mehrerer Materialquellen 5 zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfes 3 mit dem aufzutragenden Material M und einer Laserstrahlquelle 6 zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfes 3 mit Laserlicht L zur Durchführung des Laserauftragschweißens,1 wobei die Vorrichtung 1 des Weiteren eine Kontrolleinheit 7 zur Kontrolle des Laserauftragsschweißprozesses und eine Sensoreinheit 8 zumindest zur Bestimmung einer Schichtdickenverteilung DV von mehreren nebeneinander zumindest teilweise überdeckend aufgetragenen Auftragschweißspuren MS im flächenförmig aufgetragenen Material M während des Laserauftragsschweißprozesses umfasst. Die Kontrolleinheit 7 kann dabei die Auftragschweißspur MS des Laserauftragschweißkopfes auf der Oberfläche 41 so steuern, dass diese Auftragschweißspur in Formnebeneinanderliegenden Auftragschweißspuren sich zumindest teilweise überdecken, siehe beispielsweise 3. Der Laserauftragschweißkopf 3 erzeugt beim Laserauftragschweißen einen Laserschweißpunkt 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4, in dem das Material als Auftragschweißspur MS auf die Oberfläche 41 aufgetragen wird. Bei Vorrichtungen mit einem oder mehreren Laserauftragschweißköpfen können diese Auftragschweißspuren nebeneinander in Meander- oder Spiralform (oder in einer anderen geeigneten Form) mit einem ersten Versatz R1 zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR der Laserschweißpunkte 31 auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 aufgetragen werden, damit die Oberfläche 41 vollständig mit dem Material beschichtet wird. Dazu 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 hier nicht gezeigten Bewegungseinheit. Dazu kann außerdem der Laserauftragschweißkopf 3 zur Ausführung einer Bewegung bewegbar angeordnet sein, vorzugsweise mittels einer hier nicht gezeigten Laserauftragschweißkopf-Bewegungseinheit. In dieser Ausführungsform misst die Sensoreinheit 8 die Schichtdickenverteilung DV mittels optischer oder akustischer Verfahren berührungslos. Die Sensoreinheit 8 kann dazu verfahrbar oder verschwenkbar aufgehängt sein, um die Schichtdickenverteilung DV zumindest über einige benachbarte Auftragschweißspuren messen zu können. Anschließend übermittelt die Sensoreinheit 8 zumindest die gemessene Schichtdickenverteilung DV als Sensorsignal 81 an die Kontrolleinheit 7, welche dazu vorgesehen ist, auf Basis des Sensorsignals 81 ein oder mehrere Prozessparameter der Laserauftragsschweißprozess zumindest zur Angleichung der gemessenen Schichtdickenverteilung DV an eine Sollschichtdicke DS zu modifizieren. Die Prozessparameter können dabei ein oder mehrere Elemente aus einer Gruppe von Elementen umfassend Laserleistung, Materialmenge, Materialart, Versatz R1 benachbarter Auftragschweißspuren MS zueinander, Versatz R3 von Auftragschweißspuren MS unterschiedlicher Schichten S1, S2 zueinander, oder im Falle von mehreren Laserschweißköpfen 3 auch ein Versatz von Laserschweißpunkten benachbarten Laserschweißköpfe zueinander senkrecht R1 und/oder parallel R2 zur Vorschubrichtung VR, sein. Dabei kann die Kontrolleinheit 7 dazu eingerichtet sein, die Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit 2 und/oder der Laserschweißköpfe 3 und/oder die Materialquellen 5 und/oder der Lichtquellen 6 zur Ausführung des Laserauftragschweißens auf Basis des Sensorsignals 81 anzusteuern.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Schleifeinheit 9 als Materialabtragseinheit 9, die auch als Sensoreinheit 8 dient. Hier misst die Sensoreinheit 8 die Schichtdickenverteilung DV aufgrund eines mechanischen Kontakts zu den Auftragschweißspuren MS beim Abschleifen der vorher aufgetragenen Auftragschweißspuren MS auf die Sollschichtdicke DS, indem über den beim Abschleifen notwendigen Kraftaufwand die Schichtdickenverteilung DV über die abzuschleifenden Auftragschweißspuren MS bestimmt wird. Je mehr Material von der Auftragschweißspur MS abgetragen werden muss, desto größer ist der Kraftaufwand, um die Schleifeinheit 9 in Position, d.h. in der richtigen Höhe, zu halten, um eine Sollschichtdicke nach erfolgtem Abschleifen zu erzeugen. Somit ergibt sich aus dem Kraftaufwand die abgeschliffene Schichtdicke und damit das Sensorsignal, dass bei zu viel abgeschliffenem Material den Laserauftragschweißprozess so nachregelt, dass weniger Material mit einer geringeren Schichtdicke SD in der Auftragschweißspur aufgetragen wird, damit zum Glätten mittels der Schleifeinheit nunmehr weniger Material abgeschliffen werden muss. Da die Auftragschweißspuren MS eine gewisse Welligkeit aus dem Prozess heraus zeigen, muss immer ein Mindestmaß an Material M abgeschliffen werden, damit eine überall glatte Oberfläche des aufgetragenen Materials M erzeugt werden kann. Bezüglich der anderen Details sei auf 1 verwiesen. In anderen Ausführungsformen kann die Materialabtragseinheit 9 auch als Abdreheinheit oder Abfräseinheit ausgeführt sein, wobei das Material dann nicht abgeschliffen, sondern abgedreht oder abgefräst wird.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einem Sensorarray 82 als Sensoreinheit 8 im seitlichen Schnitt verbunden mit der Kontrolleinheit 7 zur Übertragung des Sensorsignals 81 umfassend die Schichtdickenverteilung DV. Das Material M ist hier als Schicht S1 mittels sich hier zumindest teilweise überdeckenden Auftragschweißspuren MS mit einer jeweiligen Materialbreite MB aufgetragenen. Über das Sensorarray 82 kann die Schichtdickenverteilung DV über zumindest einige nebeneinander aufgetragenen Auftragschweißspuren MS senkrecht zu einer Vorschubrichtung VS bestimmt werden, siehe dazu auch 5. Das hier gezeigte Sensorarray 82 misst die Schichtdickenverteilung DV berührungslos.
4 zeigt die Ausführungsform gemäß 2 im seitlichen Schnitt quer durch die benachbarten Auftragschweißspuren MS des flächenförmig aufgetragenen Materials M. Die Schleifeinheit 9 als die Materialabtragseinheit 9 wird hier in Richtung 92 bewegt, um mehrere benachbarte Auftragschweißspuren MS abschleifen zu können, wobei hier der beim Abschleifen notwendigen Kraftaufwand für jede der Schleifscheiben 91 gemessen wird. In einer alternativen Ausführungsform (hier nicht gezeigt), könnte die Schleifeinheit 9 auch ein Array an Schleifscheiben 91 umfassen, um mehrere benachbarte Auftragschweißspuren MS simultan abschleifen zu können. Selbiges gilt analog auch für Abdreh- oder Abfräseinheiten als Materialabtragseinheiten 9.
5 zeigt eine beispielhafte Darstellung von möglichen Schichtdickenverteilungen DV über das flächenförmig aufgetragenes Material M. Die obere Grafik zeigt eine erste Schichtdickenverteilung DV1 in einer Schicht S1, von der nur der obere Teil dargestellt ist. Hier ist der Überlappungsgrad zwischen den einzelnen benachbarten Auftragschweißspuren gering, sodass die resultierende Oberfläche eine große Welligkeit aufweist. Sollte die Schicht S1 geglättet werden, müsste eine Materialdicke A1 abgetragen werden, sodass alles Material der Stärke A1 einen Materialverlust darstellt. Die untere Grafik zeigt eine zweite Schichtdickenverteilung DV2 in einer Schicht S2, von der nur der obere Teil dargestellt ist. Hier ist der Überlappungsgrad zwischen den einzelnen benachbarten Auftragschweißspuren MS größer als bei der oberen Grafik, sodass die resultierende Oberfläche eine geringere Welligkeit aufweist. Sollte die Schicht S2 geglättet werden, müsste eine Materialdicke A2 abgetragen werden, sodass alles Material der Stärke A2 einen Materialverlust darstellt, was einen geringeren Materialverlust gegenüber der oberen Grafik darstellt. Der Überlappungsgrad stellt einen Prozessparameter dar, der mittels der Kontrolleinheit 7 modifiziert werden kann, um die Welligkeit der Schicht zu beeinflussen und damit die Nachbearbeitung weniger aufwendig zu gestalten und den Materialverlust A2 zu verringern. Das Sensorsignal 81, auf das die Kontrolleinheit 7 die Modifikation durchführt, basiert auf der Messung der Schichtdickenverteilung DV der aufgetragenen Schicht Sofern eine Schicht S1 gemäß oberer Grafik aufgetragen wird, wird die Kontrolleinheit aufgrund der Schichtdickenverteilung DV1 beispielsweise den Versatz R1 zwischen benachbarten Auftragschweißspuren verringern, damit nach der Modifikation die Schicht S2 gemäß unterer Grafik aufgetragen wird, um den Materialverlust bei der Nachbearbeitung von A1 auf A2 aufgrund der dann vorliegenden Schichtdickenverteilung DV2 zu verringern.
6 zeigt eine Ausführungsform eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 aufgetragenen Mehrfachschichtsystem SS, wo beispielsweise der Versatz der Auftragschweißspuren R1, R2, R3 relativ zueinander in der gleichen Schicht S1, S2 und relativ zueinander zwischen unterschiedlicher Schichten S1, S2 von der Kontrolleinheit 7 optimiert wurde. Nach einer flächenmäßigen Auftragung vom Material M als eine vorangegangene Schicht S1 auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 durch den oder die Laserschweißköpfe 3 wurde eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material M als nachfolgende Schicht S1 auf die vorangegangene Schicht S1 ausgeführt, um das Material als Mehrfachschichtsystem SS aufzutragen. Hierbei stellt die Oberfläche der ersten Schicht S1 die Oberfläche 41 des Bauteils dar, auf die die zweite Schicht S2 aufgetragen wurde, da die erste Schicht S1 nach deren Auftrag fest mit dem Bauteil verschweißt ist und somit die Oberfläche 41 für nachfolgendes Auftragen von Material bereitstellt. Die Auftragschweißspuren MS der nachfolgenden Schicht S2 sind hier mit einem Versatz R3 senkrecht zur Vorschubrichtung VR relativ zu den darunterliegenden Auftragschweißspuren MS der vorangegangenen Schicht S1 auf die vorangegangene Schicht S1 aufgetragen sind, wobei der Versatz R3 der Auftragschweißspuren übereinanderliegender Schichten S1, S2 so eingestellt wurde, dass größere Schichtdicken SD2 der nachfolgenden Schicht oberhalb kleinere Schichtdicken SD1 der vorangegangenen Schicht S1 angeordnet sind, wobei die Sensoreinheit nur die gemessene Schichtdickenverteilung der letzten aufgetragenen Schicht S2 als Sensorsignal 81 zur Modifizierung von Prozessparametern an die Kontrolleinheit 7 übermittelt, da nur die letzte Schicht S2 nachbearbeitet wird. Somit kann die Auftragung der Schichten mit Versatz R3 die Welligkeit des Mehrfachschichtsystems bereits reduzieren, sodass nur noch die letzte Schicht S2 zu einer Glättung nachbearbeitet werden muss.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Welle 43 als Beispiel eines rotationssymmetrischen Bauteils 4 mit dem dynamischen Verhalten der Laserschweißpunkte 31 während des Laserauftragschweißens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in dieser Ausführungsform mit vier Laserschweißköpfen 3 zum (quasi-) simultanen Auftragen von Material M auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4, wobei die Laserauftragschweißköpfe 3 jeweils einen Laserschweißpunkt 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 erzeugen und benachbarte Laserschweißpunkte einen ersten Versatz R1 zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR der Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 besitzen. Hierbei trägt jeder Laserauftragschweißkopf 3 die durch ihn erzeugte Auftragschweißspur MS zumindest teilweise überlappend zu den benachbarten Auftragschweißspuren MS erzeugt durch die anderen Laserschweißköpfe 3 auf, sodass das Material M flächenförmig auf der Oberfläche 41 aufgetragen wird. Außerdem besitzen die benachbarten Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 einen zweiten Versatz R2 zueinander in Vorschubrichtung VR besitzen, um einerseits den Wärmeübertrag auf benachbarte Auftragschweißspuren MS steuern zu können und um andererseits die Laserauftragschweißköpfe 3 aus geometrischen Gründen nicht zu dicht zueinander anordnen zu müssen. Hierbei umfasst das Bauteil 4, vorzugsweise eine Bremsscheibe 42, eine kreisförmige Oberfläche 41 mit einer Rotationsachse D senkrecht zur Oberfläche 41, auf die das Material aufgetragen wird. 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. Zum Auftragens 110 des Materials M wird die kreisförmige Oberfläche 41 um die Rotationsachse D unter den Laserauftragschweißköpfen 3 hindurch rotiert 112, sodass deren Laserschweißpunkt 31 auf der kreisförmigen Oberfläche 41 bei ruhendem Laserauftragschweißkopf 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden, und die Laserauftragschweißköpfe 3 werden simultan in Richtung der Rotationsachse D bewegt 114, sodass das Material M in einer spiralförmigen Auftragschweißspur MS flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche 41 aufgetragen wird. Hierbei kann sich die Sensoreinheit 8 als Sensorarray 82 über den gesamten Radius der Oberfläche erstrecken, um die gesamte Schichtdickenverteilung DV simultan messen zu können. Im Falle einer Materialabtragseinheit 9 als Sensorarray 8 kann sich die Materialabtragseinheit 9 analog zu den Laserschweißpunkten 31 über die Oberfläche 41 des Bauteils 4 bewegen oder ist ebenfalls als Array ausgebildet.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Welle 43 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 Laserschweißköpfen 3, zum (quasi-) simultanen Auftragen von Material M auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4, wobei die Laserauftragschweißköpfe 3 jeweils einen Laserschweißpunkt 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 erzeugen und benachbarte Laserschweißpunkte einen ersten Versatz R1 zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR der Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 besitzen. Hierbei trägt jeder Laserauftragschweißkopf 3 die durch ihn erzeugte Auftragschweißspur MS zumindest teilweise überlappend zu den benachbarten Auftragschweißspuren MS erzeugt durch die anderen Laserschweißköpfe 3 auf, sodass das Material M flächenförmig auf der Oberfläche 41 aufgetragen wird. Außerdem besitzen die benachbarten Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 einen zweiten Versatz R2 zueinander in Vorschubrichtung VR besitzen, um einerseits den Wärmeübertrag auf benachbarte Auftragschweißspuren MS steuern zu können und um andererseits die Laserauftragschweißköpfe 3 aus geometrischen Gründen nicht zu dicht zueinander anordnen zu müssen. Hierbei umfasst das Bauteil 4, vorzugsweise eine Welle 43, eine rotationssymmetrische Oberfläche 41 mit einer Rotationsachse D parallel zur Oberfläche 41, auf die das Material aufgetragen wird. Zum Auftragen 110 wird die rotationssymmetrischen Oberfläche 41, vorzugsweise die Zylinderfläche der Welle 43, um die Rotationsachse RB unter den drei Laserauftragschweißköpfen 3 hindurch rotiert 116, sodass deren Laserschweißpunkt 31 auf der rotationssymmetrischen Oberfläche 41 bei ruhendem Laserauftragschweißkopf 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden; und die Laserauftragschweißköpfe 3 werden in Vorschubrichtung VR parallel zur Rotationsachse RB bewegt 118, sodass das Material M in einer spiralförmigen Auftragschweißspur MS flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche 41 aufgetragen wird. Hierbei kann sich die Sensoreinheit 8 als Sensorarray 82 über den gesamten Umfang der Oberfläche erstrecken, um die gesamte Schichtdickenverteilung DV simultan messen zu können. Im Falle einer Materialabtragseinheit 9 als Sensorarray 8 kann sich die Materialabtragseinheit 9 analog zu den Laserschweißpunkten 31 um die Oberfläche 41 des Bauteils 4 bewegen oder ist ebenfalls als Array ausgebildet.
9 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit 2 mit einem darauf angeordneten Laserschweißkopf 3, einer Kontrolleinheit 7 zur Kontrolle des Laserauftragsschweißprozesses und einer Sensoreinheit 8, umfassend die Schritte des flächenmäßigen Auftragens 110 von Material M auf eine Oberfläche 41 eines Bauteils 4 in Form von mehreren nebeneinander zumindest teilweise überdeckend aufgetragenen Auftragschweißspuren MS, wobei mehrere Laserschweißköpfe 3 in der Vorrichtung 1 zum Auftragen 110 des Materials verwendet 160 werden können; des Messens 120 einer Schichtdickenverteilung DV über mehrere nebeneinander aufgetragene Auftragschweißspuren MS während des Laserauftragsschweißprozesses mittels einer Sensoreinheit 8; des Übermittelns 130 der gemessenen Schichtdickenverteilung DV als Sensorsignals 81 an die Kontrolleinheit 7; und des Modifizieren 140 von Prozessparametern im Laserauftragsschweißprozesses durch die Kontrolleinheit 7 auf Basis des Sensorsignals 81 zumindest zur Angleichung der gemessenen Schichtdickenverteilung DV an eine Sollschichtdicke DS. Hierbei kann die Vorrichtung 1 eine Materialabtragseinheit 9 zum Abtragen 150 der vorher aufgetragenen Auftragschweißspuren MS auf die Sollschichtdicke DS umfassen, die als weitere Funktion als die Sensoreinheit 8 eingesetzt wird, umfassend den Schritt des Messens eines beim Abtragen notwendigen Kraftaufwand über die Auftragschweißspuren MS zur Messung 120 der Schichtdickenverteilung DV. Hierbei kann die Materialabtragseinheit 9 erst die endgültige Schicht S2 des Mehrfachschichtsystems SS (vorteilhaft bei gleichem Material der Schichten des Mehrfachschichtsystems) oder zusätzlich zumindest eine vorangegangene Schicht S1 aus einem ersten Material teilweise abtragen 150, bevor eine nachfolgende Schicht S2 aus einem zweiten Material aufgetragen wird. Beim Modifizieren 140 kann dabei die Kontrolleinheit 7 als Prozessparameter ein oder mehrere Elemente aus einer Gruppe von Elementen umfassend Laserleistung, Materialmenge, Versatz R1 benachbarter Auftragschweißspuren MS zueinander, Versatz R3 von Auftragschweißspuren MS unterschiedlicher Schichten S1, S2 zueinander, oder im Falle von mehreren Laserschweißköpfen 3 auch ein Versatz von Laserschweißpunkten 31 benachbarten Laserschweißköpfe zueinander senkrecht R1 und/oder parallel R2 zur Vorschubrichtung VR so anpassen, dass der Laserauftragsschweißprozess unter anderem effektiv mit einem verringerten Nachbearbeitungsaufwand und geringeren Materialverlusten betrieben wird. Falls dabei das Bauteil 4, vorzugsweise eine Bremsscheibe 42, eine kreisförmige Oberfläche 41 mit einer Rotationsachse D senkrecht zur Oberfläche 41 umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, kann der Schritt des Auftragens 110 die weiteren Schritte des Rotierens 112 der kreisförmigen Oberfläche 41 um die Rotationsachse D unter dem Laserauftragschweißkopf 3 hindurch, sodass dessen Laserschweißpunkt 31 auf der kreisförmigen Oberfläche 41 bei ruhendem Laserauftragschweißkopf 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würde; und des Bewegens 114 des Laserauftragschweißkopfes 3 in Richtung der Rotationsachse D, sodass das Material M in einer spiralförmigen Auftragschweißspur MS flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche 41 aufgetragen wird, umfassen. Falls das Bauteil 4, vorzugsweise eine Welle 43, dagegen eine rotationssymmetrische Oberfläche 41 mit einer Rotationsachse D parallel zur Oberfläche 41 umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, kann der Schritt des Auftragens 110 die weiteren Schritte des Rotierens 116 der rotationssymmetrischen Oberfläche 41, vorzugsweise die Zylinderfläche der Welle 43, um die Rotationsachse D unter dem Laserauftragschweißkopf 3 hindurch, sodass dessen Laserschweißpunkt 31 auf der rotationssymmetrischen Oberfläche 41 bei ruhendem Laserauftragschweißkopf 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden; und des Bewegens 118 des Laserauftragschweißkopfes 3 in Vorschubrichtung VR parallel zur Rotationsachse D, sodass das Material M in einer spiralförmigen Auftragschweißspur MS flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche 41 aufgetragen wird, umfassen. Hierbei kann jeweils die Materialabtragseinheit 9 analog zu den Laserschweißpunkten 31 über die Oberfläche 41 des Bauteils 4 bewegt werden.
Bezugszeichenliste

1: erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserauftragschweißen
2: Laserauftragschweißeinheit
3: Laserauftragschweißkopf
31: Laserschweißpunkt
4: Bauteil
41: Oberfläche des Bauteils
42: Bremsscheibe
42a: Schraubenlöcher
43: Welle
5: Materialquelle
6: Laserstrahlquelle
7: Kontrolleinheit
8: Sensoreinheit
81: Sensorsignal
82: Sensorarray
9: Materialabtragseinheit, z.B. Schleifeinheit, Abdreheinheit, Abfräseinheit
91: Schleifscheibe(n)
92: Bewegung Materialabtragseinheit
100: erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Laserauftragschweißen
110: flächenmäßiges Auftragen von Material auf eine Oberfläche eines Bauteils
112: Rotieren der kreisförmigen Oberfläche um die Rotationsachse
114: Bewegen des Laserauftragschweißkopfes in Richtung der Rotationsachse
116: Rotieren der rotationssymmetrischen Oberfläche um die Rotationsachse
118: Bewegen des Laserauftragschweißkopfes in Vorschubrichtung
120: Messen einer Schichtdickenverteilung über mehrere nebeneinander aufgetragene Auftragschweißspuren während des Laserauftragsschweißprozesses
130: Übermitteln der gemessenen Schichtdickenverteilung eines als Sensorsignals an die Kontrolleinheit
140: Modifizieren von Prozessparametern im Laserauftragsschweißprozesses durch die Kontrolleinheit auf Basis des Sensorsignals
150: Abtragen, z.B. Abschleifen, Abdrehen oder Abfräsen, der vorher aufgetragenen Auftragschweißspuren auf die Sollschichtdicke
160: Verwendens von mehreren Laserschweißköpfen in der Vorrichtung
A1, A2: Materialverluste, die durch Abtragung der Auftragschweißspur zu deren Glättung entstehen
D: Rotationsachse des Bauteils beim Laserauftragschweißen
DS: Sollschichtdicke
DV: Schichtdickenverteilung des aufgetragenen Materials
DV1: erste Schichtdickenverteilung einer Schicht S1
DV2: zweite Schichtdickenverteilung einer Schicht S2
M: aufzutragendes Material
MB: Materialbreite der Auftragschweißspur
MS: Auftragschweißspur des aufgebrachten Materials auf der Oberfläche des Bauteils
L: Laserlicht
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
SD: Schichtdicke
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]

Claims

Eine Vorrichtung (1) zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit (2) mit einem darauf angeordneten Laserauftragschweißkopf (3) zum Auftragen von Material (M) auf eine Oberfläche (41) eines Bauteils (4), einer oder mehrerer Materialquellen (5) zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfs (3) mit dem aufzutragenden Material (M) und einer Laserstrahlquelle (6) zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfes (3) mit Laserlicht (L) zur Durchführung des Laserauftragschweißens, wobei die Vorrichtung (1) des Weiteren eine Kontrolleinheit (7) zur Kontrolle des Laserauftragsschweißprozesses und eine Sensoreinheit (8) zumindest zur Bestimmung einer Schichtdickenverteilung (DV) von mehreren nebeneinander zumindest teilweise überdeckend aufgetragenen Auftragschweißspuren (MS) im flächenförmig aufgetragenen Material (M) während des Laserauftragsschweißprozesses umfasst, wobei die Sensoreinheit (8) zumindest die gemessene Schichtdickenverteilung (DV) als Sensorsignal (81) an die Kontrolleinheit (7) übermittelt, welche dazu vorgesehen ist, auf Basis des Sensorsignals (81) ein oder mehrere Prozessparameter des Laserauftragsschweißprozesses zumindest zur Angleichung der gemessenen Schichtdickenverteilung (DV) an eine Sollschichtdicke (DS) zu modifizieren.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (7) dazu vorgesehen ist, die Auftragschweißspur (MS) des Laserauftragschweißkopfes auf der Oberfläche (41) so zu steuern, dass diese Auftragschweißspuren nebeneinander zumindest teilweise überdeckend aufgetragenen werden.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserauftragschweißeinheit (2) mehrere Laserschweißköpfe (3) zum (quasi-) simultanen Auftragen von Material (M) auf die Oberfläche (41) des Bauteils (4) umfasst, wobei die Laserauftragschweißköpfe (3) jeweils einen Laserschweißpunkt (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4) erzeugen und benachbarte Laserschweißpunkte 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 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Laserauftragschweißkopf (3) die durch ihn erzeugte Auftragschweißspur (MS) zumindest teilweise überlappend zu den benachbarten Auftragschweißspuren (MS) erzeugt durch die anderen Laserschweißköpfe (3) aufträgt, sodass das Material (M) flächenförmig auf der Oberfläche (41) aufgetragen wird.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, 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 einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (8) verfahrbar oder verschwenkbar aufgehängt ist, um die Schichtdickenverteilung (DV) zumindest über einige benachbarte Auftragschweißspuren messen zu können.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (8) ein Sensorarray (82) umfasst, dass zumindest einige nebeneinander aufgetragene Auftragschweißspuren (MS) zumindest senkrecht zu einer Vorschubrichtung (VS) zur Messung der Schichtdickenverteilung (DV) überdeckt.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (8) die Schichtdickenverteilung (DV) aufgrund eines mechanischen Kontakts zu den Auftragschweißspuren (MS) misst.
Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Materialabtragseinheit (9) zum Abtragen der vorher aufgetragenen Auftragschweißspuren (MS) auf die Sollschichtdicke (DS) umfasst, die in einer zusätzlichen Funktion als die Sensoreinheit (8) verwendet wird, um über einen bei diesem Abtragen notwendigen Kraftaufwand die Schichtdickenverteilung (DV) über die Auftragschweißspuren (MS) zu messen.
Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabtragseinheit (9) eine Schleifeinheit, eine Abdreheinheit oder eine Abfräseinheit ist.
Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifeinheit (9), Abdreheinheit (9) oder Abfräseinheit (9) ein Array an Schleifscheiben (91), Drehmitteln oder Fräsmittel umfasst, um mehrere Auftragschweißspuren (MS) simultan abschleifen, abdrehen oder abfräsen zu können, wobei hier der beim Abschleifen, Abdrehen oder Abfräsen notwendigen Kraftaufwand für jede der Schleifscheiben (91), Drehmittel oder Fräsmittel gemessen wird.
Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (8) die Schichtdickenverteilung (DV) berührungslos misst.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (8) die Schichtdickenverteilung (DV) mittels optischer oder akustischer Verfahren misst.
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) den oder die Laserschweißköpfe (3) 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 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragschweißspuren (MS) der nachfolgenden Schicht (S2) mit einem Versatz (R3) senkrecht zur Vorschubrichtung (VR) relativ zu den darunterliegenden Auftragschweißspuren (MS) der vorangegangenen Schicht (S1) auf die vorangegangene Schicht (S1) aufgetragen sind, wobei der Versatz (R3) der Auftragschweißspuren übereinanderliegender Schichten (S1, S2) so eingestellt ist, dass größere Schichtdicken (SD2) der nachfolgenden Schicht oberhalb kleinere Schichtdicken (SD1) der vorangegangenen Schicht (S1) angeordnet sind, wobei die Sensoreinheit nur die gemessene Schichtdickenverteilung der letzten aufgetragenen Schicht (S2) als Sensorsignal (81) zur Modifizierung von Prozessparametern an die Kontrolleinheit (7) übermittelt.
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 der Laserauftragschweißkopf (3) zur Ausführung einer Bewegung bewegbar angeordnet ist, vorzugsweise mittels einer Laserauftragschweißkopf-Bewegungseinheit.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (7) dazu eingerichtet ist, die Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit (2) und/oder der Laserschweißköpfe (3) und/oder die Materialquellen (5) und/oder der Lichtquellen (6) zur Ausführung des Laserauftragschweißens auf Basis des Sensorsignals (81) anzusteuern.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die zu modifizierenden Prozessparameter ein oder mehrere Elemente aus einer Gruppe von Elementen umfassend Laserleistung, Materialmenge, Materialart, Versatz (R1) benachbarter Auftragschweißspuren (MS) zueinander, Versatz (R3) von Auftragschweißspuren (MS) unterschiedlicher Schichten (S1, S2) zueinander, oder im Falle von mehreren Laserschweißköpfen (3) auch ein Versatz von Laserschweißpunkten benachbarten Laserschweißköpfe zueinander senkrecht (R1) und/oder parallel (R2) zur Vorschubrichtung (VR), betreffen.
Ein Verfahren (100) zum Betreiben einer Vorrichtung (1) zum Laserauftragschweißen nach einem der voranstehenden Ansprüche mit einer Laserauftragschweißeinheit (2) mit einem darauf angeordneten Laserschweißkopf (3), einer Kontrolleinheit (7) zur Kontrolle des Laserauftragsschweißprozesses und einer Sensoreinheit (8), umfassend die Schritte: - flächenmäßiges Auftragen (110) von Material (M) auf eine Oberfläche (41) eines Bauteils (4) in Form von mehreren nebeneinander zumindest teilweise überdeckend aufgetragenen Auftragschweißspuren (MS); - Messen (120) einer Schichtdickenverteilung (DV) über mehrere nebeneinander aufgetragene Auftragschweißspuren (MS) während des Laserauftragsschweißprozesses mittels einer Sensoreinheit (8); - Übermitteln (130) der gemessenen Schichtdickenverteilung (DV) als Sensorsignals (81) an die Kontrolleinheit (7); und - Modifizieren (140) von Prozessparametern im Laserauftragsschweißprozesses durch die Kontrolleinheit (7) auf Basis des Sensorsignals (81) zumindest zur Angleichung der gemessenen Schichtdickenverteilung (DV) an eine Sollschichtdicke (DS).
Das Verfahren (100) nach Anspruch 20, wobei die Vorrichtung (1) eine Materialabtragseinheit (9), vorzugsweise ein Schleifeinheit, eine Abdreheinheit oder eine Abfräseinheit, zum Abtragen (150) der vorher aufgetragenen Auftragschweißspuren (MS) auf die Sollschichtdicke (DS) umfasst, die als weitere Funktion als die Sensoreinheit (8) eingesetzt wird, umfassend den Schritt des Messens eines bei diesem Abtragen notwendigen Kraftaufwand über die Auftragschweißspuren (MS) zur Messung (120) der Schichtdickenverteilung (DV).
Das Verfahren (100) nach Anspruch 21, wobei die Materialabtragseinheit (9) im Falle eines Mehrfachschichtsystems (SS) zusätzlich zumindest eine vorangegangene Schicht (S1) aus einem ersten Material teilweise abträgt (150), bevor eine nachfolgende Schicht (S2) aus einem zweiten Material aufgetragen wird.
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Kontrolleinheit (7) als Prozessparameter ein oder mehrere Elemente aus einer Gruppe von Elementen umfassend Laserleistung, Materialmenge, Versatz (R1) benachbarter Auftragschweißspuren (MS) zueinander, Versatz (R3) von Auftragschweißspuren (MS) unterschiedlicher Schichten (S1, S2) zueinander, oder im Falle von mehreren Laserschweißköpfen (3) auch ein Versatz von Laserschweißpunkten (31) benachbarten Laserschweißköpfe zueinander senkrecht (R1) und/oder parallel (R2) zur Vorschubrichtung (VR) modifiziert (140).
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei das Bauteil (4), vorzugsweise eine Bremsscheibe (42), eine kreisförmige Oberfläche (41) mit einer Rotationsachse (D) senkrecht zur Oberfläche (41) umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, wobei der Schritt des Auftragens (110) die weiteren Schritte umfasst: - Rotieren (112) der kreisförmigen Oberfläche (41) um die Rotationsachse (RB) unter dem Laserauftragschweißkopf (3) hindurch, sodass dessen Laserschweißpunkt (31) auf der kreisförmigen Oberfläche (41) bei ruhendem Laserauftragschweißkopf (3) kreisförmig die Oberfläche (41) überlaufen würde; und - Bewegen (114) des Laserauftragschweißkopfes (3) in Richtung der Rotationsachse (D), sodass das Material (M) in einer spiralförmigen Auftragschweißspur (MS) flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche (41) aufgetragen wird.
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei das Bauteil (4), vorzugsweise eine Welle (43), eine rotationssymmetrische Oberfläche (41) mit einer Rotationsachse (RB) parallel zur Oberfläche (41) umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, wobei der Schritt des Auftragens (110) die weiteren Schritte umfasst: - Rotieren (116) der rotationssymmetrischen Oberfläche (41), vorzugsweise die Zylinderfläche der Welle (43), um die Rotationsachse (D) unter dem Laserauftragschweißkopf (3) hindurch, sodass dessen Laserschweißpunkt (31) auf der rotationssymmetrischen Oberfläche (41) bei ruhendem Laserauftragschweißkopf (3) kreisförmig die Oberfläche (41) überlaufen würden; und - Bewegen (118) des Laserauftragschweißkopfes (3) in Vorschubrichtung (VR) parallel zur Rotationsachse (D), sodass das Material (M) in einer spiralförmigen Auftragschweißspur (MS) flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche (41) aufgetragen wird.
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 24 oder 25, wobei sich die Materialabtragseinheit (9) analog zu den Laserschweißpunkten (31) über die Oberfläche (41) des Bauteils (4) bewegt (92).
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 24 bis 26, umfassend den weiteren Schritt des Verwendens (160) von mehreren Laserschweißköpfen in der Vorrichtung (1) zum Auftragen (110) des Materials, wobei der Schritt des Bewegens (114, 118) für jeden der Laserschweißköpfe gilt.