DE19622471A1 - Verfahren und Einrichtung zum Synchronbeschichten mit einer Bearbeitungsoptik zur Laseroberflächenbearbeitung - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zum Synchronbeschichten mit einer Bearbeitungsoptik zur Laseroberflächenbearbeitung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Synchronbeschichten mit einer Bearbeitungsoptik zur Laserober­ flächenbearbeitung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Das Verfahren und die Einrichtung werden zum lasergestützten Oberflächenbeschichten eingesetzt.
Beim Beschichten wird durch Zuführung von Fremdstoffen die Zusammensetzung der Randschicht verändert. Wird der Schicht­ werkstoff pulverförmig in den Schmelzprozeß eingebracht, so wird neben einer geeigneten strahlformenden Optik eine Einrichtung zur Dosierung und Zuführung des Pulvers benötigt.
Es ist bekannt, daß die Bearbeitungsergebnisse von Hochleistungs­ lasern beim Oberflächenbeschichten mit Schwingspiegeloptiken maßgeblich davon abhängen, daß ausschlaggebende Bearbeitungsgrößen wie die schwingende Bewegung von Pulverzufuhrdüse und Laserstrahl relativ zueinander gesteuert werden. ("Materialbearbeitung durch Laserstrahl", Handbuch für Ausbildung und Praxis, Düsseldorf: Dt. Verl. für Schweißtechnik, DSV-Verlag 1993).
Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung vorzuschlagen, mit denen direkt an einer entsprechend erfindungs­ gemäß gestalteten Bearbeitungsoptik die wesentlichen Größen: Scanningfigur, Vorschubgeschwindigkeit und Schwingverhalten der Pulverdüse derart miteinander abgestimmt werden, daß einzelne Beschichtungsspuren orthogonal zur Beschichtungsrichtung erzeugt werden können.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, wodurch Auftragsraupen unterschiedlicher Breite und Länge orthogonal zur Vorschubrichtung derart hintereinander gelegt werden, daß eine in Grenzen variable Beschichtungsfläche entsteht.
Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe die Frequenz des Schwingspiegels an die Scanningfrequenz der Pulverdüse unter Einhaltung einer festen Phasenbeziehung angepaßt (Synchrones Bearbeitungsregime). Die Scanningfigur (Figur, die der Laserstrahl in der Ebene beschreibt) ist an die Vorschubgeschwindigkeit anzupassen.
Die Strahlformung erfolgt mit Hilfe einer Schwingspiegeloptik, bestehend aus Fokussier- und Schwingspiegel. Der Zusatzwerkstoff wird gravitorisch über eine bewegliche Düse oder evtl. unter Schutzgas zugeführt.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, in denen eine Beschichtungsfläche durch Nebeneinanderlegen von Beschichtungsspuren in Bearbeitungsrichtung erfolgt, sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere durch die Möglichkeit auszeichnet, Eigenspannungszustand und Energieeintrag und damit Werkstoffzustände in großen Grenzen zu variieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 : den schematischen Aufbau einer Laser-Bearbeitungs­ einrichtung
Fig. 2 Seitenansicht einer Laser-Bearbeitungseinrichtung
Fig. 3 Frontansicht einer Laser-Bearbeitungseinrichtung
Fig. 4 Draufsicht einer Laser-Bearbeitungseinrichtung.
In Fig. 1 wird der prinzipielle Aufbau einer Laser-Bearbeitungs­ einrichtung zum Beschichten mit der erfindungsgemäßen Bearbeitungs­ optik dargestellt. Als Energiequelle dient hier ein Hochleistungs­ laser, ein CO₂-Laser 1. Der Laserstrahl wird über ein Strahl­ führungssystem 2 zur Bearbeitungsoptik, bestehend aus strahlfor­ mender Optik 3 und Pulverdosator 4, geführt.
Der Laserstrahl trifft nach Passieren der Eintrittsöffnung 5 auf den Fokussierspiegel 6. Der Fokussierspiegel 6 realisiert eine 90° Umlenkung der Laserstrahls zum Schwingspiegel 7. Dieser lenkt den Strahl wiederum um 90° auf die Werkstückoberfläche 8 um. Der Pulverstrom folgt vom Bevorratungsbehälter 9 über eine nicht näher dargestellte Pulverfördereinrichtung zur höhenverstellbaren Pulverdüse 10.
Die Bearbeitungsoptik ist in den Fig. 2-4 im Detail gezeigt; sie ist derart ausgeführt, daß der Laserstrahl in ihr zweimal umgelenkt wird. Der Schwingspiegel 7 realisiert bei einer Brennweite des Fokussierspiegels 6 von 350 mm Amplituden der Strahlauslenkung in x-Richtung von maximal 20 mm und in y-Richtung von maximal 5 mm. Innerhalb dieses Bearbeitungsfeldes sind praktisch beliebige Energieverteilungen einstellbar.
Bezugszeichenliste
1 Hochleistungslaser
2 Strahlführungssystem
3 Strahlumformende Optik
4 Pulverdosator
5 Eintrittsöffnung
6 Fokussierspiegel
7 Schwingspiegel
8 Werkstückoberfläche
9 Bevorratungsbehälter
10 höhenverstellbare Pulverdüse

Claims (5)

1. Verfahren zum Synchronbeschichten mit einer Bearbeitungsoptik zur Laseroberflächenbearbeitung mit strahlformenden Optiken und Pulver, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingspiegel (7) und eine Pulverdüse (10) derart gesteuert werden, daß Beschichtungsspuren orthogonal zur Vorschubrichtung erzeugt werden und daß der Energie­ eintrag in das Werkstück über die Breite der Auftragschicht variabel gestaltbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Scanningfigur, deren Geometrie an die Vorschubgeschwindigkeit angepaßt ist, unterschiedliche Schichtgeometrien realisierbar sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiequelle ein Hochleistungslaser (1), vorzugsweise einen CO₂-Laser eingesetzt wird, daß der Laserstrahl über ein Strahlführungs­ system (2) zur Bearbeitungsoptik, bestehend aus strahlformender Optik (3) und Pulverdosator (4), geführt wird, daß der Laserstrahl nach Passieren der Eintrittsöffnung (5) auf einen Fokussierspiegel (6) trifft und der Fokussierspiegel (6) eine 90° Umlenkung des Laserstrahls zum Schwingspiegel (7) realisiert und daß dieser den Strahl wiederum um 90° auf die Werkstückoberfläche (8) umlenkt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulverstrom vom Bevorratungsbehälter (9) über eine nicht näher dargestellte Pulverfördereinrichtung zur höhenverstellbaren Pulverdüse (10) geführt wird.
5. Laser-Bearbeitungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Energie­ quelle einen Hochleistungslaser (1), vorzugsweise einen CO₂-Laser, ein Strahlführungssystem (2), eine Bearbeitungsoptik, bestehend aus strahlformender Optik (3) und Pulverdosator (4), einen Fokussier-Spiegel (6), einen Schwingspiegel (7), einen Bevorratungsbehälter (9) mit einer nicht näher dargestellten Pulverfördereinrichtung und eine höhenverstellbare Pulverdüse (10) besitzt.
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