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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Laserauftragschweißens.
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Stand der Technik
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Verfahren zum Laserauftragsschweißen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Sie finden vor allem in Bereichen der Reparatur-, Beschichtungs- und Verbindungstechniken Anwendung. Beim Laserauftragschweißen können das konventionelle Laserauftragschweißen (auch Laser Metal Deposition- bzw. LMD-Verfahren, Direct Metal Deposition (DMD) oder Direct Energy Deposition (DED)) und das sogenannte High-Speed Laserauftragschweißen (auch HS-LMD oder extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA)) unterschieden werden.
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Beim konventionellen Laserauftragschweißen wird, wie schematisch in 1a dargestellt, mittels eines Laserstrahls 30 ein Schmelzbad 16 an der Oberfläche 12 eines Werkstücks 10 erzeugt. Ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff 20 wird durch eine koaxial oder lateral zum Laserstrahl 30 angeordnete Pulverdüse mit Hilfe eines inerten Förder- bzw. Trägergases in das Schmelzbad 16 eingebracht. Vor dem Auftreffen auf das Schmelzbad 16 werden die Pulverpartikel 20, oder zumindest ein Teil der Pulverpartikel 20 in einer Wechselwirkungszone 40 mit dem Laserstrahl 30 mit Laserlicht beaufschlagt. Beim LMD-Verfahren ist der Energieeintrag mittels des Laserstrahls 30 in das Werkstück 10 in der Regel größer als der Energieeintrag in die Pulverpartikel 20. Die Pulverpartikel 20 werden daher in der Regel erst nach Auftreffen im Schmelzbad 16 aufgeschmolzen. Ist die Schmelze erstarrt, bildet sich eine dichte, schmelzmetallurgisch angebundene Schicht. Mit einer koaxialen Pulverdüsenanordnung wird ein fokussierter Pulvergasstrahl erzeugt. Um eine defektfreie Schicht zu erzeugen, muss im Schmelzbad 16 grundsätzlich die Wechselwirkungszeit mit den Pulverpartikeln 20 so groß sein, dass ein Temperaturausgleich zwischen den Partikeln 20 und der Schmelze 16 stattfinden kann und die Partikel 20 in den flüssigen Zustand übergehen können. Dadurch wird die Geschwindigkeit des LMD-Prozesses eingeschränkt. Aufgrund der großen Menge an Laserstrahlung, die auf das Werkstück trifft, entsteht eine große Misch- und Wärmeeinflusszone 14 (WEZ).
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Anders als beim konventionellen LMD-Prozess wird beim HS-LMD (vgl. 1b) der pulverförmige Zusatzwerkstoff 20 gezielt oberhalb der Werkstückoberfläche 12 auf Temperaturen um den Schmelzpunkt oder höher erhitzt. Durch eine hinreichend große Wechselwirkungszone 40 zwischen Laserstrahl 30 und Pulver-Gas-Strahl wird das Pulver 20 so stark erwärmt, dass es auf der ebenfalls durch den Laserstrahl 10 vorgewärmten Werkstückoberfläche 12 im Wesentlichen unmittelbar eine feste, insbesondere schmelzmetallurgische Verbindung mit dem Werkstück 10 bildet. Somit können deutlich höhere Vorschubgeschwindigkeiten, bis zu 500 m/min, als beim konventionellen Laserauftragschweißen (0,5 m/min bis 2 m/min) realisiert werden, da die Zeit zum Aufschmelzen der Partikel 20 im Schmelzbad 16 entfällt. Durch die Reduzierung des Energieeintrags in das Werkstück 10 reduziert sich die Wärmeeinflusszone 14 und der Aufmischungsbereich 16 erheblich. Dadurch können auch temperaturempfindliche Materialien wie Aluminium und Gusslegierungen mittels HS-LMD beschichtet werden.
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Anwendung findet das HS-LMD bei der Beschichtung von, insbesondere rotationssymmetrischen, Bauteilen, z.B. von Bremsscheiben. Für den Materialauftrag mittels HS-LMD wird das Bauteil rotiert und der Bearbeitungskopf für die Zufuhr des Laserstrahls und des Pulvers insbesondere geradlinig senkrecht oder parallel zu der Rotationsachse des Bauteils bewegt. Auf diese Weise kann eine spiral- oder helixförmige Raupe erzeugt werden, die am Ende eine Beschichtungsfläche bildet.
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Die bekannten Verfahren zum Laserauftragschweißen und insbesondere herkömmliche HS-LMD-Verfahren haben den Nachteil, dass bereits kleine Änderungen von Prozessparametern zu erheblichen Schwankungen des Schweißergebnisses führen können. Beispielsweise kann eine Veränderung der Laserleistung bzw. der Strahlungsintensität auf dem Werkstück, die z.B. durch eine Optikverschmutzung oder einen Fokusshift hervorgerufen werden kann, sensible Qualitätseinbußen des Schweißergebnisses nach sich ziehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Prozess des Laserauftragschweißens zu verbessern. Insbesondere soll die Prozessstabilität bzw. die Prozesssicherheit durch eine Verbreiterung des Prozessfensters beim LMD-Prozess und insbesondere beim HS-LMD-Prozess erhöht werden. Ferner soll die Oberflächenrauigkeit beim Laserauftragschweißen verbessert und/oder die Rissneigung reduziert werden.
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Die Erfindung
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Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Verfahren zum Laserauftragschweißen bereitgestellt, bei dem pulverförmiges Material und ein Laserstrahl unter einem Winkel zueinander auf eine Werkstückoberfläche eines Werkstücks gerichtet werden, sodass das pulverförmige Material in einer Wechselwirkungszone mit dem Laserstrahl oberhalb der Werkstückoberfläche wenigstens teilweise erhitzt und entlang einer vorgegebenen Kontur auf die Werkstückoberfläche geschweißt wird.
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Das Werkstück kann vorzugsweise ein metallisches Werkstück sein. Das pulverförmige Material kann insbesondere ein metallisches Material sein. Das Pulver wird mittels eines Fördergases, insbesondere Argon oder Helium, oder mittels eines inerten Gasgemisches auf die Werkstückoberfläche gestrahlt. Der Fokus des Laserstrahls kann dabei vorzugsweise auf der Werkstückoberfläche oder oberhalb der Werkstückoberfläche liegen. Das Pulver kann vorzugsweise mittels einer ringförmigen Düse (Ringspaltdüse) oder mittels mehrerer ringförmig um den Laserstrahl angeordneten Düsen (Multi-Jet-Düse) in Richtung der Werkstückoberfläche fokussiert werden. Alternativ können beispielsweise Breitstrahldüsen zur Erzeugung eines Linienpulverfokus verwendet werden. Hierbei kann das Pulver beispielsweise schräg von vorne und/oder schräg von hinten (bezogen auf die Vorschubrichtung) auf den Bearbeitungsort gestrahlt werden. Der Fokus des Pulverstrahls kann prinzipiell sowohl auf der Werkstückoberfläche als auch darüber oder darunter liegen. Insbesondere, wenn im HS-LMD-Regime Material aufgetragen werden soll kann der Fokus des Pulverstrahls vorzugsweise oberhalb der Werkstückoberfläche liegen. Der Pulverfokus kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und ca. 6 mm aufweisen. Zusätzlich zum Fördergas kann ein inertes Gas in einem Prozessschutzgasstrahl koaxial oder lateral zum Laserstrahl auf den Bearbeitungsort gerichtet werden. Das Prozessschutzgas kann den Bearbeitungsort zusätzlich von der umgebenden Atmosphäre abschirmen. Das Werkstück kann, insbesondere bei einer Beschichtung mittels HS-LMD-Verfahren, beispielsweise eine Bremsscheibe, ein Hydraulikzylinder, eine Druckwalze oder ein anderes rotationssymmetrisches Werkstück sein.
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Der Laserstrahl weist eine Wellenlänge im Bereich zwischen 0,4 µm und 1,1 µm auf. Vorzugsweise kann der Laserstrahl so beschaffen sein, dass er mittels einer Lichtleitfaser zum Bearbeitungskopf leitbar ist. Beispielsweise kann der Laserstrahl eine Wellenlänge von etwa 450 nm, von etwa 515 nm, zwischen etwa 800 nm und etwa 1000 nm, oder von etwa 1030 nm, 1060 nm oder 1070 nm aufweisen.
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Der Laserstrahl weist ferner innerhalb der Wechselwirkungszone in seinem Randbereich eine Intensität auf, die höher ist als eine Intensität im Kernbereich des Laserstrahls, sodass das pulverförmige Material beim Eintritt in die Wechselwirkungszone mit der höheren Intensität des Randbereichs beaufschlagt wird. Das beschriebene Strahlprofil des Laserstrahls muss nicht über die gesamte Länge der Wechselwirkungszone vorliegen. Es muss jedoch zumindest an einer Stelle in der Wechselwirkungszone vorliegen. Beispielsweise kann das Strahlprofil des Laserstrahls im Bereich der Fokusebene des Laserstrahls vorliegen, wenn der Laserstrahlfokus innerhalb der Wechselwirkungszone liegt.
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Die Erfinder haben erkannt, dass eine ungleichmäßige Wechselwirkungszeit der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffs mit dem Laserstrahl, also eine inhomogene Verteilung der Fluenz pro Pulverpartikel, einen negativen Einfluss auf die Prozesssicherheit hat. Durch die prozessbedingt schräge Ausrichtung des Laserstrahls und des Pulverstrahls (bzw. der Pulverstrahlen) zueinander, variiert die Wechselwirkungsstrecke mit dem Laserstrahl über den Querschnitt des Pulverstrahls. Deshalb ist nicht nur die Höhe der Laserintensität beim LMD-Verfahren und insbesondere beim HS-LMD-Verfahren von Bedeutung, sondern auch die räumliche Laserintensitätsverteilung im Laserstrahl. Gemäß dem Stand der Technik werden Strahlprofile mit Gauß-förmiger (Gauß-Profil) oder Plateau-förmiger (sog. Top-Hat-Profil) Intensitätsverteilung verwendet. Vor allem bei einer Gauß-förmigen Intensitätsverteilung ergibt sich ein großes Temperaturgefälle der Pulverpartikel.
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Ein Intensitätsmaximum im Randbereich des Laserstrahls führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Fluenz pro Pulverpartikel und dadurch zu einer Vergrößerung des Prozessfensters hin zu höheren Laserleistungen bei gleichzeitig stabiler Schweißqualität.
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Gemäß einer Variante kann der Laserstrahl innerhalb der Wechselwirkungszone ein Strahlprofil mit einem im Wesentlichen ringförmigen Intensitätsmaximum aufweisen. Die Formulierung „im Wesentlichen ringförmiges Intensitätsmaximum“ ist so zu verstehen, dass das Strahlprofil des Laserstrahls einen den zentralen Kernbereich des Laserstrahls umschließenden Randbereich aufweist, in dem der Laserstrahl, vorzugsweise an jeder Stelle, eine höhere Intensität aufweist als in dem Kernbereich. Vorzugsweise kann der Laserstrahl innerhalb der Wechselwirkungszone einen kreisrunden Kernbereich aufweisen und einen den Kernbereich umschließenden kreisringförmigen Randbereich, in dem die Intensität des Laserstrahls höher ist als im Kernbereich. Der Randbereich kann auch mehrere Ringbereiche aufweisen, wobei die Intensität des Laserstrahls innerhalb der Wechselwirkungszone wenigstens in einem der Ringbereiche höher ist als in dem Kernbereich. Das Intensitätsprofil kann an den Übergängen zwischen den Bereichen sowohl stufig als auch fließend ausgeprägt sein. Die Intensität des Laserstrahls entlang des ringförmigen Intensitätsmaximums kann vorzugsweise etwa gleich hoch sein. Alternativ kann die Intensität des Laserstrahls entlang des ringförmigen Intensitätsmaximums unterschiedlich veränderlich sein und beispielsweise um bis zu etwa 30 % schwanken. Bei einem Laserstrahl mit ringförmigem Intensitätsmaximum kann es vorgesehen sein, dass der pulverförmige Zusatzwerkstoff der Bearbeitungsstelle koaxial zum Laserstrahl zugeführt wird, beispielsweise mittels einer Ringstrahldüse oder einer Multi-Jet-Düse.
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Gemäß einer alternativen Variante kann der Laserstrahl innerhalb der Wechselwirkungszone ein im Wesentlichen quer zur Vorschubrichtung des Laserstrahls ausgerichtetes, linienförmiges Strahlprofil mit einem in Vorschubrichtung vorlaufenden Intensitätsmaximum und/oder mit einem in Vorschubrichtung nachlaufenden Intensitätsmaximum aufweisen. Mit der Vorschubrichtung ist die Richtung gemeint, in der sich der Laserstrahl relativ zur Werkstückoberfläche bewegt. Beim High-Speed Laserauftragschweißen (HS-LMD) kann einer vergleichsweise schnellen, insbesondere rotatorischen Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks eine vergleichsweise langsame, laterale Vorschubgeschwindigkeit des den Laserstrahl führenden Bearbeitungskopfes überlagert sein. In diesem Fall kann der Laserstrahl mit linienförmigem Strahlprofil auch senkrecht zur Rotationsbewegung des Werkstücks ausgerichtet sein also - abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes - nicht ganz senkrecht zur resultierenden Vorschubrichtung. Bei einem Laserstrahl mit linienförmigem Strahlprofil erstrecken sich das vorlaufende Intensitätsmaximum und das nachlaufende Intensitätsmaximum jeweils linienförmig im Wesentlichen quer zur Vorschubrichtung und sind durch den ebenfalls linienförmig ausgebildeten Bereich geringerer Intensität (Kernbereich des Laserstrahls) voneinander beabstandet. Gemäß dieser Variante kann es ferner vorgesehen sein, dass der pulverförmige Zusatzwerkstoff mittels einer oder mehrerer Breitstrahldüsen, die im Wesentlichen parallel zum linienförmigen Laserfokus ausgerichtet sind, schräg von vorne und/oder von hinten auf den Bearbeitungsort gerichtet wird.
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Es versteht sich, dass der Laserstrahl auch aus mehreren separaten Laserstrahlen zusammengesetzt sein kann, die sich in der Fokusebene zumindest teilweise überlagern.
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Gemäß einer bevorzugten Variante kann eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls und des Pulverstrahls bzw. der Pulverstrahlen relativ zur Werkstückoberfläche mehr als 20 m/min betragen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Fokus des Pulverstrahls bzw. der Pulverstrahlen oberhalb der Werkstückoberfläche in der Wechselwirkungszone mit dem Laserstrahl liegt. Zur Realisierung von Vorschubgeschwindigkeiten jenseits von 20 m/min kann insbesondere eine gleichzeitige Bewegung des Werkstücks und des Laserbearbeitungkopfes vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Bauteil ein rotationssymmetrisches Bauteil sein, welches rotiert wird, wobei der Bearbeitungskopf in eine zur Rotationsachse des Werkstücks senkrechten oder parallelen geradlinigen Bewegung geführt wird, um einen spiral-förmigen oder helix-förmigen Materialauftrag auf der Werkstückoberfläche zu erzeugen.
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Gemäß einer Variante kann eine Intensitätsverteilung im Randbereich des Laserstrahls im Wesentlichen plateau-förmig ausgebildet sein. Die Plateau-Form kann auch als Top-Hat bezeichnet werden. Die plateau- bzw. Top-Hat-förmige Intensitätsverteilung beschreibt einen sprunghaften Anstieg der Intensität am Rand des Laserstrahls auf das Intensitätsmaximum, welches im Wesentlichen über die gesamte Breite des Randbereichs aufrechterhalten wird, bevor die Intensität in Richtung des Kernbereichs des Laserstrahls wieder sprunghaft abfällt. Die plateau- oder Top-Hat-förmige Intensitätsverteilung im Randbereich des Laserstrahls begünstigt eine Verringerung der Rauigkeit der aufgetragenen Materialschicht gegenüber einer Gauß-förmigen Intensitätsverteilung.
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Insgesamt kann für die Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Fokusebene gelten: IRand ≥ IZentrum ≥ 0.
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An zumindest einer Stelle innerhalb der Wechselwirkungszone kann die Intensität im Kernbereich des Laserstrahls höchstens 90 %, bevorzugt höchstens 50 %, noch bevorzugter höchstens 10 %, des Intensitätsmaximums im Randbereich des Laserstrahls betragen. Durch die Intensitätsverteilung mit abgesenkter Intensität im Kernbereich des Laserstrahls kann das Prozessfenster hinsichtlich der Variabilität der eingesetzten Laserleitung vergrößert werden. Insbesondere können mit der beschriebenen Intensitätsverteilung in der Fokusebene höhere Laserleistungen (insb. > 4 kW) gegenüber dem Stand der Technik eingesetzt werden, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Schweißqualität. Es kann also mehr Laserleistung zur Vorwärmung und/oder Aufschmelzung des Pulvers für die Beschichtung des Werkstücks aufgewendet werden.
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Der Laserstrahl kann einen Kernstahl und einen Ringstrahl umfassen. In diesem Fall kann ein Außendurchmesser des Ringstrahls zumindest an einer Stelle innerhalb der Wechselwirkungszone höchstens 10 mal so groß sein, bevorzugt höchstens 5 mal so groß, noch bevorzugter höchstens 4 mal so groß, wie der Durchmesser des Kernstrahls. Mit anderen Worten kann das Durchmesserverhältnis von Kernanteil zu Ringanteil größer 1:10, bevorzugt größer 1:5, noch bevorzugter größer 1:4 sein. Die Begrenzungen der jeweiligen Strahlanteile können beispielsweise mittels der 2. Momente Methode bestimmbar sein. Je schmaler der Randbereich des Laserstrahls ist, desto gleichmäßiger wird die Temperaturverteilung unter den Pulverpartikeln, da die Unterschiede in der Wechselwirkungszeit mit dem Laserstrahl reduziert werden.
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Die Leistung im Kernbereich des Laserstrahls kann zumindest an einer Stelle innerhalb der Wechselwirkungszone beispielsweise zwischen 7 % und 9 % der Laserleistung des gesamten Laserstrahls betragen. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Leistung im Kernbereich zwischen 5 % und 7 %, insbesondere etwa 6 % der Gesamtleistung des Laserstrahls beträgt. Bei einer solchen Variante kann die Prozesssicherheit (und mithin das Prozessfenster) gegenüber einem herkömmlichen Laserauftragschweißverfahren mit Top-Hat-Strahlprofil um etwa 25 % gesteigert werden, bei etwa gleichem energetischem Wirkungsgrad. Gemäß einer alternativen Variante kann die Leistung im Kernbereich auf ein Minimum reduziert werden, also insbesondere 0 % der Gesamtlaserleistung betragen. Die Prozesssicherheit kann in diesem Fall gegenüber einem herkömmlichen Laserauftragschweißverfahren mit Top-Hat-Strahlprofil um etwa 35 % gesteigert werden.
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Der Außendurchmesser des Laserstrahls, insbesondere der Außendurchmesser des Ringstrahls gemäß der oben beschriebenen Variante, kann an zumindest einer Stelle in der Wechselwirkungszone mindestens 500 µm, bevorzugt mindestens 1000 µm, noch bevorzugter mindestens 2000 µm betragen. Durch die Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers in der Wechselwirkungszone, insbesondere auf der Werkstückoberfläche, kann die Produktivität des Verfahrens gesteigert werden. Beim HS-LMD-Verfahren können Spurbreiten, d.h. Außendurchmesser ≥ 1000 µm besonders bevorzugt sein.
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Zur Erzeugung des Strahlprofils des Laserstrahls mit einem Kernbereich und einem Randbereich kann eine Mehrfach-Clad Faser, insbesondere eine 2-in-1-Faser, verwendet werden. Solche Fasern sind aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in
WO 2011/124671 A1 beschrieben. Aus einem oder mehreren Strahlerzeugern kann variabel Laserstrahlung in die Kernfaser und/oder in die Ringfaser eingekoppelt und zu einer Fokussieroptik geleitet werden. Die Verwendung einer 2-in-1-Faser ermöglicht den Einsatz einfacher Fokussieroptiken ohne weitere optische Strahlformungselemente, und somit eine effiziente Strahlformung. Die Intensitätsanteile des Kernbereichs und des Ringbereichs des Laserstrahls sind auf einfache Weise steuerbar. Beispielsweise kann eine 2-in-1-Lichtleitfaser mit einem Kerndurchmesser zwischen 200 µm und 300 µm und einem Ring-Außendurchmesser zwischen 700 µm und 1000 µm verwendet werden mit Stelleinrichtung (z.B. einer Keilweiche) zur Einstellung des Kern-Ring-Leistungsverhältnisses.
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Es versteht sich, dass auch eine Mehrfach-Clad Faser mit mehr als einem Ringfaseranteil verwendet werden kann, beispielsweise zur Erzeugung eines Strahlprofils mit unterschiedlichen Intensitäten in den unterschiedlichen Ringbereichen.
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Vorzugsweise kann der Leistungsanteil in der Ringfaser und der Kernfaser mittels einer geeigneten Steuerung variierbar sein. Somit ist die abgesenkte Intensität im Kernbereich des Laserstrahls an den (HS)-LMD-Prozess bzw. an das Werkstück anpassbar.
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Zusätzlich oder alternativ können zur Erzeugung des beschriebenen Strahlprofils auch strahlformende Elemente eingesetzt werden, insbesondere ein Diffractive Optical Element (DOE) oder ein Multilinsen-Array. Auf diese Weise können auch nicht rotationssymmetrische Strahlprofile, z.B. ein linienförmiges Strahlprofil, erzeugt werden. Ferner kann ein ringförmiges Strahlprofil auf diese Weise auch mit einer Monokernfaser erzeugt werden.
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Vorzugsweise kann der Abbildungsmaßstab unabhängig in jeder der oben beschriebenen Varianten variierbar sein. Auf diese Weise kann der Fokusdurchmesser des Laserstrahls an die Schweißaufgabe individuell angepasst werden.
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Als Laserstrahlquelle (bzw. Strahlerzeuger) kann ein Scheibenlaser oder ein Faserlaser verwendet werden. Auf diese Weise können zum Beispiel Laserstrahlen mit Wellenlängen von ca. 1,06 µm oder von ca. 500 nm erzeugt werden. Scheibenlaser und Faserlaser sind besonders geeignet zur Erzeugung kleiner Ring- und Kerndurchmesser, sowie zur Verwendung strahlformender Elemente. Zur Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens kann beispielsweise ein Faserlaser oder Scheibenlaser mit einer Laserleistung von mehr als 2 kW bis 8 kW und darüber hinaus, z.B. bis 12 kW oder mehr verwendet werden.
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Als Laserstrahlquelle kann beispielsweise auch ein Diodenlaser verwendet werden. Durch große nutzbare Faserdurchmesser kann der Laserstrahl trotz begrenzter Brillanz der Diodenemitter / Barren / Stacks noch gut in den vergleichsweise großen Ring- und Kernanteil einer Merfach-Clad Faser eingekoppelt werden.
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Figurenliste
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1a Eine schematische Darstellung eines LMD-Prozesses;
- 1b Eine schematische Darstellung eines HS-LMD-Prozesses;
- 2a-d Jeweils schematische Darstellungen der unterschiedlichen Wechselwirkungsstrecken eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs mit einem Laserstrahl beim Laserauftragschweißen, wobei der Laserstrahl innerhalb der Wechselwirkungszone jeweils eine andere Intensitätsverteilung aufweist;
- 3 Beispielhaft die Prozessfensterbreite in Bezug auf die Laserleistung in Abhängigkeit von dem Strahlprofil des Laserstrahls;
- 4a Schematisch ein Strahlprofil mit einem ringförmigen Intensitätsmaximum; und
- 4b Schematisch ein linienförmiges Strahlprofil mit einem vorlaufenden und einem nachlaufenden Intensitätsmaximum.
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Die 1a und 1b wurden bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik weiter oben beschrieben. Es sei auf die dortigen Erläuterungen verwiesen.
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Im Folgenden wird anhand der 2a bis 2d der Einfluss der Intensitätsverteilung des Laserstrahls auf die Wechselwirkung mit dem pulverförmigen Zusatzwerkstoff beim Laserauftragschweißen näher erläutert.
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Die 2a bis 2d zeigen schematisch eine geschnittene Frontansicht auf ein Werkstück 10, das zum Laserauftragschweißen mittels eines Laserstrahls 30 lokal aufgeschmolzen wird, sodass an der Werkstückoberfläche 12 ein Schmelzbad 16 entsteht. Während der Laserstrahl 30 senkrecht zur Darstellungsebene über das Werkstück 10 bewegt wird, wird ein Zusatzwerkstoff als Pulverstrahl 20 mittels eines, vorzugsweise inerten, Fördergases auf die Bearbeitungsstelle gestrahlt. In den 2a-d ist der Einfachheit halber jeweils nur die Pulverbeaufschlagung von einer Seite dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass beim Pulverauftragschweißen der Zusatzwerkstoff in mehreren, ringförmig um den Laserstrahl angeordneten Einzelstrahlen oder als Ringstrahl, sowie im Falle eines linienförmigen Strahlprofils des Laserstrahls z.B. von vorne und/oder von hinten als linienförmiger Pulverstrahl auf die Bearbeitungsstelle gerichtet werden kann.
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Abhängig von der Lage eines Pulverpartikels innerhalb des Pulverstrahls 20 ist die Wechselwirkungsstrecke innerhalb einer Wechselwirkungszone 40, entlang welcher der betreffende Pulverpartikel mit der Laserstrahlung beaufschlagt wird, unterschiedlich lang. Entsprechend werden die Pulverpartikel abhängig von ihrer Flugbahn unterschiedlich stark vom Laserstrahl 30 erhitzt. Während Pulverpartikel im Zentrum des Pulverstrahls 20 innerhalb der Wechselwirkungszone 40 zum Beispiel aufgeschmolzen werden, können gleichzeitig Pulverpartikel im Randbereich des Pulverstrahls 20 aufgrund ihrer längeren oder kürzeren Wechselwirkungszeit mit dem Laserstrahl 30 verdampfen (vgl. rechter bzw. oberer Pulverpartikel in den 2a-d) oder im festen Zustand auf der Werkstückoberfläche 12 auftreffen (vgl. linker bzw. unterer Pulverpartikel in den 2a-d). Das Temperaturgefälle der Pulverpartikel beim Laserauftragschweißen ist besonders groß, wenn der Laserstrahl 30 innerhalb der Wechselwirkungszone 40 ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil 32a aufweist. Dieser Fall ist in 2a dargestellt. Pulverpartikel am äußeren (bzw. unteren) Rand des Pulverstrahls 20 werden besonders schwach erhitzt.
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Die ungleichmäßige Wechselwirkungszeit der Pulverpartikel mit dem Laserstrahl 30 hat einen negativen Einfluss auf das Schweißergebnis. Eine qualitativ hochwertige Schweißraupe kann somit nur in einem engen Prozessfenster bei genau aufeinander abgestimmten Prozessparametern gewährleistet werden. Änderungen der Laserleistung können bereits zu empfindlichen Qualitätsschwankungen des Schweißergebnisses führen.
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Eine Verbesserung des Temperaturgefälles bzw. eine geringere Temperaturbandbreite der Pulverpartikel kann erzielt werden, wenn ein Laserstrahl 30 mit einem plateau- bzw. Top-Hat-förmigen Intensitätsprofil 32b verwendet wird, wie in 2b dargestellt.
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Weiter kann die Homogenität der Pulvererhitzung verbessert werden, wenn ein Laserstrahl 30 verwendet wird, der innerhalb der Wechselwirkungszone 40 eine Intensitätsverteilung 32c, 32d gemäß den 2c oder 2d aufweist. In 2c ist ein Laserstrahl 30 mit einem konkaven Intensitätsprofil 32c in der Wechselwirkungszone 40 dargestellt, bei dem die Intensität ausgehend von einem ringförmigen Maximum zum Kernbereich des Laserstrahls 30 hin abfällt. Durch die hohe Intensität im Randbereich des Laserstrahls 30 werden auch Pulverpartikel mit kurzer Wechselwirkungszeit noch vergleichsweise stark erhitzt.
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Eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung der Pulverpartikel kann für eine koaxiale Pulverzufuhr mit einem ringförmigen Intensitätsprofil des Laserstrahls 30 erzielt werden, bei dem der Großteil der Laserenergie im Randbereich des Laserstrahls 30 vorliegt. Eine plateau-artige bzw. Top-Hat-förmige Intensitätsverteilung 32d in dem ringförmigen Außenbereich des Laserstrahls 30 (vgl. 2d) hat sich hierbei als besonders günstig erwiesen. Bei der Verwendung eines Laserstrahls 30 mit derartiger Intensitätsverteilung kann die Prozessstabilität, insbesondere beim High-Speed Laserauftragschweißen, vorteilhaft beeinflusst werden.
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Die 2c und 2d beziehen sich jeweils auf Varianten, bei denen der Laserstrahl 30 einen rotationssymmetrischen Querschnitt aufweist. Es versteht sich, dass die Darstellungen in den 2c und 2d analog auf einen Laserstrahl 30 mit linienförmigem Strahlprofil anwendbar sind, wobei die jeweilige Intensitätsverteilung 32c, 32d dann nur quer zur Länge des linienförmigen Strahlprofils vorliegt.
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3 zeigt beispielhaft die Veränderung des Prozessfensters beim High-Speed Laserauftragschweißen in Abhängigkeit von dem Strahlprofil des verwendeten Laserstrahls. In vertikaler Richtung sind die Laserleistungen in kW aufgetragen, mittels denen der Prozess bei ansonsten gleichen Prozessparametern ohne Wesentliche Qualitätseinbußen im Schweißergebnis durchführbar ist. Die Darstellung bezieht sich auf das High-Speed Laserauftragschweißen an einem rohrförmigen Werkstück aus Baustahl, wobei der Außendurchmesser des Laserstrahls in der Fokusebene 2000 µm und die Vorschubgeschwindigkeit ca. 80 m/min beträgt.
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Bei der Verwendung eines Laserstrahls mit Gauß-förmigem Strahlprofil (vgl. 2a), d.h. mit einer Gauß-förmigen Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Fokusebene kann nur in einem sehr engen Leistungsbereich von 4 kW bis etwa 4,6 kW ein akzeptables Schweißergebnis erzielt werden. Das Prozessfenster 52 ist also sehr klein.
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Bei einem Laserstrahl mit einer über seinen gesamten Querschnitt Top-Hat-förmigen Intensitätsverteilung innerhalb der Wechselwirkungszone (vgl. 2b) ist das Prozessfenster 54 bereits deutlich größer. Für den Prozess können Laserleistungen zwischen 4 kW und 8 kW ohne wesentliche Qualitätseinbußen beim Schweißergebnis verwendet werden.
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Die Prozessfenster 56a bis 56d beziehen sich jeweils auf die Verwendung eines Laserstrahls mit einem ringförmigen Strahlprofil mit einer Top-Hat-förmigen Intensitätsverteilung im ringförmigen Randbereich des Laserstrahls und mit unterschiedlicher Laserleistung im Kernbereich des Laserstrahls.
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Bei einer Kernleistung von 9 % der gesamten Laserleistung entspricht das Prozessfenster 56a im Wesentlichen dem Prozessfenster 54 mit Top-Hat-förmigem Intensitätsprofil gemäß der Darstellung in 2b. Bei einer relativen Reduzierung der Laserleistung im Kernbereich des Laserstrahls auf 6 % der Gesamtleistung kann die Laserleistung bei Aufrechterhaltung guter Schweißqualität bis auf 9 kW gesteigert werden. Das entspricht einer Vergrößerung des Prozessfensters 56b um 25 % gegenüber dem Prozessfenster 54 mit Top-Hat-förmigem Intensitätsprofil ohne ringförmige Leistungs- bzw. Intensitätsverteilung. Bei weiterer Reduzierung der Kernleistung auf 3 % der Gesamtleistung des Laserstrahls können Einbußen des energetischen Wirkungsgrads des Verfahrens festgestellt werden. Das heißt, dass erst ab einer Laserleistung von ca. 4,6 kW gute Schweißergebnisse erzielt werden können. Das Prozessfenster 56c bezüglich der einsetzbaren Laserleistungen ist dennoch um 10 % größer als das Prozessfenster 54 bei Verwendung eines gewöhnlichen Laserstrahls mit Top-Hat-Strahlprofil. Das größtmögliche Prozessfenster 56d kann gemäß der Darstellung in 3 mit einem ringförmigen Strahlprofil erzielt werden, wobei die komplette Laserleistung im Ringanteil vorliegt, also die Laserleistung im Kernstrahl auf Null abgesenkt ist (vgl. auch 2d). Zwischen 4,6 kW und 10 kW können mit diesem Strahlprofil qualitativ hochwertige Schweißergebnisse erzielt werden. Das entspricht einer Vergrößerung des Prozessfensters um 35 % gegenüber dem Prozessfenster 54 bei der Verwendung eines herkömmlichen Top-Hat Strahlprofils.
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Der Vergleich gemäß 3 zeigt, dass das Prozessfenster beim High-Speed Laserauftragschweißen unter Verwendung eines Laserstrahls mit ringförmigem Intensitätsmaximum bei koaxialer Zuführung des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs im Strahlfokus hin zu höheren Laserleistungen geöffnet werden kann. Die Erkenntnisse aus 3 lassen sich analog auf einen Laserstrahl mit Linienfokus übertragen, der innerhalb der Wechselwirkungszone an seinem in Vorschubrichtung vorderen und hinteren Rand jeweils ein linienförmiges Intensitätsmaximum aufweist, wobei der pulverförmige Zusatzwerkstoff nur von vorne und von hinten in einem jeweils im Wesentlichen quer zur Vorschubrichtung orientierten linienförmigen Pulverstrahl auf die Bearbeitungsstelle gerichtet wird.
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In den 4a und 4b sind unterschiedliche Strahlprofile 31a, 31b eines Laserstrahls 30 dargestellt, die jeweils einen Kernbereich 314 und einen Randbereich 312a, 312b, 312c aufweisen. Die dargestellten Strahlprofile 31a, 31b können erfindungsgemäß in einer Projektionsebene vorliegen, die quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 30 verläuft und innerhalb der Wechselwirkungszone 40 (vgl. 1 und 2) liegt. Der Laserstrahl 30 gemäß 4a weist ein kreisringförmiges Intensitätsmaximum in seinem ringförmigen Randbereich 312a auf und einen Kernbereich 314 mit einer im Vergleich zum Randbereich 312 niedrigeren Intensität (vgl. auch 2d). 4b zeigt ein linienförmiges Strahlprofil 31b eines Laserstrahls 30, das quer zur Vorschubrichtung 60 ausgerichtet ist. Der Laserstrahl 30 gemäß 4b weist in seinem in Vorschubrichtung 60 vorderen Randbereich 312b ein vorlaufendes Intensitätsmaximum auf und in seinem hinteren Randbereich 312c ein nachlaufendes Intensitätsmaximum. Zwischen den geradlinigen Intensitätsmaxima ist der ebenfalls geradlinige Kernbereich 314 des Laserstrahls 30 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Werkstück
- 12
- Werkstückoberfläche
- 14
- Wärmeeinflusszone
- 16
- Schmelzbad
- 20
- Pulverstrahl (Zusatzwerkstoff)
- 30
- Laserstrahl
- 31a
- Ringförmiges Strahlprofil
- 31b
- Linienförmiges Strahlprofil
- 312a
- Ringförmiger Randbereich
- 312b
- Vorderer Randbereich
- 312c
- Hinterer Randbereich
- 314
- Kernbereich
- 32a
- Gauß-förmige Intensitätsverteilung des Laserstrahls
- 32b
- Top-Hat-förmige Intensitätsverteilung des Laserstrahls
- 32c
- Konkave Intensitätsverteilung des Laserstrahls
- 32d
- Ringförmige Top-Hat-Intensitätsverteilung des Laserstrahls
- 40
- Wechselwirkungszone
- 52
- Prozessfenster - Gauß-förmiges Intensitätsprofil
- 54
- Prozessfenster - Top-Hat Intensitätsprofil
- 56a
- Prozessfenster - Ringförmiges Top-Hat Intensitätsprofil mit 9 % Kernleistung
- 56b
- Prozessfenster - Ringförmiges Top-Hat Intensitätsprofil mit 6 % Kernleistung
- 56c
- Prozessfenster - Ringförmiges Top-Hat Intensitätsprofil mit 3 % Kernleistung
- 56d
- Prozessfenster - Ringförmiges Top-Hat Intensitätsprofil mit 0 % Kernleistung
- 60
- Vorschubrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011100456 B4 [0005]
- DE 102018130798 A1 [0005]
- WO 2011/124671 A1 [0025]
