WO2023152014A1 - LASERAUFTRAGSCHWEIßVERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON BESCHICHTUNGSSCHICHTEN AUF EINANDER GEGENÜBERLIEGENDEN OBERFLÄCHEN EINES BAUTEILS - Google Patents

LASERAUFTRAGSCHWEIßVERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON BESCHICHTUNGSSCHICHTEN AUF EINANDER GEGENÜBERLIEGENDEN OBERFLÄCHEN EINES BAUTEILS Download PDF

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WO2023152014A1
WO2023152014A1 PCT/EP2023/052520 EP2023052520W WO2023152014A1 WO 2023152014 A1 WO2023152014 A1 WO 2023152014A1 EP 2023052520 W EP2023052520 W EP 2023052520W WO 2023152014 A1 WO2023152014 A1 WO 2023152014A1
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WO
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laser
component
welding method
coating layers
laser beam
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PCT/EP2023/052520
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English (en)
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Tim Hesse
Andreas Scholz
Nicolai Speker
Björn Sautter
Original Assignee
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/003—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to controlling of welding distortion

Definitions

  • the invention relates to a laser cladding process for producing coating layers on opposite surfaces of a component, a device for carrying out the laser cladding process and a component with opposite surfaces which are coated with coating layers, the coating layers being produced using the laser cladding process.
  • the conventional laser deposition welding is from the prior
  • the component is melted by means of a laser beam and a powdered additional material is fed to the melting bath formed in the process.
  • the powder is then also melted in the melting bath, so that after the solidification of the melted powder material and the surface, a material layer that is materially bonded, in particular melt-metallurgically bonded, is formed.
  • this process can be carried out at different points on the surface or over a larger contiguous area of the workpiece surface, which means that 3D shapes can be applied using laser deposition welding. Furthermore, several layers of material made of different materials can also be built up on top of one another on the surface. In the event that metallic material is applied, the application process is also referred to as "laser metal deposition" (LMD for short). Typical fields of application for laser deposition welding can be found in the area of repair, coating and joining techniques.
  • the laser beam radiating onto the melting bath also causes the filler metal to melt at the specified distance from the melting bath. This is done by moving the melting bath and a focus of the laser beam parallel to one another relative to the surface at a speed of at least 20 m/min. Furthermore, in the case of a powdered filler material, the powder density can be adjusted in particular in such a way that the laser power of the laser beam in the melting bath is less than 60% of the laser power before the laser beam comes into contact with the powder.
  • the processing speed of the laser deposition welding process can be significantly increased using the EHLA process.
  • the coating takes place on respective opposite surfaces or sides of the component.
  • the component is coated on one side in each case.
  • the components can bend under the thermal energy input during laser material processing.
  • Shielding the word comes from the fact that the shape of a warped component, for example a warped brake disc, if you look at it from the side, reminds of an (umbrella) umbrella).
  • tensile stresses arise on the component surface due to the material shrinkage during solidification and cooling of the coating produced in the prior art, in particular by "High Speed Laser Metal Deposition" (HS-LMD for short).
  • HS-LMD High Speed Laser Metal Deposition
  • This creates a large proportion of component distortion, the so-called. shielding As a result of this shielding, uneven layer thicknesses or sometimes a lot of material has to be welded on in order to obtain a dimensionally stable, plane-parallel component after grinding the component (so-called surface finish).
  • the object of the invention is to reduce the above disadvantages in a laser deposition welding process, in particular to improve the component quality produced.
  • a laser build-up welding method for producing coating layers on opposite surfaces of a component, in that an additional material, in particular a powdered material, is directed onto the respective surface on each surface along an in particular spiral-shaped processing trajectory, with the additional material and the component are heated along the processing trajectory by means of a laser beam, so that the additional material bonds to the component (to the respective coating layer or at least part of it on the respective surface) when it hits the respective surface.
  • the coating layers on the opposite surfaces produced at least temporarily at the same time.
  • the cycle time for producing the coating layers can also advantageously be reduced.
  • the cycle time for producing the two coatings on the opposite surfaces of the component is comparatively long in the prior art because of the one-sided processing. Additional time is also required for turning and re-clamping the component.
  • several devices can be used for laser deposition welding, so that several components can be coated on one side in parallel.
  • the system costs for having several devices for laser deposition welding are correspondingly high.
  • the simultaneous processing of the two surfaces of the component now allows the cycle time to be more than halved, since not only can the two coating layers be produced completely simultaneously, but there is also no need to clamp the component again.
  • Simultaneous manufacture at least at times, means that simultaneous manufacture must take place at least for a certain minimum period of time.
  • the minimum period of time can be at least half or at least three quarters of the production time necessary to produce a coating layer on one of the surfaces.
  • the coating layers are produced essentially completely at the same time on both surfaces of the component, ie the coating is started and ended at the same time in order to achieve the shortest cycle time.
  • a laser filler material interaction zone on the surface of the component in particular an at least partially melted bath, with at least one at least partially melted filler material by means of a laser filler material interaction zone incident laser beam is generated.
  • the at least one additional material can be melted by means of the respective laser beam at a distance from the respective laser additional material interaction zone on the surface of the component, so that the at least one additional material of the respective laser additional material Interaction zone is supplied in at least partially melted form.
  • another laser-additional material interaction zone is in particular a distance from the surface of the component, in which the additional material, in particular in powder form, is already melted and strikes the surface of the component.
  • the relative speed is the speed at which the surface to be coated moves relative to the point of incidence of the laser beam on the surface.
  • the laser beam radiates onto the surface in such a way that a laser-additional material interaction zone, in particular an at least partial melting bath, is formed on the surface. Consequently, one could also say that the point of irradiation and thus the zone of interaction between the laser and the filler material are shifted along the surface at a speed of at least 20 m/min.
  • the advantage of this high relative speed is that the component is heated as uniformly as possible over its circumference, so that no appreciable local thermal distortions occur on the circumference of the component.
  • the component is rotationally symmetrical, in particular as a disc, and is rotated about an axis of rotation in particular during the production of the coating layers.
  • the component can be, for example, a
  • the surfaces to be coated can each be annular surfaces. Accordingly, the rotation of the wheel about its axis of rotation allows the wheel to be circumferentially coated.
  • the disc can be fastened to a shaft of a corresponding drive, for example an electric motor, which causes the disc to rotate.
  • the irradiation points of the laser beams can be shifted, in particular in a linear movement. In particular, these can be moved in a plane above the pane. This can be done, for example, by a linear drive on processing heads that emit the laser beams.
  • the orientation of the feed of the at least one additional material can also be shifted in each case together with the irradiation points of the laser beams.
  • the at least one additional material is present as a powder before it is melted by means of the laser beams.
  • the additional material can be metallic.
  • different metals can also be processed.
  • the additional material is present as a wire, as a strip, or as sheet metal strips.
  • the feeding of powdered additional material to the laser beam for melting, so that it is fed to the melting bath in a substantially completely melted form has proven to be particularly advantageous.
  • the at least one additional material is provided to the respective laser beam by at least three injectors per surface of the component.
  • a very symmetrical focus of the additional material, in particular powder focus can be produced on the surface, as a result of which the quality of the coating layer produced can be improved.
  • an average powder efficiency with powdered additive f all injectors together results in at least 85%.
  • the powder efficiency indicates how much of the supplied powder is melted. Loss of powder can thus be reduced. This can be made possible, among other things, by using injectors that can be used in the angle range of 90° to the direction of gravitation.
  • the required powder mass flow can thus be divided between parallel powder feed strands. A particularly uniform powder mass flow is thus achieved and particularly uniform coating layers are thereby produced.
  • the injectors can advantageously be designed as tubes.
  • they can be designed as hard metal tubes be in order to have a high resistance to the filler material on the one hand and the high temperatures emanating from the laser-additional material interaction zones on the other hand.
  • the advantage of tubes also consists in a particularly good flow of a possible conveying gas through them in order to feed the additional material from a corresponding conveyor or reservoir to the laser beams at a distance from the surfaces.
  • an outlet angle of the injectors relative to a perpendicular to the respective surface of the component is less than 60°, in particular less than 50°, very particularly less than 40°. It has been shown that superficial waviness of the coating layers welded on as a result turns out to be particularly small.
  • the production of the coating layers of the component takes place in the direction from the relatively inside of the surfaces to the relatively outside of the surfaces.
  • the coating or the process of the laser beam points thus from radially inside or the inner diameter radially outwards or to the outside diameter.
  • thermal expansion can be used to generate tensile stresses in the component, in particular the pane.
  • compressive stresses form in the welded coating layers.
  • the laser beam axes of the laser beams are inclined relative to the surfaces at an incidence angle in the range from greater than 0° to 35°, in particular in the range from 5° to 30°.
  • a main axis of the processing heads, from which the laser beams are emitted, can be correspondingly inclined with respect to the surfaces. Laser light reflected back from the component under the angle of incidence does not hit the processing head, but is guided past it.
  • the laser power of a laser beam directed onto one of the surfaces is at most twice the laser power of the laser beam directed onto the other of the two surfaces.
  • the laser power of one laser beam is at most 30% greater than that of the other laser beam. It is particularly advantageous if the
  • Laser powers of the laser beams are essentially the same. This also allows a high thermal symmetry between the two surfaces or Sides of the component are ensured. Shielding of a pane as a component can also be effectively avoided in this way. Any need for grinding in the event of further processing of the pane to counteract the shielding can thus at least be reduced.
  • the feed rate-to-feed-path profile of the two laser beams thus also corresponds to one another.
  • the two laser beams are each moved with different feed rate-to-path profiles and/or different amounts of the additional material are supplied to each surface, with different layer thicknesses of the coating layers being produced on the opposite surfaces of the component. This makes it possible to bend an already shielded component, in particular a shielded pane, straight again using layers of different thicknesses.
  • the two laser beams are each moved with different feed rate-to-displacement profiles, the different feed rate-to-feed-displacement profiles being in opposite directions to one another.
  • the two processing heads of the different laser beams for each surface can also be equipped with separate feed units, i.e. linear drives.
  • one laser beam can have a feed rate-to-feed-path profile that decreases over the path in the feed direction, while the other laser beam has a feed-rate-to-feed-path profile that increases over the path in the feed direction.
  • the gradients of the different profiles can be the same in absolute terms. In this way, wedge-shaped coating layers are produced in the cross section of the component, which are aligned opposite one another in the shape of a wedge.
  • the coating layers can also be built up in multiple layers, ie in particular by repeated laser deposition welding, in order to build up coating layers that are as homogeneous as possible in terms of their thickness, which in the exemplary embodiment of the brake disc have a maximum service life for use.
  • the intensity distributions of the laser beams are at least approximately in the form of a so-called Flat tops are generated.
  • the intensity distributions can be approximately in the form of a flat top with a region of reduced intensity in the center (I_max (maximum intensity)>l_core (intensity in the core)>0). This opens up a particularly large process window for the laser cladding process. With that can the application of power to the two surfaces must be thermally adjusted sufficiently symmetrically for the coating.
  • a sensory device such as a camera, in particular a VIS camera or IR camera, or a pyrometer, to be arranged oriented in a coaxial measuring direction or viewing direction to the laser beam. This enables the simultaneous observation of the process during coating.
  • the coating process can thus be carried out in a closed control circuit of a corresponding control device.
  • the laser beam axes of the laser beams are moved congruently to one another.
  • the laser beam axes coincide (in their extension) during processing.
  • the irradiation points of the laser beams or, overall, the process zones of the coating with the melt baths can be arranged mirror-symmetrically to the plane of the component. This allows a particularly highly thermally symmetrical processing of the component.
  • the laser beam axes of the laser beams are moved incongruently with one another.
  • the laser beam axes therefore do not coincide during processing. Instead, the irradiation points of the laser beams or the process zones are offset to one another laterally to the linear movement of the laser beam axes.
  • This has the advantage that the opposite processing heads cannot irradiate each other, which increases safety.
  • the object mentioned at the outset is also achieved by a component according to claim 15 .
  • the component has mutually opposite surfaces which are coated with coating layers, the coating layers being produced by means of a laser deposition welding method according to the invention.
  • the object mentioned at the outset is also achieved by a device according to claim 16 .
  • the device is set up to carry out a laser deposition welding method according to the invention, the device having at least one laser for generating the laser beams, and the device having at least one filler material conveyor for conveying the at least one filler material at a distance from the surfaces of the component, in particular in a distance between the respective laser additional material interaction zones, in particular melting baths, on the surfaces of the component and the laser beams.
  • the at least one laser can preferably have a laser power of more than 4 kW, in particular more than 12 kW and up to 24 kW. It can be z. B. around a laser with approx. Ipm (fiber laser, disc laser), approx. 0.8pm (diode laser) or 0.5pm (green converted) wavelength act.
  • a laser light cable with 2inl fibers can be used, whereby a core diameter of 600pm to 1000pm or diameter ratios of 200pm/700pm and 300pm/1000pm can be implemented.
  • An adjusting device can also be used to adjust the core-to-sheath ratio of the 2inl fiber.
  • a processing head of the laser can have a focus of approx. 1.4 mm to approx. 8 mm for imaging the fiber end of the 2inl fiber in the area of a powder focus or on the surfaces.
  • the at least one filler material conveyor can be designed as a powder conveyor and have a powder nozzle for forming a powder focus.
  • the powder nozzle can be designed using injectors, in particular with a plurality of injectors as a multi-jet nozzle.
  • injectors in particular with a plurality of injectors as a multi-jet nozzle.
  • inert gas argon or helium or a gas mixture thereof can be used as the conveying gas.
  • a protective process gas can also be added to the process.
  • a laser and a filler material conveyor in the device for each surface of the component, so that essentially the entire structure of the device with the aforementioned additional peripherals, such as linear drive, injectors, etc. and with the exception of the drive for the rotation of the Component, can be mirrored to both sides of the component.
  • additional peripherals such as linear drive, injectors, etc. and with the exception of the drive for the rotation of the Component
  • a common laser and/or additional material conveyor for both surfaces or sides of the component in order to keep the costs of the device low.
  • the laser beam of the laser can be divided and directed to both surfaces become .
  • the additional material conveyor can also be designed to convey the additional material to both sides.
  • each page or Surface of the component is provided in each case at least one processing head, which in each case allows optical focusing of the laser beam on the surface in question.
  • a powder feed is provided in each case, for example in the form of at least one injector per surface.
  • a clamping device can be provided, by means of which the component can be clamped, in particular vertically, between the two machining heads and in particular also the injectors for machining.
  • the chuck may be integrally provided on the aforementioned shaft for rotating a disc.
  • Figure 1 is a schematic view of a structure of a
  • Figure 2 is a plan view of a component according to a
  • FIGS. 3a, 3b show schematic views of a laser build-up welding process
  • FIG. 4 shows a schematic view of a laser build-up welding method according to the invention according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic view of a laser build-up welding method according to the invention according to a second exemplary embodiment
  • FIGS. 6-8 schematic views of different arrangements of laser processing heads relative to the component to be coated.
  • FIG. 1 shows an overall device 10 for laser build-up welding.
  • the device 10 includes a laser 12 for generating a laser beam 1 .
  • the generated laser beam 1 is fed to a light outlet 16 via an optical fiber cable 14 .
  • the laser beam 1 thus generated is then collimated in a collimation lens 18 .
  • the laser beam 1 then passes through a movable processing head 20 (the light outlet 16 and the collimation lens 18 can alternatively also be arranged in the processing head 20 itself).
  • a focusing lens (not shown) for bundling the laser beam 1 is arranged inside the processing head 20 . After passing the focusing lens, the laser beam 1 passes through a cylindrical section 22 and a funnel-shaped section 24 of the processing head 20 which also serve as a powder nozzle for a powdered filler material 2 .
  • the entire assembly of light outlet 16, collimation lens 18, and processing head 20 is positioned linearly above a surface to be coated by means of a feed unit 30 Component 70 arranged to be movable.
  • the feed unit 30 can be moved in the plane defined by an X coordinate and a Y coordinate above the component 70 (see FIG. 2).
  • the feed unit 30 comprises a linear drive 34 and an electric motor 32 which drives the linear drive 34 .
  • the device 10 comprises a rotation unit 90 which, in the present case, has a further electric motor 92 with a shaft 94 coupled thereto for rotating the component 70 attached thereto.
  • the component 70 is designed to be rotationally symmetrical here, for example, in particular as a brake disk, and is rotated about its axis of rotation 72 , which coincides with the shaft 94 , when the component 70 is coated with a coating layer 80 in the direction of rotation R shown, which will be explained in more detail later.
  • the device 10 also includes an additional material conveyor 40 for conveying powdered additional material 2 .
  • the powder is mixed with a gas, in particular an inert gas such as nitrogen or argon, in order to generate a powder gas stream 4 for conveying the powder.
  • a distributor component 42 the powder gas stream 4 is distributed into several, in the present case for example three, feed lines 44 , in particular feed hoses, and then flows into the cylindrical section 22 of the processing head 20 .
  • the section 24 of the processing head 20 has a double wall, with the powder gas flow being guided through the annular gap thus achieved, so that the powder gas flow 4 flows between the two walls.
  • the laser beam 1 and the powder gas stream 4 consequently run coaxial to each other through sections 22 and 24 .
  • the annular gap between the two walls narrows, so that the powder gas flow 4 leaves the funnel-shaped section 24 through a nozzle-like outlet formed thereby.
  • the device 10 also includes a sensory measuring device 50 .
  • the measuring device 50 can be set up, for example, to carry out the light section method in order to generate a height profile of the surface 74 in this way.
  • a light section scan can be carried out at 4 kHz.
  • a height profile can be generated along a projected line of light 52 shown schematically.
  • the device 10 includes a control device 60 .
  • this serves to control the laser 12 and the additional material conveyor 40 .
  • this is used to control a control unit 62 , which also belongs to the device 10 and is designed to control the electric motor 32 and the additional electric motor 92 .
  • the control device 60 60 is set up to evaluate the measurement signals detected by the measurement device 50 .
  • the device 10 is designed to carry out the method set out below:
  • the present annular surface 74 of the component 70 is welded using the device 10 by extreme high-speed laser deposition (EHLA) coated.
  • EHLA extreme high-speed laser deposition
  • the component 70 is initially in rotation offset by the shaft 94 being driven by the further electric motor 92 .
  • the laser beam 1 is generated and projected onto the surface 74, the laser beam 1 radiating onto the surface 74 at an irradiation point.
  • a laser-additive material interaction zone 6, in particular an at least partial melt pool, is produced on the surface 74.
  • a powder gas stream 4 is generated. After leaving the cylindrical section 24, the powdered filler material 2 of the powder gas stream 4 hits the light path of the laser beam 1 during its flight phase.
  • the filler material 2 and the laser beam 1 can be directed onto the surface 74 along a particularly spiral processing tra ectory.
  • the laser beams 1 and the additional material 2 and/or, as will be explained later in more detail using the example of a rotation, the component 70 can be shifted or moved relative to one another.
  • the filler material 2 is consequently heated by means of the laser beam 1 along the processing trajectory.
  • the additional material 2 in the form of the powder particles is at least partially or completely melted, specifically before they reach the surface 74 of the component 70 .
  • the at least partially melted additional material connects to the component 70 when it hits the surface 74 or the component 70, so that a coating layer 80 is produced.
  • the previously mentioned coating layer 80 is gradually produced by the laser build-up welding process.
  • the laser beam 1 is moved piece by piece from radially outside to radially inside relative to the axis of rotation 72 by means of the linear drive 34 so that the irradiation point of the laser beam 1 is moved along the surface 74 in a spiral-shaped processing tra ectory.
  • the laser filler material “interaction zone 6 on the surface 74 is consequently guided in a spiral from radially outward to radially inward to produce the coating layer 80 .
  • the surface 74 includes a coated radially outer portion 82 and an uncoated radially inner portion 84 .
  • FIG. 2 shows the component 70 in the form of a brake disk for a motor vehicle, the surface 74 having the coating layer 80 which has been produced by the method described above.
  • a coating layer 80 is also produced on the opposite surface 74 or side of the component 70 .
  • the cycle time for producing the two coating layers 80 on the opposite surfaces 74 of the component 70 is also comparatively long, since the coating layers 80 are each produced on one side. Additional time is also required for turning and clamping the component 70 .
  • several devices 10 can be used, so that several components 70 can be processed in parallel.
  • the system costs for having several devices 10 available are correspondingly high.
  • Figure 3a shows the laser deposition welding process for the component 70 similar to FIG. 1 in a schematic cross-sectional view.
  • a processing head 20 as it is in relation to FIG. 1 has been described.
  • several injectors 46 are used here, only two of which are shown here as an example, by means of which the additional material 2 , in particular as a powder gas stream 4 , is supplied directly to the laser beam 1 .
  • the injectors 46 are shown here as tubes, in particular hard metal tubes, by way of example. You can each use one, two or more feed lines 44 with be connected to the distribution component 42 . It is also possible for each injector 46 to have its own distribution component 42 , with the distribution components 42 in turn being able to be connected to the additional material conveyor 40 .
  • the laser beam 1 is moved with its laser beam axis LA in the present example in the X-direction as the feed direction, as a result of which its point of incidence is also shifted in this direction. This takes place during the rotation R of the component 70 about the axis of rotation 72 .
  • an exit angle a of the injectors 46 relative to a perpendicular to the respective surface 74 which here, for example, coincides with the longitudinal axis LA of the laser beams 1, is less than 60°. It has been shown that a superficial waviness of the coating layers 80 welded on in this way turns out to be particularly small.
  • FIG. 3b shows a modification of the beam guidance of the laser beam 1, in which the laser beam axis LA of the laser beam 1 is at an advantageous angle of incidence ⁇ relative to the surface 70, so that the laser beam 1 impinges on the surface 70 with its point of incidence at the angle of incidence ⁇ .
  • the angle of incidence ß is 35° here, for example.
  • the irradiation angle ⁇ can be achieved in particular by a corresponding arrangement of the processing head 20 relative to the surface 70, it being possible for the powder gas stream 4 to be guided in the processing head 20, as shown in FIG. 1 is shown, or can be guided outside of the processing head 20, so that only the laser beam 1 is guided in the processing head 20 or. from this exit.
  • a laser beam 1 striking the surface 74 at the angle of incidence ⁇ cannot be reflected back onto the processing head 20 as laser light, but is guided past it.
  • Figure 4 shows a compared to FIG. 3 modified
  • FIG. 3a An embodiment of the laser cladding process, a variant of feeding additional material 2 to the laser beam 1 with injectors 46 also being preferred here.
  • Fig. 3a which can alternatively also be used with the processing head 20 according to FIG. Fig. 1 can be executed.
  • the laser beam axis LA of the laser beam 1 can be at the angle of incidence ⁇ of FIG. 3b relative to surface 74 .
  • FIGS. 1 to 8 explained here in detail can be combined with one another as desired, insofar as this is technically reasonable.
  • the structure of the device 10 of FIG. 4 individual, several or all components of FIG. 1 have .
  • FIG. 4 Unlike in FIG. 1 and 3a is in the laser deposition welding process of FIG. 4 the formation of the coating layers 80 on the opposite surfaces 74 of the component 70 is carried out simultaneously. As Fig . 4 shows are to from both sides or. Surfaces 74 forth laser beams 1 with appropriate supply of the additional material fs 2 via injectors 46 are provided. This symmetrically distributes thermal stress and tensile stresses of the component 70 across the opposing surfaces 74, thereby eliminating potential thermal distortion would otherwise lead to a shielding of the component 70 can be prevented or at least reduced.
  • a device 10 of FIG. 1 can be placed opposite both surfaces 74 with a mirrored configuration.
  • individual components of such a mirrored or double structure of the device 10 are divided, e.g. the laser 12, the laser beam 1 of which can be used for processing on both surfaces 74, or e.g. the filler material conveyor 40.
  • this is only a schematic representation; of course, other components, such as those explained in detail in FIG. 1 , can also be added to shape the beam of the laser beam 1 .
  • a common filler material conveyor 40 with distributor components 42 for the injectors 46 is also shown here as an example.
  • the injectors 46 are only connected via one supply line 44 each to the distributor component 42 assigned to them, it being possible for two or more supply lines 44 to be provided for each injector 46 here, of course.
  • a common feed unit 30 for both machining heads 20 (and also the injectors 46) can advantageously also be provided for each surface 74 in the exemplary embodiment in FIG. 4, but this is not shown in FIG.
  • only one control device 60 can be provided in addition to the simultaneous Formation of the coating layers 80 on both
  • Matching surfaces 74 which is also not shown in FIG. 4 is shown.
  • Fig . 4 also illustrated by diagrams next to the respective laser beams 1, which show the feed rate in the feed direction compared to the distance covered in the feed direction X, i.e. a feed rate-to-feed-path profile of the respective laser beam 1 and thus the processing , a constant feed rate is used here over the path in order to have an even or smooth flow on both surfaces 74 . apply a coating layer 80 of the same thickness in the feed direction X.
  • coating layers 80 of uneven thickness are applied, specifically by means of feed rate-to-feed-path profiles running in opposite directions.
  • the left laser beam 1 of FIG. 5 has a feed rate-to-feed-path profile that decreases over the path in the feed direction X
  • the right-hand laser beam 1 in FIG. 5 has a feed rate-to-feed path profile that increases over the path in the feed direction X.
  • the gradients of the different profiles are the same in terms of absolute value.
  • wedge-shaped coating layers 80 that are visible in cross-section are produced, which here are aligned opposite one another in the shape of a wedge.
  • the coating layer 80 can also be built up in multiple layers, ie in particular by repeated laser deposition welding, in order to build up a coating layer 80 which is as homogeneous as possible in terms of its thickness and which, in the exemplary embodiment of the brake disc, has a maximum service life for use.
  • Figures 6 to 8 show different options for beam guidance of the laser beam 1 or. the processing trajectory or the associated process zone with the laser-additional material interaction zone 6 and thus for the production of the coating layers 80 .
  • the laser beam axis LA shown shows the process zone or Processing point at which the coating layer 80 is currently being produced, and can be provided by a corresponding arrangement of the processing head 20 relative to the surfaces 74 .
  • the laser beam 1 is advanced in the Y direction (see also FIG. 2).
  • the laser beam 1 is advanced in the X-direction (see also FIG. 2).
  • Fig. 6 and 7 also have in common that the laser beam axes LA of the laser beams 1 each coincide. This means that the laser beam axes LA of the laser beams 1 are moved congruently with one another.
  • the coating layers 80 are thus produced at respective parallel, opposite locations on the surfaces 74 . This improves the thermally symmetric processing of the component 70 and reduces the risk of the component 70 being shielded.
  • the coating layers 80 are each produced at locations on the surfaces 74 that are offset in the X-direction.
  • the laser beam axes LA of the laser beams 1 are moved here incongruently with respect to one another, in particular offset from one another by a predefined lateral distance in the X direction. This reduces the risk of the opposing processing heads 20 irradiating each other in order to provide a safe device 10 and a safe laser cladding method.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserauftragschweißverfahren zum Herstellen von Beschichtungsschichten (80) auf einander gegenüberliegenden Oberflächen (74) eines Bauteils (70), indem auf jeder Oberfläche (74) ein, insbesondere pulverförmiger, Zusatzwerkstoff (2) entlang einer, insbesondere spiralförmigen, Bearbeitungstrajektorie auf die jeweilige Oberfläche (74) gerichtet wird, wobei der Zusatzwerkstoff (2) und das Bauteil (70) entlang der Bearbeitungstrajektorie mittels eines Laserstrahls (1) erhitzt werden, sodass sich der Zusatzwerkstoff (2) beim Auftreffen auf die jeweilige Oberfläche (74) mit dem Bauteil (70) verbindet, wobei die Beschichtungsschichten (80) auf den gegenüberliegenden Oberflächen (74) zumindest zeitweise zeitgleich hergestellt werden.

Description

Titel : Laserauftragschweißverfahren zum Herstellen von
Beschichtungsschichten auf einander gegenüberliegenden Oberflächen eines Bauteils
Beschreibung
Die Erfindung betri f ft ein Laserauftragschweißverfahren zum Herstellen von Beschichtungsschichten auf einander gegenüberliegenden Oberflächen eines Bauteils , eine Vorrichtung zum Aus führen des Laserauftragschweißverfahrens und ein Bauteil mit einander gegenüberliegenden Oberflächen, welche mit Beschichtungsschichten beschichtet sind, wobei die Beschichtungsschichten mittels des Laserauftragschweißverfahrens hergestellt sind .
Das herkömmliche Laserauftragsschweißen ist aus dem Stand der
Technik wohl bekannt . Dabei wird eine Oberfläche eines Bauteils mittels eines Laserstrahls auf geschmol zen und dem dabei ausgebildeten Schmel zbad ein pulverförmiger Zusatzwerkstof f zugeführt . Das Pulver wird sodann im Schmel zbad ebenfalls auf geschmol zen, so dass sich nach dem Erstarren des auf geschmol zenen Pulvermaterials und der Oberfläche eine stof f schlüssig verbundene , insbesondere schmel zmetallurgisch verbundene , Materialschicht bildet .
Dieser Vorgang kann j e nach Anwendungs fall an verschiedenen Stellen der Oberfläche oder auch über einen größeren zusammenhängenden Bereich der Werkstückoberfläche durchgeführt werden, wodurch 3D-Formen mittels Laserauftragsschweißen aufgebracht werden können . Weiterhin können auch mehrere Materialschichten aus unterschiedlichen Materialien übereinander auf der Oberfläche auf gebaut werden . Für den Fall , dass metallisches Material aufgetragen wird, wird das Auftragsverfahren auch als "Laser Metal Deposition" ( kurz LMD) bezeichnet . Typische Anwendungs felder für das Laserauftragsschweißen sind in dem Bereich der Reparatur- , Beschichtungs- und Verbindungstechniken zu finden .
Das sogenannte extreme Hochgeschwindigkeits- Laserauftragsschweißen ( kurz EHLA) ist aus der DE 10 2011 100 456 B4 vorbekannt . Gemäß diesem Verfahren wird eine deutliche Erhöhung der erzielbaren Bearbeitungsgeschwindigkeit im Vergleich zum herkömmlichen Laserauftragsschweißen dadurch erreicht , dass einer auf einer zu bearbeitenden Oberfläche vorliegenden Laser- Zusatzwerks to f f -Wechselwirkungs zone , insbesondere einem zumindest teilweisen Schmel zbad, zumindest ein Zusatzwerkstof f in vollständig geschmol zener Form zugeführt wird . Hierzu wird der Zusatzwerkstof f , der zunächst insbesondere pulverförmig vorliegt , mittels eines Laserstrahls in einem Abstand größer als Null zum Schmel zbad geschmol zen und dem Schmel zbad dann in vollständig flüssiger Form zugeführt . Das Auf schmel zen des Zusatzwerkstof fs , insbesondere des Pulvers , in dem genannten Abstand vom Schmel zbad sowie das Erhitzen des Schmel zbads können dabei durch den gleichen Laserstrahl erfolgen . Der auf das Schmel zbad einstrahlende Laserstrahl bewirkt also auch das Schmel zen des Zusatzwerkstof fs im genannten Abstand vom Schmel zbad . Dies geschieht dadurch, dass das Schmel zbad und ein Fokus des Laserstrahls parallel zueinander relativ zur Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von mindestens 20 m/min verschoben werden . Weiterhin kann im Falle eines pulverförmigen Zusatzwerkstof fs die Pulverdichte insbesondere so eingestellt werden, dass eine Laserleistung des Laserstrahls im Schmel zbad weniger als 60% der Laserleistung vor Kontakt des Laserstrahls mit dem Pulver beträgt . So lässt sich mittels des EHLA-Verf ährens die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Laserauftragsschweißvorgangs signi fikant erhöhen .
In einigen Anwendungen erfolgt die Beschichtung dabei auf j eweils gegenüberliegenden Oberflächen bzw . Seiten des Bauteils . Hierzu ist es bekannt , das Bauteil nach der Beschichtung einer Oberfläche zu wenden und dann auf der anderen Oberfläche zu beschichten . Entsprechend wird das Bauteil im Stand der Technik j eweils einseitig beschichtet .
Insbesondere bei Verwendung von hohen Laserleistungen von bspw . mehr als 4 kW können sich die Bauteile dabei unter dem thermischen Energieeintrag bei der Lasermaterialbearbeitung verbiegen . Der Fachmann spricht hierbei von einer sog . Schirmung ( das Wort kommt daher, dass die Form eines verzogenen Bauteils , beispielsweise einer verzogenen Bremsscheibe , sofern man sie sich von der Seite anschaut , an einen (Regen- ) Schirm erinnert ) . Zusätzlich entstehen durch die Materialschrumpfung bei der Erstarrung und Abkühlung der im Stand der Technik insbesondere durch "High Speed Laser Metal Deposition" ( kurz HS-LMD) hergestellten Beschichtung Zugspannungen auf der Bauteiloberfläche . Hierdurch entsteht ein großer Anteil an Bauteilverzug, der sog . Schirmung . In Folge dieser Schirmung entstehen ungleichmäßige Schichtdicken bzw . muss teilweise sehr viel Material auf geschweißt werden, um nach dem Schlei fen des Bauteils ( sog . Oberflächenfinish) wieder ein maßhaltiges planparalleles Bauteil zu erhalten .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , die voranstehenden Nachteile bei einem Laserauftragschweißverfahren zu vermindern, insbesondere die produzierte Bauteilqualität zu verbessern .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Laserauftragschweißverfahren gemäß Anspruch 1 . Vorgeschlagen wird demnach ein Laserauftragschweißverfahren zum Herstellen von Beschichtungsschichten auf einander gegenüberliegenden Oberflächen eines Bauteils , indem auf j eder Oberfläche ein, insbesondere pulverförmiger, Zusatzwerkstof f entlang einer, insbesondere spiral förmigen, Bearbeitungstra j ektorie auf die j eweilige Oberfläche gerichtet wird, wobei der Zusatzwerkstof f und das Bauteil entlang der Bearbeitungstra j ektorie mittels eines Laserstrahls erhitzt werden, sodass sich der Zusatzwerkstof f beim Auftref fen auf die j eweilige Oberfläche mit dem Bauteil ( zu der j eweiligen Beschichtungsschicht bzw . zumindest einem Teil davon auf der j eweiligen Oberfläche ) verbindet . Dabei werden die Beschichtungsschichten auf den gegenüberliegenden Oberflächen zumindest zeitweise zeitgleich hergestellt .
Durch eine erfindungsgemäß beidseitig gleichzeitige Bearbeitung des Bauteils hat sich gezeigt , dass eine Schirmung ef fektiv vermieden oder zumindest reduziert werden kann . So kann zum einen eine symmetrische thermische Belastung des Bauteils bereitgestellt werden, wodurch der Wärmeverzug, durch welchen die Schirmung entsteht , während der Bearbeitung reduziert werden kann . Auch werden symmetrische Zugspannungen auf beiden Oberflächen bzw . Seiten des Bauteils erzeugt .
Hinzu kommt der Vorteil , dass auch die Taktzeit der Herstellung der Beschichtungsschichten vorteilhafterweise reduziert werden kann . Die Taktzeit für die Herstellung der beiden Beschichtungen auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Bauteils ist nämlich im Stand der Technik wegen der einseitigen Bearbeitung vergleichsweise lang . Auch wird zusätzliche Zeit für das Wenden und das erneute Einspannen des Bauteils benötigt . Um die Taktzeit zu verkürzen, können mehrere Vorrichtungen zum Laserauftragschweißen genutzt werden, sodass mehrere Bauteile parallel einseitig beschichtet werden können . Allerdings sind die Anlagenkosten für das Vorhalten mehrerer Vorrichtungen zum Laserauftragschweißen entsprechend hoch . Erfindungsgemäß erlaubt nun die zeitgleiche Bearbeitung der beiden Oberflächen des Bauteils mehr als eine Halbierung der Taktzeit , da nicht nur die Herstellung der beiden Beschichtungsschichten vollständig zeitgleich erfolgen kann, sondern auch ein erneutes Einspannen des Bauteils entfällt . Ebenso kann bei Verwendung derselben Laserleistung pro Scheibenseite die notwendige Anzahl von Vorrichtungen ebenfalls halbiert werden . Eine zumindest zeitweise zeitgleiche Herstellung bedeutet dabei , dass wenigstens zu einer bestimmten Mindest Zeitspanne eine zeitgleiche Herstellung erfolgen muss . Beispielsweise kann die Mindest Zeitspanne mindestens die Häl fte oder mindestens Dreiviertel der notwendigen Herstellungsdauer zur Herstellung einer Beschichtungsschicht auf einer der Oberflächen betragen . Hintergrund dessen ist , dass es aufgrund der Trägheit bei der Wärmeübertragung des Bauteils nicht zwingend notwendig ist , dass eine zu j edem Zeitpunkt zeitgleiche Herstellung der Beschichtungsschichten erfolgt . Gleichwohl ist natürlich bevorzugt , wenn die Beschichtungsschichten auf beiden Oberflächen des Bauteils im Wesentlichen vollkommen zeitgleich hergestellt werden, also zum selben Zeitpunkt mit der Beschichtung begonnen wie auch geendet wird, um die geringste Taktzeit zu erreichen .
Vorgesehen sein kann insbesondere , dass bei dem Laserauftragschweißverfahren eine Laser-Zusatzwerkstof f- Wechselwirkungs zone auf der Oberfläche des Bauteils , insbesondere ein zumindest teilweises Schmel zbad, mit zumindest einem zumindest teilweise geschmol zenen Zusatzwerkstof f mittels eines auf die Laser-Zusatzwerkstof f- Wechselwirkungs zone einstrahlenden Laserstrahls erzeugt wird . Dabei kann der zumindest eine Zusatzwerkstof f mittels des j eweiligen Laserstrahls bereits in einem Abstand von der j eweiligen Laser-Zusatzwerkstof f-Wechselwirkungs zone auf der Oberfläche des Bauteils geschmol zen werden, sodass der zumindest eine Zusatzwerkstof f der j eweiligen Laser- Zusatzwerkstof f-Wechselwirkungs zone in mindestens teilweise geschmol zener Form zugeführt wird . Insoweit ist insbesondere eine weitere Laser-Zusatzwerkstof f-Wechselwirkungs zone in einem Abstand von der Oberfläche des Bauteils vorhanden, in welcher bereits der insbesondere pulverförmige Zusatzwerkstof f auf geschmol zen wird und auf die Oberfläche des Bauteils auftri f ft . Insoweit wird in dieser Beschreibung auch zwischen den Laser-Zusatzwerkstof f -Wechselwirkungs zonen auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Bauteils und den weiteren Laser-Zusat zwerkstof f -Wechselwirkungs zonen im Abstand von den Oberflächen des Bauteils unterschieden .
Es kann vorgesehen sein, dass Einstrahlpunkte der Laserstrahlen auf die Oberflächen entlang der Bearbeitungstra j ektorie bzw . der Oberflächen j eweils mit einer Relativgeschwindigkeit von mindestens 20 m/min bewegt werden . Die Relativgeschwindigkeit ist dabei diej enige Geschwindigkeit , mit der sich die zu beschichtende Oberfläche relativ zum Einstrahlpunkt des Laserstrahls auf der Oberfläche bewegt . Der Laserstrahl strahlt dabei auf die Oberfläche so ein, dass eine Laser-Zusatzwerkstof f -Wechselwirkungs zone , insbesondere ein zumindest teilweises Schmel zbad, auf der Oberfläche entsteht . Man könnte folglich auch sagen, dass der Einstrahlpunkt und damit die Laser-Zusatzwerkstof f- Wechselwirkungs zone entlang der Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von mindestens 20 m/min verlagert werden . Der Vorteil dieser hohen Relativgeschwindigkeit ist , dass das Bauteil weitestgehend gleichmäßig über seinen Umfang erwärmt wird, sodass keine nennenswerten lokalen thermischen Verzüge auf dem Umfang des Bauteils entstehen .
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Bauteil rotationssymmetrisch, insbesondere als eine Scheibe , ausgebildet ist und insbesondere während der Herstellung der Beschichtungsschichten um eine Rotationsachse rotiert wird . Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um eine
Bremsscheibe , Gleitscheibe , Reibscheibe oder ähnlich handeln, wie sie in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen kann, beispielsweise in Kraftfahrzeugen . Die zu beschichtenden Oberflächen können dabei j eweils kreisringförmige Oberflächen sein . Entsprechend erlaubt es die Rotation der Scheibe um ihre Rotationsachse , dass die Scheibe umlaufend beschichtet wird . Die Scheibe kann hierzu an einer Welle eines entsprechenden Antriebs , beispielsweise eines Elektromotors , befestigt sein, welcher die Scheibe in Rotation versetzt . Hierneben können die Einstrahlpunkte der Laserstrahlen verschoben werden, insbesondere in einer Linearbewegung . Insbesondere können diese in einer Ebene über der Scheibe verschoben werden . Dies kann beispielsweise durch einen Linearantrieb an Bearbeitungsköpfen erfolgen, welche die Laserstrahlen emittieren . Auch die Ausrichtung der Zuführung des zumindest einen Zusatzwerkstof fs kann j eweils zusammen mit den Einstrahlpunkten der Laserstrahlen verschoben werden .
Ferner kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Zusatzwerkstof f vor dem Schmel zen mittels der Laserstrahlen als Pulver vorliegt . Der Zusatzwerkstof f kann dabei metallisch sein . Neben einem metallischen Zusatzwerkstof f können auch andere Materialien vorliegen, welche in die Beschichtungsschicht eingearbeitet werden sollen . Zudem können auch unterschiedliche Metalle verarbeitet werden . Alternativ ist denkbar, dass der Zusatzwerkstof f als Draht , als Band, oder als Blechstrei fen vorliegt . Jedoch hat sich das Zuführen von pulverförmigem Zusatzwerkstof f zum Laserstrahl zum Auf schmel zen, sodass dieser insbesondere in im Wesentlichen vollständig geschmol zener Form dem Schmel zbad zugeführt wird, als besonders vorteilhaft herausgestellt . Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Zusatzwerkstof f durch j e wenigstens drei Inj ektoren pro Oberfläche des Bauteils dem j eweiligen Laserstrahl bereitgestellt wird . Bevorzugt sind insbesondere 3 bis 21 Inj ektoren, ganz besonders 7 bis 14 Inj ektoren pro Oberfläche bzw . Seite des Bauteils . Dadurch kann ein sehr symmetrischer Fokus vom Zusatzwerkstof f , insbesondere Pulverfokus , auf der Oberfläche erzeugt werden, wodurch die Qualität der erzeugten Beschichtungsschicht verbessert werden kann .
Im Übrigen kann vorgesehen sein, dass ein mittlerer Pulverwirkungsgrad mit pulverförmigem Zusatzwerkstof f aller Inj ektoren zusammen mindestens 85% ergibt . Der Pulverwirkungsgrad gibt dabei an, wie viel von dem zugeführten Pulver geschmol zen wird . Ein Verlust von Pulver kann so reduziert werden . Dies kann unter anderem durch die Verwendung von Inj ektoren, die im Winkelbereich um 90 ° zur Richtung der Gravitation verwendet werden können, ermöglicht werden .
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Inj ektoren mit zwei oder mehr Zuführleitungen von einem entsprechenden Pulverf örderer mit Pulver versorgt werden, die über ein Verteilerbauteil in zwei oder mehr Clustern von den Inj ektoren geleitet werden können . Der nötige Pulvermassenstrom kann so auf parallele Pulverzufuhrstränge aufgeteilt werden . Damit wird ein besonders gleichmäßiger Pulvermassenstrom erzielt und dadurch werden besonders gleichmäßige Beschichtungsschichten erzeugt .
Die Inj ektoren können vorteilhafterweise als Rohre ausgebildet sein . Insbesondere können sie als Hartmetallrohre ausgebildet sein, um eine hohe Beständigkeit gegenüber einerseits dem Zusatzwerkstoff und andererseits den hohen Temperaturen, die von den Laser-Zusat zwerkstof f-Wechselwirkungszonen ausgehen, aufzuweisen. Der Vorteil von Rohren besteht zudem in einer besonders guten Strömung von einem möglichen Fördergas durch diese, um den Zusatzwerkstoff aus einem entsprechenden Förderer bzw. Reservoir den Laserstrahlen im Abstand von den Oberflächen zuzuführen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Austrittswinkel der Injektoren gegenüber einer Senkrechten der jeweiligen Oberfläche des Bauteils geringer als 60°, insbesondere geringer als 50°, ganz besonders geringer als 40° ist. Es hat sich gezeigt, dass eine oberflächliche Welligkeit der dadurch auf geschweißten Beschichtungsschichten so besonders gering ausfällt .
Ferner kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Zusatzwerkstoff dem jeweiligen Laserstrahl mittels eines Fördergases zugeführt wird, wobei das Fördergas insbesondere eine relative Atommasse von zumindest 4, insbesondere zumindest 14, und/oder einen spezifischen Volumenstrom von zumindest 3,2 Nl/min pro mm2 Querschnittsfläche aufweist. Es hat sich gezeigt, dass das Fördergas mit den vorstehenden Parametern einen hinreichend starken Impuls und damit eine so hohe Zusatzwerkstoffgeschwindigkeit, insbesondere Pulvergeschwindigkeit, bereitstellt, dass der Zusatzwerkstoff ohne wesentliche Beeinflussung von externen Faktoren, beispielsweise der auf den Zusatzwerkstoff wirkenden Gravitation, und damit in optimaler Weise zum Laserstrahl geführt werden kann. Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Herstellung der Beschichtungsschichten des Bauteils in Richtung von relativ innen der Oberflächen nach relativ außen der Oberflächen erfolgt . Bei einer Scheibe als Bauteil erfolgt die Beschichtung bzw . das Verfahren der Laserstrahlpunkte damit von radial innen bzw . dem Innendurchmesser nach radial außen bzw . zum Außendurchmesser . Dadurch kann eine thermische Ausdehnung genutzt werden, um Zugspannungen in dem Bauteil , insbesondere der Scheibe , zu erzeugen . Bei Erkaltung bilden sich Druckspannungen in den auf geschweißten Beschichtungsschichten . Diese sind vorteilhaft , da Druckspannungen Riss fortschritt in den auf geschweißten Be schichtungs schicht en entgegenwirken .
Im Übrigen kann vorgesehen sein, dass Laserstrahlachsen der Laserstrahlen in einem Einstrahlwinkel im Bereich von größer 0 ° bis 35 ° , insbesondere im Bereich von 5 ° bis 30 ° , gegenüber den Oberflächen geneigt sind . Hierzu kann eine Hauptachse von Bearbeitungsköpfen, aus denen die Laserstrahlen emittiert werden, entsprechend gegenüber den Oberflächen geneigt sein . Vom Bauteil unter dem Einstrahlwinkel zurückreflektiertes Laserlicht tri f ft so nicht auf den Bearbeitungskopf , sondern wird an diesem vorbei gelenkt .
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Laserleistung eines auf eine der Oberflächen gerichteten Laserstrahls höchstens doppelt so groß ist wie die Laserleistung des auf die andere der beiden Oberflächen gerichteten Laserstrahls . Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Laserleistung eines Laserstrahls höchstens um 30% größer als die des anderen Laserstrahls ist . Besonders vorteilhaft ist , wenn die
Laserleistungen der Laserstrahlen im Wesentlichen gleich sind . Dadurch kann ebenfalls eine hohe thermische Symmetrie zwischen den beiden Oberflächen bzw . Seiten des Bauteils sichergestellt werden . Eine Schirmung einer Scheibe als Bauteil kann so ebenfalls ef fektiv vermieden werden . Ein eventueller Schlei fbedarf im Falle einer Weiterverarbeitung der Scheibe zum Entgegenwirken der Schirmung kann so zumindest reduziert werden .
Auch kann vorgesehen sein, dass die beiden Laserstrahlen durch eine gemeinsame Vorschubeinheit gemeinsam relativ gegenüber dem Bauteil verfahren werden . Durch die Realisierung einer gemeinsamen Vorschubeinheit , die beide Bearbeitungsköpfe der Laserstrahlen durch ein Trägerelement verbinden kann, wird nur ein Aktor für die Linearbewegung der Einstrahlpunkte benötigt . Das Vorschubgeschwindigkeit- zu-Vorschubweg-Profil der beiden Laserstrahlen entspricht so auch einander .
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die beiden Laserstrahlen mit j eweils unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeit- zu-Weg- Profilen verfahren werden und/oder unterschiedliche Mengen des Zusatzwerkstof fs j e Oberfläche zugeführt werden, wobei dadurch unterschiedliche Schichtdicken der Beschichtungsschichten auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Bauteils erzeugt werden . Dadurch wird es ermöglicht , ein bereits geschirmtes Bauteil , insbesondere eine geschirmte Scheibe , durch unterschiedlich dicke Schichten wieder gerade zu biegen .
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die beiden Laserstrahlen mit j eweils unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeit- zu-Weg-Profilen verfahren werden, wobei die unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeit- zu- Vorschubweg-Prof ile gegenläufig zueinander sind . Hierzu können die beiden Bearbeitungsköpfe der unterschiedlichen Laserstrahlen j e Oberfläche auch mit separaten Vorschubeinheiten, also Linearantrieben, ausgestattet sein . So kann ein Laserstrahl ein über den Weg in der Vorschubrichtung abfallendes Vorschubgeschwindigkeit- zu-Vorschubweg- Prof il aufweisen, während der andere Laserstrahl ein über den Weg in der Vorschubrichtung ansteigendes Vorschubgeschwindigkeit- zu- Vorschubweg-Prof il aufweist . Die Steigungen der unterschiedlichen Profile können dabei betragsgemäß gleich sein . So werden im Querschnitt durch das Bauteil keil förmige Beschichtungsschichten erzeugt , die entgegengesetzt zueinander keil förmig ausgerichtet sind . Vorteilhaft an dem Einsatz derartiger unterschiedlicher Vorschubgeschwindigkeit- zu- Vorschubweg-Prof ile ist , dass bereits bestehende oder erzeugte Schirmungen des Bauteils ausgeglichen werden können . Vorteilhafterweise können die Beschichtungsschichten zudem mehrlagig, also insbesondere durch mehrmaliges Laserauftragschweißen, aufgebaut werden, um ihrer Dicke nach möglichst homogene Beschichtungsschichten auf zubauen, die im Aus führungsbeispiel der Bremsscheibe für die Nutzung eine maximale Standzeit aufweisen .
Möglich ist ferner, dass die Intensitätsverteilungen der Laserstrahlen zumindest näherungsweise in Form eines sog . Flat-Tops erzeugt werden . Im Vergleich zu einer Gauß förmigen Laserleistungsverteilung hat sich gezeigt , dass so geringere Rauheiten an den Beschichtungsschichten erzeugt werden . Ganz besonders können die Intensitätsverteilungen näherungsweise in Form eines Flat-Tops mit einem Bereich abgesenkter Intensität im Zentrum ( I_max (maximale Intensität ) > l_ Kern ( Intensität im Kern) > 0 ) sein . Das eröf fnet besonders große Prozess fenster für den Laserauftragschweißvorgang . Damit kann die Leistungsbeaufschlagung auf den beiden Oberflächen thermisch ausreichend symmetrisch für die Beschichtung eingestellt werden .
Außerdem kann vorgesehen sein, dass eine sensorische Einrichtung, wie eine Kamera, insbesondere eine VIS-Kamera oder IR-Kamera, oder wie ein Pyrometer, in koaxialer Messrichtung oder Blickrichtung zum Laserstrahl orientiert angeordnet sind . Dies ermöglicht die zeitparallele Beobachtung des Prozessgeschehens beim Beschichten . Der Beschichtungsprozess kann so in einem geschlossenen Regelkreis einer entsprechenden Regelungseinrichtung geführt werden .
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Laserstrahlachsen der Laserstrahlen kongruent zueinander verfahren werden . Die Laserstrahlachsen fallen ( in ihrer Verlängerung) bei der Bearbeitung damit zusammen . Mit anderen Worten können die Einstrahlpunkte der Laserstrahlen oder insgesamt die Prozess zonen der Beschichtung mit den Schmel zbädern spiegelsymmetrisch zur Bauteilebene angeordnet sein . Dies erlaubt eine besonders stark thermisch symmetrische Bearbeitung des Bauteils .
Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass die Laserstrahlachsen der Laserstrahlen inkongruent zueinander verfahren werden . Die Laserstrahlachsen fallen damit bei der Bearbeitung nicht zusammen . Stattdessen sind die Einstrahlpunkte der Laserstrahlen bzw . die Prozess zonen lateral zur Linearbewegung der Laserstrahlachsen versetzt zueinander . Dies hat den Vorteil , dass sich die gegenüberstehenden Bearbeitungsköpfe nicht gegenseitig bestrahlen können, was die Sicherheit erhöht . Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Bauteil nach Anspruch 15 . Das Bauteil weist einander gegenüberliegende Oberflächen auf , welche mit Beschichtungsschichten beschichtet sind, wobei die Beschichtungsschichten mittels eines erfindungsgemäßen Laserauftragschweißverfahrens hergestellt sind .
Dabei gelten Merkmale , die hierin in Bezug auf das Laserauftragschweißverfahren beschrieben sind, gleichsam in Bezug auf das Bauteil und umgekehrt .
Die eingangs erwähnte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 16 . Die Vorrichtung ist zum Aus führen eines erfindungsgemäßen Laserauftragschweißverfahrens eingerichtet , wobei die Vorrichtung zumindest einen Laser zum Erzeugen der Laserstrahlen aufweist , und wobei die Vorrichtung zumindest einen Zusatzwerkstof f förderer zum Fördern des zumindest einen Zusatzwerkstof fs in einem Abstand von den Oberflächen des Bauteils , insbesondere in einem Abstand der j eweiligen Laser- Zusatzwerkstof f -Wechselwirkungs zonen, insbesondere Schmel zbädern, auf den Oberflächen des Bauteils , zu den Laserstrahlen aufweist .
Dabei gelten Merkmale , die hierin in Bezug auf das Laserauftragschweißverfahren und das Bauteil beschrieben sind, gleichsam in Bezug auf die Vorrichtung und j eweils umgekehrt .
Der zumindest eine Laser kann vorzugsweise eine Laserleistung von mehr als 4 kW, insbesondere mehr als 12 kW und bis zu 24 kW aufweisen . Es kann sich z . B . um einen Laser mit ca . Ipm (Faserlaser, Scheibenlaser) , ca. 0,8pm (Diodenlaser) oder 0,5pm (grün konvertiert) Wellenlänge handeln. Es kann ein Laserlichtkabel mit 2inl-Faser verwendet werden, wobei ein Kerndurchmesser von 600pm bis 1000pm oder Durchmesserverhältnisse 200pm/700pm und 300pm/1000pm umgesetzt werden können. Es kann auch eine Stelleinrichtung (Keilweiche) zur Einstellung des Kern-Mantel-Verhältnisses der 2inl-Faser verwendet werden. Ein Bearbeitungskopf des Lasers kann zur Abbildung des Faserendes der 2inl-Faser in den Bereich eines Pulverfokus oder auf die Oberflächen einen Fokus mit ca. 1,4mm bis ca. 8mm aufweisen.
Der zumindest eine Zusatzwerkstoffförderer kann als Pulverf örderer ausgebildet sein und eine Pulverdüse zur Ausbildung eines Pulverfokus aufweisen. Die Pulverdüse kann, wie vorstehend beschrieben worden ist, mittels Injektoren ausgeführt sein, insbesondere mit mehreren Injektoren als eine Multi- Jet-Düse . Als Fördergas kann beispielsweise inertes Gas Argon oder Helium oder ein Gasgemisch daraus genutzt werden. Auch ein Prozessschutzgas kann dem Vorgang zugeführt werden.
Nun ist es möglich, pro Oberfläche des Bauteils jeweils einen Laser und einen Zusatzwerkstoffförderer in der Vorrichtung einzusetzen, sodass im Wesentlichen der gesamte Aufbau der Vorrichtung mit der zuvor erwähnten weiteren Peripherie, wie Linearantrieb, Injektoren etc. und mit Ausnahme des Antriebs für die Rotation des Bauteils, zu beiden Seiten des Bauteils hin gespiegelt werden kann. Es ist aber auch möglich, einen gemeinsamen Laser und/oder Zusatzwerkstoffförderer für beide Oberflächen bzw. Seiten des Bauteils zu nutzen, um die Kosten der Vorrichtung gering zu halten. Hierzu kann der Laserstrahl des Lasers geteilt werden und an beide Oberflächen geleitet werden . Auch kann der Zusatzwerkstof f förderer zur Förderung des Zusatzwerkstof fs an beide Seiten ausgeführt sein . Allerdings sind pro Seite bzw . Oberfläche des Bauteils j eweils mindestens ein Bearbeitungskopf vorgesehen, der j eweils eine optische Fokussierung des Laserstrahls auf die j eweilige Oberfläche erlaubt . Ferner ist j eweils j e eine Pulverzuführung, beispielsweise in Form j e mindestens eines Inj ektors pro Oberfläche vorgesehen . Zudem kann eine Einspanneinrichtung vorgesehen sein, durch welche das Bauteil , insbesondere vertikal , zwischen den beiden Bearbeitungsköpfen und insbesondere auch den Inj ektoren zur Bearbeitung eingespannt werden kann . Die Einspanneinrichtung kann sich an der zuvor erwähnten Welle zur Rotation einer Scheibe als Bauteil vorgesehen sein .
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Aus führungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert werden .
Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Aufbaus einer
Vorrichtung zum Laserauftragschweißverfahren;
Figur 2 eine Draufsicht auf ein Bauteil gemäß einem
Aus führungsbeispiel der Erfindung;
Figuren 3a, 3b schematische Ansichten eines Laserauftragschweißverfahrens ;
Figur 4 eine schematische Ansicht eines erf indungsgemäßen Laserauftragschweißverfahrens gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel ; Figur 5 eine schematische Ansicht eines erf indungs gemäß en Laserauftragschweißverfahrens gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel ; und Figuren 6- 8 schematische Ansichten unterschiedlicher Anordnungen von Laserbearbeitungsköpfen relativ gegenüber dem zu beschichtenden Bauteil .
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale j eweils dieselben Bezugs zeichen verwendet .
Figur 1 zeigt insgesamt eine Vorrichtung 10 zum Laserauftragsschweißen . Die Vorrichtung 10 umfasst einen Laser 12 zur Erzeugung eines Laserstrahls 1 . Der erzeugte Laserstahl 1 wird über ein Lichtwellenleiterkabel 14 einem Lichtaustritt 16 zugeführt . Der so erzeugte Laserstrahl 1 wird sodann in einer Kollimationslinse 18 parallel gerichtet . Daraufhin durchläuft der Laserstrahl 1 einen verfahrbaren Bearbeitungskopf 20 ( im Übrigen können auch der Lichtaustritt 16 und die Kollimationslinse 18 alternativ im Bearbeitungskopf 20 selbst angeordnet sein) . Innerhalb des Bearbeitungskopfes 20 ist eine nicht gezeigte Fokussierlinse zur Bündelung des Laserstrahls 1 angeordnet . Nach dem Passieren der Fokussierlinse durchläuft der Laserstrahl 1 einen zylindrischen Abschnitt 22 und einen trichterförmigen Abschnitt 24 des Bearbeitungskopfes 20 die hierin auch als eine Pulverdüse für einen pulverförmigen Zusatzwerkstof f 2 dienen .
Die gesamte Baugruppe aus Lichtaustritt 16 , Kollimationslinse 18 , und Bearbeitungskopf 20 ist mittels einer Vorschubeinheit 30 linear über einem zu beschichtenden Bauteil 70 verfahrbar angeordnet . Um genau zu sein kann die Vorschubeinheit 30 in der von einer X-Koordinate und Y- Koordinate auf gespannten Ebene über dem Bauteil 70 ( siehe Fig . 2 ) verfahren werden . Beispielhaft umfasst die Vorschubeinheit 30 vorliegend einen Linearantrieb 34 und einen elektrischen Motor 32 , der den Linearantrieb 34 antreibt . Im Übrigen umfasst die Vorrichtung 10 eine Rotationseinheit 90 , die vorliegend einen weiteren elektrischen Motor 92 mit einer damit gekoppelten Welle 94 zum Rotieren des daran angebrachten Bauteils 70 aufweist . Das Bauteil 70 ist hier beispielhaft rotationssymmetrisch ausgebildet , insbesondere als eine Bremsscheibe , und wird um ihre Rotationsachse 72 , die mit der Welle 94 zusammenfällt , bei der später näher erläuterten Beschichtung des Bauteils 70 mit einer Beschichtungsschicht 80 in der gezeigten Rotationsrichtung R rotiert .
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner einen Zusatzwerkstof f förderer 40 zur Förderung von pulverförmigem Zusatzwerkstof f 2 . Im Zusatzwerkstof f förderer 40 wird das Pulver mit einem Gas , insbesondere einem Inertgas wie Stickstof f oder Argon, versetzt , um einen Pulvergasstrom 4 zur Förderung des Pulvers zu erzeugen . In einem Verteilerbauteil 42 wird der Pulvergasstrom 4 in mehrere , im vorliegenden Fall beispielhaft drei , Zuführleitungen 44 , insbesondere Zuführschläuche , verteilt und sodann in den zylindrischen Abschnitt 22 des Bearbeitungskopfes 20 eingeströmt . Der Abschnitt 24 des Bearbeitungskopfes 20 weist dabei eine Doppelwandung auf , wobei der Pulvergassstrom durch den dadurch erzielten Ringspalt hindurchgeführt ist , sodass der Pulvergasstrom 4 zwischen den beiden Wandungen hindurchströmt . Der Laserstrahl 1 und der Pulvergasstrom 4 verlaufen folglich koaxial zueinander durch die Abschnitte 22 und 24 . Im trichterförmigen Abschnitt 24 verj üngt sich dabei der Ringspalt zwischen den beiden Wandungen, so dass der Pulvergasstrom 4 durch einen dadurch gebildeten düsenartigen Auslass des trichterförmigen Abschnitts 24 verlässt .
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine sensorische Messeinrichtung 50 . Die Messeinrichtung 50 kann beispielweise zur Aus führung des Lichtschnittverf ährens eingerichtet sein, um so ein Höhenprofil von der Oberfläche 74 zu erzeugen . Dabei kann beispielsweise ein Lichtschnitt-Scan mit 4 kHz durchgeführt werden . Insbesondere kann dabei ein Höhenprofil entlang einer schematisch gezeigten proj i zierten Lichtlinie 52 erzeugt werden .
Schließlich umfasst die Vorrichtung 10 eine Regelungseinrichtung 60 . Diese dient zum einen zur Steuerung des Lasers 12 und des Zusatzwerkstof f förderers 40 . Ferner dient diese zur Ansteuerung einer ebenfalls zur Vorrichtung 10 gehörenden Steuereinheit 62 , die zur Ansteuerung des Elektromotors 32 sowie des weiteren Elektromotors 92 ausgebildet ist . Ferner ist die Regelungseinrichtung 60 60 zur Auswertung der von der Messeinrichtung 50 erfassten Messsignale eingerichtet .
Insgesamt ist die Vorrichtung 10 zur Aus führung des im Folgenden dargelegten Verfahrens ausgebildet :
Die vorliegend kreisringförmige Oberfläche 74 des Bauteils 70 wird mittels der Vorrichtung 10 durch extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftrags schweißen (EHLA) beschichtet . Hierzu wird das Bauteil 70 zunächst in Rotation versetzt, indem die Welle 94 vom weiteren Elektromotor 92 angetrieben wird.
Ferner wird der Laserstrahl 1 erzeugt und auf die Oberfläche 74 projiziert, wobei der Laserstrahl 1 in einem Einstrahlpunkt auf die Oberfläche 74 einstrahlt. Dadurch wird auf der Oberfläche 74 eine Laser-Zusatzwerkstoff -Wechselwirkungszone 6, insbesondere ein zumindest teilweises Schmelzbad, erzeugt. Weiterhin wird ein Pulvergasstrom 4 erzeugt. Nach dem Verlassen des zylindrischen Abschnitts 24 trifft der pulverförmige Zusatzwerkstoff 2 des Pulvergasstroms 4 während seiner Flugphase dabei auf den Lichtpfad des Laserstrahls 1. Der Zusatzwerkstoff 2 und der Laserstrahl 1 können dabei entlang einer insbesondere spiralförmigen Bearbeitungstra ektorie auf die Oberfläche 74 gerichtet werden. Hierzu können die Laserstrahlen 1 und der Zusatzwerkstoff 2 und/oder, wie später näher am Beispiel einer Rotation erläutert wird, das Bauteil 70 relativ zueinander verlagert bzw. bewegt werden. Entlang der Bearbeitungstra j ektorie wird der Zusatzwerkstoff 2 folglich mittels des Laserstrahls 1 erhitzt. Infolgedessen wird der Zusatzwerkstoff 2 in Form der Pulverpartikel zumindest teilweise oder vollständig auf geschmolzen und zwar bevor diese die Oberfläche 74 des Bauteil 70 erreichen. Im Ergebnis verbindet sich der zumindest teilweise auf geschmolzene Zusatzwerkstoff beim Auftreffen auf die Oberfläche 74 bzw. das Bauteil 70 mit dem Bauteil 70, sodass eine Beschichtungsschicht 80 erzeugt wird. Insbesondere besteht eine weitere Laser-Zusatzwerkstoff-Wechselwirkungszone (nicht bezeichnet) in einem Abstand von der Oberfläche 74 bzw. der Laser-Zusatzwerkstoff-Wechselwirkungszone 6 auf der Oberfläche 74 (man könnte auch davon sprechen, dass die beiden Wechselwirkungs zonen aufgrund ihrer j eweiligen thermischen Wirkungen miteinander verbunden sind; der Klarheit halber werden diese hier aber getrennt betrachtet ) . Auf dieser weiteren Laser-Zusatzwerkstof f “Wechselwirkungs zone im Abstand von der Oberfläche 74 erfolgt bereits ein Aufschmel zen des Zusatzwerkstof fs 2 „im Flug" zur Oberfläche 74 , wie zuvor erläutert worden ist . Somit wird der Zusatzwerkstof f der Laser-Zusatzwerkstof f-Wechselwirkungs zone 6 auf der Oberfläche 74 in zumindest teilweise oder vollständig geschmol zener Form zugeführt . Dabei wird das Bauteil 70 derart schnell um die Rotationsachse 72 gedreht , dass der Einstrahlpunkt des Laserstrahls 1 auf der Oberfläche 74 mit einer Geschwindigkeit von mindestens 20 m/min entlang der Oberfläche 74 verlagert wird . Dadurch wird die mittels des Laserstrahls 1 erzeugte Laser-Zusatzwerkstof f “Wechselwirkungs zone 6 auf der Oberfläche 74 um wenigstens 20 m/min entlang der Oberfläche 74 verlagert .
Durch den Laserauftragschweißvorgang wird dabei nach und nach die zuvor erwähnte Beschichtungsschicht 80 erzeugt . Hierzu wird der Laserstrahl 1 mittels des Linearantriebs 34 Stück für Stück von radial außen nach radial innen relativ zur Rotationsachse 72 bewegt , sodass der Einstrahlpunkt des Laserstrahls 1 in einer spiral förmigen Bearbeitungstra ektorie entlang der Oberfläche 74 bewegt wird . Gleichermaßen wird folglich die Laser-Zusatzwerkstof f “Wechselwirkungs zone 6 auf der Oberfläche 74 in einer Spirale von radial außen nach radial innen zur Erzeugung der Beschichtungsschicht 80 geführt . Wie in Fig . 1 ersichtlich ist , umfasst die Oberfläche 74 dabei einen beschichteten radial äußeren Abschnitt 82 und einen unbeschichteten radial inneren Abschnitt 84 . Figur 2 zeigt das Bauteil 70 in Form einer Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug, wobei die Oberfläche 74 die Beschichtungsschicht 80 aufweist , die durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt worden ist . Auch auf der gegenüberliegenden Oberfläche 74 oder Seite des Bauteils 70 wird eine derartige Beschichtungsschicht 80 erzeugt . Hierzu ist es bekannt , das Bauteil 70 zu wenden und mittels der Vorrichtung 10 der Fig . 1 auch einseitig auf der anderen Oberfläche 74 zu beschichten . Dadurch kann es zu einer Schirmung des scheibenförmigen Bauteils 70 kommen, wie sie beispielsweise in Fig . 3a zu sehen ist . Die Taktzeit für die Herstellung der beiden Beschichtungsschichten 80 auf den gegenüberliegenden Oberflächen 74 des Bauteils 70 ist zudem vergleichsweise lang, da die Beschichtungsschichten 80 j eweils einseitig hergestellt werden . Auch wird zusätzliche Zeit für das Wenden und Einspannen des Bauteils 70 benötigt . Um die Taktzeit zu verkürzen, können mehrere Vorrichtungen 10 genutzt werden, sodass mehrere Bauteile 70 parallel bearbeitet werden können . Allerdings sind die Anlagenkosten für das Vorhalten mehrerer Vorrichtungen 10 entsprechend hoch .
Figur 3a zeigt das Laserauftragschweißverfahren für das Bauteil 70 ähnlich der Fig . 1 in einer schematischen Querschnittsansicht . Anders als in der Fig . 1 wird dabei kein Bearbeitungskopf 20 , wie er in Bezug auf Fig . 1 beschrieben worden ist , benutzt . Stattdessen werden hier mehrere Inj ektoren 46 , von denen hier beispielhaft nur zwei gezeigt sind, eingesetzt , mittels denen der Zusatzwerkstof f 2 , insbesondere als Pulvergasstrom 4 , direkt dem Laserstrahl 1 zugeführt wird . Die Inj ektoren 46 sind hier beispielhaft als Rohre , insbesondere Hartmetallrohre , gezeigt . Sie können j eweils mittels einer, zwei oder mehr Zuführleitungen 44 mit dem Verteilerbauteil 42 verbunden sein . Möglich ist auch, dass j eder Inj ektor 46 ein eigenes Verteilerbauteil 42 aufweist , wobei die Verteilerbauteile 42 wiederum mit dem Zusatzwerkstof f förderer 40 verbunden sein können . Wie in Fig . 3a ferner zu sehen ist , wird der Laserstrahl 1 mit seiner Laserstrahlachse LA vorliegend beispielhaft in der X-Richtung als Vorschubrichtung verfahren, wodurch auch sein Einstrahlpunkt in dieser Richtung verschoben wird . Dies erfolgt bei der Rotation R des Bauteils 70 um die Rotationsachse 72 .
In Fig . 3a ist zudem ein Austrittswinkel a der Inj ektoren 46 gegenüber einer Senkrechten der j eweiligen Oberfläche 74 , die hier beispielhaft mit der Längsachse LA der Laserstrahlen 1 zusammenfällt , geringer als 60 ° . Es hat sich gezeigt , dass eine oberflächliche Welligkeit der dadurch auf geschweißten Beschichtungsschichten 80 so besonders gering aus fällt .
Figur 3b zeigt eine Abwandlung der Strahl führung des Laserstrahls 1 , bei welcher die Laserstrahlachse LA des Laserstrahls 1 in einem vorteilhaften Einstrahlwinkel ß gegenüber der Oberfläche 70 steht , sodass der Laserstrahl 1 mit seinem Einstrahlpunkt unter dem Einstrahlwinkel ß auf die Oberfläche 70 einfällt . Der Einstrahlwinkel ß beträgt hier beispielhaft 35 ° . Die Erzielung des Einstrahlwinkels ß lässt sich insbesondere durch entsprechende Anordnung des Bearbeitungskopfs 20 relativ gegenüber der Oberfläche 70 erzielen, wobei der Pulvergasstrom 4 in dem Bearbeitungskopf 20 geführt werden kann, wie in Fig . 1 gezeigt ist , oder außerhalb des Bearbeitungskopfs 20 geführt werden kann, sodass nur der Laserstrahl 1 im Bearbeitungskopf 20 geführt wird bzw . aus diesem austritt . Vorteilhafterweise kann ein unter dem Einstrahlwinkel ß auf die Oberfläche 74 auf tref fender Laserstrahl 1 nicht als Laserlicht auf den Bearbeitungskopf 20 zurückreflektiert werden, sondern wird an diesem vorbei gelenkt .
Figur 4 zeigt eine gegenüber Fig . 3 abgewandelte
Aus führungs form des Laserauftragschweißverfahrens , wobei hier ebenfalls eine Variante des Zuführens von Zusatzwerkstof f 2 zum Laserstrahl 1 mit Inj ektoren 46 gern . Fig . 3a gezeigt ist , die alternativ auch mit dem Bearbeitungskopf 20 gem . Fig . 1 ausgeführt sein kann . Auch kann hier die Laserstrahlachse LA des Laserstrahls 1 unter dem Einstrahlwinkel ß der Fig . 3b relativ gegenüber der Oberfläche 74 geführt werden . Insgesamt können die verschiedenen Aus führungs formen der hier im Detail erläuterten Figuren 1 bis 8 , soweit technisch sinnvoll , beliebig miteinander kombiniert werden . So kann beispielsweise der nicht im Detail erläuterte Aufbau der Vorrichtung 10 der Fig . 4 einzelne , mehrere oder alle Komponenten der Fig . 1 aufweisen .
Anders als in der Fig . 1 und 3a wird in dem Laserauftragschweißverfahren der Fig . 4 das Herstellen der Beschichtungsschichten 80 auf den gegenüberliegenden Oberflächen 74 des Bauteils 70 zeitgleich durchgeführt . Wie Fig . 4 zeigt , sind dazu von beiden Seiten bzw . Oberflächen 74 her Laserstrahlen 1 mit entsprechender Zuführung des Zusatzwerkstof fs 2 über Inj ektoren 46 vorgesehen . Dadurch werden eine thermische Belastung und Zugspannungen des Bauteils 70 über die gegenüberliegenden Oberflächen 74 symmetrisch verteilt , wodurch ein möglicher Wärmeverzug, der anderenfalls zu einer Schirmung des Bauteils 70 führen würde, verhindert oder zumindest reduziert werden kann.
Beispielhaft kann eine Vorrichtung 10 der Fig. 1 mit gespiegeltem Aufbau gegenüber beiden Oberflächen 74 angeordnet werden. Möglich ist aber auch, dass einzelne Komponenten eines solchen gespiegelten bzw. doppelten Aufbaus der Vorrichtung 10 geteilt werden, so z.B. der Laser 12, dessen Laserstrahl 1 für die Bearbeitung auf beiden Oberflächen 74 eingesetzt werden kann, oder z.B. der Zusatzwerkstoffförderer 40. Dies ist in der Fig. 4 angedeutet, indem der Übersichtlichkeit halber nur schematisch und vereinzelt Bearbeitungsköpfe 20 zu jeder Seite der Oberflächen 74 gezeigt sind, die mit einem gemeinsamen Laser 12 über entsprechende Lichtwellenleiterkabel 14 verbunden sind. Wie erwähnt, ist dies nur eine schematische Darstellung, natürlich können auch weitere Komponenten, wie sie in der Fig. 1 detailliert erläutert worden sind, zur Strahlformung des Laserstrahls 1 hinzukommen. Ebenfalls exemplarisch ist hier ein gemeinsamer Zusatzwerkstoffförderer 40 mit Verteilerbauteilen 42 für die Injektoren 46 gezeigt. Beispielhaft sind die Injektoren 46 nur über je eine Zuführleitung 44 mit dem jeweils ihnen zugeordneten Verteilerbauteil 42 verbunden, wobei hier natürlich auch zwei oder mehr Zuführleitungen 44 je Injektor 46 vorgesehen sein können .
Vorteilhafterweise kann in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 auch eine gemeinsame Vorschubeinheit 30 für beide Bearbeitungsköpfe 20 (und auch die Injektoren 46) je Oberfläche 74 vorgesehen sein, was aber nicht in Fig. 4 gezeigt ist. Vorteilhafterweise kann im Übrigen auch nur eine Regelungseinrichtung 60 vorgesehen sein, um die gleichzeitige Herstellung der Beschichtungsschichten 80 auf beiden
Oberflächen 74 aufeinander abzustimmen, was ebenfalls nicht in Fig . 4 gezeigt ist .
Wie Fig . 4 ferner anhand von Diagrammen neben den j eweiligen Laserstrahlen 1 illustriert , welche die Vorschubgeschwindigkeit in der Vorschubrichtung gegenüber dem zurückgelegten Weg in der Vorschubrichtung X zeigen, also j eweils ein Vorschubgeschwindigkeit- zu-Vorschubweg-Profil des j eweiligen Laserstrahls 1 und damit der Bearbeitung zeigen, wird hier eine konstante Vorschubgeschwindigkeit über den Weg eingesetzt , um auf beiden Oberflächen 74 eine gleichmäßige bzw . gleich dicke Beschichtungsschicht 80 in der Vorschubrichtung X auf zutragen .
In der Figur 5 werden davon abweichend ungleichmäßig dicke Beschichtungsschichten 80 aufgetragen, und zwar mittels einander gegenläufiger Vorschubgeschwindigkeit- zu-Vorschubweg- Profile . Der linke Laserstrahl 1 der Fig . 5 weist ein über den Weg in der Vorschubrichtung X abfallendes Vorschubgeschwindigkeit- zu-Vorschubweg-Profil auf , während der rechte Laserstrahl 1 der Fig . 5 ein über den Weg in der Vorschubrichtung X ansteigendes Vorschubgeschwindigkeit- zu- Vorschubweg-Prof il aufweist . Beispielhaft sind die Steigungen der unterschiedlichen Profile dabei betragsgemäß gleich . So werden im Querschnitt sichtbare keil förmige Beschichtungsschichten 80 erzeugt , die hier entgegengesetzt zueinander keil förmig ausgerichtet sind . Vorteilhaft an dem Einsatz derartiger Vorschubgeschwindigkeit- zu-Vorschubweg- Profile ist , dass bereits bestehende oder erzeugte Schirmungen des Bauteils 70 ausgeglichen werden können, wie anhand der Geometrie des Bauteils 70 der Fig . 5 zu erkennen ist , welche in ihrem äußeren Bereich in Fig . 5 nach links geneigt ist . Vorteilhafterweise kann die Beschichtungsschicht 80 zudem mehrlagig, also insbesondere durch mehrmaliges Laserauftragschweißen, aufgebaut werden, um eine ihrer Dicke nach möglichst homogene Beschichtungsschicht 80 auf zubauen, die im Aus führungsbeispiel der Bremsscheibe für die Nutzung eine maximale Standzeit aufweist .
Die Figuren 6 bis 8 zeigen unterschiedliche Möglichkeiten zur Strahl führung des Laserstrahls 1 bzw . der Bearbeitungstra j ektorie oder damit verbunden der Prozess zone mit der Laser-Zusatzwerkstof f-Wechselwirkungs zone 6 und damit zur Herstellung der Beschichtungsschichten 80 . Die gezeigte Laserstrahlachse LA zeigt dabei j eweils die Prozess zone bzw . Bearbeitungsstelle an, an welcher die Beschichtungsschicht 80 aktuell hergestellt wird, und kann durch eine entsprechende Anordnung des Bearbeitungskopfes 20 relativ zu den Oberflächen 74 bereitgestellt werden .
In der Fig . 6 erfolgt der Vorschub des Laserstrahls 1 in der Y-Richtung ( siehe auch Fig . 2 ) . In der Fig . 7 erfolgt der Vorschub des Laserstrahls 1 in der X-Richtung ( siehe auch Fig . 2 ) . Fig . 6 und 7 haben zudem gemein, dass die Laserstrahlachsen LA der Laserstrahlen 1 j eweils zusammenfallen . Das bedeutet , dass die Laserstrahlachsen LA der Laserstrahlen 1 kongruent zueinander verfahren werden . Damit werden die Beschichtungsschichten 80 an j eweils parallel gegenüberliegenden Stellen auf den Oberflächen 74 erzeugt . Dies verbessert die thermisch symmetrische Bearbeitung des Bauteils 70 und reduziert das Risiko einer Schirmung des Bauteils 70 . In der Fig . 8 werden die Beschichtungsschichten 80 demgegenüber j eweils an in X-Richtung versetzten Stellen auf den Oberflächen 74 hergestellt . Die Laserstrahlachsen LA der Laserstrahlen 1 werden hier inkongruent zueinander verfahren, insbesondere um einen vordefinierten lateralen Abstand in der X-Richtung zueinander versetzt . Dadurch wird das Risiko reduziert , dass sich die gegenüberstehenden Bearbeitungsköpfe 20 gegenseitig bestrahlen, um eine sichere Vorrichtung 10 und ein sicheres Laserauftragschweißverfahren bereitzustellen .

Claims

Patentansprüche Laserauftragschweißverfahren zum Herstellen von Beschichtungsschichten (80) auf einander gegenüberliegenden Oberflächen (74) eines Bauteils (70) , indem auf jeder Oberfläche (74) ein, insbesondere pulverförmiger, Zusatzwerkstoff (2) entlang einer, insbesondere spiralförmigen, Bearbeitungstra ektorie auf die jeweilige Oberfläche (74) gerichtet wird, wobei der Zusatzwerkstoff (2) und das Bauteil (70) entlang der Bearbeitungstra j ektorie mittels eines Laserstrahls (1) erhitzt werden, sodass sich der Zusatzwerkstoff (2) beim Auftreffen auf die jeweilige Oberfläche (74) mit dem Bauteil (70) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschichten (80) auf den gegenüberliegenden Oberflächen (74) zumindest zeitweise zeitgleich hergestellt werden. Laserauftragschweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei Einstrahlpunkte der Laserstrahlen (1) auf die Oberflächen (74) entlang der Bearbeitungstra j ektorie jeweils mit einer Relativgeschwindigkeit von mindestens 20 m/min bewegt werden. Laserauftragschweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bauteil (70) rotationssymmetrisch, insbesondere als eine Scheibe, ausgebildet ist und während der Herstellung der Beschichtungsschichten (80) um eine Rotationsachse (72) rotiert wird. Laserauftragschweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Zusatzwerkstoff (2) vor dem Schmelzen mittels der Laserstrahlen (1) als Pulver vorliegt . Laserauftragschweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Zusatzwerkstoff (2) durch je wenigstens drei Injektoren (46) pro Oberfläche (74) des Bauteils (70) dem jeweiligen Laserstrahl (1) bereitgestellt wird. Laserauftragschweißverfahren nach Anspruch 5, wobei die Injektoren (46) als Rohre, insbesondere als Hartmetallrohre, ausgebildet sind. Laserauftragschweißverfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein Austrittswinkel (a) der Injektoren (46) gegenüber einer Senkrechten der jeweiligen Oberfläche (74) des Bauteils (70) geringer als 60° ist. Laserauftragschweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Zusatzwerkstoff (2) dem jeweiligen Laserstrahl (1) mittels eines Fördergases zugeführt wird, wobei das Fördergas insbesondere eine relative Atommasse von zumindest 4 und/oder einen spezifischen Volumenstrom von zumindest 3,2 Nl/min pro mm2 Querschnittsfläche aufweist. Laserauftragschweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Herstellung der Beschichtungsschichten (80) des Bauteils (70) in Richtung von relativ innen der Oberflächen (74) nach relativ außen der Oberflächen (74) erfolgt. Laserauftragschweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei Laserstrahlachsen (LA) der Laserstrahlen
(1) in einem Einstrahlwinkel (ß) im Bereich von größer 0° bis 35° gegenüber den Oberflächen (74) geneigt sind. Laserauftragschweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Laserleistung eines auf eine der Oberflächen (74) gerichteten Laserstrahls (1) höchstens doppelt so groß ist wie die Laserleistung des auf die andere der beiden Oberflächen (74) gerichteten Laserstrahls (1) . Laserauftragschweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die beiden Laserstrahlen (1) durch eine gemeinsame Vorschubeinheit (30) gemeinsam relativ gegenüber dem Bauteil (70) verfahren werden. Laserauftragschweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die beiden Laserstrahlen (1) mit jeweils unterschiedlichen Vor schubgeschwindigkeit- zu-Weg-Profi len verfahren werden und/oder unterschiedliche Mengen des Zusatzwerkstoffs (2) je Oberfläche (74) zugeführt werden, wobei dadurch unterschiedliche Schichtdicken der Beschichtungsschichten (80) auf den gegenüberliegenden Oberflächen (74) des Bauteils (70) erzeugt werden. Laserauftragschweißverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die beiden Laserstrahlen (1) mit jeweils unterschiedlichen Vor schubgeschwindigkeit- zu-Weg-Profi len verfahren werden, wobei die unterschiedlichen
Vor schubgeschwindigkeit- zu-Vor schubweg- Pro file gegenläufig zueinander sind.
15. Bauteil (70) mit einander gegenüberliegenden Oberflächen (74) , welche mit Beschichtungsschichten (80) beschichtet sind, wobei die Beschichtungsschichten (80) mittels eines Laserauftragschweißverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt sind.
16. Vorrichtung (10) zum Ausführen eines Laserauftragschweißverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Vorrichtung (10) zumindest einen Laser
(12) zum Erzeugen der Laserstrahlen (1) aufweist, und wobei die Vorrichtung (10) zumindest einen Zusatzwerkstoffförderer (40) zum Fördern des zumindest einen Zusatzwerkstoffs (2) in einem Abstand von den Oberflächen (74) des Bauteils (70) zu den Laserstrahlen (1) aufweist.
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