EP4479217A2 - Verfahren zum beschichten metallischer werkstücke - Google Patents

Verfahren zum beschichten metallischer werkstücke

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EP4479217A2
EP4479217A2 EP24701829.4A EP24701829A EP4479217A2 EP 4479217 A2 EP4479217 A2 EP 4479217A2 EP 24701829 A EP24701829 A EP 24701829A EP 4479217 A2 EP4479217 A2 EP 4479217A2
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EP
European Patent Office
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laser beam
irradiation zone
workpiece
zone
laser
Prior art date
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Pending
Application number
EP24701829.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Scholz
Björn Sautter
Patrick Haug
Nicolai Speker
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Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik SE
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Filing date
Publication date
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Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik SE filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik SE
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Definitions

  • the present invention relates to the field of laser cladding.
  • the invention relates to a method and a device for coating metallic workpieces, in particular brake disks, by means of high-speed laser cladding.
  • HS-LMD high-speed laser metal deposition
  • a significant portion of the laser power is absorbed by the powder flow of the filler material and by metal vapor generated during the machining process.
  • metal vapor generated during the machining process In order to ensure a sufficient bond between the workpiece and the
  • the preheating temperature cannot be set precisely.
  • the preheating temperature is limited because the surface of the brake body oxidizes at a temperature of around 300 °C. An oxidized surface would have a negative impact on the coating process and the quality of the coating.
  • the present invention is based on the object of improving the coating of metal workpieces by means of laser deposition welding.
  • a method for coating a metal workpiece by means of laser deposition welding comprises, in a first step, moving, in particular rotating, the workpiece to be coated.
  • the workpiece can preferably be a brake disk for a motor vehicle.
  • the workpiece can have a base body, which can consist essentially of cast iron, in particular of gray cast iron.
  • An intermediate layer made of a material - preferably also a metallic material, in particular of a stainless steel - can be applied to the base body on the surface of the workpiece to be coated.
  • the intermediate layer serves, for example, to improve the bond between the wear protection layer to be applied and the workpiece.
  • the intermediate layer can serve to stop cracks in the wear protection layer to be applied.
  • the composition of the intermediate layer can be selected depending on the material of the wear protection layer to be applied.
  • the method comprises irradiating a surface of the workpiece using at least one first laser beam to generate at least one first irradiation zone and a second irradiation zone on the workpiece surface, the second irradiation zone leading or trailing the first irradiation zone along a processing direction.
  • the first irradiation zone can also be referred to as a process zone.
  • the second irradiation zone can also be referred to as a preheating zone or a postheating zone - depending on whether it is arranged in the lead or trailing direction of the process zone.
  • the processing direction is essentially determined by the movement of the workpiece.
  • the processing beam is moved in a radial direction, resulting in a spiral-shaped processing path.
  • the processing direction can be a tangent of the processing path starting from the center of the first irradiation zone.
  • helical processing paths or simple straight, circular or other processing paths can also be realized.
  • a movement of the processing beam in addition to the movement of the workpiece is not always required.
  • the workpiece surface is locally heated by at least the first laser beam in the process zone as well as in the preheating zone or the postheating zone.
  • a filler material preferably in powder form, is introduced into the first irradiation zone (i.e. into the process zone).
  • the filler material can preferably be irradiated into the process zone in the form of one or more powder jets using a preferably inert carrier gas.
  • a wire-shaped filler material could also be fed in.
  • the filler material is fed into the process in such a way that it enters the first laser beam at least partially, preferably over its entire cross-section, before it hits the workpiece surface, at a predetermined distance from the workpiece surface, and is thereby heated at least partially, preferably over its entire cross-section.
  • the filler material or at least part of the filler material is at least partially melted so that when it hits the workpiece surface in the process zone, which is also heated, it can quickly bond with the material of the workpiece and create a material bond with particularly little mixing of the joining partners.
  • the focus of a powder jet supplied from several directions can be in the area of the surface (e.g. in the surface plane) of the workpiece to be coated, preferably above the workpiece surface. Depending on the application, the focus of a powder-filled filler material can also be below the workpiece surface, i.e. in the workpiece or below the workpiece.
  • the filler material preferably consists of a material that has a higher wear resistance than a base body of the component.
  • the filler material can comprise an iron-containing matrix material, which in particular forms a matrix of stainless steel in which hard material particles, such as tungsten carbide particles or titanium carbide particles, are embedded.
  • the filler material preferably forms a flat wear protection layer on the workpiece surface.
  • the wear protection can be increased by the carbide deposits in the coating layer. When coating a brake disc, this can be done in this way. the number of braking cycles and thus the service life of the brake disc can be increased (particularly by reducing abrasion during braking).
  • the method according to the invention makes it possible to preheat the workpiece surface precisely and efficiently along the processing path immediately before the filler material hits the process zone or to reheat it after passing through the process zone in order to improve the bonding of the filler material to the workpiece surface and avoid bonding errors.
  • the formation of other defects - e.g. pores - in the material structure of the coating layer can also be counteracted.
  • the energy input into the workpiece is much more targeted.
  • the temperature can be adapted to changing thermal conditions during a coating process at very short notice. In this way, the quality of the coating can also be increased.
  • a penetration depth (or impact depth) of the at least first laser beam into the workpiece to be coated can preferably be at most 20 pm, preferably at most 10 pm, even more preferably at most 5 pm.
  • preheating the workpiece surface can contribute in particular to cleaning and/or outgassing of carbon from the workpiece to be coated, an improved wettability of the workpiece surface with the additional material and/or an improved bond between the additional material and the workpiece.
  • an inert protective gas for example argon, helium or inert gas mixtures, is directed together with the at least first laser beam through the processing nozzle of a processing head onto the first illumination zone in order to separate the welding process from the reaction with oxygen from the ambient air and to prevent corrosion of the coating layer or the heated workpiece surface.
  • an inert protective gas for example argon, helium or inert gas mixtures
  • a resulting feed rate i.e. a speed of the relative movement between the workpiece surface and the processing beam, can preferably be at least 20 m/min.
  • the workpiece to be coated is not subjected to any additional preheating in addition to the preheating by at least the first laser beam, in particular no large-area preheating by induction.
  • a third irradiation zone can also be generated by means of the at least first laser beam.
  • the third irradiation zone is arranged such that it is opposite the second processing zone starting from the first irradiation zone.
  • the second irradiation zone is the leading preheating zone and the third irradiation zone is the trailing postheating zone.
  • the first irradiation zone can be generated using the first laser beam and the second irradiation zone using a second laser beam.
  • the third irradiation zone can additionally be generated using a third laser beam.
  • the first laser beam and the second laser beam, as well as (optionally) the third laser beam can also each be designed as partial beams (i.e. first partial beam, second partial beam and (optionally) third partial beam) of a common laser output beam.
  • the second laser beam and/or the third laser beam can have a different intensity in the irradiation plane (i.e. plane of the workpiece surface or surface plane of the applied layer) than the first laser beam.
  • the intensity of the second laser beam in the plane of the workpiece surface can be lower than the intensity of the first laser beam.
  • the second laser beam and/or the third laser beam can also be fed into the process from a separate beam source, for example laterally.
  • the laser power of the individual laser beams can be easily adjusted independently of one another. This also makes it easy to position the preheating beam and/or the postheating beam on the processing path.
  • laser beams with different wavelengths than those used for the actual coating process can be used for preheating and/or postheating. The wavelengths can be precisely matched to a material-specific coupling and the efficiency of the preheating and/or postheating can thus be increased.
  • the preheating beam and/or the postheating beam could be beamed onto the workpiece surface or the weld bead from outside the feed of the filler material and would not be influenced in particular by a powder jet of the filler material arranged concentrically around the first laser beam.
  • only one laser beam can be used, which preferably has an asymmetrical beam profile that is elongated in the processing direction (e.g. oval or rectangular), with a front part of the projection of the laser beam on the workpiece surface forming the second irradiation zone and an adjoining part of the projection forming the first irradiation zone.
  • the extent of the asymmetrical laser beam can also cover the third irradiation zone, which follows the first irradiation zone and reheats the weld bead produced or the applied filler material in order to additionally prevent connection errors or delamination between individual application layers.
  • the first laser beam and/or the second laser beam and/or the third Laser beam can have a plateau-shaped intensity distribution.
  • the intensity distribution described is present in particular in the beam focus of the respective laser beam.
  • at least one of the laser beams can have a Gaussian intensity distribution.
  • a plateau-shaped intensity distribution which is also referred to as a tophat distribution, has the advantage over a Gaussian intensity distribution that a more uniform heating of both the workpiece surface and the additional material is possible over the entire beam cross-section of the laser beam, i.e. in particular also in its edge areas.
  • the first laser beam and/or the second laser beam and/or the third laser beam can have an intensity distribution with an intensity maximum in the edge region of the respective laser beam.
  • the first and/or the second and/or the third laser beam can each have a circular cross-section with an annular intensity distribution over the beam cross-section. The intensity is therefore lower in the center of the beam than in its edge region.
  • a laser beam with an annular intensity profile enables even more uniform heating of the workpiece surface and/or the, in particular powdery, filler material during laser deposition welding.
  • the fluence introduced in the area of the second irradiation zone is preferably in the range from 0.01 J/mm 2 to 5 J/mm 2 .
  • the influence of the heating by the laser radiation on the metallurgy of the workpiece to be coated can be kept low due to a low exposure depth.
  • the exposure depth of the preheating can be in the range from 5 pm to 500 pm starting from the workpiece surface.
  • the irradiation in the second irradiation zone can be set so that a preheating temperature of the workpiece in the second irradiation zone is in a range from 5% of the melting temperature to the evaporation temperature of the workpiece to be coated.
  • a laser power of the second laser beam and/or a laser power of the third laser beam can be changed during a coating process.
  • the laser power of the second laser beam and/or the third laser beam can be changed when the resulting feed rate changes.
  • the laser power of the second and/or the third laser beam can also have a first value at the start of a coating process, which is reduced according to a specification in order to compensate for process-related heating of the component during the coating process and to create as equal thermal conditions as possible over the entire coating process.
  • the laser power of the first laser beam can also be changed if necessary.
  • the sum of the laser powers of all laser beams used for the coating process can be at least 1 kW, preferably at least 8 kW.
  • the proportion of the laser power for the second laser beam in the total power can be in the range from 0.05% to 75%, in particular in the range from 1% to 50%.
  • At least one of the laser beams used can have a wavelength in the range from 0.4 pm to 2 pm.
  • a beam quality of at least one of the laser beams can be in the range from 2 mm*mrad to 500 mm*mrad.
  • a 2-in-1 or an n-in-1 optical fiber or a single-core fiber can be used to guide the at least first laser beam or a laser output beam underlying the first laser (partial) beam.
  • An n-in-1 optical fiber in the sense of the present disclosure has at least one central light-guiding core region and at least one light-guiding ring region surrounding the core region for transporting the laser beam, wherein the light-guiding regions are preferably spaced apart from one another by a cladding.
  • the power portion of the laser beam guided in the central fiber core can at least 15% of the total power.
  • a device with a welding head can preferably be used, which comprises welding optics, by means of which the first laser beam is focused onto the process zone together with a powder gas jet containing the additional material and furthermore at least a beam portion of the first laser beam or a second laser beam is focused onto the preheating zone.
  • the focus diameter of at least one of the laser beams is in the range from 1 mm to 20 mm.
  • the laser beam or beams can be focused onto the workpiece surface to be coated in such a way that their focus diameter lies in the surface plane of the workpiece, or is offset by a few mm upwards or downwards from the surface plane.
  • a corresponding optical element for example an optical wedge or a diffractive optical element
  • a distance of the second irradiation zone (preheating zone) from the first irradiation zone (process zone) and/or a distance of the third irradiation zone (postheating zone) from the first irradiation zone in the processing direction can correspond to at least 0.5 times a focus diameter of the first laser beam and at most 5 times the focus diameter of the first laser beam.
  • the first laser beam and the second laser beam and/or the third laser beam can in particular have the same, in particular circular, outer diameter.
  • an overlap of the irradiation zones can be preferred.
  • the distance between the irradiation zones is determined in each case by the distance between the centers of the irradiation zones in a common plane (in case of doubt in the surface plane of the workpiece to be coated).
  • the irradiation zones can be spaced apart from one another in such a way that they are just adjacent to one another without significantly overlapping or having a significant gap between them.
  • the filler material can be fed to the first irradiation zone in such a way that an irradiation window remains for generating the second irradiation zone and/or for generating the third irradiation zone.
  • the powder feed can be designed in such a way that the second laser beam or a corresponding portion of the first laser beam for generating the preheating zone (second irradiation zone) is not covered by the powder flow.
  • the filler material can be fed exclusively laterally with respect to the processing direction and/or in a piercing manner, i.e.
  • any post-heating zone would be at least partially covered.
  • a concentric feed of the filler material is also conceivable.
  • a variant may be particularly preferred in which the additional material is fed to the first irradiation zone from several positions distributed around the first laser beam (or via individual nozzles distributed in a ring or via a C-shaped gap nozzle), with no powder being fed from the forward direction, so that the second laser beam or a corresponding portion of the first laser beam can be directed unhindered onto the workpiece surface through the existing recess in the powder feed.
  • An analogous recess can be provided in the powder feed to create a post-heating zone.
  • the additional material is blown into the process zone in powder form using a carrier gas, in particular an inert one.
  • a carrier gas in particular an inert one.
  • the powder mass flow in the method according to the invention can preferably be at least 20 g/min.
  • additional gassing can be provided.
  • an inert gas for example argon, can be blown onto at least the processing zone through a processing nozzle through which the laser beam(s) also emerge.
  • the second irradiation zone and/or the third irradiation zone can be arranged orthogonally to the processing direction and offset from the first irradiation zone.
  • curvature of the processing path can be taken into account for preheating and/or postheating, particularly in the case of circular, spiral or helical material application.
  • the influence of the preheating and/or postheating on a sub-area of the process zone or its immediate surroundings can be adjusted by laterally shifting the preheating area and/or the postheating area. This can be necessary when welding with track overlap, for example if only the workpiece or only the intermediate layers are to be preheated.
  • the second laser beam and/or the third laser beam can each have a rectangular beam cross-section.
  • the rectangular beam profile can be aligned orthogonally to the processing direction. This results in a uniform fluence distribution in the preheating zone or in the post-heating zone.
  • the second irradiation zone (preheating zone) and/or the third irradiation zone (postheating zone) can each have a different size than the first irradiation zone (process zone).
  • Al area of the first irradiation zone.
  • the following can also apply to the area A2 of the second irradiation zone: Al ⁇ A2 ⁇ 3*A1.
  • a larger preheating zone is used compared to the process zone, for example, previously applied coating sections (in particular the turns of a spirally applied coating) can be subjected to heat treatment at the same time as the powder is applied.
  • the effort required for precise positioning of the second laser beam relative to the first laser beam is reduced.
  • a configuration in which the irradiation zones are the same size may also be desirable. In particular, this can optimize the efficiency of the energy input in some cases.
  • the size of the projection area of the laser beam(s) on the workpiece surface can be variably adjusted.
  • a device for laser deposition welding comprises a carrier unit for a metallic workpiece to be coated, wherein the carrier unit has a movement unit for moving, in particular for rotating, the workpiece.
  • the device further comprises a laser beam unit for providing at least a first laser beam and for generating, by means of at least the first laser beam, at least a first irradiation zone and a second irradiation zone on a surface of the workpiece to be coated, wherein the second irradiation zone precedes the first irradiation zone along a processing direction.
  • the device also comprises a feed unit for feeding an additional material, in particular powdery, into the first irradiation zone, wherein the additional material can be fed to the first irradiation zone in such a way that it at least partially enters the first laser beam before it hits the workpiece surface in the first processing zone and is thereby at least partially heated.
  • a feed unit for feeding an additional material, in particular powdery, into the first irradiation zone, wherein the additional material can be fed to the first irradiation zone in such a way that it at least partially enters the first laser beam before it hits the workpiece surface in the first processing zone and is thereby at least partially heated.
  • the laser beam unit preferably has an optic with a collimation unit and a focusing unit, as well as a beam splitter element.
  • the beam splitter element is arranged between the collimation unit and the focusing unit in the beam path of the optic and is designed to split a laser output beam into the first laser beam and at least one second laser beam.
  • the beam splitter element can be, for example, an optical wedge, a cylindrical lens or a diffractive optical element (DOE).
  • DOE diffractive optical element
  • a facet optic or a microlens array can also be used as a beam splitter element.
  • optical wedge and the DOE as well as using a facet optic or a microlens array, separate partial beams can be generated, which are used to irradiate the workpiece surface in the respective irradiation zone.
  • cylindrical lens an elliptical beam profile of the laser beam can be generated so that the laser beam irradiates the respective irradiation zones on the workpiece surface with a continuous beam spot.
  • the device may further comprise a displacement unit by means of which the optical element designed as an optical wedge or as a DOE can be displaced laterally in the beam path of the laser output beam in order to distribute the laser power to the resulting laser beams.
  • a displacement unit by means of which the optical element designed as an optical wedge or as a DOE can be displaced laterally in the beam path of the laser output beam in order to distribute the laser power to the resulting laser beams.
  • a workpiece that can be produced by means of a coating method according to the invention.
  • the workpiece is in particular a brake disk.
  • the workpiece comprises a metallic base body, in particular a disk-shaped one.
  • the base body can consist in particular of cast iron, for example of gray cast iron.
  • the workpiece further comprises at least one coating layer, which is arranged on a surface of the base body, preferably in spiral-shaped and overlapping coating paths, and is integrally connected to the base body.
  • the workpiece has a mixing region at a transition between the base body and the coating layer, which has a thickness of at most 20 pm, preferably of at most 10 pm, even more preferably of at most 5 pm.
  • the material bond between the base body and the coating layer is formed in the mixing region.
  • the workpiece can have several coating layers, each of which has a different material composition.
  • a first Coating layer can be formed as an intermediate layer made of stainless steel, which is applied to the surface of the base body.
  • a second coating layer applied to the intermediate layer can be made of a matrix material in which hard material particles, for example tungsten carbide or titanium carbide, are embedded in a matrix made of stainless steel.
  • a mixing area with a respective maximum thickness of 20 pm, preferably of at most 10 pm, even more preferably of at most 5 pm, can be formed between the adjacent layers/turns.
  • the workpiece is characterized in particular by a solid, low-defect connection between the base body and the coating layer, and optionally between adjacent coating layers (or winding paths), in which the material structure of the different materials and their properties in the area of the connection is or are only minimally influenced.
  • the workpiece can preferably be produced by means of a method according to the invention according to one of the variants described above.
  • FIG. 1 Schematic of the creation of two irradiation zones in
  • FIG. 3a-d Schematic representation of different configurations for pre- and/or post-heating during high-speed laser cladding
  • Powder particles during high-speed laser cladding in the process zone on a workpiece surface to be coated
  • FIG. 5 Schematically an optical arrangement of an inventive
  • FIG. 6 A picture illustrating a delamination in the
  • Wear protection layer of a workpiece coated by high-speed laser cladding
  • FIG. 7a-n Schematic representation of further different configurations for pre- and/or post-heating during high-speed laser cladding.
  • Figure 1 shows a schematic of a nozzle 10 from which a first laser beam Li and a second laser beam L2 emerge.
  • the first laser beam Li When irradiating a workpiece surface (not shown), the first laser beam Li generates a first irradiation zone 20 on the workpiece surface and the second laser beam L2 generates a second irradiation zone 22 in an analogous manner.
  • the laser beams Li, L2 are moved in a processing direction 40 along a predetermined processing path over the workpiece surface.
  • a powdery additional material P is also irradiated into the first laser beam Li via the nozzle 10, so that the powder particles are heated by the first laser beam Li and hit the workpiece surface along the processing path in the first irradiation zone 20 (process zone). Due to the simultaneous heating of the powder particles and the workpiece surface in the process zone 20, a firm connection is formed very quickly when the powder particles hit the workpiece surface. As a rule, no complete common melt pool is formed. The partially molten material deposit in the process zone 20 solidifies in the aftermath to form a weld bead 30.
  • the workpiece surface is already preheated in the run-up to the process zone 20 by the second laser beam L2 in the second irradiation zone 22 (preheating zone).
  • the weld bead 30 can also be heated in the aftermath to the process zone 20 in a third irradiation zone (24, see Figs. 2b and 2d) using laser radiation.
  • Step S1 represents the movement, in particular the rotation, of a workpiece to be coated.
  • step S2 a surface of the workpiece is irradiated by means of at least the first laser beam Li to generate S20 at least the first irradiation zone 20 and to generate S22 the second irradiation zone 22 on the workpiece surface, wherein the second irradiation zone 22 precedes the first irradiation zone 20 along a processing direction 40.
  • the third irradiation zone 24 can also be generated by means of the at least first laser beam Li in an optional sub-step S24.
  • the additional material P is introduced into the first irradiation zone 20, wherein the additional material P at least partially enters the first laser beam Li before it hits the workpiece surface and is thereby at least partially heated.
  • Figures 3a to 3d schematically show various configurations for pre- and/or post-heating within the framework of a coating process according to the invention.
  • Figure 3a shows a configuration in which the workpiece surface to be coated is irradiated by means of two laser beams, wherein a projection of the first laser beam Li on the workpiece surface forms the first irradiation zone 20 and a projection of the second laser beam L2 on the workpiece surface forms the second Irradiation zone 22 is formed.
  • the second irradiation zone 22 precedes the first irradiation zone 20 in the coating process along the processing direction 40.
  • Figure 3b shows a configuration in which, in addition to the irradiation zones 20, 22 according to Figure 3a, a third irradiation zone 24 is generated by means of a third laser beam L3, the third irradiation zone 24 following the first irradiation zone 20 along the processing direction 40 in order to heat the additional material P applied in the process zone 40 in a controlled manner.
  • Figure 3d also shows a configuration in which three irradiation zones 20, 22, 24 are generated on the workpiece surface or on the weld bead 40.
  • the irradiation zones 20, 22, 24 are generated here by means of a contiguous beam spot (or a projection) of a single laser beam.
  • the laser beam used preferably has an asymmetric beam profile in cross-section, in particular an oval beam profile, as shown in Figure 3d.
  • Figure 3c shows the irradiation constellation in a particularly preferred embodiment of a coating method according to the invention.
  • the irradiation constellation differs from the irradiation constellation according to Figure 3a in that the laser beams Li and L2 each generate irradiation zones 20, 22 with an annular intensity distribution. In other words, more energy per area is introduced into the edge region of the respective irradiation zone 20, 22 than into the respective core region. This results in a more uniform energy distribution across the width of the respective irradiation zone 20, 22 along the processing direction 40 compared to irradiation with a tophat-shaped or Gaussian-shaped intensity distribution and thus a more uniform heating of the irradiated surface or the powder particles of the additional material P.
  • FIG. 4 once again illustrates the advantage of a beam profile with an annular intensity distribution.
  • the process zone 20 is shown and three powder particles Pi, P2, P3 distributed across the width of the process zone 20 and each arranged at the leading end of the process zone 20.
  • the centrally impacting powder particle P2 during the movement of the process zone 20 along the processing direction 40 a longer distance lies in the process zone 20 and is heated accordingly for a longer period of time At2 than the powder particles Pi and P3 impinging on the edge of the process zone, which have a comparatively short residence time Ati in the process zone 20 and are heated accordingly less.
  • this uneven energy input across the width of the processing track can be counteracted.
  • FIG. 5 shows a schematic view of the structure of an optic 100 that can be used for a device for the coating method according to the invention.
  • the optic 100 can be arranged in particular in a processing head of the device.
  • a laser output beam L is collimated onto a collimation unit 120, in particular a collimation lens, via a fiber optic cable 110 - for example with a 2-in-1 fiber.
  • a beam splitter element 130 - here in the form of an optical wedge - is arranged in the beam path of the collimated laser output beam L, which can be moved transversely to the direction of propagation of the laser output beam L and by means of which the laser output beam L can be split into a first laser (partial) beam Li and a second laser (partial) beam L2.
  • the total power of the laser output beam L can be divided specifically between the laser partial beams Li and L2.
  • the laser beams Li and L2 are then focused via a focusing unit 150 - here a focusing lens - onto the surface of a workpiece 50 to be coated and in doing so generate a corresponding irradiation zone 20, 22 on the workpiece surface.
  • Figure 5 shows a cross-section of the coating of a workpiece coated by laser deposition welding.
  • the workpiece 50 comprises a base body 52 and an intermediate layer 54 applied to the base body 52.
  • a coating layer 60 is applied to the intermediate layer 54.
  • the coating layer 60 comprises several overlapping coating tracks, or overlapping turns of a continuous coating track.
  • the Coating layer 60 as shown in Figure 6 shows connection errors 62 between two adjacent coating layers. This defect pattern is also referred to as delamination.
  • the coating method proposed here is intended to counteract the formation of delaminations 62 and connection errors between the coating layer 60 and the workpiece 50.
  • Figures 7a to 7n analogous to Figures 3a to 3d, further exemplary configurations for preheating and/or postheating in the context of a coating process according to the invention are shown schematically.
  • the representations in Figures 7a to 7n are self-explanatory for the person skilled in the art, which is why a detailed description of the individual arrangements of the laser beam projections with the different beam cross-sections is omitted at this point. It should be mentioned, however, that by arranging one or more laser beams laterally offset or at an angle on the workpiece surface (cf. Figures 7c to 7k), the spiral course of the coating path can be taken into account when preheating and/or postheating the workpiece and/or at least one previous turn of the coating layer.

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Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Beschichten eines metallischen Werkstücks (50) mittels Laserauftragschweißens, das Verfahren umfassend die Schritte: Bewegen (S1), insbesondere Rotieren, des zu beschichtenden Werkstücks (50); Bestrahlen (S2) einer Oberfläche des Werkstücks (50) mittels wenigstens eines ersten Laserstrahls (L1) zum Erzeugen wenigstens einer ersten Bestrahlungszone (20) und einer zweiten Bestrahlungszone (22) auf der Werkstückoberfläche, wobei die zweite Bestrahlungszone (22) der ersten Bestrahlungszone (20) entlang einer Bearbeitungsrichtung (40) vorausläuft oder nachläuft; und Einbringen eines, vorzugsweise pulverförmigen, Zusatzwerkstoffs (P) in die erste Bestrahlungszone (20), wobei der Zusatzwerkstoff (P) bereits vor dem Auftreffen auf die Werkstückoberfläche wenigstens teilweise in den ersten Laserstrahl (L1) eintritt und dadurch wenigstens teilweise erhitzt wird. Ferner wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, sowie ein Werkstück (50) bereitgestellt, das mittels des Verfahrens herstellbar ist.

Description

Verfahren zum Beschichten metallischer Werkstücke
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Laserauftragschweißens. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten metallischer Werkstücke, insbesondere von Bremsscheiben, mittels Hochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißens.
Stand der Technik
Verfahren zum Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweißen sind aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in der DE 10 2011 100 456 B4 beschrieben. Mit diesem Verfahren wird eine deutliche Erhöhung der erzielbaren Bearbeitungsgeschwindigkeit im Vergleich zum herkömmlichen Laserauftragsschweißen dadurch erreicht, dass einer auf einer zu bearbeitenden Oberfläche vorliegenden Prozesszone zumindest ein Zu satzwerkstoff in zumindest teilweise geschmolzener Form zugeführt wird. Hierzu wird der Zusatzwerkstoff, der zunächst insbesondere pulverförmig vorliegt, mittels eines Laserstrahls in einem Abstand von der Werkstückoberfläche erhitzt und der ebenfalls durch den Laserstrahl aufgeheizten Prozesszone zugeführt. Die Vorschubbewegung - also die Relativbewegung zwischen zu beschichtender Oberfläche und Bearbeitungsstrahl - wird beim Hochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen zu großen Teilen durch eine Bewegung, insbesondere eine Rotation des zu beschichtenden Werkstücks realisiert. Mittels des Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißens lässt sich auf diese Weise die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Laserauftragsschweißvorgangs signifikant erhöhen.
Beim Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen, das auch als High Speed Laser Metal Deposition (HS-LMD) bezeichnet wird, wird ein signifikanter Anteil der Laserleistung durch den Pulverstrom des Zusatzwerkstoffes, sowie durch während des Bearbeitungsprozesses entstehenden Metalldampf, abgefangen. Um eine ausreichende Bindung zwischen dem Werkstück und der Beschichtungsschicht zu erreichen ist es jedoch wichtig, dass die Werkstückoberfläche eine erforderliche Mindesttemperatur aufweist. Zur Vorwärmung des Werkstücks ist es daher bekannt, das Werkstück mittels Induktion großflächig zu erhitzen.
Diese großflächige Erhitzung ist jedoch vergleichsweise aufwendig und erfordert einen vergleichsweise großen Energieaufwand. Außerdem lässt sich die Vorwärm- Temperatur nicht präzise einstellen. Ferner ist beispielsweise bei der Vorwärmung einer Bremsscheibe aus Grauguss mittels Induktion die Vorwärmtemperatur begrenzt, da ab einer Temperatur von etwa 300 °C die Oberfläche des Bremskörpers oxidiert. Eine oxidierte Oberfläche würde den Beschichtungsprozess bzw. die Qualität der Beschichtung negativ beeinflussen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Beschichten metallischer Werkstücke mittels Laserauftragschweißens zu verbessern. Insbesondere soll es ermöglicht werden, Anbindungsfehler zwischen der Beschichtungsschicht und dem beschichteten Werkstück, beziehungsweise zwischen aneinander angrenzenden Bahnen der Beschichtungsschicht (sog. Delamination) auch bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu vermeiden.
Die Erfindung
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehreren der Unteransprüche, anzusehen. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Beschichten eines metallischen Werkstücks mittels Laserauftragschweißens bereitgestellt. Das Verfahren umfassend in einem ersten Schritt ein Bewegen, insbesondere ein Rotieren, des zu beschichtenden Werkstücks. Das Werkstück kann vorzugsweise eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug sein. Das Werkstück kann einen Grundkörper aufweisen, der in wesentlichen Teilen aus Gusseisen, insbesondere aus Grauguss, bestehen kann. An der zu beschichtenden Oberfläche des Werkstücks kann auf dem Grundkörper eine Zwischenschicht aus einem - vorzugsweise ebenfalls metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem nichtrostenden Stahl - aufgebracht sein. Die Zwischenschicht dient beispielsweise der verbesserten Anbindung der aufzutragenden Verschleißschutzschicht an dem Werkstück. Ferner kann die Zwischenschicht zum Stoppen von Rissen in der aufzubringenden Verschleißschutzschicht dienen. Die Zusammensetzung der Zwischenschicht kann in Abhängigkeit von dem Material der aufzutragenden Verschleißschutzschicht gewählt werden.
In einem zweiten Schritt umfasst das Verfahren ein Bestrahlen einer Oberfläche des Werkstücks mittels wenigstens eines ersten Laserstrahls zum Erzeugen wenigstens einer ersten Bestrahlungszone und einer zweiten Bestrahlungszone auf der Werkstückoberfläche, wobei die zweite Bestrahlungszone der ersten Bestrahlungszone entlang einer Bearbeitungsrichtung vorausläuft oder nachläuft. Die erste Bestrahlungszone kann auch als Prozesszone bezeichnet werden. Die zweite Bestrahlungszone kann auch - je nach Anordnung im Vor- oder im Nachlauf zur Prozesszone - als Vorwärmzone oder als Nachwärmzone bezeichnet werden. Die Bearbeitungsrichtung wird im Wesentlichen durch die Bewegung des Werkstücks vorgegeben. Bei der Beschichtung einer Bremsscheibe wird beispielsweise zusätzlich zur Rotation des Werkstücks der Bearbeitungsstrahl in radialer Richtung bewegt, wodurch sich eine spiralförmige Bearbeitungsbahn ergibt. Die Bearbeitungsrichtung kann in diesem Fall eine Tangente der Bearbeitungsbahn ausgehend vom Mittelpunkt der ersten Bestrahlungszone sein. Neben spiralförmigen Bearbeitungsbahnen sind auch helixförmige Bearbeitungsbahnen oder aber einfache geradlinige, kreisförmige oder sonstige Bearbeitungsbahnen realisierbar. Eine Bewegung des Bearbeitungsstrahls zusätzlich zur Bewegung des Werkstücks ist dabei nicht in jedem Fall erforderlich. Durch den wenigstens ersten Laserstrahl wird die Werkstückoberfläche sowohl in der Prozesszone als auch in der Vorwärmzone oder der Nachwärmzone lokal erhitzt.
In einem dritten Schritt des Verfahrens wird ein, vorzugsweise pulverförmiger, Zusatzwerkstoff in die erste Bestrahlungszone (d.h. in die Prozesszone) eingebracht. Der Zusatzwerkstoff kann vorzugsweise in Form eines oder mehrerer Pulverstrahle mittels eines, vorzugsweise inerten, Trägergases in die Prozesszone eingestrahlt werden. Alternativ wäre auch eine Zufuhr eines drahtförmigen Zusatzwerkstoffs denkbar. Der Zusatzwerkstoff wird dem Prozess derart zugeführt, dass er bereits vor dem Auftreffen auf die Werkstückoberfläche, in einem vorbestimmten Abstand zur Werkstückoberfläche, wenigstens teilweise, vorzugsweise über seinen gesamten Querschnitt, in den ersten Laserstrahl eintritt und dadurch wenigstens teilweise, vorzugsweise über seinen gesamten Querschnitt, erhitzt wird. Dabei wird der Zusatzwerkstoff oder zumindest ein Teil des Zu satzwerkstoffs wenigstens zum Teil aufgeschmolzen, sodass er sich beim Auftreffen auf der Werkstückoberfläche in der ebenfalls erhitzten Prozesszone schnell mit dem Material des Werkstücks verbinden kann und einen Stoffschluss mit einer besonders geringen Durchmischung der Fügepartner herstellt. Der Fokus eines aus mehreren Richtungen zugeführten Pulverstrahls kann im Bereich der Oberfläche (z.B. in der Oberflächenebene) des zu beschichtenden Werkstücks liegen, vorzugsweise oberhalb der Werkstückoberfläche. Je nach Anwendung kann der Fokus eines pulverförmig zugeführten Zu satzwerkstoffs aber auch unterhalb der Werkstückoberfläche, also im Werkstück oder unterhalb des Werkstücks, liegen. Der Zusatzwerkstoff besteht vorzugsweise aus einem Material, das eine höhere Verschleißfestigkeit aufweist als ein Grundkörper des Bauteils. Insbesondere kann der Zusatzwerkstoff einen eisenhaltigen Matrixwerkstoff umfassen, der insbesondere eine Matrix aus nichtrostendem Stahl ausbildet, in die Hartstoffpartikel, wie Wolframkarbid-Partikel oder Titankarbid-Partikel, eingebettet sind. In dem Beschichtungsverfahren bildet der Zusatzwerkstoff vorzugsweise eine flächige Verschleißschutzschicht auf der Werkstückoberfläche aus. Durch die Karbideinlagerungen in der Beschichtungsschicht kann der Verschleißschutz erhöht werden. Bei der Beschichtung einer Bremsscheibe kann auf diese Weise die Anzahl an Bremszyklen und somit die Lebensdauer der Bremsscheibe (insbesondere durch Reduktion des Abriebs beim Bremsen) erhöht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es ermöglicht, die Werkstückoberfläche entlang der Bearbeitungsbahn zeitlich unmittelbar vor dem Auftreffen des Zu satzwerkstoffs in der Prozesszone präzise und effizient vorzuwärmen oder nach dem Durchlaufen der Prozesszone nachzuwärmen, um die Anbindung des Zusatzwerkstoffs an der Werkstückoberfläche zu verbessern und Anbindungsfehler zu vermeiden. Auch kann der Ausbildung von anderen Fehlerbildern - z.B. von Poren - in dem Werkstoffgefüge der Beschichtungsschicht entgegengewirkt werden. Gegenüber der großflächigen Vorwärmung gemäß dem Stand der Technik erfolgt der Energieeintrag in das Werkstück viel gezielter. Ferner kann die Temperatur an sich ändernde thermische Verhältnisse während eines Beschichtungsvorgangs sehr kurzfristig angepasst werden. Auf diese Weise kann auch die Qualität der Beschichtung erhöht werden. Gegenüber einer großflächigen Erwärmung des zu beschichtenden Werkstücks kann ferner der Einfluss auf die metallurgischen Eigenschaften des Werkstücks durch weniger Energieeintrag reduziert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise kein ausgeprägtes Schmelzbad an der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks erzeugt. Eine Einbrandtiefe (bzw. Einwirktiefe) des wenigstens ersten Laserstrahls in das zu beschichtende Werkstück kann vorzugsweise höchstens 20 pm, bevorzugt höchstens 10 pm, noch bevorzugter höchstens 5 pm betragen. Eine Vorwärmung der Werkstückoberfläche kann in diesem Fall insbesondere zur Reinigung und/oder Ausgasung von Kohlenstoff aus dem zu beschichtenden Werkstück, einer verbesserten Benetzungsfähigkeit der Werkstückoberfläche mit dem Zusatzwerkstoff und/oder einer verbesserten Anbindung zwischen Zusatzwerkstoff und Werkstück beitragen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es zusätzlich vorgesehen sein, dass ein inertes Schutzgas, zum Beispiel Argon, Helium oder inerte Gasgemische, gemeinsam mit dem wenigstens ersten Laserstrahl durch die Bearbeitungsdüse eines Bearbeitungskopfes auf die erste Beleuchtungszone gerichtet wird, um den Schweißprozess von der Reaktion mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft abzuschirmen und einer Korrosion der Beschichtungsbahn beziehungsweise der erwärmten Werkstückoberfläche vorzubeugen.
Bei dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren kann eine resultierende Vorschubgeschwindigkeit, also eine Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkstückoberfläche und Bearbeitungsstrahl, vorzugsweise wenigstens 20 m/min betragen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es außerdem vorgesehen sein, dass das zu beschichtende Werkstück neben der Vorwärmung durch den wenigstens ersten Laserstrahl, keiner zusätzlichen Vorwärmung unterzogen wird, insbesondere keiner großflächigen Vorwärmung durch Induktion. Durch den Wegfall der Vorwärmzeit, sowie der Vorrichtung zur induktiven Vorwärmung, kann die Prozesszeit und können die Prozesskosten reduziert werden.
Gemäß einer Variante kann ferner eine dritte Bestrahlungszone mittels des wenigstens ersten Laserstrahls erzeugt werden. Die dritte Bestrahlungszone ist so angeordnet, dass sie der zweiten Bearbeitungszone ausgehend von der ersten Bestrahlungszone gegenüberliegt. Der Einfachheit halber wird im Folgenden davon ausgegangen, dass es sich bei der zweiten Bestrahlungszone um die vorlaufende Vorwärmzone und bei der dritten Bestrahlungszone um die nachlaufende Nachwärmzone handelt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können wenigstens zwei Laserstrahlen zum Einsatz kommen. Entsprechend kann die erste Bestrahlungszone mittels des ersten Laserstrahls und die zweite Bestrahlungszone mittels eines zweiten Laserstrahls erzeugt werden. Die dritte Bestrahlungszone kann zusätzlich mittels eines dritten Laserstrahls erzeugt werden. Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl, sowie (optional) auch der dritte Laserstrahl können auch jeweils als Teilstrahlen (d.h. erster Teilstrahl, zweiter Teilstrahl und (optional) dritter Teilstrahl) eines gemeinsamen Laserausgangsstrahls ausgebildet sein. Vorzugsweise können der zweite Laserstrahl und/oder der dritte Laserstrahl eine andere Intensität in der Bestrahlungsebene (d.h. Ebene der Werkstückoberfläche bzw. Oberflächenebene der Auftragsschicht) aufweisen als der erste Laserstrahl. Insbesondere kann die Intensität des zweiten Laserstrahls in der Ebene der Werkstückoberfläche geringer sein als die Intensität des ersten Laserstrahls.
Der zweite Laserstrahl und/oder der dritte Laserstrahl können dem Prozess auch aus einer jeweiligen separaten Strahlquelle, beispielsweise lateral, zugeführt werden. Auf diese Weise kann die Laserleistung der einzelnen Laserstrahlen auf einfache Weise und unabhängig voneinander eingestellt werden. Auch ist so eine Positionierung des Vorwärmstrahls und/oder des Nachwärmstrahls auf der Bearbeitungsbahn einfach realisierbar. Ferner können für die Vorwärmung und oder die Nachwärmung Laserstrahlen mit anderen Wellenlängen als für den eigentlichen Beschichtungsprozess verwendet werden. Die Wellenlängen können auf eine werkstoffspezifische Einkopplung genau abgestimmt und der Wirkungsgrad der Vorwärmung und/oder der Nachwärmung damit erhöht werden. Ferner könnten der Vorwärmstrahl und/oder der Nachwärmstrahl von außerhalb der Zufuhr des Zusatzwerkstoffes auf die Werkstückoberfläche bzw. die Schweißraupe gestrahlt werden und wären insbesondere von einem konzentrisch um den ersten Laserstrahl angeordneten Pulverstrahl des Zusatzwerkstoffes nicht beeinflusst.
Alternativ zur Verwendung mehrerer separater Laserstrahlen oder Laserteilstrahlen kann auch nur ein Laserstrahl verwendet werden, der vorzugsweise ein asymmetrisches, in Bearbeitungsrichtung langgestrecktes (z.B. ovales oder rechteckiges), Strahlprofil aufweist, wobei ein vorderer Teilbereich der Projektion des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche die zweite Bestrahlungszone ausbildet und ein sich anschließender Teilbereich der Projektion die erste Bestrahlungszone ausbildet. Die Ausdehnung des asymmetrischen Laserstrahls kann zusätzlich die dritte Bestrahlungszone abdecken, die der ersten Bestrahlungszone nachläuft und die erzeugte Schweißraupe bzw. den aufgetragenen Zusatzwerkstoff nachwärmt, um zusätzlich Anbindungsfehlern bzw. einer Delamination zwischen einzelnen Auftragschichten vorzubeugen.
Bei der Verwendung mehrerer separater Laserstrahlen bzw. Laserteilstrahlen können der erste Laserstrahl und/oder der zweite Laserstrahl und/oder der dritte Laserstrahl eine Plateau-förmige Intensitätsverteilung aufweisen. Die beschriebene Intensitätsverteilung liegt insbesondere im Strahlfokus des jeweiligen Laserstrahls vor. Alternativ kann wenigstens einer der Laserstrahlen eine Gauß-förmige Intensitätsverteilung aufweisen. Eine Plateau-förmige Intensitätsverteilung, die auch als Tophat-Verteilung bezeichnet wird, hat gegenüber einer Gauß-förmigen Intensitätsverteilung den Vorteil, dass eine gleichmäßigere Erwärmung, sowohl der Werkstückoberfläche als auch des Zusatzwerkstoffs über den gesamten Strahlquerschnitt des Laserstrahls, also insbesondere auch in dessen Randbereichen, ermöglicht wird.
Alternativ oder zusätzlich kann der erste Laserstrahl und/oder der zweite Laserstrahl und/oder der dritte Laserstrahl eine Intensitätsverteilung mit einem Intensitätsmaximum im Randbereich des jeweiligen Laserstrahls aufweisen. Insbesondere können der erste und/oder der zweite und/oder der dritte Laserstrahl jeweils einen kreisförmigen Querschnitt mit einer ringförmigen Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt aufweisen. Im Zentrum des Strahls ist die Intensität somit geringer als in dessen Randbereich. Durch einen Laserstrahl mit ringförmigem Intensitätsprofil wird eine noch gleichmäßigere Erwärmung der Werkstückoberfläche und/oder des, insbesondere pulverförmigen, Zusatzwerkstoffs beim Laserauftragschweißen ermöglicht.
Die im Bereich der zweiten Bestrahlungszone eingebrachte Fluenz liegt vorzugsweise im Bereich von 0,01 J/mm2 bis 5 J/mm2. In dem angegebenen Fluenzbereich kann der Einfluss der Erwärmung durch die Laserstrahlung auf die Metallurgie des zu beschichtenden Werkstücks bedingt durch eine geringe Einwirktiefe geringgehalten werden. Insbesondere kann die Einwirktiefe der Vorwärmung im Bereich von 5 pm bis 500 pm ausgehend von der Werkstückoberfläche liegen. Vorzugsweise kann die Bestrahlung in der zweiten Bestrahlungszone so eingestellt sein, dass eine Vorwärmtemperatur des Werkstücks in der zweiten Bestrahlungszone in einem Bereich von 5 % der Schmelztemperatur bis zur Verdampfungstemperatur des zu beschichtenden Werkstücks liegt. Eine Laserleistung des zweiten Laserstrahls und/oder eine Laserleistung des dritten Laserstrahls kann während eines Beschichtungsvorgangs verändert werden. Beispielsweise kann die Laserleistung des zweiten Laserstrahls und/oder des dritten Laserstrahls bei einer Veränderung der resultierenden Vorschubgeschwindigkeit verändert werden. Auch kann die Laserleistung des zweiten und/oder des dritten Laserstrahls am Beginn eines Beschichtungsprozesses einen ersten Wert aufweisen, der gemäß einer Vorgabe reduziert wird, um eine prozessbedingte Erwärmung des Bauteils während des Beschichtungsprozesses auszugleichen und möglichst gleiche thermische Verhältnisse über den gesamten Beschichtungsprozess zu schaffen. Analog zur Anpassung der Laserleistung des zweiten und/oder des dritten Laserstrahls kann im Übrigen auch die Laserleistung des ersten Laserstrahls bei Bedarf verändert werden. Durch eine Veränderung der Laserleistung insbesondere des zweiten Laserstrahls, kann die Vorwärmung der Werkstückoberfläche exakt und flexibel an die äußeren Umstände angepasst werden.
Die Summe der Laserleistungen aller für den Beschichtungsprozess verwendeten Laserstrahlen kann wenigstens 1 kW, vorzugsweise wenigstens 8 kW betragen. Ein Anteil der Laserleistung für den zweiten Laserstrahl an der Gesamtleistung kann im Bereich von 0,05 % bis 75 %, insbesondere im Bereich von 1 % bis 50 % liegen.
Wenigstens einer der verwendeten Laserstrahlen kann eine Wellenlänge im Bereich von 0,4 pm bis 2 pm aufweisen. Eine Strahlgüte wenigstens eines der Laserstrahlen kann im Bereich von 2 mm*mrad bis 500 mm*mrad liegen. Zur Führung des wenigstens ersten Laserstrahls oder eines dem ersten Laser(teil)Strahl zugrundeliegenden Laserausgangsstrahls kann eine 2-in-l bzw. eine n-in-1 Lichtleitfaser oder eine Singlecore Faser verwendet werden. Eine n- in-1 Lichtleitfaser im Sinne der vorliegenden Offenbarung weist zum Transport des Laserstrahls wenigstens einen zentralen lichtführenden Kernbereich und wenigstens einen den Kernbereich umgebenden, lichtführenden Ringbereich auf, wobei die lichtführenden Bereiche vorzugsweise jeweils durch ein Cladding voneinander beabstandet sind. Bei der Verwendung einer n-in-1 Lichtleitfaser, kann der in dem zentralen Faserkern geführte Leistungsanteil des Laserstrahls wenigstens 15 % der Gesamtleistung betragen. Für den Beschichtungsprozess kann vorzugsweise eine Vorrichtung mit einem Schweißkopf verwendet werden, der eine Schweißoptik umfasst, mittels welcher der erste Laserstrahl gemeinsam mit einem den Zusatzwerkstoff enthaltenden Pulvergasstrahls auf die Prozesszone fokussiert wird und ferner zumindest ein Strahlanteil des ersten Laserstrahls oder ein zweiter Laserstrahl auf die Vorwärmzone fokussiert wird. Der Fokusdurchmesser wenigstens eines der Laserstrahlen liegt im Bereich von 1 mm bis 20 mm. Der oder die Laserstrahlen können so auf die zu beschichtende Werkstückoberfläche fokussiert werden, dass ihr Fokusdurchmesser in der Oberflächenebene des Werkstücks liegt, oder um wenige mm zu der Oberflächenebene nach oben oder nach unten versetzt ist. Zur Aufteilung eines Laserausgangsstrahls in den wenigstens ersten und zweiten Laser(teil)strahl kann ein entsprechendes optisches Element (beispielsweise ein optischer Keil oder ein diffraktives optisches Element) im Strahlengang des kollimierten Laserausgangsstrahls angeordnet sein.
Ein Abstand der zweiten Bestrahlungszone (Vorwärmzone) von der ersten Bestrahlungszone (Prozesszone) und/oder ein Abstand der dritten Bestrahlungszone (Nachwärmzone) von der ersten Bestrahlungszone in Bearbeitungsrichtung kann wenigstens dem 0,5-fachen eines Fokusdurchmessers des ersten Laserstrahls und höchstens dem 5-fachen des Fokusdurchmessers des ersten Laserstrahls entsprechen. Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl und/oder der dritte Laserstrahl können insbesondere einen gleichen, insbesondere kreisförmigen, Außendurchmesser aufweisen. Bei einem ringförmigen Intensitätsprofil der Laserstrahlen, das beispielsweise bei Verwendung einer 2-in-l oder n-in-1 Lichtleitfaser durch die Verwendung des in einem ringförmigen Faserkern der n-in-l-Faser geführten Laseranteils erzeugt werden kann, kann ein Überlapp der Bestrahlungszonen bevorzugt sein. Der Abstand der Bestrahlungszonen voneinander bestimmt sich jeweils nach dem Abstand der Mittelpunkte der Bestrahlungszonen in einer gemeinsamen Ebene (im Zweifel in der Oberflächenebene des zu beschichtenden Werkstücks). Vorzugsweise können die Bestrahlungszonen derart voneinander beabstandet sein, dass sie gerade aneinandergrenzen, ohne sich signifikant zu überschneiden, bzw. ohne eine signifikante Lücke zueinander aufzuweisen. Der Zusatzwerkstoff kann der ersten Bestrahlungszone so zugeführt werden, dass ein Bestrahlungsfenster zur Erzeugung der zweiten Bestrahlungszone und/oder zur Erzeugung der dritten Bestrahlungszone bestehen bleibt. Mit anderen Worten kann die Pulverzufuhr so ausgeführt sein, dass der zweite Laserstrahl bzw. ein entsprechender Anteil des ersten Laserstrahls zur Erzeugung der Vorwärmzone (zweite Bestrahlungszone) durch den Pulverstrom nicht verdeckt wird. Analoges gilt für den dritten Laserstrahl bzw. einen entsprechenden Anteil des ersten Laserstrahls zur Erzeugung der Nachwärmzone (dritte Bestrahlungszone). Beispielsweise kann der Zusatzwerkstoff ausschließlich seitlich bezüglich der Bearbeitungsrichtung und/oder stechend, d.h. aus einer dem Prozess nachlaufenden Richtung, zugeführt werden. Es versteht sich, dass bei stechender Zufuhr des Zusatzwerkstoffs eine eventuelle Nachwärmzone wenigstens teilweise verdeckt wäre. Eine konzentrische Zufuhr des Zusatzwerkstoffs ist jedoch auch denkbar. Besonders bevorzugt kann eine Variante sein, bei der der Zusatzwerkstoff der ersten Bestrahlungszone von mehreren um den ersten Laserstrahl verteilten Positionen aus (bzw. über ringförmig verteilte Einzeldüsen oder über eine C-förmige Spaltdüse) zugeführt wird, wobei aus der vorlaufenden Richtung keine Pulverzufuhr stattfindet, sodass der zweite Laserstrahl bzw ein entsprechender Anteil des ersten Laserstrahls ungehindert durch die bestehende Aussparung in der Pulverzufuhr auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden kann. Zur Erzeugung einer Nachwärmzone kann eine analoge Aussparung in der Pulverzufuhr vorgesehen werden.
Grundsätzlich ist es bevorzugt, wenn der Zusatzwerkstoff in Pulverform mittels eines, insbesondere inerten, Trägergases in die Prozesszone geblasen wird. Der Pulvermassestrom kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise wenigstens 20 g / min betragen. Zur Vermeidung von Oxidationsprozessen während der Beschichtung kann eine Zusatzbegasung vorgesehen sein. Insbesondere kann dazu ein inertes Gas, beispielsweise Argon, durch eine Bearbeitungsdüse, durch welche auch der oder die Laserstrahlen austreten auf zumindest die Bearbeitungszone geblasen werden. Die zweite Bestrahlungszone und/oder die dritte Bestrahlungszone können orthogonal zur Bearbeitungsrichtung gegenüber der ersten Bestrahlungszone versetzt angeordnet sein. Dadurch kann insbesondere bei einem kreisförmigen, spiralförmigen oder helixförmigen Materialauftrag die Krümmung der Bearbeitungsbahn für die Vorwärmung und/oder die Nachwärmung berücksichtigt werden. Mit der lateralen Verschiebung des Vorwärmbereichs und/oder des Nachwärmbereichs kann der Einfluss der Vorwärmung und/oder der Nachwärmung auf einen Teilbereich der Prozesszone oder deren unmittelbare Umgebung eingestellt werden. Dies kann beim Schweißen mit Spurüberlapp erforderlich sein, wenn beispielsweise nur das Werkstück oder nur die Zwischenlagen vorgewärmt werden sollen.
Der zweite Laserstrahl und/oder der dritte Laserstrahl können jeweils einen rechteckigen Strahlquerschnitt aufweisen. Das rechteckförmige Strahlprofil kann dabei orthogonal zur Bearbeitungsrichtung ausgerichtet sein. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Fluenzverteilung in der Vorwärmzone bzw. in der Nachwärmzone.
Die zweite Bestrahlungszone (Vorwärmzone) und/oder die dritte Bestrahlungszone (Nachwärmzone) können jeweils eine andere Größe aufweisen als die erste Bestrahlungszone (Prozesszone). Beispielsweise kann für die Fläche A2 der zweiten Bestrahlungszone gelten: O,1*A1 < A2 < Al (mit Al = Fläche der ersten Bestrahlungszone). Mit einem kleineren Vorwärmspot kann der Einfluss der Vorwärmung auf einen Teilbereich der Prozesszone eingestellt werden. Dies kann beim Schweißen mit Spurüberlapp vorteilhaft sein, wenn beispielsweise nur das die Werkstückoberfläche oder nur die Zwischenlagen der Beschichtung vorgewärmt werden sollen. Andersherum kann für die Fläche A2 der zweiten Bestrahlungszone auch gelten: Al < A2 < 3*A1. Bei Verwendung einer größeren Vorwärmzone im Vergleich zur Prozesszone können beispielsweise während des Pulverauftrags gleichzeitig zuvor aufgetragenen Beschichtungsabschnitte (insbesondere die Windungen einer spiralförmig aufgetragenen Beschichtung) einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Weiterhin sinkt bei einer vergleichsweise großen Vorwärmzone der Aufwand für eine genaue Positionierung des zweiten Laserstrahls relativ zum ersten Laserstrahl. Je nach Anwendungsfall kann jedoch auch eine Konstellation wünschenswert sein, bei der die Bestrahlungszonen gleichgroß sind. Insbesondere kann dadurch in einigen Fällen die Effizienz des Energieeintrags optimiert werden.
Insbesondere kann die Größe der Projektionsfläche des bzw. der Laserstrahlen auf der Werkstückoberfläche, und somit die Größe der Bestrahlungszonen variabel eingestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Trägereinheit für ein zu beschichtendes, metallisches Werkstück, wobei die Trägereinheit eine Bewegungseinheit zum Bewegen, insbesondere zum Rotieren, des Werkstücks aufweist. Weiter umfasst die Vorrichtung eine Laserstrahleinheit zur Bereitstellung wenigstens eines ersten Laserstrahls und zur Erzeugung, mittels wenigstens des ersten Laserstrahls, wenigstens einer ersten Bestrahlungszone und einer zweiten Bestrahlungszone auf einer Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks, wobei die zweite Bestrahlungszone der ersten Bestrahlungszone entlang einer Bearbeitungsrichtung vorausläuft. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Zuführeinheit für die Zuführung eines, insbesondere pulverförmigen, Zusatzwerkstoffs in die erste Bestrahlungszone, wobei der Zusatzwerkstoff der ersten Bestrahlungszone derart zuführbar ist, dass er bereits vor dem Auftreffen auf der Werkstückoberfläche in der ersten Bearbeitungszone wenigstens teilweise in den ersten Laserstrahl eintritt und dadurch wenigstens teilweise erhitzt wird.
Die Laserstrahleinheit weist vorzugsweise eine Optik mit einer Kollimationseinheit und mit einer Fokussiereinheit, sowie mit einem Strahlteiler-Element auf. Das Strahlteiler-Element ist zwischen der Kollimationseinheit und der Fokussiereinheit im Strahlengang der Optik angeordnet und dazu ausgebildet, einen Laserausgangsstrahl in den ersten Laserstrahl und wenigstens einen zweiten Laserstrahl aufzuteilen. Das Strahlteiler-Element kann beispielsweise ein optischer Keil, oder eine Zylinderlinse oder ein Diffraktives optisches Element (DOE) sein. Auch kann eine Facettenoptik oder ein Mikrolinsen-Array als Strahlteiler-Element verwendet werden. Mittels des optischer Keils und mittels des DOE's, sowie auch mittels einer Facettenoptik oder mittels eines Mikrolinsen-Arrays können jeweils separate Teilstrahlen erzeugt werden, mittels denen die Werkstückoberfläche in der jeweiligen Bestrahlungszone beaufschlagt wird. Mittels der Zylinderlinse kann ein elliptisches Strahlprofil des Laserstrahls erzeugt werden, sodass der Laserstrahl die jeweiligen Bestrahlungszonen an der Werkstückoberfläche mit einem zusammenhängenden Strahlfleck bestrahlt.
Die Vorrichtung kann ferner eine Verschiebungseinheit umfassen, mittels derer das als optischer Keil oder als DOE ausgebildete optische Element zur Verteilung der Laserleistung auf die entstehenden Laserstrahlen lateral im Strahlengang des Laserausgangsstrahls verschiebbar ist.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Werkstück bereitgestellt, das mittels eines erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens herstellbar ist. Bei dem Werkstück handelt es sich insbesondere um eine Bremsscheibe. Das Werkstück umfasst einen, insbesondere scheibenförmigen, metallischen Grundkörper. Der Grundkörper kann insbesondere aus Gusseisen, beispielsweise aus Grauguss, bestehen. Das Werkstück umfasst ferner wenigstens eine Beschichtungsschicht, die, vorzugsweise in spiralförmig und einander überlappenden Beschichtungsbahnen, auf einer Oberfläche des Grundkörpers angeordnet und stoffschlüssig mit dem Grundkörper verbunden ist. Dabei weist das Werkstück an einem Übergang zwischen dem Grundkörper und der Beschichtungsschicht einen Durchmischungsbereich auf, der eine Dicke von höchstens 20 pm, bevorzugt von höchstens 10 pm, noch bevorzugter von höchstens 5 pm, aufweist. In dem Durchmischungsbereich ist der Stoffschluss zwischen dem Grundkörper und der Beschichtungsschicht ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Variante kann das Werkstück mehrere Beschichtungsschichten aufweisen, die jeweils eine andere Materialzusammensetzung aufweisen. Beispielsweise kann eine erste Beschichtungsschicht als Zwischenschicht aus einem nichtrostenden Stahl ausgebildet sein, die auf der Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht ist. Eine zweite, auf der Zwischenschicht aufgebrachte Beschichtungsschicht, kann aus einem Matrixwerkstoff aufgebaut sein, bei dem Hartstoffpartikel, beispielsweise Wolframkarbid oder Titankarbid, in eine Matrix aus nichtrostendem Stahl eingebettet sind. Zwischen jeder der Beschichtungsschichten und/oder zwischen einander überlappenden Windungen einer Beschichtungsschicht als solcher kann zwischen den aneinander anliegenden Schichten/Windungen jeweils ein Durchmischungsbereich mit einer jeweiligen maximalen Dicke von 20 pm, bevorzugt von höchstens 10 pm, noch bevorzugter von höchstens 5 pm, ausgebildet sein. Das Werkstück zeichnet sich besonders durch eine feste, Fehlstellen-arme Verbindung zwischen dem Grundkörper und der Beschichtungsschicht, sowie gegebenenfalls zwischen aneinander angrenzenden Beschichtungsschichten (oder auch Windungsbahnen), aus, bei der das Materialgefüge der unterschiedlichen Materialien und deren Eigenschaften im Bereich der Anbindung nur minimal beeinflusst ist bzw. sind.
Das Werkstück ist vorzugsweise mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer der oben beschriebenen Varianten herstellbar.
Ausführungsbeispiele
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 Schematisch das Erzeugen zweier Bestrahlungszonen beim
Hochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen;
Fig. 2 Schematisch Verfahrensbestandteile beim erfindungsgemäßen
Hochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen; Fign. 3a-d Schematisch verschiedene Konstellationen zum Vor- und/oder Nachwärmen beim Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen;
Fig. 4 Schematisch die unterschiedlichen Aufenthaltszeiten von
Pulverpartikeln beim Hochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen in der Prozesszone auf einer zu beschichtenden Werkstückoberfläche;
Fig. 5 Schematisch eine Optikanordnung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen;
Fig. 6 Eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Delamination in der
Verschleißschutzschicht eines mittels Hochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißens beschichteten Werkstücks; und
Fign. 7a-n Schematisch weitere verschiedene Konstellationen zum Vor- und/oder Nachwärmen beim Hochgeschwindigkeits Laserauftragschweißen.
Figur 1 zeigt schematisch eine Düse 10 aus der ein erster Laserstrahl Li und ein zweiter Laserstrahl L2 austreten. Der erste Laserstrahl Li erzeugt beim Bestrahlen einer (nicht dargestellten) Werkstückoberfläche eine erste Bestrahlungszone 20 auf der Werkstückoberfläche und der zweite Laserstrahl L2 erzeugt in analoger Weise eine zweite Bestrahlungszone 22. Durch Bewegung des zu beschichtenden Werkstücks und/oder der Düse 10 relativ zueinander, werden die Laserstrahlen Li, L2 in einer Bearbeitungsrichtung 40 entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsbahn über die Werkstückoberfläche bewegt. Über die Düse 10 wird ferner ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff P in den ersten Laserstrahl Li eingestrahlt, sodass die Pulverpartikel durch den ersten Laserstrahl Li erhitzt werden und entlang der Bearbeitungsbahn in der ersten Bestrahlungszone 20 (Prozesszone) auf der Werkstückoberfläche auftreffen. Durch die gleichzeitige Erhitzung der Pulverpartikel und der Werkstückoberfläche in der Prozesszone 20, entsteht beim Auftreffen der Pulverpartikel auf der Werkstückoberfläche sehr schnell eine feste Verbindung. In der Regel wird dabei kein vollständiges gemeinsames Schmelzbad ausgebildet. Der teilweise schmelzflüssige Materialauftrag in der Prozesszone 20 erstarrt im Nachlauf zu einer Schweißraupe 30. Um den Beschichtungsprozess zu beschleunigen und gleichzeitig das Auftreten von Anbindungsfehlern zu minimieren, wird die Werkstückoberfläche im Vorlauf zur Prozesszone 20 bereits durch den zweiten Laserstrahl L2 in der zweiten Bestrahlungszone 22 (Vorwärmzone) vorgewärmt. Zur Weiteren Verbesserung der Anbindung des Materialauftrags (Zusatzwerkstoff P) an das Werkstück bzw. der Anbindung einander überlappender Bahnen des Materialauftrags (Fehlerbild der sog. Delamination) kann die Schweißraupe 30 auch im Nachlauf zur Prozesszone 20 in einer dritten Bestrahlungszone (24, vgl. Fign. 2b und 2d) mittels Laserstrahlung erwärmt werden.
In Figur 2 sind schematisch Verfahrensschritte eines Erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens dargestellt. Schritt S1 stellt das Bewegen, insbesondere das Rotieren, eines zu beschichtenden Werkstücks dar. In Schritt S2 wird eine Oberfläche des Werkstücks mittels wenigstens des ersten Laserstrahls Li zum Erzeugen S20 wenigstens der ersten Bestrahlungszone 20 und zum Erzeugen S22 der zweiten Bestrahlungszone 22 auf der Werkstückoberfläche bestrahlt, wobei die zweite Bestrahlungszone 22 der ersten Bestrahlungszone 20 entlang einer Bearbeitungsrichtung 40 vorausläuft. Ferner kann mittels des wenigstens ersten Laserstrahls Li in einem optionalen Unterschritt S24 auch die dritte Bestrahlungszone 24 erzeugt werden. In einem Schritt S3 wird der Zusatzwerkstoff P in die erste Bestrahlungszone 20 eigebracht, wobei der Zusatzwerkstoff P bereits vor dem Auftreffen auf die Werkstückoberfläche wenigstens teilweise in den ersten Laserstrahl Li eintritt und dadurch wenigstens teilweise erhitzt wird.
In den Figuren 3a bis 3d sind schematisch verschiedene Konstellationen zum Vor- und/oder Nachwärmen im Rahmen eines erfindungsgemäßen Beschichtungsprozesses dargestellt. Figur 3a zeigt eine Konstellation, bei der die zu beschichtende Werkstückoberfläche mittels zweier Laserstrahlen bestrahlt wird, wobei eine Projektion des ersten Laserstrahls Li auf der Werkstückoberfläche die erste Bestrahlungszone 20 bildet und eine Projektion des zweiten Laserstrahls L2 auf der Werkstückoberfläche die zweite Bestrahlungszone 22 bildet. Die zweite Bestrahlungszone 22 läuft der ersten Bestrahlungszone 20 dabei im Beschichtungsprozess entlang der Bearbeitungsrichtung 40 voraus. Figur 3b zeigt eine Konstellation, bei der zusätzlich zu den Bestrahlungszonen 20, 22 gemäß Figur 3a eine dritte Bestrahlungszone 24 mittels eines dritten Laserstrahls L3 erzeugt wird, wobei die dritte Bestrahlungszone 24 der ersten Bestrahlungszone 20 entlang der Bearbeitungsrichtung 40 nachläuft, um den in der Prozesszone 40 aufgetragenen Zusatzwerkstoff P kontrolliert nachzuwärmen. Figur 3d zeigt ebenfalls eine Konstellation bei der drei Bestrahlungszonen 20, 22, 24 auf der Werkstückoberfläche bzw. auf der Schweißraupe 40 erzeugt werden. Im Unterschied zur Darstellung gemäß Figur 3b werden hier jedoch die Bestrahlungszonen 20, 22, 24 mittels eines zusammenhängenden Strahlflecks (bzw. einer Projektion) eines einzigen Laserstrahls erzeugt. Dazu weist der verwendete Laserstrahl vorzugsweise ein asymmetrisches Strahlprofil im Querschnitt auf, insbesondere ein ovales Strahlprofil, wie in Figur 3d dargestellt.
Figur 3c zeigt die Bestrahlungskonstellation bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens. Die Bestrahlungskonstellation unterscheidet sich insoweit von der Bestrahlungskonstellation gemäß Figur 3a, als die Laserstrahlen Li und L2 jeweils Bestrahlungszonen 20, 22 mit einer ringförmigen Intensitätsverteilung erzeugen. Mit anderen Worten wird im Randbereich der jeweiligen Bestrahlungszone 20, 22 mehr Energie pro Fläche eingebracht als in den jeweiligen Kernbereich. Dadurch findet eine über die Breite der jeweiligen Bestrahlungszone 20, 22 entlang der Bearbeitungsrichtung 40 gleichmäßigere Energieverteilung gegenüber einer Bestrahlung mit einer Tophat-förmigen oder einer Gauß-förmigen Intensitätsverteilung und somit eine gleichmäßigere Erwärmung der bestrahlten Oberfläche bzw. der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffs P statt. Anhand der Darstellung in Figur 4 wird der Vorteil eines Strahlprofils mit ringförmiger Intensitätsverteilung nochmals verdeutlicht. Hier ist die Prozesszone 20 dargestellt und drei über die Breite der Prozesszone 20 verteilte und jeweils am vorlaufenden Ende der Prozesszone 20 angeordnete Pulverpartikel Pi, P2, P3. Der Darstellung ist zu entnehmen, dass aufgrund der kreisförmigen Prozesszone 20 der mittig auftreffende Pulverpartikel P2 beim Bewegung der Prozesszone 20 entlang der Bearbeitungsrichtung 40 eine Längere Wegstrecke in der Prozesszone 20 zurückliegt und entsprechend für einen längeren Zeitraum At2 erwärmt wird als die am Rand auf die Prozesszone auftreffenden Pulverpartikel Pi und P3, welche eine vergleichsweise kurze Verweildauer Ati in der Prozesszone 20 haben und entsprechend weniger stark erhitzt werden. Bei einer ringförmigen Intensitätsverteilung des verwendeten ersten Laserstrahls Li kann diesem über die Breite der Bearbeitungsspur ungleichmäßigen Energieeintrag entgegengewirkt werden.
In Figur 5 ist schematisch der Aufbau einer Optik 100 dargestellt, die für eine Vorrichtung zum erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren verwendet werden kann. Die Optik 100 kann insbesondere in einem Bearbeitungskopf der Vorrichtung angeordnet sein. Über ein Lichtleitkabel 110 - beispielsweise mit einer 2-in-l-Faser - wird ein Laserausgangsstrahl L auf eine Kollimationseinheit 120, insbesondere eine Kollimationslinse, kollimiert. Im Strahlengang des kollimierten Laserausgangsstrahls L ist ein Strahlteiler-Element 130 - hier in Form eines optischen Keils - angeordnet, welches quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserausgangsstrahls L verschiebbar ist und mittels welchem der Laserausgangsstrahl L in einen ersten Laser(teil)strahl Li und einen zweiten Laser(teil)strahl L2 aufteilbar ist. Durch die laterale Positionierung des Strahlteiler-Elements 130 in dem Laserausgangsstrahl L kann die Gesamtleistung des Laserausgangsstrahls L gezielt auf die Laserteilstrahlen Li und L2 aufgeteilt werden. Die Laserstrahlen Li und L2 werden anschließend über eine Fokussiereinheit 150 - hier eine Fokussierlinse - auf die Oberfläche eines zu beschichtenden Werkstücks 50 fokussiert und erzeugen dabei jeweils eine entsprechende Bestrahlungszone 20, 22 auf der Werkstückoberfläche.
In Figur 5 ist ein Querschliff über die Beschichtung eines mittels Laserauftragschweißens beschichteten Werkstücks gezeigt. Das Werkstück 50 umfasst einen Grundkörper 52 und eine auf dem Grundkörper 52 aufgetragene Zwischenschicht 54. Auf der Zwischenschicht 54 ist eine Beschichtungsschicht 60 aufgetragen. Die Beschichtungsschicht 60 umfasst mehrere einander überlappende Beschichtungsbahnen, beziehungsweise sich überlappende Windungen einer zusammenhängenden Beschichtungsbahn. Die Beschichtungsschicht 60 gemäß der Darstellung in Figur 6 zeigt Anbindungsfehler 62 zwischen zwei aneinander angrenzenden Beschichtungsbahnen. Dieses Fehlerbild wird auch als Delamination bezeichnet. Mit dem vorliegend vorgeschlagenen Beschichtungsverfahren soll der Ausbildung von Delaminationen 62 und von Anbindungsfehlern zwischen der Beschichtungsschicht 60 und dem Werkstück 50 entgegengewirkt werden.
In den Figuren 7a bis 7n sind, analog zu den Figuren 3a bis 3d, schematisch weitere exemplarische Konstellationen zum Vor- und/oder Nachwärmen im Rahmen eines erfindungsgemäßen Beschichtungsprozesses dargestellt. Im Zusammenhang mit der Beschreibung zu den Figuren 3a bis 3d sind die Darstellungen in den Figuren 7a bis 7n für den Fachmann selbsterklärend, weshalb an dieser Stelle auf eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Anordnungen der Laserstrahlprojektionen mit den unterschiedlichen Strahlquerschnitten verzichtet wird. Es sei jedoch erwähnt, dass durch eine seitlich versetzte oder schräge Anordnung eines oder mehrerer Laserstrahlen an der Werkstückoberfläche (vgl. Fign. 7c bis 7k) der spiralförmige Verlauf der Beschichtungsbahn beim Vor- und/oder Nachwärmen des Werkstücks und/oder wenigstens einer vorherigen Windung der Beschichtungsschicht berücksichtigt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Beschichten eines metallischen Werkstücks (50) mittels Laserauftragschweißens, das Verfahren umfassend die Schritte:
Bewegen (Sl), insbesondere Rotieren, des zu beschichtenden Werkstücks (50);
Bestrahlen (S2) einer Oberfläche des Werkstücks (50) mittels wenigstens eines ersten Laserstrahls (Li) zum Erzeugen wenigstens einer ersten Bestrahlungszone (20) und einer zweiten Bestrahlungszone (22) auf der Werkstückoberfläche, wobei die zweite Bestrahlungszone (22) der ersten Bestrahlungszone (20) entlang einer Bearbeitungsrichtung (40) vorausläuft oder nachläuft; und
Einbringen eines, vorzugsweise pulverförmigen, Zusatzwerkstoffs (P) in die erste Bestrahlungszone (20), wobei der Zusatzwerkstoff (P) bereits vor dem Auftreffen auf die Werkstückoberfläche wenigstens teilweise in den ersten Laserstrahl (Li) eintritt und dadurch wenigstens teilweise erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend:
Erzeugen mittels des wenigstens ersten Laserstrahls (Li) einer dritten Bestrahlungszone (24), die in einer der zweiten Bestrahlungszone (22) entgegengesetzten Richtung bezüglich der ersten Bestrahlungszone (20) auf der zu beschichtenden Oberfläche ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Bestrahlungszone (20) mittels eines ersten Laserstrahls (Li) erzeugt wird und wobei die zweite Bestrahlungszone (22) mittels eines zweiten Laserstrahls (L2) erzeugt wird und/oder wobei die dritte Bestrahlungszone (24) mittels eines dritten Laserstrahls erzeugt wird; und wobei der zweite Laserstrahl (L2) und/oder der dritte Laserstrahl eine andere Intensität in der Ebene der jeweiligen Bestrahlungszone aufweist als der erste Laserstrahl (Li).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Laserstrahl (Li) und/oder der zweite Laserstrahl (L2) und/oder der dritte Laserstrahl eine Plateau-förmige Intensitätsverteilung aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Laserstrahl (Li) und/oder der zweite Laserstrahl (L2) und/oder der dritte Laserstrahl eine Intensitätsverteilung mit einem Intensitätsmaximum im Randbereich des jeweiligen Laserstrahls aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Laserleistung des zweiten Laserstrahls (L2) und/oder des dritten Laserstrahls während eines Beschichtungsvorgangs verändert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand der zweiten Bestrahlungszone (22) von der ersten Bestrahlungszone (20) und/oder ein Abstand der dritten Bestrahlungszone (24) von der ersten Bestrahlungszone (20) in Bearbeitungsrichtung (40) wenigstens dem 0,5-fachen eines Fokusdurchmessers des ersten Laserstrahls (Li) und höchstens dem 5-fachen des Fokusdurchmessers des ersten Laserstrahls (Li) entspricht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zusatzwerkstoff (P) der ersten Bestrahlungszone (20) so zugeführt wird, ein Bestrahlungsfenster zur Erzeugung der zweiten Bestrahlungszone (22) und/oder zur Erzeugung der dritten Bestrahlungszone (24) bestehen bleibt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Bestrahlungszone (22) und/oder die dritte Bestrahlungszone (24) orthogonal zur Bearbeitungsrichtung gegenüber der ersten Bestrahlungszone (20) versetzt ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Laserstrahl (L2) und/oder der dritte Laserstrahl einen rechteckigen Strahlquerschnitt aufweist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Bestrahlungszone (22) und/oder die dritte Bestrahlungszone (24) eine andere Größe aufweist als die erste Bestrahlungszone (20).
12. Vorrichtung zum Laserauftragschweißen, die Vorrichtung umfassend:
Eine Trägereinheit für ein zu beschichtendes, metallisches Werkstück (50), wobei die Trägereinheit eine Bewegungseinheit zum Bewegen, insbesondere zum Rotieren, des Werkstücks (50) aufweist;
Eine Laserstrahleinheit zur Bereitstellung wenigstens eines ersten Laserstrahls (Li) und zur Erzeugung, mittels wenigstens des ersten Laserstrahls (Li), wenigstens einer ersten Bestrahlungszone (20) und einer zweiten Bestrahlungszone (22) auf einer Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks (50), wobei die zweite Bestrahlungszone (22) der ersten Bestrahlungszone (20) entlang einer Bearbeitungsrichtung (40) vorausläuft;
Eine Zuführeinheit für die Zuführung eines, insbesondere pulverförmigen, Zu satzwerkstoffs (P) in die erste Bestrahlungszone (20), wobei der Zusatzwerkstoff der ersten Bestrahlungszone (20) derart zuführbar ist, dass er bereits vor dem Auftreffen auf der Werkstückoberfläche wenigstens teilweise in der ersten Bearbeitungszone (20) in den ersten Laserstrahl (Li) eintritt und dadurch wenigstens teilweise erhitzt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Laserstrahleinheit eine Optik (100) mit einer Kollimationseinheit (120) und mit einer Fokussiereinheit (140), sowie mit einem Strahlteiler-Element (130) aufweist, welches zwischen der Kollimationseinheit (120) und der Fokussiereinheit (140) im Strahlengang der Optik (100) angeordnet ist und welches dazu ausgebildet ist, einen Laserausgangsstrahl (L) in den ersten Laserstrahl (Li) und wenigstens einen zweiten Laserstrahl (L2) aufzuteilen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Strahlteiler-Element ein optischer Keil, oder eine Zylinderlinse oder ein Diffraktives optisches Element (DOE) ist.
15. Werkstück, insbesondere Bremsscheibe, das Werkstück umfassend:
Einen, insbesondere scheibenförmigen, metallischen Grundkörper;
Wenigstens eine Beschichtungsschicht, die, vorzugsweise in spiralförmig und einander überlappenden Beschichtungsbahnen, auf einer Oberfläche des Grundkörpers angeordnet und stoffschlüssig mit dem Grundkörper verbunden ist;
Wobei ein Durchmischungsbereich am Übergang zwischen dem Grundkörper und der Beschichtungsschicht eine Dicke von höchstens 20 pm, bevorzugt von höchstens 10 pm, noch bevorzugter von höchstens 5 pm, aufweist.
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