WO2023031234A1 - Nozzle device and method for laser deposition welding - Google Patents

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WO2023031234A1
WO2023031234A1 PCT/EP2022/074136 EP2022074136W WO2023031234A1 WO 2023031234 A1 WO2023031234 A1 WO 2023031234A1 EP 2022074136 W EP2022074136 W EP 2022074136W WO 2023031234 A1 WO2023031234 A1 WO 2023031234A1
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powder
laser beam
nozzle arrangement
arrangements
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PCT/EP2022/074136
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Stephan KOSS
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Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen Körperschaft Des Öffentlichen Rechts
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Definitions

  • the invention relates to a nozzle device for laser deposition welding, in particular for emitting powdered material during laser deposition welding, the nozzle device being arranged around a passage area through which a laser beam can be guided and with which powdered material can be emitted.
  • the invention preferably provides that the nozzle device has a first nozzle arrangement, with which powdered material can be emitted to a first powder focus, and has at least one further nozzle arrangement, with which powdered material can be emitted to at least one further powder focus, the powder focuses of the nozzle arrangements are adjustable in the relative position to each other.
  • the invention also relates to a method for laser build-up welding, in which a molten pool is produced on a component surface with a laser beam, in particular a focused laser beam, and powdered material is emitted in the direction of the molten pool by means of a nozzle device with at least two nozzle arrangements, the material being melted and on the Component surface is applied.
  • At least two powder gas jets are preferably generated with the nozzle arrangements of the nozzle device, with the powder in each of the at least two powder gas jets being directed at a different powder focus. The relative position of the powder focus can be changed.
  • Laser cladding is a state-of-the-art process for creating coatings and 3D geometries on component surfaces.
  • the particles enter the molten bath not yet molten and are only melted there. It can also be provided that the particles in the laser beam are already melted before they enter the melt pool and/or before they hit the component surface and enter the melt pool in molten form and/or hit the component surface. These variants can also be used in the invention.
  • the powdered material is fed laterally or coaxially to the laser beam as a powder gas jet, the focus of which is usually positioned in the melt pool or above it.
  • the powdered material is emitted to a single focus, which means that the powdered material emitted by the nozzle is directed to the focus location after leaving the nozzle and interacts there with the laser beam.
  • the document DE 11 2015 001 289 T5 shows, for example, a nozzle device with two material feed parts, each of which generates a powder gas jet that is guided from a specific direction laterally to the laser beam.
  • the generated powder gas jets cross each other and the laser beam in a single powder focus, whereby this one powder focus can be changed depending on the height of the nozzle device above a component surface.
  • multi-layer systems can only be realized by several separate passes over the component surface.
  • the powder material is not emitted from one or only a few directions laterally and crossing the laser beam from a nozzle arrangement of the nozzle device, but if, for example, a hollow cone-shaped powder gas jet is generated with an annular gap nozzle, or if the nozzle arrangement has several, in particular at least has three individual nozzle openings which are arranged on a common circle, with each nozzle opening being able to generate a single partial powder gas jet which is directed towards the powder focus of this nozzle arrangement, with all partial powder gas jets adding up to form a powder gas jet of this nozzle arrangement.
  • the powder gas jet supplemented from the powder gas partial jets is also in this case at least essentially in the form of a hollow cone, but does not form a closed but rather an open/interrupted (truncated) cone, with the interruptions lying between the powder gas partial jets. Both variants can preferably also be used alternatively or cumulatively in the nozzle arrangements of the invention.
  • the document EP 3 159 094 A1 also shows a nozzle device with a plurality of nozzle arrangements, a closed hollow cone-shaped powder gas jet being able to be produced with a nozzle arrangement which has an annular gap as the nozzle opening, and interrupted hollow cone-shaped powder gas jets with other nozzle arrangements which have several individual nozzle openings on a common circle .
  • the position of the powder focus of the closed, hollow cone-shaped powder gas jet is always the same here and lies on the laser beam axis.
  • the position of the powder focus of the interrupted hollow cone-shaped powder gas jets can be changed along the laser beam axis.
  • each partial powder gas jet of this nozzle arrangement is deflected after emission from the nozzle arrangement by means of baffle plates at a distance from the nozzle opening while the emission direction of the respective nozzle arrangement always remains the same.
  • the nozzle device has a first nozzle arrangement with which powdered material can be emitted to a first powder focus and has at least one further nozzle arrangement with which powdered material can be emitted to at least one further powder focus , wherein the powder focuses of the nozzle arrays in the relative Position to each other are adjustable.
  • the emission direction in particular the mean emission direction of the powder gas jets of the respective nozzle arrangement, can be changed or is changed according to the method, in particular without having an effect on the emitted powder gas jet after a powder gas jet has been emitted from the nozzle arrangement, in particular from its at least one nozzle opening gain weight.
  • the powder gas jet and the powder focus generated by this thus retains its quality, even if the powder focus is changed.
  • a plurality of powder gas jets can be generated with such a nozzle device, with a powder gas jet preferably comprising all the powdered material that is emitted from an individual nozzle arrangement of the nozzle device to a powder focus specific to this nozzle arrangement.
  • a powder gas jet preferably comprising all the powdered material that is emitted from an individual nozzle arrangement of the nozzle device to a powder focus specific to this nozzle arrangement.
  • Such a jet can also be composed of partial jets, all of which are directed from the same nozzle arrangement to the same powder focus.
  • the device and the method there is therefore preferably also the possibility of emitting different powdery materials, in particular powder of a different composition, with the different nozzle arrangements.
  • different powdery materials in particular powder of a different composition
  • the process parameters and/or geometry parameters can preferably be selected differently according to the invention for each nozzle arrangement.
  • Typical process parameters are, for example, the powder focus position to the component surface and/or to the laser beam, in particular its focus, or the powder focuses to each other, the speed of the powdered material in the powder gas jet, the pressure and/or the volume flow of the respective conveying gas, the volume flow or mass flow of the respective powdered material materials.
  • a possible geometry parameter is, for example, the size of the nozzle exit area. Due to the adjustability of the powder focuses relative to one another, it is possible to adjust each of the powder focuses in an application-specific manner.
  • the invention can particularly preferably provide that changes in the relative position of the powder focuses are also made while a material application is being carried out.
  • the powder focuses are adjusted by means of actuators that influence the nozzle arrangements and/or by changing the flow parameters.
  • the use of a plurality of (at least two) nozzle arrangements also includes at least one process parameter or geometry parameter, in particular from the aforementioned parameters, at least initially before or during the implementation of a material application change, especially if this change does not affect the focus position.
  • the invention can thus distinguish between those parameters whose change affects the focus position and those where this is not the case. Both types of parameters can be changed independently for the different nozzle arrangements.
  • a structurally preferred embodiment can provide that at least one of the nozzle arrangements has a nozzle opening designed as an annular gap.
  • a powder gas jet in the form of a hollow cone can be generated with such an arrangement, which converges to the powder focus of this nozzle arrangement.
  • the powder gas jet in the form of a carbon cone preferably has a closed cone surface. It is preferably provided that the annular gap extends around the laser beam axis. This results in a powder gas jet that is closed and converging, in particular in the form of a hollow cone, in the circumferential direction, in particular in the circumferential direction around a laser beam.
  • the convergence of the powder gas jet after the annular gap can be characterized, for example be achieved that the powder particles in the nozzle arrangement already have a velocity vector before exiting from the annular gap, which points to the powder focus.
  • a corresponding channel guide can be provided in the nozzle arrangement for this purpose.
  • the channel can have an annular gap-shaped cross-section which decreases, in particular linearly, in the direction of the annular gap-shaped nozzle opening.
  • This supplemented powder gas jet can also be regarded as having the shape of a hollow cone, but with a perforated cone surface.
  • the direction of the powder gas partial jets after the respective nozzle opening can be achieved, for example, by the powder particles in the nozzle arrangement already having a velocity vector before exiting from the respective nozzle opening, which points to the powder focus.
  • a corresponding channel guide can be provided in front of each nozzle opening of the nozzle arrangement.
  • the multiple channels of such a nozzle arrangement, in particular the central longitudinal axes of these channels, can lie on a truncated cone surface in an element forming this nozzle arrangement.
  • the at least one nozzle arrangement has a plurality of individual nozzle elements, each with a nozzle opening, in particular the emission direction of which can be changed, in particular synchronously for all nozzle elements.
  • the at least one nozzle arrangement has a plurality of individual nozzle elements, each with a nozzle opening, in particular the emission direction of which can be changed, in particular synchronously for all nozzle elements.
  • three or more nozzle openings can be provided. It is thus possible to change the direction of the partial powder gas jets with this nozzle arrangement and thus to shift the position of the powder focus.
  • the invention can provide for combining the various nozzle arrangements of the aforementioned type in a nozzle device of the invention, or else using only one type of the aforementioned nozzle arrangements in a nozzle device of the type according to the invention.
  • each with several individual nozzle openings it can be provided, for example, that the individual nozzle openings of a first nozzle arrangement are arranged offset to one another in the circumferential direction in relation to the individual nozzle openings of at least one further, in particular a second nozzle arrangement. This results in an advantageous guidance of the partial powder gas jets up to the respective powder focus without influencing the powder gas jets with one another.
  • At least one of the nozzle arrangements is formed by a hollow element in the shape of a segment of a cone, in the wall of which at least one feed channel is arranged, with which powdered material can be fed to the at least one nozzle opening, with the element in the shape of a segment of a cone surrounding at least one further nozzle arrangement.
  • the element in the form of a segment of a cone of this (particularly outer) nozzle arrangement is designed in the shape of a segment of a cone on its radially outer surface and on its radially inner surface, preferably with the same cone angles in each case.
  • the at least one surrounded (in particular inner) nozzle arrangement can also have a surface that is also in the shape of a segment of a cone, at least on its outside or radially outer surface.
  • the cone angle of the radially outer surface of the surrounded (particularly inner) Nozzle assembly correspond to the cone angle of the radially inner surface of the surrounding (particularly outer) nozzle assembly.
  • the radial direction is preferably to be understood in relation to the direction of the laser beam axis.
  • the surrounded (in particular inner) nozzle arrangement can also be designed in the shape of a segment of a cone, but can also be cylindrical. If the radially inner surface of the surrounded (in particular inner) nozzle arrangement is designed in the shape of a segment of a cone, the cone angle can be different, e.g. smaller, than the cone angle of its radially outer surface.
  • the design of the shape of the radially inner surface of such a surrounded (in particular inner) nozzle arrangement, which in turn directly surrounds the laser beam, is unimportant for the invention, at least as long as there is enough free space around the laser beam so that it can pass through this nozzle arrangement.
  • the invention can preferably provide that the at least two nozzle arrangements are fastened to a common holder, with at least one of the nozzle arrangements being movable relative to another, preferably with the nozzle arrangements each being adjustably fastened independently of one another. After adjustment, the at least two nozzle arrangements can be moved together over the common mount, in particular in order to follow the laser beam with the powder focuses.
  • the changeable adjustment of the nozzle arrangement preferably means that the mean emission direction of the emitted powder gas jet changes, preferably relative to the laser beam, but remains constant after emission from the nozzle arrangement, especially after leaving the nozzle opening.
  • the mean emission direction preferably corresponds to the direction of the cone axis, the powder focus more preferably lying on the cone axis.
  • the invention can thus preferably also provide for the cone axis direction of each nozzle arrangement to be adjusted relative to the laser beam.
  • At least one of the nozzle arrangements can be displaced on the common holder in the direction of a laser beam axis or perpendicular to a component surface and/or can be displaced perpendicular to a laser beam axis and/or parallel to a component surface and/or to a component surface Laser beam axis is tiltable.
  • Changing the relative position of the foci can preferably be achieved in various ways.
  • the position of the nozzle arrangements relative to each other can be changed, in particular by shifting the nozzle arrangements to one another in the direction of the laser beam or perpendicular to the component surface or perpendicular to the laser beam or parallel to the component surface or by tilting the emission directions of the nozzle arrangements to one another or relative to the laser beam.
  • a respective nozzle arrangement preferably comprises an element, in particular a hollow-cone-shaped element, which comprises the at least one channel and the at least one nozzle opening or all channels and nozzle openings for generating the at least one powder gas jet.
  • the relative arrangement of the at least one channel and the at least one nozzle opening in the element is preferably fixed, so that according to the invention it can preferably be provided that the entire element, which comprises the at least one channel and the at least one nozzle opening, is moved in order to to change the focus position.
  • nozzle elements or at least one nozzle element on the nozzle arrangement be movably arranged, for example be movably seconded with a respective actuator.
  • a nozzle element can, for example, comprise a channel section through which the powder material flows/can flow, the extension direction of which can be changed, for example by means of a movable mounting of the nozzle element, for example by means of a spherical mounting.
  • a nozzle element can be formed, for example, by a component which has an above-mentioned feed channel for the powder material.
  • the invention can preferably provide for changing the extension direction of a respective feed channel of a nozzle arrangement.
  • the focus position can preferably also be influenced by changing the material composition of the at least one powder (partial) jet generated by a nozzle arrangement, in particular by changing the relative proportions of conveying gas and powdered material or by changing the speed of the powdered material, in particular the particle speed, by a Nozzle arrangement through and generated by the structural adjustment of the respective nozzle opening angle, and / or the relative positioning of the individual nozzle outlets in a plane, preferably a plane perpendicular to the laser beam axis and / or in the direction of the laser beam.
  • the focus position can also be changed by changing the interaction of the at least one powder jet generated by a nozzle arrangement or of the plurality of partial powder gas jets with a protective gas jet.
  • the powder gas jet of each nozzle arrangement remains unchanged after emission with regard to its emission direction, preferably the central emission direction.
  • the invention thus advantageously produces at least two powder gas jets, preferably powder gas jets in the form of a hollow cone, each with an adjustable emission direction.
  • the emission direction can preferably be understood as the direction with which the powder gas jet or a partial powder gas jet forming the powder gas jet the nozzle arrangement at the leaves the nozzle opening.
  • the individual emission direction of different hollow cone-shaped partial powder gas jets or different areas of a hollow cone-shaped powder gas jet can be different, but the angle to the cone axis is preferably the same for all partial powder gas jets/areas.
  • a mean emission direction which can correspond to the axis of the cone, preferably results for a powder gas jet in the form of a hollow cone.
  • the cone axis can thus be understood as the mean emission direction of the powder gas jet or of the multiple powder gas partial jets forming it.
  • the invention can, for example, provide for positioning the powder foci of at least two nozzle arrangements offset in relation to one another in the direction of the laser beam axis, in particular being able to change this offset, preferably also during a production operation.
  • the material of one nozzle arrangement can be shielded from the material of the at least one other nozzle arrangement.
  • the offset can preferably be in the direction of travel of the laser beam. This can, for example, prevent shielding. This preferably also results in the possibility of producing multi-layer systems in one pass.
  • the invention can provide for the offset to be newly adapted to a changing direction of travel.
  • the aforementioned options for offsetting can preferably also be combined.
  • the powder focuses can preferably be offset from one another in the direction of the laser beam axis and/or perpendicular thereto and/or also in a horizontal plane and/or a plane parallel to the component surface be, in particular, this offset can be changed, preferably during a manufacturing operation.
  • FIGS. 1A to 1D show versions of exactly two nozzle arrangements of a nozzle device according to the invention for laser deposition welding, which surround a passage area D through which a laser beam L can pass through the nozzle arrangements 2, 3.
  • the figures show views of the nozzle openings in the direction of axis 1 of a laser beam, not shown here, which is perpendicular to the plane of the paper.
  • both nozzle arrangements 2, 3 are formed with nozzle openings 2a, 3a in the form of annular gaps. Both nozzle arrangements 2, 3 each produce their own hollow cone-shaped powder gas jet Pi, P2, which converges in the direction of a specific powder focus PF1, PF2. Both annular gap-shaped nozzle openings 2a, 3a have a common ring center point in the adjustment shown, which can coincide with the laser beam axis 1, but does not have to.
  • both nozzle arrangements 2, 3 each have a plurality of, here three, nozzle openings 2a and 3a.
  • the nozzle openings 2a lie on a common circle K1 and the nozzle openings 3a lie on another common circle K2.
  • Figures 1C and 1D relate to the combination of the designs of the nozzle arrangements according to Figure 1A and 1B.
  • the adjustment of the nozzle arrangements 2, 3 shown is such in all the embodiments of FIGS. 1A to 1D that the nozzle arrangements 2, 3 are coaxial to one another and preferably also coaxial to the axis 1 of the laser beam. This results in each powder focus PF1 , PF2 lying on the laser beam axis 1 .
  • the mean emission direction is preferably in each case the direction between the circle center or ring center of the nozzle arrangement and the powder focus PFi, PF2 of this nozzle arrangement 2, 3.
  • FIGS. 2A to 2D show the possibilities of changing the focal positions relative to one another, in that the center points of the circles or ring centers are shifted relative to one another. This produces an offset of the foci PF1, PF2 perpendicular to the laser beam axis 1, preferably with the circle/ring center point of the outer nozzle arrangement 3 remaining on the laser beam axis 1 here. So only one of the center points can be shifted, with the other lying on the laser beam axis 1. Both centers can also be positioned deviating from the laser beam axis 1.
  • FIG. 3 shows a side sectional view of an embodiment of the nozzle arrangements 2 and 3 with an offset Ax relative to one another, with the outer nozzle arrangement 3 preferably lying coaxially to the laser beam axis 1 .
  • the focal position relative to one another can also be changed by changing at least one of the emission angles/nozzle opening angles ⁇ 1 or ⁇ 2 within at least one of the two nozzle arrangements 2, 3. It can be provided here that the emission angle/nozzle opening angle be related to the laser beam axis 1 or to the central emission direction an annular gap or the individual nozzle openings.
  • Figure 4 visualizes the possibility of changing the mean direction/nozzle exit direction or the mean emission direction of the two nozzle arrangements 2, 3 relative to one another by tilting at least one of the two nozzle arrangements 2, 3 to the other or to the axis 1 of the laser beam, e.g. by the angle hey
  • the inner nozzle arrangement 2 is tilted in relation to the outer nozzle arrangement 3, so that its mean feed direction/nozzle exit direction/emission direction ER changes.
  • Figure 5 shows compared to Figure 6, the possibility of the nozzle assemblies 2, 3 in the
  • Figure 5 shows a positioning in which the nozzle openings 2a of the inner nozzle arrangement 2 and the nozzle openings 3a of the outer nozzle arrangement 3 in the direction of the laser beam axis 1 are at a greater distance from one another than in Figure 6.
  • Figure 6 are the nozzle openings 2a, 3a preferably in the same plane perpendicular to the laser beam axis 1 .
  • FIGS. 5 and 6 also structurally illustrate the preferred embodiment according to which at least one nozzle arrangement, here the outer one 3, has a hollow element in the shape of a segment of a cone, which surrounds the nozzle arrangement 2, which is preferably also formed in the shape of a segment of a cone, at least on the outside.
  • the nozzle openings 2a, 3a of all nozzle arrangements 2, 3 can preferably be positioned in the same plane perpendicular to the laser beam axis 1, as is shown, for example, in FIG. 6 for this embodiment.
  • FIG. 7 shows that with the same relative position of the nozzle arrangements 2 and 3 to one another, a change in the focus position can also be achieved by changing the flow parameters in the powder gas jets Pi, P2 of at least one of the two nozzle arrangements 2, 3.
  • a focus shift relative to one another can also take place, in particular here both in the direction of the laser beam axis 1 and perpendicular thereto.
  • FIG. 7 shows that a multilayer system comprising two layers S1 and S2 on a component surface B can be produced by such a focal position that deviates in both directions.
  • at least the following parameters are to be understood as flow parameters for influencing the focus position: pressure of the conveying gas, the flow rate of the powder material or the conveying gas or protective gas, the powder material composition, or such parameters that influence the flow in the nozzle arrangement.

Abstract

The invention relates to a nozzle device for emitting powdered material in laser deposition welding, wherein the nozzle device is arranged around a passage region (D), through which a laser beam (L) can be passed and with which powdered material can be emitted, wherein the nozzle device has a first nozzle arrangement (2), with which powdered material can be emitted to a first powder focus (PF1) and at least one further nozzle arrangement (3), with which powdered material can be emitted to at least one further powder focus (PF2), wherein the powder foci (PF1, PF2) of the nozzle arrangements (2, 3) are adjustable in their relative position in relation to one another. The invention also relates to a method for laser deposition welding in which a molten pool is produced by a laser beam (L), in particular a focused laser beam (L), on a component surface (B) and powdered material is emitted in the direction of the molten pool by means of a powder nozzle arrangement (2, 3), wherein the material is melted and applied to the component surface (B), wherein at least two powder foci (PF1, PF2) of powdered material are produced by a nozzle arrangement (2, 3).

Description

Düsenvorrichtung und Verfahren zum Laserauftragsschweißen Nozzle device and method for laser deposition welding
Die Erfindung betrifft eine Düsenvorrichtung für das Laserauftragsschweißen, insbesondere zum Emittieren von pulverförmigem Material beim Laserauftragsschweißen, wobei die Düsenvorrichtung um einen Durchgangsbereich herum angeordnet ist, durch den ein Laserstrahl hindurchführbar ist und mit der pulverförmiges Material emittierbar ist. The invention relates to a nozzle device for laser deposition welding, in particular for emitting powdered material during laser deposition welding, the nozzle device being arranged around a passage area through which a laser beam can be guided and with which powdered material can be emitted.
Bevorzugt ist es bei der Erfindung vorgesehen, dass die Düsenvorrichtung eine erste Düsenanordnung aufweist, mit der pulverförmiges Material zu einem ersten Pulverfokus emittierbar ist und wenigstens eine weitere Düsenanordnung aufweist, mit der pulverförmiges Material zu wenigstens einem weiteren Pulverfokus emittierbar ist, wobei die Pulverfokusse der Düsenanordnungen in der relativen Lage zueinander einstellbar sind. The invention preferably provides that the nozzle device has a first nozzle arrangement, with which powdered material can be emitted to a first powder focus, and has at least one further nozzle arrangement, with which powdered material can be emitted to at least one further powder focus, the powder focuses of the nozzle arrangements are adjustable in the relative position to each other.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Laserauftragsschweißen, bei dem mit einem Laserstrahl, insbesondere einem fokussierten Laserstrahl auf einer Bauteiloberfläche ein Schmelzbad erzeugt wird und mittels einer Düsenvorrichtung mit wenigstens zwei Düsenanordnungen pulverförmiges Material in Richtung zum Schmelzbad emittiert wird, wobei das Material aufgeschmolzen und auf der Bauteiloberfläche aufgetragen wird. Dabei werden vorzugsweise mit den Düsenanordnungen der Düsenvorrichtung wenigstens zwei Pulvergasstrahlen erzeugt, wobei in jedem der wenigstens zwei Pulvergasstrahlen das Pulver auf einen anderen Pulverfokus gerichtet ist. Die relative Lage der Pulverfokusse kann dabei geändert werden. Das Laserauftragsschweißen ist ein im Stand der Technik etablierter Prozess zur Erzeugung von Beschichtungen und 3D-Geometrien auf Bauteiloberflächen. Bei diesem Prozess kann es vorgesehen sein, dass die Partikel noch nicht geschmolzen in das Schmelzbad eintreten und erst darin aufgeschmolzen werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Partikel im Laserstrahl bereits vor Eintritt in das Schmelzbad und/oder vor Auftreffen auf der Bauteiloberfläche aufgeschmolzen werden und bereits schmelzflüssig in das Schmelzbad eintreten und/oder auf der Bauteiloberfläche auftreffen. Auch bei der Erfindung können diese Varianten zum Einsatz kommen. The invention also relates to a method for laser build-up welding, in which a molten pool is produced on a component surface with a laser beam, in particular a focused laser beam, and powdered material is emitted in the direction of the molten pool by means of a nozzle device with at least two nozzle arrangements, the material being melted and on the Component surface is applied. At least two powder gas jets are preferably generated with the nozzle arrangements of the nozzle device, with the powder in each of the at least two powder gas jets being directed at a different powder focus. The relative position of the powder focus can be changed. Laser cladding is a state-of-the-art process for creating coatings and 3D geometries on component surfaces. In this process, it can be provided that the particles enter the molten bath not yet molten and are only melted there. It can also be provided that the particles in the laser beam are already melted before they enter the melt pool and/or before they hit the component surface and enter the melt pool in molten form and/or hit the component surface. These variants can also be used in the invention.
In bisherigen Anwendungen wird das pulverförmige Material lateral oder koaxial zum Laserstrahl als Pulvergasstrahl zugeführt, dessen Fokus üblicherweise im Schmelzbad oder oberhalb von diesem positioniert ist. In previous applications, the powdered material is fed laterally or coaxially to the laser beam as a powder gas jet, the focus of which is usually positioned in the melt pool or above it.
Im Stand der Technik wird in den meisten Fällen mit einer Düsenvorrichtung das pulverförmige Material zu einem einzigen Fokus emittiert, das bedeutet, dass das von der Düse emittierte pulverförmige Material nach Verlassen der Düse auf den Fokusort gerichtet ist und dort mit dem Laserstrahl interagiert. In the prior art, in most cases with a nozzle device, the powdered material is emitted to a single focus, which means that the powdered material emitted by the nozzle is directed to the focus location after leaving the nozzle and interacts there with the laser beam.
Das Dokument DE 11 2015 001 289 T5 zeigt beispielsweise eine Düsenvorrichtung mit zwei Matenalzufuhrteilen, die jeweils einen Pulvergasstrahl erzeugen, der aus einer bestimmten Richtung lateral zum Laserstrahl geführt ist. Die erzeugten Pulvergasstrahlen kreuzen sich und den Laserstrahl in einem einzigen Pulverfokus, wobei dieser eine Pulverfokus in Abhängigkeit der Höhe der Düsenvorrichtung über einer Bauteiloberfläche geändert werden kann. The document DE 11 2015 001 289 T5 shows, for example, a nozzle device with two material feed parts, each of which generates a powder gas jet that is guided from a specific direction laterally to the laser beam. The generated powder gas jets cross each other and the laser beam in a single powder focus, whereby this one powder focus can be changed depending on the height of the nozzle device above a component surface.
Sofern Materialkombinationen auf der Bauteiloberfläche aufgetragen werden sollen, erfolgt dies bislang so, dass die Materialien zuvor pulverförmig gemischt werden, um hiernach als Pulverkombination emittiert zu werden. Das Emittieren von pulverförmigem Material erfolgt im Stand der Technik und bei der Erfindung mittels eines Fördergases oder Trägergases, mit welchem die pulverförmigen Materialpartikel mitgeführt werden. Problematisch ist besonders bei Materialkombinationen, dass die Prozessparameter für die verschiedenen Materialien, wie z.B. die Interaktionszeit mit dem Laserstrahl, nicht getrennt gesteuert werden können. If material combinations are to be applied to the component surface, this has so far been done in such a way that the materials are first mixed in powder form in order to then be emitted as a powder combination. In the prior art and in the invention, powdered material is emitted by means of a conveying gas or carrier gas, with which the powdered material particles are carried along. The problem with material combinations is that the process parameters for the different materials, such as the interaction time with the laser beam, cannot be controlled separately.
Mehrschichtsysteme können zudem nur durch mehrere separate Überfahrten über der Bauteiloberfläche realisiert werden. In addition, multi-layer systems can only be realized by several separate passes over the component surface.
Vorteilhaft ist es für die Erfindung, wenn das Pulvermaterial nicht aus einer oder nur wenigen Richtungen lateral und kreuzend zum Laserstrahl aus einer Düsenanordnung der Düsenvorrichtung emittiert wird, sondern wenn z.B. mit einer Ringspaltdüse ein hohlkegelförmiger Pulvergasstrahl erzeugt wird, oder wenn die Düsenanordnung mehrere, insbesondere wenigstens drei einzelne Düsenöffnungen aufweist, die auf einem gemeinsamen Kreis angeordnet sind, wobei mit jeder Düsenöffnung ein einzelner Pulvergasteilstrahl erzeugbar ist, der auf den Pulverfokus dieser Düsenanordnungen gerichtet ist, wobei sich alle Pulvergasteilstrahlen zu einem Pulvergasstrahl dieser Düsenanordnung ergänzen.It is advantageous for the invention if the powder material is not emitted from one or only a few directions laterally and crossing the laser beam from a nozzle arrangement of the nozzle device, but if, for example, a hollow cone-shaped powder gas jet is generated with an annular gap nozzle, or if the nozzle arrangement has several, in particular at least has three individual nozzle openings which are arranged on a common circle, with each nozzle opening being able to generate a single partial powder gas jet which is directed towards the powder focus of this nozzle arrangement, with all partial powder gas jets adding up to form a powder gas jet of this nozzle arrangement.
Der aus den Pulvergasteilstrahlen ergänzte Pulvergasstrahl ist auch in diesem Fall zumindest im Wesentlichen hohlkegelförmig ausgebildet, bildet lediglich keinen geschlossenen, sondern einen durchbrochenen/unterbrochenen Kegel(stumpf)mantel, wobei die Unterbrechungen zwischen den Pulvergasteilstrahlen liegen. Beide Varianten können vorzugsweise auch bei den Düsenanordnungen der Erfindung alternativ oder kumulativ eingesetzt werden.The powder gas jet supplemented from the powder gas partial jets is also in this case at least essentially in the form of a hollow cone, but does not form a closed but rather an open/interrupted (truncated) cone, with the interruptions lying between the powder gas partial jets. Both variants can preferably also be used alternatively or cumulatively in the nozzle arrangements of the invention.
Im Stand der Technik ist es grundsätzlich bekannt, hohlkegelförmig ausgebildete Pulvergasstrahlen der zuvor genannten Arten zu erzeugen. Z.B. zeigt die DE 10 2019 124 518 A1 eine Düsenvorrichtung mit zwei Düsenanordnungen, wobei mit jeder ein unterbrochener hohlkegelförmiger Pulvergasstrahl erzeugt werden kann. Beide Pulvergasstrahlen werden von den Düsenanordnungen zu verschiedenen Pulverfokussen emittiert, deren relative Lage zueinander nicht änderbar sind. Für einen bestimmten gewählten Beschichtungsprozess muss also eine bestimmte Düsenvorrichtung mit festgelegten Fokuslagen eingesetzt werden. Während eines Beschichtungsprozesses kann keine Variation der Fokuslagen vorgenommen werden. Auch das Dokument EP 3 159 094 A1 zeigt eine Düsenvorrichtung mit mehreren Düsenanordnungen, wobei mit einer Düsenanordnung, die einen Ringspalt als Düsenöffnung aufweist, ein geschlossener hohlkegelförmiger und mit anderen Düsenanordnungen, die auf einem gemeinsamen Kreis mehrere einzelne Düsenöffnungen aufweisen, unterbrochene hohlkegelförmige Pulvergasstrahlen erzeugbar sind. Die Lage des Pulverfokus des geschlossenen hohlkegelförmigen Pulvergasstrahls ist hier immer gleich und liegt auf der Laserstrahlachse. Die Lage der Pulverfokusse der unterbrochenen hohlkegelförmigen Pulvergasstrahlen kann entlang der Laserstrahlachse geändert werden, wobei dies dadurch erfolgt, das bei immer gleichbleibender Emissionsrichtung der jeweiligen Düsenanordnung jeder Pulvergasteilstrahl dieser Düsenanordnung nach Emission aus der Düsenanordnung mittels Prallblechen in einem Abstand zur Düsenöffnung reflektierend umgelenkt wird. Dies ermöglicht zwar die Änderung der Pulverfokusse führt aber zu einer starken negativen Beeinflussung der Qualität der Pulverfokusse, da jeder Pulvergasteilstrahl einen vorgegebenen Querschnitt aufweist und bei einer Reflektion am Prallblech die Pulverpartikel aus verschiedenen Querschnittsbereichen einander kreuzen, was zu einer starken Streuung in einem um die Prallbleche herum liegenden Reflektionsbereich führt.It is fundamentally known in the state of the art to generate powder gas jets of the above-mentioned types in the form of a hollow cone. For example, DE 10 2019 124 518 A1 shows a nozzle device with two nozzle arrangements, each of which can be used to generate an interrupted powder gas jet in the form of a hollow cone. Both powder gas jets are emitted from the nozzle arrangements to different powder foci, whose position relative to one another cannot be changed. A specific nozzle device with defined focus positions must therefore be used for a specific selected coating process. The focus positions cannot be varied during a coating process. The document EP 3 159 094 A1 also shows a nozzle device with a plurality of nozzle arrangements, a closed hollow cone-shaped powder gas jet being able to be produced with a nozzle arrangement which has an annular gap as the nozzle opening, and interrupted hollow cone-shaped powder gas jets with other nozzle arrangements which have several individual nozzle openings on a common circle . The position of the powder focus of the closed, hollow cone-shaped powder gas jet is always the same here and lies on the laser beam axis. The position of the powder focus of the interrupted hollow cone-shaped powder gas jets can be changed along the laser beam axis. This is done by deflecting each partial powder gas jet of this nozzle arrangement after emission from the nozzle arrangement by means of baffle plates at a distance from the nozzle opening while the emission direction of the respective nozzle arrangement always remains the same. Although this allows the powder focus to be changed, it has a strong negative impact on the quality of the powder focus, since each partial powder gas jet has a predetermined cross section and, when reflected at the baffle plate, the powder particles from different cross-sectional areas cross each other, resulting in strong scattering around the baffle plates reflection area lying around.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, im Auftragsprozess das Aufträgen von verschiedenen Materialien mit verschiedenen Prozessparametern zu ermöglichen. Weiterhin ist eine Aufgabe, ein Mehrschichtsystem bei nur einer Überfahrt erzeugen zu können. Vorzugsweise soll die Erfindung erschließen bei Einsatz von mehreren Düsenanordnungen mit jeder einen anderen, vorzugsweise ortsvariablen Pulverfokus von hoher Güte erzeugen zu können. It is therefore an object of the invention to enable the application of different materials with different process parameters in the application process. Another object is to be able to produce a multi-layer system with only one pass. Preferably, the invention should make it possible to produce a different, preferably locally variable powder focus of high quality when using a plurality of nozzle arrangements.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Düsenvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Düsenvorrichtung eine erste Düsenanordnung aufweist, mit der pulverförmiges Material zu einem ersten Pulverfokus emittierbar ist und wenigstens eine weitere Düsenanordnung aufweist, mit der pulverförmiges Material zu wenigstens einem weiteren Pulverfokus emittierbar ist, wobei die Pulverfokusse der Düsenanordnungen in der relativen Lage zueinander einstellbar sind. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die Emissionsrichtung, insbesondere die mittlere Emissionsrichtung der Pulvergasstrahlen der jeweiligen Düsenanordnung änderbar ist bzw. verfahrensgemäß geändert wird, insbesondere ohne nach einer Emission eines Pulvergasstrahles aus der Düsenanordnung, insbesondere aus deren wenigstens einer Düsenöffnung, einen Einfluss auf den emittierten Pulvergasstrahl zu nehmen. Der Pulvergasstrahl und der durch diesen erzeugte Pulverfokus behält somit sein Güte, selbst wenn der Pulverfokus geändert wird. This object is achieved according to the invention with a nozzle device of the type mentioned at the outset in that the nozzle device has a first nozzle arrangement with which powdered material can be emitted to a first powder focus and has at least one further nozzle arrangement with which powdered material can be emitted to at least one further powder focus , wherein the powder focuses of the nozzle arrays in the relative Position to each other are adjustable. This is preferably done in that the emission direction, in particular the mean emission direction of the powder gas jets of the respective nozzle arrangement, can be changed or is changed according to the method, in particular without having an effect on the emitted powder gas jet after a powder gas jet has been emitted from the nozzle arrangement, in particular from its at least one nozzle opening gain weight. The powder gas jet and the powder focus generated by this thus retains its quality, even if the powder focus is changed.
Verfahrensgemäß können mit einer solchen Düsenvorrichtung mehrere Pulvergasstrahlen erzeugt werden, wobei vorzugsweise ein Pulvergasstrahl all dasjenige pulverförmige Material umfasst, das von einer individuellen Düsenanordnung der Düsenvorrichtung zu einem für diese Düsenanordnung spezifischen Pulverfokus emittiert wird. Ein solcher Strahl kann auch aus Teilstrahlen zusammengesetzt sein, die alle ausgehend von derselben Düsenanordnung zu demselben Pulverfokus gerichtet sind. According to the method, a plurality of powder gas jets can be generated with such a nozzle device, with a powder gas jet preferably comprising all the powdered material that is emitted from an individual nozzle arrangement of the nozzle device to a powder focus specific to this nozzle arrangement. Such a jet can also be composed of partial jets, all of which are directed from the same nozzle arrangement to the same powder focus.
Es besteht mit der Vorrichtung und dem Verfahren somit vorzugsweise auch die Möglichkeit, mit den verschiedenen Düsenanordnungen jeweils andere pulverförmige Materialien, insbesondere also Pulver jeweils einer anderen Zusammensetzung zu emittieren. Es ist aber ebenso möglich, mit den wenigstens zwei verschiedenen Düsenanordnungen Pulver derselben Zusammensetzung zu emittieren. In beiden Möglichkeiten können erfindungsgemäß bevorzugt für jede Düsenanordnung die Prozessparameter und/oder Geometrieparameter anders gewählt werden. With the device and the method, there is therefore preferably also the possibility of emitting different powdery materials, in particular powder of a different composition, with the different nozzle arrangements. However, it is also possible to emit powder of the same composition with the at least two different nozzle arrangements. In both options, the process parameters and/or geometry parameters can preferably be selected differently according to the invention for each nozzle arrangement.
Typische Prozessparameter sind dabei z.B. die Pulverfokuslage zur Bauteiloberfläche und/oder zum Laserstrahl, insbesondere dessen Fokus, oder der Pulverfokusse zueinander, die Geschwindigkeit des pulverförmigen Materials im Pulvergasstrahl, der Druck und/oder der Volumenstrom des jeweiligen Fördergases, der Volumenstrom oder Massenstrom des jeweiligen pulverförmigen Materials. Ein möglicher Geometrieparameter ist z.B. die Größe der Düsenaustrittsfläche. Durch die Justierbarkeit der Pulverfokusse relativ zueinander besteht die Möglichkeit, jeden der Pulverfokusse anwendungsspezifisch einzustellen. Typical process parameters are, for example, the powder focus position to the component surface and/or to the laser beam, in particular its focus, or the powder focuses to each other, the speed of the powdered material in the powder gas jet, the pressure and/or the volume flow of the respective conveying gas, the volume flow or mass flow of the respective powdered material materials. A possible geometry parameter is, for example, the size of the nozzle exit area. Due to the adjustability of the powder focuses relative to one another, it is possible to adjust each of the powder focuses in an application-specific manner.
Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass die relative Lage der Pulverfokusse zueinander zumindest vor der Durchführung eines Materialauftrags eingestellt oder geändert wird. Besonders bevorzugt kann es die Erfindung vorsehen, dass Änderungen in der relativen Lage der Pulverfokusse auch während der Durchführung eines Materialauftrags vorgenommen werden. Hierfür kann es vorgesehen sein, die Pulverfokusse mittel Aktoren zu justieren, die Einfluss nehmen auf die Düsenanordnungen und/oder durch Änderung der Strömungsparameter. Provision can preferably be made for the relative position of the powder focuses to be set or changed at least before the application of material is carried out. The invention can particularly preferably provide that changes in the relative position of the powder focuses are also made while a material application is being carried out. For this purpose, it can be provided that the powder focuses are adjusted by means of actuators that influence the nozzle arrangements and/or by changing the flow parameters.
Zusätzlich oder alternativ zur Lage der Pulverfokusse als Prozessparameter erschließt die Verwendung mehrerer (wenigstens zwei) Düsenanordnungen, dass es vorgesehen sein kann, auch wenigstens einen Prozessparameter oder Geometrieparameter, insbesondere aus den vorgenannten Parametern, zumindest initial vor der Durchführung oder während der Durchführung eines Materialauftrags zu ändern, insbesondere auch, wenn sich diese Änderung nicht auf die Fokuslage auswirkt. So kann die Erfindung zwischen solchen Parametern unterscheiden, deren Änderung sich auf die Fokuslage auswirkt und solchen, bei denen das nicht der Fall ist. Beide Parameterarten können für die verschiedenen Düsenanordnungen unabhängig geändert werden. In addition or as an alternative to the position of the powder focus as a process parameter, the use of a plurality of (at least two) nozzle arrangements, which can be provided, also includes at least one process parameter or geometry parameter, in particular from the aforementioned parameters, at least initially before or during the implementation of a material application change, especially if this change does not affect the focus position. The invention can thus distinguish between those parameters whose change affects the focus position and those where this is not the case. Both types of parameters can be changed independently for the different nozzle arrangements.
Eine konstruktiv bevorzugte Ausführung kann es vorsehen, dass wenigstens eine der Düsenanordnungen eine als Ringspalt ausgebildete Düsenöffnung aufweist. Mit einer solchen Anordnung kann ein hohlkegelförmiger Pulvergasstrahl erzeugt werden, der zum Pulverfokus dieser Düsenanordnung konvergiert. Der kohlkegelförmige Pulvergasstrahl hat in diesem Fall vorzugsweise eine geschlossene Kegelmantelfläche. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Ringspalt um die Laserstrahlachse herum erstreckt ist. Es ergibt sich so ein in Umfangsrichtung, insbesondere in Umfangsrichtung um einen Laserstrahl, geschlossener konvergierender, insbesondere hohlkegelförmiger Pulvergasstrahl. Die Konvergenz des Pulvergasstrahls nach dem Ringspalt kann z.B. dadurch erzielt sein, dass die Pulverpartikel in der Düsenanordnung bereits vor dem Austritt aus dem Ringspalt einen Geschwindigkeitsvektor haben, der zum Pulverfokus zeigt. Hierfür kann eine entsprechende Kanalführung in der Düsenanordnung vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Kanal einen ringspaltförmigen Querschnitt aufweisen, der sich in Richtung zur ringspaltförmigen Düsenöffnung verringert, insbesondere linear verringert. A structurally preferred embodiment can provide that at least one of the nozzle arrangements has a nozzle opening designed as an annular gap. A powder gas jet in the form of a hollow cone can be generated with such an arrangement, which converges to the powder focus of this nozzle arrangement. In this case, the powder gas jet in the form of a carbon cone preferably has a closed cone surface. It is preferably provided that the annular gap extends around the laser beam axis. This results in a powder gas jet that is closed and converging, in particular in the form of a hollow cone, in the circumferential direction, in particular in the circumferential direction around a laser beam. The convergence of the powder gas jet after the annular gap can be characterized, for example be achieved that the powder particles in the nozzle arrangement already have a velocity vector before exiting from the annular gap, which points to the powder focus. A corresponding channel guide can be provided in the nozzle arrangement for this purpose. For example, the channel can have an annular gap-shaped cross-section which decreases, in particular linearly, in the direction of the annular gap-shaped nozzle opening.
In anderer Ausführung kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Düsenanordnungen mehrere einzelne Düsenöffnungen, insbesondere wenigstens drei Düsenöffnungen aufweist, die auf einem gemeinsamen Kreis angeordnet sind, wobei mit jeder Düsenöffnung ein einzelner Pulvergasteilstrahl erzeugbar ist, der auf den Pulverfokus dieser Düsenanordnungen gerichtet ist, insbesondere der zum Pulverfokus dieser Düsenanordnung konvergiert. Auch hierbei kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass der genannte Kreis um die Laserstrahlachse herum erstreckt ist, insbesondere in einer Ebene senkrecht oder zumindest quer zum Laserstrahl. Alle Pulvergasteilstrahlen ergänzen sich zu einem Pulvergasstrahl dieser Düsenanordnung. Dieser ergänzte Pulvergasstrahl kann auch als hohlkegelförmig angesehen werden, jedoch mit einer durchbrochenen Kegelmantelfläche. Auch hier kann die Richtung der Pulvergasteilstrahlen nach der jeweiligen Düsenöffnung z.B. dadurch erzielt sein, dass die Pulverpartikel in der Düsenanordnung bereits vor dem Austritt aus der jeweiligen Düsenöffnung einen Geschwindigkeitsvektor haben, der zum Pulverfokus zeigt. Hierfür kann eine entsprechende Kanalführung vor jeder Düsenöffnung der Düsenanordnung vorgesehen sein. Die mehreren Kanäle einer solchen Düsenanordnung, insbesondere die Mittellängsachsen dieser Kanäle können in einem diese Düsenanordnung bildenden Element auf einer Kegelstumpffläche liegen. In another embodiment, provision can preferably be made for at least one of the nozzle arrangements to have a plurality of individual nozzle openings, in particular at least three nozzle openings, which are arranged on a common circle, with each nozzle opening being able to generate an individual powder gas partial jet which is directed onto the powder focus of these nozzle arrangements , in particular that converges to the powder focus of this nozzle arrangement. Here, too, provision can preferably be made for the said circle to extend around the laser beam axis, in particular in a plane perpendicular or at least transverse to the laser beam. All of the partial powder gas jets combine to form a powder gas jet of this nozzle arrangement. This supplemented powder gas jet can also be regarded as having the shape of a hollow cone, but with a perforated cone surface. Here, too, the direction of the powder gas partial jets after the respective nozzle opening can be achieved, for example, by the powder particles in the nozzle arrangement already having a velocity vector before exiting from the respective nozzle opening, which points to the powder focus. For this purpose, a corresponding channel guide can be provided in front of each nozzle opening of the nozzle arrangement. The multiple channels of such a nozzle arrangement, in particular the central longitudinal axes of these channels, can lie on a truncated cone surface in an element forming this nozzle arrangement.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die wenigstens eine Düsenanordnung mehrere einzelne Düsenelemente mit je einer Düsenöffnung aufweist, insbesondere deren Emissionsrichtung änderbar ist, insbesondere bei allen Düsenelementen synchron. Z.B. können drei oder mehr Düsenöffnungen vorgesehen sein. Es besteht so die Möglichkeit, die Richtung der Pulvergasteilstrahlen bei dieser Düsenanordnung zu ändern und so die Lage des Pulverfokus zu verschieben.It is particularly preferred if the at least one nozzle arrangement has a plurality of individual nozzle elements, each with a nozzle opening, in particular the emission direction of which can be changed, in particular synchronously for all nozzle elements. For example, three or more nozzle openings can be provided. It is thus possible to change the direction of the partial powder gas jets with this nozzle arrangement and thus to shift the position of the powder focus.
Die Erfindung kann vorsehen, die verschiedenen Düsenanordnungen der vorbenannten Art in einer Düsenvorrichtung der Erfindung zu kombinieren, oder aber auch in einer Düsenvorrichtung erfindungsgemäßer Art nur eine Art der vorgenannten Düsenanordnungen einzusetzen. The invention can provide for combining the various nozzle arrangements of the aforementioned type in a nozzle device of the invention, or else using only one type of the aforementioned nozzle arrangements in a nozzle device of the type according to the invention.
Bei Einsatz von wenigstens zwei Düsenanordnungen mit jeweils mehreren einzelnen Düsenöffnungen kann z.B. vorgesehen sein, dass die einzelnen Düsenöffnungen einer ersten Düsenanordnung zu den einzelnen Düsenöffnungen wenigstens einer weiteren, insbesondere einer zweiten Düsenanordnung, in der Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte Führung der Pulvergasteilstrahlen bis zum jeweiligen Pulverfokus ohne Beeinflussung der Pulvergasstrahlen untereinander. When using at least two nozzle arrangements, each with several individual nozzle openings, it can be provided, for example, that the individual nozzle openings of a first nozzle arrangement are arranged offset to one another in the circumferential direction in relation to the individual nozzle openings of at least one further, in particular a second nozzle arrangement. This results in an advantageous guidance of the partial powder gas jets up to the respective powder focus without influencing the powder gas jets with one another.
Als konstruktiv vorteilhaft wird es angesehen, wenn wenigstens eine Düsenanordnung eine andere Düsenanordnung umgibt. It is regarded as structurally advantageous if at least one nozzle arrangement surrounds another nozzle arrangement.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Düsenanordnungen durch ein hohles kegelabschnittförmiges Element ausgebildet ist, in deren Kegelwandung wenigstens ein Zuführkanal angeordnet ist, mit dem pulverförmiges Material zu der wenigstens einen Düsenöffnung zuführbar ist, wobei das kegelabschnittförmige Element wenigstens eine weitere Düsenanordnung umgibt. Es kann hier vorzugsweise vorgesehen sein, dass das kegelabschnittförmige Element dieser (insbesondere äußeren) Düsenanordnung an deren radial aussen liegenden Fläche und an deren radial innen liegenden Fläche kegelabschnittförmig ausgebildet ist, vorzugsweise mit jeweils gleichen Kegelwinkeln. For example, it can be provided that at least one of the nozzle arrangements is formed by a hollow element in the shape of a segment of a cone, in the wall of which at least one feed channel is arranged, with which powdered material can be fed to the at least one nozzle opening, with the element in the shape of a segment of a cone surrounding at least one further nozzle arrangement. It can preferably be provided here that the element in the form of a segment of a cone of this (particularly outer) nozzle arrangement is designed in the shape of a segment of a cone on its radially outer surface and on its radially inner surface, preferably with the same cone angles in each case.
Die wenigstens eine umgebene (insbesondere innere) Düsenanordnung kann zumindest auf ihrer Aussenseite bzw. radial aussen liegenden Fläche eine ebenso kegelabschnittförmige Fläche aufweisen. Vorzugsweise kann der Kegelwinkel der radial aussen liegenden Fläche der umgebenen (insbesondere inneren) Düsenanordnung dem Kegelwinkel der radial innen liegenden Fläche der umgebenden (insbesondere äußeren) Düsenanordnung entsprechen. Die radiale Richtung ist dabei vorzugsweise in Bezug zur Richtung der Laserstrahlachse zu verstehen. The at least one surrounded (in particular inner) nozzle arrangement can also have a surface that is also in the shape of a segment of a cone, at least on its outside or radially outer surface. Preferably, the cone angle of the radially outer surface of the surrounded (particularly inner) Nozzle assembly correspond to the cone angle of the radially inner surface of the surrounding (particularly outer) nozzle assembly. The radial direction is preferably to be understood in relation to the direction of the laser beam axis.
An der radial innen liegenden Fläche kann die umgebene (insbesondere innere) Düsenanordnung ebenso kegelabschnittförmig aber auch zylindrisch ausgebildet sein. Bei einer kegelabschnittförmigen Ausgestaltung der radial innen liegenden Fläche der umgebenen (insbesondere inneren) Düsenanordnung kann der Kegelwinkel anders, z.B. kleiner sein als der Kegelwinkel von deren radial aussen liegender Fläche. On the radially inner surface, the surrounded (in particular inner) nozzle arrangement can also be designed in the shape of a segment of a cone, but can also be cylindrical. If the radially inner surface of the surrounded (in particular inner) nozzle arrangement is designed in the shape of a segment of a cone, the cone angle can be different, e.g. smaller, than the cone angle of its radially outer surface.
Vorzugsweise ist die Ausbildung der Form der radial innen liegenden Fläche einer solchen umgebenen (insbesondere inneren) Düsenanordnung, die ihrerseits unmittelbar den Laserstrahl umgibt, für die Erfindung unwesentlich, zumindest solange genug Freiraum um den Laserstrahl besteht, damit dieser durch diese Düsenanordnung hindurchgelangen kann. Preferably, the design of the shape of the radially inner surface of such a surrounded (in particular inner) nozzle arrangement, which in turn directly surrounds the laser beam, is unimportant for the invention, at least as long as there is enough free space around the laser beam so that it can pass through this nozzle arrangement.
Die Erfindung kann vorzugsweise vorsehen, dass die wenigstens zwei Düsenanordnungen an einer gemeinsamen Halterung befestigt sind, wobei wenigstens eine der Düsenanordnungen relativ zu einer anderen bewegbar ist, vorzugsweise wobei die Düsenanordnungen jeweils unabhängig von einer anderen justierbar befestigt sind. So können die wenigstens zwei Düsenanordnungen nach Justage gemeinsam über die gemeinsame Halterung bewegt werden, insbesondere um mit den Pulverfokussen dem Laserstrahl zu folgen. The invention can preferably provide that the at least two nozzle arrangements are fastened to a common holder, with at least one of the nozzle arrangements being movable relative to another, preferably with the nozzle arrangements each being adjustably fastened independently of one another. After adjustment, the at least two nozzle arrangements can be moved together over the common mount, in particular in order to follow the laser beam with the powder focuses.
Durch die änderbare Justage der Düsenanordnung wird dabei vorzugsweise erzielt, dass die mittlere Emissionsrichtung des emittierten Pulvergasstrahles sich ändert, vorzugsweise relativ zum Laserstrahl, insbesondere aber nach der Emission aus der Düsenanordnung, insbesondere nach Verlassen der Düsenöffnung gleichbleibend ist. Bei Düsenanordnungen, die einen hohlkegelförmigen geschlossenen oder durchbrochenen Pulvergasstrahl erzeugen, entspricht die mittlere Emissionsrichtung vorzugsweise der Kegelachsenrichtung, wobei weiter bevorzugt der Pulverfokus auf der Kegelachse liegt. Bevorzugt kann die Erfindung somit auch vorsehen, die Kegelachsenrichtung jeder Düsenanordnung relativ zum Laserstrahl zu verstellen. The changeable adjustment of the nozzle arrangement preferably means that the mean emission direction of the emitted powder gas jet changes, preferably relative to the laser beam, but remains constant after emission from the nozzle arrangement, especially after leaving the nozzle opening. In nozzle arrangements that have a hollow cone-shaped closed or perforated powder gas jet produce, the mean emission direction preferably corresponds to the direction of the cone axis, the powder focus more preferably lying on the cone axis. The invention can thus preferably also provide for the cone axis direction of each nozzle arrangement to be adjusted relative to the laser beam.
Bevorzugt ist es, wenn wenigstens eine der Düsenanordnungen, vorzugsweise jede Düsenanordnung, an der gemeinsamen Halterung in Richtung einer Laserstrahlachse oder senkrecht zu einer Bauteiloberfläche verschiebbar ist und/oder senkrecht zu einer Laserstrahlachse verschiebbar ist und/oder parallel zu einer Bauteiloberfläche und/oder zu einer Laserstrahlachse verkippbar ist. It is preferred if at least one of the nozzle arrangements, preferably each nozzle arrangement, can be displaced on the common holder in the direction of a laser beam axis or perpendicular to a component surface and/or can be displaced perpendicular to a laser beam axis and/or parallel to a component surface and/or to a component surface Laser beam axis is tiltable.
Die relative Lage der Fokusse zu ändern kann vorzugsweise durch verschiedene Möglichkeiten erzielt werden. Changing the relative position of the foci can preferably be achieved in various ways.
Z.B. kann die relative Lage der Düsenanordnungen zueinander geändert werden, insbesondere durch Verschiebung der Düsenanordnungen zueinander in der Richtung des Laserstrahls oder senkrecht zur Bauteiloberfläche oder senkrecht zum Laserstrahl oder parallel zur Bauteiloberfläche oder durch Verkippung der Emissionsrichtungen der Düsenanordnungen zueinander oder relativ zum Laserstrahl. For example, the position of the nozzle arrangements relative to each other can be changed, in particular by shifting the nozzle arrangements to one another in the direction of the laser beam or perpendicular to the component surface or perpendicular to the laser beam or parallel to the component surface or by tilting the emission directions of the nozzle arrangements to one another or relative to the laser beam.
Vorzugsweise umfasst dabei eine jeweilige Düsenanordnung ein Element, insbesondere hohlkegelförmiges Element, das den wenigstens einen Kanal und die wenigstens eine Düsenöffnung bzw. alle Kanäle und Düsenöffnungen zur Erzeugung des wenigstens einen Pulvergasstrahls umfasst. Die relative Anordnung des wenigstens einen Kanals und der wenigstens einen Düsenöffnung in dem Element ist dabei vorzugsweise fix, so dass gemäß der Erfindung vorzugsweise vorgesehen sein kann, dass das gesamte Element bewegt wird, welches den wenigstens einen Kanal und die wenigstens eine Düsenöffnung umfasst, um die Fokuslage zu ändern. A respective nozzle arrangement preferably comprises an element, in particular a hollow-cone-shaped element, which comprises the at least one channel and the at least one nozzle opening or all channels and nozzle openings for generating the at least one powder gas jet. The relative arrangement of the at least one channel and the at least one nozzle opening in the element is preferably fixed, so that according to the invention it can preferably be provided that the entire element, which comprises the at least one channel and the at least one nozzle opening, is moved in order to to change the focus position.
Ebenso kann es alternativ oder kumulativ vorgesehen sein, die Emissionsrichtung einzelner Düsenelemente derselben Düsenanordnung zu ändern. Hierfür können z.B. Düsenelemente oder wenigstens ein Düsenelement an der Düsenanordnung beweglich angeordnet sein, z.B. mit einem jeweiligen Aktor beweglich abgeordnet sein. Ein solches Düsenelement kann z.B. einen vom Pulvermaterial durchströmten / durchström baren Kanalabschnitt umfassen, dessen Erstreckungsrichtung änderbar ist, z.B. durch eine bewegliche Lagerung des Düsenelementes, z.B. durch eine sphärische Lagerung. Ein Düsenelement kann z.B. durch ein Bauteil ausgebildet sein, welches einen obengenannten Zuführkanal für das Pulvermaterial aufwiest. Insofern kann die Erfindung vorzugsweise vorsehen, die Erstreckungsrichtung eines jeweiligen Zuführkanals einer Düsenanordnung zu ändern. Alternatively or cumulatively, it can also be provided to change the emission direction of individual nozzle elements of the same nozzle arrangement. For this example, nozzle elements or at least one nozzle element on the nozzle arrangement be movably arranged, for example be movably seconded with a respective actuator. Such a nozzle element can, for example, comprise a channel section through which the powder material flows/can flow, the extension direction of which can be changed, for example by means of a movable mounting of the nozzle element, for example by means of a spherical mounting. A nozzle element can be formed, for example, by a component which has an above-mentioned feed channel for the powder material. In this respect, the invention can preferably provide for changing the extension direction of a respective feed channel of a nozzle arrangement.
Eine Beeinflussung der Fokuslage kann vorzugsweise auch durch Änderung der Materialzusammensetzung des wenigstens einen von einer Düsenanordnung erzeugten Pulver(teil)strahls, insbesondere durch Änderung der relativen Anteile von Fördergas und pulverförmigem Material oder durch Änderung der Geschwindigkeit des pulverförmigen Materials, insbesondere der Partikelgeschwindigkeit, durch eine Düsenanordnung hindurch sowie durch die konstruktive Anpassung des jeweiligen Düsenöffnungswinkels, und/oder der relativen Positionierung der einzelnen Düsenaustritte in einer Ebene, vorzugsweise einer Ebene senkrecht zur Laserstrahlachse und/oder in der Richtung des Laserstrahls erzeugt werden. The focus position can preferably also be influenced by changing the material composition of the at least one powder (partial) jet generated by a nozzle arrangement, in particular by changing the relative proportions of conveying gas and powdered material or by changing the speed of the powdered material, in particular the particle speed, by a Nozzle arrangement through and generated by the structural adjustment of the respective nozzle opening angle, and / or the relative positioning of the individual nozzle outlets in a plane, preferably a plane perpendicular to the laser beam axis and / or in the direction of the laser beam.
Die Fokuslage kann auch geändert werden durch die Änderung der Zusammenwirkung des wenigstens einen von einer Düsenanordnung erzeugten Pulverstrahls bzw. der mehreren Pulvergasteilstrahlen mit einem Schutzgasstrahl. The focus position can also be changed by changing the interaction of the at least one powder jet generated by a nozzle arrangement or of the plurality of partial powder gas jets with a protective gas jet.
Insbesondere ist es wesentlich für die Erfindung, dass der Pulvergasstrahl jeder Düsenanordnung nach Emission hinsichtlich seiner Emissionsrichtung, vorzugsweise der mittleren Emissionsrichtung ungeändert bleibt. Die Erfindung bewirkt somit vorteilhaft die Erzeugung von wenigstens zwei Pulvergasstrahlen, vorzugsweise hohlkegelförmigen Pulvergasstrahlen, mit jeweils einstellbarer Emissionsrichtung. Als die Emissionsrichtung kann vorzugsweise diejenige Richtung verstanden werden, mit welcher der Pulvergasstrahl oder ein den Pulvergasstrahl bildender Pulvergasteilstrahl die Düsenanordnung an der Düsenöffnung verlässt. Die individuelle Emissionsrichtung verschiedener hohlkegelförmiger Pulvergasteilstrahlen oder verschiedener Bereiche eines hohlkegelförmigen Pulvergasstrahls kann dabei unterschiedlich sein, wobei aber der Winkel zur Kegelachse für alle Pulvergasteilstrahlen / Bereiche bevorzugt gleich ist. Insofern ergibt sich vorzugsweise für einen hohlkegelförmigen Pulvergasstrahl eine mittlere Emissionsrichtung, die der Kegelachse entsprechen kann. In particular, it is essential for the invention that the powder gas jet of each nozzle arrangement remains unchanged after emission with regard to its emission direction, preferably the central emission direction. The invention thus advantageously produces at least two powder gas jets, preferably powder gas jets in the form of a hollow cone, each with an adjustable emission direction. The emission direction can preferably be understood as the direction with which the powder gas jet or a partial powder gas jet forming the powder gas jet the nozzle arrangement at the leaves the nozzle opening. The individual emission direction of different hollow cone-shaped partial powder gas jets or different areas of a hollow cone-shaped powder gas jet can be different, but the angle to the cone axis is preferably the same for all partial powder gas jets/areas. In this respect, a mean emission direction, which can correspond to the axis of the cone, preferably results for a powder gas jet in the form of a hollow cone.
Vorzugsweise kann somit zumindest bei hohlkegelförmigen Pulvergasstrahlen die Kegelachse als die mittlere Emissionsrichtung des Pulvergasstrahls oder der diesen bildenden mehreren Pulvergasteilstrahlen verstanden werden. Preferably, at least in the case of powder gas jets in the form of a hollow cone, the cone axis can thus be understood as the mean emission direction of the powder gas jet or of the multiple powder gas partial jets forming it.
Die Erfindung kann z.B. vorsehen, die Pulverfokusse von wenigstens zwei Düsenanordnungen in der Richtung der Laserstrahlachse versetzt zueinander zu positionieren, insbesondere diesen Versatz ändern zu können, vorzugsweise auch während eines Fertigungsbetriebs. Hierdurch kann z.B. eine Abschirmung des Materials einer Düsenanordnung gegenüber dem Material der wenigstens einen anderen Düsenanordnung erfolgen. The invention can, for example, provide for positioning the powder foci of at least two nozzle arrangements offset in relation to one another in the direction of the laser beam axis, in particular being able to change this offset, preferably also during a production operation. In this way, for example, the material of one nozzle arrangement can be shielded from the material of the at least one other nozzle arrangement.
Ebenso kann es vorgesehen sein, die Pulverfokusse von wenigstens zwei Düsenanordnungen senkrecht zur Richtung der Laserstrahlachse versetzt zueinander zu positionieren, insbesondere diesen Versatz ändern zu können, vorzugsweise auch während eines Fertigungsbetriebs. Vorzugsweis kann der Versatz in der Fahrtrichtung des Laserstrahls liegen. Hierdurch kann z.B. eine Abschirmung verhindert werden. Vorzugsweise ergibt sich dadurch auch die Möglichkeit Mehrschichtsysteme in einer Überfahrt zu erzeugen. Die Erfindung kann vorsehen, den Versatz bei sich ändernder Fahrtrichtung an diese neu anzupassen. Provision can also be made to position the powder focuses of at least two nozzle arrangements offset from one another perpendicularly to the direction of the laser beam axis, in particular to be able to change this offset, preferably also during a production operation. The offset can preferably be in the direction of travel of the laser beam. This can, for example, prevent shielding. This preferably also results in the possibility of producing multi-layer systems in one pass. The invention can provide for the offset to be newly adapted to a changing direction of travel.
Die vorbenannten Möglichkeiten zum Versatz können vorzugsweise auch kombiniert werden. Vorzugsweise können die Pulverfokusse in Richtung der Laserstrahlachse und/oder senkrecht dazu und/oder auch in einer horizontalen Ebene und/oder einer Ebene parallel zur Bauteiloberfläche versetzt zueinander sein, insbesondere kann dieser Versatz änderbar sein, vorzugsweise auch während eines Fertigungsbetriebs. The aforementioned options for offsetting can preferably also be combined. The powder focuses can preferably be offset from one another in the direction of the laser beam axis and/or perpendicular thereto and/or also in a horizontal plane and/or a plane parallel to the component surface be, in particular, this offset can be changed, preferably during a manufacturing operation.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden anhand der Figuren beschrieben.Advantageous embodiments of the invention are described with reference to the figures.
Die Figuren 1 A bis 1 D zeigen Ausführungen von hier genau zwei Düsenanordnungen einer erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung zum Laserauftragsschweißen, die einen Durchgangsbereich D umgeben, durch den ein Laserstrahl L durch die Düsenanordnungen 2, 3 hindurchtreten kann. Die Figuren zeigen dabei Ansichten der Düsenöffnungen in der Richtung der Achse 1 eines hier nicht gezeigten Laserstrahls, die hier senkrecht zur Papierebene liegt. FIGS. 1A to 1D show versions of exactly two nozzle arrangements of a nozzle device according to the invention for laser deposition welding, which surround a passage area D through which a laser beam L can pass through the nozzle arrangements 2, 3. The figures show views of the nozzle openings in the direction of axis 1 of a laser beam, not shown here, which is perpendicular to the plane of the paper.
In der Figur 1 sind beide Düsenanordnungen 2, 3 mit ringspaltförmigen Düsenöffnungen 2a, 3a ausgebildet. Beide Düsenanordnungen 2, 3 erzeugen jeweils einen eigenen hohlkegelförmigen Pulvergasstrahl Pi, P2 der in Richtung zu einem spezifischen Pulverfokus PF1, PF2 konvergiert. Beide ringspaltförmigen Düsenöffnungen 2a, 3a haben in der gezeigten Justage einen gemeinsamen Ringmittelpunkt, der mit der Laserstrahlachse 1 zusammenfallen kann, aber nicht muss. In FIG. 1, both nozzle arrangements 2, 3 are formed with nozzle openings 2a, 3a in the form of annular gaps. Both nozzle arrangements 2, 3 each produce their own hollow cone-shaped powder gas jet Pi, P2, which converges in the direction of a specific powder focus PF1, PF2. Both annular gap-shaped nozzle openings 2a, 3a have a common ring center point in the adjustment shown, which can coincide with the laser beam axis 1, but does not have to.
In der Figur 1 B ist die Ausführung derart, dass beide Düsenanordnungen 2, 3 jeweils mehrere, hier drei, Düsenöffnungen 2a bzw. 3a aufweisen. Die Düsenöffnungen 2a liegen auf einem gemeinsame Kreis K1 und die Düsenöffnungen 3a liegen auf einem anderen gemeinsamen Kreis K2. In FIG. 1B, the embodiment is such that both nozzle arrangements 2, 3 each have a plurality of, here three, nozzle openings 2a and 3a. The nozzle openings 2a lie on a common circle K1 and the nozzle openings 3a lie on another common circle K2.
Die Figuren 1 C und 1 D betreffen die Kombination der Ausführungen der Düsenanordnungen gemäß Figur 1A bzw. 1 B. Figures 1C and 1D relate to the combination of the designs of the nozzle arrangements according to Figure 1A and 1B.
Die gezeigte Justage der Düsenanordnungen 2, 3 ist in allen Ausführungen der Figuren 1A bis 1 D so, dass die Düsenanordnungen 2, 3 koaxial zueinander liegen und vorzugsweise auch koaxial zur Achse 1 des Laserstrahls liegen. Dadurch ergibt es sich, dass jeder Pulverfokus PF1 , PF2 auf der Laserstrahlachse 1 liegt. Die mittlere Emissionsrichtung ist vorzugsweise jeweils die Richtung zwischen dem Kreismittelpunkt bzw. Ringmittelpunkt der Düsenanordnung und dem Pulverfokus PFi , PF2 dieser Düsenanordnung 2, 3. The adjustment of the nozzle arrangements 2, 3 shown is such in all the embodiments of FIGS. 1A to 1D that the nozzle arrangements 2, 3 are coaxial to one another and preferably also coaxial to the axis 1 of the laser beam. This results in each powder focus PF1 , PF2 lying on the laser beam axis 1 . The mean emission direction is preferably in each case the direction between the circle center or ring center of the nozzle arrangement and the powder focus PFi, PF2 of this nozzle arrangement 2, 3.
Die Figuren 2A bis 2D zeigen die Möglichkeiten der Änderung der relativen Fokuslagen zueinander, dadurch, dass die Kreismittelpunkte bzw. Ringmittelpunkte zueinander verschoben werden. Dies erzeugt einen Versatz der Fokusse PF1, PF2 senkrecht zur Laserstrahlachse 1 , vorzugsweise wobei hier der Kreis/Ringmittelpunkt der äußeren Düsenanordnung 3 auf der Laserstrahlachse 1 liegen bleibt. Es kann also nur einer der Mittelpunkte verschoben werden, wobei der andere auf der Laserstrahlachse 1 liegt. Es können ebenso beide Mittelpunkte abweichend von der Laserstrahlachse 1 positioniert werden. FIGS. 2A to 2D show the possibilities of changing the focal positions relative to one another, in that the center points of the circles or ring centers are shifted relative to one another. This produces an offset of the foci PF1, PF2 perpendicular to the laser beam axis 1, preferably with the circle/ring center point of the outer nozzle arrangement 3 remaining on the laser beam axis 1 here. So only one of the center points can be shifted, with the other lying on the laser beam axis 1. Both centers can also be positioned deviating from the laser beam axis 1.
Die Figur 3 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Ausführung der Düsenanordnungen 2 und 3 mit einem Versatz Ax zueinander, wobei vorzugsweise die äußere Düsenanordnung 3 koaxial zur Laserstrahlachse 1 liegt. FIG. 3 shows a side sectional view of an embodiment of the nozzle arrangements 2 and 3 with an offset Ax relative to one another, with the outer nozzle arrangement 3 preferably lying coaxially to the laser beam axis 1 .
Die Änderung der Fokuslage zueinander kann auch erfolgen durch Änderung wenigstens eines der Emissionswinkel/Düsenöffnungswinkel ßi bzw. ß2 innerhalb wenigstens einer der beiden Düsenanordnungen 2, 3. Hier kann es vorgesehen sein, den Emissionswinkel/Düsenöffnungswinkel zur Laserstrahlachse 1 , bzw. zur mittleren Emissionsrichtung bei einem Ringspalt oder den einzelnen Düsenöffnungen zu ändern. The focal position relative to one another can also be changed by changing at least one of the emission angles/nozzle opening angles β1 or β2 within at least one of the two nozzle arrangements 2, 3. It can be provided here that the emission angle/nozzle opening angle be related to the laser beam axis 1 or to the central emission direction an annular gap or the individual nozzle openings.
Demgegenüber visualisiert Figur 4 die Möglichkeit, die mittlere Zufuhmchtung/Düsenaustrittsrichtung bzw. die mittlere Emissionsrichtung der beiden Düsenanordnungen 2, 3 zueinander zu ändern durch Verkippen wenigstens einer der beiden Düsenanordnungen 2, 3 zur jeweils anderen oder zur Achse 1 des Laserstrahls, z.B. um den Winkel Ay. Hier wird die innere Düsenanordnung 2 gegenüber der äußeren Düsenanordnung 3 verkippt, so dass sich deren mittlere Zufuhrrichtung/Düsenaustrittsrichtung/ Emissionsrichtung ER ändert. In contrast, Figure 4 visualizes the possibility of changing the mean direction/nozzle exit direction or the mean emission direction of the two nozzle arrangements 2, 3 relative to one another by tilting at least one of the two nozzle arrangements 2, 3 to the other or to the axis 1 of the laser beam, e.g. by the angle hey Here, the inner nozzle arrangement 2 is tilted in relation to the outer nozzle arrangement 3, so that its mean feed direction/nozzle exit direction/emission direction ER changes.
Figur 5 zeigt gegenüber Figur 6 die Möglichkeit die Düsenanordnungen 2, 3 in derFigure 5 shows compared to Figure 6, the possibility of the nozzle assemblies 2, 3 in the
Richtung der Laserstrahlachse 1 gegeneinander zu verschieben und so die Pulverfokusse PFi , PF2 in der Richtung der Laserstrahlachse 1 zu versetzen. Figur 5 zeigt eine Positionierung, bei der die Düsenöffnungen 2a von der inneren Düsenanordnung 2 und die Düsenöffnungen 3a der äußeren Düsenanordnung 3 in der Richtung der Laserstrahlachse 1 größer beabstandet zueinander sind als in der Figur 6. In der Figur 6 liegen die Düsenöffnungen 2a, 3a vorzugsweise in derselben Ebene senkrecht zur Laserstrahlachse 1 . To move the direction of the laser beam axis 1 against each other and so the To move powder focus PFi, PF2 in the direction of the laser beam axis 1. Figure 5 shows a positioning in which the nozzle openings 2a of the inner nozzle arrangement 2 and the nozzle openings 3a of the outer nozzle arrangement 3 in the direction of the laser beam axis 1 are at a greater distance from one another than in Figure 6. In Figure 6 are the nozzle openings 2a, 3a preferably in the same plane perpendicular to the laser beam axis 1 .
Die Figuren 5 und 6 verdeutlichen auch konstruktiv die bevorzugte Ausführung gemäß der wenigstens eine Düsenanordnung, hier die äußere 3, ein hohles kegelabschnittförmiges Element aufweist, das die Düsenanordnung 2 umgibt, die vorzugsweise zumindest außen ebenfalls kegelabschnittförmig gebildet ist. Vorzugsweise können so, insbesondere aber auch bei anderen konstruktiven Ausführungen, die Düsenöffnungen 2a, 3a aller Düsenanordnungen 2, 3 in dieselbe Ebene senkrecht zur Laserstrahlachse 1 positioniert werden, wie es beispielsweise Figur 6 für diese Ausführung zeigt. FIGS. 5 and 6 also structurally illustrate the preferred embodiment according to which at least one nozzle arrangement, here the outer one 3, has a hollow element in the shape of a segment of a cone, which surrounds the nozzle arrangement 2, which is preferably also formed in the shape of a segment of a cone, at least on the outside. The nozzle openings 2a, 3a of all nozzle arrangements 2, 3 can preferably be positioned in the same plane perpendicular to the laser beam axis 1, as is shown, for example, in FIG. 6 for this embodiment.
Figur 6 verdeutlich, dass die Pulverfokusse in der Richtung der Laserstrahlachse 1 aufeinander liegen können, vorzugsweise hierbei innerhalb des Laserstrahls L liegen, insbesondere wenn die Düsenöffnungen 2a, 3a beider Anordnungen 2, 3 in derselben Ebene liegen und verschiedene Emissionswinkel aufweisen, die in Figur 5 mit ai bzw. 02 bezeichnet sind. Figure 6 makes it clear that the powder foci can lie on top of one another in the direction of the laser beam axis 1, preferably within the laser beam L, in particular if the nozzle openings 2a, 3a of both arrangements 2, 3 lie in the same plane and have different emission angles, which are shown in Figure 5 are denoted by ai and 02, respectively.
Die Figur 7 zeigt gegenüber Figur 6, dass bei gleicher relativer Lage der Düsenanordnungen 2 und 3 zueinander eine Fokuslagenänderung auch erzielt werden kann durch Änderung der Strömungsparameter in den Pulvergasstrahlen Pi, P2 wenigstens einer der beiden Düsenanordnungen 2, 3. Durch Änderung von Druck des Fördergases und/oder Strömungsgeschwindigkeit des Materials in den Düsenanordnungen und/oder Ändern der Strömungsgeschwindigkeit VSG eines Schutzgases SG kann ebenfalls eine Fokusverschiebung relativ zueinander erfolgen, insbesondere hier sowohl in der Richtung der Laserstrahlachse 1 als auch senkrecht dazu. Figur 7 zeigt, dass durch eine solche in beiden Richtungen abweichende Fokuslage ein Mehrschichtsystem aus zwei Schichten S1 und S2 auf einer Bauteiloberfläche B erzeugt werden kann. Allgemein sind somit als Strömungsparameter zur Beeinflussung der Fokuslage zumindest folgende Parameter zu verstehen: Druck des Fördergases, die Strömungsgeschwindigkeit des Pulver-Materials oder des Fördergases oder Schutzgases, die Pulver-Materialzusammensetzung, bzw. solche Parameter welche die Strömung in der Düsenanordnung beeinflussen. Compared to FIG. 6, FIG. 7 shows that with the same relative position of the nozzle arrangements 2 and 3 to one another, a change in the focus position can also be achieved by changing the flow parameters in the powder gas jets Pi, P2 of at least one of the two nozzle arrangements 2, 3. By changing the pressure of the conveying gas and/or flow speed of the material in the nozzle arrangements and/or changing the flow speed VSG of a protective gas SG, a focus shift relative to one another can also take place, in particular here both in the direction of the laser beam axis 1 and perpendicular thereto. FIG. 7 shows that a multilayer system comprising two layers S1 and S2 on a component surface B can be produced by such a focal position that deviates in both directions. In general, at least the following parameters are to be understood as flow parameters for influencing the focus position: pressure of the conveying gas, the flow rate of the powder material or the conveying gas or protective gas, the powder material composition, or such parameters that influence the flow in the nozzle arrangement.

Claims

Patentansprüche Düsenvorrichtung zum Emittieren von pulverförmigem Material beim Laserauftragsschweißen, wobei die Düsenvorrichtung um einen Durchgangsbereich (D) herum angeordnet ist, durch den ein Laserstrahl (L) hindurchführbar ist und mit der pulverförmiges Material emittierbar ist, die eine erste Düsenanordnung (2) aufweist, mit der pulverförmiges Material zu einem ersten Pulverfokus (PFi) emittierbar ist und wenigstens eine weitere Düsenanordnung (3) aufweist, mit der pulverförmiges Material zu wenigstens einem weiteren Pulverfokus (PF2) emittierbar ist, wobei die Pulverfokusse (PF1 , PF2) der Düsenanordnungen (2, 3) in der relativen Lage zueinander einstellbar sind, wobei jede der beiden Düsenanordnungen (2, 3) entweder a. eine als Ringspalt ausgebildete Düsenöffnung aufweist, mit der ein hohlkegelförmiger Pulvergasstrahl erzeugbar ist, der zum Pulverfokus dieser Düsenanordnung konvergiert, oder b. mehrere einzelne Düsenöffnungen aufweist, die auf einem gemeinsamen Kreis angeordnet sind, wobei mit jeder Düsenöffnung ein einzelner Pulvergasteilstrahl erzeugbar ist, der auf den Pulverfokus dieser Düsenanordnungen gerichtet ist, wobei sich alle Pulvergasteilstrahlen zu einem Pulvergasstrahl dieser Düsenanordnung ergänzen, und c. die wenigstens zwei Düsenanordnungen (2, 3) mittels einer gemeinsamen Halterung gemeinsam bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass d. die Pulverfokusse einstellbar sind i. durch Änderung der relativen Lage der Düsenanordnungen (2, 3) zueinander, und/oder ii. durch Änderung der Strömungsparameter in den Pulvergasstrahlen P1 , P2 wenigstens einer der beiden Düsenanordnungen (2, 3), und/oder iii. durch Änderung der Emissionsrichtung einzelner Düsenelemente derselben Düsenanordnung. Düsenvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverfokusse der wenigstens zwei Düsenanordnungen senkrecht zur Richtung der Laserstrahlachse versetzt zueinander positionierbar sind. Düsenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Düsenöffnungen (2a) einer ersten Düsenanordnung (2) zu den einzelnen Düsenöffnungen (3a) wenigstens einer weiteren, insbesondere einer zweiten Düsenanordnung (3) in der Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Düsenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Düsenanordnung (3) eine andere Düsenanordnung (2) umgibt, insbesondere wobei die Düsenanordnungen (2, 3), oder zumindest deren Düsenöffnungen in der Richtung der Laserstrahlachse (1 ) zueinander beabstandet sind. Düsenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Düsenanordnungen (3) durch ein hohles kegelabschnittförmiges Element ausgebildet ist, in deren Kegelwandung wenigstens ein Zuführkanal angeordnet ist, mit dem pulverförmiges Material zu der wenigstens einen Düsenöffnung (3a) zuführbar ist, wobei das kegelabschnittförmige Element wenigstens eine weitere Düsenanordnung (2) umgibt, vorzugsweise welche zumindest an deren radial aussen liegenden Fläche kegelstumpfförmig ausgebildet ist. 19 Düsenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der wenigstens zwei Düsenanordnungen (2, 3) an der gemeinsamen Halterung relativ zu der wenigstens einen anderen Düsenanordnung (2, 3) justierbar befestigt ist, vorzugsweise alle Düsenanordnungen (2, 3) der wenigstens zwei Düsenanordnungen (2, 3)jeweils unabhängig voneinander justierbar befestigt sind. Düsenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Düsenanordnungen (2, 3), vorzugsweise jede Düsenanordnung (2, 3) an der gemeinsamen Halterung in Richtung einer Laserstrahlachse (1 ) verschiebbar ist und/oder senkrecht zu einer Laserstrahlachse (1) verschiebbar ist und/oder zu einer Laserstrahlachse verkippbar ist, insbesondere um wenigstens eine zur Laserstrahlachse senkrechte Kippachse kippbar ist, vorzugsweise so dass deren Mittellängsachse, insbesondere Kegelachse, einen Winkel ungleich Null zur Laserstrahlachse einnimmt. Verfahren zum Laserauftragsschweißen, bei dem mit einem Laserstrahl (L), insbesondere einem fokussierten Laserstrahl (L) auf einer Bauteiloberfläche (B) ein Schmelzbad erzeugt wird und mittels einer Düsenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 7 pulverförmiges Material in Richtung zum Schmelzbad emittiert wird, wobei das Material aufgeschmolzen und auf der Bauteiloberfläche (B) aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit den wenigstens zwei Düsenanordnungen (2, 3) der Düsenvorrichtung wenigstens zwei Pulverfokusse (PFi, PF2) von pulverförmigem Material dadurch erzeugt, insbesondere unterschiedlich eingestellt werden, dass a. die relative Lage der Düsenanordnungen (2, 3) zueinander geändert wird, und/oder 20 b. wenigstens ein Strömungsparameter bei wenigstens einem der Pulvergasstrahlen P1 , P2 wenigstens einer der beiden Düsenanordnungen (2, 3) geändert wird, und/oder c. die Emissionsrichtung einzelner Düsenelemente derselben Düsenanordnung geändert wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Lage der Pulverfokusse (PFi , PF2) zueinander vor und/oder während der Durchführung eines Materialauftrags eingestellt oder geändert wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit der ersten Düsenanordnung (2) ein erstes pulverförmiges Material emittiert wird und mit der wenigstens einen weiteren Düsenanordnung (3) ein pulverförmiges Material emittiert wird, welches eine andere Zusammensetzung aufweist als das Material der ersten Düsenanordnung (2) und/oder jeder anderen Düsenanordnung (2). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Lage der Pulverfokusse (PF1 , PF2) geändert wird durch: a. Verschiebung wenigstens einer der Düsenanordnungen (2, 3) relativ zu einer anderen der Düsenanordnungen (2, 3) in der Richtung der Laserstrahlachse (1 ) oder senkrecht zur Laserstrahlachse (1 ) oder durch Verkippung wenigstens einer der Düsenanordnungen (2, 3) relativ zu einer anderen der Düsenanordnungen, insbesondere durch Verkippen der Emissionsrichtungen der Düsenanordnung (2, 3), und/oder b. Änderung der Materialzusammensetzung des wenigstens einen von einer Düsenanordnung (2 3) erzeugten Pulverstrahls (Pi, P2), insbesondere durch Änderung der relativen Anteile von Fördergas und pulverförmigem Material, und/oder 21 c. Änderung der Fließgeschwindigkeit des pulverförmigen Materials durch eine Düsenanordnung (2, 3), und/oder d. Änderung der Zusammenwirkung des wenigstens einen von einer Düsenanordnung erzeugten Pulverstrahls (Pi, P2) mit einem Schutzgasstrahl, und/oder e. Ändern der Düsenaustrittsfläche an wenigstens einer, vorzugsweise aller Düsenöffnungen derselben Düsenanordnung (2, 3). Nozzle device for emitting powdered material during laser deposition welding, the nozzle device being arranged around a passage area (D) through which a laser beam (L) can be guided and with which powdered material can be emitted, which has a first nozzle arrangement (2), with the powdered material can be emitted to a first powder focus (PFi) and has at least one further nozzle arrangement (3) with which powdered material can be emitted to at least one further powder focus (PF2), the powder focuses (PF1, PF2) of the nozzle arrangements (2, 3) are adjustable in their relative position to each other, each of the two nozzle assemblies (2, 3) being either a. has a nozzle opening designed as an annular gap, with which a hollow cone-shaped powder gas jet can be generated, which converges to the powder focus of this nozzle arrangement, or b. has a plurality of individual nozzle openings which are arranged on a common circle, with each nozzle opening being able to generate an individual partial powder gas jet which is directed at the powder focus of this nozzle arrangement, with all partial powder gas jets adding up to form a powder gas jet of this nozzle arrangement, and c. the at least two nozzle arrangements (2, 3) can be moved together by means of a common holder, characterized in that d. the powder focuses are adjustable i. by changing the position of the nozzle arrangements (2, 3) relative to one another, and/or ii. by changing the flow parameters in the powder gas jets P1, P2 of at least one of the two nozzle arrangements (2, 3), and/or iii. by changing the emission direction of individual nozzle elements of the same nozzle arrangement. Nozzle device according to Claim 1, characterized in that the powder focuses of the at least two nozzle arrangements can be positioned offset relative to one another perpendicularly to the direction of the laser beam axis. Nozzle device according to one of the preceding claims, characterized in that the individual nozzle openings (2a) of a first nozzle arrangement (2) are offset from the individual nozzle openings (3a) of at least one further, in particular a second nozzle arrangement (3) in the circumferential direction. Nozzle device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one nozzle arrangement (3) surrounds another nozzle arrangement (2), in particular wherein the nozzle arrangements (2, 3), or at least their nozzle openings, are spaced apart from one another in the direction of the laser beam axis (1). . Nozzle device according to Claim 4, characterized in that at least one of the nozzle arrangements (3) is formed by a hollow element in the shape of a section of a cone, in the cone wall of which at least one feed channel is arranged, with which powdered material can be fed to the at least one nozzle opening (3a), the element in the shape of a section of a cone surrounds at least one further nozzle arrangement (2), which is preferably designed in the shape of a truncated cone at least on its radially outer surface. 19 Nozzle device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the at least two nozzle arrangements (2, 3) is fastened to the common holder in an adjustable manner relative to the at least one other nozzle arrangement (2, 3), preferably all nozzle arrangements (2, 3 ) of the at least two nozzle arrangements (2, 3) are each fixed in an adjustable manner independently of one another. Nozzle device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the nozzle arrangements (2, 3), preferably each nozzle arrangement (2, 3) on the common holder in the direction of a laser beam axis (1) is displaceable and / or perpendicular to a laser beam axis ( 1) is displaceable and/or can be tilted to a laser beam axis, in particular can be tilted about at least one tilting axis perpendicular to the laser beam axis, preferably so that its central longitudinal axis, in particular cone axis, assumes an angle that is not equal to zero to the laser beam axis. Method for laser build-up welding, in which a molten pool is produced with a laser beam (L), in particular a focused laser beam (L), on a component surface (B) and powdered material is emitted in the direction of the molten pool by means of a nozzle device according to one of the preceding claims 1 to 7 , wherein the material is melted and applied to the component surface (B), characterized in that with the at least two nozzle arrangements (2, 3) of the nozzle device at least two powder focuses (PFi, PF2) of powdered material are thereby produced, in particular are adjusted differently, that a. the position of the nozzle arrangements (2, 3) relative to one another is changed, and/or 20 b. at least one flow parameter is changed in at least one of the powder gas jets P1, P2 of at least one of the two nozzle arrangements (2, 3), and/or c. the emission direction of individual nozzle elements of the same nozzle arrangement is changed. Method according to Claim 8, characterized in that the position of the powder focuses (PFi , PF2) relative to one another is set or changed before and/or during the implementation of a material application. Method according to one of the preceding claims 8 or 9, characterized in that a first powdered material is emitted with the first nozzle arrangement (2) and a powdered material is emitted with the at least one further nozzle arrangement (3), which has a different composition than that Material of the first nozzle arrangement (2) and/or any other nozzle arrangement (2). Method according to one of the preceding claims 8 to 10, characterized in that the relative position of the powder focuses (PF1, PF2) is changed by: a. Shifting at least one of the nozzle arrangements (2, 3) relative to another of the nozzle arrangements (2, 3) in the direction of the laser beam axis (1) or perpendicular to the laser beam axis (1) or by tilting at least one of the nozzle arrangements (2, 3) relative to another of the nozzle arrangements, in particular by tilting the emission directions of the nozzle arrangement (2, 3), and/or b. Changing the material composition of the at least one powder jet (Pi, P2) generated by a nozzle arrangement (2 3), in particular by changing the relative proportions of conveying gas and powdered material, and/or 21 c. Changing the flow rate of the powdery material through a nozzle arrangement (2, 3), and/or d. Changing the interaction of the at least one powder jet (Pi, P2) generated by a nozzle arrangement with a protective gas jet, and/or e. Changing the nozzle exit area on at least one, preferably all nozzle openings of the same nozzle arrangement (2, 3).
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