EP4676676A1 - Strahldüse mit pulvereinheit und prozessgaseinheit - Google Patents

Strahldüse mit pulvereinheit und prozessgaseinheit

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Publication number
EP4676676A1
EP4676676A1 EP24710397.1A EP24710397A EP4676676A1 EP 4676676 A1 EP4676676 A1 EP 4676676A1 EP 24710397 A EP24710397 A EP 24710397A EP 4676676 A1 EP4676676 A1 EP 4676676A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
powder
process gas
jet nozzle
section
light channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24710397.1A
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 DE102023123703.9A external-priority patent/DE102023123703A1/de
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of EP4676676A1 publication Critical patent/EP4676676A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
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    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
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    • B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
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    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
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    • B23K2101/34—Coated articles ; Surface treated articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

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, for example.
  • LMD laser metal deposition
  • DMD direct metal deposition
  • DED direct energy deposition
  • HS-LMD high-speed laser cladding
  • EHLA extremely high-speed laser cladding
  • Another process for laser cladding is known from the Chinese patent application CN 109175372 A.
  • 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 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.
  • 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 a powder unit arranged radially outside the light channel for guiding at least one powder jet that is to be applied to the workpiece, the powder unit forming a powder section in a circumferential direction around the light channel.
  • the powder unit can be radially outside the light channel starting from the longitudinal direction of the jet nozzle and can be part of an external structure that surrounds the light channel.
  • the powder jet can guide a powdery additional material that consists of hard material particles, in particular carbides, and a matrix material.
  • the powder unit can be the part of the jet nozzle that is intended to guide the powdery additional material directly or indirectly.
  • the powder unit can have injector guides into which powder injectors can be inserted. It can also have an annular gap within which the powdery additional material is guided.
  • the powder unit forms a powder section in a circumferential direction around the light channel.
  • 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 has a 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 a 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 powder section can run at least in sections along an opening of the light channel.
  • the jet nozzle also has a process gas unit arranged radially outside the light channel for guiding a process gas, the process gas unit forming a process gas section in the circumferential direction.
  • the process gas unit can be located radially outside the light channel starting from the longitudinal direction of the jet nozzle and can be part of the external structure that surrounds the light channel.
  • the process gas can have a positive effect on the powder causticity and the workpiece processing caused by it.
  • the process gas unit can be the part of the jet nozzle that is intended to guide the process gas directly or indirectly.
  • the process gas unit can have injector guides into which additional injectors can be inserted. It can also have an annular gap within which the process gas is guided.
  • the process gas unit forms a process gas section in a circumferential direction around the light channel.
  • the process gas unit can be part of the nozzle mouth.
  • the process gas section can run at least partially along the opening of the light channel.
  • the process gas section can be the part of the process gas unit from which the process gas exits the jet nozzle.
  • the process gas section adjoins the powder section at the nozzle mouth in the circumferential direction.
  • the process gas section is thus immediately adjacent to the powder section in the circumferential direction.
  • the process gas can thus have a stabilizing effect on the powder caustic and the ongoing laser cladding.
  • the process gas section can adjoin the powder section in such a way that a transition takes place in the circumferential direction such that an interior is separated from the process gas section and the powder section from an exterior.
  • the separation can be such that as little fluid as possible is exchanged between the interior and the exterior. This can help to stabilize the process zones and simultaneously prevent the powder particles from sticking to one end of the jet nozzle, thus increasing the service life of the jet nozzle.
  • the jet nozzle can thus bring about increased variability (i) in the laser beam guidance, (ii) in the application of a powdered filler material, (iii) in the heat management, (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 laser cladding and zones for pre- and/or post-processing. In the zones for laser cladding, an interaction takes place between at least one laser beam and a powdered filler material.
  • the pre- and/or post-processing can be cleaning the material surface, preheating the material surface before the powdered filler material is applied, post-heating the material surface after the powdered filler material has been applied, or a combination thereof.
  • the laser beam can hit the workpiece without interacting with the powdered filler material.
  • the independent process zones can increase the welding quality and thus the resilience 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 cladding as well as the service life of the jet nozzle.
  • the jet nozzle can reduce the occurrence of fusion defects. This is because fusion 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 fusion defects, in particular by the process gas section, which is arranged in the circumferential direction next to the powder section, stabilizing the laser beam guidance and/or the powder caustic.
  • 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 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 pores, in particular by the process gas section, which is arranged in the circumferential direction next to the powder section, stabilizing the laser beam guidance and/or the powder caustic.
  • 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 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 prevent the occurrence of cracks. can be avoided at all, in particular by the process gas section, which is arranged in the circumferential direction next to the powder section, stabilizing the laser beam guidance and/or the powder caustics.
  • the dissolution of hard material particles can be reduced or even avoided, in particular by the process gas section, which is arranged in the circumferential direction next to the powder section, stabilizing the laser beam guidance and/or the powder caustics.
  • 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 cause filler material to stick to or even weld to 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 deposition welding. It can lead to scattering and/or absorption of laser radiation and subsequently affect the preheating of the workpiece. This can further promote the formation of fusion defects.
  • At least one laser beam in particular at least one circular laser beam and/or an oval laser beam, can be guided within the nozzle mouth in such a way that more than one process zone is formed in interaction with the powdered additional material, which promotes the welding behavior and reduces the deficiencies of the welded joint, in particular the occurrence of bonding defects, pores, cracks and/or the dissolution of carbides in the matrix material, and increases the load-bearing capacity of the applied functional layer.
  • the process zones can be influenced in a targeted manner. Firstly, the adhesion or even welding of powder particles to the nozzle mouth is prevented. Secondly, the spread of the steam flare can be prevented by keeping it in the area between the nozzle mouth and the workpiece, in particular within the powder section and the process gas section. The process gas section thus helps to reduce the aforementioned deficiencies.
  • the process gas unit has a supply opening through which the process gas can be supplied to the process gas unit, and the process gas unit has at least one outlet opening through which the process gas exits the process gas unit.
  • the supply opening can be coupled to a supply hose that guides the process gas from a gas reservoir to the jet nozzle.
  • the process gas unit can have exactly one supply opening.
  • the at least one outlet opening is fluidically connected to the supply opening and has a shape such that a process-appropriate exit of the process gas in the direction of the workpiece surface is ensured.
  • At least one distribution arm is provided, which guides the process gas.
  • An additional injector can be provided in the distribution arm and/or in the outlet opening. Alternatively, the process gas can exit directly from the distribution arm and/or the outlet opening.
  • a first powder injector is prepared to convey a first powder mass flow and a second powder injector is prepared to convey a second powder mass flow, wherein the first powder mass flow differs from the second powder mass flow.
  • the first powder injector can be provided in a first powder section, the second powder injector in a second powder section.
  • the first powder injector can be arranged in such a way that that it interacts with the primary beam of the laser beam.
  • the second powder injector can be arranged such that it interacts with the secondary beam of the laser beam.
  • the primary beam and the secondary beam can be identical to one another or can transport a different energy to one another.
  • 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 or the process gas 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 holder 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 holder.
  • the bevel can run in the distal area 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.
  • Figure 1 is a schematic view of a jet nozzle in a laser cladding process
  • Figure 10 the jet nozzle with the process gas unit in a plan view of the distal region with a powder focus corresponding to a focus of a primary laser beam;
  • Figure 11 the jet nozzle with the process gas unit in a perspective view
  • 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.
  • FIG. 1 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.
  • Figure 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 fed through it.
  • the feed section 12 can be shaped as a process gas section 61, so that a process gas is fed through it.
  • the jet nozzle 1 can be manufactured using additive manufacturing processes, in particular using 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.
  • powder bed melting the material to be processed is present in powder form. A laser beam heats the powder along the intended geometry, causing the powder to liquefy and bond together.
  • Powder bed melting can be implemented as selective laser melting (“SLM”) or selective laser sintering (“SLS”), for example.
  • Figure 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 of the powder unit 7 in the powder section 11.
  • the feed section 12 is free of powder injectors 16.
  • FIG. 5 shows the jet nozzle 1 in a plan view of the distal region 8.
  • the cross-sectional area of the light channel 3 is designed like an elongated hole, in which a partial circular section adjoins 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 provided laser light can be split into a parallel beam bundle via a collimation lens.
  • the beam bundle can, for example, form the primary beam 111 and the secondary beam 112 from a single laser beam using a wedge plate.
  • the respective centers of the primary beam 111 and the secondary beam 112 are offset in a line in the feed direction 2 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 part-circle section of the elongated hole in the feed direction 2 is concentric to the secondary beam 112, while the rear part-circle section of the elongated hole is concentric to the primary beam 111.
  • a center of the cross-sectional area is eccentric to a center of the primary beam 111 and to a center 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 forming the powder unit 7 in the area of the nozzle mouth 6 in such a way that it forms the powder section 11 in the circumferential direction around the light channel 3, which is followed in the circumferential direction by the powder unit-free feed section 12.
  • the process gas unit 60 can also be formed, which forms the process gas section 61, in which case the feed section 12 is formed 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 that 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°, further in particular between 180° and 300°, relative to a center point of the light channel. This ensures that the powdered filler 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 top 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 area of the flange section 9 and is stretched in the feed direction 2.
  • the stretching of the cross-sectional area can decrease from the distal area 8 to the flange section 9.
  • the cross-sectional area can be stretched in such a way 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 expansion. sion that the injector guides 19 are not visible from the top 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 in the feed section 12.
  • the feed section 12 has no injector guides 19 for guiding the powder jet, which means that there is sufficient 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 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 undesirable 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 opening 62.
  • the outlet openings 62 are formed on an end face 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 end face 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 1 1 can be provided all the way around the elongated hole formed by the light channel 3.
  • the primary jet 111 and the secondary jet 112 are completely within the jets composed of the powder jet and the process gas jet.
  • a gas flow rate of process gas through the outlet openings 62 can be in the range between 1 l/min and 100 l/min, in particular between 5 l/min and 50 l/min.
  • the gas flow rate of conveying gas that flows out of the injectors 16 or the injector guides 19 and of process gas that flows out of the outlet openings 62 can be essentially the same size. It is also possible for process gas to exit the light channel 3 in addition to the outlet openings 62.
  • the gas flow rates of conveying gas and process gas can also be weighted against each other.
  • the proportion of conveying gas can be greater than that of process gas or vice versa.
  • the respective ratio of process gas to conveying gas can be adjustable depending on the process.
  • Figure 10 shows the view from Figure 9, in which a wrap angle 26, along which the powder section 11 extends around the center point 20 of the light channel 3, is drawn.
  • the wrap angle 26 extends by 240°.
  • the remaining 120° for completely enclosing the light channel 3 are formed in the present case by the process gas section 61.
  • the powder jet and the process gas jet thus completely surround the light channel 3.
  • the powder injectors 16 or the injector guides 19 are designed such that the powder jet emerging from them is focused in the first powder focus 21.
  • the primary jet 111 has a jet center point that coincides with a first powder focus 21 and forms a powder caustic.
  • the primary jet 111 and the secondary jet 112 are offset from one another in the feed direction 2.
  • the secondary jet 112 does not interact with the powder caustic.
  • the process gas section 61 prevents the escape of a steam flare and the adhesion of powder particles to the front side of the jet nozzle 1 .
  • FIG 11 shows a perspective view of the jet nozzle 1.
  • a feed opening 63 is provided in the process gas section 60.
  • the feed opening 63 is arranged in the area of the nozzle mouth 6 facing away from the workpiece.
  • Process gas is fed to the process gas section 60 via it.
  • the process gas can be guided to the individual outlet openings 62 through distribution arms 64 that are formed within the process gas section 60.
  • the number of distribution arms 64 corresponds to the number of outlet openings 62.
  • the distribution arms 64 extend within the process gas unit 60 along the nozzle mouth 6 in order to distribute the process gas from the feed opening 63 to the outlet openings 62.
  • the distribution arms 64 can form sections into which additional injectors can be inserted. These can allow the process gas to exit at an angle relative to the workpiece surface.
  • the distribution arms 64 are designed in such a way that the process gas can be directed onto the workpiece surface efficiently and in a process-appropriate manner.
  • Figure 12 shows the jet nozzle 1, the workpiece 100 and the area in between in a side view.
  • the powder unit 7 extends in such a way that the powder jet can be directed from the powder section 11 of the nozzle mouth 6 onto the workpiece 100 in a process-appropriate manner.
  • the powder unit 7 is connected to the process gas unit 60, which guides the process gas from the feed opening 63 via the distribution arms 64 to the outlet opening 62, so that the process gas can be directed from the process gas section 61 of the nozzle mouth 6 onto the workpiece in a process-appropriate manner.
  • the interaction between the primary jet 111, the powder jet and the workpiece surface causes a first vapor flare 65.
  • the interaction between the secondary jet 112 and the material surface causes a second vapor flare 66.
  • the process gas flows from the outlet openings 62 in such a way that the first vapor flare 65 and the second vapor flare 66 do not emerge radially from the extended region of the light channel 3.
  • Figure 13 shows the jet nozzle 1 in three different views.
  • Figure 13 a) is a perspective view.
  • the feed opening 63 is provided in the process gas unit 60. This represents the central interface via which process gas is made available to the nozzle mouth 6.
  • the process gas is distributed along the distribution arms 64, which distribute the process gas from the feed opening 63 along the circumferential direction around the light channel 3.
  • the outlet openings 62 are part of the process gas section 61 and they extend in an arc along the circumferential direction around the light channel 3.
  • the powder section 11 adjoins them in a horseshoe shape.
  • the light channel 3 is completely surrounded, i.e. 360°, by the powder section 11 and the process gas section 61.
  • Figure 13 b) is a sectional view.
  • the powder unit 7 is provided at 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 accommodate a powder injector 16 each.
  • the process gas unit 60 is provided at a front area in the feed direction 2, which forms the process gas section 61 and through which the distribution arms
  • a distribution arm 64 can accommodate an additional injector. Alternatively, the process gas is directed directly from the distribution arms 64 to the material surface.
  • the distribution arms 64 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 therefore contribute to the heat management of the jet nozzle 1.
  • the jet nozzle 1 has an absorption section 40 on the outer surface 4 of the light channel 3 for absorbing a reflection radiation of the laser beam from the workpiece 100.
  • the absorption section 40 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 3, in particular be designed in the entire circumference of the light channel 3. It can also extend variably in a longitudinal direction of the light channel 3. In particular, no absorption section 40 is formed in the distal outer surface of the nozzle mouth 6, but rather a smooth inner end section in order to be able to clean the inside of the nozzle mouth 6 better.
  • the shape of the absorption section 40 can be adapted to the expected reflection radiation.
  • the absorption section 40 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 40 can be at least partially dissipated by the cooling system 30. The reflected radiation is absorbed by the absorption section 40 in such a way that the proportion of radiation that penetrates into 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 service life of the jet nozzle 1 and the laser system is also increased.
  • the improved properties of the jet nozzle 1 due to the absorption surface enable welding behavior without the aforementioned deficiencies.
  • FIG 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, which optionally forms the process gas unit 60, 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 relative to the functional surface to be coated.
  • 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 elongated 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 field 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 elongated hole.
  • 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 partial circle section of the elongated hole.
  • 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 bevel 50 is 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 essentially the same.

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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 Werkstück gerichtet ist; eine radial außerhalb des Lichtkanals (3) angeordnete Pulvereinheit (7) zur Führung zumindest eines Pulverstrahls, der auf das Werkstück aufzutragen ist, wobei die Pulvereinheit (7) in einer Umfangsrichtung um den Lichtkanal (3) einen Pulverabschnitt (11) bildet; und eine radial außerhalb des Lichtkanals (3) angeordnete Prozessgaseinheit (60) zur Führung eines Prozessgases, wobei die Prozessgaseinheit (60) in der Umfangsrichtung einen Prozessgasabschnitt (61) bildet; wobei sich der Prozessgasabschnitt (61) an einem Düsenmund (6) in der Umfangsrichtung an den Pulverabschnitt (11) anschließt.

Description

Strahldüse mit Pulvereinheit und Prozessgaseinheit
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 A 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 radial außerhalb des Lichtkanals angeordnete Pulvereinheit zur Führung zumindest eines Pulverstrahls, der auf das Werkstück aufzutragen ist, wobei die Pulvereinheit in einer Umfangsrichtung um den Lichtkanal einen Pulverabschnitt bildet. Die Pulvereinheit kann ausgehend von der Längsrichtung der Strahldüse radial außerhalb des Lichtkanals sein und kann Bestandteil einer Außenstruktur sein, die den Lichtkanal geschlossen umgibt. Der Pulverstrahl kann einen pulverförmigen Zusatzwerkstoff führen, der aus Hartstoffpartikeln, insbesondere Karbiden, und einem Matrixwerkstoff besteht. Die Pulvereinheit kann der Teil der Strahldüse sein, der dazu vorgesehen ist, den pulverförmigen Zusatzwerkstoff direkt oder indirekt zu führen. Die Pulvereinheit kann Injektorführungen aufweisen, in die Pulverinjektoren einsetzbar sind. Sie kann auch einen Ringspalt aufweisen, innerhalb dessen der pulverförmige Zusatzwerkstoff geführt wird. An einem Düsenmund bildet die Pulvereinheit in einer Umfangsrichtung um den Lichtkanal einen Pulverabschnitt. Die Pulvereinheit kann Teil des Düsenmunds sein. Der Düsenmund ist der dem Werkstück zugewandte Teil der Strahldüse. Der Endabschnitt des Düsenmunds hat einen 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 einen 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. In der Draufsicht kann der Pulverabschnitt zumindest abschnittsweise entlang einer Öffnung des Lichtkanals verlaufen.
Die Strahldüse hat ferner eine radial außerhalb des Lichtkanals angeordnete Prozessgaseinheit zur Führung eines Prozessgases, wobei die Prozessgaseinheit in der Umfangsrichtung einen Prozessgasabschnitt bildet. Die Prozessgaseinheit kann ausgehend von der Längsrichtung der Strahldüse radial außerhalb des Lichtkanals sein und kann Bestandteil der Außenstruktur sein, die den Lichtkanal geschlossen umgibt. Das Prozessgas kann die Pulverkaustik und die von ihr hervorgerufene Werkstückbearbeitung positiv beeinflussen. Die Prozessgaseinheit kann der Teil der Strahldüse sein, der dazu vorgesehen ist, das Prozessgas direkt oder indirekt zu führen. Die Prozessgaseinheit kann Injektorführungen aufweisen, in die zusätzliche Injektoren einsetzbar sind. Sie kann auch einen Ringspalt aufweisen, innerhalb dessen das Prozessgas geführt wird. An dem Düsenmund bildet die Prozessgaseinheit in einer Umfangsrichtung um den Lichtkanal einen Prozessgasabschnitt. Die Prozessgaseinheit kann Teil des Düsenmunds sein. In der Draufsicht kann der Prozessgasabschnitt zumindest abschnittsweise entlang der Öffnung des Lichtkanals verlaufen. Der Prozessgasabschnitt kann der Teil der Prozessgaseinheit sein, aus dem das Prozessgas aus der Strahldüse austritt.
Der Prozessgasabschnitt schließt sich an dem Düsenmund in der Umfangsrichtung an den Pulverabschnitt an. Somit ist der Prozessgasabschnitt in der Umfangsrichtung unmittelbar neben dem Pulverabschnitt. So kann das Prozessgas auf die Pulverkaustik und das andauernde Laserauftragschweißen stabilisierend einwirken. Der Prozessgasabschnitt kann sich an den Pulverabschnitt derart anschließen, dass in der Umfangsrichtung ein solcher Übergang stattfindet, dass ein Inneres von dem Prozessgasabschnitt und dem Pulverabschnitt von einem Äußeren getrennt ist. Die Trennung kann dergestalt sein, dass möglichst wenig Fluid zwischen dem Inneren und dem Äußeren ausgetauscht wird. Dies kann zur Stabilisierung der Prozesszonen beitragen und simultan ein Anhaften der Pulverpartikel an einer Stirnseite der Strahldüse verhindern und somit die Lebensdauer der Strahldüse erhöhen.
Die Strahldüse kann so eine erhöhte Variabilität (i) der Laserstrahlführung, (ii) der Anwendung eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs, (iii) des Wärmemanagements, (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 Laserauftragschweißen 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 der Prozessgasabschnitt, der in der Umfangsrichtung neben dem Pulverabschnitt angeordnet ist, die Laserstrahlführung und/oder die Pulverkaustik stabilisiert.
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 der Prozessgasabschnitt, der in der Umfangsrichtung neben dem Pulverabschnitt angeordnet ist, die Laserstrahlführung und/oder die Pulverkaustik stabilisiert.
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 der Prozessgasabschnitt, der in der Umfangsrichtung neben dem Pulverabschnitt angeordnet ist, die Laserstrahlführung und/oder die Pulverkaustik stabilisiert.
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 der Prozessgasabschnitt, der in der Umfangsrichtung neben dem Pulverabschnitt angeordnet ist, die Laserstrahlführung und/oder die Pulverkaustik stabilisiert.
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 Verschweißen 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 der Prozessgasabschnitt, der in der Umfangsrichtung neben dem Pulverabschnitt angeordnet ist, die Laserstrahlführung und/oder die Pulverkaustik stabilisiert. Innerhalb des Düsenmunds kann zumindest ein Laserstrahl, insbesondere zumindest ein kreisförmiger Laserstrahl und/oder ein ovaler Laserstrahl, derart geführt werden, dass sich in Wechselwirkung mit dem pulverförmigen Zusatzmaterial mehr als eine Prozesszone ausbildet, was das Schweißverhalten begünstigt und die Unzulänglichkeiten der Schweißverbindung, insbesondere das Auftreten von Bindefehlern, Poren, Rissen und oder der Auflösung von Karbiden in dem Matrixmaterial, verringert und die Belastbarkeit der aufgetragenen Funktionsschicht erhöht. Durch das Vorsehen der Prozessgaseinheit lassen sich die Prozesszonen zielgerichtet beeinflussen. Zum einen wird das Anhaften oder gar Anschweißen von Pulverpartikeln am Düsenmund verhindert. Zum zweiten lässt sich die Ausbreitung der Dampffackel verhindern, indem sie in dem Bereich zwischen dem Düsenmund und dem Werkstück, insbesondere innerhalb des Pulverabschnittes und des Prozessgasabschnittes gehalten wird. Somit trägt der Prozessgasabschnitt dazu bei, die vorgenannten Unzulänglichkeiten zu verringern.
In einer Ausführungsform bildet die Prozessgaseinheit an einer Stirnseite der Strahldüse zumindest eine Austrittsöffnung aus, aus der das Prozessgas zum Werkstück leitbar ist, wobei insbesondere in der zumindest einen Austrittsöffnung ein zusätzlicher Injektor zur Zuführung des Prozessgases ohne Zusatzwerkstoff angeordnet ist. Die Austrittsöffnung kann an der Stirnseite derart ausgestaltet sein, dass die Fläche, an der Hartstoffpartikel anhaften können, minimiert ist. Das Prozessgas, das aus der Austrittsöffnung geleitet wird, kann von dem Prozessgas, das innerhalb des Lichtkanals geleitet wird, unterstützt werden. In jeder Austrittsöffnung kann ein zusätzlicher Injektor angeordnet sein. Der zusätzliche Injektor unterscheidet sich von den Injektoren, die in den Injektorführungen der Pulvereinheit angeordnet sind. Letztere transportieren die Hartstoffpartikel zur Werkstückoberfläche, Erstere transportieren das Prozessgas.
In einer Ausführungsform erstreckt sich der Prozessgasabschnitt zumindest abschnittsweise entlang eines Langlochbogens, insbesondere bogenförmig, um den Lichtkanal. Der Langlochbogens stellt analog zu einem Kreisbogen eine das Langloch in einem Sektor umgebende Linie dar. Der verbleibende Teil des Langlochs, der nicht von dem Langlochbogen, entlang dem sich der Prozessgasabschnitt erstreckt, erfasst ist, kann von dem Pulverabschnitt ausgefüllt sein. Der Prozessgasabschnitt kann sich zumindest teilweise entlang eines Teilkreisabschnitts, insbesondere des Teilkreisabschnitts, der in der Vorschubrichtung vorne liegt, erstrecken, um die Bogenform zu bilden. Dies trägt weiter dazu bei, die Laserstrahlführung und/oder die Pulverkaustik zu stabilisieren.
In einer Ausführungsform erstreckt sich der Prozessgasabschnitt in der Umfangsrichtung um den Lichtkanal um einen Umschlingungswinkel zwischen 5° und 180°, insbesondere zwischen 45° und 120°, bezogen auf einen Mittelpunkt des Lichtkanals. So kann sich der Prozessgasabschnitt um einen kleineren Abschnitt um den Lichtkanal erstrecken als der Pulverabschnitt. Somit kann eine zufriedenstellende Pulverzufuhr durch die Pulvereinheit und insbesondere darin angeordnete Injektoren bei Vermeidung einer Anhaftung oder eine Ausbreitung der Dampffackel sichergestellt sein. Eine passgenaue Anpassung des Pulverabschnitts und des Prozessgasabschnitts an die jeweiligen Prozessbedingungen ermöglichen ein effizientes Schweißverhalten ohne Unzulänglichkeiten.
In einer Ausführungsform umgeben der Prozessgasabschnitt und der Pulverabschnitt zusammen den Lichtkanal in der Umfangsrichtung vollständig, mithin um 360°. Die aus dem Prozessgasabschnitt und dem Pulverabschnitt austretenden Strahlen können somit ein Inneres, das sich innerhalb der Strahlen ausbildet, und ein Äußeres, das sich außerhalb der Strahlen ausbildet, voneinander trennen. Die sich aufgrund der Wechselwirkung der Pulverpartikel mit dem Laserstrahl ergebende Metalldampffackel, auch Dampffackel genannt, kann auf diese Weise nicht aus dem Inneren austreten, was eine unerwünschte Interaktion der Dampffackel mit dem Werkstück unterbindet.
In einer Ausführungsform hat die Prozessgaseinheit eine Zuführöffnung, über die der Prozessgaseinheit das Prozessgas zuführbar ist, und die Prozessgaseinheit hat zumindest eine Austrittsöffnung, über die das Prozessgas aus der Prozessgaseinheit austritt. Die Zuführöffnung kann mit einem Zuführschlauch gekoppelt sein, der das Prozessgas von einem Gasreservoir zur Strahldüse leitet. Die Prozessgaseinheit kann genau eine Zuführöffnung haben. Die zumindest eine Austrittsöffnung steht mit der Zuführöffnung fluidisch in Verbindung und hat eine solche Form, dass ein prozessgerechtes Austreten des Prozessgases in Richtung der Werkstückoberfläche gewährleistet ist. Zwischen der Zuführöffnung und der zumindest einen Austrittsöffnung ist zumindest ein Verteilungsarm vorgesehen, der das Prozessgas leitet. In dem Verteilungsarm und/oder in der Austrittsöffnung kann ein zusätzlicher Injektor vorgesehen sein. Alternativ kann das Prozessgas unmittelbar aus dem Verteilungsarm und/oder der Austrittsöffnung austreten.
In einer Ausführungsform hat die Prozessgaseinheit mehrere, insbesondere drei, Austrittsöffnungen, die jeweils mit der einen Zufuhröffnung verbunden sind. Die Mehrzahl an Austrittsöffnungen gewährleistet eine Verteilung des Prozessgases entlang der Umfangsrichtung. Alternativ zu der Mehrzahl an Austrittsöffnungen kann auch eine bogenschlitzartige Austrittsöffnung vorgesehen sein, die ebenfalls eine Verteilung des Prozessgases entlang der Umfangsrichtung gewährleistet. Die Mehrzahl an Austrittsöffnungen trägt zur Stabilisierung der Dampffackel und zur Vermeidung der Anhaftung von Pulverpartikeln an dem Düsenmund bei.
In einer Ausführungsform ist der Prozessgasabschnitt in einem der Vorschubrichtung zugewandten Bereich des Düsenmunds ausgebildet. Der der Vorschubrichtung zugewandte Bereich des Düsen- munds ist in einer Draufsicht an dem Ende der Düse vorgesehen, das Nahe der Vorschubrichtung ist. Eine Stirnseite des Prozessgasabschnitts zeigt in Richtung des Werkstücks. Der Prozessgasabschnitt kann sich entlang der Umfangsrichtung um den Lichtkanal in einer Winkelspanne erstrecken. Die Winkelspanne, in der sich der Prozessgasabschnitt erstreckt, kann kleiner sein als die Winkelspanne, in der sich der Pulverabschnitt erstreckt. Der Bereich, in dem der Prozessgasabschnitt ausgebildet ist, kann mit der Position und Ausrichtung der Pulverinjektoren, die den pulverförmigen Zusatzwerkstoff auf das Werkstück auftragen, korrelieren.
In einer Ausführungsform weist der Pulverabschnitt eine Mehrzahl an Injektorführungen auf, in die jeweils ein Pulverinjektor einsetzbar ist. Die Injektorführungen können zylindrische oder konische Durchgangsöffnungen im Bereich des Düsenmunds sein, in die jeweils ein Pulverinjektor einsetzbar ist. Die Injektorführungen können mittels einer spanenden Bearbeitung in den Düsenmund eingebracht werden. Bevorzugt sind sie jedoch bereits bei einer additiven Fertigung der Strahldüse vorgesehen. Die Injektorführungen können an den einzusetzenden Pulverinjektor angepasst sein. Die Injektorführungen des Pulverabschnitts unterscheiden sich von den Verteilungsarmen des Prozessgasabschnitts. Ebenso unterscheiden sich die Pulverinjektoren von den zusätzlichen Injektoren, die das Prozessgas fördern.
In einer Ausführungsform ist ein Innendurchmesser der zumindest einen Austrittsöffnung geringer ist als ein Innendurchmesser der injektorführungen. Über den Innendurchmesser der zumindest einen Austrittsöffnung lässt sich der Volumenstrom des Prozessgases beeinflussen. Eine Gasdurchflussrate von Prozessgas durch die zumindest eine Austrittsöffnung kann im Bereich zwischen 1 l/min und 100 l/min, insbesondere zwischen 5 l/min und 50 l/min, liegen. Die Gasdurchflussrate von Fördergas, das aus den Pulverinjektoren in den Injektorführungen ausströmt, und von Prozessgas, das aus der zumindest einen Austrittsöffnung ausströmt, kann im Wesentlichen gleich groß sein. Es ist auch möglich, dass Prozessgas zusätzlich zu den Austrittsöffnungen aus dem Lichtkanal austritt. Die Gasdurchflussraten von Fördergas und von Prozessgas können auch zueinander gewichtet sein. So kann der Anteil von Fördergas größer sein als der von Prozessgas oder andersherum. Das jeweilige Verhältnis von Prozessgas zu Fördergas kann prozessabhängig einstellbar sein.
In einer Ausführungsform ist ein erster Pulverinjektor dazu vorbereitet, einen ersten Pulvermassenstrom zu fördern und ein zweiter Pulverinjektor dazu vorbereitet, einen zweiten Pulvermassenstrom zu fördern, wobei der erste Pulvermassenstrom von dem zweiten Pulvermassenstrom abweicht. Der erste Pulverinjektor kann in einem ersten Pulverabschnitt, der zweite Pulverinjektor in einem zweiten Pulverabschnitt vorgesehen sein. Der erste Pulverinjektor kann derart angeordnet sein, dass er mit dem Primärstrahl des Laserstrahls interagiert. Der zweite Pulverinjektor kann derart angeordnet sein, dass er mit dem Sekundärstrahl des Laserstrahls interagiert. Der Primärstrahl und der Sekundärstrahl können zueinander identisch sein oder eine zueinander unterschiedliche Energie transportieren. Das Vorsehen des ersten Pulvermassenstroms und des zweiten Pulvermassenstroms ermöglicht es der Strahldüse, mehr als eine Prozesszone zu realisieren, was weiter zu erhöhten Variabilität der Strahldüse beiträgt. Die Gasdurchflussrate, die aus der zumindest einen Austrittsöffnungsaustritt kann entsprechend des ersten Pulvermassenstrom des zweiten Pulvermassenstroms eingestellt sein.
In einer Ausführungsform bildet der Pulverabschnitt, insbesondere anstelle von Injektorführungen, ein Ringspaltsegment aus. Das Ringspaltsegment kann einen einheitlichen Pulverfokus bilden, der beispielsweise mit dem Mittelpunkt des zumindest einen Laserstrahls übereinstimmt. Beim Ringspaltsegment wird das pulverförmige Zusatzmaterial entlang eines hufeisenförmig Strahls auf das Werkstück aufzutragen.
In einer Ausführungsform ist der Lichtkanal dazu angepasst, eine Mehrzahl an Laserstrahlen zu führen, wobei die Mehrzahl einen ersten Laserstrahl als Primärstrahl und einen zweiten Laserstrahl als Sekundärstrahl hat. Der Primärstrahl und der Sekundärstrahl 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 und den Sekundärstrahl formen. In diesem Fall können der Primärstrahl und der Sekundärstrahl dieselbe Wellenlänge haben und dieselbe Energie transportieren. Alternativ können sich der Primärstrahl und der Sekundärstrahl hinsichtlich ihrer Wellenlänge und ihrer Energie unterscheiden. Die jeweiligen Mittelpunkte des Primärstrahls und des Sekundärstrahls können in der Vorschubrichtung in einer Linie versetzt zu einem Mittelpunkt des Lichtkanals liegen.
In einer Ausführungsform ist die Strahldüse mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere mittels Pulverbett-Schmelzen, hergestellt. Hierfür kann die Strahldüse aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, 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 bzw. den Prozessgasabschnitt 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 Be- anspruchbarkeit der Strahldüse gewährleistet.
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 die Strahldüse mit einer Prozessgaseinheit in einer Draufsicht auf den distalen Bereich;
Figur 10 die Strahldüse mit der Prozessgaseinheit in einer Draufsicht auf den distalen Bereich mit einem Pulverfokus, der einem Fokus eines Primärlaserstrahls entspricht;
Figur 11 die Strahldüse mit der Prozessgaseinheit in einer perspektivischen Ansicht;
Figur 12 die Strahldüse mit der Prozessgaseinheit in einer Seitenansicht;
Figur 13 weitere Darstellungen der Strahldüse mit der Prozessgaseinheit;
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 Werk- Stücks 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 Umfangsrich- tung der pulvereinheitfreie Vorschubabschnitt 12 anschließt. Der Vorschubabschnitt 12 ist der Bereich 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 1 11 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 112 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 1 11 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 1 11 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 1 11 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 Pulvereinheit 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 1 1 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 112 kann somit eine von dem Primärstrahl 11 1 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 Ausdeh- nung 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 1 1 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 Vor- schubabschnitt 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 in einer Draufsicht auf den distalen Bereich 8. Innerhalb des Lichtkanals 3 sind der Primärstrahl 111 und der Sekundärstrahl 112 geführt. Der Sekundärstrahl 112 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 1 1 können umlaufend um das von dem Lichtkanal 3 gebildete Langloch herum vorgesehen sein. Somit sind der Primärstrahl 1 11 und der Sekundärstrahl 112 vollständig innerhalb der Strahlen, die sich aus dem Pulverstrahl und dem Prozessgasstrahl zusammensetzen.
Eine Gasdurchflussrate von Prozessgas durch die Austrittsöffnungen 62 kann im Bereich zwischen 1 l/min und 100 l/min, insbesondere zwischen 5 l/min und 50 l/min, liegen. Die Gasdurchflussrate von Fördergas, das aus den Injektoren 16 bzw. den Injektorführungen 19 ausströmt, und von Prozessgas, das aus den Austrittsöffnungen 62 ausströmt, kann im Wesentlichen gleich groß sein. Es ist auch möglich, dass Prozessgas zusätzlich zu den Austrittsöffnungen 62 aus dem Lichtkanal 3 austritt. Die Gasdurchflussraten von Fördergas und von Prozessgas können auch zueinander gewichtet sein. So kann der Anteil von Fördergas größer sein als der von Prozessgas oder andersherum. Das jeweilige Verhältnis von Prozessgas zu Fördergas kann prozessabhängig einstellbar sein.
Figur 10 zeigt die Ansicht aus Figur 9, bei der ein Umschlingungswinkel 26, entlang dem sich der Pulverabschnitt 11 um den Mittelpunkt 20 des Lichtkanals 3 erstreckt, eingezeichnet ist. Vorliegend erstreckt sich der Umschlingungswinkel 26 um 240°. Die verbleibenden 120° zur vollständigen Umschließung des Lichtkanals 3 sind vorliegend von dem Prozessgasabschnitt 61 gebildet. Somit umgeben der Pulverstrahl und der Prozessgasstrahl vollständig den Lichtkanal 3. Die Pulverinjektoren 16 bzw. die Injektorführungen 19 sind derart ausgebildet, dass der aus ihnen austretende Pulverstrahl im ersten Pulverfokus 21 fokussiert ist. Der Primärstrahl 111 hat einen Strahlmittelpunkt, der mit einem ersten Pulverfokus 21 übereinstimmt und eine Pulverkaustik bildet. Der Primärstrahl 1 11 und der Sekundärstrahl 112 sind zueinander in der Vorschubrichtung 2 versetzt. Der Sekundärstrahl 1 12 interagiert nicht mit der Pulverkaustik. Der Prozessgasabschnitt 61 verhindert das Austreten einer Dampffackel und ein Anhaften von Pulverpartikeln an der Stirnseite der Strahldüse 1 .
Figur 1 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Strahldüse 1 . In dem Prozessgasabschnitt 60 ist eine Zuführöffnung 63 vorgesehen. Die Zuführöffnung 63 ist in dem von dem Werkstück abgewandten Bereich des Düsenmunds 6 angeordnet. Über sie wird dem Prozessgasabschnitt 60 Prozessgas zugeführt. Ausgehend von der einen Zuführöffnung 63 kann das Prozessgas durch Verteilungsarme 64, die innerhalb des Prozessgasabschnittes 60 ausgebildet sind, zu den einzelnen Austrittsöffnungen 62 geleitet werden. Die Anzahl an Verteilungsarmen 64 entspricht der Anzahl an Austrittsöffnungen 62. Die Verteilungsarme 64 erstrecken sich innerhalb der Prozessgaseinheit 60 entlang des Düsenmundes 6, um das Prozessgas von der Zuführöffnung 63 zu den Austrittsöffnungen 62 zu verteilen. Die Verteilungsarme 64 können Abschnitte ausbilden, in die zusätzliche Injektoren einsetzbar sind. Diese können das Prozessgas gegenüber der Werkstückoberfläche geneigt austreten lassen. Die Verteilungsarme 64 haben einen solchen Verlauf, dass das Prozessgas effizient und prozessgerecht auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden kann.
Figur 12 zeigt die Strahldüse 1 , das Werkstück 100 und den dazwischenliegenden Bereich in einer Seitenansicht. Die Pulvereinheit 7 erstreckt sich derart, dass aus dem Pulverabschnitt 11 des Düsenmunds 6 der Pulverstrahl prozessgerecht auf das Werkstück 100 gerichtet werden kann. An die Pulvereinheit 7 schließt sich die Prozessgaseinheit 60 an, die das Prozessgas von der Zuführöffnung 63 über die Verteilungsarme 64 zu der Austrittsöffnung 62 leitet, sodass aus dem Prozessgasabschnitt 61 des Düsenmunds 6 das Prozessgas prozessgerecht auf das Werkstück gerichtet werden kann. Die Wechselwirkung zwischen dem Primärstrahl 111 , dem Pulverstrahl und der Werkstückoberfläche ruft eine erste Dampffackel 65 hervor. Die Wechselwirkung zwischen dem Sekundärstrahl 112 und der Werkstoffoberfläche ruft eine zweite Dampffackel 66 hervor. Aus den Austrittsöffnungen 62 fließt das Prozessgas derart, dass die erste Dampffackel 65 und die zweite Dampffackel 66 radial nicht aus dem verlängerten Bereich des Lichtkanals 3 austreten.
Figur 13 zeigt die Strahldüse 1 in drei verschiedenen Ansichten. Figur 13 a) ist eine perspektivische Ansicht. In dem dem Flanschabschnitt 9 zugewandten Bereich des Düsenmunds 6 ist in der Prozessgaseinheit 60 die Zuführöffnung 63 vorgesehen. Diese stellt die zentrale Schnittstelle dar, über die dem Düsenmund 6 Prozessgas zur Verfügung gestellt wird. Ausgehend von der Zuführöffnung
63 verteilt sich das Prozessgas entlang der Verteilungsarme 64, die das Prozessgas von der Zuführöffnung 63 entlang der Umfangsrichtung um den Lichtkanal 3 verteilen. Am distalen Ende der Verteilungsarme 64 sind die Austrittsöffnungen 62, aus denen das Prozessgas in Richtung des Werkstücks austritt. Die Austrittsöffnungen 62 sind Teil des Prozessgasabschnitts 61 und sie erstrecken sich bogenförmig entlang der Umfangsrichtung um den Lichtkanal 3. An sie schließt sich hufeisenförmig der Pulverabschnitt 11 an. Somit ist der Lichtkanal 3 im vorliegenden Beispiel vollständig, mithin 360°, von dem Pulverabschnitt 11 und dem Prozessgasabschnitt 61 umgeben.
Figur 13 b) ist eine Schnittansicht. An einem hinteren Bereich in der Vorschubrichtung 2 ist die Pulvereinheit 7 vorgesehen, die den Pulverabschnitt 11 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 ist die Prozessgaseinheit 60 vorgesehen, die den Prozessgasabschnitt 61 ausbildet und durch die sich die Verteilungsarme
64 erstrecken. Ein Verteilungsarm 64 kann einen zusätzlichen Injektor aufnehmen. Alternativ wird das Prozessgas unmittelbar von den Verteilungsarmen 64 zur Werkstoffoberfläche gerichtet. Die Verteilungsarme 64 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. Die Strahldüse 1 weist auf der Mantelfläche 4 des Lichtkanals 3 einen Absorptionsabschnitt 40 zur Aufnahme einer Reflexionstrahlung des Laserstrahls von dem Werkstück 100 auf. Der Absorptionsabschnitt 40 kann eine Geometrie aufweisen, die das Aufnehmen der Reflexionstrahlung begünstigt. Der Absorptionsabschnitt kann sich in einer Umfangsrichtung um den Lichtkanal 3 variabel erstrecken, insbesondere im gesamten Umfang des Lichtkanals 3 ausgestaltet sein. Er kann sich auch in einer Längsrichtung des Lichtkanals 3 variabel erstrecken. Insbesondere ist in der distalen Mantelfläche des Düsenmunds 6 kein Absorptionsabschnitt 40, sondern ein glatter Innenendabschnitt ausgebildet, um den Düsenmund 6 innen besser reinigen zu können. Der Absorptionsabschnitt 40 kann in seiner Form an die zu erwartende Reflexionstrahlung angepasst sein. Der Absorptionsabschnitt 40 kann aus demselben Material gebildet sein wie die verbleibende Strahldüse. Er kann auch eine Beschichtung aufweisen. Die von dem Absorptionsabschnitt 40 aufgenommene Laserstrahlung kann von dem Kühlsystem 30 zumindest teilweise abgeführt werden. Die Reflexionstrahlung wird von dem Absorptionsabschnitt 40 derart aufgenommen, dass der Strahlungsanteil, der in weitere Komponenten des Lasersystems, wie beispielsweise die Laseroptik, eindringt, verringert oder ausgeräumt. Dies erhöht die Prozesssicherheit sowie die Präzision des Laserstrahls.
Auch die Lebensdauer der Strahldüse 1 und des Lasersystems wird erhöht. Durch die aufgrund der Absorptionsfläche verbesserten Eigenschaften der Strahldüse 1 ist ein Schweißverhalten ohne die vorgenannten Unzulänglichkeiten ermöglicht.
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, der wahlweise die Prozessgaseinheit 60 ausbildet, 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 oder zusätzliche Injektoren 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 gestreckten 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 Passante 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 vorgesehen. 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 30 Kühlsystem
2 Vorschubrichtung 25 31 radial innere Kühlkammer
3 Lichtkanal 32 Übergang 4 Mantelfläche 33 radial äußere Kühlkammer
5 Außenstruktur 34 Wabenstruktur
6 Düsenmund 40 Absorptionsabschnitt
7 Pulvereinheit 30 50 Anschrägung
8 distalen Bereich 51 Passante 9 Flanschabschnitt 60 Prozessgaseinheit
10 proximalen Bereich 61 Prozessgasabschnitt
11 Pulverabschnitt 62 Austrittsöffnung
12 Vorschubabschnitt 35 63 Zuführöffnung
13 Kühlmitteleinlass 64 Verteilungsarm 14 Kühlmittelauslass 65 erste Dampffackel
15 Kopplungsring 66 zweite Dampffackel
16 Pulverinjektor 100 Werkstück
17 Zulaufstutzen 40 110 Laserstrahl
18 Ablaufstutzen 111 Primärstrahl 19 Injektorführung 112 Sekundärstrahl
20 Mittelpunkt des Lichtkanals 120 pulverförmiger Zusatzwerkstoff
21 erster Pulverfokus 130 Schmelzbad
26 Umschlingungswinkel 45 140 Funktionsschicht

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; eine radial außerhalb des Lichtkanals (3) angeordnete Pulvereinheit (7) zur Führung zumindest eines Pulverstrahls, der auf das Werkstück aufzutragen ist, wobei die Pulvereinheit (7) in einer Umfangsrichtung um den Lichtkanal (3) einen Pulverabschnitt (11) bildet; und eine radial außerhalb des Lichtkanals (3) angeordnete Prozessgaseinheit (60) zur Führung eines Prozessgases, wobei die Prozessgaseinheit (60) in der Umfangsrichtung einen Prozessgasabschnitt (61) bildet; wobei sich der Prozessgasabschnitt (61) an einem Düsenmund (6) in der Umfangsrichtung an den Pulverabschnitt (11) anschließt.
2. Strahldüse (1) nach Anspruch 1 , wobei die Prozessgaseinheit (60) an einer Stirnseite der Strahldüse (1) zumindest eine Austrittsöffnung (62) ausbildet, aus der das Prozessgas zum Werkstück leitbar ist, wobei insbesondere in der zumindest einen Austrittsöffnung (62) ein zusätzlicher Injektor zur Zuführung des Prozessgases ohne Zusatzwerkstoff angeordnet ist.
3. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich der Prozessgasabschnitt (61) zumindest abschnittsweise entlang eines Langlochbogens, insbesondere bogenförmig, um den Lichtkanal (3) erstreckt.
4. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich der Prozessgasabschnitt (61) in der Umfangsrichtung um den Lichtkanal (3) um einen Umschlingungswinkel (23) zwischen 5° und 180°, insbesondere zwischen 45° und 120°, bezogen auf einen Mittelpunkt (20) des Lichtkanals (3) erstreckt.
5. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Prozessgasabschnitt (61) und der Pulverabschnitt (11) zusammen den Lichtkanal (3) in der Umfangsrichtung vollständig umgeben.
6. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Prozessgaseinheit (60) eine Zuführöffnung (63) hat, über die der Prozessgaseinheit (60) das Prozessgas zuführbar ist, und zumindest eine Austrittsöffnung (62) hat, über die das Prozessgas aus der Prozessgaseinheit (60) austritt.
7. Strahldüse (1) nach Anspruch 6, wobei die Prozessgaseinheit (60) mehrere, insbesondere drei, Austrittsöffnungen (62) hat, die jeweils mit der einen Zufuhröffnung (63) verbunden sind.
8. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Prozessgasabschnitt (61) in einem der Vorschubrichtung (2) zugewandten Bereich des Düsenmunds (6) ausgebildet ist.
9. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Pulverabschnitt (11) eine Mehrzahl an Injektorführungen (19) aufweist, in die jeweils ein Pulverinjektor (16) einsetzbar ist.
10. Strahldüse (1) nach Anspruch 9, wobei ein Innendurchmesser der zumindest einen Austrittsöffnung (62) geringer ist als ein Innendurchmesser der Injektorführungen (19).
11. Strahldüse (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei ein erster Pulverinjektor dazu vorbereitet ist, einen ersten Pulvermassenstrom zu fördern und ein zweiter Pulverinjektor dazu vorbereitet ist, einen zweiten Pulvermassenstrom zu fördern, wobei der erste Pulvermassenstrom von dem zweiten Pulvermassenstrom abweicht.
12. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Pulverabschnitt (11) ein Ringspaltsegment ausbildet.
13. Strahldüse (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Lichtkanal (3) dazu angepasst ist, eine Mehrzahl an Laserstrahlen zu führen, wobei die Mehrzahl einen ersten Laserstrahl als Primärstrahl (111) und einen zweiten Laserstrahl als Sekundärstrahl (112) hat.
14. 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.
15. 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.
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