DE102005058172B4

DE102005058172B4 - Device for laser material processing

Info

Publication number: DE102005058172B4
Application number: DE102005058172A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Gasser; Jana Kelbassa; Günter Neumann; Matthias Miessen
Original assignee: REISPROLAS LASERTECHNIK GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: REISPROLAS LASERTECHNIK GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2025-12-06
Also published as: DE102005058172A1

Abstract

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 mindestens drei Pulveraustrittsbohrungen mit Pulveraustrittsöffnungen aufweist, die unter gleichen Abständen zueinander um die Strahlachse herum verteilt sind, wobei der jeweilige Winkel α zwischen der Strahlachse und der Achse der jeweiligen Pulveraustrittsbohrung zwischen 5° und 45° liegt, wobei der Rand der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung in einer Ebene liegt, wobei die Achsen der Pulveraustrittsbohrungen die Achse der Strahlaustrittsöffnung schneiden und wobei im Bereich des/der Schnittpunkts/Schnittpunkte ein Pulverfokus gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zusatzbohrung (16) im Düsenkopf (5) zur Erzeugung mindestens einer Referenzmarkierung in der Bearbeitungsebene (8) vorgesehen ist, deren Bohrungsachse den Pulverfokus schneidet, dass Mittel vorgesehen sind, die in der Bearbeitungsebene (8) eine Top-Hat-Leistungsdichteverteilung erzeugen und dass bei gleichbleibendem Arbeitsabstand (23) in der Bearbeitungsebene...contraption for the Laser material processing with a machining head, the zoom optics, a adjoining it 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 at least three powder outlet holes with powder outlet openings has, at equal distances from each other about the beam axis are distributed around, wherein the respective angle α between the beam axis and the axis of the respective powder outlet bore is between 5 ° and 45 °, wherein the edge of the respective powder outlet opening lies in one plane, wherein the axes of the powder outlet holes intersect the axis of the jet outlet opening and wherein in the area of the point of intersection / points of intersection a powder focus is formed, characterized in that at least one additional bore (16) in the nozzle head (5) for generating at least one reference mark in the working plane (8) is provided, whose bore axis intersects the powder focus, in that means are provided which in the working plane (8) have a Generate top hat power density distribution and that at constant Working distance (23) in the working plane ...

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 mindestens drei Pulveraustrittsbohrungen mit Pulveraustrittsöffnungen aufweist, die unter gleichen Abständen zueinander um die Strahlachse herum verteilt sind, wobei der jeweilige Winkel α zwischen der Strahlachse und der Achse der jeweiligen Pulveraustrittsbohrung zwischen 5° und 45° liegt, wobei der Rand der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung in einer Ebene liegt, 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 at least three powder outlet holes with powder outlet openings has, at equal distances from each other about the beam axis are distributed around, wherein the respective angle α between the beam axis and the axis of the respective powder outlet bore is between 5 ° and 45 °, wherein the edge of the respective powder outlet opening lies in one plane, wherein the axes of the powder outlet holes intersect the axis of the jet outlet opening and wherein in the area of the point of intersection / points of intersection a powder focus is formed.

Eine solche Vorrichtung ist aus der US 5 961 862 A2 bekannt und wird unter anderem für das Laserstrahl-Auftragschweißen eingesetzt.Such a device is from the US 5 961 862 A2 known and is used inter alia for laser beam buildup welding.

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.The Laser cladding with powdery Additional materials is used 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.

Das Dokument BEYER, E., WISSENSACH, K.: Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung, Berlin, u.a., Springer Verlag, 1998, S. 235, 300-302. ISBN: 3-540-63224-7, beschreibt auf Seite 235 drei unterschiedliche Düsenarten für die Zuführung von Pulver, und zwar eine "Off-Axis-Düse", eine "Mehrstrahl-Düse" sowie eine "Koaxial-Düse". Auf den Seiten 300-302 werden verschiedene Verfahrensparameter, die diese Düsen betreffen, behandelt. Auf Seite 301 ist schematisch der Aufbau einer Off-Axis-Düse und einer Koaxial-Düse dargestellt.The Document BEYER, E., WISSENSACH, K .: Surface treatment with laser radiation, Berlin, et al., Springer Verlag, 1998, p. 235, 300-302. ISBN: 3-540-63224-7, describes on Page 235 three different nozzle types for the supply of powder, namely an "off-axis nozzle", a "multi-jet nozzle" and a "coaxial nozzle". On the pages 300-302, various process parameters relating to these nozzles, treated. On page 301 is the schematic structure of an off-axis nozzle and a Coaxial nozzle shown.

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. Now is the object of 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 (lateral 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 close to a top hat distribution and with simple measures an optical teach aid, which assists a teach process prior to laser cladding can be.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den eingangs angegebenen Merkmalen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eine Zusatzbohrung im Düsenkopf zur Erzeugung mindestens einer Referenzmarkierung in der Bearbeitungsebene vorgesehen ist, deren Bohrungsachsen den Pulverfokus schneidet, dass Mittel vorgesehen sind, die in der Bearbeitungsebene eine Top-Hat-Leistungsdichteverteilung erzeugen und dass bei gleichbleibendem Arbeitsabstand in der Bearbeitungsebene der dem Pulverfokus überlagerte Strahlquerschnitt der Laserstrahlung mit der Zoom-Optik veränderbar ist.Is solved This object by a device with the above-mentioned Characteristics, characterized in that at least one Additional hole in the nozzle head for generating at least one reference mark in the working plane is provided whose bore axes intersect the powder focus, in that means are provided which have a top hat power density distribution in the processing level generate and that at the same working distance in the working plane the beam cross section superimposed on the powder focus the laser radiation with the zoom optics is changeable.

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.Essential is that with this arrangement and design of the nozzles a 3D build-up welding done can be and that also when tilting the machining head a Cladding in the direction of up to 90 ° to Horizontal can be done without thereby reducing the quality of surfacing becomes.

Der Rand der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung liegt in einer Ebene. 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.Of the Edge of the respective powder outlet opening lies in a plane. This will create 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 the powder outlet 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 in each case a diameter of 0.5 mm to 3 mm has been found suitable to the required Pulvermen evenly distributed in the working plane.

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 R_z ≤ 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.Around adjust and adjust the device according to the requirements to be able to Two facilities are provided which provide an optical teach aid each forming a reference mark in the plane of the powder focus depict. This can be achieved before, but also online during the Machining, the powder focus optimally adjusted in the working plane becomes.

Zum Erzeugen einer solchen Referenzmarkierung ist mindestens eine Zusatzbohrung im Düsenkopf vorgesehen, 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.To the Generating such a reference mark is at least one additional bore in the nozzle head provided, the bore axis intersects the powder focus. Over a such hole is a reference mark generated, which then with a second reference mark is brought to a correct working distance of the machining head to the machining plane adjust. Both reference marks can be made via two additional holes in the machining plane are generated.

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 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 amount of powder applied, means are provided for in the powder focus a so-called top-hat distribution of power density of the laser beam. Such a distribution shows an approximately rectangular Distribution profile of 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.

The device according to the invention can combine three new components:

- 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 an optical teach aid integrated, which used to correctly adjust the distance of the nozzle to the surface can be.

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. In der Zeichnung zeigtFurther Details and features of the invention will become apparent from the following Description of exemplary embodiments based on the drawings. In the drawing shows

1 eine Außenansicht eines Bearbeitungskopfes, 1 an external view of a machining head,

2 eine Schnittdarstellung einer Pulverzuführdüse, wie sie auch in dem Bearbeitungskopf der 1 einsetzbar ist, in einer Schnittdarstellung, 2 a sectional view of a powder feed, as well as in the machining head of 1 can be used, in a sectional view,

3 das Prinzip einer Teach-Hilfe, die in dem Bearbeitungskopf der 1 integrierbar ist, in einer ersten Ausführungsform, 3 the principle of a teaching aid that in the machining head of 1 integrable, in a first embodiment,

4 das Prinzip einer Teach-Hilfe, die in dem Bearbeitungskopf der 1 integrierbar ist, in einer zweiten Ausführungsform, 4 the principle of a teaching aid that in the machining head of 1 integrable, in a second embodiment,

5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Variation der Spurbreite durch „Defokussieren" beim Laserstrahl-Auftragschweißen sowie Diagramme der Leistungsdichteverteilung an den verschiedenen Positionen, und 5 a schematic representation for explaining the variation of the track width by "defocusing" in the laser beam buildup welding and diagrams of the power density distribution at the various positions, and

6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Bearbeitungskopfes, sowie Diagramme der Leistungsdichteverteilung für zwei Positionen der Zoom-Optik. 6 a schematic representation for explaining the operation of the machining head, and diagrams of the power density distribution for two positions of the zoom optics.

Der Bearbeitungskopf, der in 1 gezeigt ist, umfasst ein Gehäuse 1, in dem eine Zoom-Optik, angedeutet durch ein Linsenpaket 2, aufgenommen ist. Unterhalb des Gehäuses 1 befindet sich eine Justageeinrichtung 3, an die sich eine Düsenaufnahme 4 anschließt, an der ein Düsenkopf 5 gehalten ist. Der gesamte Bearbeitungskopf ist koaxial um eine Achse 6 aufgebaut. In diesen Bearbeitungskopf wird Laserstrahlung 7 von einer nicht näher dargestellten Laserquelle über eine Strahleintrittslinse eingestrahlt, insbesondere über eine optische Lichtleitfaser. Die über die Strahleintrittslinse aufgeweitete Laserstrahlung Verläuft in dem Bearbeitungskopf entlang der Achse 6. Über das Linsenpaket 2 erfolgt eine Fokussierung der Strahlung auf eine Bearbeitungsebene, die in 1 mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet ist.The machining head, which is in 1 is shown comprises a housing 1 in which a zoom lens, indicated by a lens package 2 , recorded. Below the case 1 there is an adjustment device 3 to which a nozzle holder 4 connects, at the a nozzle head 5 is held. The entire machining head is coaxial about an axis 6 built up. In this machining head is laser radiation 7 irradiated by a laser source, not shown, via a beam entrance lens, in particular via an optical fiber. The laser radiation spread over the beam entrance lens runs along the axis in the machining head 6 , About the lens package 2 the radiation is focused on a working plane which is in 1 with the reference number 8th is designated.

Der Düsenkopf 5 besitzt einen konusförmigen Grundkörper 9, wie dies insbesondere auch in der Schnittdarstellung der 2 zu sehen ist, der Kanäle 10 zur Wasserkühlung aufweist.The nozzle head 5 has a cone-shaped main body 9 , as in particular in the sectional view of the 2 you can see the channels 10 For water cooling has.

In dem Düsenkopf 5 sind drei gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnete Pulveraustrittsbohrungen 11 ausgebildet, deren Achsen 12 unter einem Winkel von etwa 5° bis 45° zu der Achse 6 des Bearbeitungskopfs verlaufen. Am oberen Ende der Pulveraustrittsbohrung 11 befindet sich ein Anschlusssockel 13 für eine Pulverzuführung; die Pulveraustrittsöffnung 14 der jeweiligen Pulveraustrittsbohrung 11 ist unmittelbar angrenzend an eine Strahlaustrittsöffnung 15 für die Laserstrahlung des Düsenkopfs 5 positioniert. Wie anhand der 2 angedeutet ist, sind die einzelnen Pulveraustrittsbohrungen 11 so gebohrt, dass sich deren Achsen 12 in einem gemeinsamen Punkt auf der Achse 6 schneiden, so dass im Schnittpunkt, der vorzugsweise in die Bearbeitungsebene 8 gelegt wird, ein Pulverfokus entsteht, wo sich die drei Pulverstrahlen vereinigen.In the nozzle head 5 are three evenly distributed around the circumference arranged powder outlet holes 11 formed, whose axes 12 at an angle of about 5 ° to 45 ° to the axis 6 of the machining head. At the upper end of the powder outlet bore 11 there is a connection socket 13 for a powder feed; the powder outlet opening 14 the respective powder outlet bore 11 is immediately adjacent to a jet outlet opening 15 for the laser radiation of the nozzle head 5 positioned. As based on the 2 is indicated, the individual powder outlet holes 11 so drilled that their axes 12 in a common point on the axis 6 cut so that at the intersection, preferably in the working plane 8th a powder focus is created, where the three powder beams unite.

Insbesondere in 2 ist zu erkennen, dass der Rand der Pulveraustrittsöffnung, die in 2 im Schnitt zu sehen ist, in einer Ebene liegt, was bedeutet, dass die Kegelfläche des Düsenkopfs 5 im Bereich der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung abgeflacht ist. Mit dieser Maßnahme wird ein definierter Strahlquerschnitt des aus der Pulveraustrittsöffnung 14 austretenden Pulverstrahls erreicht. Die Ebene, in der der Rand der jeweiligen Pulveraustrittsöffnung 14 liegt, kann senkrecht zu der Achse 12 der Pulveraustrittsbohrung 11 liegen. Um eine gleichmäßige, möglichst verwirbelungsfreie Strömung innerhalb der Pulveraustrittsbohrungen 11 zu erhalten, sind diese in ihrer Oberfläche bearbeitet, beispielsweise gerieben; die Oberflächenrauheit R_z wird dabei auf einen Wert ≤ 1 μm bearbeitet.In particular in 2 It can be seen that the edge of the powder outlet opening in 2 can be seen in section, lying in a plane, which means that the conical surface of the nozzle head 5 is flattened in the region of the respective powder outlet opening. With this measure, a defined beam cross section of the out of the powder outlet opening 14 exiting powder jet reached. The plane in which the edge of each powder outlet opening 14 can be perpendicular to the axis 12 the powder outlet hole 11 lie. To a uniform, turbulence-free as possible flow within the powder outlet holes 11 to obtain these are processed in their surface, for example, rubbed; the surface roughness R _z is machined to a value ≤ 1 μm.

Der Bearbeitungskopf besteht somit im Wesentlichen aus drei Komponenten, einer Zoom-Optik, einem Düsenkopf 5 und einer Teach-Hilfe. Die optischen Komponenten und der Düsenkopf werden wassergekühlt, die Zoom-Optik wird zusätzlich mit Gas gespült, damit kein Pulver in das Gehäuse 1 eindringen kann. Der Düsenkopf 5 besitzt ein Schutzglas, das ein Verschmutzen der optischen Komponenten der Zoom-Optik verhindert. Dieses Schutzglas kann ausgetauscht werden, indem der Düsenkopf 5 abmontiert wird, oder optional indem eine Schublade seitlich herausgezogen wird. Der Düsenkopf 5 wird zusätzlich mit einem Schutzgas von innen gespült. Dieses Schutzgas wird zusätzlich zur Abschirmung des Schweißprozesses eingesetzt. Eine weitere Option stellt die Integration einer CCD-Kamera im Bereich der Düsenaufnahme 4 dar, um die zu bearbeitende Oberfläche zu beobachten.The machining head thus consists essentially of three components, a zoom lens, a nozzle head 5 and a teaching aid. The optical components and the nozzle head are water-cooled, the zoom optics are additionally flushed with gas, so that no powder in the housing 1 can penetrate. The nozzle head 5 has a protective glass that prevents fouling of the optical components of the zoom optics. This protective glass can be replaced by the nozzle head 5 or optionally by pulling out a drawer laterally. The nozzle head 5 is additionally rinsed with a protective gas from the inside. This shielding gas is used in addition to shielding the welding process. Another option is the integration of a CCD camera in the area of the nozzle holder 4 to observe the surface to be processed.

Neben den drei Pulveraustrittsbohrungen 11 befindet sich in dem Düsenkopf 5 eine Zusatzbohrung 16, deren Achse unter einem identischen Winkel zu der Achse 6 verläuft wie der Winkel, mit dem die Achsen 12 der Pulveraustrittsbohrungen 11 ausgerichtet sind. Über eine solche Zusatzbohrung 16 wird eine Referenzmarkierung in der Bearbeitungsebene abgebildet, beispielsweise das Licht einer Leuchtdiode. Diese Referenzmarkierung wird zur Justierung (Teach-Hilfe) der Anordnung herangezogen (Einstellung des Arbeitsabstandes 23). Falls eine zweite Referenzmarkierung erforderlich ist, kann eine weitere Zusatzbohrung 16, umfangsmäßig versetzt zu der in 1 zu sehenden Zusatzbohrung 16, vorgesehen werden, was nachfolgend anhand der 3 und 4 erläutert wird.In addition to the three powder outlet holes 11 is located in the nozzle head 5 an additional hole 16 whose axis is at an identical angle to the axis 6 runs like the angle with which the axes 12 the powder outlet holes 11 are aligned. About such additional drilling 16 a reference mark is imaged in the working plane, for example the light of a light emitting diode. This reference marking is used for adjustment (teach aid) of the arrangement (adjustment of the working distance 23 ). If a second reference mark is required, another additional hole may be required 16 , circumferentially offset to the in 1 additional drilling to be seen 16 , what will be provided below based on the 3 and 4 is explained.

In 3 ist oberhalb der Bearbeitungsebene 8 schematisch ein Düsenkopf 5 mit seinem kegelförmigen Grundkörper 9 gezeigt, mit den drei Querschnitten der Pulveraustrittsbohrungen 11 sowie einer Zusatzbohrung 16, durch die die Strahlung 17 einer Laserdiode, als Referenzmarkierung, auf die Bearbeitungsebene 8 abgebildet wird. Weiterhin wird eine zweite Referenzmarkierung in Form eines Fadenkreuzes 18 gebildet, wie dies in den beiden Kamerabildern 19 zu sehen ist. Für die Justierung des Bearbeitungskopfes, d.h. als Teach-Hilfe, werden die beiden Referenzmarkierungen, d.h. zum einen das Laserdiodenlicht 17 und zum anderen der Schnittpunkt 21 des Fadenkreuzes 18, zur Deckung gebracht, wie dies in dem rechten Kamerabild der 3 zu sehen ist.In 3 is above the working plane 8th schematically a nozzle head 5 with its conical body 9 shown with the three cross sections of the powder outlet holes 11 and an additional hole 16 through which the radiation 17 a laser diode, as a reference mark, on the working plane 8th is shown. Furthermore, a second reference mark in the form of a crosshair 18 formed, as in the two camera pictures 19 you can see. For the adjustment of the machining head, ie as a teaching aid, the two reference marks, ie on the one hand, the laser diode light 17 and on the other hand, the intersection 21 of the crosshair 18 , brought to coincidence, as shown in the right camera image of the 3 you can see.

Während in 3 das Laserdiodenlicht 17 zum einen und der Schnittpunkt 21 des Fadenkreuzes 18 die beiden Referenzmarkierungen für die Teach-Hilfe bilden, sind in der schematisch gezeigten Ausführungsform der 4 zwei Zusatzbohrungen 16 vorgesehen, über die jeweils Laserdiodenlicht 20 (Laserdioden im mW Bereich) auf die Bearbeitungsebene 8 geführt wird. Zur Justierung werden die beiden Laserdiodenlichfflecke 20, wie sie beispielhaft in der oberen linken 22 der 4 zu sehen sind, durch Nachführen des Bearbeitungskopfs in Überdeckung gebracht, wie dies in der rechten 22 der 4 gezeigt ist.While in 3 the laser diode light 17 on the one hand and the point of intersection 21 of the crosshair 18 form the two reference marks for the teaching aid are in the schematically shown embodiment of 4 two additional holes 16 provided, via the respective laser diode light 20 (Laser diodes in the mW range) on the working plane 8th to be led. For adjustment, the two Laserdiodenlichfflecke 20 as exemplified in the upper left 22 of the 4 can be seen, brought into coincidence by tracking the machining head, as in the right 22 of the 4 is shown.

5 beschreibt schematisch den Stand der Technik für die Variation des Strahldurchmessers in der Arbeitebene durch „Defokussieren". In 5 sind der Strahlquerschnitt der Laserstrahlung mit einer Fokusposition, einer Arbeitsposition 1 und einer Arbeitsposition 2 sowie den drei diesen Positionen zugeordneten Leistungsdichteverteilungen in den jeweiligen Ebenen gezeigt. Weiterhin sind die Pulverstrahlen, die der Arbeitsposition 1 und der Arbeitsposition 2 zugeordnet sind, angedeutet und mit Pulverdüse Position 1 und Pulverdüse Position 2 bezeichnet. Durch eine Verschiebung der relativen Lage des Bearbeitungskopfes zur Bearbeitungsebene wird der Strahldurchmesser variiert, die Pulverdüse und der entsprechende TCP müssen an die jeweilige Arbeitsposition angepasst werden. 5 describes schematically the state of the art for the variation of the beam diameter in the working plane by "defocusing" 5 are the beam cross section of the laser radiation with a focus position, a working position 1 and a working position 2 and the three power density distributions associated with these positions in the respective planes. Furthermore, the powder jets are the working position 1 and the working position 2 are assigned, indicated and with powder nozzle position 1 and powder nozzle position 2 designated. By shifting the relative position of the machining head to the working plane, the beam diameter is varied, the powder nozzle and the corresponding TCP must be adapted to the respective working position.

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 1 oder 2) eine eher gaussförmige Verteilung, wie dies in 5 dargestelt ist. Für das Laserstrahl-Auftragschweißen eignet sich insbesondere die "Top-Hat" LDV (rechteckige Leistungsdichteverteilung, wie dies in dem oberen Diagramm in 5, der Fokusposition zugeordnet, dargestellt ist), während eine gaussförmige Verteilung zu starken Aufmischungsgraden in der Mitte der Spur (höchste Leistungsdichte) und Bindefehlern am Rand (geringe Leistungsdichte) führen kann.The use of fiber-coupled solid-state lasers or diode lasers additionally results in a strong variation in the power density distribution (LDV). While the LDV has a "top hat" distribution in focus, the LDV is in the defocus state (position 1 or 2 ) a more gaussian distribution, as in 5 is represented. For the laser beam buildup welding, in particular the "top-hat" LDV (rectangular power density distribution, as shown in the upper diagram in FIG 5 , which is shown in the focus position), while a Gaussian distribution can lead to strong levels of mixing in the middle of the track (highest power density) and binding errors at the edge (low power density).

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 6 erläutert. Die Erzeugung eines variablen Strahldurchmessers bei einem gegebenen Arbeitsabstand (in der Bearbeitungsebene 8) erfolgt mittels einer Zoom-Optik, die in 1 in dem Gehäuse 1 angeordnet ist. Durch Verschieben eines Linsenpakets 2 (manuell oder mit einem Zusatzmotor) wird der Durchmesser der Laserstrahlung 7 in der Bearbeitungsebene 8 variiert. Die Auslegung der Optik ist derart, dass die Leistungsdichteverteilung für möglichst viele Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene 8 einer „Top-Hat" Verteilung entspricht, wie dies in der schematischen Darstellung der 6 zu sehen ist. Somit ist es möglich, während der Bearbeitung, die Spurbreite CNC gesteuert zu variieren, wenn die Verstellung motorisch erfolgt, ohne den TCP zu verändern.The operation of the arrangement as described above will be described below with reference to FIG 6 explained. The generation of a variable beam diameter at a given working distance (in the working plane 8th ) takes place by means of a zoom lens, which in 1 in the case 1 is arranged. By moving a lens package 2 (manually or with an additional motor) the diameter of the laser radiation 7 in the working plane 8th varied. The design of the optics is such that the power density distribution for as many beam diameters in the working plane 8th corresponds to a "top hat" distribution, as shown in the schematic representation of 6 you can see. Thus, it is possible, during machining, to vary the track width CNC controlled when the adjustment is motorized, without changing the TCP.

Die Pulverzufuhr erfolgt mittels der drei Pulveraustrittsöffnungen 11 im Düsenkopf 5 (siehe 2); falls erforderlich, sind auch mehr als drei Bohrungen möglich, wobei die Anzahl der Bohrungen allerdings durch den vorhandenen Raum am Düsenkopf 5, insbesondere im Bereich der Strahlaustrittsöffnung 15, begrenzt ist. Der von einem Pulverförderer kommende Pulvermassenstrom wird durch einen nicht näher dargestellten Pulverteiler in drei (oder mehrere) gleiche Pulverstrahlen aufgeteilt. Diese werden zu den Anschlusssockeln 13 der Pulveraustrittsbohrungen 11 zugeführt. Die Bohrungen sind so konzipiert, dass sich die drei Teilpulverstrahlen in einem Punkt treffen. Der Düsenkopf 5 ist so an der Zoom-Optik montiert, dass das Pulver genau in der Bearbeitungsebene 8 der Zoom-Optik injiziert wird. Der Düsenkopf 5 wird direkt über die Kanäle 10 (siehe 2) wassergekühlt. Um einen möglichst kleinen Pulverfokus (und damit einen hohen Pulvernutzungsgrad) und eine gleichmäßige Pulverströmung zu erhalten, ist die Innenwand der Pulveraustrittsbohrungen 11 in dem Düsenkopf 5 geglättet ausgeführt. Dies wird beispielsweise durch die Benutzung einer Reibahle oder durch ein Polieren der Bohrungen realisiert. Der Querschnitt der Pulveraustrittsbohrungen 11 ist so gestaltet, dass das Pulver eine Strömungsgeschwindigkeit erhält, die ein Verkippen des Düsenkopfs 5 erlaubt, ohne dass sich die Gravitation auf den Pulverstrom wesentlich bemerkbar macht. Dabei dürfen die eingesetzten Gasdurchflüsse nicht zu hoch gewählt werden, damit das Schmelzbad beim Laserstrahl-Auftragschweißen nicht deformiert wird.The powder is supplied by means of the three powder outlet openings 11 in the nozzle head 5 (please refer 2 ); if necessary, more than three holes are possible, but the number of holes through the existing space at the nozzle head 5 , in particular in the region of the jet outlet opening 15 , is limited. The powder mass flow coming from a powder conveyor is divided by a powder distributor (not shown in detail) into three (or more) equal powder jets. These become the connection sockets 13 the powder outlet holes 11 fed. The holes are designed so that the three partial powder jets meet in one point. The nozzle head 5 is mounted on the zoom lens so that the powder is exactly in the working plane 8th the zoom lens is injected. The nozzle head 5 is directly over the channels 10 (please refer 2 ) water cooled. In order to obtain the smallest possible powder focus (and thus a high degree of powder utilization) and a uniform powder flow, the inner wall of the powder outlet holes 11 in the nozzle head 5 smoothed running. This is realized for example by the use of a reamer or by polishing the holes. The cross section of the powder outlet holes 11 is designed so that the powder has a flow speed, which causes a tilting of the nozzle head 5 allowed, without the gravitation on the powder flow is significantly noticeable. The gas flows used must not be too high, so that the melt pool is not deformed during laser cladding.

Claims

Device for laser material processing with a machining head, which has a zoom lens, an adjoining adjustment device and a nozzle head, constructed coaxially, wherein the nozzle head has an axially arranged beam outlet opening for the laser radiation and for a protective gas and at least three powder outlet holes with powder outlet openings, which are distributed at equal distances from each other around the beam axis around, wherein the respective angle α between the jet axis and the axis of the respective powder outlet bore between 5 ° and 45 °, wherein the edge of each powder outlet opening lies in a plane, wherein the axes of the powder outlet holes intersect the axis of the jet outlet opening and wherein a powder focus is formed in the region of the point of intersection (s), characterized in that at least one additional bore ( 16 ) in the nozzle head ( 5 ) for generating at least one reference mark in the working plane ( 8th ) is provided, whose bore axis intersects the powder focus, that means are provided which in the working plane ( 8th ) generate a top-hat power density distribution and that at a constant working distance ( 23 ) in the processing level ( 8th ) of the powder cross-section superimposed beam cross section of the laser radiation ( 7 ) is changeable with the zoom optics.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the respective plane in which the respective powder outlet opening ( 14 ), at right angles to the axis ( 12 ) of the powder outlet bore ( 11 ) runs.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the axes ( 12 ) the powder outlet holes ( 11 ) in a common point, forming the powder focus, on the beam axis ( 6 ) to cut.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the diameter of the respective powder outlet opening ( 14 ) Is 0.5 mm to 3 mm.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the bore ( 11 ) are processed with a surface roughness R _z ≤ 1 μm.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that two devices are provided, each having a reference mark ( 17 . 18 . 20 ) in the plane of the powder focus.

Apparatus according to claim 6, characterized in that two additional bores (A) producing a respective reference mark ( 16 ) in the nozzle head ( 5 ) are provided.

Device according to claim 1, 6 or 7, characterized in that the reference mark (s) ( 17 . 18 . 20 ) is provided detecting camera (are).

Device according to claim 8, characterized in that the reference mark (s) ( 17 . 18 . 20 ) in the working plane with a camera via an optical path along the beam axis ( 6 ) is (are) shown.

Apparatus according to claim 6, characterized in that a reference mark by a crosshair ( 18 ) is formed.

Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that an evaluation unit is provided which the reference marks ( 17 . 18 . 20 ) and in case of a deviation of an overlap of the reference marks ( 17 . 18 . 20 ) to one another via a tracking unit the distance of the machining head to the working plane ( 8th ), restoring overlap of reference marks changes.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the top hat distribution on the image of the emerging from an optical fiber laser radiation ( 7 ) is produced.

Device according to one of claims 1 to 12, characterized that a facility for the automatic adjustment of the zoom optics is provided.

Device according to one of claims 1 to 13, characterized that means for automatically changing the beam diameter while maintaining a specified TCP (Tool Center Point) is provided.