EP4655129A1 - Strahldüse mit einem absorptionsabschnitt zur aufnahme einer reflexionstrahlung - Google Patents

Strahldüse mit einem absorptionsabschnitt zur aufnahme einer reflexionstrahlung

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EP4655129A1
EP4655129A1 EP24701830.2A EP24701830A EP4655129A1 EP 4655129 A1 EP4655129 A1 EP 4655129A1 EP 24701830 A EP24701830 A EP 24701830A EP 4655129 A1 EP4655129 A1 EP 4655129A1
Authority
EP
European Patent Office
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jet nozzle
section
workpiece
light channel
nozzle
Prior art date
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Pending
Application number
EP24701830.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nicolai Speker
Bjoern SAUTTER
Andreas Scholz
Stefan Belitz
Arne Steck
Jakob Spiecker
Fabian Goetzelmann
Tim Hesse
Holger Braun
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102023123706.3A external-priority patent/DE102023123706A1/de
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of EP4655129A1 publication Critical patent/EP4655129A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a jet nozzle for laser cladding along a feed direction.
  • Laser cladding is used in repair, coating and/or joining technology.
  • LMD laser metal deposition
  • DMD direct metal deposition
  • DED direct energy deposition
  • HS-LMD high-speed laser cladding
  • EHLA extremely high-speed laser cladding
  • a functional layer can be applied to a workpiece using laser cladding. This generally increases the load-bearing capacity of the workpiece processed using laser cladding compared to an unprocessed workpiece.
  • the functional layer can serve as a wear protection layer, for example.
  • the application of the functional layer is based on melting a workpiece surface, applying a powdered filler material and then cooling it down so that a matrix structure with hard material particles is firmly bonded to the material surface.
  • Laser cladding therefore intervenes in the internal material structure of the workpiece and changes it. This can sometimes result in deficiencies in the internal material structure. These can impair the desired increase in load-bearing capacity.
  • the deficiencies can be microscopic in nature, which is why they can only be identified with great effort.
  • the invention aims in particular to increase the welding quality of an applied functional layer and of the workpiece as a whole and to reduce or avoid deficiencies in a weld connection between a powdered filler material and a material surface.
  • the deficiencies can be bonding errors between the material surface and the applied functional layer or between individual applied functional layers.
  • the deficiencies can also be pores, i.e. air inclusions, that occur within the applied functional layer or between the applied functional layer and the material surface. Pores can occur more frequently, particularly if the material surface is a cast material.
  • the deficiencies can also be cracks that run particularly vertically to the material surface within the applied functional layer.
  • the deficiencies can also consist of powder particles, in particular carbides, of the powdered filler material dissolving in a matrix material of the powdered filler material, which leads to embrittlement of the matrix material.
  • the invention further aims in particular to provide a reliable jet nozzle that is resistant to thermal stress.
  • the invention can further aim to design the jet nozzle in such a way that it ensures reliable and precise laser deposition welding over very high numbers of cycles.
  • a jet nozzle for laser cladding along a feed direction which has a light channel for guiding at least one laser beam that is directed at a workpiece.
  • Laser cladding can be a method for high-speed laser cladding (HS-LMD).
  • the feed direction is the direction along which the jet nozzle moves relative to the workpiece. It can result from a movement, in particular a rotational movement, of the workpiece, from a movement of the jet nozzle or from a superposition of both movements.
  • the feed direction and the correlating feed movement can be constant over the course of the process. Alternatively, they can vary with the respective process stage.
  • the workpiece can be a rotationally symmetrical workpiece, such as a brake disk, a hydraulic cylinder, a pressure roller or a plain bearing.
  • the laser beam can shine through the light channel. It can be from a la- A light source can be provided from which the laser beam is guided by means of a fiber optic cable to a laser system that splits the laser beam using a collimation lens and focuses it using laser optics to suit the process before it enters the jet nozzle.
  • the light channel can be a hollow channel that runs through the entire jet nozzle in a longitudinal direction.
  • a process gas can also be guided to the workpiece surface through the light channel.
  • the jet nozzle also has an external structure surrounding the light channel, which extends from a flange section to a distal region formed by a nozzle mouth, from which the laser beam emerges.
  • the external structure can have a powder unit.
  • the powder unit can be part of the nozzle mouth.
  • the nozzle mouth is the part of the jet nozzle facing the workpiece.
  • the end section of the nozzle mouth forms the distal region. This represents the part of the nozzle mouth that is closest to the workpiece.
  • the jet nozzle On the section facing away from the workpiece, the jet nozzle has a proximal region and the flange section. The proximal region and the flange section are the part of the jet nozzle facing away from the workpiece.
  • the nozzle can be coupled to another component of the laser system, such as laser optics or a process unit, via the flange section.
  • the external structure can be a component made of a uniform material; it can have a hollow channel along its longitudinal direction, which represents the light channel.
  • the light channel forms an absorption section for absorbing a reflection radiation of the laser beam from the workpiece.
  • the absorption section can have a geometry that promotes the absorption of the reflection radiation.
  • the absorption section can extend variably in a circumferential direction around the light channel. It can also extend variably in a longitudinal direction of the light channel. In particular, no absorption section 40 is formed in the distal region of the nozzle mouth in order to be able to clean the nozzle mouth better.
  • the shape of the absorption section can thus be adapted to the expected reflection radiation.
  • the absorption section can be made of the same material as the remaining jet nozzle. It can also have a coating.
  • the laser radiation absorbed by the absorption section can be dissipated by a cooling system that interacts with the absorption section.
  • the jet nozzle can thus provide increased variability (i) in the laser beam guidance, (ii) in the application of a powdered filler material, (iii) in the heat management and/or (iv) in the protection of the laser system including the jet nozzle. It enables the provision of several independent process zones with high precision.
  • the process zones can be divided into zones for the laser application. support welding and divide zones for pre- and/or post-processing. In the zones for laser deposition welding, an interaction takes place between at least one laser beam and a powdered additional material.
  • the pre- and/or post-processing can be cleaning the material surface, preheating the material surface before the powdered additional material is applied, post-heating the material surface after the powdered additional material has been applied, or a combination thereof.
  • the laser beam can hit the workpiece without interacting with the powdered additional material.
  • the independent process zones can increase the welding quality and thus the load-bearing capacity of the applied functional layer, in particular the wear protection layer, and of the workpiece as a whole.
  • An additional process gas can stabilize the process zones and increase the precision of the laser deposition welding as well as the service life of the jet nozzle.
  • the jet nozzle can reduce the occurrence of bonding defects.
  • Bonding defects can occur when the surface heated by the laser beam, such as the workpiece or a previously welded functional layer, has not been heated sufficiently. This lack of heating can be the result of the laser power of an individual laser beam being kept low in order to avoid overheating of the powdered filler material.
  • the increased variability of the laser beam guidance, the increased variability of the application of a powdered filler material and/or the increased variability of the heat management of the jet nozzle can reduce or even prevent the occurrence of bonding defects, in particular by the jet nozzle with the absorption section contributing to the heat management and protection of the laser system in such a way that several process zones are possible.
  • the jet nozzle can reduce the occurrence of pores between the welded functional layer and the surface heated by the laser beam. Pores can occur when lamellae in the workpiece, in particular graphite lamellae, evaporate due to the laser radiation. Pores can also occur when the surface to be processed has contamination, for example caused by oils, greases, cooling lubricants or oxides, which cannot be completely removed by the welding process. The undesirable evaporation of the contamination can be the result of the laser power of an individual laser beam being set so high that bonding defects due to insufficient heating can be avoided.
  • the increased variability of the laser beam guidance, the increased variability of the application of a powdered filler material and/or the increased variability of the heat management of the jet nozzle can reduce or eliminate the occurrence of pores. can be avoided at all, in particular by having the jet nozzle with the absorption section contribute to the heat management and protection of the laser system in such a way that several process zones are possible.
  • the jet nozzle can reduce the occurrence of cracks in the welded functional layer. Cracks can occur when a temperature gradient between the highly heated powdered filler material and the less heated workpiece surface is so strong that material shrinkage that occurs during cooling results in stresses that cause cracks. Crack formation can be the result of the laser power of an individual laser beam being set so high that bonding errors due to insufficient heating can be avoided.
  • the increased variability of the laser beam guidance, the increased variability of the application of a powdered filler material and/or the increased variability of the heat management of the jet nozzle can reduce or even prevent the occurrence of cracks, in particular because the jet nozzle with the absorption section contributes to the heat management and protection of the laser system in such a way that several process zones are possible.
  • the jet nozzle can in particular reduce the dissolution of hard material particles, in particular carbides, in the matrix material.
  • the powdered additional material can comprise hard material particles, in particular carbides, and a matrix material.
  • the hard material particles should be present undissolved in the welded functional layer in order to increase the load-bearing capacity of the functional layer.
  • hard material particles can dissolve if the powdered additional material is exposed to too high an irradiation intensity and the hard material particles thus melt. Dissolved hard material particles cause the welded functional layer to become brittle because the matrix material is less ductile, which means that stresses caused by shrinkage during cooling or loading of the workpiece, for example, cannot be absorbed by the matrix material.
  • the dissolution of hard material particles can be reduced or even avoided, in particular by the jet nozzle with the absorption section contributing to the heat management and protection of the laser system in such a way that several process zones are possible.
  • the jet nozzle can prevent powder particles from sticking to the nozzle mouth. Due to the high process heat, the reflected laser radiation and/or a metal vapor flare can generally lead to adhesion or even welding of filler material at the nozzle mouth, which can lead to a disruption of the gas and powder flows, which subsequently affects the process result.
  • the metal vapor flare is a result of the partial evaporation of the material due to laser cladding. It can lead to scattering and/or absorption of laser radiation and subsequently impair the preheating of the workpiece. This can further promote the formation of bonding defects.
  • the increased variability of the laser beam guidance, the increased variability of the application of a powdered filler material and/or the increased variability of the heat management of the jet nozzle can reduce or even prevent the undesired dissolution of hard material particles and the spread of the metal vapor flare, in particular by the jet nozzle with the absorption section contributing to the heat management and protection of the laser system in such a way that several process zones are possible.
  • the absorption section of the light channel absorbs the reflected radiation of the laser beam from the workpiece back to the jet nozzle. Reflected radiation that damages the jet nozzle can thus be efficiently dissipated.
  • the reflected radiation is absorbed by the absorption section in such a way that the proportion of radiation that penetrates other components of the laser system, such as the laser optics, is reduced or eliminated. This increases the process reliability and the precision of the laser beam.
  • the service life of the jet nozzle and the laser system is also increased.
  • the improved properties of the jet nozzle due to the absorption surface enable welding behavior without the aforementioned deficiencies.
  • the absorption section extends from above the distal region to a proximal region that borders the flange section.
  • the absorption section can thus extend over the entire height of the jet nozzle, with the exception of the flange section and the distal region. Accordingly, reflected radiation is absorbed by the absorption section over a large part of the height of the jet nozzle, which contributes to efficient heat management and protection of the laser system.
  • the distal region can, for example, extend up to 10 mm along the height into the nozzle. The fact that no absorption section is formed in the distal region can make cleaning the jet nozzle easier.
  • the absorption section has a serrated structure, in particular an unevenly serrated structure, which forms absorption surfaces facing the distal region.
  • the serrated structure can have a Christmas tree contour along a longitudinal direction of the light channel.
  • the absorption surfaces can run along a plane that is orthogonal to the longitudinal direction of the light channel.
  • the serrated structure can consist of the absorption surface and a support surface leading back to the wall of the light channel, such that each serration has a substantially triangular shape.
  • the uniformly serrated structure may have uniform serrations from the distal region to the proximal region. Alternatively, the serrations may increase in size from the distal region to the proximal region.
  • a powder unit arranged radially outside the light channel is formed in the outer structure for guiding at least one powder jet that is to be applied to the workpiece, wherein the powder unit forms a powder section at the nozzle mouth in a circumferential direction around the light channel, which is followed in the circumferential direction by a powder unit-free feed section.
  • the feed section can be the section that faces the feed direction, i.e. points in the direction of the feed direction.
  • the feed section can extend along the circumferential direction around the light channel in an angular range.
  • the area in which the feed section is formed can correlate with the position and orientation of the powder injectors that apply the powdery filler material to the workpiece.
  • the powder section and the feed section can together form the entire circumference of the nozzle mouth around the light channel.
  • the powder section can make up the larger part than the feed section.
  • the powder section and the feed section can run closed along an opening of the light channel, for example a slot-shaped opening.
  • the absorption section is arranged at least in the feed section, in particular all the way around in the circumferential direction. Due to the angle of incidence of the at least one laser beam, the feed section can be the part of the jet nozzle that is exposed to the highest thermal load. In this respect, the arrangement of the absorption section at least in the feed section can further contribute to efficient heat management and the protection of the laser system.
  • the absorption section can be arranged, for example, only in the area of the feed section or also all the way around, i.e. 360° along the circumferential direction.
  • the absorption section extends completely around the light channel in a circumferential direction. In this way, the absorption of the reflected radiation by the absorption section is ensured for every arrangement of the jet nozzle relative to the workpiece and the reflected radiation resulting from the arrangement. This contributes to efficient heat management and the protection of the laser system.
  • a position of the absorption section correlates with an inclination intended for the jet nozzle relative to the workpiece.
  • the absorption section can thus alternatively not be designed to run all the way around the light channel. Instead, it is specifically arranged in the area. net, in which, due to the inclination of the jet nozzle relative to the workpiece, most of the reflected radiation is directed onto the jet nozzle.
  • a longitudinal axis of the light channel along which the laser beam runs is inclined relative to a perpendicular to the workpiece surface in order to increase absorption of the reflection radiation by the absorption section.
  • the laser beam is thus not aligned orthogonally to the workpiece in order to absorb the reflection radiation in a targeted manner via the absorption section.
  • a front side of the jet nozzle runs at an angle to the longitudinal axis of the light channel along which the laser beam runs, so that the front side is intended to run plane-parallel to a workpiece surface. This means that a distance from the nozzle mouth to the workpiece can be increased. This reduces the thermal load on the nozzle mouth.
  • the angled front side enables improved protective gas coverage of the workpiece. This is because the plane-parallel surface of the front side enables a protective gas flow to emerge orthogonally to the workpiece.
  • an area of the absorption section increases in a circumferential direction around the light channel from the nozzle mouth to the flange section. This can correlate with a cross-section of the light channel increasing towards the flange section, whereby the corresponding area of the absorption section can also increase. In this way, it is ensured that emissions in the proximal region are intercepted, which further contributes to heat management in the form of protection of the laser optics.
  • the jet nozzle can be tilted relative to the workpiece, so that absorption of the reflection radiation by the absorption section can be controlled by means of an inclination.
  • the alignment of the laser beam relative to the jet nozzle can be constant.
  • the angle of emergence of the reflection radiation can thus be adjusted by the inclination of the jet nozzle.
  • the inclination can interact with the absorption section in order to capture as large a part of the reflection radiation as possible from the absorption section.
  • the absorption section is provided with an absorbent coating. This can help to increase its thermal resilience. It can also increase the thermal conductivity of the absorption section. This helps to ensure that the absorption section is not damaged even in the event of increased reflected radiation.
  • the jet nozzle is manufactured using an additive manufacturing process, in particular using powder bed melting.
  • the jet nozzle can be made of copper or a copper alloy, more particularly a copper-chromium-zirconium alloy. This is suitable for the additive manufacturing process on the one hand and, on the other hand, ensures sufficient strength, thermal conductivity and heat resistance to withstand the process requirements.
  • powder bed melting the material to be processed is in powder form. A laser beam heats the powder along the intended geometry, which liquefies the powder and bonds it together. Powder bed melting can, for example, be designed as selective laser melting ("SLM”) or selective laser sintering ("SLS").
  • the nozzle mouth has a bevel by which part of the nozzle mouth is cut off, wherein the bevel is essentially flat and runs in a plane that is inclined with respect to the longitudinal direction of the jet nozzle.
  • the bevel can cut off the powder section and the powder section-free feed section in the circumferential direction around the light channel.
  • the bevel reduces the volume of the nozzle mouth compared to the embodiment in which no bevel is provided.
  • the nozzle mouth thus takes up less installation space.
  • the jet nozzle with the bevel can be used, for example, to coat a brake disk that has a receptacle that protrudes axially from the functional surface to be coated.
  • the bevel ensures that the jet nozzle can be moved flexibly on the functional surface to be coated and can be moved close to the receptacle.
  • the bevel can run in the distal region like aête on the elongated hole.
  • Theête defines the orientation of the bevel on the nozzle mouth.
  • Theête runs in the front face of the jet nozzle facing the workpiece along a straight line or an arc that neither intersects nor touches the slot.
  • the distance of theête from the center of the light channel is greater than the distance of the corresponding section of the slot from the center of the light channel.
  • the distance between theête and an outer edge of the slot is selected such that the wall thickness in between ensures sufficient strength and resilience of the jet nozzle.
  • the disclosure further relates to a system with a jet nozzle according to the disclosure and a workpiece.
  • the jet nozzle is inclined relative to the workpiece in such a way that a longitudinal axis of the light channel, along which the laser beam runs, deviates from a perpendicular to the workpiece surface, so that absorption of the reflected radiation by the absorption section is increased.
  • the inclination can be achieved by a relative movement of the jet nozzle to the workpiece. piece or the workpiece to the jet nozzle.
  • a workpiece support can be inclined relative to the jet nozzle. The inclination is adapted to the position of the absorption section.
  • the inclination of the jet nozzle relative to the workpiece is between 2° and 45°, in particular between 3° and 10°. It has been found that at these inclination angles an ideal compromise between the absorption of the reflected radiation via the absorption section and the welding behavior of the laser cladding is achieved.
  • the jet nozzle is adapted to guide the laser beam along the longitudinal direction of the jet nozzle, so that the at least one laser beam runs orthogonally to the cross-sectional area.
  • the light channel can be adapted to guide a protective gas to a radially outer section for shielding a process zone.
  • Figure 1 is a schematic view of a jet nozzle in a laser cladding process
  • Figure 2 shows a jet nozzle in a side view
  • Figure 3 shows the jet nozzle from Figure 2 in a perspective view
  • Figure 4 shows the jet nozzle from Figure 2 connected to other components
  • Figure 5 shows the jet nozzle from Figure 2 in a plan view of a distal region
  • Figure 6 shows the jet nozzle from Figure 2 in a plan view of a flange section
  • Figure 7 is another perspective view of the jet nozzle from Figure 2;
  • Figure 8 is a perspective sectional view of the jet nozzle of Figure 2;
  • Figure 9 is another perspective sectional view of the jet nozzle from Figure 2;
  • Figure 10 is another sectional view of the jet nozzle and the workpiece;
  • Figure 11 is another perspective sectional view of the jet nozzle with an angled front side
  • Figure 12 is a longitudinal sectional view through a jet nozzle with a smooth inner end section
  • Figure 13 the jet nozzle with a process gas unit in a plan view of the distal area
  • Figure 14 shows a further embodiment of the jet nozzle with a geometrically adapted nozzle mouth in a side view
  • Figure 15 shows a further embodiment of the jet nozzle with a geometrically adapted nozzle mouth in a plan view.
  • Figure 1 shows a jet nozzle 1 for laser deposition welding along a feed direction 2.
  • the feed direction 2 is the direction along which the jet nozzle 1 moves relative to a workpiece 100. It can result from a movement, in particular a rotational movement, of the workpiece 100, from a movement of the jet nozzle 1 or from a superposition of a movement of the workpiece 100 and the jet nozzle 1.
  • the feed direction 2 and the correlating feed movement can be constant over the course of the process. Alternatively, they can vary with the respective process stage.
  • the workpiece 100 can be a rotationally symmetrical workpiece, such as a brake disk, a hydraulic cylinder, a pressure roller or a plain bearing. At least one laser beam 110 emerges from a light channel 3 with a lateral surface 4.
  • the light channel 3 can also be adapted to guide a process protective gas 150 to a radially outer section to shield a process zone and to prevent oxidation.
  • the light channel 3 is surrounded by an outer structure 5, which has a nozzle mouth 6, which in turn contains a powder unit 7.
  • the powder unit 7 can, for example, have a plurality of injector guides 19 (see Figure 3), into each of which a powder injector 16 (for this purpose Figure 4).
  • the powder unit 7 can have a powder ring gap channel.
  • a powdery additional material 120 is directed onto the workpiece 100 via the powder unit 7 and the powder injectors 16 arranged therein.
  • the laser beam 110 heats the workpiece 100 in such a way that a melt pool 130 forms on a material surface.
  • the laser beam 110 heats the powdery additional material 120, which has hard material particles and a matrix material.
  • the laser beam 110 can have a reduced core intensity.
  • a welded functional layer 140 for example a wear protection layer, is formed from the hard material particles and the matrix material. The welded functional layer 140 makes the material surface more resistant and increases its load-bearing capacity.
  • Figure 2 shows the jet nozzle 1 in a side view, in which the feed direction 2 points out of the plane of the drawing.
  • the jet nozzle 1 can be coupled to other components of a laser system, such as laser optics or a process adapter, via a flange section 9.
  • a proximal region 10 adjoins the flange section 9.
  • a coolant inlet 13 and a coolant outlet 14, which are part of a cooling system of the jet nozzle 1 and which protrude radially from the jet nozzle 1, can be provided at least partially in the proximal region 10.
  • a distal region 8 is formed at the end of the jet nozzle 1 opposite the proximal region 10. The distal region is part of the funnel-shaped nozzle mouth 6.
  • This has a powder section 11 in a circumferential direction around the light channel 3, in which the powder unit 7 is arranged.
  • a powder unit-free feed section 12 adjoins the powder section 11 in the circumferential direction.
  • the feed section 12 can be designed as a process gas section 61 (see, for example, Figure 9), which is part of a process gas unit 60.
  • FIG 3 shows the jet nozzle from Figure 2 in a perspective view.
  • the light channel 3 is a hollow channel with the outer surface 4, within which the at least one laser beam 110 runs.
  • the outer structure 5 surrounds the light channel 3 from the flange section 9 to the distal region 10.
  • the nozzle mouth 6 is an essentially funnel-shaped region of the jet nozzle 1.
  • the funnel shape of the nozzle mouth 6 serves, among other things, to enable the nozzle mouth 6 to form the plurality of injector guides 19 in the region of the powder unit 7.
  • a powder injector 16 (see Figure 4) is inserted into each of these injector guides 19, which directs the powdered additional material 120 onto the at least one laser beam 110 and/or the workpiece 100 in a process-appropriate manner.
  • the powder unit 7 extends along the powder section 11, which is followed in the circumferential direction by the powder unit-free feed section 12.
  • the feed section 12 is the area of the nozzle mouth 6, in which no injector guides 19 are provided, so that no powdered additional material 120 is supplied via this.
  • the feed section 12 can be shaped as a process gas section 61, so that a process gas is supplied via this.
  • the jet nozzle 1 can be manufactured by means of additive manufacturing processes, in particular by means of powder bed melting.
  • the jet nozzle 1 can consist of a copper-chromium-zirconium alloy. This is suitable for the additive manufacturing process on the one hand and ensures sufficient strength, thermal conductivity and heat resistance to withstand the process requirements on the other.
  • the material to be processed is present in powder form.
  • a laser beam heats the powder along the intended geometry, whereby the powder liquefies and bonds firmly.
  • the powder bed melting can, for example, be shaped as selective laser melting ("SLM”) or as selective laser sintering ("SLS").
  • FIG. 4 shows the jet nozzle 1 to which additional components are attached.
  • a coupling ring 15 is connected to the flange section 9, which fastens the jet nozzle 1 to the connected unit, for example the laser optics or the process adapter.
  • Powder injectors 16 are inserted into the injector guides 19 of the powder unit 7.
  • the powdery additional material 120 is conveyed by means of the powder injectors 16 and applied to the workpiece 100 with the intended focus.
  • the individual powder injectors 16 can use different powder foci to one another. Alternatively, the powder injectors 16 can be directed at the same focus point.
  • the powder injectors 16 are arranged in the injector guides 19 provided for this purpose in the powder unit 7 in the powder section 11.
  • the feed section 12 is free of powder injectors 16.
  • an inlet nozzle 17 is inserted into the coolant inlet 13 and an outlet nozzle 18 is inserted into the coolant outlet 14. These connect the coolant inlet 13 and the coolant outlet 14 to a coolant circuit.
  • Figure 5 shows the jet nozzle 1 in a top view of the distal area 8.
  • the cross-sectional area of the light channel 3 is designed in the manner of an elongated hole, in which a partial circular section is connected to two opposite ends of a rectangular section.
  • Two laser beams are guided within the light channel 3, a primary beam 111 and a secondary beam 112.
  • the primary beam 111 and the secondary beam 112 can originate from the same fiber optic cable.
  • a laser light provided can be split into a parallel beam bundle via a collimation lens.
  • the beam bundle can be, for example, formed by a wedge plate. form the primary beam 111 and the secondary beam 112 from a single laser beam.
  • the respective centers of the primary beam 111 and the secondary beam 112 are offset in the feed direction 2 in a line to a center 20 of the light channel 3.
  • the secondary beam 112 is located in front of the primary beam 111 in the feed direction 2 and does not interact with a powder caustic.
  • the secondary beam 112 can thus be used to preheat the workpiece 100 before the primary beam 111 and the powdered filler material 120 heated by the primary beam 111 hit the workpiece 100.
  • the secondary beam 112 thus creates a first process zone that serves to preheat the workpiece 100 and the primary beam 111 creates a second process zone that serves to weld the powdered filler material 120 onto the workpiece 100.
  • These different process zones enable flawless welding in which no deficiencies, in particular no fusion defects, pores, cracks and/or dissolution of carbides in the matrix material, occur.
  • the secondary beam 112 can thus be used to reheat the workpiece 100 and thus contribute to a more uniform cooling, which prevents the occurrence of inclusions or other imperfections.
  • the primary beam 111 and the secondary beam 112 are arranged in close proximity to one another.
  • the front partial circle section of the elongated hole in the feed direction 2 is concentric to the secondary beam 112, while the rear partial circle section of the elongated hole is concentric to the primary beam 111.
  • a center point of the cross-sectional area is eccentric to a center point of the primary beam 111 and to a center point of the secondary beam 112.
  • a tertiary beam can also be provided, so that, for example, the secondary beam is arranged in front of the primary beam in the feed direction and the tertiary beam is arranged after the primary beam in the feed direction.
  • the individual laser beams are guided to one another without shielding, so that there is exactly one light channel 3 with exactly one lateral surface 4, which results in minimal thermal losses.
  • the primary jet 111 in Figure 5 is arranged behind the secondary jet 112 in the feed direction 2 without radial offset and the secondary jet 112 serves to preheat the workpiece, it is desirable that the powdered additional material does not interact with the secondary jet 112. This ensures that on the one hand the secondary jet 112 can only perform the function of preheating the workpiece and on the other hand the powdered additional material is only heated by the primary jet 111 and not by the secondary jet 112. This is achieved by the jet nozzle 1 in the area of the nozzle mouth 6 the powder unit 7 is shaped in such a way that it forms the powder section 11 in the circumferential direction around the light channel 3, to which the powder unit-free feed section 12 is connected in the circumferential direction.
  • the process gas unit 60 can also be shaped, which forms the process gas section 61, in which case the feed section 12 is shaped as a process gas section 61.
  • the feed section 12 is formed in a region of the nozzle mouth 6 facing the feed direction 2.
  • the powder section 11 extends along the elongated hole which forms the cross-sectional area of the light channel 3 in the distal region 8. Analogous to a circular arc, the powder section 11 extends along an elongated hole arc, in particular in a horseshoe shape, around the light channel 3.
  • the powder section 11 therefore extends in the circumferential direction around the light channel 3 by a wrap angle of less than 360°, in particular between 90° and 330°, more particularly between 180° and 300°, relative to a center point of the light channel. This ensures that the powdery additional material that flows out of the injectors 16, which are inserted in the injector guides 19, only interacts with the primary jet 111.
  • the secondary jet 112 can thus form a process zone that is independent of the primary jet 111.
  • the powder section 11 and the feed section 12 form an elongated hole shape in plan view. This further helps to reduce or avoid the deficiencies identified at the beginning.
  • Figure 6 shows the jet nozzle 1 in a plan view of the flange section 9.
  • the cross-sectional area of the light channel 3, which runs orthogonally to the longitudinal direction of the jet nozzle 1, also deviates from a circular shape in the region of the flange section 9 and is elongated in the feed direction 2.
  • the extension of the cross-sectional area can decrease from the distal region 8 to the flange section 9.
  • the cross-sectional area can be elongated such that it is at least 1.5 times, in particular at least twice as large in the feed direction as it is transverse to the feed direction.
  • the flange section 9 has such a radial extension that the injector guides 19 are not visible from the plan view of the proximal region 10.
  • Figure 7 shows the jet nozzle 1 in a further perspective view.
  • the nozzle mouth 6 has a curved funnel shape.
  • the injector guides 19, into which the powder injectors 16 can be inserted, are formed within the individual curvatures.
  • the light channel is stretched in a way that deviates from a circular shape in order to achieve the advantages according to the disclosure.
  • the nozzle mouth 6 has the powder unit 7. This extends in the circumferential direction around the light channel 3 along the powder section 11, which is followed by the powder-free feed section 12.
  • Figure 8 shows a perspective sectional view of the jet nozzle 1.
  • the light channel 3 has a cone shape, so that the cross-sectional area of the light channel 3, which runs orthogonally to the longitudinal direction of the jet nozzle 1, is smaller in the distal region 8 than in the proximal region 10.
  • the coolant inlet 13 and the coolant outlet 14 are arranged in the proximal region 10 of the jet nozzle 1 and protrude in the radial direction from the jet nozzle 1.
  • Figure 8 shows an injector guide 19 in section. This is arranged in the powder section 11. In the feed section 12, no injector guide 19 is provided for guiding the powder jet.
  • the jet nozzle 1 has a cooling system 30.
  • a cooling medium for example water, is fed back to a radially inner cooling chamber 31 via the coolant inlet 13 in the proximal region 10.
  • the cooling medium can be distributed in the proximal region 10 in the circumferential direction around the light channel 3.
  • the cooling medium runs from the proximal region 10 to the nozzle mouth 6.
  • the radially inner cooling chamber 31 is formed at least in the nozzle mouth 6. It can run from the distal region 8 to the proximal region 10 and can be designed in the manner of an annular gap segment that extends circumferentially around the light channel 3.
  • the radially inner cooling chamber 31 extends circumferentially around the light channel 3.
  • the radially inner cooling chamber 31 has a constant width in the radial direction in the region of the nozzle mouth 6 and is concentric to the light channel 3 in a cross-sectional area that runs orthogonally to a longitudinal direction of the jet nozzle 1.
  • a transition 32 is provided between the radially inner cooling chamber 31 and a radially outer cooling chamber 33.
  • the radially outer cooling chamber 33 has a radial width that decreases in the radial direction in the region of the nozzle mouth 6 towards the distal region 8.
  • the radially outer cooling chamber 33 extends from the distal region 8 to the proximal region 10, where it supplies the heated coolant to the coolant outlet 14.
  • the transition 32 between the radially inner cooling chamber 31 and the radially outer cooling chamber 33 is arranged in the feed section 12.
  • the feed section 12 does not have any injector guides 19 for guiding the powder jet, which means that there is sufficient installation space for the transition 32.
  • the radially outer cooling chamber 33 has a cooling structure to increase the surface area.
  • the cooling structure can be produced using an additive manufacturing process. It ensures that the cooling medium comes into contact with as much surface area as possible when returning from the distal region 8 to the proximal region 10 in order to promote heat dissipation.
  • the cooling structure is optimized to cause the lowest possible pressure loss of the cooling medium. This can be achieved by a honeycomb structure 34, as shown in Figure 8.
  • Figure 9 shows the jet nozzle 1 with an absorption section 40. This is designed to absorb reflected radiation of the laser beam from the workpiece.
  • the absorption section 40 extends from the distal region 8 to the proximal region 10. It thus helps to protect the laser optics from the reflected radiation.
  • the absorption section 40 has a serrated structure.
  • the absorption section is provided in the region of the feed section 12.
  • the absorption section 40 can be made of the same material as the remaining jet nozzle 1. It can also have a coating.
  • the laser radiation absorbed by the absorption section 40 can be discharged by the cooling system 30 interacting with the absorption section 30.
  • Figure 10 shows the jet nozzle 1 with a workpiece 100.
  • the laser beam 110 extends along a longitudinal axis 43 of the light channel 3.
  • the longitudinal axis 43 of the light channel 3 is inclined with respect to a perpendicular to the workpiece surface 41. This inclination directs a reflected laser radiation 150 onto the absorption section 40.
  • the inclination of the longitudinal axis 43 of the light channel 3 with respect to the perpendicular to the workpiece surface 41 is selected such that the absorption section 40 absorbs as much reflected laser radiation as possible.
  • the inclination is between 2° and 20°, in particular between 3° and 10°.
  • a surface roughness of the absorption surfaces of the absorption section 40 is between 5 pm and 100 pm, in particular between 50 pm and 50 pm.
  • the absorption section 40 can also be provided with an absorbent coating that promotes the completion.
  • Figure 11 shows the jet nozzle 1, in which a front side 42 of the jet nozzle 1 is angled relative to the longitudinal axis 43 of the light channel 3, so that the front side 42 is plane-parallel to the workpiece 100.
  • This increases the distance from the nozzle mouth 6 to the workpiece 100. This reduces the thermal load on the nozzle mouth 6.
  • the angled front side 42 enables improved protective gas coverage of the workpiece 100. This is because the plane-parallel surface of the front side 42 enables a protective gas flow to emerge orthogonally to the workpiece 100.
  • Figure 12 shows a longitudinal sectional view through a jet nozzle 1 with a smooth inner end section 44.
  • the jet nozzle 1 can form a smooth inner end section 44 as the distal surface of the light channel 3.
  • the smooth inner end section 44 enables better cleaning of the inner nozzle mouth 6.
  • the absorption section 40 extends proximally from the smooth inner end section 44.
  • the absorption section 40 can also extend along the circumferential direction by the light channel 3 completely, i.e. 360°. Thus, the absorption capacity of the jet nozzle 1 is not dependent on a specific feed direction.
  • the powder unit 7 is provided in a rear area in the feed direction 2, which forms the powder section 11 and through which the injector guides 19 extend.
  • the injector guides 19 are adapted to each accommodate a powder injector 16.
  • the process gas unit 60 can be provided in a front area in the feed direction 2, which forms the process gas section 61 and through which distribution arms for the process gas extend.
  • a distribution arm can accommodate an additional injector.
  • the process gas is directed directly from the distribution arms to the material surface.
  • the distribution arms have a curved shape along their longitudinal direction.
  • the jet nozzle 1 has the cooling system 30 with the radially inner cooling chamber 31 and the radially outer chamber 33. Due to the design of the feed section 12 as a process gas section, the radially outer cooling chamber 33 surrounds the distribution arms 24 in the front area of the nozzle mouth 6 in the feed direction 2. The process gas can thus contribute to the heat management of the jet nozzle 1.
  • Figure 13 shows the jet nozzle 1 in a top view of the distal area 8.
  • the primary beam 111 and the secondary beam 112 are guided within the light channel 3.
  • the secondary beam 112 is in front of the primary beam 111 in the feed direction 2 and does not interact with a powder caustic, as described in more detail in connection with Figure 5.
  • a vapor flare can form between the jet nozzle 1 and the workpiece 100. If this is not contained, it can interact in an undesirable manner with the at least one laser beam and/or the unprocessed and/or processed material surface.
  • the feed section 12 can therefore be designed as a process gas section 61.
  • the process gas unit 60 arranged radially outside the light channel 3, which directs the process gas onto the workpiece.
  • the process gas section 61 can prevent an undesired spread of the steam flare and thus contribute to precise workpiece processing with a robust jet nozzle design.
  • the process gas section 61 can form at least one, in this case three, outlet openings 62.
  • the outlet openings 62 are formed on a front side of the jet nozzle 1.
  • An additional injector for supplying the process gas without additional material can be inserted into the respective outlet opening 62.
  • An inner diameter of the outlet opening 62 can be smaller than an inner diameter of the injector guides 19.
  • the process gas section 61 also prevents powder particles from adhering to the front side of the jet nozzle 1.
  • the process gas section 61 also increases the service life of the Jet nozzle 1.
  • the process gas section 61 and the powder section 11 can be provided circumferentially around the elongated hole formed by the light channel 3.
  • the primary jet 111 and the secondary jet 112 are completely within the jets which are composed of the powder jet and the process gas jet.
  • Figure 14 shows a further embodiment of the jet nozzle 1.
  • the nozzle mouth 6 has a bevel 50, by which part of the nozzle mouth 6 is cut off.
  • the bevel 50 causes the powder section 11 and the powder section-free feed section 12 to be cut off in the circumferential direction around the light channel 3.
  • the bevel 50 reduces the volume of the nozzle mouth 6 compared to the embodiment in which there is no bevel 50. This ensures that the nozzle mouth 6 takes up less installation space.
  • the jet nozzle 1 with the bevel 50 can be used, for example, to coat a brake disk.
  • the brake disk can have a holder that protrudes axially from the functional surface to be coated.
  • the bevel 50 ensures that the jet nozzle 1 can be moved flexibly on the functional surface to be coated and can be moved close to the holder.
  • the bevel 50 can be designed essentially flat and run in a plane that is inclined relative to the longitudinal direction of the jet nozzle.
  • the bevel 50 represents a boundary surface of the nozzle mouth 6 in which no powder unit 7 is provided.
  • the bevel 50 is arranged so close to the light channel 3 that no injector guides 19 are provided on an end face of the jet nozzle 1 facing the workpiece in the region of the bevel 50.
  • Figure 15 shows the jet nozzle 1 with the bevel 50 in a top view.
  • the bevel 50 can run in the distal area 8 in the manner of aête 51 on the elongated hole.
  • Theête 51 defines the orientation of the bevel 50 on the nozzle mouth 6.
  • Theête 51 runs in the front surface of the jet nozzle 1 facing the workpiece along a straight line or an arc that neither intersects nor touches the elongated hole.
  • the distance of theête 51 from the center 20 of the light channel 3 is greater than the distance of the corresponding section of the elongated hole from the center 20 of the light channel 3.
  • the distance between theête 51 and an outer edge of the elongated hole is selected such that the wall thickness between them ensures sufficient strength and resilience of the jet nozzle 1.
  • the orientation of the termed 51 and thus the orientation of the bevel 50 on the nozzle mouth 6 can be varied for different jet nozzles 1 depending on the respective area of application.
  • theête 51 can run in the feed direction 2. In this case, the bookinge 51 runs along the extension of the cross-sectional area of the light channel 3. Theête 51 thus runs along the long side of the slot.
  • theête 51 can run, for example, transversely to the feed direction 2. In this case, thearguese 51 runs transversely to the extension of the cross-sectional area of the light channel 3. Theête 51 thus runs along the pitch circle section of the slot.
  • the bookinge 51 can run, for example, at an angle to the feed direction 2 that lies between a course along the feed direction 2 and transversely to the feed direction 2. In this case, the bookinge 51 runs along the transition section between the long side of the slot and the pitch circle section of the slot. The course of theête 51 specifies the orientation of the bevel 50.
  • outlet openings 62 are provided on the front side of the jet nozzle.
  • the process gas exits from the process gas unit 60 through these.
  • the process gas unit 60 In the present case, the
  • Bevel 50 such that the portion of the nozzle mouth 6 cut off by it originates entirely from the powder section 11, so that the angle along which the powder section 11 extends is reduced by the bevel 50, while the angle along which the process gas unit 60 extends remains substantially the same.
  • Coolant inlet 61 Process gas section 14
  • Coolant outlet 62 Outlet opening

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahldüse (1) zum Laserauftragschweißen entlang einer Vorschubrichtung (2), aufweisend einen Lichtkanal (3) zur Führung zumindest eines Laserstrahls, der auf ein Werk-stück gerichtet ist; und eine den Lichtkanal (3) umgebende Außenstruktur (5), die sich von einem Flanschabschnitt (9) bis zu einem von einem Düsenmund (6) gebildeten distalen 5 Bereich (8), aus dem der Laserstrahl austritt, erstreckt; wobei der Lichtkanal (3) einen Absorptionsabschnitt (40) zur Aufnahme einer Reflexionstrahlung des Laserstrahls von dem Werkstück ausbildet.

Description

Strahldüse mit einem Absorptionsabschnitt zur Aufnahme einer Reflexionstrahlung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahldüse zum Laserauftragschweißen entlang einer Vorschubrichtung.
Stand der Technik
Laserauftragschweißen findet etwa in der Reparatur-, Beschichtungs- und/oder Verbindungstechnik Anwendung. Es kann zwischen dem konventionellen Laserauftragschweißen (Laser Metal Deposition (LMD), Direct Metal Deposition (DMD) oder Direct Energy Deposition (DED)) und dem sogenannten High-Speed Laserauftragschweißen (HS-LMD oder extremes Hochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen (EHLA)) unterschieden werden. HS-LMD- Verfahren sind beispielsweise in den Offenlegungsschriften DE 10 2011 100 456 B4 und DE 10 2018 130 798 A1 beschrieben. Ein weiteres Verfahren zum Laserauftragschweißen ist aus der chinesischen Patentanmeldung CN 109175372 A bekannt.
Mittels Laserauftragschweißen kann eine Funktionsschicht auf ein Werkstück aufgetragen werden. Diese erhöht gegenüber einem unbearbeiteten Werkstück im Allgemeinen die Belastbarkeit des mittels Laserauftragschweißen bearbeiteten Werkstücks. Die Funktionsschicht kann beispielsweise als Verschleißschutzschicht dienen. Der Auftrag der Funktionsschicht basiert auf einem Aufschmelzen einer Werkstückoberfläche, einem Aufträgen eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs und einem anschließenden Abkühlen, sodass eine Matrixstruktur mit Hartstoffpartikeln stoffschlüssig mit der Werkstoffoberfläche verbunden ist. Somit greift das Laserauftragschweißen in die innere Materialstruktur des Werkstücks ein und verändert diese. Dies kann unter Umständen Unzulänglichkeiten in der inneren Materialstruktur nach sich ziehen. Diese können die angestrebte Erhöhung der Belastbarkeit beeinträchtigen. Die Unzulänglichkeiten können mikroskopischer Natur sein, weshalb sie nur unter hohem Aufwand identifizierbar sind.
Darstellung der Erfindung Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Strahldüse zum Laserauftragschweißen entlang einer Vorschubrichtung bereitzustellen. Die Erfindung zielt insbesondere darauf ab, eine Schweißqualität einer aufgetragenen Funktionsschicht und des Werkstücks insgesamt zu erhöhen und Unzulänglichkeiten in einer Schweißverbindung zwischen einem pulverförmigen Zusatzwerkstoff und einer Werkstoffoberfläche, zu verringern oder zu vermeiden. Bei den Unzulänglichkeiten kann es sich um Bindefehler zwischen der Werkstoffoberfläche und der aufgetragenen Funktionsschicht oder zwischen einzelnen aufgetragenen Funktionsschichten handeln. Es kann sich bei den Unzulänglichkeiten auch um Poren, also Lufteinschlüsse, handeln, die innerhalb der aufgetragenen Funktionsschicht oder zwischen der aufgetragenen Funktionsschicht und der Werkstoffoberfläche auftreten. Insbesondere wenn es sich bei der Werkstoffoberfläche um einen Gusswerkstoff handelt, können Poren vermehrt auftreten. Bei den Unzulänglichkeiten kann es sich auch um Risse handeln, die insbesondere vertikal zur Werkstoffoberfläche innerhalb der aufgetragenen Funktionsschicht verlaufen. Die Unzulänglichkeiten können auch daraus bestehen, dass sich Pulverpartikel, insbesondere Karbide, des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs in einem Matrixmaterial des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs lösen, was zu einer Versprödung des Matrixmaterials führt. Die Erfindung zielt weiter insbesondere darauf ab, eine zuverlässige Strahldüse bereitzustellen, die gegenüber thermischen Belastungen widerstandsfähig ist. Die Erfindung kann weiter darauf abzielen, die Strahldüse derart auszugestalten, sodass sie über sehr hohe Zyklenanzahlen hinweg ein zuverlässiges und präzises Laserauftragschweißen gewährleistet.
Die Aufgabe wird durch eine Strahldüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Strahldüse zum Laserauftragschweißen entlang einer Vorschubrichtung vorgeschlagen, die einen Lichtkanal zur Führung zumindest eines Laserstrahls, der auf ein Werkstück gerichtet ist, aufweist. Beim Laserauftragschweißen kann es sich um ein Verfahren zum High- Speed Laserauftragschweißen (HS-LMD) handeln. Die Vorschubrichtung ist die Richtung, entlang der sich die Strahldüse relativ zu dem Werkstück bewegt. Sie kann aus einer Bewegung, insbesondere einer Rotationsbewegung, des Werkstücks, aus einer Bewegung der Strahldüse oder aus einer Überlagerung beider Bewegungen resultieren. Die Vorschubrichtung und die korrelierende Vorschubbewegung können über den Prozessverlauf konstant sein. Alternativ können sie mit dem jeweiligen Prozessstadium variieren. Bei dem Werkstück kann es sich um ein rotationssymmetrisches Werkstück, wie eine Bremsscheibe, einen Hydraulikzylinder, eine Druckwalze oder ein Gleitlager handeln. Der Laserstrahl kann durch den Lichtkanal hindurch strahlen. Er kann von einer La- serquelle bereitgestellt werden, von der der Laserstrahl mittels eines Lichtleitkabels zu einem Lasersystem geführt wird, das den Laserstrahl über eine Kollimationslinse aufteilt und ihn vor dessen Eintritt in die Strahldüse über eine Laseroptik prozessgerecht fokussiert. Der Lichtkanal kann ein hohler Kanal sein, der die gesamte Strahldüse entlang einer Längsrichtung durchläuft. Durch den Lichtkanal kann außer dem Laserstrahl auch ein Prozessgas zur Werkstückoberfläche geleitet werden.
Die Strahldüse hat ferner eine den Lichtkanal umgebende Außenstruktur, die sich von einem Flanschabschnitt bis zu einem von einem Düsenmund gebildeten distalen Bereich, aus dem der Laserstrahl austritt, erstreckt. Die Außenstruktur kann eine Pulvereinheit aufweisen. Die Pulvereinheit kann Teil des Düsenmunds sein. Der Düsenmund ist der dem Werkstück zugewandte Teil der Strahldüse. Der Endabschnitt des Düsenmunds bildet den distalen Bereich. Dieser stellt den Teil des Düsenmunds dar, der am nächsten zum Werkstück ist. An dem von dem Werkstück abgewandten Abschnitt hat die Strahldüse einen proximalen Bereich und den Flanschabschnitt. Der proximale Bereich und der Flanschabschnitt sind der dem Werkstück abgewandte Teil der Strahldüse. Über den Flanschabschnitt kann die Düse mit einem weiteren Bestandteil des Lasersystems, wie beispielsweise einer Laseroptik oder einer Prozesseinheit, koppelbar sein. Die Außenstruktur kann ein aus einem einheitlichen Werkstoff gefertigtes Bauteil sein sie kann entlang ihrer Längsrichtung einen Hohlkanal aufweisen, der den Lichtkanal darstellt.
Der Lichtkanal bildet einen Absorptionsabschnitt zur Aufnahme einer Reflexionstrahlung des Laserstrahls von dem Werkstück aus. Der Absorptionsabschnitt kann eine Geometrie aufweisen, die das Aufnehmen der Reflexionstrahlung begünstigt. Der Absorptionsabschnitt kann sich in einer Umfangsrichtung um den Lichtkanal variabel erstrecken. Er kann sich auch in einer Längsrichtung des Lichtkanals variabel erstrecken. Insbesondere ist in dem distalen Bereich des Düsenmunds kein Absorptionsabschnitt 40 ausgebildet, um den Düsenmund besser reinigen zu können. So kann der Absorptionsabschnitt in seiner Form an die zu erwartende Reflexionstrahlung angepasst sein. Der Absorptionsabschnitt kann aus demselben Material gebildet sein wie die verbleibende Strahldüse. Er kann auch eine Beschichtung aufweisen. Die von dem Absorptionsabschnitt aufgenommene Laserstrahlung kann von einem mit dem Absorptionsabschnitt wechselwirkenden Kühlsystem abgeführt werden.
Die Strahldüse kann so eine erhöhte Variabilität (i) der Laserstrahlführung, (ii) der Anwendung eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs, (iii) des Wärmemanagements und/oder (iv) des Schutzes des Lasersystems inklusive der Strahldüse bewirken. Sie ermöglicht das Vorsehen mehrerer unabhängiger Prozesszonen bei hoher Präzision. Die Prozesszonen können sich in Zonen für das Laserauf- tragschweißen und Zonen für die Vor- und/oder Nachbearbeitung aufteilen. In den Zonen für das Laserauftragschweißen findet eine Wechselwirkung zwischen zumindest einem Laserstrahl und einem pulverförmigen Zusatzmaterial statt. Die Vor- und/oder Nachbearbeitung kann das Reinigen der Werkstoffoberfläche, die Vorwärmung der Werkstoffoberfläche, bevor der pulverförmige Zusatzwerkstoff aufgetragen wird, die Nachwärmung der Werkstoffoberfläche, nachdem der pulverförmige Zusatzwerkstoff aufgetragen worden ist, oder eine Kombination davon sein. Bei der Vor- und/oder Nachbearbeitung kann der Laserstrahl ohne Wechselwirkung mit dem pulverförmigen Zusatzmaterial auf das Werkstück treffen. Die unabhängigen Prozesszonen können die Schweißqualität und somit die die Belastbarkeit der aufgetragenen Funktionsschicht, insbesondere der Verschleißschutzschicht, und des Werkstücks insgesamt erhöhen. Ein zusätzliches Prozessgas kann die Prozesszonen stabilisieren und die Präzision des Laserauftragschweißens sowie die Lebensdauer der Strahldüse erhöhen.
Insbesondere kann die Strahldüse das Auftreten von Bindefehlern verringern. Denn Bindefehler können dann auftreten, wenn die von dem Laserstrahl erhitzte Oberfläche, etwa das Werkstück oder eine zuvor aufgeschweißte Funktionsschicht, nicht ausreichend erwärmt wurde. Diese mangelnde Erwärmung kann die Folge davon sein, dass eine Laserleistung eines einzelnen Laserstrahls geringgehalten wird, um eine Überhitzung des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs zu vermeiden. Durch die erhöhte Variabilität der Laserstrahlführung, die erhöhte Variabilität der Anwendung eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs und/oder die erhöhte Variabilität des Wärmemanagements der Strahldüse kann das Auftreten von Bindefehlern verringert oder gar vermieden werden, insbesondere indem die Strahldüse mit dem Absorptionsabschnitt derart zum Wärmemanagements und dem Schutz des Lasersystems beiträgt, dass mehrere Prozesszonen ermöglicht sind.
Weiter insbesondere kann die Strahldüse das Auftreten von Poren zwischen der aufgeschweißten Funktionsschicht und der von dem Laserstrahl erhitzten Oberfläche verringern. Denn Poren können dann auftreten, wenn in dem Werkstück befindliche Lamellen, insbesondere Graphitlamellen, durch die Laserstrahlung verdampfen. Poren können ferner auftreten, wenn die zu bearbeitende Oberfläche Verunreinigungen aufweist, beispielsweise verursacht von Ölen, Fetten, Kühlschmierstoffen oder Oxide, die durch den Schweißprozess nicht vollständig abgeführt werden können. Die unerwünschte Verdampfung der Verunreinigungen kann die Folge davon sein, dass eine Laserleistung eines einzelnen Laserstrahls derart hoch eingestellt ist, dass Bindefehler aufgrund mangelnder Erwärmung vermieden werden können. Durch die erhöhte Variabilität der Laserstrahlführung, die erhöhte Variabilität der Anwendung eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs und/oder die erhöhte Variabilität des Wärmemanagements der Strahldüse kann das Auftreten von Poren verringert oder gar vermieden werden, insbesondere indem die Strahldüse mit dem Absorptionsabschnitt derart zum Wärmemanagements und dem Schutz des Lasersystems beiträgt, dass mehrere Prozesszonen ermöglicht sind.
Weiter insbesondere kann die Strahldüse das Auftreten von Rissen in der aufgeschweißten Funktionsschicht verringern. Denn Risse können dann auftreten, wenn ein Temperaturgradient zwischen dem stark erhitzten pulverförmigen Zusatzwerkstoff und der weniger stark erhitzten Werkstückoberfläche so stark ist, dass eine bei der Abkühlung auftretende Materialschrumpfung rissbegründende Spannungen nach sich zieht. Die Rissbildung kann die Folge davon sein, dass eine Laserleistung eines einzelnen Laserstrahls derart hoch eingestellt ist, dass Bindefehler aufgrund mangelnder Erwärmung vermieden werden können. Durch die erhöhte Variabilität der Laserstrahlführung, die erhöhte Variabilität der Anwendung eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs und/oder die erhöhte Variabilität des Wärmemanagements der Strahldüse kann das Auftreten von Rissen verringert oder gar vermieden werden, insbesondere indem die Strahldüse mit dem Absorptionsabschnitt derart zum Wärmemanagements und dem Schutz des Lasersystems beiträgt, dass mehrere Prozesszonen ermöglicht sind.
Weiter insbesondere kann die Strahldüse eine Auflösung von Hartstoffpartikeln, insbesondere Karbiden, in dem Matrixmaterial verringern. Das pulverförmige Zusatzmaterial kann Hartstoffpartikel, insbesondere Karbide, und ein Matrixmaterial aufweisen. In der aufgeschweißten Funktionsschicht sollen die Hartstoffpartikel ungelöst vorhanden sein, um die Belastbarkeit der Funktionsschicht zu erhöhen. Hartstoffpartikel können sich jedoch auflösen, wenn der pulverförmige Zusatzwerkstoff mit einer zu hohen Bestrahlungsstärke beaufschlagt wird und die Hartstoffpartikel somit aufschmelzen. Aufgelöste Hartstoffpartikel bewirken eine Versprödung der aufgeschweißten Funktionsschicht, weil das Matrixmaterial weniger duktil ist, wodurch beispielsweise durch Schrumpfungen auftretende Spannungen bei der Abkühlung oder der Belastung des Werkstücks nicht von dem Matrixmaterial aufgenommen werden können. Durch die erhöhte Variabilität der Laserstrahlführung, die erhöhte Variabilität der Anwendung eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs und/oder die erhöhte Variabilität des Wärmemanagements der Strahldüse kann die Auflösung von Hartstoffpartikeln verringert oder gar vermieden werden, insbesondere indem die Strahldüse mit dem Absorptionsabschnitt derart zum Wärmemanagements und dem Schutz des Lasersystems beiträgt, dass mehrere Prozesszonen ermöglicht sind.
Weiter insbesondere kann die Strahldüse ein Anhaften von Pulverpartikeln am Düsenmund verhindern. Aufgrund der hohen Prozesswärme kann es aufgrund der reflektierenden Laserstrahlung und/oder aufgrund einer Metalldampffackel grundsätzlich zu einem Anhaften oder gar einem Ver- schweißen von Zusatzwerkstoff am Düsenmund kommen, was zu einer Störung der Gas- und Pulverströme führen kann, die in der Folge das Prozessergebnis beeinträchtigt. Die Metalldampffackel ist ein Ergebnis der teilweisen Verdampfung des Werkstoffs aufgrund des Laserauftragschweißens. Sie kann zu einer Streuung und/oder einer Absorption von Laserstrahlung führen und in der Folge die Vorwärmung des Werkstücks beeinträchtigen. Dies kann die Ausbildung von Bindefehlern weiter begünstigen. Durch die erhöhte Variabilität der Laserstrahlführung, die erhöhte Variabilität der Anwendung eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs und/oder die erhöhte Variabilität des Wärmemanagements der Strahldüse kann die unerwünschte Auflösung von Hartstoffpartikeln sowie eine Ausbreitung der Metalldampffackel verringert oder gar vermieden werden, insbesondere indem die Strahldüse mit dem Absorptionsabschnitt derart zum Wärmemanagements und dem Schutz des Lasersystems beiträgt, dass mehrere Prozesszonen ermöglicht sind.
Der Absorptionsabschnitt des Lichtkanals nimmt eine Reflexionstrahlung des Laserstrahls von dem Werkstück zurück auf die Strahldüse auf. Eine die Strahldüse schädigende Reflexionstrahlung kann somit effizient abgeführt werden. Die Reflexionstrahlung wird von dem Absorptionsabschnitt derart aufgenommen, dass der Strahlungsanteil, der in weitere Komponenten des Lasersystems, wie beispielsweise die Laseroptik, eindringt, verringert oder ausgeräumt wird. Dies erhöht die Prozesssicherheit sowie die Präzision des Laserstrahls. Auch die Lebensdauer der Strahldüse und des Lasersystems wird erhöht. Durch die aufgrund der Absorptionsfläche verbesserten Eigenschaften der Strahldüse ist ein Schweißverhalten ohne die vorgenannten Unzulänglichkeiten ermöglicht.
In einer Ausführungsform erstreckt sich der Absorptionsabschnitt von oberhalb des distalen Bereichs bis zu einem proximalen Bereich, der an den Flanschabschnitt angrenzt. Der Absorptionsabschnitt kann sich somit, mit Ausnahme des Flanschabschnitts und des distalen Bereichs, über die gesamte Höhe der Strahldüse erstrecken. Entsprechend wird über einen Großteil der Höhe der Strahldüse Reflexionstrahlung von dem Absorptionsabschnitt aufgenommen, was zu dem effizienten Wärmemanagement und dem Schutz des Lasersystems beiträgt. Der distale Bereich kann sich beispielsweise auf bis zu 10 mm entlang der Höhe in die Düse hinein erstrecken. Dadurch, dass in dem distalen Bereich kein Absorptionsabschnitt ausgebildet ist, kann eine Reinigung der Strahldüse erleichtert sein.
In einer Ausführungsform weist der Absorptionsabschnitt eine gezackte Struktur, insbesondere eine ungleichmäßig gezackte Struktur, auf, die dem distalen Bereich zugewandte Absorptionsflächen ausbildet. Die gezackte Struktur kann eine Tannenbaumkontur entlang einer Längsrichtung des Lichtkanals aufweisen. Die Absorptionsflächen können entlang einer Ebene, die orthogonal zur Längsrichtung des Lichtkanals ist, verlaufen. Die gezackte Struktur kann aus der Absorptionsfläche und eine zu Ihnen Wandung des Lichtkanals zurückführenden Stützfläche gebildet sein, sodass jeder Zacken eine im Wesentlichen dreieckige Form aufweist. Die gleichmäßig gezackte Struktur kann einheitliche Zacken von dem distalen Bereich bis zum proximalen Bereich aufweist. Alternativ können die Zacken von dem distalen Bereich zum proximalen Bereich größer werden.
In einer Ausführungsform ist in der Außenstruktur eine radial außerhalb des Lichtkanals angeordnete Pulvereinheit zur Führung zumindest eines Pulverstrahls, der auf das Werkstück aufzutragen ist, gebildet, wobei die Pulvereinheit an dem Düsenmund in einer Umfangsrichtung um den Lichtkanal einen Pulverabschnitt bildet, an den sich in der Umfangsrichtung ein pulvereinheitfreier Vorschubabschnitt anschließt. Der Vorschubabschnitt kann der Abschnitt sein, der der Vorschubrichtung zugewandt ist, also in Richtung der Vorschubrichtung zeigt. Der Vorschubabschnitt kann sich entlang der Umfangsrichtung um den Lichtkanal in einer Winkelspanne erstrecken. Der Bereich, den der Vorschubabschnitt ausgebildet ist, kann mit der Position und Ausrichtung der Pulverinjektoren, die den pulverförmigen Zusatzwerkstoff auf das Werkstück auftragen, korrelieren. Der Pulverabschnitt und der Vorschubabschnitt können zusammen den gesamten Umfang des Düsenmunds um den Lichtkanal ausbilden. Beispielsweise kann der Pulverabschnitt den größeren Teil als der Vorschubabschnitt ausmachen. In der Draufsicht können der Pulverabschnitt und der Vorschubabschnitt entlang einer Öffnung des Lichtkanals, beispielsweise einer langlochförmigen Öffnung, geschlossen verlaufen.
In einer Ausführungsform ist der Absorptionsabschnitt zumindest in dem Vorschubabschnitt, insbesondere in der Umfangsrichtung umlaufend, angeordnet. Der Vorschubabschnitt kann aufgrund des Einfallswinkels des zumindest einen Laserstrahls der Teil der Strahldüse sein, der der höchsten thermischen Belastung ausgesetzt ist. Insofern kann die Anordnung des Absorptionsabschnitts zumindest in dem Vorschubabschnitt weiter zum effizienten Wärmemanagement und dem Schutz des Lasersystems beitragen. Der Absorptionsabschnitt beispielsweise nur im Bereich des Vorschubabschnitts oder auch umlaufend, mithin 360° entlang der Umfangsrichtung, angeordnet sein.
In einer Ausführungsform erstreckt sich der Absorptionsabschnitt in einer Umfangsrichtung vollständig um den Lichtkanal. Auf diese Weise ist bei jeder Anordnung der Strahldüse relativ zum Werkstück und der aus der Anordnung resultierenden Reflexionsstrahlung eine Aufnahme der Reflexionsstrahlung durch den Absorptionsabschnitt gewährleistet. Dies trägt zum effizienten Wärmemanagement und dem Schutz des Lasersystems bei. Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass sich eine Position des Absorptionsabschnitts mit einer für die Strahldüse vorgesehenen Neigung gegenüber dem Werkstück korreliert. Der Absorptionsabschnitt kann somit alternativ nicht umlaufend um den Lichtkanal ausgestaltet sein. Er ist stattdessen gezielt in dem Bereich angeord- net, in dem aufgrund der Neigung der Strahldüse gegenüber dem Werkstück die meist Reflexionstrahlung auf die Strahldüse gerichtet ist.
In einer Ausführungsform ist eine Längsachse des Lichtkanals, entlang der der Laserstrahl verläuft, gegenüber einem Lot der Werkstückoberfläche geneigt, um eine Absorption der Reflexionstrahlung durch den Absorptionsabschnitt zu erhöhen. Der Laserstrahl ist somit nicht orthogonal auf das Werkstück ausgerichtet, um die Reflexionstrahlung gezielt über den Absorptionsabschnitt aufzunehmen.
In einer Ausführungsform verläuft eine Stirnseite der Strahldüse gegenüber der Längsachse des Lichtkanals, entlang der der Laserstrahl verläuft, angewinkelt, sodass die Stirnseite dazu vorgesehen ist, planparallel zu einer Werkstückoberfläche zu verlaufen. Somit kann ein Abstand von dem Düsenmund zum Werkstück erhöht sein. Dies verringert die thermische Belastung des Düsenmunds. Zudem ermöglicht die angewinkelte Stirnseite eine verbesserte Schutzgasabdeckung des Werkstücks. Denn die planparallele Fläche der Stirnseite ermöglicht ein orthogonal zum Werkstück austretenden Schutzgasstrom.
In einer Ausführungsform nimmt eine Fläche des Absorptionsabschnitts in einer Umfangsrichtung um den Lichtkanal vom Düsenmund ausgehend zum Flanschabschnitt hin zu. Dies kann damit korrelieren, dass ein Querschnitt des Lichtkanals zum Flanschabschnitt hin zunimmt, wodurch die entsprechende Fläche des Absorptionsabschnitts ebenfalls zu nehmen kann. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass Ausstrahlungen im proximalen Bereich abgefangen werden, was weiter zum Wärmemanagements in Form von einem Schutz der Laseroptik beiträgt.
In einer Ausführungsform ist die Strahldüse gegenüber dem Werkstück neigbar, sodass eine Absorption der Reflexionstrahlung durch den Absorptionsabschnitt mittels einer Neigung steuerbar ist. Die Ausrichtung des Laserstrahls relativ zur Strahldüse kann konstant sein. Somit kann durch die Neigung der Strahldüse der Ausfallswinkel der Reflexionstrahlung eingestellt werden. Die Neigung kann mit dem Absorptionsabschnitt in Wechselwirkung stehen, um einen möglichst großen Teil der Reflexionstrahlung von dem Absorptionsabschnitt zu erfassen.
In einer Ausführungsform ist der Absorptionsabschnitt mit einer absorbierenden Beschichtung versehen. Diese kann dazu beitragen, dessen Wärmebelastbarkeit zu erhöhen. Sie kann auch die Wärmeleitfähigkeit des Absorptionsabschnitts erhöhen. Dies trägt dazu bei, dass der Absorptionsabschnitt auch bei erhöhte Reflexionstrahlung keinen Schaden nimmt. In einer Ausführungsform ist die Strahldüse mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere mittels Pulverbett-Schmelzen, hergestellt. Hierfür kann die Strahldüse aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, weiter insbesondere einer Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung, bestehen. Diese eignet sich für die additive Fertigungsverfahren einerseits und gewährleistet andererseits eine ausreichende Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Wärmebeständigkeit, um den Prozessanforderungen standzuhalten. Beim Pulverbett-Schmelzen ist der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform vorhanden. Ein Laserstrahl erhitzt das Pulver entlang der vorgesehenen Geometrie, wodurch sich das Pulver verflüssigt und stoffschlüssig verbindet. Das Pulverbett-Schmelzen kann beispielsweise als Selective Laser Melting („SLM“) oder als Selektives Lasersintern („SLS“) ausgeformt sein.
In einer Ausführungsform weist der Düsenmund eine Anschrägung auf, durch die ein Teil des Düsenmunds abgeschnitten ist, wobei die Anschrägung im Wesentlichen flächig ausgestaltet ist und in einer Ebene verläuft, die gegenüber der Längsrichtung der Strahldüse geneigt ist. Die Anschrägung kann den Pulverabschnitt und den pulverabschnittfreien Vorschubabschnitt in der Umfangsrichtung um den Lichtkanal abschneiden. Die Anschrägung verringert das Volumen des Düsenmunds gegenüber der Ausführungsform, in der keine Anschrägung vorgesehen ist. So nimmt der Düsenmund einen verringerten Bauraum ein. Die Strahldüse mit der Anschrägung kann beispielsweise herangezogen werden, um eine Bremsscheibe zu beschichten, die eine Aufnahme aufweist, die gegenüber der zu beschichtenden Funktionsfläche axial hervorsteht. Die Anschrägung stellt sicher, dass die Strahldüse flexibel auf der zu beschichtenden Funktionsfläche beweglich ist und nahe an die Aufnahme herangefahren werden kann. Die Anschrägung kann im distalen Bereich nach Art einer Passante an dem Langloch verlaufen. Die Passante definiert die Orientierung der Anschrägung an dem Düsenmund. Die Passante verläuft in der dem Werkstück zugewandten Stirnfläche der Strahldüse entlang einer Gerade oder eines Bogens, die bzw. der das Langloch weder schneidet noch berührt. Der Abstand der Passante von dem Mittelpunkt des Lichtkanals ist größer als der Abstand des entsprechenden Abschnitts des Langlochs von dem Mittelpunkt des Lichtkanals. Der Abstand zwischen der Passante und einer Außenkante des Langlochs ist derart gewählt, dass die dazwischenliegende Wandstärke eine ausreichende Festigkeit und Beanspruchbarkeit der Strahldüse gewährleistet.
Die Offenbarung betrifft in einer Ausführungsform ferner ein System mit einer offenbarungsgemäßen Strahldüse und einem Werkstück. Die Strahldüse ist gegenüber dem Werkstück derart geneigt, dass eine Längsachse des Lichtkanals, entlang der der Laserstrahl verläuft, von einem Lot der Werkstückoberfläche abweicht, sodass eine Absorption der Reflexionstrahlung durch den Absorptionsabschnitt erhöht ist. Die Neigung kann durch eine Relativbewegung der Strahldüse zum Werk- stück oder des Werkstücks zu Strahldüse realisiert werden. Beispielsweise kann eine Werkstückauflage gegenüber der Strahldüse geneigt sein. Die Neigung ist an die Position des Absorptionsabschnitts angepasst.
In einer Ausführungsform beträgt die Neigung der Strahldüse gegenüber dem Werkstück zwischen 2° und 45°, insbesondere zwischen 3° und 10°. Es hat sich herausgestellt, dass bei diesen Neigungswinkeln ein idealer Kompromiss aus Aufnahme der Reflexionstrahlung über den Absorptionsabschnitt und Schweißverhalten das Laserauftragschweißen erzielt wird.
In einer Ausführungsform ist die Strahldüse dazu angepasst, den Laserstrahl entlang der Längsrichtung der Strahldüse zu führen, sodass der zumindest eine Laserstrahl orthogonal zur Querschnittsfläche verläuft. Ferner kann der Lichtkanal dazu angepasst sein, an einem radial äußeren Abschnitt ein Schutzgas zur Abschirmung einer Prozesszone zu führen.
Die offenbarungsgemäßen Merkmale tragen teils für sich, teils in Kombination zur Überwindung der eingangs angeführten Unzulänglichkeiten beim Laserauftragschweißen bei.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Strahldüse bei einem Laserauftragschweißen;
Figur 2 eine Strahldüse in einer Seitenansicht;
Figur 3 die Strahldüse aus Figur 2 in einer perspektivischen Ansicht;
Figur 4 die Strahldüse aus Figur 2 verbunden mit weiteren Komponenten;
Figur 5 die Strahldüse aus Figur 2 in einer Draufsicht auf einen distalen Bereich;
Figur 6 die Strahldüse aus Figur 2 in einer Draufsicht auf einen Flanschabschnitt;
Figur 7 eine weitere perspektivische Ansicht der Strahldüse aus Figur 2;
Figur 8 eine perspektivische Schnittansicht der Strahldüse aus Figur 2;
Figur 9 eine weitere perspektivische Schnittansicht der Strahldüse aus Figur 2; Figur 10 eine weitere Schnittansicht der Strahldüse und des Werkstücks;
Figur 11 eine weitere perspektivische Schnittansicht der Strahldüse mit einer angewinkelten Stirnseite;
Figur 12 eine Längsschnittansicht durch eine Strahldüse mit einem glatten Innenendabschnitt;
Figur 13 die Strahldüse mit einer Prozessgaseinheit in einer Draufsicht auf den distalen Bereich;
Figur 14 eine weitere Ausführungsform der Strahldüse mit einem geometrisch angepassten Düsenmund in einer Seitenansicht; und
Figur 15 eine weitere Ausführungsform der Strahldüse mit einem geometrisch angepassten Düsenmund in einer Draufsicht.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
Figur 1 zeigt eine Strahldüse 1 zum Laserauftragschweißen entlang einer Vorschubrichtung 2. Die Vorschubrichtung 2 ist die Richtung, entlang der sich die Strahldüse 1 relativ zu einem Werkstück 100 bewegt. Sie kann aus einer Bewegung, insbesondere einer Rotationsbewegung, des Werkstücks 100, aus einer Bewegung der Strahldüse 1 oder aus einer Überlagerung einer Bewegung des Werkstücks 100 und der Strahldüse 1 resultieren. Die Vorschubrichtung 2 und die korrelierende Vorschubbewegung können über den Prozessverlauf konstant sein. Alternativ können sie mit dem jeweiligen Prozessstadium variieren. Bei dem Werkstück 100 kann es sich um ein rotationssymmetrisches Werkstück, wie eine Bremsscheibe, einen Hydraulikzylinder, eine Druckwalze oder ein Gleitlager handeln. Aus einem Lichtkanal 3 mit einer Mantelfläche 4 tritt zumindest ein Laserstrahl 110 aus. Der Lichtkanal 3 kann zudem dazu angepasst sein, an einem radial äußeren Abschnitt ein Prozessschutzgas 150 zur Abschirmung einer Prozesszone und zur Vermeidung einer Oxidation zu führen. Der Lichtkanal 3 ist von einer Außenstruktur 5 umgeben, die einen Düsenmund 6 aufweist, der wiederum eine Pulvereinheit 7 beinhaltet. Die Pulvereinheit 7 kann beispielsweise eine Mehrzahl an Injektorführungen 19 aufweisen (siehe Figur 3), in die jeweils ein Pulverinjektor 16 (dazu Figur 4) einsetzbar ist. Alternativ zu den einzelnen Injektorführungen 19 kann die Pulvereinheit 7 einen Pulverringspaltkanal aufweisen. Über die Pulvereinheit 7 und die darin angeordneten Pulverinjektoren 16 wird ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff 120 auf das Werkstück 100 gerichtet. Der Laserstrahl 110 erwärmt das Werkstück 100 derart, dass sich an einer Werkstoffoberfläche ein Schmelzbad 130 ausbildet. Zudem erwärmt der Laserstrahl 110 den pulverförmigen Zusatzwerkstoff 120, der Hartstoffpartikel und einen Matrixwerkstoff aufweist. Hierfür kann der Laserstrahl 110 eine verringerte Kernintensität aufweisen. Sobald das Schmelzbad 130 abkühlt, bildet sich eine aufgeschweißte Funktionsschicht 140, beispielsweise eine Verschleißschutzschicht, aus den Hartstoffpartikeln und dem Matrixwerkstoff. Die aufgeschweißte Funktionsschicht 140 macht die Werkstoffoberfläche widerstandsfähiger und erhöht deren Belastbarkeit.
Figur 2 zeigt die Strahldüse 1 in einer Seitenansicht, bei der die Vorschubrichtung 2 aus der Zeichenebene heraus zeigt. Die Strahldüse 1 ist über einen Flanschabschnitt 9 mit weiteren Komponenten eines Lasersystems, wie beispielsweise einer Laseroptik oder einem Prozessadapter, koppelbar. An den Flanschabschnitt 9 schließt sich ein proximaler Bereich 10 an. Ein Kühlmitteleinlass 13 und ein Kühlmittelauslass 14, die ein Teil eines Kühlsystems der Strahldüse 1 sind und die radial von der Strahldüse 1 hervorstehen, können zumindest teilweise in dem proximalen Bereich 10 vorgesehen sein. An dem dem proximalen Bereich 10 gegenüberliegenden Ende der Strahldüse 1 ist ein distaler Bereich 8 ausgeformt. Der distale Bereich ist Bestandteil des trichterförmigen Düsenmunds 6. Dieser weist in einer Umfangsrichtung um den Lichtkanal 3 abschnittsweise einen Pulverabschnitt 11 auf, in dem die Pulvereinheit 7 angeordnet ist. An den Pulverabschnitt 11 schließt sich in der Umfangsrichtung ein pulvereinheitfreier Vorschubabschnitt 12 an. Der Vorschubabschnitt 12 kann als Prozessgasabschnitt 61 (siehe beispielsweise Figur 9) ausgestaltet sein, der Bestandteil einer Prozessgaseinheit 60 ist.
Figur 3 zeigt die Strahldüse aus Figur 2 in einer perspektivischen Ansicht. Der Lichtkanal 3 ist ein hohler Kanal mit der Mantelfläche 4, innerhalb dessen der zumindest eine Laserstrahl 110 verläuft. Die Außenstruktur 5 umgibt den Lichtkanal 3 von dem Flanschabschnitt 9 bis zum distalen Bereich 10. Der Düsenmund 6 ist ein im Wesentlichen trichterförmiger Bereich der Strahldüse 1 . Die T rich- terform des Düsenmunds 6 dient unter anderem dazu, dass der Düsenmund 6 im Bereich der Pulvereinheit 7 die Mehrzahl an Injektorführungen 19 ausbilden kann. In diese Injektorführungen 19 wird jeweils ein Pulverinjektor 16 (siehe Figur 4) eingesetzt, der den pulverförmigen Zusatzwerkstoff 120 prozessgerecht auf den zumindest einen Laserstrahl 110 und/oder das Werkstück 100 richtet. Die Pulvereinheit 7 erstreckt sich entlang des Pulverabschnitts 11 , an den sich in der Umfangsrichtung der pulvereinheitfreie Vorschubabschnitt 12 anschließt. Der Vorschubabschnitt 12 ist der Be- reich des Düsenmunds 6, in dem keine Injektorführungen 19 vorgesehen sind, sodass über diesen kein pulverförmiger Zusatzwerkstoff 120 zugeführt wird. In einer Ausführungsform kann der Vorseh ubabschnitt 12 als Prozessgasabschnitt 61 ausgeformt sein, sodass über diesen ein Prozessgas zugeführt wird. Die Strahldüse 1 kann mittels additiver Fertigungsverfahren, insbesondere mittels Pulverbett-Schmelzen, hergestellt sein. Hierfür kann die Strahldüse 1 aus einer Kupfer-Chrom- Zirkonium-Legierung bestehen. Diese eignet sich für die additive Fertigungsverfahren einerseits und gewährleistet andererseits eine ausreichende Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Wärmebeständigkeit, um den Prozessanforderungen standzuhalten. Beim Pulverbett-Schmelzen ist der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform vorhanden. Ein Laserstrahl erhitzt das Pulver entlang der vorgesehenen Geometrie, wodurch sich das Pulver verflüssigt und stoffschlüssig verbindet. Das Pulverbett-Schmelzen kann beispielsweise als Selective Laser Melting („SLM“) oder als Selektives Lasersintern („SLS“) ausgeformt sein.
Figur 4 zeigt die Strahldüse 1 , an der zusätzliche Komponenten angebracht sind. So ist an den Flanschabschnitt 9 ein Kopplungsring 15 angeschlossen, der die Strahldüse 1 an der angeschlossenen Einheit, beispielsweise der Laseroptik oder dem Prozessadapter, befestigt. In die Injektorführungen 19 der Pulvereinheit 7 sind Pulverinjektoren 16 eingesetzt. Mittels der Pulverinjektoren 16 wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff 120 gefördert und mit dem vorgesehenen Fokus auf das Werkstück 100 appliziert. Die einzelnen Pulverinjektoren 16 können zueinander unterschiedliche Pulverfoki anwenden. Alternativ können die Pulverinjektoren 16 auf denselben Fokuspunkt gerichtet sein. Die Pulverinjektoren 16 sind in die dafür vorgesehenen Injektorführungen 19 der Pulvereinheit 7 im Pulverabschnitt 11 angeordnet. Der Vorschubabschnitt 12 ist frei von Pulverinjektoren 16. In den Kühlmitteleinlass 13 ist ferner ein Zulaufstutzen 17 und in den Kühlmittelauslass 14 ein Ablaufstutzen 18 eingesetzt. Diese verbinden den Kühlmitteleinlass 13 und den Kühlmittelauslass 14 mit einem Kühlmittelkreislauf.
Figur 5 zeigt die Strahldüse 1 in einer Draufsicht auf den distalen Bereich 8. Die orthogonal zur Längsrichtung der Strahldüse 1 verlaufende Querschnittsfläche des Lichtkanals 3 weicht von einer Kreisform ab und ist in der Vorschubrichtung 2 gestreckt. In dem distalen Bereich 8 ist die Querschnittsfläche des Lichtkanals 3 nach Art eines Langlochs ausgestaltet, bei dem sich an zwei gegenüberliegenden Enden eines rechteckigen Abschnitts jeweils ein Teilkreisabschnitt anschließt. Innerhalb des Lichtkanals 3 sind zwei Laserstrahle geführt, ein Primärstrahl 111 und ein Sekundärstrahl 112. Der Primärstrahl 111 und der Sekundärstrahl 112 können auf dasselbe Lichtleitkabel zurückgehen. Ein bereitgestelltes Laserlicht kann über eine Kollimationslinse in ein parallel gerichtetes Strahlbündel aufgeteilt werden. Das Strahlbündel kann beispielsweise durch eine Keilplatte aus einem einzelnen Laserstrahl den Primärstrahl 111 und den Sekundärstrahl 112 formen. Die jeweiligen Mittelpunkte des Primärstrahls 111 und des Sekundärstrahls 1 12 liegen in der Vorschubrichtung 2 in einer Linie versetzt zu einem Mittelpunkt 20 des Lichtkanals 3.
Vorliegend liegt der Sekundärstrahl 1 12 in der Vorschubrichtung 2 vor dem Primärstrahl 111 und interagiert nicht mit einer Pulverkaustik. Der Sekundärstrahl 112 kann somit genutzt werden, um das Werkstück 100 vorzuwärmen, bevor der Primärstrahl 111 und der von dem Primärstrahl 111 erwärmte pulverförmige Zusatzwerkstoff 120 auf das Werkstück 100 treffen. Der Sekundärstrahl 112 bewirkt somit eine erste Prozesszone, die zur Vorwärmung des Werkstücks 100 dient und der Primärstrahl 11 1 bewirkt eine zweite Prozesszone, die zum Aufschweißen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs 120 auf das Werkstück 100 dient. Diese unterschiedlichen Prozesszonen ermöglichen eine fehlerfreie Schweißung, bei der keine Unzulänglichkeiten, insbesondere keine Bindefehler, Poren, Risse und/oder Auflösungen von Karbiden in dem Matrixmaterial, auftreten. Es ist auch möglich, den Sekundärstrahl 112 in der Vorschubrichtung 2 nach dem Primärstrahl 111 zu führen. Somit kann der Sekundärstrahl 112 dafür genutzt werden, das Werkstück 100 nachzuwärmen und somit zu einer gleichmäßigeren Abkühlung beizutragen, die das Auftreten von Einschließungen oder anderen Unzulänglichkeiten unterbindet.
Der Primärstrahl 111 und der Sekundärstrahl 112 sind in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Der in der Vorschubrichtung 2 vordere Teilkreisabschnitt des Langlochs ist konzentrisch zum Sekundärstrahl 112, während der hintere Teilkreisabschnitt des Langlochs konzentrisch zum Primärstrahl 1 11 ist. Ein Flächenmittelpunkt der Querschnittsfläche ist exzentrisch zu einem Mittelpunkt des Primärstrahls 11 1 und zu einem Mittelpunkt des Sekundärstrahls 112. Es kann ferner ein Tertiärstrahl vorgesehen sein, sodass beispielsweise der Sekundärstrahl in der Vorschubrichtung vor dem Primärstrahl angeordnet ist und der Tertiärstrahl in der Vorschubrichtung nach dem Primärstrahl angeordnet ist. Die einzelnen Laserstrahlen sind zueinander abschirmungsfrei geführt, sodass es genau einen Lichtkanal 3 mit genau einer Mantelfläche 4 gibt, was minimale thermische Verluste bedingt.
Dadurch, dass der Primärstrahl 11 1 in Figur 5 in der Vorschubrichtung 2 radialversatzfrei hinter dem Sekundärstrahl 112 angeordnet ist und der Sekundärstrahl 112 zur Vorwärmung des Werkstücks dient, ist es wünschenswert, dass der pulverförmige Zusatzwerkstoff nicht mit dem Sekundärstrahl 112 interagiert. Somit wird gewährleistet, dass einerseits der Sekundärstrahl 1 12 ausschließlich der Funktion der Vorwärmung des Werkstücks nachgehen kann und andererseits der pulverförmige Zusatzwerkstoff nur von dem Primärstrahl 111 und nicht von dem Sekundärstrahl 112 erwärmt wird. Dies wird erreicht, indem die Strahldüse 1 im Bereich des Düsenmunds 6 die Pulver- einheit 7 derart ausgeformt, dass sie in der Umfangsrichtung um den Lichtkanal 3 den Pulverabschnitt 11 bildet, an den sich in der Umfangsrichtung der pulvereinheitfreie Vorschubabschnitt 12 anschließt. Neben der Pulvereinheit 7 kann auch die Prozessgaseinheit 60 ausgeformt sein, die den Prozessgasabschnitt 61 bildet, in welchem Fall der Vorschubabschnitt 12 als Prozessgasabschnitt 61 ausgeformt ist. Der Vorschubabschnitt 12 ist in einem der Vorschubrichtung 2 zugewandten Bereich des Düsenmunds 6 ausgebildet. Der Pulverabschnitt 11 erstreckt sich entlang des Langlochs, das die Querschnittsfläche des Lichtkanals 3 im distalen Bereich 8 ausgeformt. Analog zu einem Kreisbogen erstreckt sich der Pulverabschnitt 11 entlang eines Langlochbogens, insbesondere hufeisenförmig, um den Lichtkanal 3. Der Pulverabschnitt 11 erstreckt sich in der Umfangsrichtung daher um den Lichtkanal 3 um einen Umschlingungswinkel kleiner als 360°, insbesondere zwischen 90° und 330°, weiter insbesondere zwischen 180° und 300°, bezogen auf einen Mittelpunkt des Lichtkanals. Somit wird erreicht, dass der pulverförmige Zusatzwerkstoff, der aus den Injektoren 16, die in den Injektorführungen 19 eingesetzt sind, ausströmt, nur mit dem Primärstrahl 111 interagiert. Der Sekundärstrahl 1 12 kann somit eine von dem Primärstrahl 111 unabhängige Prozesszone ausbilden. Der Pulverabschnitt 11 und der Vorschubabschnitt 12 bilden in der Draufsicht eine Langlochform. Dies trägt weiter dazu bei, die eingangs identifizierten Unzulänglichkeiten zu verringern oder zu vermeiden.
Figur 6 zeigt die Strahldüse 1 in einer Draufsicht auf den Flanschabschnitt 9. Die orthogonal zur Längsrichtung der Strahldüse 1 verlaufende Querschnittsfläche des Lichtkanals 3 weicht auch im Bereich des Flanschabschnitts 9 von einer Kreisform ab und ist in der Vorschubrichtung 2 gestreckt. Die Streckung der Querschnittsfläche kann von dem distalen Bereich 8 zum Flanschabschnitt 9 abnehmen. Im Bereich des Düsenmunds 6 kann die Querschnittsfläche derart gestreckt sein, dass sie in der Vorschubrichtung zumindest 1 ,5-fach, insbesondere zumindest doppelt so groß ist wie quer zur Vorschubrichtung. Der Flanschabschnitt 9 weist eine solche radiale Ausdehnung auf, dass die Injektorführungen 19 aus der Draufsicht auf den proximalen Bereich 10 nicht sichtbar sind.
Figur 7 zeigt die Strahldüse 1 in einer weiteren perspektivischen Ansicht. Der Düsenmund 6 weist eine gewölbte Trichterform auf. Innerhalb der einzelnen Wölbungen sind die Injektorführungen 19 ausgeformt, in die die Pulverinjektoren 16 einsetzbar sind. In der Vorschubrichtung 2 ist der Lichtkanal von einer Kreisform abweichend gestreckt, um die offenbarungsgemäßen Vorteile zu erreichen. In der Umfangsrichtung um den Lichtkanal 3 weist der Düsenmund 6 die Pulvereinheit 7 auf. Diese erstreckt sich in der Umfangsrichtung um den Lichtkanal 3 entlang des Pulverabschnitts 11 , an den sich der pulverfreie Vorschubabschnitt 12 anschließt. Figur 8 zeigt eine perspektivische Schnittansicht der Strahldüse 1 . Der Lichtkanal 3 hat eine Konus- form, sodass die orthogonal zur Längsrichtung der Strahldüse 1 verlaufende Querschnittsfläche des Lichtkanals 3 im distalen Bereich 8 kleiner ist als in dem proximalen Bereich 10. Der Kühlmitteleinlass 13 und der Kühlmittelauslass 14 sind im proximalen Bereich 10 der Strahldüse 1 angeordnet und ragen in radialer Richtung von der Strahldüse 1 hervor. Figur 8 zeigt eine Injektorführungen 19 im Schnitt. Diese ist im Pulverabschnitt 11 angeordnet. Im Vorschubabschnitt 12 ist keine Injektorführung 19 zur Pulverstrahlführung vorgesehen. Die Strahldüse 1 weist ein Kühlsystem 30 auf. Über den Kühlmitteleinlass 13 in dem proximalen Bereich 10 wird einer radial inneren Kühlkammer 31 ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, zurückführt. Das Kühlmedium kann sich in dem proximalen Bereich 10 in der Umfangsrichtung um den Lichtkanal 3 verteilen. Von dem proximalen Bereich 10 verläuft das Kühlmedium zum Düsenmund 6. Die radial innere Kühlkammer 31 ist zumindest in dem Düsenmund 6 ausgebildet. Sie kann von dem distalen Bereich 8 bis zum proximalen Bereich 10 verlaufen und nach Art eines Ringspaltsegments, das sich umlaufend um Lichtkanal 3 erstreckt, ausgestaltet sein. Im Bereich des Düsenmunds 6 erstreckt sich die radial innere Kühlkammer 31 in der Umfangsrichtung umlaufend um den Lichtkanal 3. Die radial innere Kühlkammer 31 hat in der radialen Richtung im Bereich des Düsenmunds 6 eine konstante Breite und ist in einer orthogonal zu einer Längsrichtung der Strahldüse 1 verlaufenden Querschnittsfläche konzentrisch zum Lichtkanal 3.
In dem distalen Bereich 8 ist ein Übergang 32 zwischen der radial inneren Kühlkammer 31 und eine radial äußeren Kühlkammer 33 vorgesehen. Die radial äußere Kühlkammer 33 hat in der radialen Richtung im Bereich des Düsenmunds 6 eine zum distalen Bereich 8 hin abnehmende radiale Breite. Die radial äußere Kühlkammer 33 erstreckt sich von dem distalen Bereich 8 bis zu dem proximalen Bereich 10, wo sie dem Kühlmittelauslass 14 das erwärmte Kühlmittel zuführt. Der Übergang 32 zwischen der radial inneren Kühlkammer 31 und der radial äußeren Kühlkammer 33 ist in dem Vorseh ubabschnitt 12 angeordnet. Der Vorschubabschnitt 12 weist keine Injektorführungen 19 zur Pulverstrahlführung auf, wodurch genügend Bauraum für den Übergang 32 vorhanden ist.
Die radial äußere Kühlkammer 33 weist eine Kühlstruktur zur Oberflächenvergrößerung auf. Die Kühlstruktur kann mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein. Sie gewährleistet, dass das Kühlmedium bei der Rückführung von dem distalen Bereich 8 zum proximalen Bereich 10 mit möglichst viel Oberfläche in Kontakt gerät, um die Wärmeabfuhr zu begünstigen. Die Kühlstruktur ist daraufhin optimiert, möglichst geringe Druckverluste des Kühlmediums hervorzurufen. Dies kann durch eine Wabenstruktur 34, wie sie in Figur 8 gezeigt ist, erreicht werden. Figur 9 zeigt die Strahldüse 1 einem Absorptionsabschnitt 40. Dieser ist zur Aufnahme einer Reflexionstrahlung des Laserstrahls von dem Werkstück ausgebildet. Der Absorptionsabschnitt 40 erstreckt sich von dem distalen Bereich 8 bis zum proximalen Bereich 10. Er trägt somit dazu bei, die Laseroptik vor der Reflexionstrahlung zu schützen. Der Absorptionsabschnitt 40 hat eine gezackte Struktur. Diese formt eine dem distalen Bereich 8 zugewandte Absorptionsflächen aus. Der Absorptionsabschnitt ist im Bereich des Vorschubabschnitts 12 vorgesehen. Der Absorptionsabschnitt 40 kann aus demselben Material gebildet sein wie die verbleibende Strahldüse 1 . Er kann auch eine Beschichtung aufweisen. Die von dem Absorptionsabschnitt 40 aufgenommene Laserstrahlung kann von dem mit dem Absorptionsabschnitt 30 wechselwirkenden Kühlsystem 30 abgeführt werden.
In Figur 10 ist die Strahldüse 1 mit einem Werkstück 100 gezeigt. Entlang einer Längsachse 43 des Lichtkanals 3 erstreckt sich der Laserstrahl 110. Die Längsachse 43 des Lichtkanals 3 ist gegenüber einem Lot der Werkstückoberfläche 41 geneigt. Durch diese Neigung wird eine reflektierte Laserstrahlung 150 auf den Absorptionsabschnitt 40 gerichtet. Die Neigung der Längsachse 43 des Lichtkanals 3 gegenüber dem Lot der Werkstückoberfläche 41 ist derart gewählt, dass der Absorptionsabschnitt 40 möglichst viel reflektierte Laserstrahlung aufnimmt. Die Neigung beträgt zwischen 2° und 20°, insbesondere zwischen 3° und 10° ist. Um die Neigung zu erreichen, ist es möglich, die Strahldüse 1 gegenüber dem Werkstück 100 zu neigen oder das Werkstück 100 gegenüber der Strahldüse 1 zu neigen. Eine Oberflächenrauigkeit der Absorptionsflächen des Absorptionsabschnitts 40 beträgt zwischen 5 pm und 100 pm, insbesondere zwischen 50 pm und 50 pm. Der Absorptionsabschnitt 40 kann auch mit einer die Absolvierung fördernden absorbieren Beschichtung versehen sein.
Figur 11 zeigt die Strahldüse 1 , bei der eine Stirnseite 42 der Strahldüse 1 gegenüber der Längsachse 43 des Lichtkanals 3 angewinkelt verläuft, sodass die Stirnseite 42 planparallel zum Werkstück 100 verläuft. Somit ist ein Abstand von dem Düsenmund 6 zum Werkstück 100 erhöht. Dies verringert die thermische Belastung des Düsenmunds 6. Zudem ermöglicht die angewinkelte Stirnseite 42 eine verbesserte Schutzgasabdeckung des Werkstücks 100. Denn die planparallele Fläche der Stirnseite 42 ermöglicht ein orthogonal zum Werkstück 100 austretenden Schutzgasstrom.
Figur 12 zeigt eine Längsschnittansicht durch eine Strahldüse 1 mit einem glatten Innenendabschnitt 44. Die Strahldüse 1 kann einen glatten Innenendabschnitt 44 als distale Mantelfläche des Lichtkanals 3 ausbilden. Der glatte Innenendabschnitt 44 ermöglicht eine bessere Reinigung des inneren Düsenmunds 6. Proximal von dem glatten Innenendabschnitt 44 erstreckt sich der Absorptionsabschnitt 40. Der Absorptionsabschnitt 40 kann sich ferner entlang der Umfangsrichtung um den Lichtkanal 3 vollständig, mithin 360° erstrecken. Somit ist die Absorptionsfähigkeit der Strahldüse 1 nicht auf eine bestimmte Vorschubrichtung angewiesen.
In Figur 12 ist an einem hinteren Bereich in der Vorschubrichtung 2 die Pulvereinheit 7 vorgesehen, die den Pulverabschnitt 1 1 ausbildet und durch die sich die Injektorführungen 19 erstrecken. Die Injektorführungen 19 sind dazu angepasst, jeweils einen Pulverinjektor 16 aufzunehmen. An einem vorderen Bereich in der Vorschubrichtung 2 kann die Prozessgaseinheit 60 vorgesehen sein, die den Prozessgasabschnitt 61 ausbildet und durch die sich Verteilungsarme für das Prozessgas erstrecken. Ein Verteilungsarm kann einen zusätzlichen Injektor aufnehmen. Alternativ wird das Prozessgas unmittelbar von den Verteilungsarmen zur Werkstoffoberfläche gerichtet. Die Verteilungsarme weisen entlang ihrer Längsrichtung eine geschwungene Form auf. Die Strahldüse 1 weist das Kühlsystem 30 mit der radial inneren Kühlkammer 31 und der radial äußeren Kammer 33 auf. Durch die Ausgestaltung des Vorschubabschnitt 12 als Prozessgasabschnitt umgibt die radial äußere Kühlkammer 33 im in der Vorschubrichtung 2 vorderen Bereich des Düsenmunds 6 die Verteilungsarme 24. Das Prozessgas kann insofern zum Wärmemanagement der Strahldüse 1 beitragen.
Figur 13 zeigt die Strahldüse 1 in einer Draufsicht auf den distalen Bereich 8. Innerhalb des Lichtkanals 3 sind der Primärstrahl 111 und der Sekundärstrahl 112 geführt. Der Sekundärstrahl 1 12 ist in der Vorschubrichtung 2 vor dem Primärstrahl 111 und interagiert nicht mit einer Pulverkaustik, wie im Zusammenhang mit Figur 5 näher beschrieben ist. Bei der Wechselwirkung der Laserstrahlen mit der Werkstoffoberfläche und dem Pulverstrahl kann sich zwischen der Strahldüse 1 und dem Werkstück 100 eine Dampffackel ausbilden. Sofern diese nicht eingedämmt wird, kann sie in unerwünschter Weise mit dem zumindest einen Laserstrahl und/oder der unbearbeiteten und/oder der bearbeiteten Werkstoffoberfläche wechselwirken. In dem an den Pulverabschnitt 11 anschließenden Bereich kann daher der Vorschubabschnitt 12 als Prozessgasabschnitt 61 ausgebildet sein. Dieser wird von der radial außerhalb des Lichtkanals 3 angeordneten Prozessgaseinheit 60 gebildet, die das Prozessgas auf das Werkstück ausrichtet. Der Prozessgasabschnitt 61 kann eine unerwünschte Ausbreitung der Dampffackel verhindern und somit zur präzisen Werkstückbearbeitung bei robuster Strahldüsenausgestaltung beitragen. Der Prozessgasabschnitt 61 kann zumindest eine, vorliegend sind es drei, Austrittsöffnung 62 ausbilden. Die Austrittsöffnungen 62 sind an einer Stirnseite der Strahldüse 1 ausgebildet. In die jeweilige Austrittsöffnung 62 kann ein zusätzlicher Injektor zur Zuführung des Prozessgases ohne Zusatzwerkstoff eingesetzt sein. Ein Innendurchmesser der Austrittsöffnung 62 kann geringer sein als ein Innendurchmesser der Injektorführungen 19. Der Prozessgasabschnitt 61 beugt ferner eine Anhaftung von Pulverpartikeln an der Stirnseite der Strahldüse 1 vor. Insofern erhöht der Prozessgasabschnitt 61 auch die Lebensdauer der Strahldüse 1 . Der Prozessgasabschnitt 61 und der Pulverabschnitt 11 können umlaufend um das von dem Lichtkanal 3 gebildete Langloch herum vorgesehen sein. Somit sind der Primärstrahl 111 und der Sekundärstrahl 112 vollständig innerhalb der Strahlen, die sich aus dem Pulverstrahl und dem Prozessgasstrahl zusammensetzen.
Figur 14 zeigt eine weitere Ausführungsform der Strahldüse 1 . Der Düsenmund 6 hat eine Anschrägung 50, durch die ein Teil des Düsenmunds 6 abgeschnitten ist. Die Anschrägung 50 bewirkt, dass der Pulverabschnitt 11 und der pulverabschnittfreie Vorschubabschnitt 12 in der Umfangsrichtung um den Lichtkanal 3 abgeschnitten sind. Die Anschrägung 50 verringert das Volumen des Düsenmunds 6 gegenüber der Ausführungsform, in der keine Anschrägung 50 vorliegt. So ist gewährleistet, dass der Düsenmund 6 einen verringerten Bauraum einnimmt. Die Strahldüse 1 mit der Anschrägung 50 kann beispielsweise herangezogen werden, um eine Bremsscheibe zu beschichten. Die Bremsscheibe kann eine Aufnahme aufweisen, die gegenüber der zu beschichtenden Funktionsfläche axial hervorsteht. Die Anschrägung 50 stellt sicher, dass die Strahldüse 1 flexibel auf der zu beschichtenden Funktionsfläche beweglich ist und nahe an die Aufnahme herangefahren werden kann. Die Anschrägung 50 kann im Wesentlichen flächig ausgestaltet sein und in einer Ebene verlaufen, die gegenüber der Längsrichtung der Strahldüse geneigt ist. Die Anschrägung 50 stellt eine Grenzfläche des Düsenmunds 6 dar, in der keine Pulvereinheit 7 vorgesehen ist. Im distalen Bereich 8 ist die Anschrägung 50 so nahe am Lichtkanal 3 angeordnet, dass an einer dem Werkstück zugewandten Stirnfläche der Strahldüse 1 im Bereich der Anschrägung 50 keine Injektorführungen 19 vorgesehen sind.
Figur 15 zeigt die Strahldüse 1 mit der Anschrägung 50 in einer Draufsicht. Die Anschrägung 50 kann im distalen Bereich 8 nach Art einer Passante 51 an dem Langloch verlaufen. Die Passante 51 definiert die Orientierung der Anschrägung 50 an dem Düsenmund 6. Die Passante 51 verläuft in der dem Werkstück zugewandten Stirnfläche der Strahldüse 1 entlang einer Gerade oder eines Bogens, die bzw. der das Langloch weder schneidet noch berührt. Der Abstand der Passante 51 von dem Mittelpunkt 20 des Lichtkanals 3 ist größer als der Abstand des entsprechenden Abschnitts des Langlochs von dem Mittelpunkt 20 des Lichtkanals 3. Der Abstand zwischen der Passante 51 und einer Außenkante des Langlochs ist derart gewählt, dass die dazwischenliegende Wandstärke eine ausreichende Festigkeit und Beanspruchbarkeit der Strahldüse 1 gewährleistet.
Die Orientierung der Passante 51 und somit die Orientierung der Anschrägung 50 an dem Düsenmund 6 kann für verschiedene Strahldüsen 1 abhängig von dem jeweiligen Anwendungsgebiet variiert werden. Beispielsweise kann die Passante 51 in der Vorschubrichtung 2 verlaufen. In diesem Fall verläuft die Passante 51 entlang der Streckung der Querschnittsfläche des Lichtkanals 3. Die Passante 51 verläuft somit entlang der langen Seite des Langlochs. Alternativ kann die Passan- te 51 beispielsweise quer zur Vorschubrichtung 2 verlaufen. In diesem Fall verläuft die Passante 51 quer zu der Streckung der Querschnittsfläche des Lichtkanals 3. Die Passante 51 verläuft somit entlang der Teilkreisabschnitt des Langlochs. Weiter alternativ kann die Passante 51 beispielsweise in einem Winkel zur Vorschubrichtung 2 verlaufen, der zwischen einem Verlauf entlang der Vorschubrichtung 2 und quer zur Vorschubrichtung 2 liegt. In diesem Fall verläuft die Passante 51 entlang des Übergangsabschnitts zwischen der langen Seite des Langlochs und dem Teilkreisabschnitt des Langlochs. Der Verlauf der Passante 51 gibt die Orientierung der Anschrägung 50 vor.
In der Ausführungsform in Figur 15 sind an der Stirnseite der Strahldüse Austrittsöffnungen 62 vor- gesehen. Aus diesen tritt das Prozessgas aus der Prozessgaseinheit 60 aus. Vorliegend ist die
Anschrägung 50 dergestalt, dass der von ihr abgeschnittene Anteil des Düsenmunds 6 vollständig aus dem Pulverabschnitt 11 stammt, so dass sich der Winkel, entlang dem sich der Pulverabschnitt 11 erstreckt, von der Anschrägung 50 verringert ist, während der Winkel, entlang dem sich die Prozessgaseinheit 60 erstreckt, im Wesentlichen gleich bleibt. Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezuqszeichenliste
1 Strahldüse 25 32 Übergang
2 Vorschubrichtung 33 radial äußere Kühlkammer
3 Lichtkanal 34 Wabenstruktur 4 Mantelfläche 35 Stiftstruktur
5 Außenstruktur 40 Absorptionsabschnitt
6 Düsenmund 30 41 Lot der Werkstückoberfläche
7 Pulvereinheit 42 Stirnseite
8 distalen Bereich 43 Längsachse des Lichtkanals 9 Flanschabschnitt 44 Innenendabschnitt
10 proximalen Bereich 50 Anschrägung
11 Pulverabschnitt 35 51 Passante
12 Vorschubabschnitt 60 Prozessgaseinheit
13 Kühlmitteleinlass 61 Prozessgasabschnitt 14 Kühlmittelauslass 62 Austrittsöffnung
15 Kopplungsring
16 Pulverinjektor 40 100 Werkstück
17 Zulaufstutzen 110 Laserstrahl
18 Ablaufstutzen 111 Primärstrahl 19 Injektorführung 112 Sekundärstrahl
20 Mittelpunkt des Lichtkanals 120 pulverförmiger Zusatzwerkstoff
21 erster Pulverfokus 45 130 Schmelzbad
30 Kühlsystem 140 Funktionsschicht
150 reflektierte Laserstrahlung
31 radial innere Kühlkammer

Claims

Ansprüche
1. Strahldüse (1) zum Laserauftragschweißen entlang einer Vorschubrichtung (2), aufweisend einen Lichtkanal (3) zur Führung zumindest eines Laserstrahls, der auf ein Werkstück gerichtet ist; und eine den Lichtkanal (3) zumindest abschnittsweise umgebende Außenstruktur (5), die sich von einem Flanschabschnitt (9) bis zu einem von einem Düsenmund (6) gebildeten distalen Bereich (8), aus dem der Laserstrahl austritt, erstreckt; wobei der Lichtkanal (3) einen Absorptionsabschnitt (40) zur Aufnahme einer Reflexionstrahlung des Laserstrahls von dem Werkstück ausbildet.
2. Strahldüse (1) nach Anspruch 1 , wobei sich der Absorptionsabschnitt (40) von oberhalb des distalen Bereichs (8) bis zu einem proximalen Bereich (10) erstreckt, der an den Flanschabschnitt (9) angrenzt.
3. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Absorptionsabschnitt (40) eine gezackte Struktur aufweist, die dem distalen Bereich (8) zugewandte Absorptionsflächen ausbildet.
4. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Außenstruktur (5) eine radial außerhalb des Lichtkanals (3) angeordnete Pulvereinheit (7) zur Führung zumindest eines Pulverstrahls, der auf das Werkstück aufzutragen ist, gebildet ist, wobei die Pulvereinheit (7) an dem Düsenmund (6) in einer Umfangsrichtung um den Lichtkanal (3) einen Pulverabschnitt (11) bildet, an den sich in der Umfangsrichtung ein pulvereinheitfreier Vorschubabschnitt (12) anschließt.
5. Strahldüse (1) nach Anspruch 4, wobei der Absorptionsabschnitt (40) zumindest in dem Vorschubabschnitt (12), insbesondere in der Umfangsrichtung umlaufend, angeordnet ist.
6. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich der Absorptionsabschnitt (40) in einer Umfangsrichtung vollständig um den Lichtkanal (3) erstreckt.
7. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Längsachse (43) des Lichtkanals (3), entlang der der Laserstrahl verläuft, gegenüber einem Lot der Werkstückoberfläche (41) geneigt ist, um eine Absorption der Reflexionstrahlung durch den Absorptionsabschnitt (40) zu erhöhen.
8. Strahldüse (1) nach Anspruch 7, wobei eine Stirnseite (42) der Strahldüse (1) gegenüber der Längsachse (43) des Lichtkanals (3), entlang der der Laserstrahl verläuft, angewinkelt verläuft, sodass die Stirnseite (42) dazu vorgesehen ist, planparallel zu einer Werkstückoberfläche zu verlaufen.
9. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Fläche des Absorptionsabschnitts (40) in einer Umfangsrichtung um den Lichtkanal (3) vom Düsenmund (6) ausgehend zum Flanschabschnitt (9) hin zunimmt.
10. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahldüse (1) gegenüber dem Werkstück neigbar ist, sodass eine Absorption der Reflexionstrahlung durch den Absorptionsabschnitt (40) mittels einer Neigung steuerbar ist.
11 . Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Absorptionsabschnitt (40) mit einer absorbierenden Beschichtung versehen ist.
12. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist und insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, weiter insbesondere einer Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung, besteht.
13. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Düsenmund (6) eine Anschrägung (50) aufweist, durch die ein Teil des Düsenmunds
(6) abgeschnitten ist, wobei die Anschrägung (50) im Wesentlichen flächig ausgestaltet ist und in einer Ebene verläuft, die gegenüber der Längsrichtung der Strahldüse (1) geneigt ist.
14. System mit einer Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche und einem Werkstück (100), wobei die Strahldüse (1) gegenüber dem Werkstück (100) derart geneigt ist, dass eine Längsachse (43) des Lichtkanals (3), entlang der der Laserstrahl verläuft, von einem Lot der Werkstückoberfläche (41) abweicht, sodass eine Absorption der Reflexionstrahlung durch den Absorptionsabschnitt (40) erhöht ist.
15. System nach Anspruch 14, wobei die Neigung der Strahldüse (1) gegenüber dem Werkstück (100) zwischen 2° und 45°, insbesondere zwischen 3° und 10° ist.
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