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WO2023088779A1 - Verfahren und vorrichtung zum laserauftragschweissen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum laserauftragschweissen Download PDF

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WO2023088779A1
WO2023088779A1 PCT/EP2022/081490 EP2022081490W WO2023088779A1 WO 2023088779 A1 WO2023088779 A1 WO 2023088779A1 EP 2022081490 W EP2022081490 W EP 2022081490W WO 2023088779 A1 WO2023088779 A1 WO 2023088779A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser beam
intensity
laser
interaction zone
workpiece surface
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2022/081490
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Björn Sautter
Nicolai Speker
Alejandro ZAMORANO REICHOLD
Andreas Scholz
Tim Hesse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Definitions

  • the present invention relates to the field of laser cladding.
  • a molten pool 16 is produced on the surface 12 of a workpiece 10 by means of a laser beam 30, as shown schematically in FIG.
  • a powdered filler material 20 is introduced into the molten pool 16 through a powder nozzle arranged coaxially or laterally to the laser beam 30 with the aid of an inert conveying or carrier gas.
  • the powder particles 20, or at least some of the powder particles 20 are exposed to laser light in an interaction zone 40 with the laser beam 30.
  • the energy input by means of the laser beam 30 into the workpiece 10 is generally greater than the energy input into the powder particles 20.
  • the powder particles 20 are therefore generally only melted after they hit the molten pool 16.
  • a dense, metallurgically bonded layer is formed.
  • a coaxial Powder nozzle assembly produces a focused powder gas jet.
  • the interaction time with the powder particles 20 in the molten bath 16 must be long enough for the temperature to equalize between the particles 20 and the melt 16 and for the particles 20 to change to the liquid state. This limits the speed of the LMD process. Due to the large amount of laser radiation hitting the workpiece, a large mixing and heat-affected zone 14 (HAZ) is created.
  • the powdered filler material 20 is specifically heated above the workpiece surface 12 to temperatures around the melting point or higher.
  • a sufficiently large interaction zone 40 between the laser beam 30 and the powder-gas jet heats the powder 20 to such an extent that it essentially immediately forms a solid, in particular melt-metallurgical connection with the workpiece 10 on the workpiece surface 12, which is also preheated by the laser beam 10.
  • significantly higher feed rates up to 500 m/min, can be realized than with conventional laser deposition welding (0.5 m/min to 2 m/min), since the time for melting the particles 20 in the molten pool 16 is eliminated.
  • the heat-affected zone 14 and the dilution area 16 are reduced considerably. This means that temperature-sensitive materials such as aluminum and cast alloys can also be coated using HS-LMD.
  • HS-LMD processes are described, for example, in DE 10 2011 100 456 B4 or in DE 10 2018 130 798 A1.
  • the HS-LMD is used in the coating of, in particular, rotationally symmetrical components, such as brake discs.
  • the component is rotated and the processing head for the supply of the laser beam and the powder is moved in particular in a straight line perpendicular or parallel to the axis of rotation of the component. In this way, a spiral or helical bead can be produced, which ultimately forms a coating surface.
  • the known methods for laser build-up welding and in particular conventional HS-LMD methods have the disadvantage that even small changes in process parameters can lead to significant fluctuations in the welding result. For example, a change in the laser power or the radiation intensity on the workpiece, which can be caused e.g. by dirt on the optics or a focus shift, can result in significant losses in the quality of the welding result.
  • the object of the present invention is to improve the process of laser deposition welding.
  • the process stability or process reliability should be increased by widening the process window in the LMD process and in particular in the HS-LMD process.
  • the surface roughness should be improved during laser deposition welding and/or the tendency to crack should be reduced.
  • a method for laser cladding in which powdered material and a laser beam are directed at a workpiece surface of a workpiece at an angle to one another, so that the powdered material is in an interaction zone is at least partially heated with the laser beam above the workpiece surface and welded to the workpiece surface along a predetermined contour.
  • the workpiece can preferably be a metallic workpiece.
  • the powdered material can in particular be a metallic material.
  • the powder is blasted onto the workpiece surface by means of a conveying gas, in particular argon or helium, or by means of an inert gas mixture.
  • the focus of the laser beam can preferably be on the workpiece surface or above the workpiece surface.
  • the powder can preferably be focused in the direction of the workpiece surface by means of a ring-shaped nozzle (annular gap nozzle) or by means of several nozzles arranged in a ring around the laser beam (multi-jet nozzle).
  • broad jet nozzles can be used to generate a line powder focus.
  • the powder can be blasted onto the processing site, for example, at an angle from the front and/or at an angle from behind (relative to the feed direction).
  • the focus of the powder jet can be on the workpiece surface as well as above or below it.
  • the focus of the powder jet can preferably be above the workpiece surface.
  • the powder focus can have a diameter of between 0.2 mm and approx. 6 mm, for example.
  • an inert gas can be directed onto the processing site coaxially or laterally to the laser beam in a process protective gas jet.
  • the process protective gas can also shield the processing site from the surrounding atmosphere.
  • the workpiece can be, for example, a brake disc, a hydraulic cylinder, a pressure roller or another rotationally symmetrical workpiece, particularly in the case of coating using the HS-LMD method.
  • the laser beam has a wavelength in the range between 0.4 m and 1.1 pm.
  • the laser beam can preferably be designed in such a way that it can be guided to the processing head by means of an optical fiber.
  • the laser beam can have a wavelength of about 450 nm, about 515 nm, between about 800 nm and about 1000 nm, or about 1030 nm, 1060 nm or 1070 nm.
  • the laser beam also has an intensity in its edge area within the interaction zone that is higher than an intensity in the core area of the laser beam, so that the powdered material is exposed to the higher intensity of the edge area when it enters the interaction zone.
  • the described beam profile of the laser beam does not have to be present over the entire length of the interaction zone. However, it must be present at least at one point in the interaction zone.
  • the beam profile of the laser beam can be present in the area of the focal plane of the laser beam if the laser beam focus lies within the interaction zone.
  • the inventors have recognized that an uneven interaction time of the powder particles of the filler material with the laser beam, ie an inhomogeneous distribution of the fluence per powder particle, has a negative impact on process reliability. Due to the process-related oblique alignment of the laser beam and the powder jet (or the powder jets) to one another, the interaction distance with the laser beam varies over the cross section of the powder jet. Therefore, not only the level of the laser intensity in the LMD process and in particular in the HS-LMD process is important, but also the spatial distribution of the laser intensity in the laser beam. According to the state of the art, beam profiles with Gaussian (Gaussian profile) or plateau-shaped (so-called top-hat profile)
  • Intensity distribution used. Especially with a Gaussian shaped one Intensity distribution results in a large temperature gradient of the powder particles.
  • An intensity maximum in the edge area of the laser beam leads to a more even distribution of the fluence per powder particle and thus to an enlargement of the process window towards higher laser powers with stable welding quality at the same time.
  • the laser beam can have a beam profile with a substantially ring-shaped maximum intensity within the interaction zone.
  • the wording "essentially ring-shaped intensity maximum" is to be understood in such a way that the beam profile of the laser beam has an edge area which encloses the central core area of the laser beam and in which the laser beam has a higher intensity than in the core area, preferably at every point
  • Laser beam within the interaction zone have a circular core area and a circular ring-shaped edge area surrounding the core area, in which the intensity of the laser beam is higher than in the core area.
  • the edge area can also have several ring areas, the intensity of the laser beam within the interaction zone being higher in at least one of the ring areas is than in the core area.
  • the intensity profile can be both stepped and smooth at the transitions between the areas.
  • the intensity of the laser beam along the ring-shaped intensity maximum can preferably be approximately the same.
  • the intensity of the laser beam can vary differently along the ring-shaped intensity maximum and, for example, fluctuate by up to about 30%.
  • the powdered filler material of the processing point is supplied coaxially to the laser beam, for example by means of an annular jet nozzle or a multi-jet nozzle.
  • the laser beam within the interaction zone can have a linear beam profile aligned essentially transversely to the feed direction of the laser beam with an intensity maximum leading in the feed direction and/or with an intensity maximum trailing in the feed direction.
  • the feed direction means the direction in which the laser beam moves relative to the workpiece surface.
  • HS-LMD high-speed laser deposition welding
  • a comparatively fast, in particular rotary, feed rate of the workpiece can be superimposed on a comparatively slow, lateral feed rate of the processing head guiding the laser beam.
  • the laser beam with a line-shaped beam profile can also be aligned perpendicular to the rotational movement of the workpiece, that is to say—depending on the feed rate of the processing head—not quite perpendicular to the resulting feed direction.
  • the leading intensity maximum and the trailing intensity maximum each extend linearly essentially transversely to the feed direction and are spaced apart from one another by the likewise linear region of lower intensity (core region of the laser beam).
  • the powdered filler material is directed obliquely from the front and/or from the rear onto the processing site by means of one or more broad jet nozzles, which are aligned essentially parallel to the linear laser focus.
  • the laser beam can also be composed of several separate laser beams which are at least partially superimposed in the focal plane.
  • a feed rate of the laser beam and the powder jet or the powder jets relative to the workpiece surface can be more than 20 m/min. It can be provided that the focus of the powder jet or the powder jets is above the workpiece surface in the zone of interaction with the laser beam. In order to achieve feed rates beyond 20 m/min, a simultaneous movement of the workpiece and the laser processing head can be provided.
  • the component can be a rotationally symmetrical component which is rotated, with the processing head being guided in a straight-line movement perpendicular or parallel to the axis of rotation of the workpiece in order to generate a spiral-shaped or helical material application on the workpiece surface.
  • an intensity distribution in the edge area of the laser beam can be essentially plateau-shaped.
  • the plateau shape can also be referred to as a top hat.
  • the plateau or top-hat-shaped intensity distribution describes a sudden increase in intensity at the edge of the laser beam to the maximum intensity, which is maintained essentially over the entire width of the edge area, before the intensity suddenly drops again in the direction of the core area of the laser beam.
  • the plateau or top-hat-shaped intensity distribution in the edge area of the laser beam favors a reduction in the roughness of the applied material layer compared to a Gaussian-shaped intensity distribution.
  • the intensity in the core area of the laser beam can be at most 90%, preferably at most 50%, more preferably at most 10% of the intensity maximum in the edge area of the laser beam. Due to the intensity distribution with reduced intensity in the core area of the laser beam, the process window can be enlarged with regard to the variability of the laser line used. In particular, with the described intensity distribution in the focal plane, higher laser powers (in particular >4 kW) can be used compared to the prior art, while the welding quality is maintained at the same time. More laser power can therefore be used to preheat and/or melt the powder for coating the workpiece.
  • the laser beam may include a core beam and a ring beam.
  • an outer diameter of the annular jet at least at one point within the interaction zone can be at most 10 times as large, preferably at most 5 times as large, more preferably at most 4 times as large as the diameter of the core jet.
  • the diameter ratio of core portion to ring portion can be greater than 1:10, preferably greater than 1:5, even more preferably greater than 1:4.
  • the limitations of the respective beam components can be determined, for example, by means of the 2nd moment method. The narrower the edge area of the laser beam, the more uniform the temperature distribution among the powder particles becomes because the differences in the interaction time with the laser beam are reduced.
  • the power in the core area of the laser beam can be, for example, between 7% and 9% of the laser power of the entire laser beam at at least one point within the interaction zone. It can be particularly advantageous if the power in the core area is between 5% and 7%, in particular approximately 6%, of the total power of the laser beam.
  • the process reliability (and therefore the process window) can be increased by around 25% compared to a conventional laser deposition welding process with a top-hat beam profile, with roughly the same energy efficiency.
  • the power in the core area can be reduced to a minimum, that is to say in particular 0% of the total laser power. In this case, process reliability can be increased by around 35% compared to a conventional laser cladding process with a top-hat beam profile.
  • the outer diameter of the laser beam in particular the outer diameter of the ring beam according to the variant described above, can be at least 500 ⁇ m, preferably at least 1000 ⁇ m, more preferably at least 2000 ⁇ m at at least one point in the interaction zone.
  • the productivity of the process can be increased by increasing the diameter of the laser beam in the interaction zone, in particular on the workpiece surface.
  • track widths i.e. outer diameters >1000 ⁇ m, can be particularly preferred.
  • a multi-clad fiber in particular a 2-in-1 fiber, can be used to generate the beam profile of the laser beam with a core area and an edge area.
  • Such fibers are known from the prior art and are described, for example, in WO 2011/124671 A1.
  • Laser radiation can be variably coupled into the core fiber and/or into the ring fiber from one or more beam generators and to a Focusing optics are directed.
  • the use of a 2-in-1 fiber enables the use of simple focusing optics without additional optical beam shaping elements, and thus efficient beam shaping.
  • the intensity components of the core area and the ring area of the laser beam can be controlled in a simple manner.
  • a 2-in-1 optical fiber with a core diameter of between 200 ⁇ m and 300 ⁇ m and an outer ring diameter of between 700 ⁇ m and 1000 ⁇ m can be used with an adjustment device (eg a wedge switch) for setting the core/ring power ratio.
  • an adjustment device eg a wedge switch
  • a multiple clad fiber with more than one ring fiber component can also be used, for example to generate a beam profile with different intensities in the different ring areas.
  • the power portion in the ring fiber and the core fiber can be varied by means of a suitable controller.
  • the reduced intensity in the core area of the laser beam can thus be adapted to the (HS)-LMD process or to the workpiece.
  • beam-shaping elements can also be used to generate the described beam profile, in particular a diffractive optical element (DOE) or a multi-lens array.
  • DOE diffractive optical element
  • a multi-lens array e.g. a diffractive optical element (DOE) or a multi-lens array.
  • non-rotationally symmetrical beam profiles e.g. a line-shaped beam profile
  • a ring-shaped beam profile can also be generated in this way with a mono-core fiber.
  • the magnification can preferably be varied independently in each of the variants described above. This way he can The focus diameter of the laser beam can be individually adapted to the welding task.
  • a disk laser or a fiber laser can be used as the laser beam source (or beam generator). In this way, for example, laser beams with wavelengths of about 1.06 pm or about 500 nm can be generated. Disk lasers and fiber lasers are particularly suitable for generating small ring and core diameters and for using beam-shaping elements. For example, a fiber laser or disk laser with a laser power of more than 2 kW to 8 kW and beyond, for example up to 12 kW or more, can be used to apply the method described above.
  • a diode laser for example, can also be used as the laser beam source. Due to large usable fiber diameters, the laser beam can still be coupled well into the comparatively large ring and core portion of a multi-clad fiber, despite the limited brilliance of the diode emitters/bars/stacks.
  • a device for laser build-up welding comprises at least one laser beam unit for providing a laser beam, which has an intensity in an edge area that is greater than an intensity in the core area of the laser beam; A powder supply unit for supplying powdery material; and a control unit which is designed to control the device for carrying out a method according to one of the variants described above.
  • FIG. 1b shows a schematic representation of an HS-LMD process
  • Figs. 2a-d Schematic representations of the different interaction paths of a powdered filler material with a laser beam during laser cladding, the laser beam having a different intensity distribution within the interaction zone;
  • 3 exemplarily shows the process window width in relation to the laser power as a function of the beam profile of the laser beam
  • FIGS. 2a to 2d schematically show a sectional front view of a workpiece 10, which is melted locally by means of a laser beam 30 for laser deposition welding, so that a molten pool 16 is formed on the workpiece surface 12. While the laser beam 30 is moved across the workpiece 10 perpendicularly to the plane of representation, an additional material is blasted onto the processing point as a powder jet 20 by means of a, preferably inert, conveying gas. For the sake of simplicity, FIGS. 2a-d only show the powder impingement from one side.
  • the filler material in the case of powder deposition welding, can be directed onto the processing point in several individual jets arranged in a ring around the laser beam or as a ring jet, and in the case of a linear beam profile of the laser beam, e.g. from the front and/or from the rear as a linear powder jet.
  • the length of the interaction path within an interaction zone 40, along which the relevant powder particle is exposed to the laser radiation varies in length. Accordingly, the powder particles are heated to different degrees by the laser beam 30 depending on their trajectory. While powder particles in the center of the Powder jet 20 is melted within interaction zone 40, for example, powder particles in the edge area of powder jet 20 can evaporate at the same time due to their longer or shorter interaction time with laser beam 30 (cf. right or upper powder particle in Figures 2a-d) or in the solid state strike the workpiece surface 12 (cf. left or lower powder particle in FIGS. 2a-d).
  • the temperature gradient of the powder particles during laser build-up welding is particularly large when the laser beam 30 has a Gaussian intensity profile 32a within the interaction zone 40 . This case is shown in FIG. 2a. Powder particles on the outer (or lower) edge of the powder jet 20 are heated particularly weakly.
  • the non-uniform interaction time of the powder particles with the laser beam 30 has a negative impact on the welding result.
  • a high-quality weld bead can therefore only be guaranteed in a narrow process window with process parameters that are precisely matched to one another. Changes in the laser power can already lead to sensitive fluctuations in the quality of the welding result.
  • An improvement in the temperature gradient or a narrower temperature bandwidth of the powder particles can be achieved if a laser beam 30 with a plateau-shaped or top-hat-shaped intensity profile 32b is used, as shown in FIG. 2b.
  • a laser beam 30 which has an intensity distribution 32c, 32d within the interaction zone 40 according to FIGS. 2c or 2d.
  • a laser beam 30 is shown with a concave intensity profile 32c in the interaction zone 40, in which the intensity starting from an annular maximum to Core area of the laser beam 30 drops out. Due to the high intensity in the edge area of the laser beam 30, even powder particles with a short interaction time are still heated to a comparatively high degree.
  • a particularly uniform temperature distribution of the powder particles can be achieved for a coaxial powder supply with an annular intensity profile of the laser beam 30 in which the majority of the laser energy is present in the edge area of the laser beam 30 .
  • a plateau-like or top-hat-shaped intensity distribution 32d in the ring-shaped outer area of the laser beam 30 (cf. FIG. 2d) has proven to be particularly favorable here.
  • the process stability in particular in the case of high-speed laser deposition welding, can be advantageously influenced.
  • FIGS. 2c and 2d each relate to variants in which the laser beam 30 has a rotationally symmetrical cross section. It goes without saying that the representations in FIGS. 2c and 2d can be applied analogously to a laser beam 30 with a linear beam profile, with the respective intensity distribution 32c, 32d then only being present transversely to the length of the linear beam profile.
  • FIG. 3 shows an example of the change in the process window in high-speed laser deposition welding as a function of the beam profile of the laser beam used.
  • the laser powers are plotted in kW, by means of which the process can be carried out with otherwise the same process parameters without any significant loss of quality in the welding result.
  • the illustration refers to high-speed laser cladding on a tubular workpiece made of mild steel, with the outer diameter of the laser beam in the focal plane is 2000 pm and the feed rate is approx. 80 m/min.
  • the process window 54 is already significantly larger. Laser powers between 4 kW and 8 kW can be used for the process without any significant loss of quality in the welding result.
  • the process windows 56a to 56d each relate to the use of a laser beam with a ring-shaped beam profile with a top-hat-shaped intensity distribution in the ring-shaped edge area of the laser beam and with different laser power in the core area of the laser beam.
  • the process window 56a With a core power of 9% of the total laser power, the process window 56a essentially corresponds to the process window 54 with a top-hat-shaped intensity profile as shown in FIG. 2b. With a relative reduction of the laser power in the core area of the laser beam to 6% of the total power, the laser power can be increased up to 9 kW while maintaining good welding quality. This corresponds to an enlargement of the process window 56b by 25% compared to the process window 54 with a top-hat-shaped intensity profile without ring-shaped power or intensity distribution. If the core power is further reduced to 3% of the total power of the Laser beam, losses in the energy efficiency of the process can be determined. This means that good welding results can only be achieved from a laser power of approx. 4.6 kW.
  • the process window 56c with regard to the laser power that can be used is nevertheless 10% larger than the process window 54 when using a conventional laser beam with a top-hat beam profile.
  • the largest possible process window 56d can be achieved according to the illustration in FIG. 3 with a ring-shaped beam profile, the complete laser power being present in the ring portion, ie the laser power in the core beam being reduced to zero (cf. also FIG. 2d).
  • High-quality welding results can be achieved with this beam profile between 4.6 kW and 10 kW. This corresponds to an enlargement of the process window by 35% compared to the process window 54 when using a conventional top-hat beam profile.
  • the comparison according to FIG. 3 shows that the process window for high-speed laser cladding using a laser beam with a ring-shaped maximum intensity can be opened up to higher laser powers with coaxial feed of the powdery filler material in the beam focus.
  • the findings from Figure 3 can be transferred analogously to a laser beam with a line focus, which has a line-shaped intensity maximum within the interaction zone at its front and rear edges in the feed direction, with the powdered filler material only from the front and from the rear in a manner essentially transverse to the Feed direction oriented line-shaped powder jet is directed to the processing point.
  • FIGS. 4a and 4b Different beam profiles 31a, 31b of a laser beam 30 are shown in FIGS. 4a and 4b, each of which has a core area 314 and an edge area 312a, 312b, 312c.
  • beam profiles 31a, 31b can be present in a projection plane which runs transversely to the direction of propagation of the laser beam 30 and lies within the interaction zone 40 (cf. FIGS. 1 and 2).
  • the laser beam 30 according to FIG. 4a has a circular ring-shaped intensity maximum in its ring-shaped edge area 312a and a core area 314 with a lower intensity compared to the edge area 312 (cf. also FIG. 2d).
  • FIG. 4a has a circular ring-shaped intensity maximum in its ring-shaped edge area 312a and a core area 314 with a lower intensity compared to the edge area 312 (cf. also FIG. 2d).
  • FIG. 4b shows a linear beam profile 31b of a laser beam 30, which is aligned transversely to the feed direction 60.
  • the laser beam 30 according to FIG. 4b has a leading intensity maximum in its front edge region 312b in the feed direction 60 and a trailing intensity maximum in its rear edge region 312c.
  • the core region 314 of the laser beam 30, which is also rectilinear, is arranged between the rectilinear intensity maxima.

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Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Laserauftragschweißen bei dem pulverförmiges Material (20) und ein Laserstrahl (30) unter einem Winkel zueinander auf eine Werkstückoberfläche (12) eines Werkstücks (10) gerichtet werden, sodass das pulverförmige Material (20) in einer Wechselwirkungszone (40) mit dem Laserstrahl (30) oberhalb der Werkstückoberfläche (12) zumindest teilweise erhitzt und entlang einer vorgegebenen Kontur auf die Werkstückoberfläche (12) geschweißt wird; wobei der Laserstrahl (30) eine Wellenlänge im Bereich zwischen 0,4 µm und 1,1 µm aufweist; und wobei der Laserstrahl (30) innerhalb der Wechselwirkungszone (40) in seinem Randbereich (312a, 312b, 312c) eine Intensität aufweist, die größer ist als eine Intensität im Kernbereich (314) des Laserstrahls (30), sodass das pulverförmige Material (20) beim Eintritt in die Wechselwirkungszone (40) mit der größeren Intensität des Randbereichs (312a, 312b, 312c) beaufschlagt wird. Ferner wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Laserauftragschweißen
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Laserauftragschweißens.
Stand der Technik
Verfahren zum Laserauftragsschweißen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Sie finden vor allem in Bereichen der Reparatur-, Beschichtungs- und Verbindungstechniken Anwendung. Beim Laserauftragschweißen können das konventionelle Laserauftragschweißen (auch Laser Metal Deposition- bzw. LMD-Verfahren, Direct Metal Deposition (DMD) oder Direct Energy Deposition (DED)) und das sogenannte High-Speed Laserauftragschweißen (auch HS-LMD oder extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA)) unterschieden werden.
Beim konventionellen Laserauftragschweißen wird, wie schematisch in Figur la dargestellt, mittels eines Laserstrahls 30 ein Schmelzbad 16 an der Oberfläche 12 eines Werkstücks 10 erzeugt. Ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff 20 wird durch eine koaxial oder lateral zum Laserstrahl 30 angeordnete Pulverdüse mit Hilfe eines inerten Förder- bzw. Trägergases in das Schmelzbad 16 eingebracht. Vor dem Auftreffen auf das Schmelzbad 16 werden die Pulverpartikel 20, oder zumindest ein Teil der Pulverpartikel 20 in einer Wechselwirkungszone 40 mit dem Laserstrahl 30 mit Laserlicht beaufschlagt. Beim LMD-Verfahren ist der Energieeintrag mittels des Laserstrahls 30 in das Werkstück 10 in der Regel größer als der Energieeintrag in die Pulverpartikel 20. Die Pulverpartikel 20 werden daher in der Regel erst nach Auftreffen im Schmelzbad 16 aufgeschmolzen. Ist die Schmelze erstarrt, bildet sich eine dichte, schmelzmetallurgisch angebundene Schicht. Mit einer koaxialen Pulverdüsenanordnung wird ein fokussierter Pulvergasstrahl erzeugt. Um eine defektfreie Schicht zu erzeugen, muss im Schmelzbad 16 grundsätzlich die Wechselwirkungszeit mit den Pulverpartikeln 20 so groß sein, dass ein Temperaturausgleich zwischen den Partikeln 20 und der Schmelze 16 stattfinden kann und die Partikel 20 in den flüssigen Zustand übergehen können. Dadurch wird die Geschwindigkeit des LMD-Prozesses eingeschränkt. Aufgrund der großen Menge an Laserstrahlung, die auf das Werkstück trifft, entsteht eine große Misch- und Wärmeeinflusszone 14 (WEZ).
Anders als beim konventionellen LMD-Prozess wird beim HS-LMD (vgl. Fig. lb) der pulverförmige Zusatzwerkstoff 20 gezielt oberhalb der Werkstückoberfläche 12 auf Temperaturen um den Schmelzpunkt oder höher erhitzt. Durch eine hinreichend große Wechselwirkungszone 40 zwischen Laserstrahl 30 und Pulver-Gas-Strahl wird das Pulver 20 so stark erwärmt, dass es auf der ebenfalls durch den Laserstrahl 10 vorgewärmten Werkstückoberfläche 12 im Wesentlichen unmittelbar eine feste, insbesondere schmelzmetallurgische Verbindung mit dem Werkstück 10 bildet. Somit können deutlich höhere Vorschubgeschwindigkeiten, bis zu 500 m/min, als beim konventionellen Laserauftragschweißen (0,5 m/min bis 2 m/min) realisiert werden, da die Zeit zum Aufschmelzen der Partikel 20 im Schmelzbad 16 entfällt. Durch die Reduzierung des Energieeintrags in das Werkstück 10 reduziert sich die Wärmeeinflusszone 14 und der Aufmischungsbereich 16 erheblich. Dadurch können auch temperaturempfindliche Materialien wie Aluminium und Gusslegierungen mittels HS-LMD beschichtet werden.
HS-LMD-Verfahren sind beispielsweise in der DE 10 2011 100 456 B4 oder in der DE 10 2018 130 798 Al beschrieben. Anwendung findet das HS-LMD bei der Beschichtung von, insbesondere rotationssymmetrischen, Bauteilen, z.B. von Bremsscheiben. Für den Materialauftrag mittels HS-LMD wird das Bauteil rotiert und der Bearbeitungskopf für die Zufuhr des Laserstrahls und des Pulvers insbesondere geradlinig senkrecht oder parallel zu der Rotationsachse des Bauteils bewegt. Auf diese Weise kann eine spiral- oder helixförmige Raupe erzeugt werden, die am Ende eine Beschichtungsfläche bildet.
Die bekannten Verfahren zum Laserauftragschweißen und insbesondere herkömmliche HS-LMD-Verfahren haben den Nachteil, dass bereits kleine Änderungen von Prozessparametern zu erheblichen Schwankungen des Schweißergebnisses führen können. Beispielsweise kann eine Veränderung der Laserleistung bzw. der Strahlungsintensität auf dem Werkstück, die z.B. durch eine Optikverschmutzung oder einen Fokusshift hervorgerufen werden kann, sensible Qualitätseinbußen des Schweißergebnisses nach sich ziehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Prozess des Laserauftragschweißens zu verbessern. Insbesondere soll die Prozessstabilität bzw. die Prozesssicherheit durch eine Verbreiterung des Prozessfensters beim LMD-Prozess und insbesondere beim HS-LMD- Prozess erhöht werden. Ferner soll die Oberflächenrauigkeit beim Laserauftragschweißen verbessert und/oder die Rissneigung reduziert werden.
Die Erfindung
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Verfahren zum Laserauftragschweißen bereitgestellt, bei dem pulverförmiges Material und ein Laserstrahl unter einem Winkel zueinander auf eine Werkstückoberfläche eines Werkstücks gerichtet werden, sodass das pulverförmige Material in einer Wechselwirkungszone mit dem Laserstrahl oberhalb der Werkstückoberfläche wenigstens teilweise erhitzt und entlang einer vorgegebenen Kontur auf die Werkstückoberfläche geschweißt wird.
Das Werkstück kann vorzugsweise ein metallisches Werkstück sein. Das pulverförmige Material kann insbesondere ein metallisches Material sein. Das Pulver wird mittels eines Fördergases, insbesondere Argon oder Helium, oder mittels eines inerten Gasgemisches auf die Werkstückoberfläche gestrahlt. Der Fokus des Laserstrahls kann dabei vorzugsweise auf der Werkstückoberfläche oder oberhalb der Werkstückoberfläche liegen. Das Pulver kann vorzugsweise mittels einer ringförmigen Düse (Ringspaltdüse) oder mittels mehrerer ringförmig um den Laserstrahl angeordneten Düsen (Multi-Jet-Düse) in Richtung der Werkstückoberfläche fokussiert werden. Alternativ können beispielsweise Breitstrahldüsen zur Erzeugung eines Linienpulverfokus verwendet werden. Hierbei kann das Pulver beispielsweise schräg von vorne und/oder schräg von hinten (bezogen auf die Vorschubrichtung) auf den Bearbeitungsort gestrahlt werden. Der Fokus des Pulverstrahls kann prinzipiell sowohl auf der Werkstückoberfläche als auch darüber oder darunter liegen. Insbesondere, wenn im HS-LMD-Regime Material aufgetragen werden soll kann der Fokus des Pulverstrahls vorzugsweise oberhalb der Werkstückoberfläche liegen. Der Pulverfokus kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und ca. 6 mm aufweisen. Zusätzlich zum Fördergas kann ein inertes Gas in einem Prozessschutzgasstrahl koaxial oder lateral zum Laserstrahl auf den Bearbeitungsort gerichtet werden. Das Prozessschutzgas kann den Bearbeitungsort zusätzlich von der umgebenden Atmosphäre abschirmen. Das Werkstück kann, insbesondere bei einer Beschichtung mittels HS- LMD-Verfahren, beispielsweise eine Bremsscheibe, ein Hydraulikzylinder, eine Druckwalze oder ein anderes rotationssymmetrisches Werkstück sein. Der Laserstrahl weist eine Wellenlänge im Bereich zwischen 0,4 m und 1,1 pm auf. Vorzugsweise kann der Laserstrahl so beschaffen sein, dass er mittels einer Lichtleitfaser zum Bearbeitungskopf leitbar ist. Beispielsweise kann der Laserstrahl eine Wellenlänge von etwa 450 nm, von etwa 515 nm, zwischen etwa 800 nm und etwa 1000 nm, oder von etwa 1030 nm, 1060 nm oder 1070 nm aufweisen.
Der Laserstrahl weist ferner innerhalb der Wechselwirkungszone in seinem Randbereich eine Intensität auf, die höher ist als eine Intensität im Kernbereich des Laserstrahls, sodass das pulverförmige Material beim Eintritt in die Wechselwirkungszone mit der höheren Intensität des Randbereichs beaufschlagt wird. Das beschriebene Strahlprofil des Laserstrahls muss nicht über die gesamte Länge der Wechselwirkungszone vorliegen. Es muss jedoch zumindest an einer Stelle in der Wechselwirkungszone vorliegen. Beispielsweise kann das Strahlprofil des Laserstrahls im Bereich der Fokusebene des Laserstrahls vorliegen, wenn der Laserstrahlfokus innerhalb der Wechselwirkungszone liegt.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine ungleichmäßige Wechselwirkungszeit der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffs mit dem Laserstrahl, also eine inhomogene Verteilung der Fluenz pro Pulverpartikel, einen negativen Einfluss auf die Prozesssicherheit hat. Durch die prozessbedingt schräge Ausrichtung des Laserstrahls und des Pulverstrahls (bzw. der Pulverstrahlen) zueinander, variiert die Wechselwirkungsstrecke mit dem Laserstrahl über den Querschnitt des Pulverstrahls. Deshalb ist nicht nur die Höhe der Laserintensität beim LMD-Verfahren und insbesondere beim HS-LMD-Verfahren von Bedeutung, sondern auch die räumliche Laserintensitätsverteilung im Laserstrahl. Gemäß dem Stand der Technik werden Strahlprofile mit Gauß-förmiger (Gauß-Profil) oder Plateau-förmiger (sog. Top-Hat-Profil)
Intensitätsverteilung verwendet. Vor allem bei einer Gauß-förmigen Intensitätsverteilung ergibt sich ein großes Temperaturgefälle der Pulverpartikel.
Ein Intensitätsmaximum im Randbereich des Laserstrahls führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Fluenz pro Pulverpartikel und dadurch zu einer Vergrößerung des Prozessfensters hin zu höheren Laserleistungen bei gleichzeitig stabiler Schweißqualität.
Gemäß einer Variante kann der Laserstrahl innerhalb der Wechselwirkungszone ein Strahlprofil mit einem im Wesentlichen ringförmigen Intensitätsmaximum aufweisen. Die Formulierung „im Wesentlichen ringförmiges Intensitätsmaximum" ist so zu verstehen, dass das Strahlprofil des Laserstrahls einen den zentralen Kernbereich des Laserstrahls umschließenden Randbereich aufweist, in dem der Laserstrahl, vorzugsweise an jeder Stelle, eine höhere Intensität aufweist als in dem Kernbereich. Vorzugsweise kann der Laserstrahl innerhalb der Wechselwirkungszone einen kreisrunden Kernbereich aufweisen und einen den Kernbereich umschließenden kreisringförmigen Randbereich, in dem die Intensität des Laserstrahls höher ist als im Kernbereich. Der Randbereich kann auch mehrere Ringbereiche aufweisen, wobei die Intensität des Laserstrahls innerhalb der Wechselwirkungszone wenigstens in einem der Ringbereiche höher ist als in dem Kernbereich. Das Intensitätsprofil kann an den Übergängen zwischen den Bereichen sowohl stufig als auch fließend ausgeprägt sein. Die Intensität des Laserstrahls entlang des ringförmigen Intensitätsmaximums kann vorzugsweise etwa gleich hoch sein. Alternativ kann die Intensität des Laserstrahls entlang des ringförmigen Intensitätsmaximums unterschiedlich veränderlich sein und beispielsweise um bis zu etwa 30 % schwanken. Bei einem Laserstrahl mit ringförmigem Intensitätsmaximum kann es vorgesehen sein, dass der pulverförmige Zusatzwerkstoff der Bearbeitungsstelle koaxial zum Laserstrahl zugeführt wird, beispielsweise mittels einer Ringstrahldüse oder einer Multi-Jet-Düse.
Gemäß einer alternativen Variante kann der Laserstrahl innerhalb der Wechselwirkungszone ein im Wesentlichen quer zur Vorschubrichtung des Laserstrahls ausgerichtetes, linienförmiges Strahlprofil mit einem in Vorschubrichtung vorlaufenden Intensitätsmaximum und/oder mit einem in Vorschubrichtung nachlaufenden Intensitätsmaximum aufweisen. Mit der Vorschubrichtung ist die Richtung gemeint, in der sich der Laserstrahl relativ zur Werkstückoberfläche bewegt. Beim High-Speed Laserauftragschweißen (HS-LMD) kann einer vergleichsweise schnellen, insbesondere rotatorischen Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks eine vergleichsweise langsame, laterale Vorschubgeschwindigkeit des den Laserstrahl führenden Bearbeitungskopfes überlagert sein. In diesem Fall kann der Laserstrahl mit linienförmigem Strahlprofil auch senkrecht zur Rotationsbewegung des Werkstücks ausgerichtet sein also - abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes - nicht ganz senkrecht zur resultierenden Vorschubrichtung. Bei einem Laserstrahl mit linienförmigem Strahlprofil erstrecken sich das vorlaufende Intensitätsmaximum und das nachlaufende Intensitätsmaximum jeweils linienförmig im Wesentlichen quer zur Vorschubrichtung und sind durch den ebenfalls linienförmig ausgebildeten Bereich geringerer Intensität (Kernbereich des Laserstrahls) voneinander beabstandet. Gemäß dieser Variante kann es ferner vorgesehen sein, dass der pulverförmige Zusatzwerkstoff mittels einer oder mehrerer Breitstrahldüsen, die im Wesentlichen parallel zum linienförmigen Laserfokus ausgerichtet sind, schräg von vorne und/oder von hinten auf den Bearbeitungsort gerichtet wird. Es versteht sich, dass der Laserstrahl auch aus mehreren separaten Laserstrahlen zusammengesetzt sein kann, die sich in der Fokusebene zumindest teilweise überlagern.
Gemäß einer bevorzugten Variante kann eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls und des Pulverstrahls bzw. der Pulverstrahlen relativ zur Werkstückoberfläche mehr als 20 m/min betragen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Fokus des Pulverstrahls bzw. der Pulverstrahlen oberhalb der Werkstückoberfläche in der Wechselwirkungszone mit dem Laserstrahl liegt. Zur Realisierung von Vorschubgeschwindigkeiten jenseits von 20 m/min kann insbesondere eine gleichzeitige Bewegung des Werkstücks und des Laserbearbeitungkopfes vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Bauteil ein rotationssymmetrisches Bauteil sein, welches rotiert wird, wobei der Bearbeitungskopf in eine zur Rotationsachse des Werkstücks senkrechten oder parallelen geradlinigen Bewegung geführt wird, um einen spiral-förmigen oder helix-förmigen Materialauftrag auf der Werkstückoberfläche zu erzeugen.
Gemäß einer Variante kann eine Intensitätsverteilung im Randbereich des Laserstrahls im Wesentlichen plateau-förmig ausgebildet sein. Die Plateau-Form kann auch als Top-Hat bezeichnet werden. Die plateau- bzw. Top-Hat-förmige Intensitätsverteilung beschreibt einen sprunghaften Anstieg der Intensität am Rand des Laserstrahls auf das Intensitätsmaximum, welches im Wesentlichen über die gesamte Breite des Randbereichs aufrechterhalten wird, bevor die Intensität in Richtung des Kernbereichs des Laserstrahls wieder sprunghaft abfällt. Die plateau- oder Top-Hat-förmige Intensitätsverteilung im Randbereich des Laserstrahls begünstigt eine Verringerung der Rauigkeit der aufgetragenen Materialschicht gegenüber einer Gauß-förmigen Intensitätsverteilung. Insgesamt kann für die Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Fokusebene gelten: I and
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Izentrum
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0.
An zumindest einer Stelle innerhalb der Wechselwirkungszone kann die Intensität im Kernbereich des Laserstrahls höchstens 90 %, bevorzugt höchstens 50 %, noch bevorzugter höchstens 10 %, des Intensitätsmaximums im Randbereich des Laserstrahls betragen. Durch die Intensitätsverteilung mit abgesenkter Intensität im Kernbereich des Laserstrahls kann das Prozessfenster hinsichtlich der Variabilität der eingesetzten Laserleitung vergrößert werden. Insbesondere können mit der beschriebenen Intensitätsverteilung in der Fokusebene höhere Laserleistungen (insb. > 4 kW) gegenüber dem Stand der Technik eingesetzt werden, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Schweißqualität. Es kann also mehr Laserleistung zur Vorwärmung und/oder Aufschmelzung des Pulvers für die Beschichtung des Werkstücks aufgewendet werden.
Der Laserstrahl kann einen Kernstahl und einen Ringstrahl umfassen. In diesem Fall kann ein Außendurchmesser des Ringstrahls zumindest an einer Stelle innerhalb der Wechselwirkungszone höchstens 10 mal so groß sein, bevorzugt höchstens 5 mal so groß, noch bevorzugter höchstens 4 mal so groß, wie der Durchmesser des Kernstrahls. Mit anderen Worten kann das Durchmesserverhältnis von Kernanteil zu Ringanteil größer 1 : 10, bevorzugt größer 1 :5, noch bevorzugter größer 1 :4 sein. Die Begrenzungen der jeweiligen Strahlanteile können beispielsweise mittels der 2. Momente Methode bestimmbar sein. Je schmaler der Randbereich des Laserstrahls ist, desto gleichmäßiger wird die Temperaturverteilung unter den Pulverpartikeln, da die Unterschiede in der Wechselwirkungszeit mit dem Laserstrahl reduziert werden. Die Leistung im Kernbereich des Laserstrahls kann zumindest an einer Stelle innerhalb der Wechselwirkungszone beispielsweise zwischen 7 % und 9 % der Laserleistung des gesamten Laserstrahls betragen. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Leistung im Kernbereich zwischen 5 % und 7 %, insbesondere etwa 6 % der Gesamtleistung des Laserstrahls beträgt. Bei einer solchen Variante kann die Prozesssicherheit (und mithin das Prozessfenster) gegenüber einem herkömmlichen Laserauftragschweißverfahren mit Top-Hat-Strahlprofil um etwa 25 % gesteigert werden, bei etwa gleichem energetischem Wirkungsgrad. Gemäß einer alternativen Variante kann die Leistung im Kernbereich auf ein Minimum reduziert werden, also insbesondere 0 % der Gesamtlaserleistung betragen. Die Prozesssicherheit kann in diesem Fall gegenüber einem herkömmlichen Laserauftragschweißverfahren mit Top- Hat-Strahlprofil um etwa 35 % gesteigert werden.
Der Außendurchmesser des Laserstrahls, insbesondere der Außendurchmesser des Ringstrahls gemäß der oben beschriebenen Variante, kann an zumindest einer Stelle in der Wechselwirkungszone mindestens 500 pm, bevorzugt mindestens 1000 pm, noch bevorzugter mindestens 2000 pm betragen. Durch die Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers in der Wechselwirkungszone, insbesondere auf der Werkstückoberfläche, kann die Produktivität des Verfahrens gesteigert werden. Beim HS-LMD-Verfahren können Spurbreiten, d.h. Außendurchmesser > 1000 pm besonders bevorzugt sein.
Zur Erzeugung des Strahlprofils des Laserstrahls mit einem Kernbereich und einem Randbereich kann eine Mehrfach-Clad Faser, insbesondere eine 2-in-l-Faser, verwendet werden. Solche Fasern sind aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in WO 2011/124671 Al beschrieben. Aus einem oder mehreren Strahlerzeugern kann variabel Laserstrahlung in die Kernfaser und/oder in die Ringfaser eingekoppelt und zu einer Fokussieroptik geleitet werden. Die Verwendung einer 2-in-l-Faser ermöglicht den Einsatz einfacher Fokussieroptiken ohne weitere optische Strahlformungselemente, und somit eine effiziente Strahlformung. Die Intensitätsanteile des Kernbereichs und des Ringbereichs des Laserstrahls sind auf einfache Weise steuerbar. Beispielsweise kann eine 2-in-l- Lichtleitfaser mit einem Kerndurchmesser zwischen 200 pm und 300 pm und einem Ring-Außendurchmesser zwischen 700 pm und 1000 pm verwendet werden mit Stelleinrichtung (z.B. einer Keilweiche) zur Einstellung des Kern-Ring-Leistungsverhältnisses.
Es versteht sich, dass auch eine Mehrfach-Clad Faser mit mehr als einem Ringfaseranteil verwendet werden kann, beispielsweise zur Erzeugung eines Strahlprofils mit unterschiedlichen Intensitäten in den unterschiedlichen Ringbereichen.
Vorzugsweise kann der Leistungsanteil in der Ringfaser und der Kernfaser mittels einer geeigneten Steuerung variierbar sein. Somit ist die abgesenkte Intensität im Kernbereich des Laserstrahls an den (HS)-LMD- Prozess bzw. an das Werkstück anpassbar.
Zusätzlich oder alternativ können zur Erzeugung des beschriebenen Strahlprofils auch strahlformende Elemente eingesetzt werden, insbesondere ein Diffractive Optical Element (DOE) oder ein Multilinsen- Array. Auf diese Weise können auch nicht rotationssymmetrische Strahlprofile, z.B. ein linienförmiges Strahlprofil, erzeugt werden. Ferner kann ein ringförmiges Strahlprofil auf diese Weise auch mit einer Monokernfaser erzeugt werden.
Vorzugsweise kann der Abbildungsmaßstab unabhängig in jeder der oben beschriebenen Varianten variierbar sein. Auf diese Weise kann der Fokusdurchmesser des Laserstrahls an die Schweißaufgabe individuell angepasst werden.
Als Laserstrahlquelle (bzw. Strahlerzeuger) kann ein Scheibenlaser oder ein Faserlaser verwendet werden. Auf diese Weise können zum Beispiel Laserstrahlen mit Wellenlängen von ca. 1,06 pm oder von ca. 500 nm erzeugt werden. Scheibenlaser und Faserlaser sind besonders geeignet zur Erzeugung kleiner Ring- und Kerndurchmesser, sowie zur Verwendung strahlformender Elemente. Zur Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens kann beispielsweise ein Faserlaser oder Scheibenlaser mit einer Laserleistung von mehr als 2 kW bis 8 kW und darüber hinaus, z.B. bis 12 kW oder mehr verwendet werden.
Als Laserstrahlquelle kann beispielsweise auch ein Diodenlaser verwendet werden. Durch große nutzbare Faserdurchmesser kann der Laserstrahl trotz begrenzter Brillanz der Diodenemitter / Barren / Stacks noch gut in den vergleichsweise großen Ring- und Kernanteil einer Merfach-Clad Faser eingekoppelt werden.
Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird ferner eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst zumindest eine Laserstrahleinheit zur Bereitstellung eines Laserstrahls, der in einem Randbereich eine Intensität aufweist, die größer ist als eine Intensität im Kernbereich des Laserstrahls; Eine Pulverzuführeinheit zur Bereitstellung von pulverförmigem Material; und eine Steuerungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer der oben beschriebenen Varianten anzusteuern.
Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für das erfindungsgemäße Verfahren dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung anzusehen.
Ausführungsbeispiele
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. la Eine schematische Darstellung eines LMD-Prozesses;
Fig. lb Eine schematische Darstellung eines HS-LMD-Prozesses;
Fign. 2a-d Jeweils schematische Darstellungen der unterschiedlichen Wechselwirkungsstrecken eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs mit einem Laserstrahl beim Laserauftragschweißen, wobei der Laserstrahl innerhalb der Wechselwirkungszone jeweils eine andere Intensitätsverteilung aufweist;
Fig. 3 Beispielhaft die Prozessfensterbreite in Bezug auf die Laserleistung in Abhängigkeit von dem Strahlprofil des Laserstrahls;
Fig. 4a Schematisch ein Strahlprofil mit einem ringförmigen Intensitätsmaximum; und
Fig. 4b Schematisch ein linienförmiges Strahlprofil mit einem vorlaufenden und einem nachlaufenden Intensitätsmaximum. Die Figuren la und lb wurden bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik weiter oben beschrieben. Es sei auf die dortigen Erläuterungen verwiesen.
Im Folgenden wird anhand der Figuren 2a bis 2d der Einfluss der Intensitätsverteilung des Laserstrahls auf die Wechselwirkung mit dem pulverförmigen Zusatzwerkstoff beim Laserauftragschweißen näher erläutert.
Die Figuren 2a bis 2d zeigen schematisch eine geschnittene Frontansicht auf ein Werkstück 10, das zum Laserauftragschweißen mittels eines Laserstrahls 30 lokal aufgeschmolzen wird, sodass an der Werkstückoberfläche 12 ein Schmelzbad 16 entsteht. Während der Laserstrahl 30 senkrecht zur Darstellungsebene über das Werkstück 10 bewegt wird, wird ein Zusatzwerkstoff als Pulverstrahl 20 mittels eines, vorzugsweise inerten, Fördergases auf die Bearbeitungsstelle gestrahlt. In den Figuren 2a-d ist der Einfachheit halber jeweils nur die Pulverbeaufschlagung von einer Seite dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass beim Pulverauftragschweißen der Zusatzwerkstoff in mehreren, ringförmig um den Laserstrahl angeordneten Einzelstrahlen oder als Ringstrahl, sowie im Falle eines linienförmigen Strahlprofils des Laserstrahls z.B. von vorne und/oder von hinten als linienförmiger Pulverstrahl auf die Bearbeitungsstelle gerichtet werden kann.
Abhängig von der Lage eines Pulverpartikels innerhalb des Pulverstrahls 20 ist die Wechselwirkungsstrecke innerhalb einer Wechselwirkungszone 40, entlang welcher der betreffende Pulverpartikel mit der Laserstrahlung beaufschlagt wird, unterschiedlich lang. Entsprechend werden die Pulverpartikel abhängig von ihrer Flugbahn unterschiedlich stark vom Laserstrahl 30 erhitzt. Während Pulverpartikel im Zentrum des Pulverstrahls 20 innerhalb der Wechselwirkungszone 40 zum Beispiel aufgeschmolzen werden, können gleichzeitig Pulverpartikel im Randbereich des Pulverstrahls 20 aufgrund ihrer längeren oder kürzeren Wechselwirkungszeit mit dem Laserstrahl 30 verdampfen (vgl. rechter bzw. oberer Pulverpartikel in den Figuren 2a-d) oder im festen Zustand auf der Werkstückoberfläche 12 auftreffen (vgl. linker bzw. unterer Pulverpartikel in den Figuren 2a-d). Das Temperaturgefälle der Pulverpartikel beim Laserauftragschweißen ist besonders groß, wenn der Laserstrahl 30 innerhalb der Wechselwirkungszone 40 ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil 32a aufweist. Dieser Fall ist in Figur 2a dargestellt. Pulverpartikel am äußeren (bzw. unteren) Rand des Pulverstrahls 20 werden besonders schwach erhitzt.
Die ungleichmäßige Wechselwirkungszeit der Pulverpartikel mit dem Laserstrahl 30 hat einen negativen Einfluss auf das Schweißergebnis. Eine qualitativ hochwertige Schweißraupe kann somit nur in einem engen Prozessfenster bei genau aufeinander abgestimmten Prozessparametern gewährleistet werden. Änderungen der Laserleistung können bereits zu empfindlichen Qualitätsschwankungen des Schweißergebnisses führen.
Eine Verbesserung des Temperaturgefälles bzw. eine geringere Temperaturbandbreite der Pulverpartikel kann erzielt werden, wenn ein Laserstrahl 30 mit einem plateau- bzw. Top-Hat-förmigen Intensitätsprofil 32b verwendet wird, wie in Figur 2b dargestellt.
Weiter kann die Homogenität der Pulvererhitzung verbessert werden, wenn ein Laserstrahl 30 verwendet wird, der innerhalb der Wechselwirkungszone 40 eine Intensitätsverteilung 32c, 32d gemäß den Figuren 2c oder 2d aufweist. In Figur 2c ist ein Laserstrahl 30 mit einem konkaven Intensitätsprofil 32c in der Wechselwirkungszone 40 dargestellt, bei dem die Intensität ausgehend von einem ringförmigen Maximum zum Kernbereich des Laserstrahls 30 hin abfällt. Durch die hohe Intensität im Randbereich des Laserstrahls 30 werden auch Pulverpartikel mit kurzer Wechselwirkungszeit noch vergleichsweise stark erhitzt.
Eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung der Pulverpartikel kann für eine koaxiale Pulverzufuhr mit einem ringförmigen Intensitätsprofil des Laserstrahls 30 erzielt werden, bei dem der Großteil der Laserenergie im Randbereich des Laserstrahls 30 vorliegt. Eine plateau-artige bzw. Top-Hat-förmige Intensitätsverteilung 32d in dem ringförmigen Außenbereich des Laserstrahls 30 (vgl. Fig. 2d) hat sich hierbei als besonders günstig erwiesen. Bei der Verwendung eines Laserstrahls 30 mit derartiger Intensitätsverteilung kann die Prozessstabilität, insbesondere beim High-Speed Laserauftragschweißen, vorteilhaft beeinflusst werden.
Die Figuren 2c und 2d beziehen sich jeweils auf Varianten, bei denen der Laserstrahl 30 einen rotationssymmetrischen Querschnitt aufweist. Es versteht sich, dass die Darstellungen in den Figuren 2c und 2d analog auf einen Laserstrahl 30 mit linienförmigem Strahlprofil anwendbar sind, wobei die jeweilige Intensitätsverteilung 32c, 32d dann nur quer zur Länge des linienförmigen Strahlprofils vorliegt.
Figur 3 zeigt beispielhaft die Veränderung des Prozessfensters beim High- Speed Laserauftragschweißen in Abhängigkeit von dem Strahlprofil des verwendeten Laserstrahls. In vertikaler Richtung sind die Laserleistungen in kW aufgetragen, mittels denen der Prozess bei ansonsten gleichen Prozessparametern ohne Wesentliche Qualitätseinbußen im Schweißergebnis durchführbar ist. Die Darstellung bezieht sich auf das High-Speed Laserauftragschweißen an einem rohrförmigen Werkstück aus Baustahl, wobei der Außendurchmesser des Laserstrahls in der Fokusebene 2000 pm und die Vorschubgeschwindigkeit ca. 80 m/min beträgt.
Bei der Verwendung eines Laserstrahls mit Gauß-förmigem Strahlprofil (vgl. Fig. 2a), d.h. mit einer Gauß-förmigen Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Fokusebene kann nur in einem sehr engen Leistungsbereich von 4 kW bis etwa 4,6 kW ein akzeptables Schweißergebnis erzielt werden. Das Prozessfenster 52 ist also sehr klein.
Bei einem Laserstrahl mit einer über seinen gesamten Querschnitt Top- Hat-förmigen Intensitätsverteilung innerhalb der Wechselwirkungszone (vgl. Fig. 2b) ist das Prozessfenster 54 bereits deutlich größer. Für den Prozess können Laserleistungen zwischen 4 kW und 8 kW ohne wesentliche Qualitätseinbußen beim Schweißergebnis verwendet werden.
Die Prozessfenster 56a bis 56d beziehen sich jeweils auf die Verwendung eines Laserstrahls mit einem ringförmigen Strahlprofil mit einer Top-Hat- förmigen Intensitätsverteilung im ringförmigen Randbereich des Laserstrahls und mit unterschiedlicher Laserleistung im Kernbereich des Laserstrahls.
Bei einer Kernleistung von 9 % der gesamten Laserleistung entspricht das Prozessfenster 56a im Wesentlichen dem Prozessfenster 54 mit Top-Hat- förmigem Intensitätsprofil gemäß der Darstellung in Figur 2b. Bei einer relativen Reduzierung der Laserleistung im Kernbereich des Laserstrahls auf 6 % der Gesamtleistung kann die Laserleistung bei Aufrechterhaltung guter Schweißqualität bis auf 9 kW gesteigert werden. Das entspricht einer Vergrößerung des Prozessfensters 56b um 25 % gegenüber dem Prozessfenster 54 mit Top-Hat-förmigem Intensitätsprofil ohne ringförmige Leistungs- bzw. Intensitätsverteilung. Bei weiterer Reduzierung der Kernleistung auf 3 % der Gesamtleistung des Laserstrahls können Einbußen des energetischen Wirkungsgrads des Verfahrens festgestellt werden. Das heißt, dass erst ab einer Laserleistung von ca. 4,6 kW gute Schweißergebnisse erzielt werden können. Das Prozessfenster 56c bezüglich der einsetzbaren Laserleistungen ist dennoch um 10 % größer als das Prozessfenster 54 bei Verwendung eines gewöhnlichen Laserstrahls mit Top-Hat-Strahlprofil. Das größtmögliche Prozessfenster 56d kann gemäß der Darstellung in Figur 3 mit einem ringförmigen Strahlprofil erzielt werden, wobei die komplette Laserleistung im Ringanteil vorliegt, also die Laserleistung im Kernstrahl auf Null abgesenkt ist (vgl. auch Fig. 2d). Zwischen 4,6 kW und 10 kW können mit diesem Strahlprofil qualitativ hochwertige Schweißergebnisse erzielt werden. Das entspricht einer Vergrößerung des Prozessfensters um 35 % gegenüber dem Prozessfenster 54 bei der Verwendung eines herkömmlichen Top-Hat Strahlprofils.
Der Vergleich gemäß Figur 3 zeigt, dass das Prozessfenster beim High- Speed Laserauftragschweißen unter Verwendung eines Laserstrahls mit ringförmigem Intensitätsmaximum bei koaxialer Zuführung des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs im Strahlfokus hin zu höheren Laserleistungen geöffnet werden kann. Die Erkenntnisse aus Figur 3 lassen sich analog auf einen Laserstrahl mit Linienfokus übertragen, der innerhalb der Wechselwirkungszone an seinem in Vorschubrichtung vorderen und hinteren Rand jeweils ein linienförmiges Intensitätsmaximum aufweist, wobei der pulverförmige Zusatzwerkstoff nur von vorne und von hinten in einem jeweils im Wesentlichen quer zur Vorschubrichtung orientierten linienförmigen Pulverstrahl auf die Bearbeitungsstelle gerichtet wird.
In den Figuren 4a und 4b sind unterschiedliche Strahlprofile 31a, 31b eines Laserstrahls 30 dargestellt, die jeweils einen Kernbereich 314 und einen Randbereich 312a, 312b, 312c aufweisen. Die dargestellten Strahlprofile 31a, 31b können erfindungsgemäß in einer Projektionsebene vorliegen, die quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 30 verläuft und innerhalb der Wechselwirkungszone 40 (vgl. Fign. 1 und 2) liegt. Der Laserstrahl 30 gemäß Figur 4a weist ein kreisringförmiges Intensitätsmaximum in seinem ringförmigen Randbereich 312a auf und einen Kernbereich 314 mit einer im Vergleich zum Randbereich 312 niedrigeren Intensität (vgl. auch Fig. 2d). Figur 4b zeigt ein linienförmiges Strahlprofil 31b eines Laserstrahls 30, das quer zur Vorschubrichtung 60 ausgerichtet ist. Der Laserstrahl 30 gemäß Figur 4b weist in seinem in Vorschubrichtung 60 vorderen Randbereich 312b ein vorlaufendes Intensitätsmaximum auf und in seinem hinteren Randbereich 312c ein nachlaufendes Intensitätsmaximum. Zwischen den geradlinigen Intensitätsmaxima ist der ebenfalls geradlinige Kernbereich 314 des Laserstrahls 30 angeordnet.
Bezugszeichenliste
10 Werkstück
12 Werkstückoberfläche
14 Wärmeeinflusszone
16 Schmelzbad
20 Pulverstrahl (Zusatzwerkstoff)
30 Laserstrahl
31a Ringförmiges Strahlprofil
31b Linienförmiges Strahlprofil
312a Ringförmiger Randbereich
312b Vorderer Randbereich
312c Hinterer Randbereich
314 Kernbereich
32a Gauß-förmige Intensitätsverteilung des Laserstrahls
32b Top-Hat-förmige Intensitätsverteilung des Laserstrahls
32c Konkave Intensitätsverteilung des Laserstrahls
32d Ringförmige Top-Hat-Intensitätsverteilung des Laserstrahls
40 Wechselwirkungszone
52 Prozessfenster - Gauß-förmiges Intensitätsprofil
54 Prozessfenster - Top-Hat Intensitätsprofil
56a Prozessfenster - Ringförmiges Top-Hat Intensitätsprofil mit 9 %
Kernleistung
56b Prozessfenster - Ringförmiges Top-Hat Intensitätsprofil mit 6 % Kernleistung
56c Prozessfenster - Ringförmiges Top-Hat Intensitätsprofil mit 3 % Kernleistung
56d Prozessfenster - Ringförmiges Top-Hat Intensitätsprofil mit 0 %
Kernleistung
60 Vorschubrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laserauftragschweißen bei dem pulverförmiges Material (20) und ein Laserstrahl (30) unter einem Winkel zueinander auf eine Werkstückoberfläche (12) eines Werkstücks (10) gerichtet werden, sodass das pulverförmige Material (20) in einer Wechselwirkungszone (40) mit dem Laserstrahl (30) oberhalb der Werkstückoberfläche (12) zumindest teilweise erhitzt und entlang einer vorgegebenen Kontur auf die Werkstückoberfläche (12) geschweißt wird; wobei der Laserstrahl (30) eine Wellenlänge im Bereich zwischen 0,4 pm und 1,1 pm aufweist; und wobei der Laserstrahl (30) innerhalb der Wechselwirkungszone (40) in seinem Randbereich (312a, 312b, 312c) eine Intensität aufweist, die größer ist als eine Intensität im Kernbereich (314) des Laserstrahls (30), sodass das pulverförmige Material (20) beim Eintritt in die Wechselwirkungszone (40) mit der größeren Intensität des Randbereichs (312a, 312b, 312c) beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl (30) innerhalb der Wechselwirkungszone (40) ein Strahlprofil (31a) mit einem im Wesentlichen ringförmigen Intensitätsmaximum aufweist, wobei das pulverförmige Material (20) vorzugsweise koaxial zum Laserstrahl (30) auf die Werkstückoberfläche (12) gerichtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl (30) innerhalb der Wechselwirkungszone (40) ein im Wesentlichen quer zur Vorschubrichtung (60) des Laserstrahls (30) ausgerichtetes linienförmiges Strahlprofil (31b) mit einem in Vorschubrichtung (60) vorlaufenden Intensitätsmaximum und/oder mit einem in Vorschubrichtung (60) nachlaufenden Intensitätsmaximum aufweist, wobei das pulverförmige Material (20) vorzugsweise in einem oder mehreren linienförmigen Pulverstrahlen von vorne und/oder von hinten auf die Werkstückoberfläche (12) gerichtet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls (30) und des Pulverstrahls (20) relativ zur Werkstückoberfläche (12) mehr als 20 m/min beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Intensitätsverteilung im Randbereich (312a, 312b, 312c) des Laserstrahls (30) im Wesentlichen plateau-förmig ausgebildet ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Intensität im Kernbereich (314) des Laserstrahls (30) innerhalb der Wechselwirkungszone (40) höchstens 90 %, bevorzugt höchstens 50 %, noch bevorzugter höchstens 10 %, der Intensität im Randbereich (312a, 312b, 312c) des Laserstrahls (30) beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5 oder 6, wobei der Laserstrahl (30) einen Kernstahl und einen Ringstrahl umfasst; und wobei ein Außendurchmesser des Ringstrahls innerhalb der Wechselwirkungszone (40) höchstens 10 mal so groß ist, bevorzugt höchstens 5 mal so groß, noch bevorzugter höchstens 4 mal so groß, wie der Durchmesser des Kernstrahls.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, 6 oder 7, wobei der Außendurchmesser des Laserstrahls (30), insbesondere der Außendurchmesser des Ringstrahls gemäß Anspruch 7, innerhalb der Wechselwirkungszone (40) mindestens 500 pm, bevorzugt mindestens 1000 pm, noch bevorzugter mindestens 2000 pm beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung des Strahlprofils des Laserstrahls (30) eine Mehrfach-Clad Faser, insbesondere eine 2-in-l-Faser, verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zur Erzeugung des Strahlprofils des Laserstrahls (30) ein strahlformendes Element, insbesondere ein Diffractive Optical Element (DOE) oder ein Multilinsen- Array, verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Laserstrahlquelle ein Scheibenlaser oder ein Faserlaser verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei als Laserstrahlquelle ein Diodenlaser verwendet wird.
13. Vorrichtung zum Laserauftragschweißen umfassend:
Eine Laserstrahleinheit zur Bereitstellung eines Laserstrahls (30), der in einem Randbereich (312a, 312b, 312c) eine Intensität aufweist, die größer ist als eine Intensität im Kernbereich (314) des Laserstrahls (30);
Eine Pulverzuführeinheit zur Bereitstellung von pulverförmigem Material (20); und
Eine Steuerungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 anzusteuern.
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