DE102020106822B4

DE102020106822B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Nachbearbeiten von Schichten aufgetragen durch Laserauftragschweißen

Info

Publication number: DE102020106822B4
Application number: DE102020106822.0A
Authority: DE
Inventors: Dominik Dobrzanski; Phillip Utsch
Original assignee: HPL Technologies GmbH
Current assignee: HPL Technologies GmbH
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: DE102020106822A1

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit (2) mit einem darauf angeordneten Laserauftragschweißkopf (3) zum Auftragen von Material (M) in Form einer Auftragschweißspur (MS) 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 Materialglättungseinheit (7) umfasst, die dazu vorgesehen ist, mittels eines auf die Oberfläche (41) gerichteten Laserstrahls (LG) aus der Oberfläche (41) herausragende Strukturen (41s) des aufgetragenen Materials (M) zu glätten, wobei der glättende Laserstrahl (LG) einen Laserfokus und eine Laserenergie besitzt, die so eingestellt sind, dass die Strukturen (41s) im Laserstrahl (LG) verdampfen und gleichzeitig eine Temperatur der Oberfläche (41) außerhalb der Strukturen (41s) unterhalb einer Verdampfungstemperatur des aufgetragenen Materials (M) bleibt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer Materialglättungseinheit zum Glätten von aus der Oberfläche herausragende Strukturen des aufgetragenen Material 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. Insbesondere bei harten Schichten oder harten Körnern in Verbundschichten verursacht das konventionelle Glätten einen zeitaufwändigen Nachbearbeitungsschritt, der gegebenenfalls die Glättungsmittel mechanisch stark abnutzen kann und damit die Werkzeugkosten erhöht.
Insbesondere bei Schichtsystemen, die Hartstoffpartikel beinhalten, kann der Kostenanteil der verschlissenen Glättungsmittel einen beträchtlichen Teil der Wertschöpfungskette betragen. Es wäre daher wünschenswert, wenn man den Nachbearbeitungsaufwand einfach, zuverlässig und weniger verschleißintensiv gestalten könnte.
Aus der WO 2015 / 189 600 A2 sind Material-Verarbeitungsverfahren und eine zugehörige Vorrichtung offenbart, wobei eine Maschine zum Entfernen und Auftragen von Material auf einem Werkstück eingerichtet ist. Hierin ist vorgeschlagen, dass mit ein und demselben Bearbeitungskopf mehrere Verarbeitungen ausgeführt werden können, u.a. Laserauftragen und Laser-Polieren.
In dem wissenschaftlichen Artikel der Autoren Jon lñaki Arrizubieta, Magdalena Cortina, Jose Exequiel Ruiz and Aitzol Lamikiz, mit dem Titel „Combination of Laser Material Deposition and Laser Surface Processes for the Holistic Manufacture of Inconel 718 Components“, veröffentlicht von MDPI, Basel, Schweiz am 20. Juli 2018 ist ein Fertigungsverfahren vorgeschlagen, das auf der Kombination von Laserauftragsschweißen, Laserstrahlbearbeitung und Laserpolieren für die vollständige Herstellung komplexer Teile beruht. Der gesamte Prozess basiert auf der Anwendung einer Laserwärmequelle sowohl für die Herstellung der Bauteilvorform durch additive Fertigung als auch für die Poliervorgänge. Ihre Kombination ermöglicht die Herstellung von endkonturnahen Teilen und die anschließende Entfernung des überschüssigen Materials durch Laserbearbeitung, die nachweislich in der Lage ist, die aus dem additiven Verfahren resultierenden Welligkeiten zu beseitigen. Außerdem wird die Oberflächenqualität durch Laserpolieren verbessert, so dass die Rauheit des fertigen Teils verringert wird.
Der wissenschaftliche Artikel der Autoren M. Hofele, J. Schanz, B. Burzic, S. Lutz, M. Merkel, H. Riegel mit dem Titel „Laser based post processing of additive manufactured metal parts“ auf der „Lasers in Manufacturing Conference 2017“ befasst sich mit der Untersuchung des Laserreinigens und der Entwicklung des Laserpolierens von pulverbettbasierten selektiven Laserschmelzen (SLM)-Bauteilen aus Stahl oder Aluminium. Die Laserreinigung mit einem ns-gepulsten Glasfaserlaser führt zu einem effektiven Abtrag von Restmetallpulver auf der rauen Topographie der SLM-Oberflächen und zu einer deutlichen Reduzierung der Oxidschicht. Es werden darin Polierstrategien mit einer und mehreren Kreuzungen untersucht. Es werden mehrere Versuchsreihen mit gepulster Welle (pw) und kontinuierlicher Welle (cw) unter Variation von Laserparametern wie Laserpunktdurchmesser, Strahlintensität oder Vorschubgeschwindigkeit diskutiert.
Die WO 2016 / 061 636 A1 befasst sich mit einem Verfahren, einem System und einer Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche eines Gegenstandes mittels Laserauftragschweißen, der korrosivem, erosivem oder abrasivem Verschleiß ausgesetzt ist, wie z. B. Schlag- oder Schleifwerkzeuge. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung eines Vormaterials und die Zuführung des Vormaterials zu einem Teil der Oberfläche des Gegenstands über eine spezielle Zuführungsquelle. Eine spezielle Wärmequelle erhitzt das zugeführte Ausgangsmaterial und den Teil der Oberfläche des Gegenstands, so dass das erhitzte Ausgangsmaterial und der Teil der Oberfläche zumindest teilweise schmelzen. Nach Abzug der Wärme bilden das geschmolzene Ausgangsmaterial und der Oberflächenabschnitt eine gebundene Überzugsschicht auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Gegenstands, wodurch dieser Teil der Baugruppe vor Verschleiß geschützt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen effektiven Laserauftragsschweißprozess zur Verfügung zu stellen, der einen einfachen, zuverlässigen und weniger verschleißintensiven Nachbearbeitungsaufwand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen gemäß Patentanspruch 1.
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 in Form eine Auftragschweißspur. Werden die Auftragschweißspuren nebeneinander oder sogar zumindest teilweise überlappend aufgebracht, so kann das Bauteil flächig mit Material in Form einer Schicht aus diesem Material beaufschlagt werden. 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. 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.
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 und die Materialglättungseinheit auswählen. Hierbei können für Laserauftragschweißköpfe und Materialglättungseinheit dieselben oder unterschiedliche Laserstrahlquellen verwendet werden. Vorzugsweise werden dabei die gleichen Laserstrahlquellen verwendet, um das gleiche Setup der Vorrichtung verwenden zu können. Für die Materialglättungseinheit können gegebenenfalls abhängig vom zu bearbeitenden Material die Intensitäten der Laserstrahlquellen angepasst werden, wobei materialabhängig geringere, die gleichen oder höhere Intensitäten für das Laserlicht benötigt werden.
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.
Der Begriff „Materialglättungseinheit“ bezeichnet eine optische Einheit, die einen Laserstrahl auf die Oberfläche des aufgetragenen Material lenken kann, damit die zu glättenden Strukturen thermisch geglättet werden. Sie kann dafür Linsen, Spiegel, Lichtleiter oder anderen optische Komponenten umfassen, die gegebenenfalls gekühlt oder mit Schutzgas beaufschlagt werden können. Diese thermische Glättung erfolgt beispielweise über Aufschmelzen und nachfolgendes Zerfließen zu einer glatteren Oberfläche oder Verdampfen der Strukturen. Als Struktur wird die Textur der Oberfläche bezeichnet, die von einer idealen ebenen Oberfläche abweicht. Die Textur kann dabei in Form einer Oberflächenrauhigkeit zahlenmäßig bestimmt werden. Hierbei bewirkt die Materialglättungseinheit eine Glättung der Oberfläche, indem der Glättungsprozess zumindest manche der Strukturen so umwandelt, dass diese durch den Glättungsprozess verschwinden oder zumindest in Richtung einer idealeren Oberfläche hin verkleinert werden. Somit verkleinert die Glättung durch die Materialglättungseinheit die Oberflächenrauhigkeit der nachbehandelten Oberfläche. Durch den Laserstrahl werden thermisch bevorzugt die Strukturen betroffen, die den größten Anteil an der Oberflächentextur oder- Oberflächenrauhigkeit der nachzuarbeitenden Oberfläche haben. Bei der Nachbearbeitung kann ein Verdampfen immer dann besonders effektiv und ortsgenau durchgeführt werden, wenn die zu verdampfenden Strukturen schmal und hoch sind, sodass die thermische Leitfähigkeit der Strukturen im Vergleich zur Schicht des aufgetragenen Material als ausgedehnter Körper deutlich geringer ist. Hierbei kann das Verdampfen der jeweiligen Struktur teilweise oder vollständig erfolgen. Dies ist beispielsweise bei Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe mit Grafitkörnern der Fall. Hier entstehen auf der Oberfläche einer solchen mit Laserauftragschweißen hergestellten Schicht beispielsweise Nadel aus Grafit, deren Höhe bis zu der Hälfte der aufgetragenen Schicht betragen kann, während der Durchmesser der Nadel deutlich kleiner als deren Höhe ist. So kann die durch den Laserstrahl injizierte Energie nicht schnell genug über die Struktur, hier beispielsweise ein Grafitkorn, in die Schicht abfließen, sodass es zu einer starken Erwärmung der Grafitnadeln kommt, dass diese verdampfen, ohne dabei die aufgetragene Schicht zu stark zu erwärmen. Ein entsprechend über die Oberfläche geführter Laserstrahl verdampft damit die stark herausstehenden Strukturen und glättet die Oberfläche damit deutlich. Der Laserstrahl glättet hierbei die Oberfläche in einem kontinuierlichen Prozess, bei dem die Strukturen nicht gesondert erfasst werden, sondern je nach lange in einem statistischen Prozess durch den Laserstrahl indurchtreten und damit geglättet oder verdampft werden.
Die Vorrichtung kann des Weiteren eine Kontrolleinheit zur Kontrolle des Laserauftragsschweißprozesses und des Glättens umfassen, die jede dafür geeignete Kontrolleinheit sein kann, beispielsweise ein Prozessor oder eine Rechnereinheit, auf der ein entsprechende Kontrollprogramm installiert ist und während des Laserauftragschweißens ausgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit einen effektiven Laserauftragsschweißprozess durch Integration der Materialglättungseinheit in die Vorrichtung, die zudem einen einfachen, zuverlässigen und weniger verschleißintensiven Nachbearbeitungsaufwand für die Oberfläche des Bauteils ermöglicht.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform besitzt der glättende Laserstrahl einen Laserfokus und eine Laserenergie, die so eingestellt sind, dass die Strukturen im Laserstrahl verdampfen und gleichzeitig eine Temperatur der Oberfläche außerhalb der Strukturen unterhalb einer Verdampfungstemperatur des aufgetragenen Materials bleibt. Der Laserfokus kann beispielsweise durch Justieren der optischen Komponenten in der Materialglättungseinheit eingestellt werden. Die Laserenergie kann über die Laserquelle und deren Betrieb eingestellt werden. Zum Einstellen kann beispielsweise eine Kontrolleinheit verwendet werden, über die ein Bediener entsprechende Eingaben vornehmen kann. Sofern eine Sensoreinheit die Oberflächenrauhigkeit der nachbehandelten Schicht misst, kann die Kontrolleinheit eine solche Einstellung auch automatisch in Reaktion auf die Ergebnisse der Sensoreinheit vornehmen, wobei die betreffenden Einheiten über entsprechende Datenleitungen verbunden sind.
Beispielsweise sind in der Kontrolleinheit Sollwerte für die Oberflächenrauhigkeit hinterlegt, zu deren Erreichung die Laserenergie schrittweise erhöht wird, der Laserfokus vergrößert oder verkleinert wird oder die Position des Laserfokus variiert wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Laserstrahl auf die Oberfläche des Materials oder auf einen Ort oberhalb der Oberfläche fokussiert, vorzugsweise liegt der Ort oberhalb eines Drittels einer Höhe der Strukturen. Die Höhe der Struktur ist die Entfernung zwischen der Spitze der Struktur und der mittleren Oberfläche des aufgetragenen Materials, die der mittleren Schichtdicke des Materials ohne die Strukturen entspricht.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt der Fokus des Laserstrahls eine Breite zumindest gleich einer mittleren Materialbreite der Auftragsschweißspur. Mathematisch ist ein Fokus ein Punkt, in Realität hat der Fokus eine räumliche Ausdehnung (Fläche senkrecht zur Strahlrichtung), die von den optischen Komponenten bestimmt wird. Bei einem Fokus so breit wie die Materialspur durchlaufen alle Strukturen den Laserfokus, wenn die Materialglättungseinheit und damit der von ihr auf die Oberfläche des nachzubearbeitenden Material der Auftragsschweißspur nachläuft, und können somit in einem einzigen Nachlauf simultan zum Auftragschweißprozess vollständig durch den Laserstrahl nachbearbeitet, vorzugsweise verdampft, werden. In einer weiteren Ausführungsform ist die Materialglättungseinheit dafür so angeordnet, dass der Laserstrahl zum Glätten der Oberfläche der aufgetragenen Auftragsschweißspur während des Laserauftragschweißen nachfährt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Materialglättungseinheit verfahrbar oder verschwenkbar aufgehängt, um die aufgetragenen Auftragschweißspuren während des laufenden Laserauftragschweißens zu glätten.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Materialglättungseinheit dazu ausgestaltet, eine Vielzahl an linear oder flächig zueinander angeordneten Laserstrahlen bereitzustellen, dass zumindest einige nebeneinander aufgetragene Auftragschweißspuren simultan geglättet werden können. Hierbei kann die Anzahl der Laserstrahlen so gewählt sein, dass sie die Breite der gesamten aufgetragenen Fläche an Material überdeckt. In diesem Fall braucht die Materialglättungseinheit nicht mehr der Auftragschweißspur nachgefahren zu werden, da sie diese durch die Vielzahl an Laserstrahlen ohnehin vollständig überdeckt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Materialglättungseinheit auf der Laserauftragsschweißeinheit in Vorschubrichtung des Laserauftragschweißkopf gesehen hinter dem Laseraustragschweißkopf angeordnet. In dieser Anordnung kann die Materialglättungseinheit die Auftragschweißspur im laufenden Prozess ohne weiteren Steuerungsaufwand nachfahren und die Oberfläche der Auftragschweißspur direkt glätten. Die Vorschubrichtung bezeichnet die Richtung, in der sich die Laserstrahlen der Vorrichtung während des Laserauftragschweißprozesses und/oder des Glättungsprozesses durch die Materialglättungseinheit über die Oberfläche des Bauteils bewegen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mehrere Laserauftragschweißköpfe zum (quasi-) simultanen Auftragen von Material auf eine Oberfläche eines Bauteils, die alle in der Vorrichtung mit dem aufzutragenden Material und mit Laserstrahlung zur Durchführung des Laserauftragschweißens versorgt werden. 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 bei einer Bearbeitung von Bremsscheiben mittels Laserauftragschweißen bisher übliche Bearbeitungszeiten von 3 - 15 Minuten auf unter 1 Minute reduzieren. 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 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 „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 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 erzeugen 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. 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 der zweite Versatz 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.
In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest einer der mehreren Laserauftragschweißköpfe dazu ausgestaltet, dass dieser Laserauftragschweißkopf als Materialglättungseinheit betrieben werden kann. Durch die Benutzung eines der Laserauftragschweißköpfe als Materialglättungseinheit können zusätzliche Komponenten zur Materialglättung vermieden werden und die Vorrichtung je nach Bedarf an Glättung des aufgetragenen Materials mit Materialglättungseinheit oder einem zusätzlichen Laserauftragschweißkopfes zur Steigerung der Auftragsrate betrieben werden. Der als Materialglättungseinheit betreibbare Laserauftragschweißkopf kann mit einer abschaltbaren Materialzufuhr und ggf. mit justierbarer Optik ausgestattet sein, um den Fokus und dessen Position zur Oberfläche geeignet zum Glätten einzustellen. Ebenso könnten gegebenenfalls die Laserleistung bzw. Laserenergie variierbar sein, um zu gewährleisten, dass genügend Energie zum Glätten oder Verdampfen der Strukturen bereitgestellt wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Sensoreinheit, die eine Oberflächenrauhigkeit der Oberfläche des aufgetragenen Material nach erfolgter Glättung misst. Die Sensoreinheit zumindest zur Bestimmung einer Schichtdickenverteilung kann dabei jede dafür geeignete Sensoreinheit sein. Die Sensoreinheit kann dabei die Oberflächenrauhigkeit mittels Abtastung an einem oder mehreren separaten Orten oder über die Schicht messen. Die Abtastung kann im mechanischen Kontakt mit der Schicht oder berührungslos erfolgen. Die Abtastung kann auch berührungslos beispielsweise optisch, elektrisch oder akustisch erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform misst die Sensoreinheit die Oberflächenrauhigkeit mittels optischer oder akustischer Verfahren. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensoreinheit ein Sensorarray, dass zumindest einige nebeneinander aufgetragene Auftragschweißspuren gemessen werden können.
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 oder die Laserauftragschweißköpfe zur Ausführung einer Bewegung bewegbar angeordnet, vorzugsweise mittels einer Laserauftragschweißkopf-Bewegungseinheit, besonders bevorzugt kann die Bewegung bei mehreren Laserauftragschweißköpfen auch relativ zueinander erfolgen. 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 besteht das aufgetragene Material aus Metall-Keramik- Verbundwerkstoffen, die Körner enthalten, die die Strukturen bilden. Vorteilhaft sind die Körner Carbid-Körner.
In einer Ausführungsform kann die Kontrolleinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu vorgesehen sein, 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 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.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laserauftragschweißen gemäß Patentanspruch 26.
Hierbei kann die Kontrolleinheit als Prozessparameter ein oder mehrerer 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 für den oder die Laserauftragschweißköpfe und die Materialglättungseinheit für eine geeignete Prozessführung variieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit einen effektiven Laserauftragsschweißprozess durch Integration der Materialglättungseinheit in die Vorrichtung, die zudem einen einfachen, zuverlässigen und weniger verschleißintensiven Nachbearbeitungsaufwand für die Oberfläche des Bauteils ermöglicht.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Einstellens von Laserfokus und Laserenergie des glättenden Laserstrahls so, dass die Strukturen im Laserstrahl verdampfen und gleichzeitig eine Temperatur der Oberfläche außerhalb der Strukturen unterhalb einer Verdampfungstemperatur des aufgetragenen Materials bleibt.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Nachfahrens der aufgetragenen Auftragsschweißspur während des Laserauftragschweißen durch die geeignet angeordnete Materialglättungseinheit.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, 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 und der Materialglättungseinheit hindurch, sodass dessen Laserschweißpunkt bzw. der glättende Laserstrahl auf der kreisförmigen Oberfläche bei ruhendem Laserauftragschweißkopf kreisförmig die Oberfläche überlaufen würden; und
- Bewegen des Laserauftragschweißkopfes und der Materialglättungseinheit in Richtung der Rotationsachse, sodass das Material in einer spiralförmigen Auftragschweißspur flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche aufgetragen und nachfolgend geglättet wird.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, 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 und der Materialglättungseinheit hindurch, sodass dessen Laserschweißpunkt bzw. der glättende Laserstrahl 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 und nachfolgend geglättet wird.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens bewegt sich die Materialglättungseinheit 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.
In einer weiteren Ausführungsform das Verfahren wird einer der Laserauftragschweißköpfe als Materialglättungseinheit verwendet. Hier kann je nach Bauteil und gewünschtem Austragschweißprozess der jeweilig geeignete Laserauftragschweißkopf als Materialglättungseinheit verwendet werden.
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 Materialglättungseinheit im seitlichen Schnitt;
2: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Ausführungsformen der Materialglättungseinheit mit dem Fokus (a) auf der Oberfläche und (b) oberhalb der Oberfläche der aufgetragenen Schicht;
3: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Materialglättungseinheit ausgestaltet zur Aussendung einer Vielzahl an glättenden Laserstrahlen im seitlichen Schnitt;
4: eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Sensoreinheit zur Messung der Oberflächenrauhigkeit nach dem Glätten durch die Materialglättungseinheit;
5: 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;
6: 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
7: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Materialglättungseinheit 7 im seitlichen Schnitt umfassend eine Laserauftragschweißeinheit 2 mit einem darauf angeordneten Laserauftragschweißkopf 3 zum Auftragen von Material M in Form einer Auftragschweißspur MS auf eine Oberfläche 41 eines Bauteils 4, eine oder mehrere Materialquellen 5 zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfs 3 mit dem aufzutragenden Material M und eine oder mehrere Laserstrahlquelle 6 zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfes 3 mit Laserlicht L zur Durchführung des Laserauftragschweißens. Die Materialglättungseinheit ist dabei dazu vorgesehen, mittels eines auf die Oberfläche 41 gerichteten Laserstrahls LG aus der Oberfläche 41 herausragende Strukturen 41s des aufgetragenen Material M zu glätten. Hierbei kann der glättende Laserstrahl LG einen Laserfokus und eine Laserenergie besitzen, die so eingestellt sind, dass die Strukturen 41s im Laserstrahl LG verdampfen VD und gleichzeitig eine Temperatur der Oberfläche 41 außerhalb der Strukturen 41s unterhalb einer Verdampfungstemperatur des aufgetragenen Materials M bleibt. Diese thermische Glättung erfolgt beispielweise über Aufschmelzen und nachfolgendes Zerfließen zu einer glatteren Oberfläche oder Verdampfen VD der Strukturen 41s. Als Struktur 41s wird die Textur der Oberfläche bezeichnet, die von einer idealen ebenen Oberfläche abweicht. Die Textur kann dabei in Form einer Oberflächenrauhigkeit zahlenmäßig bestimmt werden. Hierbei bewirkt die Materialglättungseinheit 7 eine Glättung der Oberfläche 41, indem der Glättungsprozess zumindest manche der Strukturen 41s so umwandelt, dass diese durch den Glättungsprozess verschwinden oder zumindest in Richtung einer idealeren Oberfläche hin verkleinert werden. In Falle von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe mit einem Carbid-Anteil als das aufgetragene Material M können durch den Laserauftragschweißprozess Carbid-Körner entstehen, die als dünne Gebilde weit aus der Oberfläche 41 des aufgetragenen Materials M herausragen und somit die Strukturen 41s bilden, die zur Glättung der Oberfläche 41 durch die Materialglättungseinheit 7 nachbearbeitet werden müssen. Hierbei ist die Materialglättungseinheit 7 so angeordnet, dass der Laserstrahl LG zum Glätten der Oberfläche 41 der aufgetragenen Auftragsschweißspur MS während des Laserauftragschweißen nachfährt. Dazu ist die Materialglättungseinheit 7 auf der Laserauftragsschweißeinheit 2 in Vorschubrichtung VR des Laserauftragschweißkopf 3 gesehen hinter dem Laseraustragschweißkopf 3 angeordnet. Hierbei kann die Materialglättungseinheit 7 verfahrbar oder verschwenkbar aufgehängt sein, um die aufgetragenen Auftragschweißspuren MS während des laufenden Laserauftragschweißens zu glätten. Ebenso 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, die auch die Materialglättungseinheit 7 bewegen kann.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit zwei Ausführungsformen der Materialglättungseinheit 7 mit dem Fokus F (a) auf der Oberfläche 41 und (b) oberhalb der Oberfläche 41 der aufgetragenen Schicht MS aus Material M. In 2a ist der Laserstrahl LG auf die Oberfläche 41 des Materials M fokussiert. In 2b ist der Laserstrahl LG auf einen Ort oberhalb der Oberfläche 41 fokussiert, vorzugsweise liegt der Ort oberhalb eines Drittels einer mittleren Höhe der Strukturen 41s. Der Laserstrahl LG fährt mit seinem Fokus F über die Strukturen 41s entlang der Vorschubrichtung VG hinweg. Die hier als spitze Nadeln gezeigten Strukturen 41s können beispielsweise bei aufgetragenen MetallKeramik-Verbundwerkstoffe mit Grafitkörnern als Grafit-Nadeln entstehen. Deren Höhe kann bis zu der Hälfte der aufgetragenen Schichtdicke SD betragen kann, während der Durchmesser der Nadel deutlich kleiner als deren Höhe ist. Aus Gründen der Verdeutlichung sind die Strukturen 41s hier überhöht dargestellt. So kann die durch den Laserstrahl injizierte Energie nicht schnell genug über die Struktur 41s, hier beispielsweise ein Grafitkorn, in die Schicht abfließen, sodass es zu einer starken Erwärmung der Strukturen 41s kommt, dass diese verdampfen, ohne dabei die aufgetragene Schicht MS zu stark zu erwärmen. Ein entsprechend über die Oberfläche 41 geführter Laserstrahl LG verdampft damit die stark herausstehenden Strukturen 41s und glättet die Oberfläche 41 damit deutlich. Der Laserstrahl LG glättet hierbei die Oberfläche 41 in einem kontinuierlichen Prozess, bei dem die Strukturen 41s nicht gesondert erfasst werden, sondern je nach lange in einem statistischen Prozess durch den Laserstrahl LG indurchtreten und damit geglättet oder verdampft werden. Hierbei kann der Fokus des Laserstrahls LG eine Breite zumindest gleich einer mittleren Materialbreite MB der Auftragsschweißspur MS besitzen.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit der Materialglättungseinheit 7 ausgestaltet zur Aussendung einer Vielzahl 72 an glättenden Laserstrahlen LG im seitlichen Schnitt, sodass zumindest einige nebeneinander aufgetragene Auftragschweißspuren MS simultan geglättet werden können. Die benachbarten Auftragschweißspuren MS überlappen hier miteinander, sodass alle Auftragschweißspuren MS eine gemeinsame Schicht MS aus dem Material M bilden.
4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Sensoreinheit 8 zur Messung der Oberflächenrauhigkeit nach dem Glätten durch die Materialglättungseinheit 7. Diese Messung kann beispielsweise berührungslos mittels optischer oder akustischer Verfahren vorgenommen werden. Die gemessene Oberflächenrauhigkeit der nachbehandelten Schicht MS kann die Kontrolleinheit 9 verwenden, um automatisch in Reaktion auf die Ergebnisse der Sensoreinheit 8 Einstellungen in der Materialglättungseinheit 7 vornehmen, um die Laserstrahleigenschaften zur Verbesserung der Glättung der Oberfläche 41 einzustellen. Dazu sind hier die betreffenden Einheiten über entsprechende Datenleitungen (gestrichelt dargestellt) verbunden. Beispielsweise sind in der Kontrolleinheit 9 Sollwerte für die Oberflächenrauhigkeit hinterlegt, zu deren Erreichung die Laserenergie des glättenden Laserstrahls LG schrittweise erhöht wird, der Laserfokus F vergrößert oder verkleinert wird oder die Position des Laserfokus F variiert wird.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Bremsscheibe 42 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 und einer Materialglättungseinheit 7, die eine Vielzahl 72 an Laserstahlen LG zur simultanen Glättung der Auftragschweißspuren MS bereitstellt. Die vier Laserschweißköpfen 3 (hier als Laserschweißpunkte 31 angedeutet) tragen (quasi-) simultan Material M auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 auf, 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 die 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 erstreckt sich die Materialglättungseinheit 7 mit einer Vielzahl 72 an glättenden Laserstrahlen 72 über den gesamten Radius der Oberfläche 41 und bewegt sich gegebenenfalls analog zu den Laserschweißpunkten 31 nachfolgend über die Oberfläche 41, sofern die Vielzahl der glättenden Laserstrahlen LG nicht bereits den gesamten Radius der Bremsscheibe 42 abdecken. Der erste Versatz R1 benachbarter Laserschweißpunkte 31 kann dabei zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite MB der Auftragschweißspur MS betragen. Alternativ kann auch zumindest einer der mehreren Laserauftragschweißköpfe 3 dazu ausgestaltet sein, als Materialglättungseinheit 7 betrieben zu werden.
6 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 und einer Materialglättungseinheit 7, die eine Vielzahl 72 an Laserstahlen LG zur simultanen Glättung der Auftragschweißspuren MS bereitstellt. Die drei Laserschweißköpfen 3 (hier als Laserschweißpunkte 31 angedeutet) tragen (quasi-) simultan Material M auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 auf, 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 die 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 erstreckt sich die Materialglättungseinheit 7 mit einer Vielzahl 72 an glättenden Laserstrahlen 72 über den gesamten Radius der Oberfläche 41 und bewegt sich gegebenenfalls analog zu den Laserschweißpunkten 31 nachfolgend über die Oberfläche 41, sofern die Vielzahl der glättenden Laserstrahlen LG nicht bereits den gesamten Radius der Bremsscheibe 42 abdecken. Der erste Versatz R1 benachbarter Laserschweißpunkte 31 kann dabei zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite MB der Auftragschweißspur MS betragen. Der zweite Versatz R2 ist 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. Alternativ kann auch zumindest einer der mehreren Laserauftragschweißköpfe 3 dazu ausgestaltet sein, als Materialglättungseinheit 7 betrieben zu werden.
7 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laserauftragschweißen (siehe beispielsweise 1) umfassend die Schritte eines flächenmäßigen Auftragens 110 von Material M auf eine Oberfläche 41 eines Bauteils 4 in Form von mehreren nebeneinander zumindest teilweise überdeckend aufgetragenen Auftragschweißspuren MS und des Glättens 120 von aus der Oberfläche 41 des aufgetragenen Materials M herausragenden Strukturen 41s mittels einer Materialglättungseinheit 7 unter Verwendung eines mit der Materialglättungseinheit 7 auf die Oberfläche 41 gerichteten Laserstrahls LG. Dem kann der weitere Schritt des Einstellens 130 von Laserfokus und Laserenergie des glättenden Laserstrahls LG vorausgehen, sodass die Strukturen 41s im eingestellten Laserstrahl LG verdampfen VD und gleichzeitig eine Temperatur der Oberfläche 41 außerhalb der Strukturen 41s unterhalb einer Verdampfungstemperatur des aufgetragenen Materials M bleibt. Beim Glätten 120 kann ein Nachfahren 140 der aufgetragenen Auftragsschweißspur MS während des Laserauftragschweißen durch die geeignet angeordnete Materialglättungseinheit 7 erfolgen. Das Verfahren kann mehrere Laserschweißköpfe in der Vorrichtung 1 zum Auftragen 110 des Materials verwenden. Hierbei kann eine der Laserauftragschweißköpfe 3 als Materialglättungseinheit 7 verwendet werden. In einer Ausführungsform, wo das Bauteil 4, hier eine Bremsscheibe 42, eine kreisförmige Oberfläche 41 mit einer Rotationsachse D senkrecht zur Oberfläche 41 umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfasst der Schritt des Auftragens 110 die weiteren Schritte des Rotierens 112 der kreisförmigen Oberfläche 41 um die Rotationsachse RB unter dem Laserauftragschweißkopf 3 und der Materialglättungseinheit 7 hindurch, sodass dessen Laserschweißpunkt 31 bzw. der glättende Laserstrahl LG auf der kreisförmigen Oberfläche 41 bei ruhendem Laserauftragschweißkopf 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden; und des Bewegens 114 des Laserauftragschweißkopfes 3 und der Materialglättungseinheit 7 in Richtung der Rotationsachse D, sodass das Material M in einer spiralförmigen Auftragschweißspur MS flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche 41 aufgetragen und nachfolgend geglättet wird. In einer anderen Ausführungsform, wo das Bauteil 4, hier eine Welle 43, eine rotationssymmetrische Oberfläche 41 mit einer Rotationsachse RB parallel zur Oberfläche 41 umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfasst der Schritt des Auftragens 110 die weiteren Schritte des Rotierens 116 der rotationssymmetrischen Oberfläche 41, hier die Zylinderfläche der Welle 43, um die Rotationsachse D unter dem Laserauftragschweißkopf 3 und der Materialglättungseinheit 7 hindurch, sodass dessen Laserschweißpunkt 31 bzw. der glättende Laserstrahl LG 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 und nachfolgend geglättet wird. Bei einer Vorrichtung mit mehreren Laserauftragschweißköpfen gilt der Schritt des Bewegens 114, 118 für jeden der Laserschweißköpfe. In beiden Ausführungsformenkann sich die Materialglättungseinheit 7 analog zu den Laserschweißpunkten 31 über die Oberfläche 41 des Bauteils 4 bewegen.
Bezugszeichenliste

1: erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserauftragschweißen
2: Laserauftragschweißeinheit
3: Laserauftragschweißkopf
31: Laserschweißpunkt
4: Bauteil
41: Oberfläche des Bauteils
41s: aus der Oberfläche herausragende Strukturen
41g: geglätteter Bereich der Oberfläche
42: Bremsscheibe
42a: Schraubenlöcher
43: Welle
5: Materialquelle
6: Laserstrahlquelle
7: Materialglättungseinheit
72: Vielzahl an linear oder flächig angeordneten Laserstrahlen
8: Sensoreinheit
9: Kontrolleinheit
10: geglättetes Bauteil
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: Glätten der Oberfläche mittels der Materialglättungseinheit
130: Einstellens von Laserfokus und Laserenergie des glättenden Laserstrahls
140: Nachfahrens der aufgetragenen Auftragsschweißspur während des Laserauftragschweißen durch die Materialglättungseinheit
150: Verwendens von mehreren Laserschweißköpfen in der Vorrichtung
D: Rotationsachse des Bauteils beim Laserauftragschweißen
F: Fokus des glättenden Laserstrahls
M: aufzutragendes Material
MB: Materialbreite der Auftragschweißspur
MS: Auftragschweißspur des aufgebrachten Materials auf der Oberfläche des Bauteils bzw. Schicht aus aufgebrachtem Material
L: Laserlicht
LG: Laserstrahl zur Glättung der Oberfläche
R1: erster Versatz benachbarter Laserschweißpunkte zueinander senkrecht zur Vorschubrichtung
R2: zweiter Versatz benachbarter Laserschweißpunkte zueinander in Vorschubrichtung
RB: Rotationsrichtung des Bauteils
SD: Schichtdicke
VD: Verdampfen der Strukturen
VR: Vorschubrichtung

Claims

Eine Vorrichtung (1) zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit (2) mit einem darauf angeordneten Laserauftragschweißkopf (3) zum Auftragen von Material (M) in Form einer Auftragschweißspur (MS) 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 Materialglättungseinheit (7) umfasst, die dazu vorgesehen ist, mittels eines auf die Oberfläche (41) gerichteten Laserstrahls (LG) aus der Oberfläche (41) herausragende Strukturen (41s) des aufgetragenen Materials (M) zu glätten, wobei der glättende Laserstrahl (LG) einen Laserfokus und eine Laserenergie besitzt, die so eingestellt sind, dass die Strukturen (41s) im Laserstrahl (LG) verdampfen und gleichzeitig eine Temperatur der Oberfläche (41) außerhalb der Strukturen (41s) unterhalb einer Verdampfungstemperatur des aufgetragenen Materials (M) bleibt.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (LG) auf die Oberfläche (41) des Materials (M) oder auf einen Ort oberhalb der Oberfläche (41) fokussiert ist
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort oberhalb eines Drittels einer mittleren Höhe der Strukturen (41s) liegt.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus des Laserstrahls (LG) eine Breite zumindest gleich einer mittleren Materialbreite (MB) der Auftragsschweißspur (MS) besitzt.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialglättungseinheit (7) so angeordnet ist, dass der Laserstrahl (LG) zum Glätten der Oberfläche (41) der aufgetragenen Auftragsschweißspur (MS) während des Laserauftragschweißens nachfährt.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialglättungseinheit (7) verfahrbar oder verschwenkbar aufgehängt ist, um die aufgetragenen Auftragschweißspuren (MS) während des laufenden Laserauftragschweißens zu glätten.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialglättungseinheit (7) dazu ausgestaltet ist, eine Vielzahl an linear oder flächig zueinander angeordneten Laserstrahlen (72) bereitzustellen, dass zumindest einige nebeneinander aufgetragene Auftragschweißspuren (MS) simultan geglättet werden können.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialglättungseinheit (7) auf der Laserauftragsschweißeinheit (2) in Vorschubrichtung (VR) des Laserauftragschweißkopfs (3) gesehen hinter dem Laseraustragschweißkopf (3) angeordnet ist.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mehrere Laserauftragschweißköpfe zum (quasi-) simultanen Auftragen von Material (M) auf eine Oberfläche (41) eines Bauteils (4) umfasst, die alle in der Vorrichtung (1) mit dem aufzutragenden Material (M) und mit Laserstrahlung (L) zur Durchführung des Laserauftragschweißens versorgt werden.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, 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 10, 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% der Materialbreite (MB) der Auftragschweißspur (MS) beträgt.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Versatz (R1) zwischen 40% und 60% der Materialbreite (MB) der Autragsschweißspur (MS) beträgt.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz 50% der Materialbreite (MB) der Auftragschweißspur (MS) beträgt.
Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, 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 14, 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 das Auftragen von Material nutzbare/zuträgliche Restwärme besitzt.
Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der mehreren Laserauftragschweißköpfe (3) dazu ausgestaltet ist, dass dieser Laserauftragschweißkopf (3) als Materialglättungseinheit (7) betrieben werden kann.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Sensoreinheit (8) umfasst, die eine Oberflächenrauhigkeit der Oberfläche (41) des aufgetragenen Materials (M) nach erfolgter Glättung misst.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (8) die Oberflächenrauhigkeit mittels optischer oder akustischer Verfahren misst.
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.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserauftragschweißeinheit (2) mittels einer Bewegungseinheit bewegbar in der Vorrichtung (1) angeordnet ist.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Laserauftragschweißköpfe (3) zur Ausführung einer Bewegung bewegbar angeordnet ist/sind.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Laserauftragschweißköpfe (3) mittels einer Laserauftragschweißkopf-Bewegungseinheit bewegbar angeordnet ist/sind.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung bei mehreren Laserauftragschweißköpfen (3) auch relativ zueinander erfolgen kann.
Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgetragene Material (M) aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen besteht, die Körner enthalten, die die Strukturen (41s) bilden.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Körner Carbid-Körner sind.
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 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, 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); und - Glätten (120) von aus der Oberfläche (41) des aufgetragenen Materials (M) herausragenden Strukturen (41s) mittels einer Materialglättungseinheit (7) unter Verwendung eines mit der Materialglättungseinheit (7) auf die Oberfläche (41) gerichteten Laserstrahls (LG), wobei der glättende Laserstrahl (LG) einen Laserfokus und eine Laserenergie besitzt, die so eingestellt sind, dass die Strukturen (41s) im Laserstrahl (LG) verdampfen und gleichzeitig eine Temperatur der Oberfläche (41) außerhalb der Strukturen (41s) unterhalb einer Verdampfungstemperatur des aufgetragenen Materials (M) bleibt.
Das Verfahren nach Anspruch 26, umfassend den weiteren Schritt des Einstellens (130) von Laserfokus und Laserenergie des glättenden Laserstrahls (LG) so, dass die Strukturen (41 s) im Laserstrahl (LG) verdampfen (VD) und gleichzeitig eine Temperatur der Oberfläche (41) außerhalb der Strukturen (41s) unterhalb einer Verdampfungstemperatur des aufgetragenen Materials (M) bleibt.
Das Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, umfassend den weiteren Schritt des Nachfahrens (140) der aufgetragenen Auftragsschweißspur (MS) während des Laserauftragschweißens durch die geeignet angeordnete Materialglättungseinheit (7).
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 26 bis 28, 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) und der Materialglättungseinheit (7) hindurch, sodass dessen Laserschweißpunkt (31) bzw. der glättende Laserstrahl (LG) auf der kreisförmigen Oberfläche (41) bei ruhendem Laserauftragschweißkopf (3) kreisförmig die Oberfläche (41) überlaufen würden; und - Bewegen (114) des Laserauftragschweißkopfes (3) und der Materialglättungseinheit (7) in Richtung der Rotationsachse (D), sodass das Material (M) in einer spiralförmigen Auftragschweißspur (MS) flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche (41) aufgetragen und nachfolgend geglättet wird.
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 26 bis 28, 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) und der Materialglättungseinheit (7) hindurch, sodass dessen Laserschweißpunkt (31) bzw. der glättende Laserstrahl (LG) 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 und nachfolgend geglättet wird.
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 29 oder 30, wobei sich die Materialglättungseinheit (7) analog zu den Laserschweißpunkten (31) über die Oberfläche (41) des Bauteils (4) bewegt.
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 29 bis 31, umfassend den weiteren Schritt des Verwendens (150) von mehreren Laserschweißköpfen in der Vorrichtung (1) zum Auftragen (110) des Materials, wobei der Schritt des Bewegens (114, 118) für jeden der Laserschweißköpfe gilt.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 32, wobei einer der Laserauftragschweißköpfe (3) als Materialglättungseinheit (7) verwendet wird.