DE102005058172A1 - Laser treatment unit comprises a head with a zoom optical unit and a nozzle head section - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Lasermaterialbearbeitung mit einem Bearbeitungskopf, der eine Zoom-Optik, eine sich daran anschließende Justageeinrichtung und einen Düsenkopf, koaxial aufgebaut, aufweist, wobei der Düsenkopf eine axial angeordnete Strahlaustrittsöffnung für die Laserstrahlung sowie für ein Schutzgas und Pulveraustrittsbohrungen mit Pulveraustrittsöffnungen aufweist, wobei die Achsen der Pulveraustrittsbohrungen die Achse der Strahlaustrittsöffnung schneiden und wobei im Bereich des/der Schnittpunkts/Schnittpunkte ein Pulverfokus gebildet wird.The The present invention relates to an apparatus for laser material processing with a machining head that has a zoom lens, one attached to it subsequent Adjusting device and a nozzle head, coaxially constructed, wherein the nozzle head has an axially arranged Blast opening for the Laser radiation as well as for a protective gas and powder outlet holes with powder outlet openings having, wherein the axes of the powder outlet holes the axis cut the jet exit opening and wherein in the area of the point of intersection / points of intersection a powder focus is formed.
Eine solche Vorrichtung ist allgemein bekannt und wird unter anderem für das Laserstrahl-Auftragschweißen eingesetzt. Das Laserstrahl-Auftragschweißen mit pulverförmigen Zusatzwerkstoffen wird für die Instandsetzung, den Verschleiß- und Korrosionsschutz in den Bereichen des Werkzeug-, des Formen-, des Triebwerk- und des Maschinenbaus eingesetzt. Der Zusatzwerkstoff wird hierbei pulverförmig in die Wechselwirkungszone des Laserstrahls mit dem zu bearbeitenden Werkstoff zugeführt, aufgeschmolzen und mit dem Grundwerkstoff verbunden. Aufgrund der geringen Wärmeeinbringung in das Substrat werden geringe Aufmischungsgrade (< 10%) bei geringen Verzügen des Bauteils realisiert. Die Pulverzufuhr bringt sowohl werkstoff- als auch prozesstechnisch mehrere Vorteile gegenüber einer Drahtzufuhr mit sich, die sich in der Qualität der Schicht äußern und den Forderungen, wie artgleiches Auftragschweißen und erzielbare Härte, Rechnung tragen. Zunehmend wird das Laserstrahl-Auftragschweißen auch für 3D-Applikationen eingesetzt.A such device is well known and among others for the Laser cladding used. Laser beam buildup welding with powdered filler materials is for repair, wear and corrosion protection in the areas of tool, mold, engine and mechanical engineering used. The filler material in this case is powdered in the interaction zone of the laser beam with the processed Supplied material, melted and connected to the base material. Due to the low heat input in the substrate are low degrees of mixing (<10%) at low distortions realized the component. The powder feed brings both material as well as procedurally several advantages over a wire feed with it, which is in quality express the layer and the requirements, such as overlay welding and achievable hardness bill wear. Increasingly, the laser beam buildup welding is also for 3D applications used.
Um die Spurbreite beim Laserstrahl-Auftragschweißen zu variieren, wird im allgemeinen der Abstand zwischen der Optik und der Oberfläche verstellt (wird als "Defokussieren" bezeichnet); beim Laserstrahl-Auftragschweißen werden Spurbreiten von ca. 0,5 mm bis zu mehreren mm (abhängig von der zur Verfügung stehenden Laserleistung, der Wellenlänge und dem optischen System) erzeugt.Around the track width in laser cladding welding will generally vary the distance between the optics and the surface is adjusted (referred to as "defocusing"); at the Laser cladding Track widths from about 0.5 mm to several mm (depending on the available standing laser power, the wavelength and the optical system) generated.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, dass sie ein Auftragschweißen dreidimensional bei einer Verkippung der Anordnung von bis zu 90° zur Vertikalen (z.B. Schweißposition (PF (Steigposition), PG (Fallposition), PC (Querposition)) nach DIN EN ISO 6947 ermöglicht, weiterhin die Möglichkeit bietet, mit zusätzlichen Maßnahmen einen variablen Strahldurchmesser zu erzeugen und für unterschiedliche Strahldurchmesser eine Leistungsdichteverteilung zu erzeugen, die möglichst nahe an einer Top-Hat-Verteilung liegt, und bei der mit einfachen Maßnahmen eine optische Teach-Hilfe, die einen Teach-Vorgang vor dem Laserstrahl-Auftragschweißen unterstützt, angewandt werden kann.Of the present invention is based on the object, a device of the type specified above in such a way that it is a build-up welding three-dimensional with a tilt of the assembly of up to 90 ° to the vertical (e.g., welding position (PF (rising position), PG (falling position), PC (transverse position)) DIN EN ISO 6947 allows continue the opportunity offers, with additional activities to create a variable beam diameter and for different Beam diameter to produce a power density distribution, the preferably is close to a top hat distribution, and in the case of simple top Measures one optical teach aid, which supports a teach process prior to laser cladding, applied can be.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den eingangs angegebenen Merkmalen, die dadurch gekennzeichnet ist; dass mindestens drei Pulveraustrittsöffnungen vorgesehen sind, die unter gleichen Abständen zueinander um die Strahlachse herum verteilt sind, dass der jeweilige Winkel α zwischen der Strahlachse und der Achse der jeweiligen Pulveraustrittsbohrung zwischen 5° und 45° liegt und dass der Rand der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung in einer Ebene liegt. Wesentlich ist, dass mit dieser Anordnung und Ausgestaltung der Düsen ein 3D-Auftragschweißen vorgenommen werden kann und dass auch bei Verkippen des Bearbeitungskopfes ein Auftragschweißen in Richtung bis zu 90° zur Horizontalen erfolgen kann, ohne dass dadurch die Qualität der Auftragschweißung herabgesetzt wird.Is solved This object by a device with the above-mentioned Features characterized; that at least three Powder exit openings are provided, which at equal distances from one another about the beam axis are distributed around that the respective angle α between the beam axis and the axis of the respective powder outlet bore is between 5 ° and 45 ° and that the edge of the respective powder outlet opening lies in a plane. It is essential that with this arrangement and design of the Nozzles made a 3D surfacing can be and that also when tilting the machining head a Cladding in the direction of up to 90 ° to the horizontal can be done without thereby reducing the quality of surfacing becomes.
Für eine weiter optimierte Verteilung des Pulvers in der Bearbeitungsebene sollte der Rand der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung in einer Ebene liegen. Dadurch wird ein gleichmäßiger Strahlkegel des Pulvers zu der Strahlachse des Lasers hin erreicht, was wesentlich dann ist, wenn eine Bearbeitung von stark konturierten Werkstücken dreidimensional erfolgen soll, d.h. wenn der Bearbeitungskopf den Konturen des Werkstücks nachgeführt werden muss. Aus gleichem Grund ist es bevorzugt, dass sich die Achsen der Pulveraustrittsbohrungen in einem gemeinsamen Punkt, den Pulverfokus bildend, auf der Strahlachse schneiden.For a further Optimized distribution of the powder in the working plane should be the edge of the respective powder outlet opening lie in a plane. Thereby becomes a uniform beam cone the powder reaches the beam axis of the laser, which is essential then, if a machining of highly contoured workpieces is three-dimensional should take place, i. when the machining head track the contours of the workpiece got to. For the same reason, it is preferable that the axes of the Pulver exit holes in a common point, the powder focus forming, cutting on the beam axis.
Für die Pulveraustrittsöffnungen hat sich jeweils ein Durchmesser von 0,5 mm bis 3 mm als geeignet erwiesen, um die erforderlichen Pulvermengen gleichmäßig verteilt in die Bearbeitungsebene zuzuführen.For the powder outlet openings each has a diameter of 0.5 mm to 3 mm as appropriate proven to evenly distributed the required amounts of powder into the processing level.
Um die erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Pulvers durch die Pulveraustrittsbohrungen und eine gleichförmige Pulvermenge, die von den Pulveraustrittsöffnungen abgegeben wird, zu erreichen, sollten die Bohrungen mit einer Oberflächenrauheit Rz ≤ 1 μm bearbeitet werden. Dadurch werden gleichmäßige Strömungen innerhalb der Bohrungen und damit auch ein effektiver Transport des Pulvers durch die Bohrungen erreicht.In order to achieve the required flow velocities of the powder through the powder exit holes and a uniform amount of powder discharged from the powder outlets, the holes should be machined with a surface roughness R z ≤ 1 μm. As a result, uniform flows within the holes and thus an effective transport of the powder through the holes can be achieved.
Um die Vorrichtung den Anforderungen entsprechend einstellen und justieren zu können, sind zwei Einrichtungen vorgesehen, die eine optische Teach-Hilfe bilden, die jeweils eine Referenzmarkierung in der Ebene des Pulverfokus abbilden. Dadurch kann erreicht werden, dass vor, aber auch online während der Bearbeitung, der Pulverfokus optimal in der Bearbeitungsebene eingestellt wird. Zum Erzeugen einer solchen Referenzmarkierung kann mindestens eine Zusatzbohrung im Düsenkopf vorgesehen sein, deren Bohrungsachse den Pulverfokus schneidet. Über eine solche Bohrung wird eine Referenzmarkierung erzeugt, die dann mit einer zweiten Referenzmarkierung in Deckung gebracht wird, um einen korrekten Arbeitsabstand des Bearbeitungskopfs zu der Bearbeitungsebene einzustellen. Beide Referenzmarkierungen können über zwei Zusatzbohrungen in der Bearbeitungsebene erzeugt werden.In order to be able to adjust and adjust the device according to the requirements, two devices are provided which form an optical teach aid, each of which images a reference mark in the plane of the powder focus. This can be achieved that before, but also online during processing, the powder focus is optimally adjusted in the working plane. For generating such a reference mark mindes least one additional bore be provided in the nozzle head, the bore axis intersects the powder focus. Such a bore creates a reference mark which is then registered with a second reference mark to set a correct working distance of the machining head to the working plane. Both reference marks can be created via two additional holes in the working plane.
Um die Referenzmarkierungen zu erfassen, kann eine Kamera vorgesehen werden; hierbei ist es bevorzugt, dass zumindest eine Referenzmarkierung in der Bearbeitungsebene mit einer Kamera über einen optischen Weg entlang der Strahlachse abgebildet wird.Around To detect the reference marks, a camera may be provided become; In this case, it is preferred that at least one reference mark in the working plane with a camera along an optical path the beam axis is imaged.
Eine einfache, allerdings wirkungsvolle, Ausgestaltung ergibt sich dann, wenn die Referenzmarkierung durch ein Fadenkreuz gebildet wird.A simple, but effective, design results then, if the reference mark is formed by a crosshair.
Für einen automatisierten Ablauf der Einstellung des korrekten Abstands des Bearbeitungskopfs zu der Bearbeitungsebene wird eine Auswerteeinheit vorgesehen, die die Referenzmarkierungen auswertet und bei einer Abweichung einer Überdeckung der Referenzmarkierungen zueinander über eine Nachführeinheit den Abstand des Bearbeitungskopfs zu der Bearbeitungsebene, die Überdeckung der Referenzmarkierungen wiederherstellend, ändert.For one automated process of setting the correct distance of the Processing head to the working plane an evaluation unit is provided, which evaluates the reference marks and a deviation a cover the reference marks to each other via a tracking unit the distance of the machining head to the working plane, the overlap Restoring reference marks changes.
Um eine passende Verteilung der Laserstrahlung in der Bearbeitungsebene relativ zu der Spurbreite, die entlang des Werkstücks eingehalten werden soll, und der auf das Werkstück aufgebrachten Pulvermengen, zu erreichen, werden bevorzugt Mittel vorgesehen, die im Pulverfokus eine sogenannte Top-Hat-Verteilung der Leistungsdichte des Laserstrahls erzeugen. Eine solche Verteilung zeigt ein annähernd rechteckiges Verteilungsprofil der Leistungsdichte.Around a suitable distribution of the laser radiation in the working plane relative to the track width maintained along the workpiece should, and the on the workpiece To achieve applied powder quantities, are preferred means provided in the powder focus a so-called top hat distribution generate the power density of the laser beam. Such a distribution shows an approximate rectangular distribution profile of the power density.
Eine solche Top-Hat-Verteilung kann durch die Abbildung der aus einer Lichtleitfaser austretenden Laserstrahlung erzeugt werden.A such top hat distribution can be made by mapping one out of a Optical fiber emerging laser radiation can be generated.
Vorzugsweise wird bei gleichbleibendem Durchmesser des Pulverfokus in der Bearbeitungsebene der dem Pulverfokus überlagerte Strahlquerschnitt der Laserstrahlung über die Zoom-Optik verändert. Über eine Einrichtung für die automatische Verstellung der Zoom-Optik ist weiterhin die Möglichkeit gegeben, die Spurbreite während des Bearbeitungsprozesses zu verändern. Hierdurch wird ein vorher festgelegter TCP eingehalten.Preferably is at the same diameter of the powder focus in the working plane which overlaid the powder focus Beam cross section of the laser radiation changed via the zoom optics. Over a Facility for the automatic adjustment of the zoom optics is still the possibility given the track width during of the machining process. This will maintain a predetermined TCP.
Mit einem Beschichtungskopf, bestehend aus einer Zoom-Optik für Festkörper- oder Diodenlaser und einer Dreistrahl-Pulverzufuhrdüse, kann ein 3D-Auftragschweißen mit variablen Spurbreiten und konstantem TCP realisiert werden.With a coating head consisting of a zoom optics for solid state or Diode laser and a three-jet powder feed nozzle, can use a 3D build-up welding variable track widths and constant TCP can be realized.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei drei neue Komponenten vereinen:
- – eine Dreistrahl-Pulverdüse, die ein Auftragschweißen in Zwangslagen bei einer Verkippung von bis zu 90° zur Horizontalen ermöglicht,
- – eine Zoom-Optik, die einen variablen Strahldurchmesser erzeugt und für möglichst viele Strahldurchmesser eine Leistungsdichteverteilung (LDV) erzeugt, die möglichst nahe an der „Top-Hat" Verteilung liegt,
- – und eine „optische" Teach-Hilfe, die den Teach-Vorgang vor dem Laserstrahl-Auftragschweißen unterstützt.
- - A three-jet powder nozzle, which allows a build-up welding in predicaments with a tilt of up to 90 ° to the horizontal,
- A zoom optics which generates a variable beam diameter and generates as many beam diameters as possible a power density distribution (LDV) which is as close as possible to the top hat distribution,
- - and an "optical" Teach-Aid, which supports the teach process before the laser beam buildup welding.
Mit der Erfindung ist es möglich, variable Spurbreiten beim 3D-Laserstrahl-Auftragschweißen zu realisieren, ohne den Arbeitsabstand (Abstand zwischen Oberseite des Gehäuses der Zoom-Optik zu der Bearbeitungsebene) zu verändern. Dabei wird eine Leistungsdichteverteilung realisiert, die möglichst nahe an einer „Top-Hat" Verteilung liegt. Zusätzlich ist es möglich, in Zwangslagen von bis zu 90° zur Vertikalen das Auftragschweißen durchzuführen. Für das Teachen wird zusätzlich eine optische Teach-Hilfe integriert, die zum korrekten Einstellen des Abstandes der Düse zur Oberfläche genutzt werden kann.With the invention it is possible realize variable track widths in 3D laser cladding without the Working distance (distance between top of the housing of the Zoom optics to the working plane) to change. This is a power density distribution realized as possible close to a "top-hat" distribution. additionally Is it possible, in predicaments of up to 90 ° to Vertical surfacing perform. For the tea will be added integrated an optical teach-aid that is used to correctly set the Distance of the nozzle to the surface can be used.
Beim Einsatz von zwei Diodenlasern ist der korrekte Arbeitsabstand erreicht, wenn die zwei Diodenlaserstrahlen in der Bearbeitungsebene übereinander liegen. Dies wird durch den Bediener oder eine Auswerteeinheit überprüft, und gegebenenfalls wird der Arbeitsabstand nachgeführt.At the Use of two diode lasers has reached the correct working distance, when the two diode laser beams in the working plane are superimposed lie. This is checked by the operator or an evaluation unit, and if necessary, the working distance is tracked.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.Further Details and features of the invention will become apparent from the following Description of exemplary embodiments based on the drawings.
In der Zeichnung zeigtIn the drawing shows
Der
Bearbeitungskopf, der in
Der
Düsenkopf
In
dem Düsenkopf
Insbesondere
in
Der
Bearbeitungskopf besteht somit im Wesentlichen aus drei Komponenten,
einer Zoom-Optik, einem Düsenkopf
Neben
den drei Pulveraustrittsbohrungen
In
Während in
Beim
Einsatz von fasergekoppelten Festkörperlasern oder Diodenlasern
ergibt sich zusätzlich eine
starke Variation in der Leistungsdichteverteilung (LDV). Während die
LDV im Fokus eine "Top-Hat" Verteilung aufweist,
besitzt die LDV im defokussierten Zustand (Position
Eine Möglichkeit, variable Spurbreiten zu erzeugen, ist der Einsatz einer adaptiven Optik. Bei feststehendem Arbeitsabstand und feststehender Beschichtungsdüse wird die Spurbreite durch eine Veränderung der Krümmung von Spiegeln eingestellt.A Possibility, generating variable track widths is the use of an adaptive Look. At fixed working distance and fixed coating nozzle is the track width through a change the curvature set of mirrors.
Die
Arbeitsweise der Anordnung, wie sie vorstehend beschrieben ist,
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
Die
Pulverzufuhr erfolgt mittels der drei Pulveraustrittsöffnungen
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