EP4347169A1 - Verfahren und anlage zum laserauftragsschweissen - Google Patents

Verfahren und anlage zum laserauftragsschweissen

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EP4347169A1
EP4347169A1 EP22730698.2A EP22730698A EP4347169A1 EP 4347169 A1 EP4347169 A1 EP 4347169A1 EP 22730698 A EP22730698 A EP 22730698A EP 4347169 A1 EP4347169 A1 EP 4347169A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
intensity profile
laser beam
coating
laser
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP22730698.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Björn Sautter
Benedikt WESSINGER
Marco OPITZ
Andreas Scholz
Nicolai Speker
Tim Hesse
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.)
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik 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 Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of EP4347169A1 publication Critical patent/EP4347169A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
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    • B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for coating a surface area of a workpiece by laser build-up welding, a powdered coating material being melted before it strikes the workpiece in a laser beam directed onto the surface area.
  • the invention also relates to a system for coating a surface area of a workpiece by laser deposition welding, having a laser device for directing a laser beam onto the surface area and a nozzle for blowing coating material into the laser beam.
  • EHLA Extreme High Speed Laser Metal Deposition
  • Process speed can be increased significantly.
  • improved surface properties such as reduced roughness can be achieved with the EHLA process.
  • WO 2004/022816 Al is a (conventional) method for
  • Laser deposition welding known.
  • a laser beam is moved across the surface of a workpiece.
  • the laser beam melts the surface locally so that a melt pool is obtained.
  • a powder is blown into the melt pool by means of a gas jet from a nozzle.
  • An optical signal from the melt pool is recorded and evaluated to determine the temperature of the melt pool.
  • the information from the optical signal is used in a control loop to adjust process parameters such as the laser power or the relative speed between the laser beam and the workpiece.
  • the thermal conditions can vary due to the geometry of the workpiece. This can affect the quality of the coating. For example, cross-sectional reductions on the workpiece can reduce heat dissipation, so that heat builds up. This in turn can lead to pitting of the coating. Conversely, increased heat dissipation can lead to bond failures between the material of the workpiece and the coating.
  • a method for coating a rotating surface area of a workpiece by laser build-up welding is provided.
  • the rotation of the workpiece generates a feed in the circumferential direction.
  • the surface area can be an end face, for example of a brake disk.
  • the surface area can be a lateral surface, for example of a tube, in particular of a hydraulic cylinder.
  • the rotating surface area is at least essentially rotationally symmetrical.
  • the inner and outer contours of the surface area are generally rotationally symmetrical. Individual portions of the surface area can break the rotational symmetry.
  • the surface area can have individual holes or the like.
  • the workpiece preferably rotates about an axis of symmetry of the surface area.
  • a powdered coating material is melted in a laser beam directed onto the surface area before it hits the workpiece. It is therefore a process for extreme high-speed laser deposition welding (EHLA).
  • EHLA extreme high-speed laser deposition welding
  • a spatially resolved intensity profile of thermal radiation emitted by the workpiece is recorded.
  • the thermal radiation is in particular infrared radiation.
  • the intensity profile is always recorded in the area where the laser beam hits the surface area.
  • the intensity profile includes an area surrounding the point of impact in which the material of the workpiece is not melted.
  • At least one property of the intensity profile is compared to at least one predefined target value.
  • at least one characteristic value of the at least one property can be determined.
  • the characteristic value can enable a direct comparison with the target value.
  • the target value characterizes a manifestation of the property of the intensity profile when the coating process takes place as desired.
  • At least one parameter of the coating process is changed depending on a result of the comparison.
  • the at least one parameter of the coating process is regulated in such a way that the at least one property of the measured intensity profile approaches the corresponding target value. This improves the quality of the coating on the surface area.
  • the recording of the intensity profile, the comparison of the property with the target value and the adjustment of the parameter are always carried out continuously during the implementation of the coating process.
  • a continuous implementation of the aforementioned steps is also understood to mean repeated implementation at sufficiently short time intervals, for example at a frequency of at least 100 Hz.
  • the analysis of the intensity profile enables the coating process to be monitored. Process reliability is increased by continuously adjusting the at least one parameter. In addition, it can be achieved in this way that the coating takes place with constant quality, in particular over the entire surface area and over several workpieces.
  • the regulation of the coating process according to the invention also simplifies the programming and determination of process parameters, since unfavorably selected initial values of the parameters are automatically corrected. This type of process control also makes it possible to coat workpieces that could not be coated with sufficient quality using conventional methods, for example because their heat absorption capacity within the surface area changes so much that different parameters of the coating process have to be used for this.
  • the coating method according to the invention is preferably carried out using a coating system according to the invention described below.
  • the method according to the invention can have further features described below.
  • the intensity profile can be recorded with a camera, preferably an infrared camera. The use of such a camera simplifies the implementation of the method.
  • Common optics for the laser beam and the thermal radiation or the camera are preferably provided.
  • the laser beam and the thermal radiation are typically guided in different directions through the common optics.
  • the effort to record the intensity profile in the area of the point of impact of the laser beam can be reduced by the common optics. If the point of impact of the laser beam is changed by means of the optics, for example by tilting or shifting the optics, for example for a feed movement in the lateral direction, the area captured by the camera is automatically changed accordingly.
  • an undistorted image can be obtained in a simple manner by means of the common optics.
  • the camera can be directed at the workpiece at an angle to the laser beam. This can simplify subsequent upgrading of an existing coating system for carrying out the method according to the invention.
  • the at least one property of the intensity profile can be selected from the diameter of the intensity profile,
  • the aforementioned properties can be determined in a simple manner.
  • the inventors have recognized that these properties change significantly when there are deviations from a target state of the coating process.
  • the at least one property can be determined by evaluating a cross section of the intensity profile. This simplifies the analysis of the intensity profile.
  • the cross section preferably runs in the circumferential direction of the surface area.
  • the cross section can be offset with respect to a global intensity maximum.
  • the cross section is preferably arranged in front of the global intensity maximum of the intensity profile in the lateral feed direction. Deviations from the desired state are particularly evident in a cross section running in this way.
  • the lateral direction corresponds to a radial direction when coating an end face, and to an axial direction when coating a lateral surface.
  • the property is particularly preferably an expression, in particular an amount, of a local intensity maximum. This enables a particularly reliable detection of a heat build-up.
  • the local intensity maximum appears as a global maximum of the relevant cross-section; the however, the local maximum intensity is smaller than the global maximum intensity of the entire intensity profile.
  • the at least one parameter of the coating process to be changed can be selected from laser power,
  • the coating material emerges from a nozzle that is concentric to the laser beam. This improves the uniformity of the application of the coating material to the workpiece. If necessary, the nozzle can also be concentric to a common optic for the laser beam and a camera. The coating material can be blown through the nozzle via a feed device.
  • the workpiece can have a heat absorbing capacity that is variable in the lateral direction and/or in the circumferential direction.
  • the ability to absorb heat means the ability to store and/or transfer heat. With such workpieces, the advantages of the method according to the invention are particularly evident.
  • the local differences in the heat absorption capacity of the workpiece can require different parameters of the coating process. If fixed parameters are used, a (high-quality) coating may not be possible.
  • the automatic adaptation of the at least one parameter makes it possible to coat even workpieces that are difficult to coat with high quality and at low cost.
  • the variable heat absorption capacity can result, for example, from an internal structure of the workpiece; for example, the workpiece in his Has internal ventilation channels.
  • the variable heat capacity can manifest itself on the surface; for example, the workpiece can have holes in the surface area to be coated.
  • a system for coating a rotating surface area of a workpiece by laser build-up welding also falls within the scope of the present invention.
  • the system has a laser device for directing a laser beam onto the surface area.
  • a laser power of the laser device can be at least 2000 W.
  • a wavelength of the laser beam can be at least 800 nm, preferably at least 1000 nm and/or at most 2000 nm, preferably at most 1100 nm.
  • the system also has a nozzle for blowing coating material into the laser beam.
  • the nozzle is preferably arranged concentrically to the laser beam directed onto the workpiece.
  • the system has a rotating device for rotating the workpiece, in particular about an axis of symmetry of the surface area.
  • a feed in the circumferential direction can be effected in a particularly simple manner.
  • the system has a camera for recording an intensity profile of thermal radiation emitted by the workpiece.
  • the camera is preferably an infrared camera.
  • the thermal radiation can correspondingly be infrared radiation.
  • a thermal actual state of the coating process can be determined by means of the camera.
  • the system has a control device that is set up to compare at least one property of the intensity profile with at least one predefined target value and to change at least one parameter of a coating process depending on a result of the comparison.
  • the control device is set up in particular to change the at least one parameter of the coating process in such a way that the at least one property of the measured intensity profile approaches the corresponding desired value. This improves the quality of the coating on the surface area.
  • the control device is typically also set up to determine the at least one property of the intensity profile. Alternatively, the at least one property could be determined by the camera, for example.
  • the system in particular the camera and the control device, are basically set up to continuously record the intensity profile, to continuously compare the at least one property with the at least one predefined desired value and to continuously adjust the at least one parameter.
  • a continuous implementation of the aforementioned steps is also understood to mean repeated implementation at sufficiently short time intervals, for example at a frequency of at least 100 Hz.
  • the system according to the invention is set up to carry out the method according to the invention described above.
  • the system can be set up to implement further features of the method.
  • the system can have common optics for the laser device or the laser beam and the camera or the thermal radiation.
  • the common optics typically allow the laser beam and the thermal radiation to pass through in different directions.
  • the effort to record the intensity profile in the area of the point of impact of the laser beam can be reduced by the common optics. If the point of impact of the laser beam is changed by means of the optics, for example by tilting or shifting the optics, for example for a feed movement in the lateral direction automatically changes the area captured by the camera accordingly.
  • an undistorted image can be obtained in a simple manner by means of the common optics.
  • the system can also have a storage device for storing at least one value of the intensity profile and/or at least one value of the at least one property. This simplifies the analysis and influencing of the coating process. In particular, a subsequent evaluation, for example for quality control, can be made possible as a result.
  • the system can have a display device for outputting at least one value of the intensity profile, at least one value of the at least one property, at least one value of the at least one parameter and/or at least one value of a deviation of the at least one parameter from the at least one target value.
  • the display device can be set up to output an image from the camera. Operators of the system can thus easily monitor the coating process or set up the system.
  • FIG. 1 shows a system according to the invention for coating a rotating workpiece by laser build-up welding in a schematic diagram
  • 2a shows an intensity profile of thermal radiation from a coating area during laser deposition welding onto a rotating one
  • FIG. 2b shows the intensity profile from FIG. 2a in a schematic three-dimensional representation
  • 3a shows an intensity profile of thermal radiation from a coating area during laser deposition welding onto a rotating workpiece while heat builds up, in a schematic gray value representation
  • FIG. 3b shows the intensity profile from FIG. 3a in a schematic three-dimensional representation
  • FIG. 4 shows a schematic flow chart of a coating method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a system 10 for coating a rotating surface area 12 of a workpiece 14 by laser deposition welding.
  • the workpiece 14 can be, for example, an internally ventilated brake disc with internal ventilation channels.
  • the surface area 12 here lies on an end face of the workpiece 14, which serves as a friction surface. Of the Surface area 12 is to be provided with a wear-reducing coating.
  • the workpiece 14 is rotated about an axis of symmetry 26 by means of a rotary device 24 .
  • the rotary movement causes the coating process to advance in the circumferential direction.
  • the workpiece can be displaced in the radial direction by means of the rotating device 24 in order to bring about a corresponding feed in the lateral (here radial) direction.
  • the system 10 has a laser device 16 .
  • the laser device 16 emits a laser beam 18.
  • the laser beam 18 hits the rotating surface area 12.
  • the material of the workpiece 14 can thereby be melted locally in the area of the point of impact of the laser beam 18.
  • the laser device 16 could be displaced instead of the workpiece 14 being displaced.
  • a coating material 22 in powder form is blown through a nozzle 20 by means of a feed device 40 towards the workpiece 14 into the laser beam 18 . It goes without saying that this is shown in FIG. 1 only in a highly abstract form and in particular not to scale.
  • the nozzle 20 can be arranged concentrically to the laser beam 18 .
  • the coating material 22 is melted in the laser beam 18 before it hits the workpiece 14 . It is therefore a process of extreme high-speed laser deposition welding.
  • the molten coating material 22 meets the locally melted material of the workpiece 14 in the surface area 12.
  • the melts of the coating material 22 and the workpiece 14 combine with one another and solidify to form a coating when the point of impact of the laser beam 18 moves further due to the feed movement of the workpiece 14 .
  • step 102 The coating process described above is shown as step 102 in the flow chart shown in FIG.
  • a step 104 an intensity profile of thermal radiation 30, more precisely infrared radiation, is recorded, which the workpiece 14 emits in the area of the impact point of the laser beam 18 and the coating agent 22.
  • the system 10 has a camera 28, namely an infrared camera (compare FIG. 1).
  • the system 10 has common optics 34 for the laser beam 18 and the camera 28 or the thermal radiation 30 captured by the camera 28 .
  • the common optics 34 can comprise a lens or a lens system.
  • a dichroic mirror 42 can transmit the laser beam 18 from the laser device 16 to the workpiece 14 and can deflect thermal radiation radiating back from the workpiece 14 coaxially to the laser beam 18 towards the camera 28 .
  • An intensity profile of thermal radiation from the process zone during a coating process that is taking place as desired on the rotating workpiece 14 is shown in FIGS. 2a and 2b.
  • the intensity profile is similar to a Gaussian profile and has a global maximum 44 . Due to the feed movement, the intensity profile is not symmetrical but distorted to a certain extent.
  • the global maximum 44 follows the impact point of the laser beam 18 on the workpiece 14 in the lateral feed direction 46 .
  • the feed in the circumferential direction takes place in the direction of arrow 48.
  • FIGS. 3a and 3b show an intensity profile of thermal radiation when heat builds up on workpiece 14 during the coating process, for example in the area of a ventilation duct.
  • the shape of the intensity profile changes due to the accumulation of heat.
  • the intensity profile has a local maximum 50 in addition to the global maximum 44 .
  • the local maximum 50 precedes the global maximum 44 in the lateral feed direction 46 and in the tangential feed direction 48 . in a
  • Circumferential direction (parallel to the tangential feed direction 48) running cross-section through the intensity profile, which is offset from the global maximum 44, specifically in the lateral feed direction 46 before the global maximum 44, the local maximum 50 appears as a "global maximum".
  • the magnitude of the local maximum 50 is smaller than the magnitude of the global maximum 44.
  • the presence or absence of such a local maximum 50 in a relative to the global Maximum 44 defined cross-section represents a property of the intensity profile.
  • the maximum magnitude of the intensity of the thermal radiation in this cross-section also describes a property of the intensity profile (this corresponds to the magnitude of the local maximum 50, provided such a is formed).
  • Further properties of the intensity profile can For example, a diameter of the intensity profile (relative to a lower intensity threshold), the amount of the global intensity maximum 44, a sum of the intensities (integral of the intensities over the area of the intensity profile limited by the lower threshold), a mean value of the intensities (within the defined by d en lower threshold limited intensity profile) and / or a shape of the intensity profile.
  • a diameter of the intensity profile relative to a lower intensity threshold
  • the amount of the global intensity maximum 44 a sum of the intensities (integral of the intensities over the area of the intensity profile limited by the lower threshold)
  • a mean value of the intensities within the defined by d en lower threshold limited intensity profile
  • At least one parameter of the coating process is suitably adjusted in a step 112 .
  • the course of the coating process is changed in such a way that the property of the intensity profile approaches its target value. This has the effect that a coating of better quality is obtained than with parameters remaining unchanged.
  • the parameter to be changed can be a laser power, for example of the laser beam 18, the feed rate in the circumferential direction 48, the feed rate in the lateral direction 46, an offset of successive impact points of the laser beam 18 in the lateral direction 46 and/or a mass flow of the coating material 22.
  • the system 10 has a control device 32, see FIG.
  • the system 10 also has a memory device 36 which can likewise be integrated into the camera 28 .
  • One or more target values, characteristic values of the intensity profile and/or results of the comparison with the target values can be stored in the memory device 36 .
  • a display device 38 can also be connected to camera 28 or integrated into it.
  • the invention relates to a method for extreme high-speed laser deposition welding.
  • a workpiece is rotated so that an essentially rotationally symmetrical surface area is coated.
  • Thermal characteristics of the ongoing coating process are determined from a thermal image and compared with target values.
  • Suboptimal coating conditions for example due to a locally deviating heat absorption capacity of the workpiece, can be identified on the basis of the comparison and are corrected accordingly if necessary.
  • Laser device 16 Laser beam 18 Nozzle 20

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines rotierenden Oberflächenbereichs (12) eines Werkstücks (14) durch Laserauftragsschweißen, wobei ein pulverförmiger Beschichtungswerkstoff (22) vor dem Auftreffen auf das Werkstück (14) in einem auf den Oberflächenbereich (12) gerichteten Laserstrahl (18) aufgeschmolzen wird, wobei ein ortsaufgelöstes Intensitätsprofil von von dem Werkstück (14) emittierter Wärmestrahlung (30) erfasst wird, wobei wenigstens eine Eigenschaft des Intensitätsprofils mit wenigstens einem vordefinierten Sollwert verglichen wird, und wobei wenigstens ein Parameter des Beschichtungsvorgangs in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs verändert wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage (10) zum Beschichten eines rotierenden Oberflächenbereichs (12) eines Werkstücks (14) durch Laserauftragsschweißen, aufweisend eine Lasereinrichtung (16) zum Richten eines Laserstrahls (18) auf den Oberflächenbereich (12), eine Düse (20) zum Einblasen von Beschichtungswerkstoff (22) in den Laserstrahl (18), eine Dreheinrichtung (24) zum Rotieren des Werkstücks (14), eine Kamera (28) zum Aufnehmen eines Intensitätsprofils von von dem Werkstück (14) emittierter Wärmestrahlung (30) und eine Regeleinrichtung (32), die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Eigenschaft des Intensitätsprofils mit wenigstens einem vordefinierten Sollwert zu vergleichen und wenigstens einen Parameter eines Beschichtungsvorgangs in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs zu verändern.

Description

Verfahren und Anlage zum Laserauftragsschweißen
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Oberflächenbereichs eines Werkstücks durch Laserauftragsschweißen, wobei ein pulverförmiger Beschichtungswerkstoff vor dem Auftreffen auf das Werkstück in einem auf den Oberflächenbereich gerichteten Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zum Beschichten eines Oberflächenbereichs eines Werkstücks durch Laserauftragsschweißen, aufweisend eine Lasereinrichtung zum Richten eines Laserstrahls auf den Oberflächenbereich und eine Düse zum Einblasen von Beschichtungswerkstoff in den Laserstrahl.
Ein solches Verfahren ist als Extremes Hochgeschwindigkeits- Laserauftragsschweißen (EHLA) bekannt. Hierzu werden entsprechende Anlagen eingesetzt. Indem der Beschichtungswerkstoff bereits in dem Laserstrahl aufgeschmolzen wird, kann gegenüber konventionellen Verfahren des Laserauftragsschweißens, bei welchen ein Laserstrahl die Oberfläche des Werkstücks aufschmilzt und der Beschichtungswerkstoff in die Schmelze eingeblasen wird, die
Prozessgeschwindigkeit erheblich erhöht werden. Zudem können mit dem EHLA- Verfahren verbesserte Oberflächeneigenschaften wie eine verringerte Rauheit erreicht werden.
Aus WO 2004/022816 Al ist ein (konventionelles) Verfahren zum
Laserauftragsschweißen bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Laserstrahl über die Oberfläche eines Werkstücks bewegt. Der Laserstrahl schmilzt die Oberfläche lokal auf, sodass ein Schmelzbad erhalten wird. In das Schmelzbad wird mittels eines Gasstrahls aus einer Düse ein Pulver eingeblasen. Ein optisches Signal aus dem Schmelzbad wird erfasst und zur Bestimmung der Temperatur des Schmelzbades ausgewertet. Die Information des optischen Signals wird in einem Regelkreis zum Anpassen von Prozessparametern wie der Laserleistung oder Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück herangezogen.
Beim Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweißen können thermische Zustände aufgrund der Werkstückgeometrie variieren. Dies kann sich auf die Qualität der Beschichtung auswirken. Beispielsweise können Querschnittsverringerungen am Werkstück die Wärmeableitung vermindern, sodass sich ein Wärmestau ausbildet. Dies kann wiederum zu Grübchenbildung an der Beschichtung führen. Umgekehrt kann eine erhöhte Wärmeableitung zu Bindungsfehlern zwischen dem Material des Werkstücks und der Beschichtung führen. Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Prozesssicherheit beim Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweißen zu verbessern.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anlage mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen. Die jeweiligen Unteransprüche und die Beschreibung geben vorteilhafte Varianten bzw. Ausführungsformen an.
Erfindungsgemäßes Beschichtungsverfahren Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Beschichten eines rotierenden Oberflächenbereichs eines Werkstücks durch Laserauftragsschweißen vorgesehen. Durch die Rotation des Werkstücks wird ein Vorschub in Umfangsrichtung erzeugt. Der Oberflächenbereich kann eine Stirnfläche, beispielsweise einer Bremsscheibe sein. Alternativ kann der Oberflächenbereich eine Mantelfläche, beispielsweise eines Rohres, insbesondere eines Hydraulikzylinders, sein. Der rotierende Oberflächenbereich ist grundsätzlich zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch. Insbesondere sind in der Regel Innen- und Außenkonturen des Oberflächenbereichs rotationssymmetrisch sein. Einzelne Abschnitte des Oberflächenbereichs können die Rotationssymmetrie brechen. Beispielsweise kann der Oberflächenbereich einzelne Löcher oder dergleichen aufweisen. Vorzugsweise rotiert das Werkstück um eine Symmetrieachse des Oberflächenbereichs.
Bei dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren wird ein pulverförmiger Beschichtungswerkstoff vor dem Auftreffen auf das Werkstück in einem auf den Oberflächenbereich gerichteten Laserstrahl aufgeschmolzen. Es handelt sich mithin um ein Verfahren zum Extremen Hochgeschwindigkeits- Laserauftragsschweißen (EHLA). Es wird ein ortsaufgelöstes Intensitätsprofil von Wärmestrahlung erfasst, die von dem Werkstück emittiert wird. Die Wärmestrahlung ist insbesondere Infrarotstrahlung. Das Intensitätsprofil wird grundsätzlich im Bereich des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf den Oberflächenbereich erfasst. Typischerweise umfasst das Intensitätsprofil eine Umgebung des Auftreffpunkts, in welcher das Material des Werkstücks nicht aufgeschmolzen ist.
Wenigstens eine Eigenschaft des Intensitätsprofils wird mit wenigstens einem vordefinierten Sollwert verglichen. Hierzu kann wenigstens ein Kennwert der wenigstens einen Eigenschaft bestimmt werden. Der Kennwert kann einen unmittelbaren Vergleich mit dem Sollwert ermöglichen. Der Sollwert kennzeichnet eine Ausprägung der Eigenschaft des Intensitätsprofils, wenn der Beschichtungsvorgang wie gewünscht erfolgt. Wenigstens ein Parameter des Beschichtungsvorgangs wird in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs verändert. Der wenigstens eine Parameter des Beschichtungsvorgangs wird derart geregelt, dass sich die wenigstens eine Eigenschaft des gemessenen Intensitätsprofils dem entsprechenden Sollwert annähert. Hierdurch wird die Qualität der Beschichtung auf dem Oberflächenbereich verbessert.
Das Erfassen des Intensitätsprofils, das Vergleichen der Eigenschaft mit dem Sollwert und das Anpassen des Parameters erfolgen grundsätzlich kontinuierlich während der Durchführung des Beschichtungsvorgangs. Unter einer kontinuierlichen Durchführung der vorgenannten Schritte wird insofern auch eine wiederholte Durchführung in hinreichend kleinen Zeitabständen verstanden, beispielsweise mit einer Frequenz von wenigstens 100 Hz.
Die Analyse des Intensitätsprofils ermöglicht eine Überwachung des Beschichtungsvorgangs. Durch das fortwährende Anpassen des wenigstens einen Parameters wird die Prozesssicherheit erhöht. Zudem kann hierdurch erreicht werden, dass die Beschichtung mit konstanter Qualität insbesondere über den gesamten Oberflächenbereich sowie über mehrere Werkstücke hinweg erfolgt. Die erfindungsgemäße Regelung des Beschichtungsvorgangs vereinfacht zudem die Programmierung und Ermittlung von Prozessparametern, da ungünstig gewählte Ausgangswerte der Parameter automatisch korrigiert werden. Zudem ist es durch diese Art der Prozesssteuerung möglich, Werkstücke zu beschichten, die mit konventionellen Verfahren nicht mit ausreichender Qualität beschichtet werden konnten, beispielsweise weil sich ihre Wärmeaufnahmefähigkeit innerhalb des Oberflächenbereichs so stark ändert, dass hierfür jeweils unterschiedliche Parameter des Beschichtungsvorgangs angewandt werden müssen. Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren wird vorzugsweise mit einer unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann weitere unten beschriebene Merkmale aufweisen. Das Intensitätsprofil kann mit einer Kamera, vorzugsweise einer Infrarotkamera, erfasst werden. Die Verwendung einer solchen Kamera vereinfacht die Durchführung des Verfahrens.
Vorzugsweise ist eine gemeinsame Optik für den Laserstrahl und die Wärmestrahlung bzw. die Kamera vorgesehen. Der Laserstrahl und die Wärmestrahlung werden typischerweise in unterschiedlichen Richtungen durch die gemeinsame Optik geführt. Der Aufwand, um das Intensitätsprofil im Bereich des Auftreffpunkts des Laserstrahls zu erfassen, kann durch die gemeinsame Optik verringert werden. Wenn der Auftreffpunkt des Laserstrahls mittels der Optik verändert wird, beispielsweise durch Kippen oder Verschieben der Optik, etwa für eine Vorschubbewegung in lateraler Richtung, wird automatisch auch der von der Kamera erfasste Bereich in entsprechender Weise verändert. Zudem kann mittels der gemeinsamen Optik in einfacher Weise ein unverzerrtes Bild erhalten werden. Alternativ kann die Kamera schräg zum Laserstrahl direkt auf das Werkstück gerichtet sein. Dies kann eine nachträgliche Ertüchtigung einer bestehenden Beschichtungsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vereinfachen. Die wenigstens eine Eigenschaft des Intensitätsprofils kann ausgewählt sein aus Durchmesser des Intensitätsprofils,
Betrag des globalen Intensitätsmaximums, - Summe der Intensitäten,
Mittelwert der Intensitäten und/oder Form des Intensitätsprofils.
Die vorgenannten Eigenschaften können in einfacher Weise ermittelt werden. Zudem haben die Erfinder erkannt, dass sich diese Eigenschaften bei Abweichungen von einem Sollzustand des Beschichtungsprozesses signifikant ändern.
Die wenigstens eine Eigenschaft kann durch Auswerten eines Querschnitts des Intensitätsprofils bestimmt werden. Dies vereinfacht die Analyse des Intensitätsprofils.
Vorzugsweise verläuft der Querschnitt in Umfangsrichtung des Oberflächenbereichs. Die Erfinder haben erkannt, dass sich hierdurch die Erkennung von Abweichungen von einem Sollzustand verbessern lässt.
Der Querschnitt kann gegenüber einem globalen Intensitätsmaximum versetzt verlaufen. Vorzugsweise ist der Querschnitt in lateraler Vorschubrichtung vor dem globalen Intensitätsmaximum des Intensitätsprofils angeordnet. In einem derart verlaufenden Querschnitt zeigen sich Abweichungen von dem Sollzustand besonders deutlich. Die laterale Richtung entspricht beim Beschichten einer Stirnfläche einer radialen Richtung, beim Beschichten einer Mantelfläche einer axialen Richtung.
Besonders bevorzugt ist die Eigenschaft eine Ausprägung, insbesondere ein Betrag, eines lokalen Intensitätsmaximums. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige Erkennung eines Wärmestaus. Bei Auswertung in einem gegenüber dem globalen Intensitätsmaximum versetzten Querschnitt erscheint das lokale Intensitätsmaximum als ein globales Maximum des betreffenden Querschnitts; das lokale Intensitätsmaximum ist jedoch kleiner als globale Intensitätsmaximum des gesamten Intensitätsprofils.
Der wenigstens eine zu verändernde Parameter des Beschichtungsvorgangs kann ausgewählt sein aus Laserleistung,
Vorschubgeschwindigkeit in Umfangsrichtung,
Vorschubgeschwindigkeit in lateraler Richtung,
Versatz aufeinanderfolgender Auftreffpunkte des Laserstrahls in lateraler Richtung und/oder
Massenstrom des Beschichtungswerkstoffs.
Diese Parameter ermöglichen eine wirkungsvolle Kompensation temperaturbedingter Störungen des Beschichtungsvorgangs. Vorteilhafterweise tritt der Beschichtungswerkstoff aus einer zu dem Laserstrahl konzentrischen Düse aus. Dies verbessert die Gleichmäßigkeit des Auftrags des Beschichtungswerkstoffs auf das Werkstück. Ggf. kann die Düse auch zu einer gemeinsamen Optik für den Laserstrahl und eine Kamera konzentrisch sein. Der Beschichtungswerkstoff kann über eine Zuführeinrichtung durch die Düse geblasen werden.
Das Werkstück kann eine in lateraler Richtung und/oder in Umfangsrichtung veränderliche Wärmeaufnahmefähigkeit aufweisen. Wärmeaufnahmefähigkeit meint hier die Fähigkeit, Wärme zu speichern und/oder weiterzuleiten. Bei solchen Werkstücken treten die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders deutlich zu Tage. Die lokalen Unterschiede der Wärmeaufnahmefähigkeit des Werkstücks können unterschiedliche Parameter des Beschichtungsvorgangs erfordern. Bei Verwendung fester Parameter kann daher unter Umständen keine (hochwertige) Beschichtung erfolgen. Die automatische Anpassung des wenigstens einen Parameters erlaubt es hingegen, auch solche schwierig zu beschichtenden Werkstücke mit hoher Qualität und kostengünstig zu beschichten. Die veränderliche Wärmeaufnahmefähigkeit kann beispielsweise aus einer inneren Struktur des Werkstücks resultieren; beispielsweise kann das Werkstück in seinem Inneren Belüftungskanäle aufweist. Die veränderliche Wärmeaufnahmefähigkeit kann sich an der Oberfläche manifestieren; beispielsweise kann das Werkstück im zu beschichtenden Oberflächenbereich Bohrungen aufweisen.
Erfindungsgemäße Beschichtungsanlage
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ferner eine Anlage zum Beschichten eines rotierenden Oberflächenbereichs eines Werkstücks durch Laserauftragsschweißen.
Die Anlage weist eine Lasereinrichtung zum Richten eines Laserstrahls auf den Oberflächenbereich auf. Eine Laserleistung der Lasereinrichtung kann wenigstens 2000 W betragen. Eine Wellenlänge des Laserstrahls kann wenigstens 800 nm, bevorzugt wenigstens 1000 nm und/oder höchstens 2000 nm, bevorzugt höchstens 1100 nm, betragen.
Ferner weist die Anlage eine Düse zum Einblasen von Beschichtungswerkstoff in den Laserstrahl auf. Die Düse ist vorzugsweise konzentrisch zu dem auf das Werkstück gerichteten Laserstrahl angeordnet.
Weiterhin weist die Anlage eine Dreheinrichtung zum Rotieren des Werkstücks, insbesondere um eine Symmetrieachse des Oberflächenbereichs, auf. Durch Rotieren des Werkstücks mittels der Dreheinrichtung kann in besonders einfacher Weise ein Vorschub in Umfangsrichtung bewirkt werden.
Zudem weist die Anlage eine Kamera zum Aufnehmen eines Intensitätsprofils von Wärmestrahlung, die von dem Werkstück emittiert wird, auf. Die Kamera ist vorzugsweise eine Infrarotkamera. Die Wärmestrahlung kann entsprechend Infrarotstrahlung sein. Mittels der Kamera kann ein thermischer Ist-Zustand des Beschichtungsvorgangs ermittelt werden. Schließlich weist die Anlage eine Regeleinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Eigenschaft des Intensitätsprofils mit wenigstens einem vordefinierten Sollwert zu vergleichen und wenigstens einen Parameter eines Beschichtungsvorgangs in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs zu verändern. Die Regeleinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, den wenigstens einen Parameter des Beschichtungsvorgangs derart zu verändern, dass sich die wenigstens eine Eigenschaft des gemessenen Intensitätsprofils dem entsprechenden Sollwert annähert. Hierdurch wird die Qualität der Beschichtung auf dem Oberflächenbereich verbessert. Die Regeleinrichtung ist typischerweise auch dazu eingerichtet, die wenigstens eine Eigenschaft des Intensitätsprofils zu ermitteln. Alternativ könnte die wenigstens eine Eigenschaft beispielsweise von der Kamera ermittelt werden.
Die Anlage, insbesondere die Kamera und die Regeleinrichtung, sind grundsätzlich dazu eingerichtet, das Intensitätsprofil kontinuierlich zu erfassen, kontinuierlich die wenigstens eine Eigenschaft mit dem wenigstens einen vordefinierten Sollwert zu vergleichen und kontinuierlich den wenigstens einen Parameter anzupassen. Unter einer kontinuierlichen Durchführung der vorgenannten Schritte wird insofern auch eine wiederholte Durchführung in hinreichend kleinen Zeitabständen verstanden, beispielsweise mit einer Frequenz von wenigstens 100 Hz.
Die erfindungsgemäße Anlage ist zur Durchführung des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Die Anlage kann dazu eingerichtet sein, weitere Merkmale des Verfahrens umzusetzen.
Die Anlage kann eine gemeinsame Optik für die Lasereinrichtung bzw. den Laserstrahl und die Kamera bzw. die Wärmestrahlung aufweisen. Die gemeinsame Optik ermöglicht typischerweise ein Durchführen des Laserstrahls und der Wärmestrahlung in unterschiedlichen Richtungen. Der Aufwand, um das Intensitätsprofil im Bereich des Auftreffpunkts des Laserstrahls zu erfassen, kann durch die gemeinsame Optik verringert werden. Wenn der Auftreffpunkt des Laserstrahls mittels der Optik verändert wird, beispielsweise durch Kippen oder Verschieben der Optik, etwa für eine Vorschubbewegung in lateraler Richtung, wird automatisch auch der von der Kamera erfasste Bereich in entsprechender Weise verändert. Zudem kann mittels der gemeinsamen Optik in einfacher Weise ein unverzerrtes Bild erhalten werden. Die Anlage kann weiterhin eine Speichereinrichtung zum Speichern wenigstens eines Wertes des Intensitätsprofils und/oder wenigstens eines Wertes der wenigstens einen Eigenschaft aufweisen. Dies vereinfacht die Analyse und Beeinflussung des Beschichtungsvorgangs. Insbesondere kann dadurch eine nachträgliche Auswertung, beispielsweise zur Qualitätskontrolle, ermöglicht werden.
Ferner kann die Anlage eine Anzeigeeinrichtung aufweisen zum Ausgeben wenigstens eines Wertes des Intensitätsprofils, wenigstens eines Wertes der wenigstens einen Eigenschaft, wenigstens eines Wertes des wenigstens einen Parameters und/oder wenigstens eines Wertes einer Abweichung des wenigstens einen Parameters von dem wenigstens einen Sollwert. Alternativ oder zusätzlich kann die Anzeigeeinrichtung dazu eingerichtet sein, ein Bild der Kamera auszugeben. Bedienpersonal der Anlage kann somit den Beschichtungsvorgang in einfacher Weise überwachen bzw. die Anlage einrichten.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anlage zum Beschichten eines rotierenden Werkstücks durch Laserauftragsschweißen in einer Prinzipskizze;
Fig. 2a ein Intensitätsprofil von Wärmestrahlung aus einem Beschichtungsbereich beim Laserauftragsschweißen auf ein rotierendes
Werkstück, ohne dass ein Wärmestau auftritt, in einer schematischen Grauwertdarstellung;
Fig. 2b das Intentsitätsprofil von Fig. 2a in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung;
Fig. 3a ein Intensitätsprofil von Wärmestrahlung aus einem Beschichtungsbereich beim Laserauftragsschweißen auf ein rotierendes Werkstück, während ein Wärmestau auftritt, in einer schematischen Grauwertdarstellung;
Fig. 3b das Intentsitätsprofil von Fig. 3a in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung; Fig. 4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens.
Figur 1 zeigt eine Anlage 10 zum Beschichten eines rotierenden Oberflächenbereichs 12 eines Werkstücks 14 durch Laserauftragsschweißen. Das Werkstück 14 kann beispielsweise eine innen belüftete Bremsscheibe mit innenliegenden Belüftungskanälen sein. Der Oberflächenbereich 12 liegt hier an einer Stirnfläche des Werkstücks 14, welche als eine Reibfläche dient. Der Oberflächenbereich 12 soll mit einer verschleißmildernden Beschichtung versehen werden.
Zur Beschichtung des rotationssymmetrischen Oberflächenbereichs 12 wird das Werkstück 14 mittels einer Dreheinrichtung 24 um eine Symmetrieachse 26 gedreht. Die Drehbewegung bewirkt einen Vorschub des Beschichtungsvorgangs in Umfangsrichtung. Zudem kann das Werkstück mittels der Dreheinrichtung 24 in radialer Richtung verschoben werden, um einen entsprechenden Vorschub in lateraler (hier radialer) Richtung zu bewirken.
Die Anlage 10 weist eine Lasereinrichtung 16 auf. Die Lasereinrichtung 16 emittiert einen Laserstrahl 18. Der Laserstrahl 18 trifft auf den rotierenden Oberflächenbereich 12. Das Material des Werkstücks 14 kann dadurch im Bereich des Auftreffpunkts des Laserstrahls 18 lokal aufgeschmolzen werden. Für den Vorschub in lateraler Richtung könnte anstelle einer Verschiebung des Werkstücks 14 eine Verschiebung der Lasereinrichtung 16 erfolgen.
Durch eine Düse 20 wird mittels einer Zuführeinrichtung 40 ein pulverförmiger Beschichtungswerkstoff 22 zu dem Werkstück 14 hin in den Laserstrahl 18 eingeblasen. Es versteht sich, dass dies in Figur 1 nur in stark abstrahierter Form und insbesondere nicht maßstäblich gezeigt ist. Die Düse 20 kann konzentrisch zu dem Laserstrahl 18 angeordnet sein. Der Beschichtungswerkstoff 22 wird in dem Laserstrahl 18 aufgeschmolzen, bevor er auf das Werkstück 14 trifft. Es handelt sich mithin um ein Verfahren des Extremen Hochgeschwindigkeits- Laserauftragsschweißens. Der geschmolzene Beschichtungswerkstoff 22 trifft am Oberflächenbereich 12 auf das lokal aufgeschmolzene Material des Werkstücks 14. Die Schmelzen des Beschichtungswerkstoffs 22 und des Werkstücks 14 verbinden sich miteinander und erstarren unter Ausbildung einer Beschichtung, wenn der Auftreffpunkt des Laserstrahls 18 aufgrund der Vorschubbewegung des Werkstücks 14 weiter wandert.
In dem in Figur 4 gezeigten Ablaufdiagramm ist der zuvor beschriebene Beschichtungsvorgang als Schritt 102 dargestellt. Während der Beschichtungsvorgang 102 durchgeführt wird, wird in einem Schritt 104 ein Intensitätsprofil von Wärmestrahlung 30, genauer Infrarotstrahlung, aufgenommen, die das Werkstück 14 im Bereich des Auftreffpunkts von Laserstrahl 18 und Beschichtungswirkstoff 22 emittiert. Die Anlage 10 weist hierzu eine Kamera 28, nämlich eine Infrarotkamera, auf (vergleiche Figur 1).
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Anlage 10 eine gemeinsame Optik 34 für den Laserstrahl 18 und die Kamera 28 bzw. die von der Kamera 28 erfasste Wärmestrahlung 30 auf. Die gemeinsame Optik 34 kann eine Linse oder ein Linsensystem umfassen. Ein dichriotischer Spiegel 42 kann den Laserstrahl 18 von der Lasereinrichtung 16 ausgehend zu dem Werkstück 14 durchlassen und von dem Werkstück 14 koaxial zum Laserstrahl 18 zurück strahlende Wärmestrahlung zu der Kamera 28 hin ablenken. Ein Intensitätsprofil von Wärmestrahlung aus der Prozesszone bei einem wie gewünscht ablaufenden Beschichtungsvorgang an dem rotierenden Werkstück 14 ist in den Figuren 2a und 2b gezeigt. Das Intensitätsprofil ist einem Gaußprofil ähnlich und weist ein globales Maximum 44 auf. Aufgrund der Vorschubbewegung ist das Intensitätsprofil nicht symmetrisch, sondern in einem gewissen Ausmaß verzerrt. Das globale Maximum 44 läuft hier in lateraler Vorschubrichtung 46 dem Auftreffpunkt des Laserstrahls 18 auf dem Werkstück 14 hinterher. Der Vorschub in Umfangsrichtung erfolgt in Pfeilrichtung 48.
Die Figuren 3a und 3b zeigen ein Intensitätsprofil von Wärmestrahlung, wenn bei dem Beschichtungsvorgang an dem Werkstück 14 ein Wärmestau auftritt, beispielsweise im Bereich eines Belüftungskanals. Durch den Wärmestau ändert sich die Form des Intensitätsprofils. Insbesondere weist das Intensitätsprofil zusätzlich zu dem globalen Maximum 44 ein lokales Maximum 50 auf. Das lokale Maximum 50 läuft dem globalen Maximum 44 in der lateralen Vorschubrichtung 46 voraus und in der tangentialen Vorschubrichtung 48 nach. In einem in
Umfangsrichtung (parallel zur tangentialen Vorschubrichtung 48) verlaufenden Querschnitt durch das Intensitätsprofil, welcher gegenüber dem globalen Maximum 44 versetzt verläuft, und zwar in der lateralen Vorschubrichtung 46 vor dem globalen Maximum 44, erscheint das lokale Maximum 50 als ein „globales Maximum". Der Betrag des lokalen Maximums 50 ist dabei kleiner als der Betrag des globalen Maximums 44. Das Vorhandensein bzw. Fehlen eines solchen lokalen Maximums 50 in einem relativ zu dem globalen Maximum 44 definierten Querschnitt stellt eine Eigenschaft des Intensitätsprofils dar. Insbesondere beschreibt auch der maximale Betrag der Intensität der Wärmestrahlung in diesem Querschnitt eine Eigenschaft des Intensitätsprofils (dieser entspricht dem Betrag des lokalen Maximums 50, sofern ein solches ausgebildet ist). Weitere Eigenschaften des Intensitätsprofils können beispielsweise ein Durchmesser des Intensitätsprofils (bezüglich eines unteren Schwellwerts der Intensität), der Betrag des globalen Intensitätsmaximums 44, eine Summe der Intensitäten (Integral der Intensitäten über die Fläche des durch den unteren Schwellwert begrenzten Intensitätsprofils), ein Mittelwert der Intensitäten (innerhalb des durch den unteren Schwellwert begrenzten Intensitätsprofils) und/oder eine Form des Intensitätsprofils sein. In einem Schritt 106 wird wenigstens ein Kennwert für eine der vorgenannten Eigenschaften ermittelt, vergleiche Figur 4. Für die Ausprägung wenigstens einer dieser Eigenschaften bei einem wie gewünscht verlaufenden Beschichtungsvorgang wurde vor Beginn des Beschichtungsvorgangs in einem Schritt 108 wenigstens ein entsprechender Sollwert definiert. In einem Schritt 110 werden der Sollwert und die ermittelte Eigenschaft bzw. ihr Kennwert miteinander verglichen.
Wenn das Ergebnis des Vergleichs auf eine Abweichung von dem gewünschten Verlauf des Beschichtungsvorgangs hinweist, beispielsweise aufgrund eines Wärmestaus oder einer übermäßigen Wärmeabfuhr, wird wenigstens ein Parameter des Beschichtungsvorgangs in einem Schritt 112 geeignet angepasst. Dabei wird der Ablauf des Beschichtungsvorgangs derart verändert, dass sich die Eigenschaft des Intensitätsprofils ihrem Sollwert annähert. Dies bewirkt, dass eine Beschichtung mit besserer Qualität erhalten wird als mit unverändert bleibenden Parametern. Der zu verändernde Parameter kann beispielsweise eine Laserleistung des Laserstrahls 18, die Vorschubgeschwindigkeit in Umfangsrichtung 48, die Vorschubgeschwindigkeit in lateraler Richtung 46, ein Versatz aufeinanderfolgender Auftreffpunkte des Laserstrahls 18 in lateraler Richtung 46 und/oder ein Massenstrom des Beschichtungswerkstoffs 22 sein.
Für die Durchführung der Schritte 106, 108, 110 und 112 weist die Anlage 10 eine Regeleinrichtung 32 auf, vergleiche Figur 1. Die Regeleinrichtung 32 kann in die Kamera 28 integriert sein. Die Anlage 10 weist ferner eine Speichereinrichtung 36 auf, die ebenfalls in die Kamera 28 integriert sein kann. In der Speichereinrichtung 36 können ein oder mehrere Sollwerte, Kennwerte des Intensitätsprofils und/oder Ergebnisse des Vergleichs mit den Sollwerten gespeichert sein bzw. werden. An die Kamera 28 angeschlossen oder in diese integriert sein kann auch eine Anzeigeeinrichtung 38. Die Anzeigeeinrichtung 38 ermöglicht es, ein von der Kamera 28 aufgenommenes Bild anzuzeigen, um Kameraeinstellungen beispielsweise zur Belichtung, Fokussierung, Größe des Bildausschnitts etc. anpassen zu können.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweißen. Ein Werkstück wird rotiert, sodass ein im Wesentlichen rotationssymmetrischer Oberflächenbereich beschichtet wird. Thermische Kennwerte des laufenden Beschichtungsvorgangs werden aus einem Wärmebild ermittelt und mit Sollwerten verglichen. Suboptimale Beschichtungsbedingungen, beispielsweise aufgrund einer lokal abweichenden Wärmeaufnahmefähigkeit des Werkstücks, sind anhand des Vergleichs identifizierbar und werden gegebenenfalls entsprechend korrigiert. Bezuaszeichenliste
Anlage 10
Oberflächenbereich 12 Werkstück 14
Lasereinrichtung 16 Laserstrahl 18 Düse 20
Beschichtungswerkstoff 22 Dreheinrichtung 24 Symmetrieachse 26 Kamera 28 Wärmestrahlung 30 Regeleinrichtung 32 Optik 34
Speichereinrichtung 36 Anzeigeeinrichtung 38 Zuführeinrichtung 40 dichriotischer Spiegel 42 globales Maximum 44 laterale Vorschubrichtung 46 tangentiale Vorschubrichtung 48 lokales Maximum 50 Beschichten durch Laserauftragsschweißen 102 Aufnehmen 104 eines Intensitätsprofils Ermitteln 106 eines Kennwerts einer Eigenschaft Vordefinieren 108 eines Sollwerts Vergleichen 110 Verändern 112

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Beschichten eines rotierenden Oberflächenbereichs (12) eines Werkstücks (14) durch Laserauftragsschweißen, wobei ein pulverförmiger Beschichtungswerkstoff (22) vor dem Auftreffen auf das Werkstück (14) in einem auf den Oberflächenbereich (12) gerichteten Laserstrahl (18) aufgeschmolzen wird, wobei ein ortsaufgelöstes Intensitätsprofil von von dem Werkstück (14) emittierter Wärmestrahlung (30), insbesondere Infrarotstrahlung, erfasst wird, wobei wenigstens eine Eigenschaft des Intensitätsprofils mit wenigstens einem vordefinierten Sollwert verglichen wird, und wobei wenigstens ein Parameter des Beschichtungsvorgangs in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Intensitätsprofil mit einer Kamera (28), vorzugsweise einer Infrarotkamera, erfasst wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Optik (34) für den Laserstrahl (18) und die Wärmestrahlung (30) vorgesehen ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Eigenschaft des Intensitätsprofils ausgewählt ist aus
- Durchmesser des Intensitätsprofils,
- Betrag des globalen Intensitätsmaximums (44),
- Summe der Intensitäten, - Mittelwert der Intensitäten und/oder
- Form des Intensitätsprofils.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Eigenschaft durch Auswerten eines Querschnitts des Intensitätsprofils bestimmt wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt in Umfangsrichtung des Oberflächenbereichs (12) verläuft.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt gegenüber einem globalen Intensitätsmaximum versetzt verläuft, vorzugsweise in lateraler Vorschubrichtung (46) vor dem globalen
Intensitätsmaximum (44).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft eine Ausprägung, insbesondere ein Betrag, eines lokalen Intensitätsmaximums (50) ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Parameter des Beschichtungsvorgangs ausgewählt ist aus - Laserleistung,
- Vorschubgeschwindigkeit in Umfangsrichtung (48),
- Vorschubgeschwindigkeit in lateraler Richtung (46),
- Versatz aufeinanderfolgender Auftreffpunkte des Laserstrahls (18) in lateraler Richtung und/oder - Massenstrom des Beschichtungswerkstoffs (22).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungswerkstoff (22) aus einer zu dem Laserstrahl (18) konzentrischen Düse (20) austritt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (14) eine in lateraler Richtung und/oder in Umfangsrichtung veränderliche Wärmeaufnahmefähigkeit aufweist.
12. Anlage (10) zum Beschichten eines rotierenden Oberflächenbereichs (12) eines Werkstücks (14) durch Laserauftragsschweißen, aufweisend
- eine Lasereinrichtung (16) zum Richten eines Laserstrahls (18) auf den Oberflächenbereich (12),
- eine Düse (20) zum Einblasen von Beschichtungswerkstoff (22) in den Laserstrahl (18),
- eine Dreheinrichtung (24) zum Rotieren des Werkstücks (14),
- eine Kamera (28), insbesondere eine Infrarotkamera, zum Aufnehmen eines Intensitätsprofils von von dem Werkstück (14) emittierter Wärmestrahlung (30), insbesondere Infrarotstrahlung,
- eine Regeleinrichtung (32), die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Eigenschaft des Intensitätsprofils mit wenigstens einem vordefinierten Sollwert zu vergleichen und wenigstens einen Parameter eines Beschichtungsvorgangs in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs zu verändern.
13. Anlage (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Optik (34) für die Lasereinrichtung (16) und die Kamera (28) vorgesehen ist.
14. Anlage (10) nach Anspruch 12 oder 13, weiterhin aufweisend eine Speichereinrichtung (36) zum Speichern wenigstens eines Wertes des Intensitätsprofils und/oder der wenigstens einen Eigenschaft.
15. Anlage (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, weiterhin aufweisend eine Anzeigeeinrichtung (38) zum Ausgeben wenigstens eines Wertes des Intensitätsprofils, der wenigstens einen Eigenschaft, des wenigstens einen Parameters, einer Abweichung des wenigstens einen Parameters von dem wenigstens einen Sollwert und/oder zur Anzeige eines Bildes der Kamera
(28).
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