DE1295960B

DE1295960B - Method and device for applying metallic coating materials to the surfaces of workpieces

Info

Publication number: DE1295960B
Application number: DE1965G0042901
Authority: DE
Inventors: Grisebach Hans-Theodor
Original assignee: Gewerkschaft Eisenhutte Westfalia GmbH
Current assignee: Gewerkschaft Eisenhutte Westfalia GmbH
Priority date: 1965-02-22
Filing date: 1965-02-22
Publication date: 1969-05-22

Description

Es ist bereits bekannt, Werkstücke, insbesondere aus Metall in der Weise mit einem überzug zu versehen, daß ein Metallpulvergemisch dem Gasstrom eines Schweißbrenners zugemischt wird. Bei .der Behandlung des Werkstücks mit der Schweißbrennerflamme wird dann das Metallpulver so weit erhitzt, daß es sich mit dem ebenfalls erhitzten Werkstück verbindet. Dieses überzugsverfahren hat den Vorteil, daß die überzugsschicht beliebig stark gewählt werden kann. Sie kann also örtlich verschieden sein und läßt sich mühelos den jeweiligen Beanspruchungen anpassen.It is already known to work pieces, in particular made of metal in the Way to provide with a coating that a metal powder mixture the gas stream one Welding torch is admixed. When treating the workpiece with the welding torch flame the metal powder is then heated so far that it is also heated with the Workpiece connects. This coating method has the advantage that the coating layer can be chosen arbitrarily strong. So it can be locally different and leaves effortlessly adapt to the respective demands.

Weiterhin ist noch ein Wirbelsinterverfahren bekanntgeworden, mit welchem ein Kunststoffüberzug auf beliebige Gegenstände aufgebracht werden kann.Furthermore, a fluidized bed sintering process has become known with which a plastic coating can be applied to any object.

Die bekannten Verfahren bieten grundsätzlich nur die Möglichkeit, den Überzug großflächig und allenfalls mit verlaufenden Konturen aufzubringen. Eine scharfrandige Begrenzung ist dagegen nicht möglich.The known methods basically only offer the possibility to apply the coating over a large area and possibly with running contours. One sharp-edged delimitation, on the other hand, is not possible.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Auftragen von vorwiegend metallischen überzugsmaterialien auf Oberflächen von Werkstücken mit Hilfe einer flächenförmig begrenzt wirkenden Hitzequelle. Dabei wird ein vorher großflächig aufgetragenes Pulver gemeinsam mit dem Oberflächenmaterial des Werkstücks auf Schmelz- oder Sintertemperatur erhitzt. Dadurch wird die gewollte Verbindung zwischen dem Auftragsmaterial und dem Werkstück erreicht.The invention relates to a method for applying predominantly metallic coating materials on surfaces of workpieces with the help of a planar limited acting heat source. A previously large area applied powder together with the surface material of the workpiece on the melting or heated to sintering temperature. This creates the desired connection between the Application material and the workpiece reached.

Der Kern der Erfindung besteht darin, daß das örtlich begrenzte Niederschmelzen des großflächig aufgetragenen überzugsmaterials durch Laserstrahlen erfolgt. Dabei wird die Einwirkungsdauer eines jeden bestrahlten Flächenabschnittes über die Relativgeschwindigkeit des Strahls zur Oberfläche geregelt.The essence of the invention is that the localized melting down of the coating material applied over a large area is carried out by laser beams. Included the duration of action of each irradiated area section via the relative speed of the beam to the surface.

Wenn der Überzug flächig aufgetragen werden soll, dann wird der die Erhitzung bewirkende Laserstrahl so gesteuert, daß er nacheinander in einer Vielzahl paralleler Linien die zu behandelnde Fläche auf ihrer ganzen Ausdehnung überstreicht. Es kann aber auch durch entsprechende Führung der Hitzequelle erreicht werden, daß der Werkstoffauftrag gegebenenfalls musterartig auf scharfrandig begrenzten Flächen bewirkt wird.If the coating is to be applied over a large area, then it will be the Heating-effecting laser beam controlled so that he successively in a variety parallel lines sweeps the area to be treated over its entire extent. But it can also be achieved by appropriate guidance of the heat source that the application of material, if necessary, in a pattern on areas with sharp edges is effected.

Besonders einfach ist es, zylindrische Werkstücke in der beschriebenen Weise zu behandeln. Dabei kann wahlweise die Laserstrahlquelle ortsfest angeordnet sein, wobei dann das zylindrische Werkstück rotieren muß. Wenn dabei zugleich eine axiale Verschiebung der Laserstrahlquelle gegenüber dem Werkstück erfolgt oder umgekehrt, so bestreicht der Laserstrahl nach und nach schraubenlinienförmig eine Fläche des Werkstücks. Die aufeinanderfolgenden Windungen dieser Fläche können unmittelbar aneinanderschließen, so daß zum Schluß eine zusammenhängende zylindrische Verstärkungsfläche vorliegt. Wenn die einzelnen Windungen des Laserstrahls in einem gewissen Abstand voneinander liegen, dann ergibt sich eine schraubenlinienförmige Verstärkungszone, wie sie für Sonderzwecke erwünscht sein mag.It is particularly easy to produce cylindrical workpieces in the described Way to treat. The laser beam source can optionally be arranged in a stationary manner be, in which case the cylindrical workpiece must rotate. If at the same time a axial displacement of the laser beam source compared to the workpiece or vice versa, the laser beam gradually sweeps across a surface of the Workpiece. The successive turns of this surface can be immediate join together, so that at the end a coherent cylindrical reinforcing surface is present. When the individual turns of the laser beam at a certain distance are from each other, then there is a helical reinforcement zone, as it may be desired for special purposes.

Selbstverständlich können gleichzeitig auch mehrere Laserstrahlquellen vorgesehen sein, die parallel zueinander arbeiten. Dadurch wird die Behandlungsdauer der zu verstärkenden oder vergütenden Werkstücke entsprechend verringert.Of course, several laser beam sources can also be used at the same time be provided that work in parallel with each other. This will increase the duration of treatment the workpieces to be reinforced or to be remunerated are reduced accordingly.

Eine gemäß der Erfindung aufgebrachte zylindrische Werkstoffauflage hat den Vorteil, daß die erzielte Oberfläche bereits so glatt ist, daß auf eine Nacharbeit in der Regel verzichtet werden kann. Das ist vor allen Dingen dann von besonderer Bedeutung, wenn die Auftragsschicht so hart ist, daß eine nachträgliche Bearbeitung schwierig ist.A cylindrical material layer applied according to the invention has the advantage that the surface achieved is already so smooth that on one Rework can usually be dispensed with. This is above all of then of particular importance if the application layer is so hard that a subsequent one Editing is difficult.

Das beschriebene Verfahren kann beispielsweise vorteilhaft im Druckkesselbau und immer dort Anwendung finden, wo es darum geht, unterschiedliche Materialeigenschaften durch Verbinden von Materialschichten unterschiedlicher Eigenschaften auszunutzen. So ist es beispielsweise auch möglich, die Hitzebeständigkeit von Kesselrohren an der Außenseite und die Korrosionsbeständigkeit derselben an der Innenseite zu erhöhen. Durch das Auftragen wicklungsartiger Streifen, die durch Drehen des Werkstücks und gleichzeitiges Verschieben des Laserstrahls und/oder des Werkstücks erzeugt werden, lassen sich auch auf kugelige Behälter u. dgl. ähnliche Verstärkungen aufbringen, wie diese mit den bekannten Stahldrahtwicklungen im Druckbehälterbau erzielt werden. Die Vorspannung der Stahldrahtwicklung wird :durch die unterschiedlichen Schrumpfungseigenschaften einer aufgebrachten Wicklung und dem Behältermaterial erzielt.The method described can, for example, be advantageous in pressure vessel construction and are always used wherever different material properties are required by connecting layers of material with different properties. For example, it is also possible to check the heat resistance of boiler tubes the outside and the corrosion resistance of the same on the inside. By applying winding-like strips that are created by rotating the workpiece and simultaneous shifting of the laser beam and / or the workpiece are generated, similar reinforcements can also be applied to spherical containers and the like, how this can be achieved with the well-known steel wire windings in pressure vessel construction. The pre-tension of the steel wire winding is: Due to the different shrinkage properties an applied winding and the container material achieved.

Die durch Laserstrahlen ermöglichte Erhitzung punktförmiger Zonen irgendeines Werkstückes ist so groß, daß nur sehr schnelle Bewegungen ein Verdampfen des Auftragsmaterials verhindern können. Das hat zur Folge, daß eine Verstärkung oder Oberflächenvergütung nach dem Verfahren gemäß der Erfindung sehr schnell durchführbar ist.The heating of point-shaped zones made possible by laser beams any workpiece is so large that only very fast movements cause evaporation of the application material. This has the consequence that a reinforcement or surface finishing according to the method according to the invention can be carried out very quickly is.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 schematisch im Prinzip eine Beschichtungsanlage mit bewegtem Laserstrahl, F i g. 2 eine Beschichtungsanlage, bei welcher das Werkstück rotiert, F i g. 3 die Möglichkeit einer Musterbeschichtung. Gemäß F i g. 1 der Zeichnung sendet ein Laserstrahlgeber 10 einen Laserstrahl 11 aus, der gegen die Oberfläche eines Werkstücks 12 gerichtet ist und dort in dem Punkt 13 auftrifft.Two exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing. It shows F i g. 1 schematically, in principle, a coating system with a moving laser beam, F i g. 2 a coating system in which the workpiece rotates, FIG. 3 the Possibility of a sample coating. According to FIG. 1 of the drawing sends a laser beam transmitter 10 a laser beam 11 which is directed against the surface of a workpiece 12 and occurs there at point 13.

Zuvor ist auf die Fläche 14 des Werkstücks 12 das aufzutragende und aufzuschweißende Material, vorwiegend ein Metallpulver oder Metallpulvergemisch aufgebracht.Before that, the surface 14 of the workpiece 12 is to be applied and Material to be welded on, predominantly a metal powder or metal powder mixture upset.

Um diese Pulverschicht aufzuschweißen, wird der Laserstrahl 11 durch eine beliebige Steuereinrichtung in Pfeilrichtung hin- und herbewegt, wobei nach jedem Durchgang des Strahls entweder das Werkstück um einen geringen Betrag angehoben oder der Laserstrahl 11 abgesenkt wird. Insgesamt ergibt sich so eine Vielzahl zeilenartiger paralleler Schweißzonen, die in ihrer Gesamtheit die gewollte flächenmäßige Abdeckung der Fläche 14 mit dem aufgeschweißten Auftragsmaterial ergeben. Die Steuerung kann dabei beliebig auf mechanischem, elektromagnetischem oder sonstigem Wege erfolgen. Die Eindringtiefe wird durch Regelung der Relativgeschwindigkeit gesteuert.In order to weld on this powder layer, the laser beam 11 is moved back and forth in the direction of the arrow by any control device, with either the workpiece being raised by a small amount or the laser beam 11 being lowered after each passage of the beam. Overall, this results in a multitude of line-like parallel welding zones which, in their totality, result in the desired areal coverage of the surface 14 with the welded-on application material. The control can take place in any mechanical, electromagnetic or other way. The depth of penetration is controlled by regulating the relative speed.

Wie F i g. 2 zeigt, kann in gleicher Weise auch ein rotierender Körper 15 auf seiner Außenseite 16 oder aber auch auf seiner Innenseite 17 behandelt werden. Das Werkstück 15 steht dabei auf dem Drehtisch 18. Der Drehtisch 18 kann seinerseits heb- und senkbar sein, wie durch den Doppelpfeil 19 angedeutet wird. Der Laserstrahlgeber 10 kann dann ortsfest angeordnet sein. Auch eine Steuerung der Richtung des Laserstrahls 11 ist entbehrlich. Wenn das Werkstück 15 rotiert und gleichzeitig in der Pfeilrichtung 19 angehoben wird, dann wandert der Punkt 13, an welchem der Laserstrahl auf die Außenfläche 16 trifft, nach und nach in Form einer Schraubenlinie über die ganze Außenseite des Zylinders, bis schließlich ein zusammenhängender zylindrischer Auftragsmantel 20 aufgeschweißt ist. Ähnlich verläuft die Auftragsschweißung im Innern des Zylinders 15, wobei ein Laserstrahlgeber 10 a Anwendung findet, der seinerseits in Richtung des Doppelpfeiles 21 hin-und herbeweglich ist. Der Laserstrahl 11 a desselben überstreicht mit seinem Auftreffpunkt 13 a nach und nach die ganze Innenseite 17 unter Bildung eines Auskleidungsmantels 20 a.Like F i g. 2 shows, a rotating body 15 can also be treated in the same way on its outside 16 or also on its inside 17. The workpiece 15 stands on the turntable 18. The turntable 18 can in turn be raised and lowered, as indicated by the double arrow 19. The laser beam generator 10 can then be arranged in a stationary manner. Control of the direction of the laser beam 11 is also unnecessary. When the workpiece 15 rotates and is simultaneously lifted in the direction of the arrow 19, the point 13 at which the laser beam hits the outer surface 16 gradually moves in the form of a helix over the entire outside of the cylinder until finally a coherent cylindrical application jacket 20 is welded on. The build-up welding runs similarly in the interior of the cylinder 15, a laser beam generator 10 a being used, which in turn can be moved back and forth in the direction of the double arrow 21. The laser beam 11 a of the same sweeps with its point of impact 13 a gradually over the entire inside 17 to form a lining jacket 20 a.

F i g. 3 der Zeichnung zeigt ein rautenförmiges Muster 22 auf der einen Seite eines Werkstücks 23. Erfindungsgemäß kann die Verstärkungs- oder Vergütungsauflage ohne weiteres in Form dieser oder einer ähnlichen Musterung dadurch auf einem beliebigen Werkstück aufgetragen werden, daß ein als Wärmequelle benutzter Laserstrahl in Form eines entsprechenden Musters über die Fläche hinweggeführt wird, nachdem zuvor das Auftragsmaterial als Pulver auf die zu behandelnde Fläche aufgebracht wurde.F i g. 3 of the drawing shows a diamond-shaped pattern 22 on one side of a workpiece 23. According to the invention, the reinforcement or compensation layer can easily be applied in the form of this or a similar pattern to any workpiece that a laser beam used as a heat source in the form of a corresponding Pattern is passed over the surface after the application material has previously been applied as a powder to the surface to be treated.

Durch die Möglichkeit, einen Laserstrahl nicht nur in seiner Richtung zu steuern, sondern ihn auch gelegentlich zu unterbrechen, lassen sich auch punktförmige, strichförmige oder sonstige Auftragszonen erstellen. Das kann beispielsweise in der Elektroindustrie von großem Vorteil sein, bei der Verschmelzung von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen, wie Glas, Keramik od. dgl. Die Hitzeeinwirkung durch den Laserstrahl ist eng begrenzt, so daß sich entsprechend schmale Schmelzzonen ergeben, die als Leiter dienen können.With the possibility of a laser beam not just in its direction to control it, but also to interrupt it occasionally, punctiform, Create line-shaped or other application zones. For example, this can be done in the electrical industry will be of great advantage in the fusion of metallic and non-metallic materials such as glass, ceramics or the like. The effect of heat by the laser beam is narrowly limited, so that there are correspondingly narrow melt zones that can serve as a ladder.

Claims

Claims: 1. Method for applying metallic coating materials on the surfaces of workpieces with the help of a planar limited acting Heat source through which a metal powder previously applied over a large area together heated to melting or sintering temperature with the surface material of the workpiece is characterized by the use of laser beams as a heat source, wherein the duration of action of each irradiated surface section via the relative speed is regulated from the beam to the surface.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the application of pattern-like delimited coating areas by appropriate Guidance of the laser beam generator is regulated in relation to the workpiece.

3. Procedure according to claim 1 for applying a metallic coating to a cylindrical Workpiece, characterized in that the cylindrical workpiece opposite one stationary laser beam generator is set in rotation.

4. Apparatus for performing the method according to claim 3, characterized in that the cylindrical workpiece (15) is carried by a rotating device (18) and the laser beam source (10,10 a) or the workpiece (15) parallel to the axis of the cylinder ( 15) can be moved.