DE19912894A1 - Verfahren zur Oberflächenbeschichtung metallener Werkstücke - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Oberflächenbeschichtung metallener Werkstücke mittels thermischem Beschichten, insbesondere Laserbeschichten, bei dem ein pulver- oder drahtförmig vorliegender Zusatzwerkstoff durch thermische Einwirkung auf der Oberfläche eines zu beschichtenden Werkstücks unter Bildung eines Schmelzbades zum Schmelzen gebracht wird, wobei einem Bereich der thermischen Einwirkung wenigstens auf einen Teil des Schmelzbades gerichtetes Magnetfeld vorgesehen ist, das die Schmelze des Schmelzbades konturiert und/oder durchmischt. Die zur Erzeugung des Magnetfeldes vorgesehene Spule kann sowohl oberhalb oder unterhalb als auch seitlich des Werkstücks mit der Spulenlängsachse parallel bzw. senkrecht zu der zu beschichtenden Oberfläche angeordnet sein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflä­ chenbeschichtung metallener Werkstücke mittels thermischem Be­ schichten, insbesondere Laserbeschichten.

Das sogenannte Laserbeschichten (auch Laserstrahlbeschichten oder Laserauftragschweißen genannt) ist ein thermisches Be­ schichtungsverfahren, bei dem durch thermische Einwirkung mit­ tels eines Laserstrahls auf einem metallenen Werkstück ein Schmelzbad erzeugt wird, dem beim einstufigen Prozeß ein pul­ ver- oder drahtförmiger Zusatzwerkstoff zur Beschichtung des metallenen Werkstücks zugegeben wird. Der Zusatzwerkstoff und das Schmelzbad werden vor dem Sauerstoff der umgebenden Atmo­ sphäre durch einen Schutzgasmantel geschützt. Nachteilig beim Laserbeschichten ist, daß Binde- oder Gefügefehler auftreten können. Ein typischer Gefügefehler beim einstufigen Laserbe­ schichten ist das Auftreten von Rissen in der gebildeten Schicht, was auf die großen thermischen Spannungen während des Abkühlens und/oder die Versprödung der Schichten zurückzufüh­ ren ist. Eine Möglichkeit, die Bildung solcher Risse zu ver­ meiden, ist das simultane Vor- und Nachwärmen mit einem zwei­ ten, stark defokussierten Laserstrahl. Aus dem Artikel "Induk­ tiv unterstütztes Laserauftragschweißen" von Brenner et al. HTM 1997, 221, ist bekannt, das zu beschichtende Werkstück ei­ ner induktiven Kurzzeitwärmebehandlung zur Vorwärmung zu un­ terziehen. Bei bekannten Laserbeschichtungsverfahren ist des weiteren als nachteilig festzuhalten, daß die Form und Geome­ trie der aufgebrachten Schicht nur in beschränktem Maße durch die Prozeßparameter beeinflußt werden kann.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Oberflächenbeschichtung metallener Werkstüc­ ke bereitzustellen, mit dem die vorstehend aufgeführten Nach­ teile bekannter Laserbeschichtungsverfahren behoben werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Oberflächen­ beschichtung metallener Werkstücke mit den Merkmalen des An­ spruches 1 vorgeschlagen.

Durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines im Bereich der ther­ mischen Einwirkung wenigstens auf einen Teil des Schmelzbades gerichteten Magnetfelds wird der Beschichtungsprozeß unter­ stützt, indem die das Schmelzbad bildende Schmelze besser durchmischt wird und in der Schmelze eingeschlossene Poren ausgasen können. Des weiteren erfolgt eine homogenere Vertei­ lung und Modifizierung der Erstarrungsbedingungen der zuge­ führten Stoffe in der Schmelze, so daß eine veränderte Gefü­ gestruktur in der Schicht erreicht wird. Weiterhin ist durch das auf das Schmelzbad gerichtete Magnetfeld eine Konturierung der Schmelze des Schmelzbades und somit eine Beeinflußung der Schichtgeometrie möglich.

In Ausgestaltung der Erfindung verläuft die Orientierung des Magnetfelds im wesentlichen parallel oder im wesentlichen senkrecht zu der zu beschichteten Oberfläche.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Magnetfeld durch mindestens eine oberhalb (auf der Seite der thermischen Einwirkung) oder unterhalb des Werkstücks angeordnete Spule erzeugt.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Spule im wesentlichen parallel zu der zu beschichtenden Ober­ fläche des Werkstücks angeordnet.

In anderer Ausgestaltung der Erfindung ist die Spule im we­ sentlichen senkrecht zu der zu beschichtenden Oberfläche des Werkstücks angeordnet.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend 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.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Fig. 1 zeigt in seitlicher Ansicht eine Anordnung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit parallel zu der zu beschichtenden Oberfläche eines Werkstücks angeordneten Magnetfeldspulen.

Fig. 2 zeigt in Frontansicht eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit senkrecht zu der zu beschichtenden Oberfläche eines Werkstücks angeord­ neten Magnetfeldspulen.

Fig. 1 zeigt eine erste Anordnung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächenbeschichtung eines me­ tallenen Werkstückes 10. Die Anordnung umfaßt eine stark sche­ matisch dargestellte Laseroptik 12, mit der ein Laserstrahl 14 auf die zu beschichtende Oberfläche 16 des Werkstücks 10 ge­ richtet wird. Der Laserstrahl 14 erwärmt im Bereich seines Auftreffens die Oberfläche 16 des Werkstücks 10, wodurch ein Schmelzbad 30 gebildet wird.

Über einen zentralen Pulverkanal 22 einer Düse 18 wird ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff 20 auf die Oberfläche 16 des Werkstücks 10 im Bereich des Auftreffens des Laserstrahls 14 in das Schmelzbad 30 zugeleitet. Durch einen den zentralen Pulverkanal 22 der Düse 18 kreisringförmig umgebenden Gaskanal 26 wird des weiteren ein Schutzgas zur Bildung eines den Zu­ satzwerkstoff 20 und das Schmelzbad 30 umgebenden Schutzgas­ mantels 24 zugeleitet.

Das Werkstück 10 wird im Sinne des eingezeichneten Pfeiles P unter dem Laserstrahl 14 wegbewegt, so daß sich nach Erkalten des Schmelzbades 30 auf der Oberfläche des Werkstücks 10 eine Schicht 32 ausbildet. Die Erfindung ist nicht auf die darge­ stellte Anordnung mit festen Laserstrahl 14 und beweglichem Werkstück 10 beschränkt. Die zwischen Laserstrahl 14 und Werk­ stück 10 notwendige Relativbewegung kann auch durch eine Bewe­ gung des Laserstrahls 14 über dem Werkstück 10 oder auch eine Bewegung des Laserstrahls 14 bei gleichzeitiger Bewegung des Werkstücks 10 erzielt werden.

Fig. 2 zeigt im wesentlichen die gleiche Anordnung wie die Fig. 1 aus der Frontperspektive (d. h. der Vorschub des Werk­ stücks 10 erfolgt senkrecht zur Zeichenebene), wobei aus Grün­ den der Übersichtlichkeit die Düse 18 und der zugeführte Zu­ satzwerkstoff 20 sowie der Schutzgasmantel 24 weggelassen wur­ den. Ansonsten sind gleiche Teile und Elemente mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet.

Es ergibt nun mehrere Möglichkeiten, wie Magnetfeldspulen zur Erzeugung des erfindungsgemäß auf das Schmelzbad 30 gerichte­ ten Magnetfelds angeordnet werden können. In den Fig. 1 und 2 sind vier Möglichkeiten dargestellt, die mit I bis IV bezeich­ net sind.

Bei den in der Fig. 1 dargestellten Varianten I und II handelt es sich um eine Anordnung der Magnetfeldspulen mit ihren Längsachsen senkrecht zu der zu beschichtenden Oberfläche 16 des Werkstücks 10. Die dargestellten Magnetfeldspulen weisen jeweils vier Wicklungen auf, wobei es sich hierbei nur um eine exemplarische, schematische Darstellung handelt und selbstver­ ständlich auch Magnetfeldspulen mit mehr oder weniger Wicklun­ gen verwendet werden können.

Die Magnetfeldspule M1 der Variante I ist oberhalb der zu be­ schichtenden Oberfläche 16 des Werkstücks 10 angeordnet, d. h. zwischen der Laseroptik 12 und der zu beschichtenden Oberflä­ che 16. Der von der Laseroptik 12 auf die zu beschichtende Oberfläche 16 gerichtete Laserstrahl 14 verläuft parallel zu der Längsachse der Magnetfeldspule M1 durch ihren Innenhohl­ raum. Die Magnetfeldspule M1 erzeugt ein Magnetfeld B1, das gemäß der eingezeichneten Magnetfeldlinien auf das Schmelzbad 30 gerichtet ist und im wesentlichen parallel zu dem Laser­ strahl 14 verläuft.

Die Magnetfeldspule M2 der Anordnungsvariante II ist entspre­ chend unterhalb des Werkstücks 10 angeordnet, d. h. auf der der zu beschichtenden Oberfläche 16 gegenüberliegenden Seite des Werkstücks 10. Der durch die Wicklungen der Magnetfeldspule M2 fließende Strom ist im Vergleich zu dem Stromfluß durch die Magnetfeldspule M1 der Anordnungsvariante I in die entgegenge­ setzte Richtung gerichtet, so daß das durch die Magnetfeldspu­ le M2 erzeugte Magnetfeld B2 entgegengesetzt zu dem Magnetfeld B1 der Anordnung I verläuft, aufgrund der Anordnung der Ma­ gnetfeldspule M2 auf der gegenüberliegenden Seite des Werk­ stücks 10 jedoch ebenfalls auf das Schmelzbad 30 gerichtet ist.

Die in der Fig. 2 dargestellten Anordnungsvarianten III und IV zeigen Magnetfeldspulen M3 bzw. M4, die mit ihren Längsachsen parallel zu der zu beschichtenden Oberfläche 16 des Werkstücks 10 zu beiden Seiten des Werkstücks 10 angeordnet sind. Der Stromfluß durch die Wicklungen der Magnetfeldspulen M3 und M4 ist jeweils so gewählt, daß die durch die beiden Spulen M3 und M4 erzeugten Magnetfelder B3 bzw. B4 jeweils auf die Schmelze des Schmelzbads 30 gerichtet sind.

Durch das erfindungsgemäß auf das Schmelzbad gerichtete Ma­ gnetfeld wird ein Stromfluß induziert und dadurch eine Lorenz­ kraft erzeugt, die zum einen die Geometrie des Schmelzbades beeinflußt und damit eine Konturierung der Schmelze bewirkt und zum anderen eine Durchmischung der Legierungskomponenten der Schmelze bewirkt. Durch ein konstantes oder wechselndes Magnetfeld wird die Schmelzbadbewegung und die Erstarrung der­ art beeinflußt, daß eine Gefügeveränderung oder Konturierung erzielt wird.

Die Anordnung der das Magnetfeld erzeugenden Spule wird dabei abhängig von der gewünschten Konturierung gewählt. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten vier Möglichkeiten der Anordnung können dabei sowohl alternativ als auch gleichzeitig reali­ siert werden. Darüber hinaus kann eine Durchmischung der Schmelzlegierung des Schmelzbades durch Beaufschlagen der Ma­ gnetfeldspule(n) mit Wechselstrom zur Erzeugung von Wechsel­ feldern unterstützt werden.

Selbstverständlich sind die möglichen Anordnungen der Spulen zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Magnetfeldes nicht auf die vorstehend geschilderten Anordnungen beschränkt. Je nach Ge­ stalt und Zugänglichkeit des zu beschichteten Werkstückes sind andere Anordnungen möglich bzw. notwendig. Bei eingeschränkten Platzverhältnissen kann die magnetfelderzeugende Spule vor­ zugsweise an oder in der Düse zur Zufuhr des Zusatzwerkstoffes angeordnet sein.

Des weiteren kann zur Verstärkung der durch die Magnetfelder erzielten Effekte zusätzlich zu dem in dem Schmelzbad indu­ zierten Strom ein weiterer Strom angelegt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit ein beim Laser­ beschichten erzeugtes Schmelzbad vorteilhaft beeinflußt wer­ den, indem es konturiert wird und die die Schmelzlegierung des Schmelzbades bildenden Stoffe besser durchmischt werden. Dar­ über hinaus wird der Beschichtungsprozeß an sich auch erleich­ tert, denn die Ausrichtung der zu beschichtenden Oberfläche des Werkstückes muß nicht mehr unbedingt horizontal sein, da durch die Einwirkung der erfindungsgemäß vorgesehenen Magnet­ felder das Schmelzbad entgegen der Schwerkraftwirkung auch auf einer geneigten Oberfläche in einer gewünschten Position fi­ xiert werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur Oberflächenbeschichtung metallener Werkstücke (10) mittels thermischem Beschichten, insbesondere Laserbe­ schichten, bei dem ein pulver- oder drahtförmig vorliegender Zusatzwerkstoff (20) durch thermische Einwirkung auf der Ober­ fläche (16) eines zu beschichtenden Werkstückes (10) unter Bildung eines Schmelzbades (30) zum Schmelzen gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Bereich der thermischen Einwirkung wenigstens auf einen Teil des Schmelzbades (30) gerichtetes Magnetfeld (B1, B2, B3, B4) vorgesehen ist, das die Schmelze des Schmelzbades (30) konturiert und/oder durchmischt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Orientierung des Magnetfelds (B1, B2, B3, B4) im wesentlichen parallel oder im wesentlichen senkrecht zu der zu beschichten­ den Oberfläche (16) des Werkstücks (10) verläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (B1, B2) durch mindestens eine auf der Sei­ te der thermischen Einwirkung oder auf der entgegengesetzten Seite des Werkstücks (10) angeordnete Spule (M1, M2) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (M1, M2) im wesentlichen parallel zu der zu beschichten­ den Oberfläche (16) des Werkstücks (10) angeordnet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Magnetfeld (B3, B4) durch eine seitlich des Werkstücks (10) angeordnete Spule (M3, M4) erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (M3, M4) im wesentlichen senkrecht zu der zu beschich­ tenden Oberfläche (16) des Werkstücks (10) angeordnet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule an oder in einer Düse (18) zur Zufuhr des Zusatzwerk­ stoffes (20) angeordnet ist.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (M1, M2, M3, M4) mit Gleichstrom beaufschlagt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spule (M1, M2, M3, M4) mit Wechselstrom be­ aufschlagt wird.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle zur thermischen Einwirkung ein Laserstrahl (14) ist.