DE102021208230A1 - Process for processing the surface of a blank - Google Patents

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Alexander Puck
André Quandel
Maximilian Schermaul
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Panzern, einer Oberfläche (2) eines Rohlings (1), insbesondere für einen Ventilsitz. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst eine Maßnahme a). Gemäß dieser Maßnahme a) ein Laserstrahl (10) aus Laserlicht und ein Pulverstrahl (11) aus einem Pulver (12) aus wenigstens einem Werkstoff auf die zu bearbeitende, insbesondere zu panzernde, Oberfläche (2) des Rohlings (1) gerichtet, so dass das Pulver (12) im Abstand zur Oberfläche (2) mittels des Laserstrahls (10) geschmolzen und an der Oberfläche (2) ein Schmelzbad (13) des Pulverstrahls (11) bzw. Pulvers (12) erzeugt wird. Erfindungsgemäß wird in einer weiteren Maßnahme a0) die zu bearbeitende Oberfläche (2) des Rohlings (1) zur Durchführung von Maßnahme a) auf eine vorbestimmte Mindest-Temperatur (TMIND) erwärmt.

Figure DE102021208230A1_0000
The invention relates to a method for processing, in particular armoring, a surface (2) of a blank (1), in particular for a valve seat. The method according to the invention includes a measure a). According to this measure a) a laser beam (10) made of laser light and a powder jet (11) made of a powder (12) made of at least one material are directed onto the surface (2) of the blank (1) to be machined, in particular to be armored, so that the powder (12) is melted at a distance from the surface (2) by means of the laser beam (10) and a melt pool (13) of the powder jet (11) or powder (12) is produced on the surface (2). According to the invention, in a further measure a0), the surface (2) of the blank (1) to be machined is heated to a predetermined minimum temperature (T MIND ) in order to carry out measure a).
Figure DE102021208230A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Panzern, einer Oberfläche eines Rohlings, für einen Ventilsitz.The invention relates to a method for machining, in particular armouring, a surface of a blank for a valve seat.

Das Auftragsschweißen von pulverförmigen Zusatzwerkstoffen mittels Laserstrahlung ist dem Fachmann unter der Bezeichnung „Laserauftragsschweißen“ bekannt. Ein derartiges Verfahren ist in der DE 10 2011 100 456 A1 beschrieben.The build-up welding of powdered filler materials by means of laser radiation is known to those skilled in the art as “laser build-up welding”. Such a method is in DE 10 2011 100 456 A1 described.

Es hat sich gezeigt, dass mittels Laserauftragsschweißens bearbeitete bzw. gepanzerte Rohlinge im Bereich der Panzerung unerwünschte Risse aufweisen können.It has been shown that blanks machined or armored by means of laser deposition welding can have undesired cracks in the area of the armor.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform für ein Laserauftrags-Schweißverfahren zum Bearbeiten und insbesondere Panzern der Oberfläche eines Rohlings zu schaffen.It is therefore an object of the present invention to create an improved or at least alternative embodiment for a laser deposition welding method for processing and in particular hardfacing the surface of a blank.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Preferred embodiments are subject matter of the dependent patent claims.

Grundidee der Erfindung ist demnach, einen mittels Laserauftragsschweißens zu bearbeitenden und insbesondere zu panzernden Rohling vor Durchführung des Schweißvorgangs im Zuge eines Vorwärmprozesses auf eine vorbestimmte Mindest-Temperatur zu erwärmen. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass in auf diese Weise vorbehandelten Rohlingen beim anschließenden Laserauftragsschweißen keine Rissbildung mehr stattfindet oder diese gegenüber Rohlingen, welche keiner solchen Vorwärmung unterzogen werden, deutlich weniger stark ausgeprägt ist. Durch die Vorwärmung des Grundmaterials wird eine zu schnelle Abkühlung unmittelbar nach dem Auftragsschweißen verhindert, wodurch die Neigung zur Rissbildung verringert wird.The basic idea of the invention is therefore to heat a blank to be machined and in particular to be armored by means of laser build-up welding in the course of a preheating process to a predetermined minimum temperature before the welding process is carried out. Experimental investigations have shown that in blanks pretreated in this way, cracks no longer form during the subsequent laser build-up welding or that these cracks are significantly less pronounced compared to blanks that are not subjected to such preheating. Preheating the base material prevents it from cooling down too quickly immediately after hardfacing, which reduces the tendency for cracking to form.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bearbeiten, insbesondere Panzern, einer Oberfläche eines Rohlings, insbesondere eines Ventilsitzes eines Ventil-Rohlings. Ein solches Verfahren wird als Laserauftragsschweißen zur Oberflächenbehandlung bezeichnet und dient zum Generieren von Bauteilen mit wenigstens einem Zusatzwerkstoff (im Folgenden der Einfachheit halber als „Werkstoff“ bezeichnet). Das Verfahren umfasst eine Maßnahme a), gemäß welcher ein Laserstrahl und ein Pulverstrahl aus einem wenigstens einen Werkstoff umfassenden Pulver auf die zu bearbeitende Oberfläche des Rohlings gerichtet wird, so dass das Pulver, noch bevor es die Oberfläche erreicht hat, mittels des Laserstrahls geschmolzen wird und bei Erreichen der Oberfläche in einem Oberflächenabschnitt der Oberfläche ein Schmelzbad des Pulverstrahls bzw. Pulvers erzeugt wird. Die durch das Erstarren des Schmelzbads entstehende Schicht bildet die gewünschte Panzerung.The method according to the invention is used for processing, in particular armouring, a surface of a blank, in particular a valve seat of a valve blank. Such a method is referred to as laser build-up welding for surface treatment and is used to generate components with at least one additional material (hereinafter referred to as “material” for the sake of simplicity). The method includes a measure a), according to which a laser beam and a powder jet made of a powder comprising at least one material are directed onto the surface of the blank to be machined, so that the powder is melted by the laser beam before it has even reached the surface and when the surface is reached, a molten pool of the powder jet or powder is generated in a surface section of the surface. The layer created by the solidification of the molten pool forms the desired armouring.

Das Pulver aus wenigstens einem Werkstoff kann Partikel einer mittleren Größe ≥ 1 µm, bevorzugt ≥ 10 µm, besonders bevorzugt ≥ 30 µm und/oder ≤ 90 µm, bevorzugt ≤ 70 µm, besonders bevorzugt ≤ 50 µm, aufweisen oder aus diesen bestehen. Das Pulvermaterial des Pulvers 12 kann als Werkstoff insbesondere eine Nickelbasis-Legierung, eine Cobaltbasis-Legierung, eine Eisenbasis-Legierung, eine Titan-Legierung, eine martensitische Legierung oder/und eine Keramik aufweisen oder daraus bestehen.The powder of at least one material can have or consist of particles with an average size ≧1 μm, preferably ≧10 μm, particularly preferably ≧30 μm and/or ≦90 μm, preferably ≦70 μm, particularly preferably ≦50 μm. The powder material of the powder 12 can have or consist of a nickel-based alloy, a cobalt-based alloy, an iron-based alloy, a titanium alloy, a martensitic alloy and/or a ceramic.

Der Laserstrahl kann durch eine Laserlicht emittierende Laserquelle erzeugt werden. Der Pulverstrahl kann mittels einer Pulverdüse erzeugt werden. Das Pulver kann dabei kontinuierlich oder diskret ausgedüst werden. Der Laserstrahl und der Pulverstrahl können so relativ zur Oberfläche orientiert sein, dass sie unter einem rechten Winkel oder unter einem spitzen Winkel auf die Oberfläche treffen. Der Laserstrahl und der Pulverstrahl können in beiden Varianten koaxial oder unter einem Winkel zueinander angeordnet sein.The laser beam can be generated by a laser source emitting laser light. The powder jet can be generated by means of a powder nozzle. The powder can be ejected continuously or discretely. The laser beam and the powder jet can be oriented relative to the surface in such a way that they hit the surface at a right angle or at an acute angle. In both variants, the laser beam and the powder jet can be arranged coaxially or at an angle to one another.

Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren die zu bearbeitende Oberfläche des Rohlings zur Durchführung von Maßnahme a) in einer zusätzlichen Maßnahme a0) auf eine vorbestimmte Mindest-Temperatur erwärmt. Die zu bearbeitende Oberfläche weist somit nach Beendigung von Maßnahme a0), also nach dem Vorwärmen, mindestens den Temperatur-Wert der Mindest-Temperatur auf. Mit anderen Worten, die zu bearbeitende Oberfläche des Rohlings, vorzugsweise der gesamte Rohling, wird in Maßnahme a0) zeitlich vor der Durchführung von Maßnahme a) auf eine Temperatur erwärmt, deren Temperaturwert gleich oder größer der Mindest-Temperatur ist, bevor mit dem eigentlichen Laserauftragsschweißen gemäß Maßnahme a) begonnen wird.According to the invention, the surface of the blank to be machined is heated to a predetermined minimum temperature in an additional measure a0) in order to carry out measure a). After the end of measure a0), i.e. after preheating, the surface to be processed has at least the temperature value of the minimum temperature. In other words, the surface of the blank to be machined, preferably the entire blank, is heated in measure a0) before measure a) is carried out to a temperature whose temperature value is equal to or greater than the minimum temperature before the actual laser deposition welding according to measure a) is started.

Da bei Ausführung von Maßnahme a) der Werkstoff dem Schmelzbad im gleichen, also flüssigen Aggregatszustand zugeführt wird, den das Schmelzbad auf der Oberfläche des Bauteils aufweist, wird keine Zeit zum Aufschmelzen der Pulverpartikel im Schmelzbad benötigt. Dies verringert den Zeitraum, der für die Bildung der gepanzerten Schicht notwendig ist, wodurch die Prozessgeschwindigkeit, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, deutlich erhöht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher auch als extremes Hochgeschwindigkeitslaserauftragsschweißverfahren (EHLA) bezeichnet werden.Since when carrying out measure a), the material is fed to the melt pool in the same, i.e. liquid, state of aggregation that the melt pool has on the surface of the component, no time is required for the powder particles to melt in the melt pool. This reduces the time required for the formation of the armored layer, thereby significantly increasing the process speed at which the method according to the invention can be carried out. The method according to the invention can therefore also be referred to as an extreme high-speed laser deposition welding method (EHLA).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden während der Durchführung von Maßnahme a) der Rohling und der Laserstrahl relativ zueinander bewegt, so dass das Schmelzbad auf der Oberfläche des Rohlings bewegt wird. Auf diese Weise können auch größere Oberflächen bearbeitet und gepanzert werden. Es versteht sich, dass beim hier vorgestellten Verfahren zweckmäßigerweise die gesamte zu bearbeitende Oberfläche vorgewärmt und somit auf die vorbestimmte-Mindesttemperatur erwärmt wird.According to a preferred embodiment, while measure a) is being carried out, the blank and the laser beam are moved relative to one another, so that the melt pool is moved on the surface of the blank. In this way, larger surfaces can also be machined and armored. It goes without saying that with the method presented here, the entire surface to be processed is expediently preheated and thus heated to the predetermined minimum temperature.

Bevorzugt beträgt die vorbestimmte Mindest-Temperatur zwischen 250°C und 450°C. Darunter ist zu verstehen, dass für die Mindest-Temperatur ein bestimmter Temperaturwert in dem Temperaturintervall zwischen 250 °C und 450 °C gewählt wird und im Zuge des Vorwärmens sichergestellt wird, dass die Temperatur der zu bearbeiteten Oberfläche vor der Durchführung von Maßnahme a) mindestens diesen Temperaturwert aufweist. Wird beispielsweise als Mindest-Temperatur 300°C festgelegt, so ist gemeint, dass vor der Durchführung von Maßnahme a) im Zuge des Vorwärmens gemäß Maßnahme a0) sichergestellt werden muss, dass die in Maßnahme a) zu bearbeitende Oberfläche des Rohlings nach Beendigung von Maßnahme a0), also nach Beendigung des Vorwärmens, mindestens eine Temperatur von 300 °C aufweist. Experimentelle Untersuchungen mit einer Pulverlegierung auf Eisenbasis haben ergeben, dass bei einer Mindest-Temperatur in diesem Temperaturintervall das Auftreten von Rissen in dem zu bearbeitenden bzw. zu panzernden Oberflächenbereich praktisch ausgeschlossen werden kann.The predetermined minimum temperature is preferably between 250°C and 450°C. This means that a certain temperature value in the temperature interval between 250 °C and 450 °C is selected for the minimum temperature and in the course of preheating it is ensured that the temperature of the surface to be processed before carrying out measure a) is at least has this temperature value. If, for example, 300°C is set as the minimum temperature, this means that before carrying out measure a) in the course of the preheating according to measure a0), it must be ensured that the surface of the blank to be machined in measure a) after the end of measure a0), i.e. after the end of the preheating, has a temperature of at least 300 °C. Experimental investigations with an iron-based powder alloy have shown that at a minimum temperature in this temperature range, the occurrence of cracks in the surface area to be machined or armored can be practically ruled out.

Bevorzugt kann die Erwärmung der zu bearbeitenden Oberfläche des Rohlings vor Durchführung von Maßnahme a) so erfolgen, dass die Oberfläche während der Durchführung von Maßnahme a) die vorbestimmte Mindest-Temperatur nicht unterschreitet. Somit wird sichergestellt, dass aufgrund einer zu schnellen oder/und starken Abkühlung der vorteilhafte Effekt des Vorwärmens - das Vermeiden von Rissbildungen - abgeschwächt oder sogar vollständig aufgehoben wird.The surface of the blank to be machined can preferably be heated before measure a) is carried out in such a way that the surface does not drop below the predetermined minimum temperature while measure a) is being carried out. This ensures that the advantageous effect of preheating—the avoidance of crack formation—is weakened or even completely eliminated due to cooling that is too rapid or/and severe.

Zweckmäßig kann das Erwärmen mittels Erhitzens in einem Ofen oder durch induktives Erwärmen oder durch Bestrahlung mittels NIR-Strahlung oder mittels Flammglühens oder mittels induktiven Erhitzens erfolgen. Der Fachmann kann dabei - insbesondere anwendungsspezifisch - aus einer der genannten Methoden auswählen.The heating can expediently take place by means of heating in an oven or by inductive heating or by irradiation by means of NIR radiation or by means of flame annealing or by means of inductive heating. The person skilled in the art can choose from one of the methods mentioned, in particular in an application-specific manner.

Denkbar ist auch, dass das Erwärmen bzw. Vorwärmen durch Bestrahlen der Oberfläche mittels eines Laserstrahls erfolgt. In diesem Fall erweist es sich als vorteilhaft, weil kostensparend, wenn zum Erwärmen ein Laserstrahl verwendet wird, der von derjenigen Laserquelle erzeugt wird, die auch den Laserstrahl zum Schmelzen des Pulverstrahls erzeugt. In diesem Fall kann auf die Bereitstellung einer separaten Laser-Quelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, mittels welchem die Oberfläche erwärmt wird, verzichtet werden. Dabei ist zu beachten, dass die Intensität des Laserstrahls zum Erwärmen der Oberfläche so angepasst werden muss, dass diese nicht zu einem Schmelzen der Oberfläche führt.It is also conceivable that the heating or preheating takes place by irradiating the surface with a laser beam. In this case, it proves to be advantageous because it saves costs if a laser beam is used for heating that is generated by the laser source that also generates the laser beam for melting the powder jet. In this case, there is no need to provide a separate laser source for generating a laser beam, by means of which the surface is heated. It should be noted that the intensity of the laser beam for heating the surface must be adjusted so that it does not melt the surface.

Alternativ dazu kann zum Erwärmen bzw. Vorwärmen ein Laserstrahl verwendet werden, der von einer Laserquelle erzeugt wird, die von derjenigen Laserquelle verschieden ist, die den Laserstrahl zum Schmelzen des Pulverstrahls erzeugt. Auf diese Weise können beide Laserstrahlen hinsichtlich Laser-Leistung und Taktzeit unabhängig voneinander, also individuell optimiert werden.Alternatively, a laser beam generated by a laser source that is different from the laser source that generates the laser beam for melting the powder jet can be used for heating or preheating. In this way, both laser beams can be optimized independently of one another, i.e. individually, in terms of laser power and cycle time.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Rohlings. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des voranstehend erläuterten, erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. In diesem Fall übertragen sich die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die erfindungsgemäße Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Pulverstrahl-Quelle zum Erzeugen eines auf den Rohling treffenden Pulverstrahls aus wenigstens einem Werkstoff. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner eine Laserstrahl-Quelle zum Erzeugen eines auf den Rohling treffenden Laserstrahls aus Laserlicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst schließlich eine Heizeinrichtung zum Vorwärmen des Rohlings.The invention also relates to a device for machining a blank. The device according to the invention is set up in particular to carry out the method according to the invention explained above. In this case, the advantages of the method according to the invention explained above are transferred to the device according to the invention. The device according to the invention comprises a powder jet source for generating a powder jet from at least one material that hits the blank. The device according to the invention also comprises a laser beam source for generating a laser beam from laser light which impinges on the blank. Finally, the device according to the invention comprises a heating device for preheating the blank.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Heizeinrichtung zum Erwärmen des Rohlings auf eine Mindest-Temperatur zwischen 250°C und 450°C ausgebildet. Darunter ist in analoger Weise zum erfindungsgemäßen Verfahren zu verstehen, dass für die Mindest-Temperatur ein bestimmter Temperaturwert in dem Temperaturintervall zwischen 250 °C und 450 °C gewählt wird und im Zuge des Vorwärmens sichergestellt wird, dass die Temperatur der zu bearbeiteten Oberfläche vor der Durchführung von Maßnahme a) mindestens diesen Temperaturwert aufweist. Experimentelle Untersuchungen mit einer Pulverlegierung auf Eisenbasis haben ergeben, dass bei einer in diesem Temperaturintervall liegenden Mindest-Temperatur das Auftreten von Rissen in der zu bearbeitenden bzw. zu panzernden Oberfläche ausgeschlossen werden kann.According to a preferred embodiment, the heating device is designed to heat the blank to a minimum temperature of between 250°C and 450°C. This means, in a manner analogous to the method according to the invention, that a certain temperature value in the temperature interval between 250 °C and 450 °C is selected for the minimum temperature and it is ensured during the preheating that the temperature of the surface to be processed before the Implementation of measure a) has at least this temperature value. Experimental investigations with an iron-based powder alloy have shown that at a minimum temperature in this temperature range, the occurrence of cracks in the surface to be machined or armored can be ruled out.

Zweckmäßig kann das die Heizeinrichtung einen Ofen zum Erhitzen oder eine Vorrichtung zum induktiven Erhitzen oder eine Laserstrahl-Quelle zum Erzeugen von Laserlicht oder eine Strahlungsquelle zum Emittieren von NIR-Strahlung umfassen oder sein.The heating device can expediently be an oven for heating or a device for inductive heating or a laser beam source for generating laser light or radiation include or be a source for emitting NIR radiation.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.Further important features and advantages of the invention result from the dependent claims, from the drawings and from the associated description of the figures based on the drawing.

Es versteht sich, dass die vorstehend dies genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail in the following description, with the same reference symbols referring to identical or similar or functionally identical components.

Anhand der 1 wird im Folgenden und das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft erläutert.Based on 1 is explained below and the method according to the invention by way of example.

Gemäß einer Maßnahme a) des Verfahrens wird ein Rohling 1 in Form eines Ventil-Rohlings, auf welchem ein Ventilsitz hergestellt werden soll, bereitgestellt. Der Rohling 1 soll auf seiner Oberfläche 2 bereichsweise gepanzert werden. Gemäß Maßnahme a) wird hierfür ein mittels einer Laserstrahl-Quelle (nicht gezeigt) erzeugter Laserstrahl 10 auf die zu bearbeitende bzw. zu panzernde Oberfläche 2 des Rohlings 1 gerichtet.According to a measure a) of the method, a blank 1 in the form of a valve blank, on which a valve seat is to be produced, is provided. The blank 1 is to be partially armored on its surface 2 . According to measure a), a laser beam 10 generated by a laser beam source (not shown) is directed onto the surface 2 of the blank 1 to be machined or armored.

Ebenso wird in Maßnahme a) ein Pulverstrahl 11 mit einem Pulver 12 aus einem Werkstoff auf die Oberfläche 2 des Rohlings 1 gerichtet. Der das Pulver 12 bildende Werkstoff kann eine Nickelbasis-Legierung, eine Cobaltbasis-Legierung, eine Eisenbasis-Legierung, eine Titan-Legierung, eine martensitische Legierung und/oder eine Keramik sein.Likewise, in measure a), a powder jet 11 with a powder 12 made of a material is directed onto the surface 2 of the blank 1 . The material forming the powder 12 can be a nickel-based alloy, a cobalt-based alloy, an iron-based alloy, a titanium alloy, a martensitic alloy and/or a ceramic.

Zum Erzeugen des Pulverstrahls 11 kann der Werkstoff aus einer Pulverdüse (nicht gezeigt) ausgedüst werden. Das Pulver 12 aus dem Werkstoff wird somit in einem Gasstrahl, dem Pulverstrahl 11, transportiert. Ein solcher Pulverstrahl 11 ist dem Fachmann auch unter der äquivalenten Bezeichnung „Pulvergasstrahl“ bekannt. Das im Pulverstrahl 11 bzw. Pulvergasstrahl transportierte Pulver 12 kann auch als „Pulvergas“ bezeichnet werden.To generate the powder jet 11, the material can be ejected from a powder nozzle (not shown). The powder 12 from the material is thus transported in a gas jet, the powder jet 11 . Such a powder jet 11 is also known to those skilled in the art under the equivalent designation “powder gas jet”. The powder 12 transported in the powder jet 11 or powder gas jet can also be referred to as “powder gas”.

Die Ausrichtung von Laserstrahl 10 und Pulverstrahl 11 relativ zueinander und relativ zur Oberfläche 2 geschieht derart, dass das Pulver 12 im Abstand zur Oberfläche 2, also bevor es diese erreicht hat, mittels des Laserstrahls 10 geschmolzen wird. Somit liegt das Pulver 12 bereits in geschmolzener, flüssiger Form vor, wenn es auf die Oberfläche 2 trifft, wo dann ein Schmelzbad 13 aus dem das Pulver 12 bildenden Werkstoff erzeugt wird. Der Werkstoff wird also dem Schmelzbad 13 in vollständig geschmolzener Form zugeführt. Dies bedeutet, dass für das Aufschmelzen der Partikel des Pulvers 12 gerade jene Zeit zur Verfügung steht, die die Pulverpartikel im Laserstrahl 10 benötigen, bis sie das Schmelzbad 13 erreicht haben. Die durch das Erstarren des Schmelzbads 13 entstehende Schicht auf der Oberfläche 2 bildet die gewünschte Panzerung der Oberfläche 2.The alignment of the laser beam 10 and the powder jet 11 relative to one another and relative to the surface 2 takes place in such a way that the powder 12 is melted by means of the laser beam 10 at a distance from the surface 2, ie before it has reached it. Thus, the powder 12 is already in molten, liquid form when it hits the surface 2, where a molten pool 13 of the material forming the powder 12 is then created. The material is thus supplied to the molten bath 13 in a completely molten form. This means that the time that the powder particles in the laser beam 10 require until they have reached the melt pool 13 is available for the melting of the particles of the powder 12 . The layer formed on the surface 2 by the solidification of the molten bath 13 forms the desired hardfacing of the surface 2.

Die zum Aufschmelzen der Pulverpartikel zur Verfügung stehende Zeit hängt von der Partikelgröße, von der Aufenthaltsdauer der Partikel im Laserstrahl 10 und von der Intensität der Laserstrahlung ab. Für die Partikelgröße gilt allgemein, dass Partikel mit abnehmender Partikelgröße schneller geschmolzen werden. Die Aufenthaltsdauer der Partikel im Laserstrahl 10 sollte daher möglichst lang sein. Eine hohe Intensität des Laserstrahls 10 verkürzt die Zeit zum Aufschmelzen der Partikel des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs. Die Intensität der Laserstrahlung ist definiert als Quotient aus Laserleistung geteilt durch die Querschnittsfläche des Strahls senkrecht zur optischen Achse des Strahls. Somit kann die Intensität der Laserstrahlung 10 einerseits durch Erhöhung der Laserleistung, aber andererseits auch durch Verkleinerung des Strahlquerschnitts erhöht werden.The time available for melting the powder particles depends on the particle size, the length of time the particles remain in the laser beam 10 and the intensity of the laser radiation. The general rule for particle size is that particles are melted faster with decreasing particle size. The residence time of the particles in the laser beam 10 should therefore be as long as possible. A high intensity of the laser beam 10 shortens the time for melting the particles of the powdered filler material. The intensity of the laser radiation is defined as the quotient of the laser power divided by the cross-sectional area of the beam perpendicular to the optical axis of the beam. The intensity of the laser radiation 10 can thus be increased on the one hand by increasing the laser power, but on the other hand also by reducing the beam cross section.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche 2 des Rohlings 1 vor Durchführung von voranstehend erläuterter Maßnahme a) im Zuge einer Maßnahme a0) auf eine vorbestimmte Mindest-Temperatur TMIND erwärmt, die im Beispiel zwischen 250°C und 450°C beträgt. Dies bedeutet, dass bei einer gewählten Mindest-Temperatur von 250° zumindest die zu bearbeitende Oberfläche so erwärmt wird, dass die wenigstens die Temperatur der Oberfläche den Wert der gewählten Mindest-Temperatur TMIND aufweist oder diesen überschreitet. Die Temperatur der Oberfläche 2 kann dabei mithilfe eines geeigneten Temperatursensors (nicht gezeigt) gemessen werden. Es versteht sich, dass auch der gesamte Rohling 1 soweit erwärmt werden kann, dass seine Temperatur wenigstens den Wert der Mindest-Temperatur TMIND aufweist oder diesen sogar überschreitet. Das Erwärmen bzw. Vorwärmen kann mittels Erhitzens in einem Ofen oder durch Bestrahlung mittels NIR-Strahlung oder mittels Flammglühens oder durch induktives Erhitzen erfolgen. Gemäß einer weiteren Alternative kann das Erwärmen durch Bestrahlen mittels eines Laserstrahls erfolgen. Zweckmäßig kann in diesem Fall zum Erwärmen ein Laserstrahl verwendet werden, der von derjenigen Laserquelle erzeugt wird, die auch den Laserstrahl 10 zum Schmelzen des Pulverstrahls 11 erzeugt.In the method according to the invention, the surface 2 of the blank 1 is heated to a predetermined minimum temperature T MIND , which is between 250° C. and 450° C. in the example, before the measure a) explained above is carried out in the course of a measure a0). This means that at a selected minimum temperature of 250°, at least the surface to be processed is heated in such a way that at least the temperature of the surface has the value of the selected minimum temperature T MIND or exceeds it. The temperature of the surface 2 can be measured using a suitable temperature sensor (not shown). It goes without saying that the entire blank 1 can also be heated to such an extent that its temperature has at least the value of the minimum temperature T MIND or even exceeds it. The heating or preheating can take place by means of heating in an oven or by irradiation by means of NIR radiation or by means of flame annealing or by inductive heating. According to a further alternative, the heating can take place by irradiation with a laser beam. Appropriately, a laser beam can be used in this case for heating, which is generated by the laser source that also generates the laser beam 10 for melting the powder jet 11 .

Der Laserstrahl 10 und der Pulverstrahl 11 können sich zur Durchführung von Maßnahme a) wie in 1 beispielhaft gezeigt koaxial zueinander erstrecken oder unter einem Winkel zueinander angeordnet sein (nicht gezeigt). Betrachtet man den Laserstrahl 10 und den Pulverstrahl 11 als rotationssymmetrisch und kegelförmig ausgebildet, so ist die durch die Mittellängsachse M des Kegels gebildete optische Achse OA des Laserstrahls 10 eine Symmetrieachse sowohl für den Laserstrahl 10 als auch für den Pulverstrahl 11.The laser beam 10 and the powder jet 11 can be used to carry out measure a) as in 1 shown by way of example extend coaxially to one another or be arranged at an angle to one another (not shown). If the laser beam 10 and the powder jet 11 are considered to be rotationally symmetrical and conical, the optical axis OA of the laser beam 10 formed by the central longitudinal axis M of the cone is an axis of symmetry for both the laser beam 10 and the powder jet 11.

Im Beispiel der 1 wird der Laserstrahl 10 in einem optischen Fokus 14 fokussiert, der im Abstand zur Oberfläche 2 angeordnet ist. Das Aufschmelzen des Pulvers 12 findet hauptsächlich im Bereich des optischen Fokus' 14 statt. Dieser Bereich wird im Folgenden als „Schmelzbereich“ bezeichnet.In the example of 1 the laser beam 10 is focused in an optical focus 14, which is arranged at a distance from the surface 2. The powder 12 is mainly melted in the area of the optical focus 14 . This area is referred to below as the "melting area".

Der genannte Abstand des Fokus 14 vom Schmelzbad 13 kann ≥ 0,2 mm, vorzugsweise ≥ 1 mm, besonders bevorzugt ≥ 4 mm, höchst bevorzugt ≥ 5 mm, betragen oder/und ≤ 7 mm, vorzugsweise ≤ 6 mm, betragen. Der Laserstrahl 10 und der Pulverstrahl 11 können so relativ zur Oberfläche 2 orientiert sein, dass sie wie in 1 dargestellt unter einem rechten Winkel oder aber, alternativ dazu, unter einem spitzen Winkel (nicht gezeigt) auf die Oberfläche 2 treffen.Said distance of the focus 14 from the melt pool 13 can be ≧0.2 mm, preferably ≧1 mm, particularly preferably ≧4 mm, most preferably ≧5 mm, and/or ≦7 mm, preferably ≦6 mm. The laser beam 10 and the powder jet 11 can be oriented relative to the surface 2 in such a way that they are as in 1 impinge on the surface 2 shown at a right angle or, alternatively, at an acute angle (not shown).

Ebenso wie der Laserstrahl 10 wird im Beispiel der 1 auch der der Pulverstrahl 11 fokussiert, und zwar bevorzugt im selben Fokus 15 wie der Laserstrahl 10, d.h. der Fokus 15 des Pulverstrahls 11 und der optische Fokus 14 des Laserstrahls 10 fallen wie in 1 gezeigt bevorzugt zusammen.Just like the laser beam 10 is in the example 1 also focuses the powder jet 11, preferably in the same focus 15 as the laser beam 10, ie the focus 15 of the powder jet 11 and the optical focus 14 of the laser beam 10 fall as in FIG 1 shown preferably together.

Es ist jedoch auch denkbar, den Pulverstrahl 11 in einem Fokus 15 zu fokussieren, der entlang der optischen Achse OA des Laserstrahls 10 von der den Laserstrahl erzeugenden Laserquelle aus gemessen ≤ 3 mm, vorzugsweise ≤ 1 mm, vor dem Fokus oder ≤ 20 mm, vorzugsweise ≤ 10 mm, hinter dem optischen Fokus 14des Laserstrahls liegt.However, it is also conceivable to focus the powder jet 11 in a focus 15, which is along the optical axis OA of the laser beam 10, measured from the laser source generating the laser beam, ≦3 mm, preferably ≦1 mm, in front of the focus or ≦20 mm. preferably ≤ 10 mm, behind the optical focus 14 of the laser beam.

Besonders zweckmäßig wird der Pulverstrahl 11 in einer möglichst kleinen Fokalzone 16 fokussiert, was bedeutet, dass im Wesentlichen alle Pulverpartikel diese Fokalzone 16 passieren. Eine solche Fokussierung kann beispielsweise erreicht werden, indem der Pulverstrahl 12 mittels einer koaxialen Pulverdüse (nicht gezeigt) erzeugt wird. Ein derart fokussierter Pulverstrahl 11 kann eine Kegelform aufweisen, wobei die Spitze 5 eines solchen Kegels 4 gerade jenen Bereich bildet, in welchem der Pulverstrahl 11 fokussiert ist.The powder jet 11 is particularly expediently focused in a focal zone 16 that is as small as possible, which means that essentially all powder particles pass through this focal zone 16 . Such focusing can be achieved, for example, by the powder jet 12 being generated by means of a coaxial powder nozzle (not shown). A powder jet 11 focused in this way can have a cone shape, with the tip 5 of such a cone 4 forming precisely that area in which the powder jet 11 is focused.

Um auch einen Bereich der Oberfläche 2 bearbeiten bzw. panzern zu können, der eine größerer lateraler Erstreckung als der Oberflächenabschnitt aufweist, in welchem das Schmelzbad gebildet wird, kann während der Durchführung von Maßnahme a) der Rohling 1 mit seiner Oberfläche 2 relativ zum Laserstrahl 10 und zum Pulverstrahl 12 bewegt werden. Dies bewirkt, dass sich das Schmelzbad 13 über die Oberfläche 2 hinwegbewegt. Dies kann geschehen, indem der Laserstrahl 10, der Pulverstrahl 11 und somit auch der optische Fokus 14 bewegt werden, wohingegen der Rohling 1 in Ruhe verbleibt, oder umgekehrt der Rohling 1 bewegt wird, wohingegen der Laserstrahl 10, der Pulverstrahl 11 und somit der optische Fokus 14 nicht bewegt werden. Mittels beider Varianten können auf der Oberfläche 2 des Rohlings 1 Linien- und Flächenstrukturen erzeugt werden.In order to also be able to process or armor an area of the surface 2 that has a greater lateral extent than the surface section in which the molten pool is formed, the blank 1 with its surface 2 relative to the laser beam 10 and are moved to the powder jet 12. This causes the molten pool 13 to move across the surface 2 . This can be done by moving the laser beam 10, the powder jet 11 and thus also the optical focus 14, while the blank 1 remains stationary, or conversely the blank 1 is moved, whereas the laser beam 10, the powder jet 11 and thus the optical Focus 14 cannot be moved. Line and surface structures can be produced on the surface 2 of the blank 1 by means of both variants.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht besonders hohe Geschwindigkeiten, mit welchen der Rohling 1 gegenüber dem Laserstrahl 10 und dem Pulverstrahl 11 bewegt werden kann. Erzielbar sind Geschwindigkeiten von ≥ 20 m/min, vorzugsweise ≥ 50 m/min, besonders bevorzugt ≥ 100 m/min, besonders bevorzugt ≥ 150 m/min.The method according to the invention enables particularly high speeds at which the blank 1 can be moved in relation to the laser beam 10 and the powder jet 11 . Speeds of ≧20 m/min, preferably ≧50 m/min, particularly preferably ≧100 m/min, particularly preferably ≧150 m/min, can be achieved.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102011100456 A1 [0002]DE 102011100456 A1 [0002]

Claims (10)

Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Panzern, einer Oberfläche (2) eines Rohlings (1), insbesondere für einen Ventilsitz, - umfassend eine Maßnahme a), gemäß welcher ein Laserstrahl (10) aus Laserlicht und ein Pulverstrahl (11) aus einem Pulver (12) aus wenigstens einem Werkstoff auf die zu bearbeitende, insbesondere zu panzernde, Oberfläche (2) des Rohlings (1) gerichtet werden, so dass das Pulver (12) im Abstand zur Oberfläche (2) mittels des Laserstrahls (10) geschmolzen wird und auf der Oberfläche (2) ein Schmelzbad (13) des Pulverstrahls (11) bzw. Pulvers (12) erzeugt wird; - wobei gemäß in einer weiteren Maßnahme a0) die zu bearbeitende Oberfläche (2) des Rohlings (1) zur Durchführung von Maßnahme a) auf eine vorbestimmte Mindest-Temperatur (TMIND) erwärmt wird.Method for processing, in particular armouring, a surface (2) of a blank (1), in particular for a valve seat, - comprising a measure a), according to which a laser beam (10) made of laser light and a powder jet (11) made of a powder (12 ) made of at least one material are directed onto the surface (2) of the blank (1) to be machined, in particular to be armored, so that the powder (12) is melted at a distance from the surface (2) by means of the laser beam (10) and a molten pool (13) of the powder jet (11) or powder (12) is produced on the surface (2); - Wherein according to a further measure a0), the surface (2) of the blank (1) to be machined is heated to a predetermined minimum temperature (T MIND ) in order to carry out measure a). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Durchführung von Maßnahme a) der Rohling (1) und der Laserstrahl (10) zumindest zeitweise relativ zueinander bewegt werden, so dass das Schmelzbad (13) auf der Oberfläche (2) des Rohlings (1) bewegt wird.procedure after claim 1 , characterized in that during the implementation of measure a), the blank (1) and the laser beam (10) are at least temporarily moved relative to one another, so that the melt pool (13) is moved on the surface (2) of the blank (1). . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Mindest-Temperatur (TMIND) zwischen 250°C und 450°C beträgt.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the predetermined minimum temperature (T MIND ) is between 250°C and 450°C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung vor Durchführung von Maßnahme a) so erfolgt, so dass die Oberfläche (2) des Rohlings (1) während der Durchführung von Maßnahme a) die vorbestimmte Mindest-Temperatur (TMIND) nicht mehr unterschreitet.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the heating before action a) is carried out in such a way that the surface (2) of the blank (1) no longer falls below the predetermined minimum temperature (T MIND ) while action a) is being carried out. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen erfolgt: - mittels Erhitzens in einem Ofen; oder - durch Bestrahlung mittels NIR-Strahlung; oder - mittels Flammglühens; oder - mittels induktiven Erhitzens.Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the heating is carried out: - by means of heating in an oven; or - by irradiation by means of NIR radiation; or - by means of flame annealing; or - by means of inductive heating. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen durch Bestrahlen mittels eines Laserstrahls (10) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heating takes place by irradiation with a laser beam (10). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass - zum Erwärmen ein Laserstrahl (10) verwendet wird, der von derjenigen Laserquelle erzeugt wird, die auch den Laserstrahl (10) zum Schmelzen des Pulverstrahls (10) erzeugt; oder dass - zum Erwärmen ein Laserstrahl verwendet wird, der von einer Laserquelle erzeugt wird, die von derjenigen Laserquelle verschieden ist, die den Laserstrahl (10) zum Schmelzen des Pulverstrahls (10) erzeugt.procedure after claim 6 , characterized in that - a laser beam (10) is used for heating, which is generated by that laser source which also generates the laser beam (10) for melting the powder jet (10); or that - a laser beam is used for heating, which is generated by a laser source that is different from the laser source that generates the laser beam (10) for melting the powder jet (10). Vorrichtung zum Bearbeiten eines Rohlings (1), insbesondere gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - mit einer Pulverstrahl-Quelle zum Erzeugen eines auf den Rohling treffenden Pulverstrahls (11) aus einem Werkstoff; - mit einer Laserstrahl-Quelle zum Erzeugen eines auf den Rohling (1) treffenden Laserstrahls (10); - mit einer Heizeinrichtung zum Vorwärmen des Rohlings (1).Device for processing a blank (1), in particular according to the method according to one of the preceding claims, - With a powder jet source for generating a powder jet (11) made of a material and striking the blank; - With a laser beam source for generating a laser beam (10) striking the blank (1); - With a heating device for preheating the blank (1). Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung zum Erwärmen des Rohlings auf eine Temperatur zwischen 250°C und 450°C beträgt.device after claim 8 , characterized in that the heating means for heating the blank to a temperature between 250°C and 450°C. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeirichtung umfasst oder ist: - einen Ofen zum Erhitzen; oder - eine Vorrichtung zum induktiven Erhitzen; oder - eine NIR-Strahlungsquelle zum Erzeugen von NIR-Strahlung; - Laserlicht-Strahlungsquelle zum Erzeugen von Laserlicht.device after claim 8 or 9 , characterized in that the heating means comprises or is: - an oven for heating; or - a device for inductive heating; or - an NIR radiation source for generating NIR radiation; - Laser light radiation source for generating laser light.
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