WO2019002283A1 - VORRICHTUNG ZUM LASERAUFTRAGSSCHWEIßEN - Google Patents

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welding
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Stephan SCHOPPHOVEN
Angelo DI MEO
Martin Traub
Dieter Hoffmann
Tim BIERMANN
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Definitions

  • the invention relates to a welding head, a device for
  • Laser deposition welding is a process for surface treatment and the generation of components with filler metals.
  • a pulverulent, wire-shaped or otherwise formed filler material is introduced into a molten bath produced by a laser beam on a surface of a component.
  • DE 10 201 1 100 456 A1 discloses a method for laser deposition welding with powdered filler materials by means of laser radiation, which already enables very high process speeds. Here were the high
  • Process speed allows and for high movement dynamics and hard to reach workpieces is suitable.
  • a welding head for a device for laser deposition welding comprising a housing, an optics held in this housing by means of an optical mount optics of one or more transmissive and / or reflective optical elements, and a material nozzle, wherein the welding head is adapted to a laser beam by means of the optics in the direction of a machining point on a workpiece to be machined, wherein the material nozzle is at least adapted to omit a filler material to the processing point during the laser deposition welding, which is supplied by one or more suitable supply means of the material nozzle, wherein at least the transmissive optical elements at least partially, preferably completely, made of a material having a refractive index greater than 2.1 to the dimensions and masses of the optical
  • welding head refers to the functional unit that is intended to be moved during laser deposition welding to increase process speed.
  • the housing encloses the optics with the optical elements and thus the laser steel in the welding head between the
  • the material nozzle is for Outlet of the filler, for example in powder form, designed.
  • the term “material nozzle” refers to the totality of all material outlets for the filler material and optionally other substances
  • the material nozzle may include one or more sub-nozzles, whose shape and arrangement can be adapted to the particular use.
  • the material nozzle may comprise, for example, two, three, four or more sub-nozzles, through which the filler or other substances may be discharged.
  • the filler materials for example, powders with a particle size of 10 - ⁇ ⁇ transported through the material nozzle in the direction of the processing point. This transport can, for example, by gravimetric, mechanically assisted, magnetic, inductive, pneumatic or hydraulic conveying techniques through the material nozzle therethrough
  • the filler materials with a carrier gas, such as argon, by suitable leads of a carrier gas, such as argon, by suitable leads of a carrier gas, such as argon,
  • Transport point transported on the workpiece is a constant well-defined beam on
  • filler metals can be nickel alloys, cobalt alloys, iron alloys,
  • Titanium alloys and ceramic materials and mixtures of the aforementioned materials include.
  • the optics comprise the appropriate form and number of optical elements for the particular application in order to direct the laser beam to the workpiece in a suitable manner.
  • the optics can be a single optical element formed as a transmissive lens or multiple optical elements with the same or
  • Beam shaping include. These optical elements can be designed as transmissive or reflective optical elements.
  • the term "transmissive” refers to an optical element that the light passes through while reflective optical elements reflect back the light
  • Manufacturing a desired beam shape of the laser beam directed onto the workpiece may be selected by a person skilled in the art. In this case, depending on the focal length of the optical element (s), the housing may be shorter or longer in beam propagation direction.
  • the optical elements made of a material with a refractive index greater than 2.1 have a much shorter focal length than conventional glass optics.
  • Such optical elements are usually transmissive optical elements such as collimator lenses, focus lenses, protective glasses and / or training and coupling points for the laser beam.
  • reflective optical elements may, for example, be made of metal or at least have a reflective coating.
  • optical elements of the above high refractive index material may be provided with a reflective layer to be reflective.
  • the desired beam shape is provided by a significantly shorter and narrower lens viewed in the beam direction.
  • Enclosing housing is thus correspondingly shorter and more compact overall, resulting in less material used for the housing and this can be correspondingly easier.
  • materials such as zinc sulfite (2.37), diamond (2.42), titanium dioxide anastase (2.52), titanium dioxide rutile (3.10), or lead sulfite (3.90) have a refractive index greater than 2.1.
  • the material of the optical elements should have a refractive index greater than 2.2, more preferably greater than 2.3.
  • the weight of a welding head compared to the prior art of 10 - 25 kg can be reduced by a factor of at least two, which has a very advantageous effect on the mobility of the welding head by means of corresponding movement units.
  • Such optics can also provide a laser beam with good beam quality (defined and stable beam shape), which enables high process quality in laser deposition welding.
  • a well-defined and stable focus area is advantageous in which the filler metals for the build-up welding are at least melted.
  • an optic of the welding head the optical focus of which coincides with the material focus of the filler material emerging from the material nozzle, or else the laser beam is defined defocused in order to cover at least the material focus as a whole.
  • the Optics and the design of the material nozzle in this case for example
  • the foci are at a desired distance above the working point of the workpiece, so that the filler reaches the workpiece suitably prepared.
  • the filler material is no longer the limiting factor for the process speed, but the movement of the welding head.
  • process speed refers to both the application rate (kg / h) and the feed rate and thus area rate.
  • the present invention improves at a high application rate in particular the acceleration of the welding head, resulting in a particularly high
  • the small welding head due to its reduced size compared to the welding heads in the prior art, makes it possible to machine hard-to-reach workpieces.
  • the present invention thus provides a welding head for a device for Laser deposition welding available, with a high
  • the welding head has a weight below 5 kg, in a preferred embodiment even a weight below 3 kg. This is in contrast to welding heads in the prior art, depending on the beam power a weight between 10kg and 25 kg have a very light weight.
  • the lightweight welding heads according to the invention can be moved at speeds and accelerations that are not possible or too expensive for welding heads of the prior art for reasons of mechanical overload of the drive.
  • the material having a refractive index greater than 2.1 is a diamond material.
  • the term diamond material refers to diamond or diamond-like substances. Diamond has a refractive index of about 2.4.
  • the diamond material may be polycrystalline or monocrystalline. Polycrystalline diamonds are characterized by their good machinability, so that three-dimensionally shaped optical elements are easy to produce.
  • the diamond material also has a very high thermal conductivity in the
  • the welding head according to the invention with optical elements made of diamond material can be used immediately with constant optical properties.
  • the welding head according to the invention can thereby be operated under changing laser powers be operated continuously with constant optical properties, which is not possible in the prior art.
  • the diamond material has a very high mechanical robustness, so that particularly high accelerations can be exerted on the welding head without damaging the optics. Due to the mechanical robustness of the diamond material, especially mechanically strong optical holders can be used to fix the optical material
  • Elements in the housing of the welding head can be used to ensure that the optical elements do not detach from their optical mounts during the high accelerations and the welding head thereby no longer
  • the diamond material is included
  • Monocrystalline diamonds have no or only minor impurities or impurities, resulting in monocrystalline diamonds to particularly high-quality optical properties.
  • Monocrystalline and polycrystalline diamonds are suitable for lasers having a wavelength of less than 2 ⁇ or greater than 6 ⁇ . Suitable lasers are, for example, ND: YaG lasers or other industry-standard solid-state lasers, diode lasers or CO 2 lasers. Power up to 5 kW or more can be characterized by the above optical elements
  • the material nozzle is designed as a combination nozzle having a central opening for discharging the laser beam provided by the optics and at least one annular nozzle arranged coaxially around the central opening, the filler material being discharged through the annular nozzle.
  • the material nozzle in this embodiment fulfills a dual function (combination nozzle), in addition to the function of the In addition, leaving the filler material performs an optical function by the laser beam is guided by the optics of the welding head through the material nozzle and through the central opening of the material nozzle in the direction of
  • the central opening can be transparent
  • Outcoupling be executed with a transparent window (coupling window).
  • a transparent window for example, powders with a particle size of 10 - ⁇ ⁇ transported through the annular nozzle with an annular gap width of 50-1000 ⁇ in the direction of the processing point.
  • the housing of the welding head is at least partially made of a thermally conductive material having a
  • Thermal conductivity greater than 150 W / mK, preferably greater than 200 W / mK, particularly preferably greater than 300 W / mK. Because the optical elements are over their
  • Optics holder are attached to the housing, for example, the housing is already running with optical mounts, the heat from the optical elements can be better listed, the greater the heat conduction of the material of the housing.
  • the housing can be made of aluminum (236 W / mK), copper (pure 401 W / mK or commercially available 240 - 380 W / mK) or partially made of silver (429 W / mK) or gold (314 W / mK) ,
  • At least the optical holder of the optical elements with a medium for heat dissipation is additionally suitable
  • the medium used for this purpose may comprise one or more elements of the group water, liquid metals, vapors, glycol or ethanol.
  • Liquid metals denote low-melting metals, for example having a melting point below 100 ° C. or heat-conducting pastes based on liquid metal.
  • one or more gas supply lines for emitting gas streams are connected to the welding head, which are arranged so that the gas streams are directed to the processing point. This allows for the process of laser deposition welding at the selected
  • a suitable atmosphere at the processing point on the material can be generated or adjusted.
  • at least the optical elements can be subjected to an overpressure relative to the ambient atmosphere.
  • This overpressure creates a convection in the optics and enhances the cooling effect (heat dissipation) for the optical elements and protects the optical elements from contamination.
  • the gas stream or streams comprise, for example, argon, helium, compressed air, nitrogen, oxygen, hydrogen or a mixture thereof.
  • This may be either chemically inert gases (eg noble gases or nitrogen) for the convention in optics and the passivation of the processing point with respect to the ambient air or reactive gases to influence the chemical reaction at the processing point.
  • the welding head comprises an optical
  • Detecting device preferably in the detection device, several sensors for detecting the processing point are integrated.
  • optical detection device can be both a camera and
  • the detection device allows an even more precise mechanical control of the welding head relative to the material and its possible three-dimensional structure and monitoring and control of the machining process.
  • the invention further relates to a device for laser deposition welding comprising a welding head according to the invention and a laser for
  • Emission of a laser beam which is coupled in a suitable manner, preferably by means of an optical waveguide, in the welding head.
  • Lasers suitable for the respective application can be suitably selected by the person skilled in the art.
  • the laser beam can be emitted as a continuous beam or as a pulsed beam.
  • the welding head is on a
  • Moving unit arranged, which is adapted to the welding head relative to the workpiece at a speed greater than 200 m / min, preferably greater than 300 m / min, even more preferably greater than 500 m / min, particularly preferably greater than 1000 m / min, and / or which is designed to do so
  • Welding head relative to the substrate on which the device is arranged with a travel speed greater than 20 m / min, preferably greater than 50 m / min, more preferably greater than 100 m / min to proceed.
  • the term "underground” refers to the stationary reference point, the ground or another
  • Hanging device may be in a hanging device. Due to the low weight of the welding head according to the invention are such
  • the method of the welding head relative to the ground represents an absolute speed of the welding head
  • Speed of the welding head relative to the workpiece may be a superposition of the movement of the workpiece and that of the welding head. By moving the workpiece, therefore, greater relative speeds can be achieved.
  • the moving unit is configured to the welding head with an acceleration of more than 10m / s 2, preferably greater than 20m / s 2, particularly preferably more than 40 m / s 2, to accelerate relative to the workpiece.
  • Suitable moving units for this are
  • Acceleration to the motion unit gantry systems individual movable, parallel or serially arranged, axes or rotation axes with a Parallel kinematics or is an articulated robot.
  • this device comprises, for further heating of the processing point and / or the workpiece and / or the filler material, a second heating device based on magnetic or electrical induction, arc, heat conduction, plasma loading, media application or chemical reactions.
  • a second heating device based on magnetic or electrical induction, arc, heat conduction, plasma loading, media application or chemical reactions.
  • Temperature gradients are set even more precisely in the processing point and in the surrounding workpiece, in particular, can lower
  • Temperature gradients and / or more uniform temperature distributions are achieved at the processing point than only on the laser irradiation.
  • the invention further relates to a method for laser cladding with a device according to the invention comprising a housing, an optics held in this housing by means of an optical mount optics of one or more transmissive and / or reflective optical elements, and a material nozzle, wherein the optical elements at least partially, preferably completely, made of a material having a refractive index greater than 2.1, preferably a diamond material, comprising the steps
  • transmissive optical elements are preferably made entirely of diamond material
  • Welding head weighing less than 5kg, more preferably less than 3kg.
  • the method comprises the further step of
  • the method relative to the ground represents an absolute speed, while the speed of the welding head relative to the workpiece may be a superposition of the movement of the workpiece and that of the welding head. By moving the workpiece, therefore, greater relative speeds can be achieved.
  • the method comprises the further step of
  • the method comprises at least one of the further steps:
  • the method comprises the further step of
  • the laser beam is shaped such that the filler material impinges on the workpiece in melted or melted form.
  • the filler penetrates the way from the Material nozzle to the processing point on the workpiece the laser beam.
  • the stream of filler material preferably has a material focus which lies in the laser beam. More preferably, the optic is configured so that the laser beam has a focus above the processing point of the workpiece that coincides with the material focus. If the filler material hits the workpiece in molten or molten form, the process of laser deposition welding can be performed even faster, so that the welding head can be moved even faster.
  • the method comprises the further step of
  • Fig. 1 schematic representation of an embodiment of the welding head according to the invention (a) in a side view, (b) in plan view of the
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an embodiment of the method according to the invention.
  • the welding head 1 (a) in lateral view, (b) in plan view of the material nozzle 4 and (c) in the lateral section of the optical system 3 with optical elements 31st
  • the welding head 1 in FIG. 1a comprises a housing 2, an optic 3 made of one or more transmissive elements held in this housing 2 and / or reflective optical elements, and a material nozzle 4.
  • Welding head 1 is designed to direct a laser beam L by means of optics 2 through the material nozzle 4 in the direction of a machining point BP (see FIG. 2) on a workpiece 5 to be machined.
  • the laser beam L is in this case coupled by a coupling window 321 in the optics 3 and by a
  • the welding head 1 additionally comprises a gas feed line 8, which is arranged so that the optical elements 32 in the optics 3 are subjected to an overpressure for cooling relative to the ambient atmosphere.
  • the gas stream G may include argon, helium, compressed air, nitrogen or a mixture thereof.
  • the welding head 1 additionally comprises at
  • Material nozzle an optical detection device 9, in which a plurality of sensors (for example, brightness sensors, not shown in detail here for detecting the processing point BP) are integrated.
  • a plurality of sensors for example, brightness sensors, not shown in detail here for detecting the processing point BP
  • the optical detection device 9 in which a plurality of sensors (for example, brightness sensors, not shown in detail here for detecting the processing point BP) are integrated.
  • Detection device 9 also be designed as a camera.
  • 1 b shows the material nozzle 4 in a plan view, wherein this in this case as an annular nozzle 42 with a central opening 41 as a transparent coupling window 321 to the outlet of the laser beam L and arranged around the central opening 41 annular nozzle 42 to the outlet of the filler material 6, for example in powder form , is designed.
  • a filler 6 for example, powder with a particle size of 10 - ⁇ ⁇ (usually less than 50 ⁇ ) through the annular nozzle 42 with an annular gap width of 50 - ⁇ ⁇ transported in the direction of the processing point BP.
  • Fig.lc shows schematically a section of the optic 3 with two fixedly held in respective optics mounts 31 transmissive optical elements 32.
  • the optical mount 31 (unlike shown here) can be clamped axially against a shoulder in the housing 2.
  • the optical elements 32 are in this
  • Embodiment made entirely of a diamond material, which is very high refractive index with a refractive index of 2.42. This ensures that the welding head 1 only has a weight less than 5kg. Diamond has a great mechanical robustness and very good thermal conductivity. Due to the low weight of the welding head, a high three-dimensional dynamic movement of the welding head 1 during laser deposition welding is made possible.
  • the housing 2 of the welding head 1 is here for better heat dissipation of the optical elements 32 made of pure copper with a thermal conductivity of 401 W / mK.
  • the housing is made of aluminum because of the weight saving, which has a thermal conductivity of 236 W / mK. The heat is then removed from the outer surface of the
  • Fig.l c additionally includes a comparison with the representation in Figure 1 a other
  • the optical detection means an optical signal (shown as a dashed broken arrow in the direction of the optical detection device 9) from the processing point in the reverse direction to the beam path of the laser beam through the coupling window 321st through.
  • This signal can be deflected for example by means of a prism or a beam splitter (not explicitly shown here) from the beam direction perpendicular to the housing wall.
  • the housing 2 in this case has a transmissive point at the attachment location of the optical detection device 9, so that the signal can reach the optical detection device 9.
  • the optical detection means 9 for receiving the Signal also be arranged on the inside of the housing 2.
  • Device 10 according to the invention comprising a device according to the invention
  • the welding head 1 is arranged for movement on a movement unit 13 which is designed to fix the welding head 1 relative to the workpiece 5 at a travel speed VG greater than 200 m / min, preferably greater than 300 m / s, even more preferably greater than 500 m / s. particularly preferably greater than 1000 m / s, to proceed.
  • the moving unit 13 may be configured to weld the welding head 1 relative to the ground on which the
  • the Device is arranged to proceed with a travel speed VG greater than 20 m / min, preferably greater than 50 m / min, even more preferably greater than 100 m / min. Further, the moving unit 13 is configured to, the
  • Welding head 1 for this purpose with an acceleration BS of more than 10m / s 2 , preferably more than 20m / s 2 , more preferably more than 40m / s 2 to accelerate relative to the workpiece 5.
  • suitable movement units 13 are, for example, gantry systems, individual movable, parallel or serially arranged, axes or rotation axes with a parallel kinematics or articulated robot.
  • the device 10 here comprises a further heating of the processing point BP and / or of the workpiece 5 and / or of the
  • FIG. 1 shows two different embodiments of the arrangement of the second thermal device 14.
  • the heating device is arranged below the workpiece, in the other embodiment, the heating device 14 is arranged laterally above the workpiece 5 with effect on the processing point BP.
  • Arrangements could also include techniques such as electric arcs, heat conduction,
  • the heating device 14 may be in another
  • Embodiment also be used to heat the filler 6 in addition.
  • the welding head additionally comprises a gas supply 8 for emitting a gas flow G, which is arranged so that the gas flow G is directed to the processing point BP.
  • the gas stream G generates a defined atmosphere at the processing point BP.
  • the gas stream G may include argon, helium, compressed air, nitrogen, oxygen, hydrogen or a mixture thereof.
  • Method according to the invention for laser deposition welding with a device 10 according to the invention comprising a housing 2, an optic 3 held in this housing 2 by means of an optic holder 31 and comprising one or more transmissive and / or reflective optical elements 32, and a material nozzle 4, wherein at least the transmissive optical elements 31 at least partially, preferably completely, of a material having a refractive index greater than 2.1, preferably a
  • Diamond material consist, comprising the steps of steering 1 10 a laser beam L by means of the optics 3, if appropriate with appropriate
  • Embodiment through the material nozzle 4 through, in the direction of a processing point BP on a workpiece to be machined 5, wherein at least the transmissive optical elements 32 are preferably made entirely of diamond material; feeding 120 a filler material 6 through one or more suitable feeders 7 to the material nozzle 4; the discharge 130 of the filler material 7 to the processing point BP during laser deposition welding through the material nozzle 4 (possibly simultaneously with its optical function, see Fig. 1); of performing 140 of
  • Welding head 1 (see, for example, Figure 1) with a weight less than 5kg, more preferably less than 3kg; the method 150 of the welding head 1 relative to the workpiece at a travel speed VG greater than 200 m / min, preferably greater than 300 m / min, even more preferably greater than 500 m / min, particularly preferably greater than 1000 m / min, and / or relative to the ground, on which the device is arranged with a travel speed VG greater 20 m / min, preferably greater than 50 m / min, even more preferably greater than 100 m / min, by means of a movement unit 13, on which the welding head 1 is arranged, and / or accelerating 160 of the welding head 1 with a
  • Movement unit 13 optionally of loading 170 of the processing point BP with a gas flow G by means of one or more connected to the welding head 1 gas supply lines 8, preferably for generating a defined atmosphere at the processing point BP, and / or optionally the loading 180 of at least the optical elements 32 with a Overpressure relative to the ambient atmosphere, optionally the removal 190 of heat from the optical elements 32 via the optical mount 31 or by convection in the housing 2 or by means of one with a medium for heat dissipation, with which the optical mount 31 is suitably applied.
  • the method 100 may additionally include the further step of applying 200 additional filler materials to the
  • the laser beam L can be formed so that the filler material 6 in

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schweißkopf (1) für eine Vorrichtung (10) zum Laserauftragsschweißen umfassend ein Gehäuse (2), eine in diesem Gehäuse (2) mittels einer Optikhalterung (31) gehaltene Optik (3) aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen (32), und eine Werkstoffdüse (4), wobei der Schweißkopf (1) dazu ausgestaltet ist, einen Laserstrahl (L) mittels der Optik (2) in Richtung eines Bearbeitungspunktes (BP) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (5) zu lenken, wobei die Werkstoffdüse (4) zumindest dazu ausgestaltet, einen Zusatzwerkstoff (6) zum Bearbeitungspunkt (BP) während des Laserauftragsschweißens auszulassen, der durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen (7) der Werkstoffdüse (4) zugeführt wird, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente (32) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 bestehen.

Description

Vorrichtung zum Laserauftragsschweißen
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Schweißkopf, eine Vorrichtung zum
Laserauftragsschweißen mit einem solchen Schweißkopf sowie ein
entsprechendes Verfahren zum Laserauftragsschweißen mit einer solchen
Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Laserauftragsschweißen ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung und zum Generieren von Bauteilen mit Zusatzwerkstoffen. Dabei wird in ein durch einen Laserstrahl erzeugtes Schmelzbad auf einer Oberfläche eines Bauteils ein pulverförmiger, drahtförmiger oder andersartig ausgebildeter Zusatzwerkstoff eingebracht. Je höher die Prozessgeschwindigkeit ist, desto schneller kann ein Werkstück bearbeitet werden .
DE 10 201 1 100 456 A1 offenbart ein Verfahren zum Laserauftragsschweißen mit pulverförmigen Zusatzwerkstoffen mittels Laserstrahlung, welches bereits sehr hohe Prozessgeschwindigkeiten ermöglicht. Hierbei wurden die hohen
Prozessgeschwindigkeiten dadurch erreicht, dass einem auf einer zu
bearbeitenden Oberfläche vorliegenden Schmelzbad zumindest ein
Zusatzwerkstoff in bereits vollständig geschmolzener oder angeschmolzener Form zugeführt wird. Dennoch wäre eine weitere Erhöhung der
Bearbeitungsgeschwindigkeit und eine Erweiterung der möglichen
Anwendungsfelder weiterhin wünschenswert.
Es wäre daher wünschenswert, eine Vorrichtung zum Laserauftragsschweißen zur Verfügung zu haben, die eine hohe Prozessgeschwindigkeit ermöglicht und für schwer zugängliche Werkstücke geeignet ist. Insbesondere beinhaltet die
Bearbeitungszeit beim Laserauftragsschweißen je nach bearbeiteter Geometrie und Prozessgeschwindigkeit auch Beschleunigungs- und Abbremszeiten des Bearbeitungskopfes oder Werkstückes, während welcher eine Bearbeitung mit konstanten Prozessparametern nicht möglich ist. Insbesondere an schwer zugänglichen Werkstücken ist der Verfahrweg für eine solche Beschleunigungsphase jedoch nicht verfügbar, zumal die Störkontur des Bearbeitungskopfes sich negativ auf die Erreichbarkeit auswirkt. Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum
Laserauftragsschweißen zur Verfügung zu stellen, die eine hohe
Prozessgeschwindigkeit ermöglicht und für hohe Bewegungsdynamiken und schwer zugängliche Werkstücke geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Schweißkopf für eine Vorrichtung zum Laserauftragsschweißen umfassend ein Gehäuse, eine in diesem Gehäuse mittels einer Optikhalterung gehaltene Optik aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen, und eine Werkstoffdüse, wobei der Schweißkopf dazu ausgestaltet ist, einen Laserstrahl mittels der Optik in Richtung eines Bearbeitungspunktes auf einem zu bearbeitenden Werkstück zu lenken, wobei die Werkstoffdüse zumindest dazu ausgestaltet ist, einen Zusatzwerkstoff zum Bearbeitungspunkt während des Laserauftragsschweißens auszulassen, der durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen der Werkstoffdüse zugeführt wird, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 bestehen, um die Abmessungen und Massen der optischen
Elemente und damit des Schweißkopfes zu reduzieren um eine hohe
dreidimensionale Bewegungsdynamik des Schweißkopfes während des
Laserauftragsschweißens zu ermöglichen.
Der Begriff Schweißkopf bezeichnet die funktionelle Einheit, die während des Laserauftragsschweißens zur Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit dazu vorgesehen ist, bewegt zu werden. Das Gehäuse umschließt die Optik mit den optischen Elementen und damit den Laserstahl im Schweißkopf zwischen der
Einkoppelstelle des Laserlichts in den Schweißkopf, an die die Lichtquelle, hier ein Laser, mit geeigneten Mitteln angekoppelt ist, und der Auskoppelstelle, aus der der Laserstrahl in Richtung des Werkstücks austritt. Die Werkstoffdüse ist zum Auslass des Zusatzwerkstoffs, beispielsweise in Pulverform, ausgestaltet. Hierbei bezeichnet der Begriff„Werkstoffdüse" die Gesamtheit aller Materialauslässe für den Zusatzwerkstoff und gegebenenfalls anderer Substanzen. Je nach
Ausführungsform kann die Werkstoffdüse ein oder mehrere Subdüsen umfassen, deren Form und Anordnung auf die jeweilige Verwendung angepasst sein kann. Die Werkstoffdüse kann beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr Subdüsen umfassen, durch die der Zusatzwerkstoff oder andere Substanzen ausgelassen werden können. Bei den Zusatzwerkstoffen werden beispielsweise Pulver mit einer Partikelgröße von 10 - Ι ΟΌμιτι durch die Werkstoffdüse in Richtung des Bearbeitungspunktes transportiert. Dieser Transport kann beispielsweise durch gravimetrische, mechanisch unterstützt, magnetische, induktive, pneumatische oder hydraulische Fördertechniken durch die Werkstoffdüse hindurch
bewerkstelligt werden. Üblicherweise werden die Zusatzwerkstoffe mit einem Trägergas, beispielsweise Argon, durch geeignete Zuleitungen von einem
Reservoir an Zusatzwerkstoff zur Werkstoffdüse transportiert und durch diese in einem kontinuierlichen Strahl an Zusatzwerkstoff in Richtung des
Bearbeitungspunktes auf dem Werkstück befördert. Für einen effektiven Prozess des Laserauftragsschweißen ist ein konstanter genau definierter Strahl an
Zusatzwerkstoffen mit einem definierten Fokus an Zusatzwerkstoffen auf dem Weg zwischen Werkstoffdüse zum Werkstück vorteilhaft. Zusatzwerkstoffe können beispielsweise Nickellegierungen, Kobaltlegierungen, Eisenlegierungen,
Titanlegierungen und keramische Werkstoffe sowie Gemische der vorher genannten Werkstoffe umfassen. Die Optik umfasst die für die jeweilige Anwendung geeignete Form und Anzahl an optischen Elementen, um den Laserstrahl in geeigneter Weise auf das Werkstück zu lenken. Hierbei kann die Optik ein einzelnes optisches Element geformt als transmissive Linse oder mehrere optische Elemente mit gleichen oder
unterschiedlichen optischen Abbildungseigenschaften zur gewünschten
Strahlformung umfassen. Diese optischen Elemente können als transmissive oder reflektive optische Elemente ausgeführt sein. Der Begriff„transmissive" bezeichnet ein optisches Element, das das das Licht hindurchtritt, während reflektive optische Elemente das Licht zurückreflektieren. Welche optischen Elemente für die Herstellung einer gewünschten Strahlform des auf das Werkstück gerichteten Laserstrahls benötigt werden, kann von Fachmann gewählt werden. Hierbei kann das Gehäuse je nach Brennweite des oder der optischen Elemente kürzer oder länger gesehen in Strahlausbreitungsrichtung ausfallen. Die optischen Elemente aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 besitzen eine deutlich kürzere Brennweite als herkömmliche Glasoptiken. Solche optischen Elemente sind in der Regel transmissive optische Elemente wie beispielsweise Kollimatorlinsen, Fokuslinsen, Schutzgläser und/oder Aus- und Einkoppelstellen für den Laserstrahl. Reflektive optische Elemente können dagegen beispielsweise aus Metall gefertigt sein oder zumindest eine reflektierende Beschichtung aufweisen. In einer Ausführungsform können optischen Elemente aus obigem hochbrechendem Material mit einer Reflexionsschicht versehen sein, um reflektiv zu wirken. Somit wird die gewünschte Strahlform von einer in Strahlrichtung gesehen deutlich kürzeren und schmaleren Optik bereitgestellt. Das
umschließende Gehäuse fällt damit entsprechend kürzer und insgesamt kompakter aus, was zu weniger Materialeinsatz für das Gehäuse führt und dieses entsprechend leichter ausfallen lässt. Einen Brechungsindex größer 2,1 besitzen beispielsweise Werkstoffe wie Zinksulfit (2,37), Diamant (2,42), Titandioxid- Anastas (2,52), Titandioxid-rutil (3,10) oder Bleisulfit (3,90). Vorzugsweise sollte das Material der optischen Elemente einen Brechungsindex größer 2,2, besonders bevorzugt größer 2,3 aufweisen. Unter Einsatz dieser Materialien für die jeweiligen Optiken in Schweißköpfen kann das Gewicht eines Schweißkopfes gegenüber dem Stand der Technik von 10 - 25 kg mindestens um einen Faktor zwei gesenkt werden, was sich sehr vorteilhaft auf die Beweglichkeit des Schweißkopfes mittels entsprechender Bewegungseinheiten auswirkt. Solche Optiken können zudem einen Laserstrahl mit guter Strahlqualität (definierte und stabile Strahlform) bereitstellen, was eine hohe Prozessqualität beim Laserauftragsschweißen ermöglicht. Hierbei ist ein gut definierter und stabiler Fokusbereich vorteilhaft, in dem die Zusatzwerkstoffe für das Auftragsschweißen zumindest angeschmolzen werden. Besonders bevorzugt ist dabei eine Optik des Schweißkopfes, deren optischer Fokus mit dem Materialfokus der aus der Werkstoffdüse austretenden Zusatzwerkstoffen übereinstimmt oder aber der Laserstrahl definiert defokussiert ist, um zumindest den Materialfokus als Ganzes zu überdecken. Ferner ist die Optik und die Ausgestaltung der Werkstoffdüse dabei beispielsweise so
ausgewählt, dass die Fokusse in einer gewünschten Entfernung oberhalb des Bearbeitungspunktes des Werkstücks liegen, damit der Zusatzwerkstoff geeignet vorbereitet das Werkstück erreicht.
Der Stand der Technik für Schweißköpfe beim Laserauftragsschweißen weist dagegen deutliche Defizite insbesondere in Hinsicht auf Baugröße und Gewicht der Schweißköpfe auf. Diese Defizite sind insbesondere relevant für
Anwendungen, in welchen eine hohe Bewegungsdynamik oder gute
Zugänglichkeit gefordert ist. Mit geeigneter Zufuhr der Zusatzwerkstoffe ist der Zusatzwerkstoff nicht mehr der limitierende Faktor für die Prozessgeschwindigkeit, sondern die Bewegung des Schweißkopfes.
Der Begriff Prozessgeschwindigkeit bezeichnet dabei sowohl die Auftragsrate (kg/h) als auch die Vorschubgeschwindigkeit und damit Flächenrate. Die vorliegende Erfindung verbessert bei einer hohen Auftragsrate hier insbesondere die Beschleunigung des Schweißkopfes, was zu einer besonders hohen
Flächenrate führt. Die Dynamikerhöhung wird durch einen kleineren Schweißkopf erreicht, was durch die leichtere Optik mit für die benötigte Baulänge und Breite des Schweißkopfes günstigeren optischen Eigenschaften der optischen Elemente erreicht wird, was wiederum einen kleineren und damit leichteren Schweißkopf zur Folge hat und dieser damit mit höheren Beschleunigungen und höheren Geschwindigkeiten auf kurzem Raum verfahren werden kann. Dadurch wird die Auftragsrate und somit die Prozessgeschwindigkeit stark erhöht. Die erhöhte Beschleunigung und erhöhte Ruck-Erhöhung bei Bewegung des Bearbeitungskopfes ermöglicht einen wirtschaftlichen Einsatz bei Laserauftragsschweißen gegenüber anderen
Verfahren nach dem Stand der Technik. Der kleine Schweißkopf ermöglicht zusätzlich durch seine reduzierte Größe im Vergleich zu den Schweißköpfen im Stand der Technik die Bearbeitung schwer zugänglicher Werkstücke.
Die vorliegende Erfindung stellt somit einen Schweiß köpf für eine Vorrichtung zum Laserauftragsschweißen zur Verfügung, mit dem eine hohe
Prozessgeschwindigkeit ermöglicht wird und der für hohe Bewegungsdynamiken und schwer zugängliche Werkstücke geeignet ist. In einer Ausführungsform besitzt der Schweißkopf dabei ein Gewicht unter 5kg, in einer bevorzugten Ausführungsform sogar ein Gewicht unter 3kg. Das ist im Gegensatz zu Schweißköpfen im Stand der Technik, die je nach Strahlleistung ein Gewicht zwischen 10kg und 25 kg aufweisen ein sehr leichtes Gewicht. Die erfindungsgemäßen leichten Schweißköpfe können mit Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bewegt werden, die für Schweißköpfe des Stands der Technik aus Gründen der mechanischen Überbelastung des Antriebs nicht möglich oder viel zu aufwendig sind.
In einer Ausführungsform ist das Material mit dem Brechungsindex größer als 2,1 ein Diamantwerkstoff. Der Begriff Diamantwerkstoff bezeichnet herbei Diamant oder diamantähnliche Substanzen. Diamant besitzt einen Brechungsindex von ungefähr 2,4. Der Diamantwerkstoff kann polykristallin oder monokristallin sein. Polykristalline Diamanten zeichnen sich durch ihre gute Bearbeitbarkeit aus, sodass dreidimensional geformte optische Elemente gut herstellbar sind. Der Diamantwerkstoff besitzt zudem eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit in der
Größenordnung von 2000 W/mK, was beispielsweise um drei Größenordnungen höher ist als bei normalem Glas. Durch diese hohe Wärmeleitfähigkeit kann die durch den Laserstrahl beim Durchtritt durch die Optik in den optischen Elementen deponierte Wärme schnell und effektiv zum Gehäuse des Schweißkopfes abgeführt und von dort an die Umgebung des Schweißkopfes auf geeignete Art und Weise abgegeben werden. Dadurch sind die optischen Eigenschaften der optischen Elemente aus Diamantwerkstoff besonders stabil, was beispielsweise eine thermische Drift der Fokuslänge vermeidet. Schweißköpfe nach dem Stand der Technik weisen dagegen eine Einfahrzeit auf, bis deren Optiken im
thermischen Gleichgewicht sind. Der erfindungsgemäße Schweißkopf mit optischen Elementen aus Diamantwerkstoff kann dagegen sofort mit konstanten optischen Eigenschaften eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Schweißkopf kann dadurch bei einem Betrieb unter sich ändernden Laserleistungen kontinuierlich mit konstanten optischen Eigenschaften betrieben werden, was im Stand der Technik nicht möglich ist. Außerdem besitzt der Diamantwerkstoff eine sehr hohe mechanische Robustheit, sodass besonders hohe Beschleunigungen auf den Schweißkopf ausgeübt werden können, ohne dass die Optik Schaden nimmt. Durch die mechanische Robustheit des Diamantwerkstoffs können zudem mechanisch besonders feste Optikhalterungen zur Fixierung der optischen
Elemente im Gehäuse des Schweißkopfes verwendet werden, um sicherzustellen, dass sich die optischen Elemente bei den großen Beschleunigungen nicht aus ihren Optikhalterungen lösen und der Schweißkopf dadurch nicht mehr
verwendbar ist. Durch die aufgrund des hohen Brechungsindexes leichteren optischen Elemente sind die vorhandenen Klemmkräfte einer Halterung wesentlich besser geeignet, hohe Beschleunigungen zu kompensieren und die optischen Elemente sicher zu halten. Dem Fachmann ist neben Naturdiamanten die
Herstellung von polykristallinen oder monokristallinen Industriediamanten bekannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Diamantwerkstoff dabei
monokristallin. Monokristalline Diamanten streuen im Gegensatz zu
polykristallinen Diamanten nicht innerhalb des optischen Elements in ungewollter Weise. Außerdem weisen monokristalline Diamanten keine oder nur geringfügige Unreinheiten oder Störstellen auf, was bei monokristallinen Diamanten zu besonders hochwertigen optische Eigenschaften führt. Monokristalline und polykristalline Diamanten sind für Laser mit einer Wellenlänge kleiner 2 μιτι oder größer 6μηη geeignet. Geeignete Laser sind beispielsweise ND:YaG-Laser oder andere industrieübliche Festkörperlaser, Diodenlaser oder CO2-Laser. Leistungen bis zu 5 kW oder mehr lassen sich durch obige optische Elemente aus
Diamantwerkstoff transportieren.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Werkstoffdüse als Kombinationsdüse mit einer zentralen Öffnung zum Auslassen des durch die Optik bereitgestellten Laserstrahls und mit mindestens einer koaxial um die zentrale Öffnung herum angeordnete Ringdüse ausgeführt, wobei der Zusatzwerkstoff durch die Ringdüse ausgelassen wird. Die Werkstoffdüse erfüllt in dieser Ausführungsform eine Doppelfunktion (Kombinationsdüse), indem sie neben der Funktion des Auslassens des Zusatzwerkstoffes zusätzlich eine optische Funktion erfüllt, indem der Laserstrahl von der Optik des Schweißkopfes durch die Werkstoffdüse geleitet wird und durch die zentrale Öffnung der Werkstoffdüse in Richtung des
Werkstückes austritt. Die zentrale Öffnung kann dabei als transparente
Auskoppelstelle mit einem transparenten Fenster (Auskoppelfenster) ausgeführt sein. Bei Zusatzwerkstoffen werden beispielsweise Pulver mit einer Partikelgrößen von 10 - Ι ΟΟμιτι durch die Ringdüse mit einer Ringspaltbreite von 50-1000 μιτι in Richtung des Bearbeitungspunktes transportiert. In einer weiteren Ausführungsform besteht das Gehäuse des Schweißkopfes zumindest teilweise aus einem wärmeleitfähigen Material mit einer
Wärmeleitfähigkeit größer 150 W/mK, bevorzugt größer 200 W/mK, besonders vorzugsweise größer 300 W/mK. Da die optischen Elemente über ihre
Optikhalterung am Gehäuse befestigt sind, beispielsweise ist das Gehäuse bereits mit Optikhalterungen ausgeführt, kann die Wärme von den optischen Elementen umso besser angeführt werden, je größer die Wärmeleitung des Materials des Gehäuses ist. Das Gehäuse kann dafür beispielsweise aus Aluminium (236 W/mK), Kupfer (rein 401 W/mK oder handelsüblich 240 - 380 W/mK) oder teilweise aus Silber (429 W/mK) oder Gold (314 W/mK) gefertigt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich zumindest die Optikhalterung der optischen Elemente mit einem Medium zur Wärmeabfuhr geeignet
beaufschlagt, um die Wärmeabfuhr von den optischen Elementen noch weiter zu verbessern. Das dafür verwendete Medium kann ein oder mehrere Elemente der Gruppe Wasser, flüssige Metalle, Dämpfe, Glykol oder Ethanol umfassen.
Flüssige Metalle bezeichnen dabei niedrigschmelzende Metalle, beispielsweise mit Schmelzpunkt unter 100°C oder Wärmeleitpasten auf Flüssigmetallbasis.
In einer weiteren Ausführungsform sind ein oder mehrere Gaszuleitungen zur Aussendung von Gasströmen mit dem Schweißkopf verbunden, die so angeordnet sind, dass die Gasströme auf den Bearbeitungspunkt gerichtet sind. Dadurch kann für den Prozess des Laserauftragsschweißen bei den gewählten
Zusatzwerkstoffen eine geeignete Atmosphäre am den Bearbeitungspunkt auf dem Werkstoff erzeugt beziehungsweise eingestellt werden. Alternativ oder in Kombination dazu können zumindest die optischen Elemente mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre beaufschlagt sein. Dieser Überdruck erzeugt eine Konvektion in der Optik und verstärkt den Kühleffekt (Wärmeabfuhr) für die optischen Elemente und schützt die optischen Elemente vor Kontamination. Dazu umfassen der oder die Gasströme beispielsweise Argon, Helium, Druckluft, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder eine Mischung daraus. Hierbei kann es sich sowohl um chemisch inerte Gase (z.B. Edelgase oder Stickstoff) bevorzugt für die Konvention in der Optik und die Passivierung des Bearbeitungspunktes gegenüber der Umgebungsluft oder um reaktive Gase zur Beeinflussung der chemischen Reaktion am Bearbeitungspunkt handeln.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schweißkopf eine optische
Erfassungsvorrichtung, vorzugsweise sind in der Erfassungsvorrichtung mehrere Sensoren zur Erfassung des Bearbeitungspunktes integriert. Der Begriff„optische Erfassungsvorrichtung" kann dabei sowohl eine Kamera als auch
Helligkeitssensoren oder weitere Sensorik zur Beobachtung des
Bearbeitungspunktes und seiner Umgebung sein. Die Erfassungsvorrichtung ermöglicht eine noch präzisere mechanische Steuerung des Schweißkopfes relativ zum Werkstoff und dessen möglicher dreidimensionaler Struktur sowie eine Überwachung und Steuerung des Bearbeitungsprozesses.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Laserauftragsschweißen umfassend einen erfindungsgemäßen Schweißkopf sowie einen Laser zur
Aussendung eines Laserstrahls, der auf geeignete Weise, vorzugsweise mittels eines Lichtwellenleiters, in den Schweißkopf eingekoppelt wird. Für die jeweilige Anwendung geeignete Laser können vom Fachmann geeignet gewählt werden. Der Laserstrahl kann dabei als kontinuierlicher Strahl oder als gepulster Strahl ausgesendet werden.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Schweißkopf auf einer
Bewegungseinheit angeordnet, die dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf relativ zum Werkstück mit einer Verfahrgeschwindigkeit größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/min, noch mehr bevorzugt größer 500 m/min, besonders bevorzugt größer 1000 m/min, zu verfahren, und/oder die dazu ausgestaltet ist, den
Schweißkopf relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, zu verfahren. Der Begriff„Untergrund" bezeichnet den ruhenden Bezugspunkt, der der Boden oder eine andere
Unterlage bei einer stehenden Vorrichtung oder eine Wand oder eine
Hängevorrichtung bei einer hängenden Vorrichtung sein kann. Aufgrund des geringen Gewichts des erfindungsgemäßen Schweißkopfes sind solche
Geschwindigkeiten wesentlich leichter zu erreichen als mit schweren
Schweißköpfen. Das Verfahren des Schweißkopfes relativ zum Untergrund stellt eine absolute Geschwindigkeit des Schweißkopfes dar, während die
Geschwindigkeit des Schweißkopfes relativ zum Werkstück eine Überlagerung der Bewegung des Werkstücks und die des Schweißkopfes sein kann. Durch eine Bewegung des Werkstücks können daher größere relative Geschwindigkeiten erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist die Bewegungseinheit dazu ausgestaltet, den Schweißkopf mit einer Beschleunigung von mehr als 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2, relativ zum Werkstück zu beschleunigen. Geeignete Bewegungseinheiten dafür sind
Einheiten, die durch lineare Direktmotoren, Spindel- oder Riementriebe
angetrieben werden. Aufgrund des geringen Gewichts des erfindungsgemäßen Schweißkopfes und gegebenenfalls der sehr robusten optischen Elemente können solche Beschleunigungen nur mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden, ohne dass dabei die Bewegungseinheit, der Schweißkopf und/oder die optischen Elemente beschädigt werden und ein stabiler Prozess ohne
Veränderung erreicht wird. In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung umfasst zur Erreichung gewünschten der Verfahrgeschwindigkeit und/oder der gewünschten
Beschleunigung dazu die Bewegungseinheit Portalsysteme, einzelne verfahrbare, parallel oder seriell angeordnete, Achsen oder Rotationsachsen mit einer Parallelkinematik oder ist ein Knickarmroboter.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung umfasst diese zu einer weiteren Erwärmung des Bearbeitungspunktes und/oder des Werkstücks und/oder des Zusatzwerkstoffs eine zweite Wärmevorrichtung basierend auf magnetischer oder elektrischer Induktion, Lichtbogen, Wärmeleitung, Plasmabeaufschlagung, Medienbeaufschlagung oder chemischen Reaktionen. Somit kann die für den Laserauftragsprozess benötigte Temperatur beziehungsweise
Temperaturgradienten im Bearbeitungspunkt und im umgebenden Werkstück noch präziser eingestellt werden, insbesondere können geringere
Temperaturgradienten und/oder gleichmäßigere Temperaturverteilungen am Bearbeitungspunkt erreicht werden als nur über die Lasereinstrahlung.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Laserauftragsschweißen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassend ein Gehäuse, eine in diesem Gehäuse mittels einer Optikhalterung gehaltene Optik aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen, und eine Werkstoffdüse, wobei die optischen Elemente zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 , vorzugsweise ein Diamantwerkstoff, bestehen, umfassend die Schritte
Lenken eines Laserstrahls mittels der Optik in Richtung eines
Bearbeitungspunktes auf einem zu bearbeitenden Werkstück, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente vorzugsweise vollständig, aus Diamantwerkstoff bestehen,
- Zuführen eines Zusatzwerkstoffs durch ein oder mehrere geeignete
Zufuhreinrichtungen zur Werkstoffdüse,
Auslassen des Zusatzwerkstoffs zum Bearbeitungspunkt während des Laserauftragsschweißens durch die Werkstoffdüse,
Ausführen des Laserauftragsschweißens, vorzugsweise mit einem
Schweißkopf mit einem Gewicht unter 5kg, besonders bevorzugt unter 3kg.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des
Verfahrens des Schweißkopfs relativ zum Werkstück mit einer Verfahrgeschwindigkeit größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/min, noch mehr bevorzugt größer 500 m/min, besonders bevorzugt größer 1000 m/min, und/oder relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, mittels einer Bewegungseinheit, auf der der Schweißkopf angeordnet ist. Das Verfahren relativ zum Untergrund stellt eine absolute Geschwindigkeit dar, während die Geschwindigkeit des Schweißkopfes relativ zum Werkstück eine Überlagerung der Bewegung des Werkstücks und die des Schweißkopfes sein kann. Durch eine Bewegung des Werkstücks können daher größere relative Geschwindigkeiten erreicht werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des
Beschleunigens des Schweißkopfes mit einer Beschleunigung von mehr 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2, relativ zum Werkstück mittels der Bewegungseinheit.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zumindest einen der weiteren Schritte:
Beaufschlagen des Bearbeitungspunktes mit einem Gasstrom mittels ein oder mehrerer mit dem Schweißkopf verbundener Gaszuleitungen, vorzugsweise zum Erzeugen einer definierten Atmosphäre am
Bearbeitungspunkt, und/oder
Beaufschlagen zumindest der optischen Elemente mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des
Abführens von Wärme von den optischen Elementen über die Optikhalterung oder mittels Konvektion im Gehäuse oder mittels eines Medium zur Wärmeabfuhr, mit der die Optikhalterung geeignet beaufschlagt ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Laserstrahl so geformt, dass der Zusatzwerkstoff in angeschmolzener oder aufgeschmolzener Form auf das Werkstück auftrifft. Hierzu durchdringt der Zusatzwerkstoff auf den Weg von der Werkstoffdüse zum Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück den Laserstrahl.
Bevorzugt weist der Strom an Zusatzwerkstoff einen Materialfokus auf, der im Laserstrahl liegt. Noch bevorzugter ist die Optik dazu ausgestaltet, dass der Laserstrahl einen Fokus oberhalb des Bearbeitungspunktes des Werkstücks besitzt, der mit dem Materialfokus zusammenfällt. Sofern der Zusatzwerkstoff in angeschmolzener oder aufgeschmolzener Form auf das Werkstück auftrifft, kann der Prozess des Laserauftragsschweißens noch schneller ausgeführt werden, sodass der Schweißkopf noch schneller bewegt werden kann. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des
Aufbringens weiterer Zusatzwerkstoffe auf das Werkstück vor Beginn des
Laserauftragsschweißens. Auch diese Maßnahme kann die
Prozessgeschwindigkeit des Laserauftragsschweißens weiter erhöhen. Kurze Beschreibung der Abbildungen
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt.
Fig .1 : schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißkopfes (a) in seitlicher Ansicht, (b) in Draufsicht auf die
Werkstoffdüse und (c) im seitlichen Ausschnitt der Optik mit optischen Elementen;
Fig.2: schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig.3: schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig.1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Schweißkopfes 1 (a) in seitlicher Ansicht, (b) in Draufsicht auf die Werkstoffdüse 4 und (c) im seitlichen Ausschnitt der Optik 3 mit optischen Elementen 31 . Der Schweißkopf 1 in Fig.1 a umfasst ein Gehäuse 2, eine in diesem Gehäuse 2 gehaltene Optik 3 aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen, und eine Werkstoffdüse 4. Der
Schweißkopf 1 ist dazu ausgestaltet, einen Laserstrahl L mittels der Optik 2 durch die Werkstoffdüse 4 in Richtung eines Bearbeitungspunktes BP (siehe Fig.2) auf einem zu bearbeitenden Werkstück 5 zu lenken. Der Laserstrahl L wird hierbei durch ein Einkoppelfenster 321 in die Optik 3 eingekoppelt und durch ein
Auskoppelfenster 322 angeordnet am Ausgang der Werkstoffdüse 4 wieder mit der gewünschten Strahlform ausgekoppelt. Die Werkstoffdüse 4 ist dabei dazu ausgestaltet, simultan zu ihrer optischen Funktion ein Zusatzwerkstoff 6 zum Bearbeitungspunkt BP während des Laserauftragsschweißens auszulassen, das hier beispielsweise durch zwei bis sechs rohrförmige Zufuhreinrichtungen 7 seitlich der Werkstoffdüse 4 zugeführt wird. Aus Übersichtsgründen sind in der Fig.1 a nur zwei dieser Zufuhreinrichtungen dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst der Schweißkopf 1 zusätzlich eine Gaszuleitung 8, die so angeordnet ist, dass die optischen Elemente 32 in der Optik 3 zur Kühlung mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre beaufschlagt werden. Der Gasstrom G kann dabei Argon, Helium, Druckluft, Stickstoff oder eine Mischung daraus umfassen. In dieser Ausführungsform umfasst der Schweißkopf 1 zusätzlich an der
Werkstoffdüse eine optische Erfassungsvorrichtung 9, in der mehrere Sensoren (beispielsweise Helligkeitssensoren, hier nicht im Detail gezeigt zur Erfassung des Bearbeitungspunktes BP) integriert sind. Alternativ kann die optische
Erfassungsvorrichtung 9 auch als Kamera ausgeführt sein. Fig.1 b zeigt die Werkstoffdüse 4 in Draufsicht, wobei diese hierbei als Ringdüse 42 mit einer zentralen Öffnung 41 als transparentes Auskoppelfenster 321 zum Auslass des Laserstrahls L und einer um die zentrale Öffnung 41 angeordnete Ringdüse 42 zum Auslass des Zusatzwerkstoffs 6, beispielsweise in Pulverform, ausgestaltet ist. Als Zusatzwerkstoff 6 kann beispielsweise Pulver mit einer Partikelgröße von 10 - Ι ΟΟμιτι (üblicherweise kleiner 50μηη) durch die Ringdüse 42 mit einer Ringspaltbreite von 50 - Ι ΟΟΟμηη in Richtung des Bearbeitungspunktes BP transportiert. Dieser Transport kann beispielsweise durch gravimetrische, mechanisch unterstützt, magnetische, induktive, pneumatische oder hydraulische Fördertechniken durch die Zufuhreinrichtung 7 und die Ringdüse 42 hindurch bewerkstelligt werden. Üblicherweise werden die Zusatzwerkstoffe 6 mit einem Trägergas, beispielsweise Argon, durch geeignete Zuleitungen (hier nicht gezeigt) von einem Reservoir an Zusatzwerkstoff 6 zur Werkstoffdüse 4 transportiert und durch diese in einem kontinuierlichen Strahl an Zusatzwerkstoff 6 in Richtung des Bearbeitungspunktes BP auf dem Werkstück 5 geblasen. Fig.l c zeigt schematisch einen Ausschnitt der Optik 3 mit zwei in jeweiligen Optikhalterungen 31 fest gehaltenen transmissiven optischen Elementen 32. In anderen Anordnungen kann die Optikhalterung 31 (anders als hier gezeigt) axial gegen einen Absatz im Gehäuse 2 verspannt sein. Die optischen Elemente 32 sind in dieser
Ausführungsform vollständig aus einem Diamantwerkstoff gefertigt, das mit einem Brechungsindex von 2,42 sehr hochbrechend ist. Dadurch wird erreicht, dass der Schweißkopf 1 lediglich ein Gewicht unter 5kg besitzt. Diamant besitzt eine große mechanische Robustheit und sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Durch das geringe Gewicht des Schweißkopfes wird eine hohe dreidimensionale Bewegungsdynamik des Schweißkopfes 1 während des Laserauftragsschweißens ermöglicht. Das das Gehäuse 2 des Schweißkopfes 1 ist hier zur besseren Wärmeableitung von den optischen Elementen 32 aus reinem Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von 401 W/mK gefertigt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse wegen der Gewichtsersparnis aus Aluminium, das eine Wärmeleitfähigkeit von 236 W/mK besitzt. Die Wärme wird dann von der äußeren Oberfläche des
Gehäuses 2 an die Umgebung abgegeben. Zusätzlich kann die Optikhalterung 31 noch mit einem Medium zur Wärmeabfuhr geeignet beaufschlagt werden, beispielsweise mit Wasser, flüssigem Metall, Dampf, Glykol oder Ethanol. Fig.l c umfasst zusätzlich noch eine gegenüber der Darstellung in Fig.1 a andere
Ausführungsform der Anordnung der optischen Erfassungseinrichtung 6. Hier ist diese seitlich am Gehäuse 2 befestigt, wobei die optische Erfassungseinrichtung eine optisches Signal (dargestellt als gestrichelter geknickter Pfeil in Richtung der optischen Erfassungseinrichtung 9) vom Bearbeitungspunkt in umgekehrter Richtung zum Strahlengang des Laserstrahls durch das Auskoppelfenster 321 hindurch empfängt. Dieses Signal kann beispielsweise mittels eines Prismas oder eines Strahlteilers (hier nicht explizit gezeigt) aus der Strahlrichtung senkrecht zur Gehäusewand umgelenkt werden. Das Gehäuse 2 hat dabei eine transmissive Stelle am Befestigungsort der optischen Erfassungseinrichtung 9, damit das Signal die optische Erfassungseinrichtung 9 erreichen kann. In einer alternativen Ausführungsform kann die optische Erfassungseinrichtung 9 zum Empfangen des Signals auch auf der Innenseite des Gehäuses 2 angeordnet sein.
Fig.2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 umfassend einen erfindungsgemäßen
Schweißkopf 1 sowie einen Laser 1 1 zur Aussendung des Laserstrahls L, der hier mittels eines Lichtwellenleiters 12 in den Schweißkopf 1 eingekoppelt wird. Der Schweißkopf 1 ist zur Bewegung auf einer Bewegungseinheit 13 angeordnet, die dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf 1 relativ zum Werkstück 5 mit einer Verfahrgeschwindigkeit VG größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/s, noch mehr bevorzugt größer 500 m/s, besonders bevorzugt größer 1000 m/s, zu verfahren. Alternativ oder in Kombination kann die Bewegungseinheit 13 dazu ausgestaltet sein, den Schweißkopf 1 relativ zum Untergrund, auf dem die
Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit VG größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, zu verfahren. Ferner ist die Bewegungseinheit 13 dazu ausgestaltet ist, den
Schweißkopf 1 dafür mit einer Beschleunigung BS von mehr 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2 relativ zum Werkstück 5 zu beschleunigen. Dafür geeignete Bewegungseinheiten 13 sind beispielsweise Portalsysteme, einzelne verfahrbare, parallel oder seriell angeordnete, Achsen oder Rotationsachsen mit einer Parallelkinematik oder ein Knickarmroboter. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 10 hier zu einer weiteren Erwärmung des Bearbeitungspunktes BP und/oder des Werkstücks 5 und/oder des
Zusatzwerkstoffs 6 eine zweite Wärmevorrichtung 14 basierend auf magnetischer oder elektrischer Induktion, wobei Fig.2 zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Anordnung der zweiten Wärmevorrichtung 14 zeigt. In einer Ausführungsform ist die Wärmevorrichtung unterhalb des Werkstücks angeordnet, in der anderen Ausführungsform ist die Wärmevorrichtung 14 seitlich oberhalb des Werkstücks 5 mit Wirkung auf den Bearbeitungspunkt BP angeordnet. Bei anderen
Anordnungen könnten auch Techniken wie Lichtbögen, Wärmeleitung,
Plasmabeaufschlagung, Medienbeaufschlagung oder chemischen Reaktionen verwendet werden. Die Wärmevorrichtung 14 kann in einer anderen
Ausführungsform auch dazu verwendet werden, den Zusatzwerkstoff 6 zusätzlich zu erwärmen. In dieser Ausführungsform umfasst der Schweißkopf zusätzlich eine Gaszuleitung 8 zur Aussendung eines Gasstroms G, die so angeordnet ist, dass der Gasstrom G auf den Bearbeitungspunkt BP gerichtet ist. Dadurch erzeugt der Gasstrom G am Bearbeitungspunkt BP eine definierte Atmosphäre. Der Gasstrom G kann dabei Argon, Helium, Druckluft, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder eine Mischung daraus umfassen.
Fig.3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Laserauftragsschweißen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 (siehe beispielsweise Fig.2) umfassend ein Gehäuse 2, eine in diesem Gehäuse 2 mittels einer Optikhalterung 31 gehaltene Optik 3 aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen 32, und eine Werkstoffdüse 4, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente 31 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 , vorzugsweise ein
Diamantwerkstoff, bestehen, umfassend die Schritte des Lenkens 1 10 eines Laserstrahls L mittels der Optik 3, gegebenenfalls bei entsprechender
Ausgestaltung (siehe Fig.1 ) durch die Werkstoffdüse 4 hindurch, in Richtung eines Bearbeitungspunktes BP auf einem zu bearbeitenden Werkstück 5, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente 32 vorzugsweise vollständig, aus Diamantwerkstoff bestehen; des Zuführens 120 eines Zusatzwerkstoffs 6 durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen 7 zur Werkstoffdüse 4; des Auslassens 130 des Zusatzwerkstoffs 7 zum Bearbeitungspunkt BP während des Laserauftragsschweißens durch die Werkstoffdüse 4 (gegebenenfalls simultan zu ihrer optischen Funktion, siehe Fig.1 ); des Ausführens 140 des
Laserauftragsschweißens, vorzugsweise mit einem erfindungsgemäßen
Schweißkopf 1 (siehe beispielsweise Fig.1 ) mit einem Gewicht unter 5kg, besonders bevorzugt unter 3kg; des Verfahrens 150 des Schweißkopfs 1 relativ zum Werkstück mit einer Verfahrgeschwindigkeit VG größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/min, noch mehr bevorzugt größer 500 m/min, besonders bevorzugt größer 1000 m/min, und/oder relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit VG größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, mittels einer Bewegungseinheit 13, auf der der Schweißkopf 1 angeordnet ist, und/oder des Beschleunigens 160 des Schweißkopfes 1 mit einer
Beschleunigung (BS) von mehr 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2, relativ zum Werkstück 5 ebenfalls mittels dieser
Bewegungseinheit 13, optional des Beaufschlagens 170 des Bearbeitungspunktes BP mit einem Gasstrom G mittels ein oder mehrerer mit dem Schweißkopf 1 verbundener Gaszuleitungen 8, vorzugsweise zum Erzeugen einer definierten Atmosphäre am Bearbeitungspunkt BP, und/oder optional des Beaufschlagens 180 zumindest der optischen Elemente 32 mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre, optional des Abführens 190 von Wärme von den optischen Elementen 32 über die Optikhalterung 31 oder mittels Konvektion im Gehäuse 2 oder mittels eines mit einem Medium zur Wärmeabfuhr, mit der die Optikhalterung 31 geeignet beaufschlagt ist. Das Verfahren 100 kann zusätzlich den weiteren Schritt des Aufbringens 200 weiterer Zusatzwerkstoffe auf das
Werkstück 5 vor Beginn des Laserauftragsschweißens 140 umfassen. Auch kann der Laserstrahl L so geformt werden, dass der Zusatzwerkstoff 6 in
angeschmolzener oder aufgeschmolzener Form auf das Werkstück 5 auftrifft. Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden.
Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1 erfindungsgemäßer Schweißkopf
2 Gehäuse
3 Optik
31 Optikhalterung
32 optische Elemente
321 Einkoppelfenster
322 Auskoppelfenster
4 Werkstoffdüse
41 zentrale Öffnung der Werkstoffdüse
42 Ringdüse der Werkstoffdüse
5 Werkstück
6 Zusatzwerkstoff
7 Zufuhreinrichtungen
8 Gaszuleitung
9 optische Erfassungsvorrichtung
10 erfindungsgemäße Vorrichtung
1 1 Laser
12 Lichtwellenleiter
13 Bewegungseinheit
14 zweite Wärmevorrichtung 100 erfindungsgemäßes Verfahren
1 10 Lenken eines Laserstrahls mittels der Optik in Richtung eines Bearbeitungspunktes
120 Zuführen eines Zusatzwerkstoffs zur Werkstoffdüse
130 Auslassen des Zusatzwerkstoffs zum Bearbeitungspunkt 140 Ausführen des Laserauftragsschweißens
150 Verfahren des Schweißkopfs
160 Beschleunigen des Schweißkopfes
170 Beaufschlagen des Bearbeitungspunktes mit einem Gasstrom 180 Beaufschlagen zumindest der optischen Elemente mit einem Überdruck
190 Abführen von Wärme von den optischen Elementen
200 Aufbringen weiterer Zusatzwerkstoffe auf das Werkstück vor Beginn des Laserauftragsschweißens
BP Bearbeitungspunkt
BS Beschleunigung
G Gasstrom
L Laserstrahl
VS Verfahrgeschwindigkeit

Claims

Patentansprüche
1 . Ein Schweißkopf (1 ) für eine Vorrichtung (10) zum Laserauftragsschweißen umfassend ein Gehäuse (2), eine in diesem Gehäuse (2) mittels einer Optikhalterung (31 ) gehaltene Optik (3) aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen (32), und eine Werkstoffdüse (4), wobei der Schweißkopf (1 ) dazu ausgestaltet ist, einen Laserstrahl (L) mittels der Optik (2) in Richtung eines Bearbeitungspunktes (BP) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (5) zu lenken, wobei die Werkstoffdüse (4) zumindest dazu ausgestaltet ist, einen Zusatzwerkstoff (6) zum
Bearbeitungspunkt (BP) während des Laserauftragsschweißens
auszulassen, der durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen (7) der Werkstoffdüse (4) zugeführt wird, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente (32) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 bestehen, um die
Abmessungen und Massen der optischen Elemente und damit des
Schweißkopfes zu reduzieren um eine hohe dreidimensionale
Bewegungsdynamik des Schweißkopfes (1 ) während des
Laserauftragsschweißens zu ermöglichen.
2. Der Schweißkopf (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schweißkopf (1 ) ein Gewicht unter 5kg, bevorzugt unter 3kg besitzt. 3. Der Schweißkopf (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Material mit dem Brechungsindex größer als 2,1 ein
Diamantwerkstoff ist, vorzugsweise ist der Diamantwerkstoff monokristallin. 4. Der Schweißkopf (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Werkstoffdüse (4) als Kombinationsdüse mit einer zentralen
Öffnung (41 ) zum Auslassen des durch die Optik (3) bereitgestellten
Laserstrahls (L) und mit mindestens einer koaxial um die zentrale Öffnung (41 ) herum angeordnete Ringdüse (42) ausgeführt ist, wobei der
Zusatzwerkstoff durch die Ringdüse (42) ausgelassen wird.
5. Der Schweißkopf (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (2) des Schweißkopfes (1 ) zumindest teilweise aus einem wärmeleitfähigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer 150 W/mK, bevorzugt größer 200 W/mK, besonders vorzugsweise größer 300 W/mK, besteht, vorzugsweise ist zumindest die Optikhalterung (31 ) mit einem Medium zur Wärmeabfuhr geeignet beaufschlagt werden, bevorzugt umfasst das Medium ein oder mehrere Elemente der Gruppe Wasser, flüssige Metalle, Dämpfe, Glykol oder Ethanol.
6. Der Schweißkopf (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein oder mehrere Gaszuleitungen (8) zur Aussendung von Gasströmen (G) mit dem Schweißkopf (1 ) verbunden sind, die so angeordnet sind, dass die Gasströme (G) auf den Bearbeitungspunkt (BP) gerichtet sind und/oder zumindest die optischen Elemente (32) mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre beaufschlagen, vorzugsweise erzeugen die
Gasströme (G) am Bearbeitungspunkt (BP) eine durch die Gasströme (G) definierte Atmosphäre.
7. Der Schweißkopf (1 ) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der oder die Gasströme (G) Argon, Helium, Druckluft, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder eine Mischung daraus umfassen.
8. Der Schweißkopf (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schweißkopf (1 ) eine optische Erfassungsvorrichtung (9) umfasst, vorzugsweise sind in der Erfassungsvorrichtung (9) mehrere Sensoren zur Erfassung des Bearbeitungspunktes (BP) integriert.
9. Eine Vorrichtung (10) zum Laserauftragsschweißen umfassend einen
Schweißkopf (1 ) nach Anspruch 1 sowie einen Laser (1 1 ) zur Aussendung eines Laserstrahls (L), der auf geeignete Weise, vorzugsweise mittels eines Lichtwellenleiters (12), in den Schweißkopf (1 ) eingekoppelt wird
10. Die Vorrichtung (10) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schweißkopf (1 ) auf einer Bewegungseinheit (13) angeordnet ist, die dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf (1 ) zumindest relativ zum
Werkstück (5) mit einer Verfahrgeschwindigkeit (VG) größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/min, noch mehr bevorzugt größer 500 m/min, besonders bevorzugt größer 1000 m/min, zu verfahren, und/oder
die dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf (1 ) relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit (VG) größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, zu verfahren.
Die Vorrichtung (10) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bewegungseinheit (13) dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf (1 ) mit einer Beschleunigung (BS) von mehr 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2 relativ zum Werkstück (5) zu beschleunigen.
Die Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bewegungseinheit (13) Portalsysteme, einzelne verfahrbare, parallel oder seriell angeordnete, Achsen oder Rotationsachsen mit einer Parallelkinematik umfasst oder ein Knickarmroboter ist.
Die Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass zu einer weiteren Erwärmung des Bearbeitungspunktes (BP) und/oder des Werkstücks (5) und/oder des Zusatzwerkstoffs die Vorrichtung (10) eine zweite Wärmevorrichtung (14) basierend auf magnetischer oder elektrischer Induktion, Lichtbogen, Wärmeleitung, Plasmabeaufschlagung,
Medienbeaufschlagung oder chemischen Reaktionen umfasst. 14. Ein Verfahren (100) zum Laserauftragsschweißen mit einer Vorrichtung (10) nach Anspruch 9 umfassend ein Gehäuse (2), eine in diesem Gehäuse (2) mittels einer Optikhalterung (31 ) gehaltene Optik (3) aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen (32), und eine Werkstoffdüse (4), wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente (31 ) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 , vorzugsweise ein Diamantwerkstoff, bestehen, umfassend die Schritte
Lenken (1 10) eines Laserstrahls (L) mittels der Optik (3) in Richtung eines Bearbeitungspunktes (BP) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (5), wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente (32) vorzugsweise vollständig, aus Diamantwerkstoff bestehen, Zuführen (120) eines Zusatzwerkstoffs (6) durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen (7) zur Werkstoffdüse (4),
Auslassen (130) des Zusatzwerkstoffs (7) zum Bearbeitungspunkt (BP) während des Laserauftragsschweißens durch die Werkstoffdüse (4), Ausführen (140) des Laserauftragsschweißens, vorzugsweise mit einem Schweißkopf (1 ) mit einem Gewicht unter 5kg, besonders bevorzugt unter 3kg.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 14, umfassend den weiteren Schritt des Verfahrens (150) des Schweißkopfs (1 ) relativ zum Werkstück mit einer Verfahrgeschwindigkeit (VG) größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/min, noch mehr bevorzugt größer 500 m/min, besonders bevorzugt größer 1000 m/min, und/oder relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit (VG) größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, mittels einer Bewegungseinheit (13), auf der der Schweißkopf (1 ) angeordnet ist.
16. Das Verfahren (100) nach Anspruch 15, umfassend den weiteren Schritt des Beschleunigens (160) des Schweißkopfes (1 ) mit einer Beschleunigung (BS) von mehr 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2, relativ zum Werkstück (5) mittels der Bewegungseinheit (13).
17. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, umfassend
zumindest einen der weiteren Schritte:
Beaufschlagen (170) des Bearbeitungspunktes (BP) mit einem Gasstrom (G) mittels ein oder mehrerer mit dem Schweißkopf (1 ) verbundener Gaszuleitungen (8), vorzugsweise zum Erzeugen einer definierten Atmosphäre am Bearbeitungspunkt (BP), und/oder Beaufschlagen (180) zumindest der optischen Elemente (32) mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre. 18. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, umfassend den weiteren Schritt des Abführens (190) von Wärme von den optischen
Elementen (32) über die Optikhalterung (31 ) oder mittels Konvektion im Gehäuse (2) oder mittels eines mit einem Medium zur Wärmeabfuhr, mit der die Optikhalterung (31 ) geeignet beaufschlagt ist.
19. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der
Laserstrahl (L) so geformt wird, dass der Zusatzwerkstoff (6) in
angeschmolzener oder aufgeschmolzener Form auf das Werkstück (5) auftrifft.
20. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, umfassend den weiteren Schritt des Aufbringens (200) weiterer Zusatzwerkstoffe auf das Werkstück (5) vor Beginn des Laserauftragsschweißens (140).
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