EP4065308A1 - VORRICHTUNG ZUM LASERAUFTRAGSCHWEIßEN MIT MEHREREN LASERAUFTRAGSCHWEIßKÖPFEN - Google Patents

VORRICHTUNG ZUM LASERAUFTRAGSCHWEIßEN MIT MEHREREN LASERAUFTRAGSCHWEIßKÖPFEN

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Publication number
EP4065308A1
EP4065308A1 EP20824440.0A EP20824440A EP4065308A1 EP 4065308 A1 EP4065308 A1 EP 4065308A1 EP 20824440 A EP20824440 A EP 20824440A EP 4065308 A1 EP4065308 A1 EP 4065308A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
welding
component
layer
heads
Prior art date
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Pending
Application number
EP20824440.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Phillip Utsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HPL Technologies GmbH
Original Assignee
HPL Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HPL Technologies GmbH filed Critical HPL Technologies GmbH
Publication of EP4065308A1 publication Critical patent/EP4065308A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0823—Devices involving rotation of the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a device for laser deposition welding with a plurality of laser deposition welding heads and a method for operating such a device.
  • Laser deposition welding is a process for surface treatment (e.g. coating, repair) and for additive manufacturing of components with wire or powdered filler materials. Due to the greater robustness with regard to adjustment errors in the process equipment and the greater flexibility in the selection of materials, powdered filler materials are predominantly used.
  • the powder is introduced into a melt pool generated by a laser beam on a surface of a component at a defined angle by means of a powder nozzle.
  • part of the laser radiation is absorbed by the powder.
  • the unabsorbed portion is (multiple) reflected or transmitted.
  • the part of the radiation absorbed by the powder particles leads to the powder particles being heated, and the part of the radiation that is transmitted creates the weld pool.
  • the particles of the filler material are solid and / or partially or completely liquid before entering the weld pool.
  • the material of the melt pool moves out of the area of influence of the laser radiation and solidifies to form a layer.
  • the prerequisite for the production of defect-free, melt-metallurgically bonded layers is to provide process heat that is sufficient to initiate a temperature-time cycle that ensures both the substrate and the filler material melt.
  • further process parameters e.g. feed speed, track spacing, beam diameter, material feed, etc.
  • the powder can be injected laterally or coaxially into the weld pool.
  • feed speeds ie relative speeds of the component in relation to the laser beam, typically between 0.2 m / min and 2 m / min can be achieved.
  • the supplied material is melted above the surface by means of a correspondingly focused laser beam with high power, so that it already reaches the melt pool on the surface of the component in the melted state, which means that the component can be processed more quickly further increased feed speeds in the range> 150 m / min.
  • the surface rate is now higher (thus the coating time is shorter) than with the conventional method, but the high cooling rates as a result of the increased feed rate favor crack formation (stress cracks due to shrinkage stresses).
  • EP 0 190 378 A1 discloses that faster processing of the component can be achieved by subjecting the entire component to additional thorough preheating in an oven before the treatment described above.
  • the preheating temperature of the furnace heating is up to 600 ° C. This allows the material to be applied at a feed rate of up to 5.4 m / min.
  • EP 1 285 719 A1 discloses a modified preheating process with which significantly higher feed rates can be achieved while avoiding cracks in the layer or the substrate material.
  • the workpiece is inductively heated during laser deposition welding.
  • the use of inductive preheating limits the use to components with a suitable geometry.
  • a device for laser deposition welding with a laser deposition welding unit with several laser welding heads arranged thereon for the (quasi) simultaneous application of material to a surface of a component and one or more conveyor units for supplying the laser deposition welding heads with the material to be applied and one or more laser beam sources for Supply of the laser deposition welding heads with laser radiation to carry out the laser deposition welding.
  • laser deposition welding refers to all processes in which a material passing through a laser deposition welding head in the direction of the component to be processed, for example a powdered material, is carried out by means of a laser beam, which is also guided through the material by the laser deposition welding head in the direction of the component to be processed, is melted in a melt pool generated by the laser beam on the surface of the component and is thus applied to the surface of the component, which is also melted by the laser beam.
  • the subsequently solidified material remains there as material welded to the surface.
  • the laser cladding welding head comprises, for example, optics for the laser beam and a powder feed nozzle including an adjustment unit for the material to be applied, possibly with an integrated, local protective gas feed.
  • the laser cladding unit can be arranged on a robot arm which can move the laser cladding unit as desired spatially by means of suitable travel curves.
  • the number of laser deposition welding heads is at least two here. Three, four, five or more laser deposition welding heads can therefore also be included in the laser deposition welding unit. How many laser cladding welding heads there can be in the device is usually a geometric problem and is determined by the size of the laser cladding welding heads and the component to be processed.
  • laser deposition welding head refers to the unit which, by means of the laser beam passed through it, creates a laser weld point on the surface of the component to be processed, and which melts the material that also passes through it in the laser beam on its way to the surface of the component, so that it melts when it hits is welded to the surface of the component with this.
  • the applied material can, for example, be provided in powder form for laser deposition welding. Any material suitable for laser deposition welding can be used as the material.
  • the material can comprise or consist of metals and / or metal-ceramic composites (so-called MMCs). A person skilled in the art can select the materials that are suitable for the respective laser deposition welding process.
  • the material can be fed to the laser heads from a single conveyor unit.
  • the device can, however, also comprise several conveying units, whereby the laser cladding heads can be supplied with different materials, so that the cladding tracks generated by different laser cladding heads can comprise the same or different materials, or the material can be fed to one or more laser cladding heads during the laser cladding from one conveying unit to one changed or switched over to another conveyor unit with a different material.
  • the laser radiation is provided by means of one or more laser beam sources. The person skilled in the art can select suitable laser beam sources for laser deposition welding.
  • (quasi-) simultaneous application describes the process of laser deposition welding, with separate deposition welding tracks per laser deposition welding head being applied to the surface simultaneously (in advance or after) with other deposition welding tracks by means of other laser deposition welding heads.
  • This (quasi) simultaneous application takes place at the same time, but at different positions on the component, i.e. at different locations on the component. This means that the material applied to the surface per unit of time increases proportionally with the number of laser cladding heads.
  • the separate build-up welding tracks can adjoin one another or, if necessary, at least partially overlap. If necessary, the separate build-up welding tracks can also be applied directly to one another. For example, with the device according to the invention, when machining brake disks by means of laser deposition welding, machining times that have hitherto been usual can be reduced from 3-15 minutes to less than 1 minute.
  • the device according to the invention thus enables an effective laser deposition welding process through the (quasi) simultaneous application of material by means of several laser deposition welding heads, which enables a higher deposition rate for a wide variety of materials with a shorter process time for the component than would only be possible with one laser welding head.
  • the feed rate does not need to be increased compared to known methods, which improves the quality of the applied layer and helps to avoid layer defects such as crack formation by means of a process-appropriate feed rate.
  • the laser deposition welding heads each generate a laser welding point on the surface of the component and adjacent laser welding points have a first offset to one another perpendicular to a feed direction of the laser welding points on the surface of the component.
  • the term “on the surface of the component” refers to the current surface of the component at the point in time when the respective laser welding point passes over the surface.
  • the surface of the component does not need to be the original surface of the component before the start of the laser deposition welding.
  • the surface of the component can also represent the surface of an already applied build-up weld trace or a layer of applied material, since these after completed jobs is welded to the previous surface and thus itself represents the surface of the component for subsequent build-up weld traces.
  • laser welding point describes the spatial location on the surface of the component where the melted material is applied to the surface by means of laser deposition welding.
  • the laser welding point can also be referred to as the melting area of the applied material, in which the material melted by means of laser radiation hits the surface of the component.
  • adjacent laser weld points refers to two laser weld points that produce build-up weld traces of material applied to the surface of the component, which adjoin one another and may at least partially overlap to produce a planar application of the material. Adjacent laser welding points can be generated by neighboring laser deposition welding heads.
  • Adjacent laser welding points and / or laser cladding welding heads do not necessarily designate laser welding points or laser cladding welding heads that have the smallest geometrical distance from one another, but are or generate those laser welding points that produce adjacent cladding welding tracks.
  • the preheating of the component can be controlled in a targeted manner by the at least first offset of the adjacent laser welding points to one another, which simplifies the processing of difficult-to-weld alloys or, depending on the alloy, makes it possible in the first place.
  • the post-processing effort is also reduced by the at least first offset of a suitable size.
  • the laser weld points generate build-up weld tracks with a material width along the feed direction on the surface in which the first offset of adjacent laser weld points is between 10% and 90%, preferably between 40% and 60%, particularly preferably 50%, of the material width of the build-up weld track amounts to.
  • the adjacent laser weld points on the surface of the component have a second offset to one another in the feed direction.
  • This second offset of the laser welding points can also be used to specifically control the preheating of the component, in particular in conjunction with the first offset, which further simplifies the processing of difficult-to-weld alloys or, depending on the alloy, enables it.
  • the second offset with a suitable size, in particular in conjunction with the first offset also further reduces the post-processing effort.
  • the second offset is set so that the temperature profiles induced by the laser weld points on the surface overlap to such an extent that the material in an overlapping area of adjacent build-up weld traces still has residual heat that is useful / beneficial for the process.
  • the laser welding head with the second offset to the adjacent build-up weld track can be used to remelt the adjacent build-up weld track in addition to applying its own build-up weld track.
  • the device is designed in such a way that, after a two-dimensional application of the material as a previous layer on the surface of the component, the laser cladding welding heads are guided in such a way that a further two-dimensional application of the material is carried out as a subsequent layer on the previous layer in order to Apply material as a multiple layer system.
  • multi-layer systems can be produced easily. These multilayer systems can consist of the same or different materials. Multi-layer systems can be used to produce layers with a greater layer thickness than would be possible with a single layer system, or to apply several different functional layers with a common process.
  • the application process of the subsequent layer can be used to remelt the last layer applied in the desired manner in order to modify its properties.
  • the device according to the invention can typically be used to apply layer thicknesses of 0.3 mm to 3.0 mm per layer. If greater layer thicknesses are required, this can be achieved by applying several layers of the same material on top of one another. The same applies to layers made of different materials.
  • the build-up weld traces of the subsequent layer are applied to the previous layer with a third offset perpendicular to the feed direction relative to the underlying build-up weld traces of the previous layer.
  • the contours of the individual layers can overlap in such a way that the surface of the multilayer system has a waviness less than the waviness of the individual layers, which reduces the intensity of any post-processing steps that may be necessary, such as grinding and smoothing.
  • the applied layers have a varying layer thickness with a smaller layer thickness and a larger layer thickness, the third being The offset of the build-up welding traces of superimposed layers is set so that the larger layer thicknesses of the subsequent layer are arranged above the smaller layer thicknesses of the previous layer.
  • the surface of the multilayer system can be provided with a very slight contour or a very slight surface unevenness or roughness. This makes post-processing steps such as sanding to smooth the surface of the applied material in the multi-layer system less complex or even obsolete.
  • the device is designed to supply the laser cladding welding heads with different materials for application to the surface of the component by means of suitable control of the conveyor units. This means that adjacent build-up weld tracks from different laser welding heads can consist of different materials, and different layers can be produced from different materials in a multi-layer system.
  • the control is carried out in such a way that layers of a multiple view system consist of different materials with first layers made of a first material and second layers made of a second material.
  • first layers made of a first material and second layers made of a second material.
  • the second layer can be, for example, an anti-corrosion layer made of a corrosion-resistant material for layering the properties of the first layer.
  • the second layer could also be an abrasion layer, for example for brake disks.
  • the above first and second layers themselves can each be produced as a multilayer system made up of layers of the same material in each case.
  • the laser cladding unit for executing a movement relative to the surface of the component is arranged movably in the device, preferably by means of a movement unit.
  • Components can thus be processed flexibly in terms of area by guiding the laser cladding unit over a surface, for example on a rotating surface or along a rotating shaft.
  • the laser deposition welding heads are designed to perform a Movement relative to one another movably arranged in the device, preferably by means of a laser cladding head movement unit. In this way, the individual build-up welding traces can be guided precisely relative to one another and over the surface of the component to be machined.
  • the device comprises a control unit which is set up to suitably control at least the movements of the laser cladding welding unit and / or the laser cladding welding heads and / or the conveyor units and / or the laser beam sources for performing the laser cladding, for which the control unit is suitably connected to these components is.
  • the control unit can be a software-based machine control on which a corresponding control program is installed and is executed accordingly to control the process.
  • the invention further relates to a method for operating a device according to the invention for laser deposition welding with a laser deposition welding unit with several laser deposition welding heads arranged thereon, comprising the step of (quasi) simultaneous application of material to a surface of a component.
  • the method provides an effective laser cladding process that enables a higher application rate for a wide variety of materials with a shorter process time for the component than would only be possible with a laser welding head.
  • the feed rate does not need to be increased compared to known methods, which improves the quality of the applied layer and helps to avoid layer defects such as crack formation by means of a process-appropriate feed rate.
  • the laser deposition welding heads each generate a laser welding point on the surface of the component, the method comprising the further step of moving adjacent laser welding points with a first offset to one another perpendicular to a feed direction of the laser welding points on the surface of the component.
  • the method comprises the further step of moving adjacent laser welding points on the surface of the component with a second offset to one another in the feed direction.
  • the method comprises the further step of controlling at least the movements of the laser deposition welding unit and / or the laser deposition welding heads and / or the conveyor units and / or the laser beam sources for performing the laser deposition welding by means of a counter unit suitably connected to these components.
  • the method includes the further step of applying a multiple layer system to the surface of the component by means of suitable guidance of the laser cladding welding heads of the device, in which, after a two-dimensional application of the material as a previous layer on the surface of the component, another two-dimensional application of the material takes place as a subsequent layer on top of the previous layer.
  • this comprises the further step of setting a third offset perpendicular to the feed direction between build-up weld traces of the subsequent layer and underlying build-up weld traces of the previous layer so that the larger layer thicknesses of the subsequent layer are arranged above the smaller layer thicknesses of the previous layer.
  • the method comprises the further step of controlling the conveyor units for the laser deposition welding heads in such a way that the layers of the multilayer system consist of different materials with first layers made of a first material and second layers made of a second material.
  • the speed of the individual movements for the component and laser cladding heads determines, among other things, how much the neighboring cladding tracks overlap with one another.
  • the movement of the laser deposition welding heads in combination with the rotating component means that the material for this component geometry is also applied over the surface of the component.
  • the speed of the individual movements for the component and laser deposition welding heads determines, among other things, how much the neighboring deposition welding tracks overlap.
  • FIG. 2 shows a plan view of a brake disk as an example of a circular component with the dynamic behavior of the laser weld points during laser deposition welding of a device according to the invention in this embodiment with four laser deposition welding heads;
  • FIG. 3 a perspective view of a shaft as an example of a rotationally symmetrical one Component with the dynamic behavior of the laser weld points during laser deposition welding of a device according to the invention in this embodiment with three laser deposition welding heads;
  • FIG. 4 an exemplary side view of deposition weld traces applied over a large area with the device according to the invention (a) as a single layer (b) as a single layer with a larger first offset compared to FIG. 4a, and (c) of a multiple layer system; and
  • FIG. 1 shows an embodiment of the device 1 according to the invention for laser deposition welding with a laser deposition welding unit 2 with, for example, two laser deposition welding heads 3 arranged thereon for the (quasi) simultaneous application of material M onto a surface 41 of a component 4 along a respective deposition welding track MS per laser deposition welding head 3, one or more conveyor units 5 (here symbolically shown as a unit 5) for supplying the laser cladding welding heads 3 with the material M to be applied, one or more laser beam sources 6 (here symbolically shown as a unit 6) for supplying the laser cladding welding heads 3 with laser radiation L for carrying out the Laser deposition welding as well as with a control unit 7 which is set up to monitor at least the movements of the laser deposition welding unit 2 and / or the laser deposition welding heads 3 and / or the conveyor units 5 and / or the laser beam sources 6 for performing the laser deposition welding It must be controlled appropriately, for which purpose the control unit 7 is suitably connected to these components, for example via data lines or other connecting means indicated
  • the laser deposition welding head 3 comprises optics for guiding the laser radiation, a powder feed nozzle including an adjustment unit and, if necessary, a local protective gas feed. Suitable laser beam sources for laser deposition welding are known.
  • the two laser deposition welding heads 3 shown here each generate a laser welding point 31 on the original surface 41 of the component 4 or on the deposition welding track MS of the previously positioned laser deposition welding head 3, the two laser welding points 31 having a second offset R2 relative to the surface 41 of the component 4 in the feed direction VR have.
  • the original surface 41 and the surface of the first build-up weld trace MS is both referred to as the surface of the component 41 to which the material is deposited by means of the build-up weld trace MS.
  • the two laser welding points 31 can have a first offset RI to one another perpendicular to a feed direction VR of the laser welding points 31 on the surface 41 of the component 4.
  • the device 1 can be designed to supply the laser cladding welding heads 3 with different materials for application to the surface 41 of the component 4 by means of suitable control of the conveyor units 5.
  • the device 1 comprises a conveyor unit 5 for each different material.
  • the laser deposition welding unit 2 can be movably arranged in the device 1 for executing a movement relative to the surface 41 of the component 4, preferably by means of a movement unit.
  • the person skilled in the art is able to use suitable movement units for the respective components and the material orders to be generated.
  • the laser cladding welding heads 3 can be arranged in the device 1 so that they can move relative to one another in order to execute a movement, preferably by means of a laser cladding welding head moving unit, for which the same applies.
  • the components to be processed can have different geometries and sizes and be made of different materials.
  • the number of laser deposition welding heads used can vary, with at least two laser deposition welding heads always being used.
  • the number of laser cladding welding heads can also be two, three, five, six or more, the maximum number only being limited by the size of the laser cladding welding heads 3 and the available space above the component 4.
  • the four laser deposition welding heads 3 shown here each generate a laser welding point 31 on the surface 41 of the component 4, the four laser welding points 31 having a first offset RI to one another perpendicular to a feed direction VR of the laser welding points 31 on the surface 41 of the component 4 and with this first offset be moved over the surface 41 during the process.
  • the laser weld points 31 thus generate build-up weld tracks MS with a material width MB along the feed direction VR on the surface 41, in which the first offset RI of adjacent laser weld points 31 is between 10% and 90%, preferably between 40% and 60%, particularly preferably 50% Material width MB of the build-up weld track MS is.
  • the adjacent laser weld points 31 on the surface 41 of the component 4 have a second offset R2 to one another in the feed direction VR, here a quarter of the circumference of the brake disk 42 for the respective radial distance of the laser weld point 31 to the center of the brake disk 42, through which the axis of rotation D of the brake disc 52 as component 4 goes.
  • the second offset R2 is set so that the temperature profiles induced by the laser weld points 31 on the surface 41 overlap to such an extent that the material M still has a residual heat useful / beneficial for the process in an overlapping area of adjacent build-up weld tracks MS.
  • a useful / beneficial residual heat would be, for example, a temperature at which the material of one or more adjacent build-up weld tracks MS can still deform due to the temperature of the build-up weld track MS just applied in the laser welding point.
  • the brake disk 42 could be mounted on a turntable by means of the screw holes 42a, via which the brake disk 42 is rotated about the axis of rotation D.
  • the circular surface 41 is rotated 180 about the axis of rotation D under the laser cladding welding heads 3, so that their laser welding points 31 on the circular surface 41 would overflow the surface 41 in a circular manner when the laser cladding welding heads 3 were stationary; and at the same time the laser cladding welding heads 3 are moved 190 in the direction of the axis of rotation D, so that the material M is applied over the area to the circular surface 41 in spiral-shaped adjoining or partially overlapping cladding welding tracks MS.
  • the number of laser cladding welding heads can also be two, four, five or more, the maximum number only dependent on the size of the laser cladding welding heads 3 and the available space the component 4 is limited.
  • the three laser deposition welding heads 3 each generate a laser welding point 31 on the surface 41 of the component 4 and adjacent laser welding points 31 have a first offset RI to one another perpendicular to a feed direction VR of the laser welding points 31 on the surface 41 of the component 4, in which the first offset RI of neighboring laser welding points 31 between 10% and 90%, preferably between 40% and 60%, particularly preferably 50%, of the material width MB of the build-up welding track MS.
  • the adjacent laser welding points 31 on the surface 41 of the component 4 also have a second offset R2 to one another in the feed direction VR, which is set in such a way that the temperature profiles induced by the laser weld points 31 on the surface 41 overlap so far that the material M still has a residual heat that is useful / beneficial for the process in an overlapping area of adjacent build-up weld tracks MS, the same here as in FIG .2 applies.
  • the rotationally symmetrical surface 41 here the cylindrical surface of the shaft 43, is rotated 200 around the axis of rotation D under the laser cladding heads 3, so that their laser welding points 31 on the rotationally symmetrical surface 41 would pass over the surface 41 in a circle when the laser cladding heads 3 are stationary ; and the laser cladding welding heads 3 are moved 210 in the feed direction VR parallel to the axis of rotation D, so that the material M is applied in terms of area to the rotationally symmetrical surface 41 in spiral-shaped cladding welding tracks MS.
  • the preceding movement 210 is a relative movement, either the laser deposition welding heads 3 (in any number) being moved over the shaft 43 or the shaft 43 being moved under the laser deposition welding heads 3.
  • the shaft 43 can be clamped in a corresponding movement unit for rotation and, if necessary, for longitudinal movement.
  • FIG. 4 shows an exemplary side view of surface-based deposition weld traces MS (a) applied with the device 1 according to the invention as a single layer (b) as a single layer with a larger first offset RI compared to FIG. 4a, and (c) of a multi-layer system by way of example from layers S1 and S2 as a two-layer system.
  • FIG. 4 shows an exemplary side view of surface-based deposition weld traces MS (a) applied with the device 1 according to the invention as a single layer (b) as a single layer with a larger first offset RI compared to FIG. 4a, and (c) of a multi-layer system by way of example from layers S1 and S2 as a two-layer system.
  • the laser cladding welding heads 3 were guided in such a way that a further areal application of the material M as a subsequent layer S1 onto the previous layer S1 was carried out on the areal application of the material M as the previous layer S1 on the surface 41 of the component 4 to apply the material as a two-layer system SS, with the build-up weld tracks MS of the subsequent layer S2 having a third offset R3 perpendicular to the feed direction VR relative to the one below Have build-up weld traces MS from the previous layer S1.
  • the third offset R3 of the build-up welding traces of the two superimposed layers S1, S2 was set so that the larger layer thicknesses SD2 of the subsequent layer above the smaller one Layer thicknesses SD1 of the previous layer S1 are arranged in order to keep the resulting waviness of the surface of the two-layer system as small as possible.
  • the same also applies to multi-layer systems consisting of more than two layers.
  • the layers S1, S2 of a multiple view system SS can consist of different materials M, for example with first layers S1 made of a first material M1 and second layers S2 made of a second material M2 in the case of the two-layer system shown here.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the method 100 according to the invention for operating a device 1 according to the invention for laser cladding with a laser cladding unit 2 with several laser cladding heads 3 arranged thereon, comprising the step of (quasi) simultaneous application 110 of material M onto a surface 41 of a component 4.
  • the laser deposition welding heads 3 each generate a laser welding point 31 on the surface 41 of the component 4.
  • Adjacent laser welding points 31 can be moved 120 with a first offset RI to each other perpendicular to a feed direction VR of the laser welding points 31 on the surface 41 of the component 4
  • Laser weld points 31 on the surface 41 of the component 4 are moved 130 with a second offset R2 to one another in the feed direction VR.
  • the movements of the laser cladding unit 2 and / or the laser cladding welding heads 3 and / or the conveyor units 5 and / or The laser beam sources 6 for performing the laser cladding can be controlled 140 by means of a control unit 7 suitably connected to these components 2, 3, 5, 6.
  • a multilayer system SS can be applied to the surface 41 of the component 4 by means of suitable guidance of the laser cladding heads 3 of the device 1 150 are applied, in which, after an areal application of the material M as a previous layer S1 on the surface 41 of the component 4, a further areal application of the material M as a subsequent layer S1 onto the previous layer S1 takes place.
  • the applied layers S1, S2 of the multiple layer system S can have a varying layer thickness with a smaller layer thickness SD1 and a greater layer thickness SD2.
  • a third offset R3 can thereby be perpendicular to the feed direction VR between build-up welding tracks MS of the subsequent layer S2 and underlying build-up weld traces MS of the previous layer S1 are set 160 so that the larger layer thicknesses SD2 of the subsequent layer are arranged above the smaller layer thicknesses SD1 of the previous layer S1.
  • the conveyor units 5 for the laser cladding welding heads 3 can be controlled 170 such that the layers S1, S2 of the multi-layer system SS consist of different materials M with first layers S1 made of a first material M1 and second layers S2 made of a second material M2.
  • the method 100 comprises the further steps of rotating 180 the circular surface 41 about the axis of rotation D among the Laser cladding heads 3 through it, so that their laser weld points 31 on the circular surface 41 would run over the surface 41 in a circle when the laser cladding heads 3 are stationary; and moving 190 the laser cladding welding heads 3 in the direction of the axis of rotation D, so that the material M is applied in terms of area to the circular surface 41 in spiral-shaped cladding welding tracks MS.
  • the method 100 comprises the further steps of rotating 200 the rotationally symmetrical surface 41, preferably the cylindrical surface of the Shaft 43, about the axis of rotation D under the laser cladding welding heads 3, so that their laser welding points 31 on the rotationally symmetrical surface 41 would run over the surface 41 in a circular manner when the laser cladding welding heads 3 are stationary; and moving 210 the laser cladding welding heads 3 in the feed direction VR parallel to the axis of rotation D, so that the material M is applied in terms of area to the rotationally symmetrical surface 41 in spiral-shaped cladding welding tracks MS.
  • Laser deposition welding heads and at least the conveyor units and / or laser beam sources by means of a suitably connected control unit
  • Layers of the multiple view system consist of different materials 180 Rotate the circular surface about the surface's axis of rotation under the laser cladding heads

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Laserauftragschweißen mit mehreren Laserauftragschweißköpfen (3) und ein Verfahren (100) zum Betreiben einer solche Vorrichtung (1) mit einer Laserauftragschweißeinheit (2) mit mehreren darauf angeordneten Laserschweißköpfen (3) zum (quasi-) simultanen Aufträgen von Material (M) auf eine Oberfläche (41) eines Bauteils (4) und einer oder mehrerer Fördereinheiten (5) zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe (3) mit dem aufzutragenden Material (M) und einer oder mehrere Laserstrahlquellen (6) zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe (3) mit Laserstrahlung (L) zur Durchführung des Laserauftragschweißens.

Description

Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit mehreren Laserauftragschweißköpfen
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit mehreren Laserauftragschweißköpfen und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Laserauftragschweißen ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung (z.B. Beschichtung, Reparatur) und zur additiven Fertigung von Bauteilen mit draht- oder pulverformigen Zusatzwerkstoffen. Aufgrund der größeren Robustheit gegenüber Justagefehlem bei der Prozesseinrichtung und der größeren Flexibilität bei der Werkstoffauswahl werden überwiegend pulverförmige Zusatzwerkstoffe eingesetzt. Das Pulver wird dabei in ein durch einen Laserstrahl erzeugtes Schmelzbad auf einer Oberfläche eines Bauteils unter einem definierten Winkel mittels einer Pulverdüse eingebracht. Bei der Wechselwirkung von Laserstrahlung und Pulverpartikeln oberhalb des Schmelzbades wird ein Teil der Laserstrahlung vom Pulver absorbiert. Der nicht absorbierte Anteil wird (mehrfach-)reflektiert oder transmittiert. Der durch die Pulverpartikel absorbierte Strahlungsanteil führt zu einer Erwärmung der Pulverpartikel, durch den transmittierten Strahlungsanteil wird das Schmelzbad erzeugt. Je nach Grad der Erwärmung der Partikel in der Strahl-Stoff-Wechselwirkungszone sind die Partikel des Zusatzwerkstoffes vor Eintritt in das Schmelzbad fest und/oder partiell oder vollständig flüssig.
Wird nun das Bauteil gegenüber dem Laser und der Pulverzufuhr bewegt, so bewegt sich das Material des Schmelzbades aus dem Einflussbereich der Laserstrahlung heraus und erstarrt zur Schicht. Die Voraussetzung zur Herstellung von defektffeien, schmelzmetallurgisch angebundenen Schichten besteht darin, eine Prozesswärme zur Verfügung zu stellen, die ausreicht um einen Temperatur-Zeit-Zyklus zu initiieren, der sowohl ein Aufschmelzen des Substrates als auch des Zusatzwerkstoffes gewährleistet. Abhängig von der Laserleistung und der Einstellung weiterer Verfahrensparameter (bspw. Vorschubgeschwindigkeit, Spurabstand, Strahldurchmesser, Materialzuführ, etc.) findet daher eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Durchmischung von Zusatzwerkstoff und Bauteilwerkstoff statt. Das Pulver kann seitlich oder koaxial in das Schmelzbad injiziert werden. Mit der üblichen Verfahrensführung lassen sich Vorschubgeschwindigkeiten, d. h. Relativgeschwindigkeiten des Bauteils gegenüber dem Laserstrahl, typischerweise zwischen 0,2 m/min und 2 m/min erreichen. Bei dem in DE 102011 100456 B4 offenbarten Verfahren, wird das zugeführte Material bereits oberhalb der Oberfläche mittels eines entsprechend fokussierten Laserstrahls mit hoher Leistung aufgeschmolzen, sodass es bereits im geschmolzenen Zustand das Schmelzbad auf der Oberfläche des Bauteils erreicht, was eine schnellere Bearbeitung des Bauteils durch weiter erhöhte Vorschubgeschwindigkeiten im Bereich > 150 m/min ermöglicht. Mit dem Verfahren gemäß DE 102011 100456 B4 ist zwar nun die Flächenrate größer (damit die Beschichtungsdauer kleiner) als bei der konventionellen Verfahrensführung, jedoch begünstigen die große Abkühlraten infolge der vergrößerten Vorschubgeschwindigkeit die Rissbildung (Spannungsrisse infolge der Schrumpfspannungen). Dadurch sind viele Legierungen, insbesondere schwer-schweißbare Legierungen vorwiegend zum Verschleißschutz, nicht mehr verarbeitbar. Trotz größerer Flächenrate liefert DE 102011 100 456 B4 keine Ansätze zur Vergrößerung der Auftragrate (aufgetragene Menge an Pulver pro Zeiteinheit).
Unter Anwendung einer Vorwärmung für das Bauteil kann grundsätzlich die Rissneigung vermindert und die Auftragsrate vergrößert werden. EP 0 190 378 Al offenbart, dass eine schnellere Bearbeitung des Bauteils erreicht werden kann, indem das ganze Bauteil vor der vorstehend beschriebenen Behandlung einer zusätzlichen durchgreifenden Vorerwärmung in einem Ofen unterzogen wird. Die Vorwärmtemperatur der Ofenerwärmung beträgt bis 600 °C. Damit lässt sich das Material mit einer Vorschubgeschwindigkeit bis zu 5,4 m/min auftragen. Die EP 1 285 719 Al offenbart ein modifiziertes Vorwärmver fahren, mit dem deutlich höhere Vorschubgeschwindigkeiten bei gleichzeitiger Vermeidung von Rissen in der Schicht oder dem Substratwerkstoff erreicht werden können. Hierbei wird das Werkstück beim Laserauftragschweißen induktiv erhitzt. Die Verwendung der induktiven Vorheizung schränkt die Verwendung auf Bauteilen mit dafür geeigneter Geometrie ein. DE 102011100456 B4. Eine Vermeidung von zeitaufwendigen Vorwärmeprozeduren oder zusätzlich benötige Komponenten wie Induktive Heizmittel wäre wünschenswert.
Es wäre daher wünschenswert, einen effektiven Laserauftragschweißprozess zur Verfügung zu haben, mit dem eine größere Auftragsrate für verschiedenste Materialien bei geringerer Prozesszeit für das Bauteil ermöglicht wird. Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen effektiven Laserauftragschweißprozess zur Verfügung zu stellen, der eine größer Auftragsrate für verschiedenste Materialien bei geringer Prozesszeit für das Bauteil ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit mit mehreren darauf angeordneten Laserschweißköpfen zum (quasi-) simultanen Aufträgen von Material auf eine Oberfläche eines Bauteils und einer oder mehrerer Fördereinheiten zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe mit dem aufzutragenden Material und einer oder mehrere Laserstrahlquellen zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe mit Laserstrahlung zur Durchführung des Laserauftragschweißens.
Begrifflich sei hierzu Folgendes erläutert:
Zunächst sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und Zahlenangaben wie „ein“, „zwei“ usw. im Regelfall als „mindestens“- Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein...“, „mindestens zwei...“ usw., sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ausdrücklich ergibt oder es für den Fachmann offensichtlich oder technisch zwingend ist, dass dort nur „genau ein...“, „genau zwei...“ usw. gemeint sein können.
Der Begriff „Laserauftragschweißen“ bezeichnet alle Verfahren, bei denen ein durch einen Laserauftragschweißkopf in Richtung des zu bearbeitenden Bauteils hindurchtretendes Material, beispielsweise ein pulverformiges Material, mittels eines Laserstrahls, der ebenfalls durch den Laserauftragschweißkopf in Richtung des zu bearbeitenden Bauteils durch das Material geführt ist, in einem vom Laserstrahl auf der Oberfläche des Bauteils erzeugten Schmelzbad aufgeschmolzen wird und so auf die ebenfalls durch den Laserstrahl angeschmolzene Oberfläche des Bauteil aufgetragen wird. Das nachfolgend erstarrte Material verbleibt dort als mit der Oberfläche verschweißtes Material. Der Laserauftragschweißkopf umfasst dabei beispielsweise einer Optik für den Laserstrahl sowie eine Pulverzufuhrdüse inklusive Justageeinheit für das aufzutragende Material, gegebenenfalls mit einer integrierten, lokalen Schutzgaszuführ. Hierbei kann der Laserstrahl auch so geführt sein, dass das Material bereits im Laserstrahl aufgeschmolzen wird, beispielsweise durch einen Laserstrahl, der einen Fokuspunkt oberhalb der Oberfläche des Bauteils aufweist. Der Begriff „Laserauftragschweißeinheit“ bezeichnet eine Komponente, die die Laserauftragschweißköpfe umfasst. Hierbei können die Laserauftragschweißköpfe beispielsweise auf einer Trägerplatte der Laserauftragschweißeinheit befestigt sein. Die Befestigung kann vorzugsweise so ausgeführt sein, dass sich die Laserauftragschweißköpfe relativ zueinander bewegen können. Außerdem kann die Laserauftragschweißeinheit als Ganzes räumlich beweglich in der Vorrichtung angeordnet sein, beispielsweise auf einer Verstelleinheit der Vorrichtung. Als Ausführungsform kann die Laserauftragschweißeinheit auf einem Roboterarm angeordnet sein, der mittels geeigneter Verfahrkurven die Laserauftragschweißeinheit beliebig räumlich bewegen kann. Die Anzahl der Laserauftragschweißköpfe beträgt hier mindestens zwei. Es können daher auch drei, vier, fünf oder mehr Laserauftragschweißköpfe von der Laserauftragschweißeinheit umfasst sein. Wie viele Laserauftragschweißköpfe in der Vorrichtung vorhanden sein können, ist in der Regel ein geometrisches Problem und wird durch die Größe der Laserauftragschweißköpfe und das zu bearbeitende Bauteil bestimmt.
Der Begriff „Laserauftragschweißkopf‘ bezeichnet die Einheit, die mittels des durch sie hindurchgeleiteten Laserstrahl einen Laserschweißpunkt auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils erzeugt, und die das ebenfalls durch sie hindurchtretende Material im Laserstrahl auf dem Weg zur Oberfläche des Bauteils aufschmilzt, sodass es beim Auftreffen auf die Oberfläche des Bauteils mit diesem verschweißt wird.
Das aufgetragene Material kann beispielsweise in Pulverform für das Laserauftragschweißen bereitgestellt werden. Hierbei kann als Material jedes für das Laserauftragschweißen geeignete Material verwendet werden. Beispielsweise kann das Material Metalle und/oder Metall- Keramik-Verbundwerkstoffe (sogenannten MMCs) umfassen oder daraus bestehen. Der Fachmann kann die für den jeweiligen Laserauftragschweißprozess geeigneten Materialen auswählen. Hierbei kann das Material aus einer einzigen Fördereinheit den Laserköpfen zugeführt werden. Die Vorrichtung kann aber auch mehrere Fördereinheiten umfassen, wodurch die Laserauftragschweißköpfe mit unterschiedlichen Materialien versorgt werden können, sodass die von unterschiedlichen Laserauftragschweißköpfen erzeugten Auftragschweißspuren gleiche oder unterschiedliche Materialien umfassen können oder es kann die Materialzufuhr zu einem oder mehreren Laserauftragschweißköpfen während des Laserauftragschweißens von einer Fördereinheit zu einer anderen Fördereinheit mit einem anderen Material geändert bzw. umgeschaltet werden. Die Laserstrahlung wird mittels einer oder mehrere Laserstrahlquellen bereitgestellt. Der Fachmann kann geeignete Laserstrahlquellen für das Laserauftragschweißen auswählen.
Der Begriff „(quasi-) simultanes Aufträgen“ bezeichnet den Prozess des Laserauftragschweißen, wobei pro Laserauftragschweißkopf separate Auftragschweißspuren gleichzeitig (im Vor- oder Nachlauf) mit anderen Auftragschweißspuren mittels anderen Laserauftragschweißköpfen auf die Oberfläche aufgetragen werden. Dieses (quasi-) simultane Aufträgen erfolgt zeitgleich, dabei aber jeweils an anderen Positionen auf dem Bauteil, also an unterschiedlichen Orten auf dem Bauteil. Damit steigt das pro Zeiteinheit auf die Oberfläche aufgetragene Material proportional mit der Anzahl der Laserauftragschweißköpfe. Die separaten Auftragschweißspuren können dabei aneinander angrenzen oder sich gegebenenfalls zumindest teilweise überlappen. Gegebenenfalls können die separaten Auftragschweißspuren auch direkt aufeinander aufgetragen werden. Beispielsweise lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Bearbeitung von Bremsscheiben mittels Laserauftragschweißen bisher übliche Bearbeitungszeiten von 3 - 15 Minuten auf unter 1 Minute reduzieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit durch das (quasi-) simultane Aufträgen von Material mittels mehrerer Laserauftragschweißköpfe einen effektiven Laserauftragschweißprozess, der der eine größer Auftragsrate für verschiedenste Materialien bei geringer Prozesszeit für das Bauteil ermöglicht, als es nur mit einem Laserschweißkopf möglich wäre. Zur Erzielung einer kürzeren Prozesszeit braucht hierbei nicht die Vorschubgeschwindigkeit gegenüber bekannten Verfahren gesteigert werden, was die Qualität der aufgetragenen Schicht verbessert und Schichtfehler wie Rissbildung mittels einer prozessgerechten Vorschubgeschwindigkeit zu vermeiden hilft.
In einer Ausführungsform erzeugen die Laserauftragschweißköpfe jeweils einen Laserschweißpunkt auf der Oberfläche des Bauteils und benachbarte Laserschweißpunkte besitzen einen ersten Versatz zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung der Laserschweißpunkte auf der Oberfläche des Bauteils. Der Begriff „auf der Oberfläche des Bauteils“ bezeichnet dabei die momentane Oberfläche des Bauteils zum Zeitpunkt, wo der jeweilige Laserschweißpunkt die Oberfläche überstreicht. Die Oberfläche des Bauteils braucht dabei nicht die ursprüngliche Oberfläche des Bauteils vor Beginn des Laserauftragschweißens sein. Die Oberfläche des Bauteils kann auch die Oberfläche einer bereits aufgetragenen Auftragschweißspur oder einer Schicht aus aufgetragenen Material darstellen, da diese nach erfolgten Aufträgen mit der vorherigen Oberfläche verschweißt ist und somit selbst die Oberfläche des Bauteils für nachfolgende Auftragschweißspuren darstellt. Der Begriff „Laserschweißpunkt“ bezeichnet den räumlichen Ort auf der Oberfläche des Bauteils, auf dem das aufgeschmolzene Material mittels Laserauftragschweißen auf die Oberfläche aufgetragen wird. Der Laserschweißpunkt kann dabei auch als Schmelzgebiet des aufgetragenen Materials bezeichnet werden, in dem das mittels Laserstrahlung aufgeschmolzene Material auf die Oberfläche des Bauteils trifft. Der Begriff „benachbarte Laserschweißpunkte“ bezeichnet zwei Laserschweißpunkte, die Auftragschweißspuren von auf der Oberfläche des Bauteils aufgebrachten Material erzeugen, die aneinander angrenzen und sich gegebenenfalls zur Herstellung einer flächenmäßigen Auftragung des Materials zumindest teilweise überlappen können. Benachbarte Laserschweißpunkte können von benachbarten Laserauftragschweißköpfen erzeugt werden. Hierbei bezeichnen benachbarten Laserschweißpunkte und/oder Laserauftragschweißköpfe nicht notwendigerweise Laserschweißpunkte oder Laserauftragschweißköpfe, die den kleinsten geometrischen Abstand zueinander haben, sondern sind oder erzeugen diejenigen Laserschweißpunkte, die aneinander angrenzende Auftragschweißspuren erzeugen. Durch den zumindest ersten Versatz der benachbarten Laserschweißpunkte zueinander kann die Vorwärmung des Bauteils gezielt gesteuert werden, was die Verarbeitung von schwer-schweißbaren Legierungen vereinfacht bzw. je nach Legierung erst ermöglicht. Durch den zumindest ersten Versatz mit geeigneter Größer wird auch der Nachbearbeitungsaufwand verringert. In einer weiteren Ausführungsform erzeugen dafür die Laserschweißpunkte Auftragschweißspuren mit einer Materialbreite entlang der Vorschubrichtung auf der Oberfläche, bei denen der erste Versatz benachbarter Laserschweißpunkte zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite der Auftragschweißspur beträgt.
In einer weiteren Ausführungsform besitzen die benachbarten Laserschweißpunkte auf der Oberfläche des Bauteils einen zweiten Versatz zueinander in Vorschubrichtung. Durch diesen zweiten Versatz der Laserschweißpunkte kann die Vorwärmung des Bauteils ebenfalls gezielt gesteuert werden, insbesondere im Zusammenspiel mit dem ersten Versatz, was die Verarbeitung von schwer-schweißbaren Legierungen noch weiter vereinfacht bzw. je nach Legierung erst ermöglicht. Durch den zweiten Versatz mit geeigneter Größer, insbesondere im Zusammenspiel mit dem ersten Versatz, wird auch der Nachbearbeitungsaufwand weiter verringert. In einer Ausführungsform ist der zweite Versatz dazu so eingestellt, dass sich durch die Laserschweißpunkte auf der Oberfläche induzierte Temperaturprofile so weit überlappen, dass das Material in einem Überlappungsbereich benachbarter Auftragschweißspuren noch eine für den Prozess nutzbare/zuträgliche Restwärme besitzt. Hierbei kann der Laserschweißkopf mit dem zweiten Versatz zur benachbarten Auftragschweißspur dazu verwendet werden, neben dem Aufträgen der eigenen Auftragschweißspur die benachbart aufgetragene Auftragschweißspur umzuschmelzen.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung so ausgestaltet ist, nach einer flächenmäßigen Auftragung vom Material als eine vorangegangene Schicht auf die Oberfläche des Bauteils die Laserauftragschweißköpfe so zu führen, dass eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material als nachfolgende Schicht auf die vorangegangene Schicht ausgefuhrt wird, um das Material als Mehrfachschichtsystem aufzutragen. Damit sind Multischichtsysteme einfach herstellbar. Diese Multischichtsysteme können aus dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen. Multischichtsysteme können dazu verwendet werden, Schichten mit einer größeren Schichtdicke herzustellen, als mit einem Einfachschichtsystem möglich wäre, oder mehrere unterschiedliche funktionale Schichten mit einem gemeinsamen Prozess aufzutragen. Hierbei kann der Auftragungsprozess der nachfolgenden Schicht dazu verwendet werden, die zuletzt aufgetragene Schicht zur Modifikation ihrer Eigenschaften in gewünschter Weise umzuschmelzen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich typischerweise Schichtdicken von 0,3 mm bis 3,0 mm pro Schicht auftragen. Bei gewünschten größeren Schichtdicken können diese erreicht werden, indem mehrere Schichten desgleichen Materials übereinander aufgetragen werden. Gleiches gilt für Schichten aus unterschiedlichen Materialien.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Auftragschweißspuren der nachfolgenden Schicht mit einem dritten Versatz senkrecht zur Vorschubrichtung relativ zu den darunterliegenden Auftragschweißspuren der vorangegangenen Schicht auf die vorangegangene Schicht aufgetragen. So können sich die Konturen der einzelnen Schichten beispielsweise so überlappen, dass die Oberfläche des Mehrfachschichtsystems eine Welligkeit geringer als die Welligkeiten der jeweils einzelnen Schichten besitzt, was die Intensität eventuell notwendiger Nachbearbeitungsschritte wie abschleifen und glätten verringert.
In einer weiteren Ausführungsform besitzen die aufgetragenen Schichten eine variierende Schichtdicke mit einer kleinere Schichtdicke und einer größeren Schichtdicke, wobei der dritte Versatz der Auftragschweißspuren übereinanderliegender Schichten so eingestellt ist, dass die größeren Schichtdicken der nachfolgenden Schicht oberhalb der kleineren Schichtdicken der vorangegangenen Schicht angeordnet sind. So kann die Oberfläche des Mehrfachschichtsystems mit einer sehr gering ausgeprägten Kontur bzw. einer sehr geringen Oberflächenunebenheit oder Rauigkeit bereitgestellt werden. Das macht Nachbearbeitungsschritte wie Abschleifen zur Glättung der Oberfläche des aufgetragenen Materials im Multischichtsystem weniger aufwändig oder gegebenenfalls sogar obsolet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu ausgestaltet, mittels geeigneter Ansteuerung der Fördereinheiten die Laserauftragschweißköpfe mit unterschiedlichen Materialien zum Aufträgen auf die Oberfläche des Bauteils zu versorgen. Damit können sowohl benachbarte Auftragschweißspuren von verschiedenen Laserschweißköpfen aus unterschiedlichem Material bestehen, als auch verschiedene Schichten in einem Multischichtsystem aus unterschiedlichen Materialien gefertigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Ansteuerung dazu so ausgeführt, dass Schichten eines Mehrfachsichtsystems aus unterschiedlichen Materialien mit ersten Schichten aus einem ersten Material und zweiten Schichten aus einem zweiten Material bestehen. Werden Bauteile mit Laserauftragschweißen bearbeitet, so kann beispielsweise eine erste Schicht aus einem ersten Material und eine zweite Schicht aus einem zweiten Material auf die erste Schicht aufgetragen werden. Hierbei kann die zweite Schicht beispielsweise eine Anti- Korrosionsschicht aus einem korrosionsbeständigen Material zum Schicht der Eigenschaften der ersten Schicht sein. In einem anderen Beispiel könnte die zweite Schicht auch ein Abrasionsschicht, beispielsweise für Bremsscheiben sein. Hierbei können zur Vergrößerung der Schichtdicke die voranstehenden ersten und zweiten Schichten selber jeweils ein Multischichtsystem aus Schichten des jeweils selben Materials hergestellt sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Laserauftragschweißeinheit zur Ausführung einer Bewegung relativ zur Oberfläche des Bauteils bewegbar in der Vorrichtung angeordnet, vorzugsweise mittels einer Bewegungseinheit. Damit lassen sich Bauteile flexibel flächenmäßig mittels Führung der Laserauftragsschweißeinheit über eine Oberfläche hinweg bearbeiten, beispielsweise auf einer rotierenden Oberfläche oder entlang eines sich drehenden Welle.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Laserauftragschweißköpfe zur Ausführung einer Bewegung relativ zueinander bewegbar in der Vorrichtung angeordnet, vorzugsweise mittels einer Laserauftragschweißkopf-Bewegungseinheit. Somit lassen sich die einzelnen Auftragschweißspuren relativ zueinander und über die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteils hinweg genau fuhren.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Kontrolleinheit, die dazu eingerichtet ist, zumindest die Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit und/oder der Laserauftragschweißköpfe und/oder die Fördereinheiten und/oder der Laserstrahlquellen zur Ausführung des Laserauftragschweißens geeignet anzusteuem, wozu die Kontrolleinheit mit diesen Komponenten geeignet verbunden ist. Die Kontrolleinheit kann eine softwarebasierte Maschinensteuerung sein, auf der ein entsprechendes Kontrollprogramm installiert ist und entsprechende zur Steuerung des Prozesses ausgeführt wird.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betrieben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweiß einheit mit mehreren daraufangeordneten Laserauftragschweißköpfen umfassend den Schritt des (quasi-) simultanen Auftragens von Material auf eine Oberfläche eines Bauteils. Durch das (quasi-) simultane Aufträgen von Material mittels mehrerer Laserauftragschweißköpfe stellt das Verfahren einen effektiven Laserauftragschweißprozess zur Verfügung, der der eine größer Auftragsrate für verschiedenste Materialien bei geringer Prozesszeit für das Bauteil ermöglicht, als es nur mit einem Laserschweißkopf möglich wäre. Zur Erzielung einer kürzeren Prozesszeit braucht hierbei nicht die Vorschubgeschwindigkeit gegenüber bekannten Verfahren gesteigert werden, was die Qualität der aufgetragenen Schicht verbessert und Schichtfehler wie Rissbildung mittels einer prozessgerechten Vorschubgeschwindigkeit zu vermeiden hilft.
In einer Ausfiihrungsform des Verfahrens erzeugen die Laserauftragschweißköpfe jeweils einen Laserschweißpunkt auf der Oberfläche des Bauteils, wobei das Verfahren den weiteren Schritt des Bewegens benachbarter Laserschweißpunkte mit einem ersten Versatz zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung der Laserschweißpunkte auf der Oberfläche des Bauteils umfasst.
In einer weiteren Ausfiihrungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Bewegens benachbarter Laserschweißpunkte auf der Oberfläche des Bauteils mit einem zweiten Versatz zueinander in Vorschubrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Steuems zumindest der Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit und/oder der Laserauftragschweißköpfe und/oder der Fördereinheiten und/oder der Laserstrahlquellen zur Ausführung des Laserauftragschweißens mittels einer mit diesen Komponenten geeignet verbunden Kontra lleinheit.
In einer weiteren Ausfuhrungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Auftragens eines Mehrfachschichtsystems auf die Oberfläche des Bauteils mittels geeigneter Führung der Laserauftragschweißköpfe der Vorrichtung, bei dem nach einer flächenmäßigen Auftragung vom Material als eine vorangegangene Schicht auf die Oberfläche des Bauteils eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material als nachfolgende Schicht auf die vorangegangene Schicht erfolgt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, wobei die aufgetragenen Schichten des Mehrfachschichtsystems eine variierende Schichtdicke mit einer kleinere Schichtdicke und einer größeren Schichtdicke besitzen, umfasst dieses den weiteren Schritt des Einstellens eines dritten Versatzes senkrecht zur Vorschubrichtung zwischen Auftragschweißspuren der nachfolgenden Schicht und darunterliegenden Auftragschweißspuren der vorangegangenen Schicht, sodass die größeren Schichtdicken der nachfolgenden Schicht oberhalb der kleineren Schichtdicken der vorangegangenen Schicht angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Ansteuems der Fördereinheiten für die Laserauftragschweißköpfe so, dass die Schichten des Mehrfachschichtsystems aus unterschiedlichen Materialien mit ersten Schichten aus einem ersten Material und zweiten Schichten aus einem zweiten Material bestehen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, wobei das Bauteil, vorzugsweise eine Bremsscheibe, eine kreisförmige Oberfläche mit einer Rotationsachse umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfasst dieses die weiteren Schritte des
Rotierens der kreisförmigen Oberfläche um die Rotationsachse unter den Laserauftragschweißköpfen hindurch, sodass deren Laserschweißpunkte auf der kreisförmigen Oberfläche bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen kreisförmig die Oberfläche überlaufen würden; und des
Bewegens der Laserauftragschweißköpfe in Richtung der Rotationsachse, sodass das Material in spiralförmigen Auftragschweißspuren flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche aufgetragen wird. Durch die Bewegung der Laserauftragschweißköpfe im Kombination mit dem rotierenden Bauteil wird das Material flächig auf das Bauteil aufgetragen. Die Geschwindigkeit der einzelnen Bewegungen für Bauteil und Laserauftragschweißköpfe bestimmt u.a., wie stark die benachbarten Auftragschweißspuren miteinander überlappen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, wobei das Bauteil, vorzugsweise eine Welle, eine rotationssymmetrische Oberfläche mit einer Rotationsachse umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfasst dieses die weiteren Schritte des
Rotierens der rotationssymmetrischen Oberfläche, vorzugsweise die Zylinderfläche der Welle, um die Rotationsachse unter den Laserauftragschweißköpfen hindurch, sodass deren Laserschweißpunkte auf der rotationssymmetrischen Oberfläche bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen kreisförmig die Oberfläche überlaufen würden; und des Bewegens der Laserauftragschweißköpfe in Vorschubrichtung parallel zur Rotationsachse, sodass das Material in spiralförmigen Auftragschweißspuren flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche aufgetragen wird.
Durch die Bewegung der Laserauftragschweißköpfe im Kombination mit dem rotierenden Bauteil wird auch für diese Bauteilgeometrie das Material flächig auf das Bauteil aufgetragen. Die Geschwindigkeit der einzelnen Bewegungen für Bauteil und Laserauftragschweißköpfe bestimmt u.a., wie stark die benachbarten Auftragschweißspuren miteinander überlappen.
Die voranstehend aufgelisteten Ausführungsformen können einzeln oder in beliebiger Kombination abweichend von den Rückbezügen in den Ansprüchen zueinander zur Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen oder Verfahren verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt.
Fig.1 : eine Ausfiihrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig.2: eine Draufsicht auf eine Bremsscheibe als Beispiel eines kreisförmigen Bauteils mit dem dynamischen Verhalten der Laserschweißpunkte während des Laserauftragschweißens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in dieser Ausführungsform mit vier Laserauftragschweißköpfen;
Fig.3: eine perspektivische Ansicht einer Welle als Beispiel eines rotationssymmetrischen Bauteils mit dem dynamischen Verhalten der Laserschweißpunkte während des Laserauftragschweißens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in dieser Ausfiihrungsform mit drei Laserauftragschweißköpfen;
Fig.4: eine beispielhafte seitliche Ansicht von mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung flächenmäßige aufgetragenen Auftragschweißspuren (a) als einzelne Schicht (b) als einzelne Schicht mit einem größeren ersten Versatz im Vergleich zu Fig.4a, und (c) eines Mehrfachschichtsystems; und
Fig.5: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig.l zeigt eine Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit 2 mit hier beispielsweise zwei darauf angeordneten Laserauftragschweißköpfen 3 zum (quasi-) simultanen Aufträgen von Material M auf eine Oberfläche 41 eines Bauteils 4 entlang einer jeweiligen Auftragsschweißspur MS pro Laserauftragschweißkopf 3, einer oder mehrerer Fördereinheiten 5 (hier symbolisch als eine Einheit 5 gezeigt) zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe 3 mit dem aufzutragenden Material M, einer oder mehrere Laserstrahlquellen 6 (hier symbolisch als eine Einheit 6 gezeigt) zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe 3 mit Laserstrahlung L zur Durchführung des Laserauftragschweißens sowie mit einer Kontrolleinheit 7, die dazu eingerichtet ist, zumindest die Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit 2 und/oder der Laserauftragschweißköpfe 3 und/oder die Fördereinheiten 5 und/oder der Laserstrahlquellen 6 zur Ausführung des Laserauftragschweißens geeignet anzusteuem, wozu die Kontrolleinheit 7 mit diesen Komponenten geeignet verbunden ist, beispielsweise über Datenleitungen oder andere Verbindungsmittel angedeutet durch die durchgezogenen Linien. Der Laserauftragschweißkopf 3 umfasst dabei eine Optik zur Strahlfiihrung der Laserstrahlung, eine Pulverzufuhrdüse inklusive Justageeinheit und gegebenenfalls eine lokale Schutzgaszufuhr. Geeignete Laserstrahlquellen für das Laserauftragschweißen sind bekannt. Die beiden hier gezeigten Laserauftragschweißköpfe 3 erzeugen jeweils einen Laserschweißpunkt 31 auf der ursprünglichen Oberfläche 41 des Bauteils 4 beziehungsweise auf der Auftragschweißspur MS des vorangehend positionierten Laserauftragschweißkopf 3, wobei die beiden Laserschweißpunkte 31 relativ zur Oberfläche 41 des Bauteils 4 einen zweiten Versatz R2 zueinander in Vorschubrichtung VR besitzen. Hierbei werden die ursprüngliche Oberfläche 41 und die Oberfläche der ersten Auftragschweißspur MS beide als die Oberfläche des Bauteils 41 bezeichnet, auf die das Material mittels der Auftragschweißspur MS aufgetragen wird. Des Weiteren, wenn auch hier nicht explizit gezeigt, können die beiden Laserschweißpunkte 31 einen ersten Versatz RI zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR der Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 besitzen. Die Vorrichtung 1 kann dabei dazu ausgestaltet sein, mittels geeigneter Ansteuerung der Fördereinheiten 5 die Laserauftragschweißköpfe 3 mit unterschiedlichen Materialien zum Aufträgen auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 zu versorgen. In diesem Fall umfasst die Vorrichtung 1 je eine Fördereinheit 5 für jedes unterschiedliche Material. Für eine flächige Beschichtung des Bauteils 4 mit mehreren nebeneinander angeordneten Auftragschweißspuren MS kann die Laserauftragschweißeinheit 2 zur Ausführung einer Bewegung relativ zur Oberfläche 41 des Bauteils 4 bewegbar in der Vorrichtung 1 angeordnet sein, vorzugsweise mittels einer Bewegungseinheit. Der Fachmann ist in der Lage, geeignete Bewegungseinheiten für die jeweiligen Bauteile und den zu erzeugenden Materialaufträgen zu verwenden. Hierbei können zusätzlich die Laserauftragschweißköpfe 3 zur Ausführung einer Bewegung relativ zueinander bewegbar in der Vorrichtung 1 angeordnet sein, vorzugsweise mittels einer Laserauftragschweißkopf-Bewegungseinheit, für die selbiges gilt. Die zu bearbeitenden Bauteile können unterschiedliche Geometrien und Größen besitzen und aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Je nach dem zu bearbeitenden Bauteil kann die Anzahl der verwendeten Laserauftragschweißköpfe variieren, wobei immer mindestens zwei Laserauftragschweißköpfe verwendet werden.
Fig.2 zeigt eine Draufsicht auf eine Bremsscheibe 42 als Beispiel eines kreisförmigen Bauteils 4 mit dem dynamischen Verhalten der Laserschweißpunkte 31 während des Laserauftragschweißens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in dieser Ausfiihrungsform mit vier Laserauftragschweißköpfen 3 zum des (quasi-) simultanen Aufträgen 110 von Material M auf die Oberfläche 41 eines Bauteils 4. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl der Laserauftragschweißköpfe auch zwei, drei, fünf, sechs oder mehr betragen, wobei die maximale Anzahl nur durch die Größe der Laserauftragschweißköpfe 3 und den verfügbaren Platz über dem Bauteil 4 limitiert ist. Die vier hier gezeigten Laserauftragschweißköpfe 3 erzeugen jeweils einen Laserschweißpunkt 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4, wobei die vier Laserschweißpunkte 31 einen ersten Versatz RI zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR der Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 besitzen und mit diesem ersten Versatz während des Verfahrens über die Oberfläche 41 bewegt werden. Die Laserschweißpunkte 31 erzeugen so Auftragschweißspuren MS mit einer Materialbreite MB entlang der Vorschubrichtung VR auf der Oberfläche 41, bei denen der erste Versatz RI benachbarter Laserschweißpunkte 31 zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite MB der Auftragschweißspur MS beträgt. Des Weiteren besitzen die benachbarten Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 einen zweiten Versatz R2 zueinander in Vorschubrichtung VR, hier jeweils ein Viertel des Umfangs der Bremsscheibe 42 für die jeweilige radiale Entfernung des Laserschweißpunkts 31 zum Mittelpunkt der Bremsscheibe 42, durch den die Drehachse D der Bremsscheibe 52 als Bauteil 4 geht. Der zweite Versatz R2 ist dabei so eingestellt, dass sich durch die Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 induzierte Temperaturprofile so weit überlappen, dass das Material M in einem Überlappungsbereich benachbarter Auftragschweißspuren MS noch eine für den Prozess nutzbare/zuträgliche Restwärme besitzt. Eine nutzbare/zuträgliche Restwärme wäre dabei beispielsweise eine Temperatur, bei der sich das Material einer oder mehrerer benachbarter Auftragschweißspuren MS aufgrund der im Laserschweißpunkt induzierten Temperatur der gerade aufgetragenen Auftragschweißspur MS noch verformen kann. Die Bremsscheibe 42 könnte dabei mittels der Schraubenlöcher 42a auf einem Drehtisch montiert sein, über den die Bremsscheibe 42 um die Drehachse D gedreht wird. Um das Material M auf die Bremsscheibe 42 aufzutragen, wird die kreisförmige Oberfläche 41 um die Rotationsachse D unter den Laserauftragschweißköpfen 3 hindurch rotiert 180, sodass deren Laserschweißpunkte 31 auf der kreisförmigen Oberfläche 41 bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden; und simultan dazu die Laserauftragschweißköpfe 3 in Richtung der Rotationsachse D bewegt 190, sodass das Material M in spiralförmigen aneinander angrenzenden oder sich teilweise überlappenden Auftragschweißspuren MS flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche 41 aufgetragen wird.
Fig.3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer 43 Welle als Beispiel eines rotationssymmetrischen Bauteils 4 mit dem dynamischen Verhalten der Laserschweißpunkte 31 während des Laserauftragschweißens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in dieser Ausführungsform mit drei Laserauftragschweißköpfen 3, die hier aus Übersichtsgründen nicht im Detail gezeigt sind, zum (quasi-) simultanen Aufträgen 110 von Material M auf die Oberfläche 41 der Welle 43. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl der Laserauftragschweißköpfe auch zwei, vier fünf oder mehr betragen, wobei die maximale Anzahl nur durch die Größe der Laserauftragschweißköpfe 3 und den verfügbaren Platz über dem Bauteil 4 limitiert ist. Die drei Laserauftragschweißköpfe 3 erzeugen jeweils einen Laserschweißpunkt 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 und benachbarte Laserschweißpunkte 31 besitzen einen ersten Versatz RI zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR der Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4, bei denen der erste Versatz RI benachbarter Laserschweißpunkte 31 zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite MB der Auftragschweißspur MS beträgt.. Ebenso besitzen die benachbarten Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 einen zweiten Versatz R2 zueinander in Vorschubrichtung VR, der so eingestellt ist, dass sich durch die Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 induzierte Temperaturprofile so weit überlappen, dass das Material M in einem Überlappungsbereich benachbarter Auftragschweißspuren MS noch eine für den Prozess nutzbare/zuträgliche Restwärme besitzt, wobei hier gleiches wie bei Fig.2 gilt. Zum Aufträgen des Materials M wird hier die rotationssymmetrische Oberfläche 41, hier die Zylinderfläche der Welle 43, um die Rotationsachse D unter den Laserauftragschweißköpfen 3 hindurch rotiert 200, sodass deren Laserschweißpunkte 31 auf der rotationssymmetrischen Oberfläche 41 bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden; und die Laserauftragschweißköpfe 3 in Vorschubrichtung VR parallel zur Rotationsachse D bewegt 210, sodass das Material M in spiralförmigen Auftragschweißspuren MS flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche 41 aufgetragen wird. Voranstehende Bewegung 210 ist dabei eine Relativbewegung, wobei entweder die Laserauftragschweißköpfe 3 (mit beliebiger Anzahl) über die Welle 43 oder die Welle 43 unter den Laserauftragschweißköpfen 3 hindurchbewegt wird. Die Welle 43 kann dazu zur Rotation und ggf. zur Längsbewegung in einer entsprechenden Bewegungseinheit eingespannt sein.
Fig.4 zeigt eine beispielhafte seitliche Ansicht von mit der erfmdungsgemäßen Vorrichtung 1 flächenmäßige aufgetragenen Auftragschweißspuren MS (a) als einzelne Schicht (b) als einzelne Schicht mit einem größeren ersten Versatz RI im Vergleich zu Fig.4a, und (c) eines Mehrfachschichtsystems beispielhaft aus den Schichten S1 und S2 als Zweischichtsystem. In Fig.4c wurden die Laserauftragschweißköpfe 3 so geführt, dass auf die flächenmäßige Auftragung vom Material M als vorangegangene Schicht S1 auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material M als nachfolgende Schicht S1 auf die vorangegangene Schicht S1 ausgeführt wurde, um das Material als Zweischichtsystem SS aufzutragen, wobei die Auftragschweißspuren MS der nachfolgenden Schicht S2 einen dritten Versatz R3 senkrecht zur Vorschubrichtung VR relativ zu den darunterliegenden Auftragschweißspuren MS der vorangegangenen Schicht S1 besitzen. Da die aufgetragenen Schichten Sl, S2 eine variierende Schichtdicke mit einer kleinere Schichtdicke SD1 und einer größeren Schichtdicke SD2 besitzen, wurde der dritte Versatz R3 der Auftragschweißspuren der beiden übereinanderliegenden Schichten Sl, S2 so eingestellt, dass die größeren Schichtdicken SD2 der nachfolgenden Schicht oberhalb der kleineren Schichtdicken SD1 der vorangegangenen Schicht Sl angeordnet sind, um die resultierende Welligkeit der Oberfläche des Zweifachschichtsystem möglichst klein zu halten. Gleiches gilt auch für Mehrfachschichtsystemen aus mehr als zwei Schichten. Hierbei können die Schichten Sl, S2 eines Mehrfachsichtsystems SS aus unterschiedlichen Materialien M beispielsweise mit ersten Schichten Sl aus einem ersten Material Ml und zweiten Schichten S2 aus einem zweiten Material M2 im Falle des hier gezeigten Zweifachschichtsystems bestehen.
Fig.5 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Betrieben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit 2 mit mehreren darauf angeordneten Laserauftragschweißköpfen 3 umfassend den Schritt des (quasi-) simultanen Auftragens 110 von Material M auf eine Oberfläche 41 eines Bauteils 4. Hierbei erzeugen die Laserauftragschweißköpfe 3 jeweils einen Laserschweißpunkt 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4. Dabei können benachbarte Laserschweißpunkte 31 mit einem ersten Versatz RI zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR der Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 bewegt werden 120. Ebenso können benachbarte Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 mit einem zweiten Versatz R2 zueinander in Vorschubrichtung VR bewegt werden 130. Hierbei können die Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit 2 und/oder der Laserauftragschweißköpfe 3 und/oder der Fördereinheiten 5 und/oder der Laserstrahlquellen 6 zur Ausführung des Laserauftragschweißens mittels einer mit diesen Komponenten 2, 3, 5, 6 geeignet verbunden Kontrolleinheit 7 gesteuert werden 140. Dabei kann eine Mehrfachschichtsy stems SS auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 mittels geeigneter Führung der Laserauftragschweißköpfe 3 der Vorrichtung 1 aufgetragen werden 150, bei dem nach einer flächenmäßigen Auftragung vom Material M als eine vorangegangene Schicht Sl auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material M als nachfolgende Schicht Sl auf die vorangegangene Schicht Sl erfolgt. Hierbei können die aufgetragenen Schichten Sl, S2 des Mehrfachschichtsystems S eine variierende Schichtdicke mit einer kleinere Schichtdicke SD1 und einer größeren Schichtdicke SD2 besitzen. Dabei kann ein dritter Versatzes R3 senkrecht zur Vorschubrichtung VR zwischen Auftragschweißspuren MS der nachfolgenden Schicht S2 und darunterliegenden Auftragschweißspuren MS der vorangegangenen Schicht S1 eingestellt werden 160, sodass die größeren Schichtdicken SD2 der nachfolgenden Schicht oberhalb der kleineren Schichtdicken SD1 der vorangegangenen Schicht S1 angeordnet sind. Hierbei können die Fördereinheiten 5 für die Laserauftragschweißköpfe 3 so angesteuert werden 170, dass die Schichten Sl, S2 des Mehrfachschichtsy stems SS aus unterschiedlichen Materialien M mit ersten Schichten Sl aus einem ersten Material Ml und zweiten Schichten S2 aus einem zweiten Material M2 bestehen. In einer Ausführungsform wo das Bauteil 4, vorzugsweise eine Bremsscheibe 42, eine kreisförmige Oberfläche 41 mit einer Rotationsachse D umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfasst das Verfahren 100 die weiteren Schritte des Rotierens 180 der kreisförmigen Oberfläche 41 um die Rotationsachse D unter den Laserauftragschweißköpfen 3 hindurch, sodass deren Laserschweißpunkte 31 auf der kreisförmigen Oberfläche 41 bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden; und des Bewegens 190 der Laserauftragschweißköpfe 3 in Richtung der Rotationsachse D, sodass das Material M in spiralförmigen Auftragschweißspuren MS flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche 41 aufgetragen wird. In einer weiteren Ausführungsform wo das Bauteil 4, vorzugsweise eine Welle 43, eine rotationssymmetrische Oberfläche 41 mit einer Rotationsachse D umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfasst das Verfahren 100 die weiteren Schritte des Rotierens 200 der rotationssymmetrischen Oberfläche 41, vorzugsweise die Zylinderfläche der Welle 43, um die Rotationsachse D unter den Laserauftragschweißköpfen 3 hindurch, sodass deren Laserschweißpunkte 31 auf der rotationssymmetrischen Oberfläche 41 bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden; und des Bewegens 210 der Laserauftragschweißköpfe 3 in Vorschubrichtung VR parallel zur Rotationsachse D, sodass das Material M in spiralförmigen Auftragschweißspuren MS flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche 41 aufgetragen wird. Bezupszeichenliste
1 erfmdungsgemäße Vorrichtung zum Laserauftragschweißen
2 Laserauftragschweißeinheit
3 Laserauftragschweißkopf
31 Laserschweißpunkt
4 Bauteil
41 Oberfläche des Bauteils, auf die das Material aufgetragen wird
42 Bremsscheibe
42a Schraubenlöcher
43 Welle
5 Fördereinheit
6 Laserstrahlquelle
7 Kontrolleinheit
100 erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieben einer Vorrichtung zum
Laserauftragschweißen
110 (quasi-) simultanes Aufträgen von Material (M) auf eine Oberfläche eines Bauteils mittels mehrerer Laserauftragschweißköpfe
120 Bewegen benachbarter Laserschweißpunkte mit einem ersten Versatz zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung der Laserschweißpunkte
130 Bewegen benachbarter Laserschweißpunkte mit einem zweiten Versatz zueinander in Vorschubrichtung
140 Steuern zumindest der Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit und/oder der
Laserauftragschweißköpfe sowie zumindest der Fördereinheiten und/oder Laserstrahlquellen mittels einer geeignet verbunden Kontrolleinheit
150 Aufträgen eines Mehrfachschichtsystems auf die Oberfläche des Bauteils
160 Einstellen eines dritten Versatzes senkrecht zur Vorschubrichtung zwischen
Auftragschweißspuren der nachfolgenden Schicht und darunterliegenden Auftragschweißspuren der vorangegangenen Schicht
170 Ansteuem der Fördereinheiten für die Laserauftragschweißköpfe so, dass die
Schichten des Mehrfachsichtsystems aus unterschiedlichen Materialien bestehen 180 Rotieren der kreisförmigen Oberfläche um die Rotationsachse der Oberfläche unter den Laserauftragschweißköpfen hindurch
190 Bewegen der Laserauftragschweißköpfe in Richtung der Rotationsachse der
Oberfläche
200 Rotieren der rotationssymmetrischen Oberfläche um die Rotationsachse unter den
Laserauftragschweißköpfen hindurch
210 Bewegen der Laserauftragschweißköpfe in Vorschubrichtung parallel zur
Rotationsachse
D Rotationsachse des Bauteils beim Laserauftragschweißen
M aufzutragendes Material
MB Materialbreite der Auftragschweißspur
MS Auftragschweißspur des aufgebrachten Materials auf der Oberfläche des Bauteils
L Laserstrahlung
RI erster Versatz benachbarter Laserschweißpunkte zueinander senkrecht zur
V or Schußrichtung
R2 zweiter Versatz benachbarter Laserschweißpunkte zueinander in Vorschubrichtung
R3 dritter Versatz der Auftragschweißspuren übereinander angeordneter Schichten senkrecht zur Vorschubrichtung RB Rotationsrichtung des Bauteils
51 erste Schicht aus flächenmäßig aufgetragenem Material
52 zweite Schicht aus flächenmäßig aufgetragenem Material
SD1 kleinere Schichtdicken
SD2 größere Schichtdicken
SS Mehrfachschichtsy stem
VR Vorschubrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Eine Vorrichtung (1) zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit
(2) mit mehreren darauf angeordneten Laserauftragschweißköpfen (3) zum (quasi-) simultanen Aufträgen von Material (M) auf eine Oberfläche (41) eines Bauteils (4) und einer oder mehrerer Fördereinheiten (5) zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe
(3) mit dem aufzutragenden Material (M) und einer oder mehrere Laserstrahlquellen (6) zur Versorgung der Laserauftragschweißköpfe (3) mit Laserstrahlung (L) zur Durchführung des Laserauftragschweißens.
2. Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserauftragschweißköpfe (3) jeweils einen Laserschweißpunkt (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4) erzeugen und benachbarte Laserschweißpunkte (31) einen ersten Versatz (RI) zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung (VR) der Laserschweißpunkte (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4) besitzen.
3. Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißpunkte (31) Auftragschweißspuren (MS) mit einer Materialbreite (MB) entlang der Vorschubrichtung (VR) auf der Oberfläche (41) erzeugen, bei denen der erste Versatz (RI) benachbarter Laserschweißpunkte (31) zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite (MB) der Auftragschweißspur (MS) beträgt.
4. Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Laserschweißpunkte (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4) einen zweiten Versatz (R2) zueinander in Vorschubrichtung (VR) besitzen.
5. Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Versatz (R2) so eingestellt ist, dass sich durch die Laserschweißpunkte (31) auf der Oberfläche (41) induzierte Temperaturprofile so weit überlappen, dass das Material (M) in einem Überlappungsbereich benachbarter Auftragschweißspuren (MS) noch eine für den Prozess nutzbare/zuträgliche Restwärme besitzt.
6. Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) so ausgestaltet ist, nach einer flächenmäßigen Auftragung vom Material (M) als eine vorangegangene Schicht (Sl) auf die Oberfläche (41) des Bauteils (4) die Laserauftragschweißköpfe so zu führen, dass eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material (M) als nachfolgende Schicht (Sl) auf die vorangegangene Schicht (Sl) ausgeführt wird, um das Material als Mehrfachschichtsystem (SS) aufzutragen.
7. Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragschweißspuren (MS) der nachfolgenden Schicht (S2) mit einem dritten Versatz (R3) senkrecht zur Vorschubrichtung (VR) relativ zu den darunterliegenden Auftragschweißspuren (MS) der vorangegangenen Schicht (Sl) auf die vorangegangene Schicht (Sl) aufgetragen sind.
8. Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetragenen Schichten (Sl, S2) eine variierende Schichtdicke mit einer kleinere Schichtdicke (SD1) und einer größeren Schichtdicke (SD2) besitzen, wobei der dritte Versatz (R3) der Auftragschweißspuren übereinanderliegender Schichten (Sl, S2) so eingestellt ist, dass die größeren Schichtdicken (SD2) der nachfolgenden Schicht oberhalb der kleineren Schichtdicken (SD1) der vorangegangenen Schicht (Sl) angeordnet sind.
9. Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, mittels geeigneter Ansteuerung der Fördereinheiten (5) die Laserauftragschweißköpfe (3) mit unterschiedlichen Materialien zum Aufträgen auf die Oberfläche (41) des Bauteils (4) zu versorgen.
10. Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung so ausgeführt wird, dass Schichten (Sl, S2) eines Mehrfachsichtsystems (SS) aus unterschiedlichen Materialien (M) mit ersten Schichten (Sl) aus einem ersten Material (Ml) und zweiten Schichten (S2) aus einem zweiten Material (M2) bestehen.
11. Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserauftragschweißeinheit (2) zur Ausführung einer Bewegung relativ zur Oberfläche (41) des Bauteils (4) bewegbar in der Vorrichtung (1) angeordnet ist, vorzugsweise mittels einer Bewegungseinheit.
12. Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserauftragschweißköpfe (3) zur Ausführung einer Bewegung relativ zueinander bewegbar in der Vorrichtung (1) angeordnet sind, vorzugsweise mittels einer Laserauftragschweißkopf-Bewegungseinheit.
13. Die Vorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Kontra lleinheit (7) umfasst, die dazu eingerichtet ist, zumindest die Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit (2) und/oder der Laserauftragschweißköpfe (3) und/oder die Fördereinheiten (5) und/oder der Laserstrahlquellen (6) zur Ausführung des Laserauftragschweißens geeignet anzusteuem, wozu die Kontrolleinheit (7) mit diesen Komponenten (2, 3, 5, 6) geeignet verbunden ist.
14. Ein Verfahren (100) zum Betrieben einer Vorrichtung (1) zum Laserauftragschweißen nach einem der voranstehenden Ansprüche mit einer Laserauftragschweißeinheit (2) mit mehreren daraufangeordneten Laserauftragschweißköpfen (3) umfassend den Schritt des (quasi-) simultanen Auftragens (110) von Material (M) auf eine Oberfläche (41) eines Bauteils (4).
15. Das Verfahren (100) nach Anspruch 14, wobei die Laserauftragschweißköpfe (3) jeweils einen Laserschweißpunkt (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4) erzeugen, umfassend den weiteren Schritt des Bewegens (120) benachbarter Laserschweißpunkte (31) mit einem ersten Versatz (RI) zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung (VR) der Laserschweißpunkte (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4).
16. Das Verfahren (100) nach Anspruch 15, umfassend den weiteren Schritt des Bewegens (130) benachbarter Laserschweißpunkte (31) auf der Oberfläche (41) des Bauteils (4) mit einem zweiten Versatz (R2) zueinander in Vorschubrichtung (VR).
17. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14bis 16, umfassend den weiteren Schritt des Steuems (140) zumindest der Bewegungen der Laserauftragschweißeinheit (2) und/oder der Laserauftragschweißköpfe (3) und/oder der Fördereinheiten (5) und/oder der Laserstrahlquellen (6) zur Ausführung des Laserauftragschweißens mittels einer mit diesen Komponenten (2, 3, 5, 6) geeignet verbunden Kontrolleinheit (7).
18. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14bis 17, umfassend den weiteren Schritt des Auftragens (150) eines Mehrfachschichtsystems (SS) auf die Oberfläche (41) des Bauteils (4) mittels geeigneter Führung der Laserauftragschweißköpfe (3) der Vorrichtung (1), bei dem nach einer flächenmäßigen Auftragung vom Material (M) als eine vorangegangene Schicht (Sl) auf die Oberfläche (41) des Bauteils (4) eine weitere flächenmäßige Auftragung vom Material (M) als nachfolgende Schicht (Sl) auf die vorangegangene Schicht (Sl) erfolgt.
19. Das Verfahren ( 100) nach Anspruch 18, wobei die aufgetragenen Schichten (S 1 , S2) des Mehrfachschichtsystems (S) eine variierende Schichtdicke mit einer kleinere Schichtdicke (SD1) und einer größeren Schichtdicke (SD2) besitzen, umfassend den weiteren Schritt des Einstellens (160) eines dritten Versatzes (R3) senkrecht zur Vorschubrichtung (VR) zwischen Auftragschweißspuren (MS) der nachfolgenden Schicht (S2) und darunterliegenden Auftragschweißspuren (MS) der vorangegangenen Schicht (Sl), sodass die größeren Schichtdicken (SD2) der nachfolgenden Schicht oberhalb der kleineren Schichtdicken (SD1) der vorangegangenen Schicht (Sl) angeordnet sind.
20. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, umfassend den weiteren Schritt des Ansteuems (170) der Fördereinheiten (5) für die Laserauftragschweißköpfe (3) so, dass die Schichten (Sl, S2) des Mehrfachschichtsystems (SS) aus unterschiedlichen Materialien (M) mit ersten Schichten (Sl) aus einem ersten Material (Ml) und zweiten Schichten (S2) aus einem zweiten Material (M2) bestehen.
21. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei das Bauteil (4), vorzugsweise eine Bremsscheibe (42), eine kreisförmige Oberfläche (41) mit einer Rotationsachse (D) umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfassend die weiteren Schritte des
Rotierens (180) der kreisförmigen Oberfläche (41) um die Rotationsachse (D) unter den Laserauftragschweißköpfen (3) hindurch, sodass deren Laserschweißpunkte (31) auf der kreisförmigen Oberfläche (41) bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen (3) kreisförmig die Oberfläche (41) überlaufen würden; und des
Bewegens (190) der Laserauftragschweißköpfe (3) in Richtung der Rotationsachse (D), sodass das Material (M) in spiralförmigen Auftragschweißspuren (MS) flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche (41) aufgetragen wird.
22. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei das Bauteil (4), vorzugsweise eine Welle (43), eine rotationssymmetrische Oberfläche (41) mit einer Rotationsachse (D) umfasst, auf die das Material aufgetragen wird, umfassend die weiteren Schritte des
Rotierens (200) der rotationssymmetrischen Oberfläche (41), vorzugsweise die Zylinderfläche der Welle (43), um die Rotationsachse (D) unter den Laserauftragschweißköpfen (3) hindurch, sodass deren Laserschweißpunkte (31) auf der rotationssymmetrischen Oberfläche (41) bei ruhenden Laserauftragschweißköpfen (3) kreisförmig die Oberfläche (41) überlaufen würden; und des
Bewegens (210) der Laserauftragschweißköpfe (3) in Vorschubrichtung (VR) parallel zur Rotationsachse (D), sodass das Material (M) in spiralförmigen Auftragschweißspuren (MS) flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche (41) aufgetragen wird.
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