EP4622764A1 - Verfahren zum beschichten einer oberfläche - Google Patents

Verfahren zum beschichten einer oberfläche

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Publication number
EP4622764A1
EP4622764A1 EP23828685.0A EP23828685A EP4622764A1 EP 4622764 A1 EP4622764 A1 EP 4622764A1 EP 23828685 A EP23828685 A EP 23828685A EP 4622764 A1 EP4622764 A1 EP 4622764A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
welding
coated
laser
track
coating
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
EP23828685.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik DOBRZANSKI
Tobias Phillip Utsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HPL Technologies GmbH
Original Assignee
HPL Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HPL Technologies GmbH filed Critical HPL Technologies GmbH
Publication of EP4622764A1 publication Critical patent/EP4622764A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0823—Devices involving rotation of the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/006—Vehicles
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    • B23K2101/34—Coated articles ; Surface treated articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/06—Cast-iron alloys

Definitions

  • the invention relates to a method for coating a surface using a laser coating device, the method comprising at least the following steps: a. providing a base body with a surface to be coated; b. providing laser optics; c. moving the surface to be coated relative to the laser optics; and d. providing welding filler material and carrying out a coating process by heating the welding filler material provided using laser light from the laser optics to connect a web-shaped first welding track to the surface to be coated, step c. being carried out during a coating process according to step d.
  • the method is primarily characterized in that the first welding track is produced in step d.
  • the invention further relates to a laser coating device.
  • Additive manufacturing processes are becoming increasingly interesting for large-scale production.
  • the aim of additive coating processes is usually to provide a base body with a coating that is better suited to the respective application. This opens up the possibility of using a base body that is made of a mechanically and/or thermally more suitable material and/or can be produced more cost-effectively. This is known, for example, in the area of brake discs, cylinder barrels in engine blocks and pistons for external applications.
  • Coating processes including laser spraying and laser cladding, such as extremely high-speed laser cladding [EHLA] as used in the
  • the present invention is based on the object of at least partially overcoming the disadvantages known from the prior art.
  • the features according to the invention arise from the independent claims, for which advantageous embodiments are shown in the dependent claims.
  • the features of the claims can be combined in any technically reasonable manner, whereby the explanations from the following description and features from the figures can also be used, which include additional embodiments of the invention.
  • the invention relates to a method for coating a surface by means of a laser coating device, wherein the method comprises at least the following steps: a. Providing a base body with a surface to be coated; b. Providing a laser optics which is movable relative to the provided base body and by means of which laser light can be provided in a focused manner for connecting a welding filler material to the surface to be coated; c. Moving the surface to be coated relative to the laser optics; and d.
  • step c. is carried out during a coating process according to step d.
  • the method is characterized in particular in that the first welding track in step d. is produced on the surface to be coated with an overlap with itself of less than 10% of the track width or without overlap, and a further welding track is applied at the earliest after completion of a relative 360° turn between the surface to be coated and the laser optics.
  • a method is now proposed in which a time saving for cooling is achieved without causing a disadvantage in the process times.
  • This is achieved by applying the individual welding tracks at a distance from each other on the surface to be coated and not in the final state or relating to a respective layer and its final state, the desired overlap of the welding tracks with one another.
  • Such an overlap is, for example, up to 90% [ninety percent], preferably 60% [sixty percent] to 80%.
  • With only a slight overlap of less than 10% it is necessary to place at least one further welding track between these two slightly overlapping welding tracks. Due to the small overlap and thus a small amount of material, in an advantageous embodiment this overlapping material is melted again and thus any inadequate connection between the welding tracks and/or the surface to be coated is improved.
  • the method is designed for coating a surface of a base body, wherein the surface to be coated is preferably provided with a coating over its entire surface with the aid of a welding filler material and the thermal energy of laser light from the laser optics.
  • a base body is made, for example, of a gray cast iron material, preferably lamellar gray cast iron
  • the coating, which is formed from the welding filler material is made of a steel, for example stainless steel or tool steel, with a high proportion of additives, such as carbon [C], chromium [Cr], molybdenum [Mo], vanadium [V], titanium [Ti], tungsten [W], manganese [Mn], boron [B] and/or niobium [Nb].
  • the welding filler material is already provided on the surface to be coated as a so-called powder bath (selective laser welding) and in another embodiment, the welding filler material is fed to the welding process in-situ, preferably via a nozzle.
  • the above-mentioned extremely high speed laser cladding [EHLA] is used.
  • a base body is provided, for example clamped in a workpiece holder, whereby a surface to be coated is aligned as required.
  • a laser optic is provided, which is usually supplied with laser light from an external laser source. Laser light can be appropriately focused using the laser optic, for example in extremely high-speed Laser cladding [EHLA] with a laser focus just above the surface to be coated.
  • the base body or the surface to be coated and the laser optics are movable relative to one another, whereby the surface to be coated is preferably movable in a fixed plane and the laser optics itself is alignable relative to it and/or movable along another spatial axis relative to the surface to be coated.
  • a corresponding laser coating device has an actuator device, which usually has a plurality of individual actuators or feed axes.
  • step c. the relative movement between the base body and the laser optics is now carried out, for example by the actuator device of the executing laser coating device.
  • the surface to be coated is moved relative to the laser optics in such a way that a welding track is created.
  • step d. welding filler material is now provided, whereby, as already described above, this is either already held on the surface to be coated before the welding energy is supplied using the laser light or is fed in situ into the laser focus of the laser optics. Due to the movement and the welding process before step c. and step b., a web-like first welding track is applied to the surface to be coated and connected to it.
  • the welding filler material is melted or completely melted and at the same time a molten pool is formed on the surface to be coated, so that an excellent bond quality is achieved between the welding filler material and the surface to be coated.
  • first welding track be created that has little or no overlap with itself, in such a way that no final coating is created with the first welding track. Rather, further welding tracks are necessary in order to achieve a final coating result. It should be noted at this point that a coating often is produced from several layers, each additional layer being formed from weld tracks which are applied to a previously applied complete layer consisting of several weld tracks.
  • a further welding track is applied with a considerable delay, which then has a greater overlap than the first welding track with itself.
  • a further welding track is applied with the final desired overlap of, for example, 40% [forty percent] to 60%.
  • a meandering welding track first an outward path, a cross path and a return path and then another cross path of the first welding track are created before another welding track with a greater overlap is placed next to the part of the first welding track already created. Overall, this process only results in a small time delay as a result of the time offset between the start of the application of the first welding track and the further welding tracks.
  • the method proposed here can achieve an overall time saving because, as a result of the improved weld joint, an intermediary layer, a so-called adhesive layer or buffer layer, can be dispensed with.
  • step c. the laser optics rotate relative to the surface to be coated about the axis of rotation and are moved radially with respect to the axis of rotation, and in step d. the first welding track is generated in a spiral shape, a further welding track is applied during step d. at the earliest after a full relative rotation of the surface to be coated.
  • a further welding track is only applied when a full relative rotation of the surface to be coated has been carried out, i.e. the first welding track has already made a complete circuit on the surface to be coated.
  • a further welding track is then applied to the surface to be coated with a larger overlap than the first welding track has with itself (preferably with the final overlap).
  • a subsequent welding track is only applied after completion of the previously generated welding track. It is now proposed that the subsequent welding track is only applied when the previously created welding track has been completely applied to the surface to be coated. For example, in the case of a spiral-shaped welding track that is applied from radially outside to radially inside or vice versa, the subsequent welding track is only applied to the surface to be coated when this spiral has been applied from the starting point (e.g. radially outside) to the end point (e.g. radially inside) and is thus completed.
  • the coating of the surface to be coated is not yet complete when the first weld trace is created, but at least one more weld trace still has to be applied to the surface to be coated. The same applies to the completion of each layer in a multi-layer coating structure.
  • all welding tracks in the final state form a complete covering of the surface to be coated.
  • a desired (partial) covering of the surface to be coated is achieved.
  • a partial covering of the surface to be coated is created by the first welding track, in such a way that the remaining partial surfaces are covered by the at least one subsequently applied welding track.
  • a desired overlap of all of the welding tracks is taken into account. It should be noted that part of the surface to be coated is not necessarily still visible if all of the welding tracks necessary for a desired overlap have not yet been applied.
  • the first welding tracks are applied radially offset from one another without overlapping with the immediately adjacent one or with a small overlap (for example less than 10% [ten percent]) on the surface to be coated.
  • the welding tracks of the same ordinal number are applied offset from one another (for example by 90° [ninety degrees of 360°]) on the surface to be coated and have the same overall length from the starting point to the end point.
  • the welding tracks are started differently offset from one another and/or have a different length between their respective starting point and end point.
  • all welding tracks created on the surface to be coated are provided with an equal length between the starting point and the end point.
  • a welding track is only applied over a partial section (for example in a dead end formed by previous welding tracks or subsequently formed welding tracks).
  • a distance between two generated by means of the method adjacent sections of the first weld track is equal to or greater than twice, preferably three times, the difference between the track width and the desired overlap of weld tracks in the final state of the coated surface.
  • the distance between the first welding tracks is twice the difference between the track width and the desired overlap of all welding tracks, which in the final state (the respective layer) corresponds to the surface to be coated.
  • the distance is greater than twice, preferably exactly three times or even a factor greater than three times.
  • the respective factor is an integer factor and corresponds to the number of welding tracks in the final state.
  • the ordinal number here also relates to the simultaneous creation, i.e. to the time of creation. It should be noted that the number of welding traces applied one after the other results from the desired small overlap of the first welding trace with itself and the desired final overlap of all welding traces, provided that these are also to be created one after the other like the first welding trace.
  • the distance to the generated adjacent section of the same first welding track is defined. In an embodiment with multiple first welding tracks, the distance to the generated adjacent section of the next adjacent first welding track is defined.
  • the distance is defined in the radial direction to the axis of rotation.
  • the distance is defined transversely to the center line or longest extension of the respective welding track, for example between two sections of the welding track which are parallel to each other in an x-direction. and their track width extends in the y-direction.
  • a cross connection between the parallel sections of the meander has no distance, another at least no smaller distance to another cross connection.
  • a meander is not necessarily formed with a non-spiral welding track.
  • several welding tracks preferably running parallel to one another (for example also curved, jagged and/or wavy), are formed, preferably applied to the surface to be coated simultaneously with a plurality of laser optics.
  • the surface to be coated is cooled during or after step d., preferably by means of air cooling and/or activated heat conduction.
  • active cooling in addition to cooling down the welding track produced due to the time offset until the next welding track is produced (overlapping by equal to or more than 10% of the track width), active cooling is used, namely air cooling (i.e. convection) and/or activated heat conduction, whereby this activated heat conduction not only uses the material conduction, but also actively dissipates the heat within the material via a fluid.
  • air cooling i.e. convection
  • activated heat conduction is formed, for example, by a so-called heat pipe, in which an enclosed coolant evaporates at the end providing cooling and is liquefied again at the end dissipating heat.
  • a cavity or a line is formed in a component of the laser coating device (for example the workpiece holder) for a circulating liquid and/or a coolant.
  • the base body is that of a brake disc, wherein a friction surface is to be formed on the surface to be coated.
  • the base body is that of a brake disc, for example a cast body, on whose surface (to be coated) a friction surface is created by means of a coating.
  • a brake disc is designed for a motor vehicle and has an inner and an outer friction surface, which are each designed to interact with a brake pad.
  • a laser coating device comprising at least the following components:
  • the laser coating device is set up to carry out a method according to an embodiment according to the above description, wherein preferably the laser coating device is set up for extremely high-speed laser deposition welding.
  • the laser coating device is a selective laser deposition welding machine, a laser spraying machine for thermal coating, or a laser welding machine, for example for deposition welding, preferably for the above-mentioned extremely high-speed laser deposition welding [EHLA].
  • the coating for example for surface finishing, is carried out with a material which is provided as a wire, (liquefied) drop-shaped or (solid) powder-shaped via the feed device as a welding filler material.
  • the welding filler material is put into the liquid state by means of the laser light of the laser optics or is kept in the liquid state, i.e. melted or only melted on the outside and/or in a melt pool formed by means of the laser light in the introduced into the surface to be coated and thus bonded to the surface to be coated at an atomic or molecular level.
  • the laser optics are fed from and/or comprise one or more laser sources.
  • the laser beam or the multiple laser beams of the laser optics are bundled onto one or more laser focuses, wherein the energy density (intensity) for the desired (maximum) thermal input is preferably only present in this area when, controlled by a control device, a predetermined power limit or more power is emitted by means of the laser optics.
  • the laser focus has a spatial extent, for example with a diameter (in a plane parallel to the surface to be coated) of 1 mm [one millimeter] to 12 mm, for example from 1.2 mm to 8 mm, particularly preferably from 3 mm to 4 mm.
  • the surface to be coated in one embodiment of the method for coating is a surface of the fixed workpiece (i.e. the base body), which in one embodiment is arranged on the workpiece with the surface to be subsequently coated, for example within the surface to be coated.
  • a surface of the fixed workpiece is referred to here for simplicity as the surface to be coated.
  • the Surface of the fixed workpiece a surface outside an area to be coated (for the desired function), for example in the case of a brake disk or a piston on the continuous and/or uniformly aligned surface for the respective function but outside the functional surface, i.e. outside the braking surface or the sliding surface.
  • the surface to be coated with the laser optics is arranged in a section which is not continuous with the functional surface and/or uniformly aligned, but for example on a surface that is angled and/or offset therefrom.
  • This is, for example, a shoulder or, for example, in the case of a brake disk, its cylindrical outer peripheral surface and, in the case of a piston, one of its cover surfaces.
  • the coating method is used to process an area of the functional surface to be coated.
  • the feed device for welding filler material is set up for wire or powder material, for example.
  • a powder nozzle for transporting powder material for powder deposition welding has one (for example lateral) or several outlets and/or an annular gap outlet, wherein the powder material is transported by means of a gas flow (for example air or an inert carrier gas).
  • the powder material is thus transported as a powder flow by means of the shape of the at least one outlet and (at least approximately) the speed of the gas flow along a powder trajectory.
  • a gas flow for example air or an inert carrier gas
  • the powder focus is defined, for example, in a design coaxial to the laser beam by a conical (or running along an imaginary conical surface) arrangement of the plurality of nozzle channels (powder ring as an imaginary ring line through a plurality of points and/or line sections) or by an annular nozzle (circumferential powder ring). Due to the conical structure, the coaxial powder ring tapers concentrically to a powder focus. After passing through the powder focus, the powder gas jet diverges along the propagation direction (of the laser beam). In one embodiment, the powder focus is to be aligned relative to the laser focus.
  • the workpiece holder is designed to clamp, i.e. to fix, a workpiece (i.e.
  • the base body whereby a defined spatial axis, for example a central axis of rotation, of the workpiece can be precisely aligned.
  • the base body is already finished, except for the coating to be applied or, if necessary, other smaller post-processing processes. Precise positioning is therefore necessary.
  • This is preferably supported by a gripping arm and defined gripping surfaces on the workpiece and/or appropriate measuring technology.
  • the workpiece holder comprises a detection device for imbalances, whereupon a clamping can be corrected or, if balancing of the workpiece has not yet been carried out or can still be added (for example within the scope of admissibility), at least a corresponding material removal or material application is carried out.
  • the actuator device is designed to position the laser optics (or their laser focus) and, if applicable, the feed device for welding filler material (or their powder focus) relative to the workpiece or its surface to be coated.
  • the actuator device comprises at least one actuator, preferably a plurality of actuators, for the translational and/or rotational movement of the laser optics and, if applicable, the feed device for welding filler material and/or the base body.
  • the actuator device rotates the brake disk about its axis of rotation (fixed in the workpiece holder) and guides the laser optics and the feed device for welding filler material radially, so that an (at least approximate) spiral shape of the application track is produced.
  • a movement axis aligned normal to the surface of the base body is often provided, which is used for different sized base bodies are provided and/or for a possibility of clamping the base body in the workpiece holder of the device for the laser coating process without collision and/or to be able to easily maintain or replace the laser optics and the feed device.
  • the actuator device per spatial axis
  • the actuator device can only be moved with sufficient precision for the coating process, for example in the range of a few millimeters, preferably from 0.1 mm [a tenth of a millimeter] to 1 mm.
  • the laser coating device is set up to carry out the method for coating a surface of a base body, as described above.
  • the laser coating device is set up for the above-mentioned extremely high-speed laser deposition welding [EHLA].
  • EHLA extremely high-speed laser deposition welding
  • the high deposition speed is combined with the necessary cooling of the welding tracks, which is beneficial for material pairs that are difficult to weld together. In one embodiment, this can also result in a time saving compared to conventional deposition methods with EHLA, because an intermediary layer, a so-called adhesive layer or buffer layer, can be dispensed with.
  • Fig. 1 a laser coating device in a schematic view with a base body
  • Fig. 2 a (rotational) base body in a plan view
  • Fig. 3 a sectional view of a brake disc with welding traces
  • Fig. 4 a motor vehicle with brake discs in a schematic plan view
  • Fig. 1 shows a laser coating device 3 in a schematic view with a base body 4 (i.e. workpiece).
  • the base body 4 is clamped here by means of the workpiece holder 20 of the laser coating device 3 and is, for example, a brake disk 17.
  • the base body 4 has a surface 2 to be coated (as shown, upper) and optionally an opposite rear side 22 (as shown, lower). In the state shown, a layer can be applied to the surface 2 to be coated for coating 1 the surface 2 of a base body 4.
  • the base body 4 is clamped in a workpiece holder 20 of the laser coating device 3 and is held in exact position by it.
  • the workpiece holder 20 is, for example, a chuck with a rigid axis of rotation 5 and the base body 4 is aligned coaxially to the axis of rotation 5.
  • the axis of rotation 5 is thus aligned normally to the surface 2 to be coated.
  • the workpiece holder 20 is optionally driven by a rotary drive 23, so that the base body 4 can rotate about the axis of rotation 5.
  • the base body 4 can preferably be repeatedly and precisely adjusted to coordinates by the rotary drive 23 according to a coordinate system.
  • the rotary drive 23 is part of the actuator device 21.
  • Fig. 2 shows a (rotational) base body 4, for example a brake disk 17 according to Fig. 1, in a plan view of the surface 2 to be coated, wherein three spiral-shaped welding tracks 9, 10, 11 (for example their center lines) are indicated here purely schematically for better understanding.
  • Each of the welding tracks 9, 10, 11 begins (or ends) at the outer edge 41 of the base body 4 and ends (or begins) at the inner edge 42.
  • the beginning and the end of the welding tracks 9, 10, 11, each of equal length are offset from one another by 90° [ninety degrees out of 360°].
  • additional welding tracks must be provided accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten (1) einer Oberfläche (2) mittels einer Laser-Beschichtungsvorrichtung (3), wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a. Bereitstellen eines Grundkörpers (4) mit einer zu beschichtenden Oberfläche (2); b. Bereitstellen einer Laseroptik (6); c. Bewegen der zu beschichtenden Oberfläche (2) relativ zu der Laseroptik (6); und d. Bereitstellen von Schweißzusatzwerkstoff (8) und Ausführen eines Beschichtungsvorgangs mittels Erhitzen von dem bereitgestellten Schweißzusatzwerkstoff (8) mittels Laserlicht (7) der Laseroptik (6) zum Verbinden einer bahnförmigen ersten Schweißspur (9) mit der zu beschichtenden Oberfläche (2), wobei Schritt c. während eines Beschichtungsvorgangs gemäß Schritt d. ausgeführt wird. Das Verfahren ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißspur (9) in Schritt d. mit einer Überlappung (13) mit sich selbst von weniger als 10 % der Spurbreite (12) oder ohne Überlappung (13) auf der zu beschichtenden Oberfläche (2) erzeugt wird, und eine weitere Schweißspur (10,11) frühstens nach Vollendung einer relativen 360°- Wendung zwischen der zu beschichtenden Oberfläche (2) und der Laseroptik (6) aufgebracht wird. Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche ist eine verbesserte Schweißverbindung bei zugleich keiner oder geringer Zeiteinbuße erzielbar.

Description

Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mittels einer Laser-Beschichtungsvorrichtung, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a. Bereitstellen eines Grundkörpers mit einer zu beschichtenden Oberfläche; b. Bereitstellen einer Laseroptik; c. Bewegen der zu beschichtenden Oberfläche relativ zu der Laseroptik; und d. Bereitstellen von Schweißzusatzwerkstoff und Ausführen eines Beschichtungsvorgangs mittels Erhitzen von dem bereitgestellten Schweißzusatzwerkstoff mittels Laserlicht der Laseroptik zum Verbinden einer bahnförmigen ersten Schweißspur mit der zu beschichtenden Oberfläche, wobei Schritt c. während eines Beschichtungsvorgangs gemäß Schritt d. ausgeführt wird. Das Verfahren ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißspur in Schritt d. mit einer Überlappung mit sich selbst von weniger als 10 % der Spurbreite oder ohne Überlappung auf der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt wird, und eine weitere Schweißspur frühstens nach Vollendung einer relativen 360°-Wendung zwischen der zu beschichtenden Oberfläche und der Laseroptik aufgebracht wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Laser-Beschichtungsvorrichtung.
Additive Fertigungsverfahren werden zunehmend interessant für die Großserienfertigung. Ziel additiver Beschichtungsverfahren ist meist, einen Grundkörper mit einer Beschichtung auszustatten, welche für die jeweilige Anwendung besser geeignet ist. Dies eröffnet die Möglichkeit, einen Grundkörper einzusetzen, welcher aus einem mechanisch und/oder thermisch geeigneteren Material gebildet ist und/oder kostengünstiger herstellbar ist. Bekannt ist dies beispielsweise im Bereich von Bremsscheiben, Zylinderläufen in Motorblöcken und Kolben für Außenanwendungen.
Unter den additiven Fertigungsverfahren sind die lokalen, also an dem Bearbeitungspunkt zeitgerecht Beschichtungsmaterial zustellenden, Beschichtungsverfahren und darunter das Laserspritzen und das Laserauftragschweißen, beispielsweise das Extremhochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen [EHLA] wie es beispielsweise aus der
DE 102011 100 456 A1 bekannt ist, in vielerlei Hinsicht vorteilhafte Laser- Beschichtungsverfahren. Dabei kann innerhalb einer sehr kurzen Prozessdauer, unter geringem Energieaufwand, effizientem Einsatz von Pulvermaterial und einer hohen Anbindungsgüte eine meist dünne Schicht auf der Oberfläche eines Grundkörpers aufgetragen werden, womit wiederum je nach Anwendung Material einsparbar ist. Gerade im Bereich von thermisch hoch belasteten Bauteilen, wie beispielsweise Bremsscheiben, ist der Matenalunterschied zwischen dem Grundkörper und der aufzubringenden Beschichtung groß und die Schweißbarkeit kritisch. Der Schweißprozess muss daher in einem sehr engen Prozessfenster ausgeführt werden.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mittels einer Laser-Beschichtungsvorrichtung, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a. Bereitstellen eines Grundkörpers mit einer zu beschichtenden Oberfläche; b. Bereitstellen einer Laseroptik, welche relativ zu dem bereitgestellten Grundkörper bewegbar ist und mittels welcher Laserlicht zum Verbinden eines Schweißzusatzwerkstoffs mit der zu beschichtenden Oberfläche fokussiert bereitstellbar ist; c. Bewegen der zu beschichtenden Oberfläche relativ zu der Laseroptik; und d. Bereitstellen von Schweißzusatzwerkstoff und Ausführen eines Beschichtungsvorgangs mittels Erhitzen von dem bereitgestellten Schweißzusatzwerkstoff mittels Laserlicht der Laseroptik zum Verbinden einer bahnförmigen ersten Schweißspur mit der zu beschichtenden Oberfläche, wobei die erste Schweißspur eine vorbestimmte Spurbreite aufweist und bereitgestellten Schweißzusatzwerkstoff umfasst, wobei Schritt c. während eines Beschichtungsvorgangs gemäß Schritt d. ausgeführt wird.
Das Verfahren ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißspur in Schritt d. mit einer Überlappung mit sich selbst von weniger als 10 % der Spurbreite oder ohne Überlappung auf der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt wird, und eine weitere Schweißspur frühstens nach Vollendung einer relativen 360°-Wendung zwischen der zu beschichtenden Oberfläche und der Laseroptik aufgebracht wird.
Es wird im Folgenden auf die genannte Rotationsachse Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden. In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
Es wurde festgestellt, dass durch das Aufträgen und Einbringen der Laserenergie eine solche Temperaturveränderung an der Oberfläche des Grundkörpers entsteht, dass die Qualität des Schweißauftrags abnimmt. Weil in diesem Bereich die Möglichkeiten zur Kühlung beschränkt sind, weil Flüssigkühlung nur mit einem erheblichen Aufwand möglich ist, ist die erzielbare Kühlleistung begrenzt.
Hier ist nun ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem ein Zeitgewinn für die Auskühlung erzielt wird, ohne dabei einen Nachteil bei den Prozesszeiten zu bewirken. Dies wird dadurch erreicht, dass die einzelnen Schweißspuren mit einem Abstand zueinander auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht werden und nicht in der im Endzustand beziehungsweise betreffend eine jeweilige Lage und deren Endzustand, die erwünschte Überlappung der Schweißspuren miteinander. Solch eine Überlappung liegt beispielsweise bei bis zu 90 % [neunzig Prozent], bevorzugt bei 60 % [sechzig Prozent] bis 80 %. Bei einer nur geringen Überlappung von weniger als 10 % ist es notwendig, zumindest eine weitere Schweißspur zwischen diese beiden sich leicht überlappenden Schweißspuren zu setzen. Aufgrund der geringen Überlappung und damit einer geringen Materialmenge, wird bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieses überlappende Material wieder aufgeschmolzen und somit eine gegebenenfalls unzureichende Anbindung zwischen den Schweißspuren und/oder der zu beschichtenden Oberfläche nachgebessert.
Das Verfahren ist zum Beschichten einer Oberfläche eines Grundkörpers eingerichtet, wobei bevorzugt die zu beschichtenden Oberfläche vollflächig mit Hilfe von einem Schweißzusatzwerkstoff und der thermischen Energie von Laserlicht aus der Laseroptik mit einer Beschichtung versehen wird. In einer Ausführungsform ist ein solcher Grundkörper beispielsweise aus einem Graugussmaterial, bevorzugt Lamellen-Grauguss, und die Beschichtung, welche aus dem Schweißzusatzwerkstoff gebildet ist, ist aus einem Stahl, beispielsweise Edelstahl oder Werkzeugstahl, mit einem hohen Anteil an Zuschlagstoffen, wie beispielsweise Kohlenstoff [C], Chrom [Cr], Molybdän [Mo], Vanadium [V], Titan [Ti], Wolfram [W], Mangan [Mn], Bor [B] und/oder Niob [Nb], In einer Ausführungsform ist der Schweißzusatzwerkstoff bereits auf der zu beschichtenden Oberfläche als sogenanntes Pulverbad bereitgestellt (selektives Laserschweißen) und in einer anderen Ausführungsform wird der Schweißzusatzwerkstoff in-situ dem Schweißprozess zugeführt, bevorzugt über eine Düse. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das oben genannte Extremhochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen [EHLA] eingesetzt.
Zunächst wird in Schritt a. ein Grundkörper bereitgestellt, beispielsweise in einer Werkstückaufnahme eingespannt, wobei eine zu beschichtende Oberfläche bedarfsgerecht ausgerichtet wird. In Schritt b., welcher gleichzeitig oder vor Schritt a. stattfindet, wird eine Laseroptik bereitgestellt, welche in der Regel von einer externen Laserquelle mit Laserlicht versorgt ist. Mittels der Laseroptik ist Laserlicht geeignet fokussierbar, beispielsweise beim Extremhochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen [EHLA] mit einem Laser-Fokus knapp oberhalb der zu beschichtenden Oberfläche. Der Grundkörper beziehungsweise die zu beschichtende Oberfläche und die Laseroptik sind relativ zueinander bewegbar, wobei bevorzugt die zu beschichtende Oberfläche in einer festen Ebene bewegbar ist und die Laseroptik selbst relativ dazu ausrichtbar ist und/oder entlang einer weiteren Raumachse relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche bewegbar ist. Eine entsprechende Laser-Beschichtungsvorrichtung weist dazu eine Aktorikeinrichtung auf, welche in der Regel eine Mehrzahl von einzelnen Aktoren beziehungsweise Vorschubachsen aufweist.
In Schritt c. wird nun die relative Bewegung zwischen dem Grundkörper und der Laseroptik ausgeführt, beispielsweise von der Aktorikeinrichtung der ausführenden Laser-Beschichtungsvorrichtung. In einer Ausführungsform wird beispielsweise die zu beschichtenden Oberfläche relativ zu der Laseroptik derart bewegt, dass eine Schweißspur erzeugt wird.
In Schritt d. wird nun Schweißzusatzwerkstoff bereitgestellt, wobei dieser, wie bereits vorhergehend beschrieben, entweder bereits vor dem Zuführen von Schweißenergie mittels des Laserlichts auf der zu beschichtenden Oberfläche vorgehalten ist oder in- situ in den Laser-Fokus der Laseroptik zugeführt wird. Aufgrund der Bewegung und dem Schweißvorgang vor Schritt c. und Schritt b. wird eine bahnartige erste Schweißspur auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht und mit dieser verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schweißzusatzwerkstoff angeschmolzen oder vollständig aufgeschmolzen und zugleich auf der zu beschichtenden Oberfläche ein Schmelzbad gebildet, sodass eine hervorragende Verbindungsgüte zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff und der zu beschichtenden Oberfläche erzielt wird.
Hier ist nun vorgeschlagen, dass eine erste Schweißspur erzeugt wird, die mit sich selbst eine geringe oder keine Überlappung aufweist, und zwar so, dass mit der ersten Schweißspur keine endgültige Beschichtung erzeugt ist. Vielmehr sind weitere Schweißspuren notwendig, um ein endgültiges Beschichtungsergebnis erzielen zu können. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass eine Beschichtung oftmals aus mehreren Lagen erzeugt ist, wobei jede weitere Lage aus Schweißspuren gebildet ist, welche auf einer vorhergehend aufgebrachten vollständigen Lage bestehend aus mehreren Schweißspuren aufgebracht ist.
Eine weitere Schweißspur wird mit einer erheblichen Verzögerung derart aufgebracht, welche dann eine größere Überlappung aufweist als die erste Schweißspur mit sich selbst. Beispielsweise wird eine weitere Schweißspur mit der endgültigen gewünschten Überlappung von beispielsweise 40 % [vierzig Prozent] bis 60 % aufgebracht. Bei einer mäandernden Schweißspur werden somit erst ein Hinweg, ein Querweg und ein Rückweg und dann ein weiterer Querweg der erstens Schweißspur erzeugt, bevor eine weitere Schweißspur mit größerer Überlappung neben den bereits erzeugten Anteil der ersten Schweißspur gesetzt wird. Es ergibt sich somit insgesamt bei dieser Prozessführung nur ein geringer zeitlicher Verzug infolge des zeitlichen Versatzes zwischen dem Beginn des Auftrags der ersten Schweißspur und der weiteren Schweißspuren.
In einer Ausführungsform kann durch das hier vorgeschlagene Verfahren insgesamt ein Zeitgewinn erzielt werden, weil infolge der verbesserten Schweißverbindung auf eine Vermittlerschicht, eine sogenannte Haftschicht oder Pufferschicht, verzichtet werden kann.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass in Schritt c. die Laseroptik relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche um die Rotationsachse rotiert und bezogen auf die Rotationsachse radial bewegt wird, und in Schritt d. die erste Schweißspur spiralförmig erzeugt wird, eine weitere Schweißspur während Schritt d. frühstens nach einer vollen relativen Umdrehung der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht wird.
Bei dieser Ausführungsform ist die zu beschichtenden Oberfläche eine rotierende Oberfläche (bevorzugt eine rotationssymmetrische Oberfläche), auf welcher die Schweißspuren spiralförmig erzeugt werden. In einer Ausführungsform ist die Spiralform mittels Kreisen (mit über einen Segmentabschnitt konstantem Radius) mit einem oder mehreren Versatzsprüngen erzeugt. In einer anderen Ausführungsform ist die Spiralform angenähert an eine ideale Spirale.
Bei dieser Ausführungsform wird eine weitere Schweißspur erst dann aufgebracht, wenn eine volle relative Umdrehung von der zu beschichtenden Oberfläche ausgeführt worden ist, also die erste Schweißspur bereits einen vollständigen Umlauf auf der zu beschichtenden Oberfläche gebildet hat. Wie bereits oben erwähnt, wird eine weitere Schweißspur dann mit einer größeren Überlappung als die erste Schweißspur mit sich selbst aufweist (bevorzugt mit der endgültigen Überlappung) auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass analog zu Schritt a. bis Schritt d. eine oder mehrere weitere Schweißspuren auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht werden, wobei von zumindest einer der Schweißspuren mit der ersten Schweißspur eine Überlappung gebildet ist, welche gleich oder größer als 40 %, bevorzugt größer als 60 %, der jeweiligen Spurbreite ist.
Hier ist nun vorgeschlagen, dass die weiteren Schweißspuren genauso aufgebracht werden wie die erste Schweißspur, wobei nun die weiteren Schweißspuren relativ zu der ersten Schweißspur derart angeordnet sind, dass eine Überlappung mit der ersten Schweißspur beziehungsweise der nächst benachbarten Schweißspur gebildet ist. Inzwischen ist bei entsprechender Prozessführung die erste Schweißspur und der Grundkörper wieder so weit abgekühlt, dass eine hervorragende Schweißverbindung zwischen der weiteren Schweißspur der ersten Schweißspur und der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt ist. In einer Ausführungsform ist Überlappung dabei beispielsweise 80 % [achtzig Prozent] oder sogar 90 % der Spurbreite.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass eine nachfolgende Schweißspur jeweils erst nach Vollendung der kompletten vorhergehend erzeugten Schweißspur aufgebracht wird. Hier ist nun vorgeschlagen, dass die nachfolgende Schweißspur erst dann aufgebracht wird, wenn die vorhergehend erzeugte Schweißspur vollständig auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht ist. Beispielsweise bei einer spiralförmigen Schweißspur, welche von radial-außen nach radial-innen oder umgekehrt aufgebracht wird, wird die nachfolgende Schweißspur erst dann auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht, wenn diese Spirale von dem Anfangspunkt (also beispielsweise radial-außen) bis zum Endpunkt (also beispielsweise radial-innen) aufgebracht ist und damit vollendet ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass mit dem Erzeugen der ersten Schweißspur die Beschichtung der zu beschichtenden Oberfläche noch nicht vollendet ist, sondern eben noch zumindest eine weitere Schweißspur auf der zu beschichtenden Oberfläche aufzubringen ist. Entsprechendes gilt für die jeweilige Vollendung der Lage bei einem mehrlagigen Aufbau der Beschichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist von allen Schweißspuren im Endzustand eine vollständige Bedeckung der zu beschichtenden Oberfläche gebildet. Alternativ ist eine gewünschte (Teil-) Abdeckung der zu beschichtenden Oberfläche erzielt. In beiden Ausführungsformen wird von der ersten Schweißspur eine Teil-Abdeckung der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt, und zwar derart, dass mit der zumindest einen nachfolgend aufgebrachten Schweißspur die übrigen Teil-Flächen abgedeckt sind. Dabei ist eine gewünschte Überlappung aller der Schweißspuren berücksichtigt. Es sei darauf hingewiesen, dass also nicht zwangsläufig ein Teil der zu beschichtenden Oberfläche noch sichtbar ist, wenn noch nicht alle für eine gewünschte Überlappung notwendigen Schweißspuren aufgebracht sind.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass Schritt a. bis Schritt d. zum gleichzeitigen Erzeugen von mehreren ersten Schweißspuren entsprechend mehrfach gleichzeitig ausgeführt werden, wobei die gleichzeitig erzeugten ersten Schweißspuren in Schritt d. ohne Überlappung mit sich selbst und mit einer Überlappung miteinander von weniger als 10 % der Spurbreite oder ohne Überlappung auf der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt werden.
Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens sind eine Mehrzahl von Laseroptiken vorgesehen, welche zum gleichzeitigen Erzeugen von mehreren Schweißspuren auf der zu beschichtenden Oberfläche eingerichtet sind. Solche gleichzeitig erzeugten Schweißspuren werden hier jeweils nach der zeitlichen Reihenfolge als erste beziehungsweise zweite und weitere Schweißspuren bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die jeweiligen Schweißspuren mit der gleichen Ordinalzahl nicht zwangsläufig genau gleichzeitig und auch nicht räumlich nebeneinander beginnen und aufgetragen werden müssen. Gleichwohl gibt es beim gleichzeitigen Erzeugen einen Zeitraum eines zeitgleichen Erzeugens von Abschnitten der Schweißspuren der gleichen Ordinalzahl.
Bei spiralförmigen Schweißspuren werden beispielsweise die ersten Schweißspuren radial zueinander versetzt ohne Überlappung zu der jeweils unmittelbar benachbarten oder mit einer geringen Überlappung (beispielsweise weniger als 10 % [zehn Prozent]) auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgetragen. Bei einer Ausführungsform werden die Schweißspuren der gleichen Ordinalzahl zueinander versetzt (um beispielsweise 90° [neunzig Grad von 360°]) auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht und weisen insgesamt die gleiche Länge vom Anfangspunkt bis zum Endpunkt auf. Alternativ werden die Schweißspuren anders versetzt zueinander begonnen und/oder weisen eine voneinander verschiedene Länge zwischen ihrem jeweiligen Anfangspunkt und Endpunkt auf. In einer Ausführungsform sind alle Schweißspuren, welche auf der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt werden, mit einer gleichen Länge zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt ausgestattet. In einer Ausführungsform ist eine Schweißspur nur über einen Teilabschnitt (beispielsweise in einer von vorherigen Schweißspuren gebildeten oder nachträglich gebildeten Schweißspuren) gebildeten Sackgasse aufgetragen.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass ein Abstand zwischen zwei mittels des Verfahrens erzeugten benachbarten Abschnitten der ersten Schweißspur gleich dem oder größer als das Zweifache, bevorzugt Dreifache, der Differenz zwischen der Spurbreite und der gewünschten Überlappung von Schweißspuren im finalen Zustand der beschichteten Oberfläche ist.
Hier ist vorgeschlagen, dass unabhängig von der Anzahl der ersten Schweißspuren (vergleiche vorhergehende Beschreibung) der Abstand zwischen den ersten Schweißspuren dem zweifachen der Differenz zwischen der Spurbreite und der gewünschten Überlappung von allen Schweißspuren, welche im finalen Zustand (der jeweiligen Lage) der zu beschichtenden Oberfläche entspricht. Alternativ ist der Abstand größer als das Zweifache, bevorzugt genau das Dreifache oder sogar einem Faktor größer als das Dreifache. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der jeweilige Faktor ein ganzzahliger Faktor, und entspricht der Anzahl an Schweißspuren im finalen Zustand.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass bei einer Mehrzahl von ersten Schweißspuren und weiteren Schweißspuren gemäß der vorangehenden Beschreibung auch hier die Ordinalzahl bezogen auf das gleichzeitige Erzeugen, also auf den Entstehungszeitpunkt bezogen ist. Es sei darauf hingewiesen, dass sich aus der gewünschten geringen Überlappung der ersten Schweißspur mit sich selbst und der gewünschten endgültigen Überlappung aller Schweißspuren die Anzahl der nacheinander aufgebrachten Schweißspuren ergibt, sofern diese wie die erste Schweißspur ebenfalls nacheinander erzeugt werden sollen.
Bei einer Ausführungsform mit einer einzelnen ersten Schweißspur ist der Abstand zu dem erzeugten benachbarten Abschnitt derselben ersten Schweißspur definiert. Bei einer Ausführungsform mit mehreren ersten Schweißspuren ist der Abstand zu dem erzeugten benachbarten Abschnitt der nächst benachbarten ersten Schweißspur definiert. Bei einem Rotations-Grundkörper ist der Abstand in radialer Richtung zu der Rotationsachse definiert. Bei einem mäandernden Verlauf der Schweißspur ist der Abstand quer zu der Mittellinie beziehungsweise längsten Erstreckung der jeweiligen Schweißspur definiert, also beispielsweise zwischen zwei Abschnitten der Schweißspur, welche parallel zueinander in einer x-Richtung verlaufen und sich deren Spurbreite in y-Richtung erstreckt. Eine Querverbindung zwischen den parallelen Abschnitten des Mäanders weist keinen, einen anderen zumindest keinen kleineren Abstand zu einer anderen Querverbindung auf. Es sei darauf hingewiesen, dass bei einer nicht spiralförmigen Schweißspur nicht zwangsläufig ein Mäander gebildet ist. Alternativ sind mehrere, bevorzugt zueinander parallel verlaufende (beispielsweise auch gekrümmte, gezackte und/oder gewellte) Schweißspuren gebildet, bevorzugt mit einer Mehrzahl von Laseroptiken gleichzeitig auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass die zu beschichtende Oberfläche während oder nach Schritt d. gekühlt wird, bevorzugt mittels Luftkühlung und/oder aktivierter Wärmeleitung.
Bei dieser Ausführungsform wird zusätzlich zum Herunterkühlen der erzeugten Schweißspur infolge des zeitlichen Versatzes bis zum Erzeugen der nächsten (mit gleich oder mehr als 10 % der Spurbreite überlappenden) Schweißspur eine aktive Kühlung eingesetzt, nämlich eine Luftkühlung (also Konvektion) und/oder eine aktivierte Wärmeleitung, wobei bei dieser aktivierten Wärmeleitung nicht allein die Materialleitung ausgenutzt wird, sondern zudem über ein Fluid aktiv die Wärme innerhalb des Materials abgeführt wird. Eine solche aktivierte Wärmeleitung ist beispielsweise von einer sogenannten Heat-Pipe gebildet, bei welcher ein eingehaustes Kältemittel an demjenigen Kühlung bereitstellenden Ende verdampft und an demjenigen Wärme abführenden Ende wieder verflüssigt wird. Alternativ oder zusätzlich ist in einem Bauteil der Laser-Beschichtungsvorrichtung (beispielsweise der Werkstückaufnahme) ein Hohlraum beziehungsweise eine Leitung gebildet für eine umwälzbare Flüssigkeit und/oder ein Kältemittel.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass der Grundkörper derjenige einer Bremsscheibe ist, wobei auf der zu beschichtenden Oberfläche eine Reibfläche zu bilden ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Grundkörper derjenige einer Bremsscheibe, beispielsweise ein gegossener Körper, auf dessen (zu beschichtender) Oberfläche eine Reibfläche mittels einer Beschichtung geschaffen ist. Beispielsweise ist eine solche Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug eingerichtet und weist eine innere und eine äußere Reibfläche auf, welche zum Zusammenwirken mit jeweils einem Bremsklotz eingerichtet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Laser-Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- eine Laseroptik;
- eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Schweißzusatzwerkstoff;
- eine Werkstückaufnahme zum Aufnehmen von einem Grundkörper mit einer zu beschichtenden Oberfläche; und
- eine Aktorikeinrichtung zum Bewegen von der Laseroptik, und bevorzugt der Zuführeinrichtung, relativ zu einem in der Werkstückaufnahme aufgenommenen Grundkörper, wobei die Laser-Beschichtungsvorrichtung zum Ausführen eines Verfahren nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung eingerichtet ist, wobei bevorzugt die Laser-Beschichtungsvorrichtung zum Extremhochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen eingerichtet ist.
Die Laser-Beschichtungsvorrichtung ist eine selektive Laser- Auftragsschweißmaschine, eine Laser-Spritzmaschine, zum thermischen Beschichten, oder eine Laser-Schweiß-Maschine, beispielsweise zum Auftragschweißen, bevorzugt für das oben genannte Extremhochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen [EHLA], Das Beschichten, beispielsweise zur Oberflächenveredelung, wird mit einem Material realisiert, welches als Draht, (verflüssigt) Tropfen-förmig oder (fest) Pulver-förmig über die Zuführeinrichtung als Schweißzusatzwerkstoff bereitgestellt wird. Der Schweißzusatzwerkstoff wird mittels des Laserlichts der Laseroptik in den flüssigen Zustand versetzt oder in dem flüssigen Zustand gehalten, also aufgeschmolzen oder einzig außen angeschmolzen und/oder in ein mittels des Laserlichts gebildeten Schmelzbad in der zu beschichtenden Oberfläche eingebracht und so mit der zu beschichtenden Oberfläche auf atomarer beziehungsweise molekularer Ebene verbunden.
Die Laseroptik wird gespeist aus und/oder umfasst eine oder mehrere Laserquellen. Der Laserstrahl oder die mehreren Laserstrahlen der Laseroptik werden auf einen oder mehrere Laser-Fokusse gebündelt, wobei bevorzugt einzig in diesem Bereich die Energiedichte (Intensität) für den erwünschten (maximalen) thermischen Eintrag vorliegt, wenn, gesteuert von einer Steuervorrichtung, mittels der Laseroptik ein vorbestimmter Leistungsgrenzwert oder mehr Leistung abgegeben wird. Der Laser- Fokus weist eine räumliche Ausdehnung auf, beispielsweise mit einem (in einer Ebene parallel zu der zu beschichtenden Oberfläche) Durchmesser von 1 mm [einem Millimeter] bis 12 mm, beispielsweise von 1 ,2 mm bis 8 mm, besonders bevorzugt von 3 mm bis 4 mm. Es sei darauf hingewiesen, dass die Fläche abhängig von der Leistung des eingesetzten Laserstrahls ist und mit zunehmender Leistung für eine angestrebte Energiedichte an der zu beschichtenden Oberfläche einen zunehmenden Durchmesser aufweisen sollte. In einer Ausführungsform des mit der Laser-Beschichtungsvorrichtung ausführbaren Verfahrens zum Beschichten ist der Schnittpunkt beziehungsweise die Schnittfläche zwischen dem Laser-Fokus der Laseroptik und der zu beschichtenden Oberfläche außerhalb des Bereichs der höchsten Intensität des Laserstrahls gebildet. Dennoch wird vereinfacht diese Schnittmenge zwischen dem Laserstrahl und der zu beschichtenden Oberfläche hier als Laser-Fokus bezeichnet, weil zumindest beim Laserauftragschweißen dieser Schnittpunkt beziehungsweise diese Schnittfläche für ein Aufschmelzen des Schweißzusatzwerkstoffs beziehungsweise für ein thermisches Behandeln der Oberfläche wirksam ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass die zu beschichtende Oberfläche in einer Ausführungsform des Verfahrens zum Beschichten, wie es vorhergehend erläutert ist, eine Oberfläche des fixierten Werkstücks (also des Grundkörpers) ist, welche in einer Ausführungsform auf dem Werkstück mit der nachfolgend zu beschichtenden Oberfläche angeordnet ist, beispielsweise innerhalb der zu beschichtenden Oberfläche. Eine solche Oberfläche des fixierten Werkstücks wird hier vereinfacht als zu beschichtende Oberfläche bezeichnet. In einer anderen Ausführungsform ist die Oberfläche des fixierten Werkstücks eine Oberfläche außerhalb eines (für die angestrebte Funktion) zu beschichtenden Bereichs, beispielsweise bei einer Bremsscheibe oder einem Kolben auf der zusammenhängenden und/oder gleich ausgerichteten Oberfläche für die jeweilige Funktion jedoch außerhalb der Funktionsfläche, also außerhalb der Bremsfläche beziehungsweise der Gleitfläche. Alternativ ist die mit der Laseroptik zu beschichtende Oberfläche in einem Abschnitt angeordnet, welcher nicht mit der Funktionsfläche zusammenhängend und/oder gleich ausgerichtet gebildet ist, sondern beispielsweise auf einer dazu abgewinkelten und/oder abgesetzten Oberfläche. Dies ist beispielsweise ein Absatz oder beispielsweise bei einer Bremsscheibe deren zylindrische Außenumlauffläche und bei einem Kolben eine von dessen Deckelflächen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist mit dem Verfahren zum Beschichten ein Bereich der funktionstragenden zu beschichtenden Oberfläche bearbeitet.
Die Zuführeinrichtung für Schweißzusatzwerkstoff ist beispielsweise für Draht oder Pulver-Material eingerichtet. Eine Pulver-Düse für den Transport von Pulver-Material für ein Pulver-Auftragschweißen weist einen (beispielsweise lateralen) oder mehrere Auslässe und/oder einen Ringspaltauslass auf, wobei das Pulver-Material mittels eines Gasstroms (beispielsweise Luft oder ein inertes Trägergas) transportiert wird. Das Pulver-Material wird somit als Pulverstrom mittels der Form des zumindest einen Auslasses und (zumindest annähernd) der Geschwindigkeit des Gasstroms entlang einer Pulver-Trajektorie befördert. Bei einer komplexeren Zuführeinrichtung für Schweißzusatzwerkstoff beziehungsweise einem komplexeren Gasstrahl muss von einem Pulver-Fokus gesprochen werden. Der Pulver-Fokus ist beispielsweise in einer zu dem Laserstrahl koaxialen Ausführung durch eine kegelförmige (beziehungsweise entlang einer gedachten Kegelmantelfläche verlaufende) Anordnung der Mehrzahl von Düsenkanälen (Pulverring als gedachte Ringlinie durch eine Mehrzahl von Punkten und/oder Linienabschnitten) beziehungsweise durch eine Ringdüse (umlaufender Pulverring) definiert. Infolge des kegelförmigen Aufbaus verjüngt sich der koaxiale Pulverring konzentrisch zu einem Pulver-Fokus. Nach Durchtreten des Pulver-Fokus divergiert der Pulvergasstrahl entlang der Propagationsrichtung (des Laserstrahls). Der Pulver-Fokus ist in einer Ausführungsform relativ zu dem Laser-Fokus auszurichten. Die Werkstückaufnahme ist zum Einspannen, also zum Fixieren, von einem Werkstück (also dem Grundkörper) eingerichtet, wobei eine definierte Raumachse, beispielsweise eine zentrale Rotationsachse, des Werkstücks präzise ausrichtbar ist. In der Regel ist der Grundkörper bereits, bis auf die aufzubringende Beschichtung oder gegebenenfalls weitere kleinere Nachbearbeitungsprozesse, fertiggestellt. Es ist also eine präzise Positionierung notwendig. Bevorzugt wird dies mittels eines Greifarms und definierten Greifflächen an dem Werkstück und/oder einer entsprechenden Messtechnik unterstützt. Beispielsweise umfasst die Werkstückaufnahme eine Erfassungseinrichtung für Unwuchten, woraufhin eine Einspannung korrigierbar ist oder, falls ein Wuchten des Werkstücks noch nicht ausgeführt wurde oder (beispielsweise im Rahmen einer Zulässigkeit) noch ergänzt werden darf, zumindest ein entsprechender Materialabtrag oder Materialauftrag ausgeführt wird. Für ein Rotationswerkstück ist die Werkstückaufnahme beispielsweise ein Spannfutter. Für ein Werkstück ohne Rotationsachse beziehungsweise welches für eine rotative Bearbeitung ungeeignet ist, ist die Werkstückaufnahme beispielsweise ein Werkzeugtisch mit entsprechenden Fixierelementen. Die Werkstückaufnahme selbst ist bevorzugt in ein festes, gegebenenfalls justierbares, Maschinen-Koordinatensystem (zumindest im Rahmen einer Justiertoleranz) definiert eingebunden.
Die Aktorikeinrichtung ist zum Zustellen von der Laseroptik (beziehungsweise deren Laser-Fokus) und gegebenenfalls der Zuführeinrichtung für Schweißzusatzwerkstoff (beziehungsweise deren Pulver-Fokus) relativ zu dem Werkstück beziehungsweise dessen zu beschichtender Oberfläche eingerichtet. Die Aktorikeinrichtung umfasst zumindest einen Aktor, bevorzugt eine Mehrzahl von Aktoren, zum translatorischen und/oder rotatorischen Bewegen der Laseroptik und gegebenenfalls der Zuführeinrichtung für Schweißzusatzwerkstoff und/oder des Grundkörpers. Beispielsweise bei einer Bremsscheibe als Grundkörper wird von der Aktorikeinrichtung die Bremsscheibe um ihre Rotationsachse (fixiert in der Werkstückaufnahme) rotiert und die Laseroptik und die Zuführeinrichtung für Schweißzusatzwerkstoff radial geführt, sodass sich eine (zumindest angenäherte) Spiralform der Auftragsspur ergibt. Zusätzlich ist oftmals eine zu der Oberfläche des Grundkörpers normal ausgerichtete Bewegungsachse vorgesehen, wobei diese für unterschiedlich große Grundkörper vorgesehen ist und/oder für eine Möglichkeit, den Grundkörper in die Werkstückaufnahme der Vorrichtung für das Laser- Beschichtungsverfahren kollisionsfrei einzuspannen und/oder um die Laseroptik und die Zuführeinrichtung bequem warten beziehungsweise austauschen zu können. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aktorikeinrichtung (pro Raumachse) einzig ausreichend präzise für den Beschichtungsvorgang bewegbar, beispielsweise im Bereich von wenigen Millimetern, bevorzugt von 0,1 mm [einem zehntel Millimeter] bis 1 mm.
Die Laser-Beschichtungsvorrichtung ist zum Ausführen des Verfahrens zum Beschichten einer Oberfläche eines Grundkörpers eingerichtet, wie es vorhergehend beschrieben ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Laser- Beschichtungsvorrichtung dazu zum oben genannten Extremhochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen [EHLA] eingerichtet. Es wird hierbei die hohe Auftragsgeschwindigkeit mit der notwendigen Auskühlung der Schweißspuren vereint, welche für schwer miteinander verschweißbare Werkstoffpaarungen förderlich ist. In einer Ausführungsform kann dadurch auch gegenüber konventionellen Auftragverfahren mit EHLA ein Zeitgewinn erzielt werden, weil auf eine Vermittlerschicht verzichtet werden kann, eine sogenannte Haftschicht oder Pufferschicht.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
Fig. 1 : eine Laser-Beschichtungsvorrichtung in einer schematischen Ansicht mit einem Grundkörper;
Fig. 2: ein (Rotations-) Grundkörper in einer Draufsicht;
Fig. 3: in einer Schnittansicht eine Bremsscheibe mit Schweißspuren; und Fig. 4: ein Kraftfahrzeug mit Bremsscheiben in einer schematischen Draufsicht. In Fig. 1 ist eine Laser-Beschichtungsvorrichtung 3 in einer schematischen Ansicht mit einem Grundkörper 4 (also Werkstück) gezeigt. Der Grundkörper 4 ist hier mittels der Werkstückaufnahme 20 der Laser-Beschichtungsvorrichtung 3 eingespannt und ist beispielsweise eine Bremsscheibe 17. Dazu weist der Grundkörper 4 eine (darstellungsgemäß obere) zu beschichtende Oberfläche 2 und optional eine (darstellungsgemäß untere) gegenüberliegende Rückseite 22 auf. Auf der zu beschichtenden Oberfläche 2 ist in dem gezeigten Zustand zum Beschichten 1 der Oberfläche 2 eines Grundkörpers 4 eine Schicht auftragbar. Der Grundkörper 4 ist dazu in eine Werkstückaufnahme 20 der Laser-Beschichtungsvorrichtung 3 eingespannt und von dieser exakt positioniert gehalten. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Werkstückaufnahme 20 beispielsweise ein Spannfutter mit einer starren Rotationsachse 5 und der Grundkörper 4 ist koaxial zu der Rotationsachse 5 ausgerichtet. Zu der zu beschichtende Oberfläche 2 ist somit die Rotationsachse 5 normal ausgerichtet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist rein optional die Werkstückaufnahme 20 von einem Rotationsantrieb 23 angetrieben, sodass der Grundkörper 4 um die Rotationsachse 5 rotierbar ist. Der Grundkörper 4 ist dabei bevorzugt entsprechend einem Koordinatensystem von dem Rotationsantrieb 23 wiederholbar koordinaten-genau zustellbar. Der Rotationsantrieb 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Teil der Aktorikeinrichtung 21.
Darstellungsgemäß oberhalb des Grundkörpers 4 ist eine Beschichtungseinheit 24 der Laser-Beschichtungsvorrichtung 3 positioniert. Die Beschichtungseinheit 24 umfasst eine Laseroptik 6, eine Steuervorrichtung 25 und eine Zuführeinrichtung 19. Die Laseroptik 6 ist zum Emittieren von Laserlicht 7 in Form von einem Laserstrahl eingerichtet, wobei die Leistungsabgabe des Laserlichts 7 mittels der Steuervorrichtung 25 steuerbar ist. Die Steuervorrichtung 25 ist dabei derart eingerichtet, dass die Leistungsabgabe der Laseroptik 6 synchronisiert zu der Zustellbewegung der Aktorikeinrichtung 21 anzuheben beziehungsweise abzusenken ist. Von der Zuführeinrichtung 19 ist ein Schweißzusatzwerkstoff 8 (hier rein optional ein Pulver-Material) bei diesem Ausführungsbeispiel in Form von einem Kegel in einem Pulver-Fokus 26 fokussiert. Bei justierter Ausrichtung überschneidet sich der Pulver-Fokus 26 mit dem Laser-Fokus 27 der Laseroptik 6 knapp oberhalb mit einem Offset 28 der zu beschichtenden Oberfläche 2. Die Laseroptik 6 ist von einem einstrahligen oder mehrstrahligen Laserstrahl (bevorzugt in einer Schutzgas- Atmosphäre) gebildet. Die gezeigte Beschichtungseinheit 24 ist beispielsweise für ein präzises Hochgeschwindigkeitsbeschichten mittels EHLA eingerichtet. Darstellungsgemäß links der Beschichtungseinheit 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine rein optionale Messvorrichtung 29 (hier als Kamera dargestellt) angeordnet, welche beispielsweise zum Erkennen von einem Punkt und/oder einem Muster und der relativen Lage zum Maschinen- Koordinatensystem 30 der Laser-Beschichtungsvorrichtung 3 an die Aktorikeinrichtung 21 übermittelt. Die Beschichtungseinheit 24 (hier rein optional selbst) ist mittels eines Horizontalstellers 31 der Aktorikeinrichtung 21 relativ zu dem Grundkörper 4 radial bezogen auf die Rotationsachse 5 bewegbar (Vorschub). Zudem ist (hier rein optional selbst) die Beschichtungseinheit 24 vertikal (also parallel zu der Rotationsachse 5) mittels eines Vertikalstellers 32 der Aktorikeinrichtung 21 zustellbar.
Die hier gezeigten Koordinatensysteme sind rein optional als kartesische Koordinatensysteme dargestellt, mit der z-Achse in der Bildebene nach oben weisend, der x-Achse in der Bildebene nach links weisend und der y-Achse aus der Bildebene heraus weisend. Die Daten sowie die Aktorik-Koordinaten 33 (hier rein symbolisch in dem Horizontalsteller 31 dargestellt) der Aktorikeinrichtung 21 werden in der Steuereinrichtung 34 beziehungsweise in einem Computer 35 (hier rein schematisch mit einem Prozessor 36 und einem Speicher 37 dargestellt) verarbeitet, zum Ansteuern verwendet und miteinander abgeglichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist (rein optional) eine Justiereinrichtung 38 vorgesehen, welche eine erste Justiereinheit 39 umfasst, welche hier (mittelbar) auf die Zuführeinrichtung 19 in der horizontalen Richtung in der Bildebene (also der x- Richtung beziehungsweise der radialen Richtung bezogen auf die Rotationsachse 5 des Grundkörpers 4) zu der Laseroptik 6 wirkt. Bevorzugt umfasst die erste Justiereinheit 39 zudem eine Stellrichtung aus der Bildebene heraus (also in y- Richtung beziehungsweise in Umlaufrichtung bezogen auf die Rotationsachse 5 des Grundkörpers 4). Rein optional umfasst die Justiereinrichtung 38 weiterhin eine zweite Justiereinheit 40, mittels welcher der Laser-Fokus 27 ausrichtbar ist. Diese zweite Justiereinheit 40 ist hier (horizontal) einwirkend (bevorzugt ebenfalls sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung) auf die Laseroptik 6, bevorzugt unmittelbar auf die Laser-Fokussierlinse, dargestellt.
In Fig. 2 ist ein (Rotations-) Grundkörper 4, beispielsweise eine Bremsscheibe 17 gemäß Fig. 1 , in einer Draufsicht auf die zu beschichtende Oberfläche 2 gezeigt, wobei hier rein schematisch zum besseren Verständnis drei spiralförmig verlaufende Schweißspuren 9,10,11 (beispielsweise deren Mittellinien) angedeutet sind. Jede der Schweißspuren 9,10,11 beginnt (oder endet) am Außenrand 41 des Grundkörpers 4 und endet (oder beginnt) am Innenrand 42. In dieser schematischen Darstellung sind der Anfang und das Ende der jeweils gleich langen Schweißspuren 9,10,11 zueinander um 90° [neunzig Grad von 360°] versetzt zueinander. Zum vollständigen Bedecken der zu beschichtenden Oberfläche 2 sind entsprechend weitere Schweißspuren vorzusehen.
In einer möglichen Interpretation dieser Darstellung im Einklang mit der Bezeichnung sind die gezeigten Schweißspuren 9,10,11 aufgrund ihrer hier nicht dargestellten Spurbreite 12 (vergleiche Fig. 3) miteinander in Überlappung 13. Es fehlt also zur vollständigen Überdeckung der zu beschichtenden Oberfläche 2 zumindest eine weitere Schweißspur, welche beispielsweise wiederum um 90° versetzt zwischen der dritten Schweißspur 11 und der ersten Schweißspur 9 beginnt (beziehungsweise endet).
In einer anderen möglichen Interpretation dieser Darstellung (nicht im Einklang mit der Bezeichnung) sind die gezeigten Schweißspuren allesamt erste Schweißspuren 9, welche gleichzeitig auf der zu beschichtenden Oberfläche 2 aufgebracht worden sind. Die weiteren Schweißspuren 10,11 werden (bevorzugt in analoger Weise) anschließend zwischen diesen gezeigten ersten Schweißspuren 9 platziert. Es sei darauf hingewiesen, dass auch hier dann zur vollständigen Überdeckung der zu beschichtenden Oberfläche 2 zumindest eine weitere erste Schweißspur 9, welche beispielsweise wiederum um 90° versetzt zwischen der bei etwa 9 Uhr der Darstellung (bezeichnet gemäß vorhergehender Interpretation hier als dritte) Schweißspur 11 und der bei etwa 3 Uhr der Darstellung (bezeichnet hier als erste) Schweißspur 9 beginnt (beziehungsweise endet).
In Fig. 3 ist in einer schematischen Schnittansicht eine Bremsscheibe 17 mit Schweißspuren 9,10,11 auf ihrer zu beschichtende Oberfläche 2 gezeigt, wobei die Größenverhältnisse nicht maßstabsgetreu sind und die Schweißspuren 9,10,11 und die hergestellte Beschichtung 1 übertrieben groß dargestellt sind. Auf der Rückseite 22 ist bei diesem Ausführungsbeispiel bereits eine vollständige (also finale) hergestellte Beschichtung 1 gezeigt, welche hier (rein optional) weiterhin abgeschliffen ist und von welchem eine Reibfläche 18 gebildet ist. Auf der (darstellungsgemäß oberen) zu beschichtenden Oberfläche 2 ist am Außenrand 41 eine erste Schweißspur 9 und drei weitere bis zum Innenrand 42 zu erkennen, welche bevorzugt zu einer gemeinsamen spiralförmigen Spur gehören (beispielsweise in analoger Weise wie in Fig. 2 gezeigt). Mit einer (rein optional etwa 80 %-igen) Überlappung 13 ist angrenzend eine zweite Schweißspur 10 und wiederum die zweite Schweißspur 10 entsprechend überlappend eine dritte Schweißspur 11 gezeigt, welche hier der Übersichtlichkeit halber einzig bei der Gruppe beim Außenrand 41 bezeichnet sind, aber entsprechend bei allen weiteren Abschnitten 15 der ersten Schweißspur 9 überlappend angrenzend angeordnet sind.
Aus der gewünschten Überlappung 13 und der eingestellten Spurbreite 12, welche beide rein optional aber bevorzugt bei allen Schweißspuren 9,10,11 und über die gesamte Erstreckung der jeweiligen Schweißspur 9,10,11 konstant sind, ergibt sich die Differenz 16. Der darstellungsgemäße Abstand 14 zwischen den (hier radial) benachbarten Abschnitten 15 der jeweiligen Schweißspuren 9,10,11 (hier rein optional an der Mittellinie der ersten Schweißspur 9 am Außenrand 41 zu dem nächst inneren Abschnitt 15 derselben Schweißspur 9 abgetragen) beträgt ein Vielfaches dieser Differenz 16 und ist deutlich übertrieben dargestellt. Beispielsweise fehlen in dieser schematischen Darstellung weitere erste Schweißspuren 9, zweite Schweißspuren 10 und dritte Schweißspuren 11, welche in der (radialen) Lücke zwischen den dargestellten Gruppen von Abschnitten 15 der drei Schweißspuren 9,10,11 eingebracht sind. Alternativ oder zusätzlich sind im finalen Zustand (wie an der Rückseite 22 dargestellt) so viele weitere Schweißspuren nach der dritten Schweißspur 11 radial angrenzend und/oder überlappend aufgetragen, dass die gezeigte (radiale) Lücke komplett aufgefüllt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass hier der Einfachheit halber ein einlagiger Schichtaufbau dargestellt ist. Bevorzugt besteht eine finale Beschichtung 1 aber aus einer Mehrzahl von Lagen, welche bevorzugt in analoger Weise auf die zuvor aufgebrachten Schweißspuren 9,10,11 aufgetragen werden.
In Fig. 4 ist ein Kraftfahrzeug 43 mit Bremsscheiben 17 in einer schematischen Draufsicht gezeigt. Das Kraftfahrzeug 43 weist vier Räder 44 auf, wobei jeweils zwei Räder 44 auf einer gemeinsamen Radachse gegenüberliegend angeordnet sind. In diesem Beispiel weist jedes der Räder 44 eine Bremsscheibe 17 auf, wobei Rad 44 und Bremsscheibe 17 drehmomentfest verbunden sind.
Beispielsweise ist auf jeder der beiden axial-gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe 17 mittels der in Fig. 1 gezeigten Laser-Beschichtungsvorrichtung 3 eine Beschichtung 1 (vergleiche Fig. 3) auf die zu beschichtende Oberfläche 2 des (Rotations-) Grundkörpers 4 aufgetragen. An jeder der Bremsscheiben 17 ist ein Paar von Bremsklötzen 45 angeordnet, wobei die Bremsklötze 45 fest mit der Fahrzeugkarosserie verbunden sind. Zum Entschleunigen des Kraftfahrzeugs 43 wird (jeder oder einzeln geregelt) ein jeweiliger Bremsklotz 45 gegen die jeweilige Bremsscheibe 17 gepresst. Die Bremsenergie wird zu einem großen Teil als Abwärme in die jeweilige Bremsscheibe 17 eingetragen, weshalb die Beschichtung 1 unter hohen Temperaturen und hoher Scherlast und hohem Druck belastet wird. Diese Beschichtung 1 muss diesem Belastungsfall standhalten.
Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche ist eine verbesserte Schweißverbindung bei zugleich keiner oder geringer Zeiteinbuße erzielbar. Bezuqszeichenliste hergestellte Beschichtung 34 Steuereinrichtung zu beschichtende Oberfläche 35 Computer Laser-Beschichtungsvorrichtung 36 Prozessor Grundkörper 37 Speicher Rotationsachse 38 Justiereinrichtung Laseroptik 39 erste Justiereinheit Laserlicht 40 zweite Justiereinheit Schweißzusatzwerkstoff 41 Außenrand erste Schweißspur 42 Innenrand zweite Schweißspur 43 Kraftfahrzeug dritte Schweißspur 44 Rad Spurbreite 45 Bremsklotz Überlappung Abstand benachbarte Abschnitte Differenz Bremsscheibe Reibfläche Zuführeinrichtung Werkstückaufnahme Aktorikeinrichtung Rückseite Rotationsantrieb Beschichtungseinheit Steuervorrichtung Pulver-Fokus Laser-Fokus Offset Messvorrichtung Maschinen-Koordinatensystem Horizontalsteller Vertikalstellers Aktorik-Koordinaten

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Beschichten (1 ) einer Oberfläche (2) mittels einer Laser- Beschichtungsvorrichtung (3), wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a. Bereitstellen eines Grundkörpers (4) mit einer zu beschichtenden Oberfläche (2); b. Bereitstellen einer Laseroptik (6), welche relativ zu dem bereitgestellten Grundkörper (4) bewegbar ist und mittels welcher Laserlicht (7) zum Verbinden eines Schweißzusatzwerkstoffs (8) mit der zu beschichtenden Oberfläche (2) fokussiert bereitstellbar ist; c. Bewegen der zu beschichtenden Oberfläche (2) relativ zu der Laseroptik (6); und d. Bereitstellen von Schweißzusatzwerkstoff (8) und Ausführen eines Beschichtungsvorgangs mittels Erhitzen von dem bereitgestellten Schweißzusatzwerkstoff (8) mittels Laserlicht (7) der Laseroptik (6) zum Verbinden einer bahnförmigen ersten Schweißspur (9) mit der zu beschichtenden Oberfläche (2), wobei die erste Schweißspur (9) eine vorbestimmte Spurbreite (12) aufweist und bereitgestellten Schweißzusatzwerkstoff (8) umfasst, wobei Schritt c. während eines Beschichtungsvorgangs gemäß Schritt d. ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißspur (9) in Schritt d. mit einer Überlappung (13) mit sich selbst von weniger als 10 % der Spurbreite (12) oder ohne Überlappung (13) auf der zu beschichtenden Oberfläche (2) erzeugt wird, und eine weitere Schweißspur (10,11 ) frühstens nach Vollendung einer relativen 360°-Wendung zwischen der zu beschichtenden Oberfläche (2) und der Laseroptik (6) aufgebracht wird. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in Schritt c. die Laseroptik (6) relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche (2) um die Rotationsachse (5) rotiert und bezogen auf die Rotationsachse (5) radial bewegt wird, und in Schritt d. die erste Schweißspur (9) spiralförmig erzeugt wird, eine weitere Schweißspur (10,11 ) während Schritt d. frühstens nach einer vollen relativen Umdrehung der zu beschichtenden Oberfläche (2) aufgebracht wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei analog zu Schritt a. bis Schritt d. eine oder mehrere weitere Schweißspuren (10,11 ) auf der zu beschichtenden Oberfläche (2) aufgebracht werden, wobei von zumindest einer der Schweißspuren (10,11 ) mit der ersten Schweißspur (9) eine Überlappung (13) gebildet ist, welche gleich oder größer als 40 %, bevorzugt größer als 60 %, der jeweiligen Spurbreite (12) ist. Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine nachfolgende Schweißspur (10) jeweils erst nach Vollendung der kompletten vorhergehend erzeugten Schweißspur (9) aufgebracht wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
Schritt a. bis Schritt d. zum gleichzeitigen Erzeugen von mehreren ersten Schweißspuren (9) entsprechend mehrfach gleichzeitig ausgeführt werden, wobei die gleichzeitig erzeugten ersten Schweißspuren (9) in Schritt d. ohne Überlappung (13) mit sich selbst und mit einer Überlappung (13) miteinander von weniger als 10 % der Spurbreite (12) oder ohne Überlappung (13) auf der zu beschichtenden Oberfläche (2) erzeugt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (14) zwischen zwei mittels des Verfahrens erzeugten benachbarten Abschnitten (15) der ersten Schweißspur (9) gleich dem oder größer als das Zweifache, bevorzugt Dreifache, der Differenz (16) zwischen der Spurbreite (12) und der gewünschten Überlappung (13) von
Schweißspuren (9,10,11) im finalen Zustand der beschichteten Oberfläche (2) ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zu beschichtende Oberfläche (2) während oder nach Schritt d. gekühlt wird, bevorzugt mittels Luftkühlung und/oder aktivierter Wärmeleitung. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (4) derjenige einer Bremsscheibe (17) ist, wobei auf der zu beschichtenden Oberfläche (2) eine Reibfläche (18) zu bilden ist. Laser-Beschichtungsvorrichtung (3), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- eine Laseroptik (6); - eine Zuführeinrichtung (19) zum Zuführen von Schweißzusatzwerkstoff (8);
- eine Werkstückaufnahme (20) zum Aufnehmen von einem Grundkörper (4) mit einer zu beschichtenden Oberfläche (2); und
- eine Aktorikeinrichtung (21 ) zum Bewegen von der Laseroptik (6), und bevorzugt der Zuführeinrichtung (19), relativ zu einem in der Werkstückaufnahme (20) aufgenommenen Grundkörper (4), wobei die Laser-Beschichtungsvorrichtung (3) zum Ausführen eines Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist, wobei bevorzugt die Laser-Beschichtungsvorrichtung (3) zum Extremhochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen eingerichtet ist.
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