Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung sowie ein Bauteil hergestellt mit solcher Vorrichtung und/oder solchem Verfahren.

Hintergrund der Erfindung

Laserauftragschweißen ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung (z.B. Beschichtung, Reparatur) und zur additiven Fertigung von Bauteilen mit draht- oder pulverförmigen Zusatzwerkstoffen. Aufgrund der größeren Robustheit gegenüber Justagefehlem bei der Prozesseinrichtung und der größeren Flexibilität bei der Werkstoffauswahl werden überwiegend pulverförmige Zusatzwerkstoffe eingesetzt. Das Pulver wird dabei in ein durch einen Laserstrahl erzeugtes Schmelzbad auf einer Oberfläche eines Bauteils unter einem definierten Winkel mittels einer Pulverdüse eingebracht. Bei der Wechselwirkung von Laserstrahlung und Pulverpartikeln oberhalb des Schmelzbades wird ein Teil der Laserstrahlung vom Pulver absorbiert. Der nicht absorbierte Anteil wird (mehrfach-)reflektiert oder transmittiert. Der durch die Pulverpartikel absorbierte Strahlungsanteil fuhrt zu einer Erwärmung der Pulverpartikel, durch den transmittierten Strahlungsanteil wird das Schmelzbad erzeugt. Je nach Grad der Erwärmung der Partikel in der Strahl-Stoff-Wechselwirkungszone sind die Partikel des Zusatzwerkstoffes vor Eintritt in das Schmelzbad fest und/oder partiell oder vollständig flüssig.

Wird nun das Bauteil gegenüber dem Laser und der Pulverzufuhr bewegt, so bewegt sich das Material des Schmelzbades aus dem Einflussbereich der Laserstrahlung heraus und erstarrt zur Schicht. Die Voraussetzung zur Herstellung von defektfreien, schmelzmetallurgisch angebundenen Schichten besteht darin, eine Prozesswärme zur Verfügung zu stellen, die ausreicht um einen Temperatur-Zeit-Zyklus zu initiieren, der sowohl ein Aufschmelzen des Substrates als auch des Zusatzwerkstoffes gewährleistet. Abhängig von der Laserleistung und der Einstellung weiterer Verfahrensparameter (bspw. Vorschubgeschwindigkeit, Spurabstand, Strahldurchmesser, Materialzufuhr, etc.) findet daher eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Durchmischung von Zusatzwerkstoff und Bauteilwerkstoff statt. Das Pulver kann seitlich oder koaxial in das Schmelzbad injiziert werden.

Mit der üblichen Verfahrensführung lassen sich Vorschubgeschwindigkeiten, d. h. Relativgeschwindigkeiten des Bauteils gegenüber dem Laserstrahl, typischerweise zwischen 0,2 m/min und 2 m/min erreichen. Bei dem in DE 102011 100456 B4 offenbarten Verfahren, wird das zugeführte Material bereits oberhalb der Oberfläche mittels eines entsprechend fokussierten Laserstrahls mit hoher Leistung aufgeschmolzen, sodass es bereits im geschmolzenen Zustand das Schmelzbad auf der Oberfläche des Bauteils erreicht, was eine schnellere Bearbeitung des Bauteils durch weiter erhöhte Vorschubgeschwindigkeiten im Bereich > 150 m/min ermöglicht. Mit dem Verfahren gemäß DE 102011 100456 B4 ist zwar nun die Flächenrate größer (damit die Beschichtungsdauer kleiner) als bei der konventionellen Verfahrensführung, trotz größerer Flächenrate liefert DE 10 2011 100 456 B4 keine Ansätze zur Vergrößerung der Auftragrate (aufgetragene Menge an Pulver pro Zeiteinheit).

Die Materialien werden abhängig von der räumlichen Ausdehnung des Schmelzbades in breiteren oder weniger breiten Auftragschweißspuren mit einer über die Breite der Auftragschweißspur variierenden Dicke aufgetragen. Der Querschnitt einer solchen Auftragschweißspur senkrecht zur Vorschubrichtung, in die sich der Laserstrahl über das Bauteil bewegt, ist in der Regel kuppelformig mit einer maximalen Schichtdicke in der Mitte der Auftragschweißspur und eine in Richtung Null abnehmende Dicke zu den Rändern der Auftragschweißspur. Bei einem flächenmäßigen Aufträgen von Material mittels Laserauftragschweißen werden die Auftragschweißspuren nebeneinander aufgetragen, wobei sich dieser zumindest teilweise überlappen können. Die resultierende Schichtdicke des flächenmäßig als Schicht aufgetragenen Materials variiert über die einzelnen Auftragschweißspuren. Hinzu kommt, dass durch die Schmelzbadbewegung sowie anhaftende, nur teilweise aufgeschmolzene Pulverpartikel eine i.d.R. große Oberflächenrauhigkeit (im Vergleich zu konventionellen Herstellverfahren, bspw. Drehen, Fräsen, Schleifen) entsteht. Sofern als Endprodukte eine ebene Schicht aus aufgetragenem Material gewünscht ist, muss die aufgetragene Schicht nachbearbeitet werden.

Diese Nachbearbeitung ist aufwändig. Je nach Welligkeit und Rauheit der Schicht muss zum Glätten gegebenenfalls viel aufgetragenes Material wieder entfernt werden. Insbesondere bei harten Schichten oder harten Körnern in Verbundschichten verursacht das konventionelle Glätten einen zeitaufwändigen Nachbearbeitungsschritt, der gegebenenfalls die Glättungsmittel mechanisch stark abnutzen kann und damit die Werkzeugkosten erhöht.

Insbesondere bei Schichtsystemen, die Hartstoffpartikel beinhalten, kann der Kostenanteil der verschlissenen Glättungsmittel einen beträchtlichen Teil der Wertschöpfungskette betragen. Es wäre daher wünschenswert, wenn man den Nachbearbeitungsaufwand einfach, zuverlässig und weniger verschleiß intensiv gestalten könnte.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen effektiven Laserauftragsschweißprozess zur Verfügung zu stellen, der einen einfachen, zuverlässigen und weniger verschleißintensiven Nachbearbeitungsaufwand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit mit zumindest einem darauf angeordneten Laserauftragschweißkopf, einer oder mehrerer Materialquellen zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfs mit einem aufzutragenden Material und einer Laserstrahlquelle zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfes mit Laserlicht zur Durchführung des Laserauftragschweißens, wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, das Aufträgen von Materialschichten aus benachbarten Auftragschweißspur auf eine Oberfläche eines Bauteils in Form von mindestens einer ersten Schicht aus einem Material, das aus der Oberfläche der ersten Schicht herausragende Strukturen mit einer ersten Härte umfasst und einer darauf aufgetragenen zweiten Schicht aus einem Material mit einer zweiten Härte kleiner der ersten Härte auszuführen, wobei der Auftragungsvorgang so gesteuert ist, dass die zweite Schicht die aus der ersten Schicht herausragenden Strukturen zumindest teilweise überdeckt.

Begrifflich sei hierzu Folgendes erläutert:

Zunächst sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und Zahlenangaben wie „ein“, „zwei“ usw. im Regelfall als „mindestens“- Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein...“, „mindestens zwei...“ usw., sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ausdrücklich ergibt oder es für den Fachmann offensichtlich oder technisch zwingend ist, dass dort nur „genau ein...“, „genau zwei...“ usw. gemeint sein können.

Der Begriff „Laserauftragschweißen“ bezeichnet alle Verfahren, bei denen ein durch einen Laserauftragschweißkopf in Richtung des zu bearbeitenden Bauteils hindurchtretendes Material, beispielsweise ein pulverformiges Material, mittels eines Laserstrahls, der ebenfalls durch den Laserauftragschweißkopf in Richtung des zu bearbeitenden Bauteils durch das Material geführt ist, in einem vom Laserstrahl auf der Oberfläche des Bauteils erzeugten Schmelzbad aufgeschmolzen wird und so auf die ebenfalls durch den Laserstrahl angeschmolzene Oberfläche des Bauteil aufgetragen wird. Das nachfolgend erstarrte Material verbleibt dort als mit der Oberfläche verschweißtes Material in Form eine Auftragschweißspur. Werden die Auftragschweißspuren nebeneinander oder sogar zumindest teilweise überlappend aufgebracht, so kann das Bauteil flächig mit Material in Form einer Schicht aus diesem Material beaufschlagt werden. Der Laserauftragschweißkopf umfasst dabei beispielsweise einer Optik für den Laserstrahl sowie eine Pulverzuführdüse inklusive Justageeinheit für das aufzutragende Material, gegebenenfalls mit einer integrierten, lokalen Schutzgaszufuhr. Hierbei kann der Laserstrahl auch so geführt sein, dass das Material bereits im Laserstrahl aufgeschmolzen wird, beispielsweise durch einen Laserstrahl, der einen Fokuspunkt oberhalb der Oberfläche des Bauteils aufweist.

Der Begriff „Laserauftragschweiß einheit“ bezeichnet eine Komponente, die den oder die Laserauftragschweißköpfe umfasst. Hierbei können der oder die Laserauftragschweißköpfe beispielsweise auf einer Trägerplatte der Laserauftragschweiß einheit befestigt sein. Die Befestigung kann vorzugsweise so ausgeführt sein, dass sich bei mehreren Laserschweißköpfen die Laserauftragschweißköpfe relativ zueinander bewegen können. Außerdem kann die Laserauftragschweißeinheit als Ganzes räumlich beweglich in der Vorrichtung angeordnet sein, beispielsweise auf einer Verstelleinheit der Vorrichtung. Als Ausfiihrungsform kann die Laserauftragschweißeinheit auf einem Roboterarm angeordnet sein, der mittels geeigneter Verfahrkurven die Laserauftragschweißeinheit beliebig räumlich bewegen kann. Die Anzahl der Laserauftragschweißköpfe beträgt hier mindestens eins. Es können daher auch zwei, drei, vier, fünf oder mehr Laserauftragschweißköpfe von der Laserauftragschweißeinheit umfasst sein. Wie viele Laserauftragschweißköpfe in der Vorrichtung vorhanden sein können, ist in der Regel ein geometrisches Problem und wird durch die Größe der Laserauftragschweißköpfe und das zu bearbeitende Bauteil bestimmt.

Der Begriff „Laserauftragschweißkopf bezeichnet die Einheit, die mittels des durch sie hindurchgeleiteten Laserstrahl einen Laserschweißpunkt auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils erzeugt, und die das ebenfalls durch sie hindurchtretende Material im Laserstrahl auf dem Weg zur Oberfläche des Bauteils aufschmilzt, sodass es beim Auftreffen auf die Oberfläche des Bauteils mit diesem verschweißt wird. Der Begriff „Laserschweißpunkt“ bezeichnet den räumlichen Ort auf der Oberfläche des Bauteils, auf dem das aufgeschmolzene Material mittels Laserauftragschweißen auf die Oberfläche aufgetragen wird. Der Laserschweißpunkt kann dabei auch als Schmelzgebiet des aufgetragenen Material bezeichnet werden, in dem das mittels Laserlicht aufgeschmolzene Material auf die Oberfläche des Bauteils trifft.

Das aufgetragene Material kann beispielsweise in Pulverform für das Laserauftragschweißen bereitgestellt werden. Hierbei kann als Material jedes für das Laserauftragschweißen geeignete Material verwendet werden. Beispielsweise kann das Material Metalle und/oder Metall- Keramik-Verbundwerkstoffe (sogenannten MMCs) umfassen oder daraus bestehen. Der Fachmann kann die für den jeweiligen Laserauftragschweißprozess geeigneten Materialen auswählen. Hierbei kann das Material aus einer einzigen Fördereinheit den Laserköpfen zugeführt werden. Die Vorrichtung kann aber auch mehrere Fördereinheiten umfassen, wodurch die Laserauftragschweißköpfe mit unterschiedlichen Materialien versorgt werden können, sodass die von unterschiedlichen Laserauftragschweißköpfen erzeugten Auftragschweißspuren gleiche oder unterschiedliche Materialien umfassen können oder es kann die Materialzufuhr zu einem oder mehreren Laserauftragschweißköpfen während des Laserauftragschweißens von einer Fördereinheit zu einer anderen Fördereinheit mit einem anderen Material geändert bzw. umgeschaltet werden. Aus nebeneinander zumindest teilweise überlappend aufgetragenen Materialspuren werden Materialschichten hergestellt. Wie viele nebeneinander angeordnete Materialspuren benötigt werden, um eine Oberfläche des Bauteils mit einer Materialschicht zu versehen, hängt unter anderem von der Materialbreite der jeweiligen Materialspur ab. Die Materialbreite wird durch die Einzelheiten der Ausgestaltung der Laserauftragschweißköpfe bestimmt, wie beispielsweise Materialstrahlbreite, Laserenergie, Ausdehnung des Laserfokus und/oder Prozessgeschwindigkeit. Die Laserstrahlung wird mittels einer oder mehrere Laserstrahlquellen bereitgestellt. Der Fachmann kann geeignete Laserstrahlquellen für das Laserauftragschweißen auswählen.

Der Begriff „auf der Oberfläche des Bauteils“ bezeichnet dabei die momentane Oberfläche des Bauteils zum Zeitpunkt, wo der jeweilige Laserschweißpunkt die Oberfläche überstreicht. Die Oberfläche des Bauteils braucht dabei nicht die ursprüngliche Oberfläche des Bauteils vor Beginn des Laserauftragschweißens sein. Die Oberfläche des Bauteils kann auch die Oberfläche einer bereits aufgetragenen Auftragschweißspur oder einer Schicht aus aufgetragenen Material darstellen, da diese nach erfolgtem Aufträgen mit der vorherigen Oberfläche verschweißt ist und somit selbst die Oberfläche des Bauteils für nachfolgende Auftragschweißspuren darstellt.

Als die „herausragenden Strukturen“ wird hier die Textur der Oberfläche bezeichnet, die von einer idealen ebenen Oberfläche abweicht. Die Textur kann dabei in Form einer Oberflächenrauhigkeit zahlenmäßig bestimmt werden. Diese Strukturen können sich zum Teil innerhalb der ersten Schicht befinden und ragen nur mit einem Teil ihrer Struktur aus der ersten Schicht heraus, wobei die vorliegende Erfindung nur den Teil der Strukturen betrachtet, der tatsächlich aus der ersten Schicht herausragt. Der Teil der Strukturen, der bereits von der ersten Schicht umhüllt ist, ist für eine Nachbearbeitung der aufgetragenen Schichten nicht von Belang. Solche herausragenden Strukturen können beispielsweise beim Aufträgen von Verbundwerkstoffe durch ein darin enthaltenes zweites Material entstehen. In einer Ausführungsform umfasst die erste Schicht ein Verbundmaterial umfassend ein Matrixmaterial mit dritter Härte kleiner der ersten Härte, vorzugsweise besteht die erste Schicht aus dem Verbundmaterial und die Strukturen sind in dem Matrixmaterial zumindest teilweise eingebettet. Hierbei kann das Verbundmaterial ein Metall-Keramik-Verbundwerkstoff sein, der Körner enthält, die die Strukturen bilden. Beispielsweise sind solche Körner Carbitkömer. Solche Materialien zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Abriebfestigkeit aus und können beispielsweise als Bremsbeläge verwendet werden. Hier entstehen auf der Oberfläche einer solchen mit Laserauftragschweißen hergestellten Schicht beispielsweise Nadel aus einem Karbid-, Nitrid-, Oxid- o.ä. Material, deren Höhe bis zu der Hälfte der aufgetragenen Schicht betragen kann, während der Durchmesser der Nadel deutlich kleiner als deren Höhe ist.

In einer Ausführungsform ist das Material der zweiten Schicht ein Metall oder eine Metalllegierung. Schichten aus Metall lassen sich einfach und definiert nachbearbeiten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material der zweiten Schicht das Matrixmaterial der ersten Schicht. Dadurch lässt sich ein guter Materialverbund zwischen erster und zweiter Schicht herstellen, da sich die erste Schicht von der zweiten Schicht nur durch das Vorhandensein der aus der ersten Schicht herausragenden Strukturen unterscheidet.

Durch die zumindest teilweise Überdeckung dieser herausragenden Strukturen wird die Oberflächenrauhigkeit gegenüber Bauteilen mit lediglich einer aufgetragenen ersten Schicht mit solchen Strukturen vermindert. Hierbei besitzen die Strukturen jeweils einen höchsten Punkt und in einem Tal zwischen benachbarten Strukturen die angrenzenden Strukturen jeweils einen ihnen zugeordneten tiefsten Punkt, wobei eine Entfernung zwischen dem höchsten und tiefsten Punkt der jeweiligen Struktur deren Höhe darstellt und die zweite Schicht die aus der ersten Schicht herausragenden Strukturen mindestens bis 20%, vorzugsweise mindestens 40%, bevorzugter mindestens 60% besonders bevorzugt mindestens 80%, der durchschnittlichen Höhe aller Strukturen überdeckt. In einer Ausführungsform überdeckt die zweite Schicht die aus der ersten Schicht herausragenden Strukturen vollständig. Dadurch, dass die zweite Schicht aus einem Material besteht, dessen Härte geringer ist als die der herausragenden Strukturen, wird eine Nachbearbeitung des Bauteils erleichtert bzw. bei nur geringer Höhe der effektiv aus der zweiten Schicht ebenfalls herausragenden Strukturen unnötig, da in diesem Fall die resultierende Oberflächenrauhigkeit möglicherweise bereits den Anforderungen an das beschichtete Bauteil als das Produkt entspricht. Bei vollständiger Abdeckung der aus der ersten Schicht herausragenden Strukturen entspricht die Oberflächenrauhigkeit des beschichteten Bauteils der der Oberfläche der zweiten Schicht. Dadurch, dass die zweite Schicht eine geringe Härte besitzt, kann mittels Nachbearbeitung leicht der Bereich der zweiten Schicht, der über die Strukturen heraussteht, abgetragen werden, damit die Strukturen zwar nicht die Oberflächenrauhigkeit des beschichteten Bauteils bestimmen, dennoch die Festigkeit der Gesamtschicht aus erster und zweiter Schicht wesentlich beeinflussen. Bauteile mit vollständig überdeckender zweiter Schicht können beispielsweise als oder in Bohrköpfen zur Verbesserung des äußeren Verschleiß Schutzes verwendet werden. Bauteile mit nicht vollständig überdeckender zweiter Schicht können beispielsweise als Bremsscheiben verwendet werden, da die durch die Strukturen und die zweite Schicht bereitgestellte Friktion ausreicht. Die Bezeichnungen „errste Schicht“ und „zweite Schicht“ sollen nicht bedeuten, dass zwischen „erster Schicht“ und der Oberfläche des Bauteils nicht noch weitere Schichten angeotdnet sein können. Beispielsweise könnte eine „dritte Schicht“ oder weitere Schichten zwischen erster Schicht und Bauteil angeordnet sein.

Die Vorrichtung kann des Weiteren eine Kontrolleinheit zur Kontrolle des Laserauftragsschweißprozesses und gegebenenfalls des Nachbearbeitens umfassen, die jede dafür geeignete Kontrolleinheit sein kann, beispielsweise ein Prozessor oder eine Rechnereinheit, auf der ein entsprechendes Kontrollprogramm installiert ist und während des Laserauftragschweißens und/oder Nachbearbeiten ausgeführt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Ausführung eines effektiven Laserauftragsschweißprozesses ermöglicht, der einen einfachen, zuverlässigen und weniger verschleiß intensiven Nachbearbeitungsaufwand ermöglicht.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung des Weiteren eine Materialabtragungseinheit, die dazu vorgesehen ist, bei nicht vollständiger Überdeckung der ersten Schicht die aus der zweiten Schicht herausragenden Strukturen der ersten Schicht zumindest teilweise abzutragen, oder bei vollständiger Überdeckung der Strukturen der ersten Schicht durch die zweite Schicht dann die zweite Schicht teilweise abzutragen.

Der Begriff , aterialabtragungseinheit“ bezeichnet jede Form von Abtragungseinheiten, mit denen Material einer Schicht von dieser Schicht abgetragen werden kann, ohne dabei die Schicht vollständig von den darunter befindlichen Schichten abzulösen. Der Materialabtragungsprozess kann dabei mechanisch, thermisch, chemisch oder auf andere Art und Weise durchgeführt werden. In einer Ausführungsform ist die Materialabtragungseinheit eine Schleifeinheit, eine Fräseinheit oder eine Laserschmelz- oder Laserablationseinheit. Die Materialabtragungseinheit kann separat von der Laserauftragschweißeinheit oder mit dieser verbunden oder in dieser integriert angeordnet sein.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Materialabtragungseinheit auf der Laserauftragsschweißeinheit in Vorschubrichtung des Laserauftragschweißkopf gesehen hinter dem Laseraustragschweißkopf angeordnet. Damit kann der Materialabtragungsprozess im gleichen Arbeitsschritt wie der Laserauftragschweißvorgang ausgeführt werden. Gegebenenfalls kann die Restwärme des Laserauftragschweißvorgangs ausgenutzt werden.

In einer weiteren Ausführungsform werden die aus der zweiten Schicht herausragenden Strukturen der ersten Schicht dadurch zumindest teilweise abgetragen, indem diese durch die Materialabtragungseinheit verdampft oder aufgeschmolzen werden. Die Materialabtragungseinheit kann hierbei als eine optische Einheit ausgeführt sein, die einen Laserstrahl auf die Oberfläche der zweiten Schicht lenken kann, damit die noch aus der zweiten Schicht herausragenden Strukturen der ersten Schicht thermisch geglättet werden. Sie kann dafür Linsen, Spiegel, Lichtleiter oder anderen optische Komponenten umfassen, die gegebenenfalls gekühlt oder mit Schutzgas beaufschlagt werden können. Diese thermische Glättung erfolgt beispielweise über Aufschmelzen und nachfolgendes Zerfließen zu einer glatteren Oberfläche oder Verdampfen der Strukturen. Hierbei bewirkt die Materialabtragungseinheit eine Glättung der Oberfläche, indem der Glättungsprozess zumindest manche der Strukturen so umwandelt, dass diese durch den Glättungsprozess verschwinden oder zumindest in Richtung einer idealeren Oberfläche hin verkleinert werden. Somit verkleinert die Glättung durch die Materialabtragungseinheit die Oberflächenrauhigkeit der nachbehandelten Oberfläche der zweiten Schicht. Durch den Laserstrahl werden thermisch bevorzugt die Strukturen betroffen, die den größten Anteil an der Oberflächentextur oder- Oberflächenrauhigkeit der nachzuarbeitenden Oberfläche der zweiten Schicht haben. Bei der Nachbearbeitung kann ein Verdampfen immer dann besonders effektiv und ortsgenau durchgeführt werden, wenn die zu verdampfenden Strukturen schmal und hoch sind, sodass die thermische Leitfähigkeit der Strukturen im Vergleich zur Schicht des aufgetragenen Materials als ausgedehnter Körper deutlich geringer ist. Hierbei kann das Verdampfen der jeweiligen Struktur teilweise oder vollständig erfolgen. Dies ist beispielsweise gerade bei Metall- Keramik- Verbundwerkstoffe mit Körnern in Form von Nadeln aus Karbid-, Nitrid-, Oxid- o.ä. Material, bei denen der Durchmesser der Nadel deutlich kleiner als deren Höhe, mit der sie noch aus der zweiten Schicht herausragen. Da die zweite Schicht die Strukturen bereits zumindest teilweise überdeckt, ist der zu verdampfenden oder aufzuschmelzende Teil der Strukturen kleiner als die Höhe der Strukturen, mit denen diese aus der ersten Schicht herausragen. Durch die dünne Form der Strukturen kann die durch den Laserstrahl injizierte Energie nicht schnell genug über die Struktur in die zweite Schicht abfließen, sodass es zu einer starken Erwärmung der Rest-Nadeln kommt, dass diese verdampfen, ohne dabei die aufgetragene zweite Schicht zu stark zu erwärmen. Ein entsprechend über die Oberfläche geführter Laserstrahl verdampft damit die noch herausstehenden Strukturen und glättet die Oberfläche damit deutlich. Der Laserstrahl glättet hierbei die Oberfläche in einem kontinuierlichen Prozess, bei dem die Strukturen nicht gesondert erfasst werden, sondern je nach Länge in einem statistischen Prozess durch den Laserstrahl indurchtreten und damit geglättet oder verdampft werden. Bevorzugt wird dabei als Materialabtragungseinheit der Laserauftragschweißkopf verwendet, da die optischen Komponenten und die Lichtquelle bereits vorhanden sind und die Parameter des Laserstrahls und der Strahlführung nur noch auf den Materialabtragungszweck angepasst werden brauchen.

In einer alternativen Ausführungsform wird bei vollständiger Überdeckung der ersten Schicht durch die zweite Schicht diese durch die Materialabtragungseinheit vollflächig zumindest bis zum Erreichen der Strukturen abgetragen. Dazu kann die Materialabtragungseinheit beispielsweise als Schleif-, Fräs- oder eine andere mechanische Bearbeitungseinheit ausgeführt sein. Solche Materialabtragungseinheiten können je nach Auslegung die zweite Schicht großflächig abtragen, sodass der Nachbearbeitungsschritt effektiv und mit möglichst geringer Nachbearbeitungszeit ausgeführt werden.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Materialabtragungseinheit dazu ausgestaltet, das Abtragen zu stoppen, wenn zumindest die höchste oder einige der höchsten aus der Oberfläche der ersten Schicht herausragenden Strukturen von der Materialabtragungseinheit in Folge des Abtragungsvorgangs erreicht ist bzw. sind. Damit bestimmen die aus der ersten Schicht herausragenden Strukturen noch nicht die Oberflächenrauhigkeit der zweiten Schicht und damit die des beschichteten Bauteils, dennoch beeinflussen diese die Festigkeit der Gesamtschicht aus erster und zweiter Schicht wesentlich, was zur Beständigkeit des Gesamtschichtpakets wesentlich beiträgt.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Materialabtragungseinheit einen Sensor, der beim Abtragungsvorgang einen Übergang zwischen der alleinigen Abtragung des Material mit zweiter Härte zu einer zumindest teilweisen Abtragung des Strukturen mit erster Härte erkennt. Der Sensor kann dabei jede dafür geeignete Technologie verwenden, um beispielsweise zwischen einem weicheren Material (zweite Schicht) und einem härteren Material (besagte Strukturen der ersten Schicht), einer Veränderung der Oberflächenstruktur, Oberflächenrauhigkeit und/oder anderen Eigenschaftsunterschieden zwischen erster und zweiter Schicht zu unterscheiden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor dazu ausgestaltet, die sich am Übergang ändernden mechanischen, optischen und/oder akustischen Eigenschaften des abzutragenden Materials zu erkennen. Dazu kann der Sensor ein Kraftsensor, ein Drehmomentsensor, ein Drehzahlsensor, ein Oberflächenrauhigkeitssensor, ein optischer, taktiler, kapazitiver, induktiver oder akustischer Sensor sein.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mehrere Laserauftragschweißköpfe zum (quasi-) simultanen Aufträgen von Material auf eine Oberfläche des Bauteils, die alle in der Vorrichtung mit dem aufzutragenden Material und mit Laserstrahlung zur Durchführung des Laserauftragschweißens versorgt werden. Der Begriff „(quasi-) simultanes Aufträgen“ bezeichnet den Prozess des Laserauftragschweißen, wobei pro Laserauftragschweißkopf separate Auftragschweißspuren gleichzeitig (im Vor- oder Nachlauf) mit anderen Auftragschweißspuren mittels anderen Laserauftragschweißköpfen auf die Oberfläche aufgetragen werden. Dieses (quasi-) simultane Aufträgen erfolgt zeitgleich, dabei aber jeweils an anderen Positionen auf dem Bauteil, also an unterschiedlichen Orten auf dem Bauteil. Damit steigt das pro Zeiteinheit auf die Oberfläche aufgetragene Material proportional mit der Anzahl der Laserauftragschweißköpfe. Die separaten Auftragschweißspuren können dabei aneinander angrenzen oder sich gegebenenfalls zumindest teilweise überlappen. Gegebenenfalls können die separaten Auftragschweißspuren auch direkt aufeinander aufgetragen werden. Durch das (quasi-) simultane Aufträgen von Material mittels mehrerer Laserauftragschweißköpfe wird ein noch effektiverer Laserauftragschweißprozess mit einer größeren Auftragsrate für verschiedenste Materialien bei geringer Prozesszeit für das Bauteil ermöglicht, als es nur mit einem Laserschweißkopf möglich wäre. Zur Erzielung einer kürzeren Prozesszeit braucht hierbei nicht die Vorschubgeschwindigkeit gegenüber bekannten Verfahren gesteigert werden, was die Qualität der aufgetragenen Schicht verbessert und Schichtfehler wie Rissbildung mittels einer prozessgerechten Vorschubgeschwindigkeit zu vermeiden hilft. Beispielsweise lassen sich bei einer Bearbeitung von Bremsscheiben mittels Laserauftragschweißen bisher übliche Bearbeitungszeiten von 3 - 15 Minuten auf unter 1 Minute reduzieren. In einer weiteren Ausfiihrungsform trägt jeder Laserauftragschweißkopf die durch ihn erzeugte Auftragschweißspur zumindest teilweise überlappend zu den benachbarten Auftragschweißspuren erzeugt durch die anderen Laserschweißköpfe auf, sodass das Material flächenförmig auf der Oberfläche aufgetragen wird.

In einer weiteren Ausführungsform erzeugen die Laserschweißpunkte Auftragschweißspuren mit einer Materialbreite entlang der Vorschubrichtung auf der Oberfläche, bei denen ein erster Versatz benachbarter Laserschweißpunkte zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite der Auftragschweißspur beträgt. Der Begriff „benachbarte Laserschweißpunkte“ bezeichnet zwei Laserschweißpunkte, die Auftragschweißspuren von auf der Oberfläche des Bauteils aufgebrachten Material erzeugen, die aneinander angrenzen und sich gegebenenfalls zur Herstellung einer flächenmäßigen Auftragung des Materials zumindest teilweise überlappen können. Benachbarte Laserschweißpunkte können von benachbarten Laserschweißköpfen erzeugt werden. Hierbei bezeichnen benachbarten Laserschweißpunkte und/oder Laserschweißköpfe nicht notwendigerweise Laserschweißpunkte oder Laserschweißköpfe, die den kleinsten geometrischen Abstand zueinander haben, sondern sind oder erzeugen diejenigen Laserschweißpunkte, die aneinander angrenzende Auftragschweißspuren erzeugen. Durch den zumindest ersten Versatz der benachbarten Laserschweißpunkte zueinander kann die Vorwärmung des Bauteils gezielt gesteuert werden, was die Verarbeitung von schwerschweißbaren Legierungen vereinfacht bzw. je nach Legierung erst ermöglicht. Durch den zumindest ersten Versatz mit geeigneter Größer wird auch der Nachbearbeitungsaufwand verringert.

In einer weiteren Ausführungsform besitzen die benachbarten Laserschweißpunkte auf der Oberfläche des Bauteils einen zweiten Versatz zueinander in Vorschubrichtung. Durch diesen zweiten Versatz der Laserschweißpunkte kann die Vorwärmung des Bauteils ebenfalls gezielt gesteuert werden, insbesondere im Zusammenspiel mit dem ersten Versatz, was die Verarbeitung von schwer-schweißbaren Legierungen noch weiter vereinfacht bzw. je nach Legierung erst ermöglicht. Durch den zweiten Versatz mit geeigneter Größer, insbesondere im Zusammenspiel mit dem ersten Versatz, wird auch der Nachbearbeitungsaufwand weiter verringert. Hierbei kann der Laserschweißkopf mit dem zweiten Versatz zur benachbarten Auftragschweißspur dazu verwendet werden, neben dem Aufträgen der eigenen Auftragschweißspur die benachbart aufgetragene Auftragschweißspur umzuschmelzen.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu ausgestaltet, zwischen dem Bauteil und der ersten Schicht zumindest eine dritte Schicht aufzutragen.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit mit zumindest einem darauf angeordneten Laserauftragschweißkopf zum Aufträgen von Material in Form einer oder mehrerer benachbarter Auftragschweißspuren auf eine Oberfläche eines Bauteils zur Erzeugung von daraus resultierenden Materialschichten, einer oder mehrerer Materialquellen zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfs mit dem aufzutragenden Material und einer Laserstrahlquelle zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfes mit Laserlicht zur Durchführung des Laserauftragschweißens sowie einer Materialabtragungseinheit zum Bearbeiten des aufgetragenen Materials, umfassend nachfolgende Schritte:

Aufträgen zumindest einer ersten Schicht aus einem Material, das aus der Oberfläche der ersten Schicht herausragende Strukturen mit einer ersten Härte umfasst;

Aufträgen einer zweiten Schicht aus einem Material mit einer zweiten Härte kleiner der ersten Härte, wobei eine Schichtdicke der zweiten Schicht so bemessen ist, dass die zweite Schicht die aus der ersten Schicht herausragenden Strukturen zumindest teilweise überdeckt.

Mit dem erfmdungsgemäßen Verfahren wird ein Laserauftragschweißprozess effektiv ausgeführt, der einen einfachen, zuverlässigen und weniger verschleißintensiven Nachbearbeitungsaufwand ermöglicht.

In einer Ausführungsform des Verfahrens, wobei die Strukturen jeweils einen höchsten Punkt und in einem Tal zwischen benachbarten Strukturen die angrenzenden Strukturen jeweils einen ihnen zugeordneten tiefsten Punkt besitzen, wobei eine Entfernung zwischen dem höchsten und tiefsten Punkt der jeweiligen Struktur deren Höhe darstellt, wird das Aufträgen der zweiten Schicht solange durchgeführt, bis die zweite Schicht die aus der ersten Schicht herausragenden Strukturen mindestens bis 20%, vorzugsweise mindestens 30%, bevorzugter mindestens 40% besonders bevorzugt mindestens 50%, der durchschnittlichen Höhe aller Strukturen überdeckt, alternativ kann die zweite Schicht die aus der ersten Schicht herausragenden Strukturen auch vollständig überdecken. Im letzten Fall kann die Schichtdicke der zweiten Schicht auf größer als die Höhe der höchsten aus der ersten Schicht herausragenden Struktur betragen.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt:

Zumindest teilweises Abtragen der aus der zweiten Schicht herausragenden Strukturen der ersten Schicht durch eine Materialabtragungseinheit im Falle der nicht vollständigen Überdeckung der Strukturen durch die zweite Schicht, oder teilweises Abtragen der zweiten Schicht mittels der Materialabtragungseinheit bei vollständiger Überdeckung der Strukturen der ersten Schicht durch die zweite Schicht. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Abtragen der Strukturen durchgeführt, indem die Materialabtragungseinheit die Strukturen verdampft oder aufschmilzt, vorzugsweise wird dafür als Materialabtragungseinheit der Laserauftragschweißkopf verwendet, beziehungsweise wird das Abtragen der zweiten Schicht durchgeführt, indem die Materialabtragungseinheit die zweite Schicht vollflächig zumindest bis zum Erreichen der Strukturen abträgt.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt:

Stoppen des Abtragens der zweiten Schicht, wenn zumindest die höchste oder einige der höchsten aus der Oberfläche der ersten Schicht herausragenden Strukturen von der Materialabtragungseinheit in Folge des Abtragungsvorgangs erreicht sind.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt eines Erkennens eines Übergangs im Abtragungsvorgang zwischen der alleinigen Abtragung des Materials mit zweiter Härte zu einer zumindest teilweisen Abtragung der Strukturen mit erster Härte mittels eines Sensors der Materialabtragungseinheit. In einer weiteren Ausführungsform erkennt dazu der Sensor die sich am Übergang ändernden mechanischen, optischen und/oder akustischen Eigenschaften des abzutragenden Materials.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren vor dem Aufträgen der ersten Schicht den weiteren Schritt des Auftragens einer dritten Schicht oder weiterer Schichten auf das Bauteil, auf die dann die erste Schicht aufgetragen wird.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens bewegt sich die Materialabtragungseinheit analog zu dem Laserschweißkopf über die Oberfläche des Bauteils.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Verwenden von mehreren Laserschweißköpfen in der Vorrichtung zum Aufträgen des Materials, wobei alle Laserschweißköpfe in der Vorrichtung mit dem aufzutragenden Material und mit Laserstrahlung zur Durchführung des Laserauftragschweißens versorgt werden.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Bauteil mit einer Oberfläche, auf die mittels einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung oder einem erfmdungsgemäßen Verfahren eine erste Schicht aus einem Material, das aus der Oberfläche der ersten Schicht herausragende Strukturen mit einer ersten Härte umfasst, aufgetragen ist, und wobei auf die erste Schicht eine zweite Schicht aus einem Material mit einer zweiten Härte kleiner der ersten Härte aufgetragen ist, wobei die zweite Schicht die aus der ersten Schicht herausragenden Strukturen zumindest teilweise überdeckt und eine Oberfläche der zweiten Schicht beziehungsweise die Strukturen nach dem Aufträgen der ersten und zweiten Schichten so gestaltet wurden, dass die Strukturen nicht mehr aus der zweiten Schicht herausragen. Hierbei kann das Material der zweiten Schicht ein Metall oder eine Metalllegierung ist. Hierbei kann die erste Schicht ein Verbundmaterial mit einem Matrixmaterial mit dritter Härte kleiner der ersten Härte umfassen, vorzugsweise besteht die erste Schicht aus dem Verbundmaterial, wo die Strukturen in dem Matrixmaterial eingebettet sind. Hierbei kann das Verbundmaterial ein Metall-Keramik-Verbundwerkstoff sein, der Körner enthält, die die Strukturen bilden, vorzugsweise sind die Körner Carbitkömer. Hierbei kann das Material der zweiten Schicht das Matrixmaterial der ersten Schicht sein. Hierbei kann auf die Oberfläche eine dritte Schicht aufgetragen sein, auf die die erste Schicht aufgetragen ist.

Die voranstehend aufgelisteten Ausführungsformen können einzeln oder in beliebiger Kombination abweichend von den Rückbezügen in den Ansprüchen zueinander zur Ausgestaltung der erfmdungsgemäßen Vorrichtungen oder Verfahren verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt.

Fig.l: eine Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Vorrichtung zum Laserauftragschweißen;

Fig.2: das Bauteil in seitlicher Ansicht (a) mit erster Schicht und den daraus herausragenden Strukturen und (b) nach teilweiser Überdeckung dieser Strukturen durch die zweite Schicht;

Fig.3: eine weitere Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Vorrichtung zum

Laserauftragschweißen mit einer Materialabtragungseinheit zum Abtragen der auch aus der zweiten Schicht herausragenden Strukturen;

Fig.4: eine weitere Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Vorrichtung zum

Laserauftragschweißen mit einer Materialabtragungseinheit zum Abtragen der die herausragenden Strukturen vollständig überdeckenden zweiten Schicht;

Fig.5: eine weitere Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit Materialabtragungseinheit unter Verwendung mehrere Laserauftragschweißköpfe zum (quasi-)simultanen Aufträgen des Materials auf Bauteile mit planarer Oberfläche;

Fig.6: eine weitere Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit Materialabtragungseinheit unter Verwendung mehrere Laserauftragschweißköpfe zum (quasi-)simultanen Aufträgen des Materials auf Bauteile mit zylindrischer Oberfläche; und

Fig.7: eine Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der erfmdungsgemäßen Vorrichtung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig.l zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit 2 mit zumindest einem darauf angeordneten Laserauftragschweißkopf 3, einer oder mehrerer Materialquellen 5 zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfs 3 mit einem aufzutragenden Material M und einer Laserstrahlquelle 6 zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfes 3 mit Laserlicht L zur Durchführung des Laserauftragschweißens, wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, das Aufträgen von Materialschichten 42, 43, 44 aus benachbarten Auftragschweißspur MS auf eine Oberfläche 41 eines Bauteils 4 in Form von mindestens einer ersten Schicht 42 aus einem Material M, das aus der Oberfläche der ersten Schicht 42 herausragende Strukturen 42s mit einer ersten Härte Hl umfasst und einer darauf aufgetragenen zweiten Schicht 42 aus einem Material M mit einer zweiten Härte H2 kleiner der ersten Härte Hl auszuführen, wobei der Auftragungsvorgang so gesteuert ist, dass die zweite Schicht 43 die aus der ersten Schicht 42 herausragenden Strukturen 42s zumindest teilweise überdeckt. Hierbei kann das Material der zweiten Schicht 43 ein Metall oder eine Metalllegierung sein. Hierbei kann die erste Schicht 42 ein Verbundmaterial VM umfassend ein Matrixmaterial MM mit dritter Härte H3 kleiner der ersten Härte Hl umfassen. Vorzugsweise besteht die erste Schicht 42 aus dem Verbundmaterial VM und die Strukturen 42s sind in dem Matrixmaterial MM zumindest teilweise eingebettet. Das Verbundmaterial VM kann ein Metall-Keramik-Verbundwerkstoff sein, der Körner enthält, die die Strukturen 42s bilden, vorzugsweise sind die Körner Carbitkömer. Das Material der zweiten Schicht 43 kann auch das Matrixmaterial MM der ersten Schicht 42 sein.

Fig.2 zeigt das Bauteil 4 in seitlicher Ansicht (a) mit erster Schicht 42 und den daraus herausragenden Strukturen 42s und (b) nach teilweiser Überdeckung dieser Strukturen 42s durch die zweite Schicht 43. Die Strukturen 42s besitzen jeweils einen höchsten Punkt PI und im Tal zwischen benachbarten Strukturen 42s die dort ans Tal angrenzenden Strukturen 42s jeweils einen ihnen zugeordneten tiefsten Punkt P2, wobei eine Entfernung zwischen dem höchsten und tiefsten Punkt PI, P2 der jeweiligen Struktur 42s deren Höhe Hs darstellt und die zweite Schicht 43 die aus der ersten Schicht 42 herausragenden Strukturen 42s mindestens bis 20%, vorzugsweise mindestens 30%, bevorzugter mindestens 40% besonders bevorzugt mindestens 50%, der durchschnittlichen Höhe Hs aller Strukturen 42s überdeckt. Hierbei besitzen die Strukturen 42s in der Regel alle unterschiedliche Höhen Hs, wobei sich die Überdeckung auf eine durchschnittliche Höhe bezieht. Somit können einzelne Strukturen 42s existieren, die bei einer durchschnittlichen Überdeckung von beispielsweise 50% immer noch zu mehr als 50% aus der zweiten Schicht 43 herausragen. Dafür sind andere Strukturen 42s zu mehr als 50% von der zweiten Schicht 43 überdeckt, so dass sich ein durchschnittlicher Überdeckungsgrad von beispielsweise 50% ergibt. Die zweite Schicht 43 kann aber auch die aus der ersten Schicht 42 herausragenden Strukturen 42s vollständig überdecken. Bei Carbitkömem in einem Metall-Keramik- Verbundwerksto ff können diese Körner Höhen Hs von ungefähr lOOpm erreichen.

Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laserauftragschweißen mit einer Materialabtragungseinheit 7 zum Abtragen der auch aus der zweiten Schicht 43 herausragenden Strukturen 42s, die dazu vorgesehen ist, bei nicht vollständiger Überdeckung der ersten Schicht 42 die aus der zweiten Schicht 43 herausragenden Strukturen 42s der ersten Schicht 42 zumindest teilweise abzutragen. Hierbei ist die Materialabtragungseinheit 7 beispielsweise eine Laserschmelz- oder Laserablationseinheit, wobei die Materialabtragungseinheit 7 auf der Laserauftragsschweißeinheit 2 in Vorschubrichtung VR des Laserauftragschweißkopf 3 gesehen hinter dem Laseraustragschweißkopf 3 angeordnet ist. Dadurch werden die aus der zweiten Schicht 43 herausragenden Strukturen 42s der ersten Schicht 42 durch die Materialabtragungseinheit 7 verdampft oder aufgeschmolzen und damit soweit abgetragen, dass sie nicht mehr aus der zweiten Schicht 43 herausragen. In dem hier gezeigten Beispiel bleiben von den Nadeln 42s nur noch Stümpfe in der zweiten Schicht 43 übrig, sodass die Oberfläche der zweiten Schicht 43 nach der Nachbearbeitung durch die Materialabtragungseinheit 7 eine geringe Oberflächenrauhigkeit aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei der Laserauftragschweißkopf 3 als die Materialabtragungseinheit 7 verwendet.

Fig.4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laserauftragschweißen mit einer Materialabtragungseinheit 7 zum Abtragen der die herausragenden Strukturen 42s vollständig überdeckenden zweiten Schicht 43, wobei hier die zweite Schicht 43 bis zum Erreichen der Strukturen 42s nur teilweise abgetragen wird, dafür aber vollflächig. Die Materialabtragungseinheit 7 kann dabei eine Schleifeinheit oder eine Fräseinheit sein. Die Materialabtragungseinheit ist dabei dazu ausgestaltet, das Abtragen zu stoppen, wenn zumindest die höchste oder einige der höchsten aus der Oberfläche der ersten Schicht 42 herausragenden Strukturen 42s von der Materialabtragungseinheit 7 in Folge des Abtragungsvorgangs erreicht sind. Dazu umfasst die Materialabtragungseinheit 7 einen Sensor 71, der beim Abtragungsvorgang einen Übergang U zwischen der alleinigen Abtragung des Material mit zweiter Härte H2 zu einer zumindest teilweisen Abtragung des Strukturen 42s mit erster Härte Hl erkennt, wozu er die sich am Übergang U ändernden mechanischen, optischen und/oder akustischen Eigenschaften des abzutragenden Materials erkennt. Der Sensor 71 kann beispielsweise ein Kraftsensor, ein Drehmomentsensor, ein Drehzahlsensor, ein Oberflächenrauhigkeitssensor, ein optischer Sensor oder ein akustischer Sensor sein. Des Weiteren ist hier gezeigt, dass zwischen dem Bauteil 4 und der ersten Schicht 42 zumindest eine dritte Schicht 44 aufgetragen ist, wo deren Aufbringung die Vorrichtung 1 ebenfalls ausgestaltet ist. Diese dritte Schicht 44 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen zusätzlich vorhanden sein.

Fig.5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laserauftragschweißen mit Materialabtragungseinheit 7 unter Verwendung mehrere Laserauftragschweißköpfe 3 zum (quasi-)simultanen Aufträgen des Materials M auf Bauteile 4 mit planarer Oberfläche 41. Die Vorrichtung 1 versorgt dazu alle Laserauftragschweißköpfe 3 mit dem aufzutragenden Material M und mit Laserstrahlung L zur Durchführung des Laserauftragschweißens. Die Laserschweißpunkte 31 erzeugen dabei Auftragschweißspuren MS mit einer Materialbreite entlang der V orschubrichtung VR auf der Oberfläche 41, bei denen ein erster Versatz RI benachbarter Laserschweißpunkte 31 zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite der Auftragschweißspur MS beträgt. Ferner besitzen die benachbarten Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 einen zweiten Versatz R2 zueinander in Vorschubrichtung VR. Hierbei umfasst das Bauteil 4 hier im Form einer Bremsscheibe eine kreisförmige Oberfläche 41 mit einer Rotationsachse D senkrecht zur Oberfläche 41, auf die das Material aufgetragen wird. Die Bremsscheibe 4 könnte dabei mittels der Schraubenlöcher (vier Punkte um die Mitte herum) auf einem Drehtisch montiert sein, über den die Bremsscheibe 4 um die Drehachse D gedreht wird. Zum Auftragens 110, 120, 170 des Materials M wird die kreisförmige Oberfläche 41 um die Rotationsachse D unter den Laserauftragschweißköpfen 3 hindurch rotiert, sodass deren Laserschweißpunkt 31 auf der kreisförmigen Oberfläche 41 bei ruhendem Laserauftragschweißkopf 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden, und die Laserauftragschweißköpfe 3 werden simultan in Richtung der Rotationsachse D bewegt, sodass das Material M in einer spiralförmigen Auftragschweißspur MS flächenmäßig auf die kreisförmige Oberfläche 41 aufgetragen wird. Hierbei erstreckt sich die Materialabtragungseinheit 7 über den gesamten Radius der Oberfläche 41 und bewegt sich gegebenenfalls analog zu den Laserschweißpunkten 31 nachfolgend über die Oberfläche 41. Alternativ kann auch zumindest einer der mehreren Laserauftragschweißköpfe 3 dazu ausgestaltet sein, als Materialabtragungseinheit 7 betrieben zu werden.

Fig.6 zeigt eine weitere Ausfiihrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laserauftragschweißen mit Materialabtragungseinheit 7 unter Verwendung mehrere Laserauftragschweißköpfe 3 zum (quasi-)simultanen Aufträgen des Materials M auf Bauteile 4 mit zylindrischer Oberfläche 41 im Beispiel als Welle für rotationssymmetrische Bauteile 4 mit dem dynamischen Verhalten der Laserschweißpunkte 31 während des Laserauftragschweißens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in dieser Ausfährungsform mit drei Laserschweißköpfen 3 und einer Materialabtragungseinheit 7. Die drei Laserschweißköpfen 3 (hier als Laserschweißpunkte 31 angedeutet) tragen (quasi-) simultan Material M auf die Oberfläche 41 des Bauteils 4 auf, wobei die Laserauftragschweißköpfe 3 jeweils einen Laserschweißpunkt 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 erzeugen und benachbarte Laserschweißpunkte einen ersten Versatz RI zueinander senkrecht zu einer Vorschubrichtung VR der Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 besitzen. Hierbei trägt jeder Laserauftragschweißkopf 3 die durch ihn erzeugte Auftragschweißspur MS zumindest teilweise überlappend zu den benachbarten Auftragschweißspuren MS erzeugt durch die anderen Laserschweißköpfe 3 auf, sodass das Material M flächenförmig auf der Oberfläche 41 aufgetragen wird. Außerdem besitzen die benachbarten Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 des Bauteils 4 einen zweiten Versatz R2 zueinander in Vorschubrichtung VR besitzen, um einerseits den Wärmeübertrag auf benachbarte Auftragschweißspuren MS steuern zu können und um andererseits die Laserauftragschweißköpfe 3 aus geometrischen Gründen nicht zu dicht zueinander anordnen zu müssen. Hierbei umfasst die Welle 4 eine rotationssymmetrische Oberfläche 41 mit einer Rotationsachse D parallel zur Oberfläche 41, auf die das Material aufgetragen wird. Zum Aufträgen 110, 120, 170 wird die rotationssymmetrischen Oberfläche 41, vorzugsweise die Zylinderfläche der Welle 4, um die Rotationsachse RB unter den drei Laserauftragschweißköpfen 3 hindurch rotiert, sodass deren Laserschweißpunkt 31 auf der rotationssymmetrischen Oberfläche 41 bei ruhendem Laserauftragschweißkopf 3 kreisförmig die Oberfläche 41 überlaufen würden; und die Laserauftragschweißköpfe 3 werden in Vorschubrichtung VR parallel zur Rotationsachse RB bewegt, sodass das Material M in einer spiralförmigen Auftragschweißspur MS flächenmäßig auf die rotationssymmetrische Oberfläche 41 aufgetragen wird. Hierbei erstreckt sich die Materialabtragungseinheit 7 über den gesamten Radius der Oberfläche 41 und bewegt sich gegebenenfalls analog zu den Laserschweißpunkten 31 nachfolgend über die Oberfläche 41. Der erste Versatz RI benachbarter Laserschweißpunkte 31 kann dabei zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt 50%, der Materialbreite MB der Auftragschweißspur MS betragen. Der zweite Versatz R2 ist so eingestellt, dass sich durch die Laserschweißpunkte 31 auf der Oberfläche 41 induzierte Temperaturprofile so weit überlappen, dass das Material M in einem Überlappungsbereich benachbarter Auftragschweißspuren MS noch eine für den Prozess nutzbare/zuträgliche Restwärme besitzt. Alternativ kann auch zumindest einer der mehreren Laserauftragschweißköpfe 3 dazu ausgestaltet sein, als Materialabtragungseinheit 7 betrieben zu werden.

Fig.7 zeigt eine Ausftihrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laserauftragschweißen gemäß einer der voranstehenden Ansprüche mit einer Laserauftragschweißeinheit 2 mit zumindest einem darauf angeordneten Laserauftragschweißkopf 3 zum Aufträgen von Material M in Form einer oder mehrerer benachbarter Auftragschweißspuren MS auf eine Oberfläche 41 eines Bauteils 4 zur Erzeugung von daraus resultierenden Materialschichten 42, 43, 44, einer oder mehrerer Materialquellen 5 zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfs 3 mit dem aufzutragenden Material M und einer Laserstrahlquelle 6 zur Versorgung des Laseraufitragschweißkopfes 3 mit Laserlicht L zur Durchführung des Laserauftragschweißens sowie einer Materialabtragungseinheit 7 zum Bearbeiten des aufgetragenen Materials, umfassend nachfolgende Schritte des Auftragens 110 zumindest einer ersten Schicht 42 aus einem Material, das aus der Oberfläche 41 der ersten Schicht 42 herausragende Strukturen 42s mit einer ersten Härte Hl umfasst; des Auftragens 120 einer zweiten Schicht 43 aus einem Material mit einer zweiten Härte H2 kleiner der ersten Härte Hl, wobei eine Schichtdicke D43 der zweiten Schicht 43 so bemessen ist, dass die zweite Schicht 43 die aus der ersten Schicht 42 herausragenden Strukturen 42s zumindest teilweise überdeckt; des zumindest teilweisen Abtragens 130 der aus der zweiten Schicht 43 herausragenden Strukturen 42s der ersten Schicht 42 durch eine Materialabtragungseinheit 7 im Falle der nicht vollständiger Überdeckung der Strukturen 42s durch die zweite Schicht 43, oder des teilweisen Abtragens 140 der zweiten Schicht 43 mittels der Materialabtragungseinheit 7 bei vollständiger Überdeckung der Strukturen 42s der ersten Schicht 42 durch die zweite Schicht 43. Hierbei kann das Abtragen 130 der Strukturen 42s durchgeführt werden, indem die Materialabtragungseinheit 7 die Strukturen 42s verdampft oder aufschmilzt, vorzugsweise wird dafür als Materialabtragungseinheit 7 der Laserauftragschweißkopf 3 verwendet. Alternativ wird bei vollständiger Überdeckung der Strukturen 42s das Abtragen 140 der zweiten Schicht 43 durchgeführt, indem die Materialabtragungseinheit 7 die zweite Schicht 43 vollflächig zumindest bis zum Erreichen der Strukturen 42s abträgt, wobei ein Stoppen 150 des Abtragens 140 der zweiten Schicht 43 erfolgt, wenn zumindest die höchste oder einige der höchsten aus der Oberfläche der ersten Schicht 42 herausragenden Strukturen 42s von der Materialabtragungseinheit 7 in Folge des Abtragungsvorgangs 130 erreicht sind. Dafür umfasst das Verfahren den weiteren Schritt eines Erkennens 160 eines Übergangs U im Abtragungsvorgang 140 zwischen der alleinigen Abtragung des Materials mit zweiter Härte H2 zu einer zumindest teilweisen Abtragung der Strukturen 42s mit erster Härte Hl mittels eines Sensors 71 der Materialabtragungseinheit 7. Ist der Übergang U noch nicht erreicht („N“), so wird der Abtragungsvorgang fortgesetzt. Ist dagegen der Übergang erreicht („J“), wird der Abtragungsvorgang gestoppt. Dazu kann der Sensor 71 die sich am Übergang U ändernden mechanischen, optischen und/oder akustischen Eigenschaften des abzutragenden Materials erkennen. In manchen Ausführungsformen umfasst das Verfahren vor dem Aufträgen 110 der ersten Schicht 42 den weiteren Schritt des Auftragens 170 einer dritten Schicht 44 oder weiterer Schichten auf das Bauteil 4 umfasst, auf die dann die erste Schicht 42 aufgetragen wird. Es ist zudem für einen effektiven Herstellungsprozess vorteilhaft, wenn sich die Materialabtragungseinheit 7 analog zu dem Laserschweißköpf 3 über die Oberfläche 41 des Bauteils 4 bewegt. Zeitlich verkürzen lässt sich der Laserauftragsschweißprozess durch ein Verwenden von mehreren Laserschweißköpfen 3 in der Vorrichtung 1 zu einer (quasi-) simultanen Materialauftragung, wobei alle Laserschweißköpfe 3 in der Vorrichtung 1 mit dem aufzutragenden Material M und mit Laserstrahlung L zur Durchführung des Laserauftragschweißens versorgt werden. Das mit dem erfmdungsgemäßen Verfahren hergestellte Produkt ist ein Bauteil 4' mit einer Oberfläche 41, auf die eine erste Schicht 42 aus einem Material M, das aus der Oberfläche der ersten Schicht 42 herausragende Strukturen 42s mit einer ersten Härte Hl umfasst, aufgetragen ist, und wobei auf die erste Schicht 42 eine zweite Schicht 43 aus einem Material M mit einer zweiten Härte H2 kleiner der ersten Härte Hl aufgetragen ist, wobei die zweite Schicht 43 die aus der ersten Schicht 42 herausragenden Strukturen 42s zumindest teilweise überdeckt und eine Oberfläche der zweiten Schicht 43 beziehungsweise die Strukturen 42s nach dem Aufträgen der ersten und zweiten Schichten 42, 43 so gestaltet wurden, dass die Strukturen 42s nicht mehr aus der zweiten Schicht 43 herausragen. Zu den weiteren Details der erste, zweiten und ggf. dritten Schicht siehe die Beschreibung zu Fig.l.

Es versteht sich, dass es sich bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel lediglich um eine erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt. Insofern beschränkt sich die Ausgestaltung der Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel.

Bezugszeichenliste

1 erfmdungsgemäße Vorrichtung zum Laserauftragschweißen

2 Laserauftragschweißeinheit

3 Laserauftragschweißkopf

31 Laserschweißpunkt

4 Bauteil zum Beginn des Laserauftragschweißen

4' Bauteil mit aufgetragenen Schichten

41 Oberfläche des Bauteils

42 erste Schicht

42s aus der ersten Schicht herausragende Strukturen

42b nachbehandelte aus der ersten Schicht herausragende Strukturen

43 zweite Schicht

44 dritte Schicht

5 Materialquelle

6 Laserstrahlquelle

7 Materialabtragungseinheit

71 Sensor der Materialabtragungseinheit

100 erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Laserauftragschweißen

110 Aufträgen zumindest einer ersten Schicht auf die Oberfläche des Bauteils

120 Aufträgen einer zweiten Schicht auf die erste Schicht

130 Zumindest teilweises Abtragen der aus der zweiten Schicht herausragenden Strukturen mittels der Materialabtragungseinheit

140 teilweises Abtragen der zweiten Schicht mittels der Materialabtragungseinheit

150 Stoppen des Abtragens

160 Erkennen eines Übergangs im Abtragungsvorgang zwischen der alleinigen Abtragung des Materials mit zweiter Härte zu einer zumindest teilweisen Abtragung des Strukturen mit erster Härte

170 Aufträgen einer dritten Schicht zwischen Bauteil und erster Schicht D Rotationsachse des Bauteils beim Laserauftragschweißen

D43 Schichtdicke der zweiten Schicht

Hl erste Härte der aus der ersten Schicht herausragenden Strukturen

H2 zweite Härte der zweiten Schicht

H3 dritte Härte des Matrixmaterials

Hs Höhe der Struktur

M aufzutragendes / aufgetragenes Material

MM Matrixmaterial des Verbundmaterials der ersten Schicht

MS Auftragschweißspur des aufgebrachten Materials auf der Oberfläche des Bauteils bzw. Schicht aus aufgebrachtem Material L Laserlicht

PI höchster Punkt einer Struktur

P2 tiefster Punkt einer Struktur

RI erster Versatz benachbarter Laserschweißpunkte zueinander senkrecht zur

V or Schußrichtung

R2 zweiter Versatz benachbarter Laserschweißpunkte zueinander in Vorschubrichtung

RB Rotation Bauteil während des Laserauftragschweißens

U Übergang zwischen der alleinigen Abtragung des Material mit zweiter Härte zu einer zumindest teilweisen Abtragung der Strukturen mit erster Härte VM Verbundmaterial der ersten Schicht aus Matrixmaterial und Strukturen im Matrixmaterial

VR Vorschubrichtung des Laserauftragschweißkopfes