DE102014116213A1

DE102014116213A1 - Device for generating laser radiation and a device for processing a workpiece

Info

Publication number: DE102014116213A1
Application number: DE102014116213.7A
Authority: DE
Inventors: Vitalij Lissotschenko
Original assignee: LILAS GmbH
Current assignee: LILAS GmbH
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2016-05-25

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung (2) mit einer räumlich strukturierten, linienförmigen Intensitätsverteilung (1) in einer Arbeitsebene, umfassend eine Mehrzahl von Laserlichtquellen (5a, 5b, 5c) sowie Überlagerungsmittel (6), die von unterschiedlichen der Laserlichtquellen (5a, 5b, 5c) ausgehende Laserstrahlungen (2a, 2b, 2c) so miteinander überlagern können, dass an einem ersten Ort der räumlich strukturierten Intensitätsverteilung (1) die Laserstrahlung (2a) einer ersten der Laserlichtquellen (5a) stärker zu der Intensitätsverteilung beiträgt als die Laserstrahlung (2b) einer zweiten der Laserlichtquellen (5b), wohingegen an einem zweiten Ort der räumlich strukturierten Intensitätsverteilung (1) die Laserstrahlung (2b) der zweiten der Laserlichtquellen (5b) stärker zu der Intensitätsverteilung beiträgt als die Laserstrahlung (2a) der ersten der Laserlichtquellen (5a).Device for generating laser radiation (2) having a spatially structured, linear intensity distribution (1) in a working plane, comprising a plurality of laser light sources (5a, 5b, 5c) and superposition means (6), which are different from the laser light sources (5a, 5b, 5c) outgoing laser radiation (2a, 2b, 2c) can be superimposed with one another such that at a first location of the spatially structured intensity distribution (1) the laser radiation (2a) of a first of the laser light sources (5a) contributes more to the intensity distribution than the laser radiation (2b ) of a second of the laser light sources (5b), whereas at a second location of the spatially structured intensity distribution (1) the laser radiation (2b) of the second of the laser light sources (5b) contributes more to the intensity distribution than the laser radiation (2a) of the first of the laser light sources (5a ).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einer räumlich strukturierten, linienförmigen Intensitätsverteilung in einer Arbeitsebene sowie eine Vorrichtung für die Bearbeitung eines Werkstücks durch Laserspritzen oder Laserauftragsschweißen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.The present invention relates to a device for generating laser radiation with a spatially structured, linear intensity distribution in a working plane and to an apparatus for processing a workpiece by laser spraying or laser deposition welding according to the preamble of claim 6.

Definitionen: Mit Laserstrahl, Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil oder einem modifizierten Gauß-Profil oder einem Top-Hat-Profil, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist.Definitions: By laser beam, light beam, sub-beam or beam is, unless expressly stated otherwise, not an idealized beam of geometric optics meant, but a real light beam, such as a laser beam with a Gaussian profile or a modified Gaussian profile or a Top hat profile, which has no infinitesimal small, but an extended beam cross section.

Beispielsweise aus der WO 2008/128781 A1 ist es bekannt, räumlich strukturierte, linienförmige Intensitätsverteilungen in einer Arbeitsebene zu erzeugen und damit Werkstückoberflächen zu bearbeiten.For example, from the WO 2008/128781 A1 It is known to generate spatially structured, linear intensity distributions in a working plane and thus to process workpiece surfaces.

Das Laserspritzen oder auch das Laserstrahlpulverbeschichten ist ein thermisches Beschichtungsverfahren. Beim Laserspritzen wird ein pulverförmig vorliegender Zusatzwerkstoff, der beispielsweise eine Kornverteilung bis unter 100 nm aufweisen kann, über eine Düse auf das zu beschichtende Werkstück aufgebracht, das gleichzeitig mit einem Laserstrahl beaufschlagt wird. Mittels der Laserstrahlung können dabei sowohl das Pulver, als auch ein Teil der Werkstückoberfläche aufgeschmolzen und das zugeführte Pulver insbesondere metallurgisch mit dem Bauteilwerkstoff verbunden werden. Das Pulver kann von einem Gas, insbesondere einem inerten Gas wie Argon der Werkstückoberfläche zugeführt werden.Laser spraying or laser beam powder coating is a thermal coating process. In laser spraying, a filler material present in powder form, which may, for example, have a particle size distribution below 100 nm, is applied via a nozzle to the workpiece to be coated, which is simultaneously exposed to a laser beam. In this case, both the powder and a part of the workpiece surface can be melted by means of the laser radiation, and the supplied powder in particular can be metallurgically connected to the component material. The powder can be supplied to the workpiece surface by a gas, in particular an inert gas such as argon.

Das Laserauftragsschweißen ähnelt dem Laserspritzen, ist aber in der Regel ein generatives Fertigungsverfahren, bei dem mehrere Schichten einer Zusatzsubstanz auf ein Bauteil aufgebracht werden oder aber bei dem das komplette Bauteil schichtweise aufgebaut wird. Auch bei dem Laserauftragsschweißen wird dem Werkstück ein Pulver durch Inertgas zugeführt, wobei von einer Laserstrahlung sowohl das Pulver, als auch Teile der Werkstückoberfläche aufgeschmolzen werden.The laser deposition welding is similar to the laser spraying, but is usually a generative manufacturing process in which several layers of an additive substance are applied to a component or in which the entire component is built up in layers. Also in the case of laser deposition welding, a powder is supplied to the workpiece by inert gas, whereby both the powder and also parts of the workpiece surface are melted by a laser radiation.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung mit der einfach und effektiv eine räumlich strukturierte, linienförmige Intensitätsverteilung möglichst großer Leistung in einer Arbeitsebene erzeugt werden kann. Weiterhin soll eine optimierte Vorrichtung für die Bearbeitung eines Werkstücks durch Laserspritzen oder Laserauftragsschweißen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 geschaffen werden.The problem underlying the present invention is the provision of a device for generating laser radiation with the simple and effective a spatially structured, linear intensity distribution of the highest possible power in a working plane can be generated. Furthermore, an optimized device for machining a workpiece by laser spraying or laser deposition welding according to the preamble of claim 6 is to be created.

Dies wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung für die Bearbeitung eines Werkstücks der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 6 erreicht.This is achieved by a device for generating laser radiation according to claim 1 and by a device for machining a workpiece of the type mentioned above with the characterizing features of claim 6.

Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Mehrzahl von Laserlichtquellen und Überlagerungsmittel umfasst, die von unterschiedlichen der Laserlichtquellen ausgehende Laserstrahlungen so miteinander überlagern können, dass an einem ersten Ort der räumlich strukturierten Intensitätsverteilung die Laserstrahlung einer ersten der Laserlichtquellen stärker zu der Intensitätsverteilung beiträgt als die Laserstrahlung einer zweiten der Laserlichtquellen, wohingegen an einem zweiten Ort der räumlich strukturierten Intensitätsverteilung die Laserstrahlung der zweiten der Laserlichtquellen stärker zu der Intensitätsverteilung beiträgt als die Laserstrahlung der ersten der Laserlichtquellen. Auf diese Weise kann durch geeignete Überlagerung der Laserstrahlungen mehrerer verschiedener Laserlichtquellen eine gewünschte räumliche Intensitätsverteilung zusammengesetzt werden. Diese Vorrichtung bietet den Vorteil, dass die Strukturierung nicht durch die Zergliederung und Zusammenführung der Laserstrahlung einer einzigen Laserstrahlungsquelle durch refraktive oder diffraktive Zusatzbauteile erreicht werden muss.According to claim 1 it is provided that the device comprises a plurality of laser light sources and superposition means which can superimpose laser radiation emanating from different laser light sources so that at a first location of the spatially structured intensity distribution, the laser radiation of a first of the laser light sources contributes more to the intensity distribution the laser radiation of a second of the laser light sources, whereas at a second location of the spatially structured intensity distribution, the laser radiation of the second of the laser light sources contributes more to the intensity distribution than the laser radiation of the first of the laser light sources. In this way, by suitable superposition of the laser radiation of several different laser light sources, a desired spatial intensity distribution can be composed. This device has the advantage that the structuring need not be achieved by the dissection and merging of the laser radiation of a single laser radiation source by refractive or diffractive additional components.

Es kann vorgesehen sein, dass die Überlagerungsmittel mindestens einen Polaritätskoppler und/oder mindestens einen Wellenlängenkoppler umfassen. Mit derartigen Bauteilen lassen sich sukzessive die Laserstrahlungen einer Vielzahl von Laserlichtquellen überlagern.It can be provided that the superposition means comprise at least one polarity coupler and / or at least one wavelength coupler. With such components, the laser radiations of a plurality of laser light sources can successively be superimposed.

Es besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung Positioniermittel umfasst, mit denen die Auftreffposition mindestens einer der von den einzelnen Laserlichtquellen ausgehenden Laserstrahlungen auf den Überlagerungsmitteln beeinflusst werden kann. Durch die Beeinflussung der Auftreffpositionen der einzelnen Laserstrahlungen auf den Überlagerungsmitteln kann gezielt auf die räumliche Gestaltung der Laserlichtquellen Einfluss genommen werden.There is the possibility that the device comprises positioning means with which the impact position of at least one of the laser radiations emanating from the individual laser light sources on the superposition means can be influenced. By influencing the impact positions of the individual laser radiations on the overlay means, the spatial design of the laser light sources can be purposefully influenced.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Vorrichtung Steuermittel umfasst, mit denen die Intensitäten der von den einzelnen Laserlichtquellen ausgehenden Laserstrahlungen geregelt, insbesondere unabhängig voneinander geregelt, werden können. Auch durch Regelung der Intensitäten der einzelnen Laserstrahlungen kann gezielt auf die räumliche Gestaltung der Intensitätsverteilung Einfluss genommen werden.There is also the possibility that the device comprises control means with which the intensities of the laser radiation emitted by the individual laser light sources can be regulated, in particular regulated independently of one another. By controlling the intensities of the individual laser radiations, it is also possible to influence the spatial configuration of the intensity distribution in a targeted manner.

Es kann vorgesehen sein, dass die räumlich strukturierte, linienförmige Intensitätsverteilung in der Linienquerrichtung mindestens zwei lokale Maxima aufweist. Durch mindestens zwei Maxima können unterschiedliche Wirkungen auf einer Werkstückoberfläche erzielt werden, wenn beispielsweise bei Bewegung der linienförmigen Intensitätsverteilung in Linienquerrichtung über die Werkstückoberfläche die Maxima zeitlich nacheinander über gleiche Bereiche bewegt werden. It can be provided that the spatially structured, linear intensity distribution in the line transverse direction has at least two local maxima. By at least two maxima different effects on a workpiece surface can be achieved, for example, when moving the linear intensity distribution in the line transverse direction over the workpiece surface, the maxima are sequentially moved over the same areas.

Gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung so gestaltet ist, dass die Laserstrahlung auf dem Werkstück eine linienförmige Intensitätsverteilung aufweist,

– die räumlich strukturiert ist,

und/oder

– die räumlich und/oder zeitlich moduliert ist.

According to claim 6 it is provided that the device for generating laser radiation is designed so that the laser radiation on the workpiece has a linear intensity distribution,

- which is spatially structured,

and or

- Which is spatially and / or temporally modulated.

Durch jede der unterschiedlichen Intensitätsverteilungen ergibt sich die Möglichkeit der gezielten Einflussnahme auf den Beschichtungsprozess. Beispielsweise kann durch die zeitliche Modulation die Laserstrahlung auf die Pulverdichte und die Materialzusammensetzung des Pulvers abgestimmt werden. Durch die räumliche Modulation kann Einfluss auf die Prozessführung hinsichtlich Vorheizen, Aufschmelzen des Werkstückmaterials, Aufschmelzen des Pulvers und Nachheizen des beschichteten Werkstücks genommen werden. Die räumliche linienförmige Intensitätsverteilung, die insbesondere mindestens zwei lokale Maxima in Linienquerrichtung aufweist, kann mehrere Bearbeitungsschritte in einem Schritt vereinen. Dies insbesondere dann, wenn das räumliche Intensitätsprofil so geformt ist, dass beispielsweise das Vorheizen, das Aufschmelzen des Werkstückmaterials, das Aufschmelzen des Pulvers und das Nachheizen des beschichteten Werkstücks durch Bewegung der räumlichen Intensitätsverteilung in Linienquerrichtung über das Werkstück nacheinander durchgeführt wird. Durch das Vorheizen des Werkstücks mit der Intensitätsverteilung, die letztlich auch das Aufschmelzen von Werkstück und Pulver bewirkt, können mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch sehr große Werkstücke ökonomisch bearbeitet werden, weil das Vorheizen jeweils nur lokal erfolgt und nicht das gesamte Werkstück gleichzeitig erwärmt werden muss.Through each of the different intensity distributions, there is the possibility of deliberate influence on the coating process. For example, by the temporal modulation, the laser radiation can be matched to the powder density and the material composition of the powder. The spatial modulation can influence the process control with regard to preheating, melting of the workpiece material, melting of the powder and reheating of the coated workpiece. The spatial line-shaped intensity distribution, which in particular has at least two local maxima in the line transverse direction, can combine several processing steps in one step. This is especially true if the spatial intensity profile is shaped such that, for example, the preheating, the melting of the workpiece material, the melting of the powder and the reheating of the coated workpiece by moving the spatial intensity distribution in the line transverse direction over the workpiece is performed sequentially. By preheating the workpiece with the intensity distribution, which ultimately also causes the melting of the workpiece and powder, very large workpieces can be processed economically with a device according to the invention, because the preheating takes place only locally and not the entire workpiece must be heated simultaneously.

Es besteht die Möglichkeit, dass die Mittel zur Beaufschlagung des Werkstücks mit einem Pulver so gestaltet sind, dass sie das Pulver in den Bereich eines der lokalen Maxima der Intensitätsverteilung zuführen können. Auf diese Weise kann das Pulver gezielt an dem Ort aufgebracht werden, der mit einem zum Aufschmelzen des Pulvers verwendeten Maximum beaufschlagt wird. Beispielsweise bewegt sich dabei das räumliche Intensitätsprofil so über das Werkstück, dass die Oberfläche eines bestimmten Bereichs zuerst von einem ersten der beiden Maxima aufgeschmolzen und erst dann mit dem Pulver beaufschlagt wird, wobei das zweite der beiden Maxima idealerweise genau zum Zeitpunkt des Aufbringens des Pulvers über den bestimmten Bereich bewegt wird.It is possible that the means for impinging the workpiece with a powder are designed so that they can supply the powder in the range of one of the local maxima of the intensity distribution. In this way, the powder can be applied in a targeted manner to the place which is acted upon by a maximum used for melting the powder. For example, the spatial intensity profile moves over the workpiece in such a way that the surface of a certain region is first melted by a first of the two maxima and then charged with the powder, wherein the second of the two maxima ideally at exactly the time of application of the powder the particular area is moved.

Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ist.It can be provided in particular that the device for generating laser radiation is a device according to one of claims 1 to 5.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen:Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. Show:

1 schematisch eine linienförmige Intensitätsverteilung, bei der die Intensität I gegen den Ort X in Linienquerrichtung aufgetragen ist; 1 schematically a line-shaped intensity distribution, in which the intensity I is plotted against the location X in the line transverse direction;

2 eine schematische Darstellung der linienförmigen Intensitätsverteilung; 2 a schematic representation of the linear intensity distribution;

3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung; 3 a schematic representation of an apparatus according to the invention for generating laser radiation;

4 eine schematische Darstellung von Positioniermitteln der Vorrichtung gemäß 3; 4 a schematic representation of positioning of the device according to 3 ;

5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Bearbeitung eines Werkstücks. 5 a schematic representation of a device according to the invention for the machining of a workpiece.

In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Weiterhin sind in einigen der Figuren zur räumlichen Orientierung kartesische Koordinatensysteme abgebildet.In the figures, identical or functionally identical parts are provided with the same reference numerals. Furthermore, Cartesian coordinate systems are shown in some of the figures for spatial orientation.

In 2 ist schematisch eine von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte linienförmige Intensitätsverteilung der Laserstrahlung dargestellt. Dabei erstreckt sich die Linienlängsrichtung in Y-Richtung und die Linienquerrichtung in X-Richtung des beispielhaften Koordinatensystems.In 2 is shown schematically a generated by a device according to the invention linear intensity distribution of the laser radiation. In this case, the line longitudinal direction extends in the Y direction and the line transverse direction in the X direction of the exemplary coordinate system.

Mit L ist dabei die Länge und mit B die Breite der Linie bezeichnet. Die Länge L der Linie kann beispielsweise zwischen einigen Millimetern bis zu einem oder mehreren Metern betragen, wohingegen die Breite B der Linie beispielsweise zwischen einigen Mikrometern und einigen Hundert Mikrometern betragen kann.L is the length and B is the width of the line. For example, the length L of the line may be between a few millimeters to one or more meters, whereas the width B of the line may be, for example, between a few microns and a few hundreds of microns.

1 zeigt, dass die Intensitätsverteilung 1 der Laserstrahlung 2 in Linienquerrichtung X strukturiert ist. Insbesondere zeigt sich, dass zwei lokale Maxima 3, 4 vorgesehen sind, die in X-Richtung voneinander beabstandet sind. Dabei ist beispielsweise das in 1 rechte Maximum 4 höher beziehungsweise entspricht einer größeren Intensität als das linke Maximum 3. 1 shows that the intensity distribution 1 the laser radiation 2 is structured in line transverse direction X. In particular, it turns out that two local maxima 3 . 4 are provided, which are spaced apart in the X direction. For example, the in 1 right maximum 4 higher or corresponds to a greater intensity than the left maximum 3 ,

Die abgebildete Intensitätsverteilung 1 ist lediglich ein Bespiel für eine von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte Laserstrahlung. Es besteht durchaus die Möglichkeit, dass die Intensitätsverteilung anders strukturiert ist. Beispielsweise kann nur ein Maximum vorgesehen sein oder es können mehr als zwei Maxima vorgesehen sein. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass plateauähnliche Bereiche vorgesehen sind, die sich beispielsweise zwischen oder neben den Maxima erstrecken. W eiterhin können auch eines oder mehrere der Maxima als Plateaus ausgebildet sein.The mapped intensity distribution 1 is merely an example of a laser radiation generated by a device according to the invention. It is quite possible that the intensity distribution is structured differently. For example, only one maximum may be provided or more than two maxima may be provided. There is also the possibility that plateau-like areas are provided which extend, for example, between or next to the maxima. It is also possible for one or more of the maxima to be formed as plateaus.

In 3 ist schematisch dargestellt, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung 2 eine Mehrzahl von Laserlichtquellen 5a, 5b, 5c umfassen kann, die Laserstrahlungen 2a, 2b, 2c aussenden. Bei den Laserlichtquellen kann es sich jeweils um Laserdioden beziehungsweise Laserdiodenbarren oder Stacks von Laserdiodenbarren handeln. Es besteht aber auch die Möglichkeit, als Laserlichtquellen andere Festkörperlaser oder Faserlaser oder Gaslaser zu verwenden.In 3 is shown schematically that a device according to the invention for generating laser radiation 2 a plurality of laser light sources 5a . 5b . 5c may include the laser radiation 2a . 2 B . 2c send out. The laser light sources may each be laser diodes or laser diode bars or stacks of laser diode bars. But it is also possible to use as laser light sources other solid state lasers or fiber lasers or gas lasers.

Weiterhin sind schematisch Überlagerungsmittel 6a, 6b dargestellt, mit denen die von unterschiedlichen der Laserlichtquellen 5a, 5b, 5c ausgehenden Laserstrahlungen 2a, 2b, 2c miteinander überlagert werden. Dabei sind die Überlagerungsmittel 6a beispielsweise als ein Wellenlängenkoppler und die Überlagerungsmittel 6b als ein Polarisationskoppler ausgebildet. Der Wellenlängenkoppler überlagert die beiden Laserstrahlungen 2a, 2b miteinander, die beispielsweise sich um 50 nm unterscheidende Wellenlängen aufweisen können. Der Polarisationskoppler überlagert mit diesen bereits überlagerten Laserstrahlungen 2a, 2b die Laserstrahlung 2c, wobei die Laserstrahlungen 2a, 2b einerseits und die Laserstrahlung 2c andererseits beispielsweise zueinander senkrechte Polarisationsrichtungen aufweisen können.Furthermore, schematically superimposing agents 6a . 6b shown with those of different laser light sources 5a . 5b . 5c outgoing laser radiation 2a . 2 B . 2c be overlaid with each other. Here are the overlay means 6a for example as a wavelength coupler and the overlay means 6b formed as a polarization coupler. The wavelength coupler superimposes the two laser beams 2a . 2 B with each other, which may, for example, have wavelengths differing by 50 nm. The polarization coupler superimposed with these already superimposed laser radiation 2a . 2 B the laser radiation 2c , where the laser radiation 2a . 2 B on the one hand and the laser radiation 2c on the other hand, for example, may have mutually perpendicular polarization directions.

Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere Polarisationskoppler vorzusehen, um eine Vielzahl von Laserstrahlungen miteinander zu überlagern. Anstelle eines oder mehrerer Polarisationskoppler oder zusätzlich zu einem oder mehreren Polarisationskopplern können auch ein oder mehrere Wellenlängenkoppler vorgesehen sein.It is also possible to provide a plurality of polarization couplers to superimpose a plurality of laser beams with each other. Instead of one or more polarization couplers or in addition to one or more polarization couplers, one or more wavelength couplers may also be provided.

Im abgebildeten Ausführungsbeispiel sind insgesamt drei Laserlichtquellen 5a, 5b, 5c vorgesehen. Es können mehr, beispielsweise sechs oder acht oder zehn oder mehr Laserlichtquellen vorgesehen sein. Es besteht auch die Möglichkeit, lediglich zwei Laserlichtquellen vorzusehen.In the illustrated embodiment, a total of three laser light sources 5a . 5b . 5c intended. There may be more, for example six or eight or ten or more laser light sources. It is also possible to provide only two laser light sources.

In 3 ist schematisch angedeutet, dass die miteinander überlagerten Laserstrahlungen 5a, 5b im Wesentlichen zu dem größeren Maximum 4 und die Laserstrahlung 5c im Wesentlichen zu dem kleineren Maximum 3 beitragen. Bei mehr als drei Laserlichtquellen können beispielsweise sechs der Laserlichtquellen zu dem größeren Maximum 4 und vier der Laserlichtquellen zu dem kleineren Maximum 3 beitragen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, das Verhältnis der Anzahlen der Laserlichtquellen anders zu wählen.In 3 is schematically indicated that the superimposed laser radiation 5a . 5b essentially to the larger maximum 4 and the laser radiation 5c essentially to the smaller maximum 3 contribute. For example, with more than three laser light sources, six of the laser light sources can reach the larger maximum 4 and four of the laser light sources to the smaller maximum 3 contribute. But it is also possible to choose the ratio of the numbers of laser light sources differently.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung in 3 schematisch angedeutete Steuermittel 7a, 7b, 7c umfasst, mit denen die Intensität der einzelnen Laserlichtquellen 5a, 5b, 5c unabhängig voneinander geregelt werden kann. Auf diese Weise kann Einfluss auf die Gestalt der Intensitätsverteilung genommen werden.Furthermore, there is the possibility that the device in 3 schematically indicated control means 7a . 7b . 7c includes, with which the intensity of the individual laser light sources 5a . 5b . 5c can be controlled independently of each other. In this way, influence on the shape of the intensity distribution can be taken.

Eine weitere Einflussmöglichkeit ist in 4 angedeutet. Dort sind schematisch Laserlichtquellen 5a, 5b abgebildet, deren räumliche Position veränderbar ist. Insbesondere sind Positioniermittel vorgesehen, die eine Bewegung der Laserlichtquelle 5a in X-Richtung (siehe den Pfeil 7a) und eine Bewegung der Laserlichtquelle 5b in Z-Richtung (siehe den Pfeil 7b) ermöglichen. Dies ist durch die in X- beziehungsweise in Z-Richtung verschobenen Laserlichtquellen 5a‘, 5b‘ angedeutet.Another influence is in 4 indicated. There are schematically laser light sources 5a . 5b imaged whose spatial position is changeable. In particular, positioning means are provided, which movement of the laser light source 5a in the X direction (see the arrow 7a ) and a movement of the laser light source 5b in the Z direction (see the arrow 7b ) enable. This is due to the laser light sources displaced in the X or Z direction 5a ' . 5b ' indicated.

Daraus resultiert eine Verschiebung der Laserstrahlungen 2a, 2b zu den angedeuteten Positionen 2a‘, 2b‘. Nach der Überlagerung der Laserstrahlungen 2a, 2b beziehungsweise 2a‘, 2b‘ ergibt sich aus der Verschiebung beziehungsweise Bewegung in X- und/oder Z-Richtung eine Veränderung der Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene. Dies ist durch die schematisch dargestellten, durchgezogenen, gestrichelten und strichpunktierten Rechtecke in der Arbeitsebene angedeutet, die eine Verschiebung der einzelnen Laserstrahlungen 2a‘, 2b‘ in Abhängigkeit von der Bewegung der Laserlichtquellen 5a, 5b verdeutlichen. Durch die Verschiebung lässt sich somit Einfluss auf die Gestalt der Intensitätsverteilung nehmen.This results in a shift of the laser radiation 2a . 2 B to the indicated positions 2a ' . 2 B' , After the superposition of the laser radiation 2a . 2 B respectively 2a ' . 2 B' results from the shift or movement in the X and / or Z direction, a change in the intensity distribution in the working plane. This is indicated by the schematically illustrated, solid, dashed and dot-dashed rectangles in the working plane, which is a shift of the individual laser beams 2a ' . 2 B' depending on the movement of the laser light sources 5a . 5b clarify. The shift thus influences the shape of the intensity distribution.

Es besteht durchaus die Möglichkeit, dass die Positioniermittel anstelle der Bewegung der Laserlichtquellen 5a, 5b Einfluss auf nicht abgebildete Optikmittel nehmen oder Teil der nicht abgebildeten Optikmittel sind, wobei durch Bewegung der Optikmittel oder entsprechende Strahlablenkung durch die Optikmittel ebenfalls eine Verschiebung oder Richtungsänderung der Laserstrahlungen 2a, 2b erreicht werden kann. Beispielsweise können in dem Strahlengang der Laserstrahlungen keilförmige, refraktive Strukturen verschoben werden, um einen unterschiedlich großen Strahlversatz hervorzurufen. Alternativ können Spiegel, an denen die Laserstrahlungen 2a, 2b reflektiert werden, unterschiedlich stark verkippt werden, um eine unterschiedliche Richtungsänderung zu erreichen.There is quite a possibility that the positioning means instead of the movement of laser light sources 5a . 5b Influence on unrepresented optical means or are part of the optical means not shown, wherein by movement of the optical means or corresponding beam deflection by the optical means also a shift or change in direction of the laser radiation 2a . 2 B can be achieved. For example, in the beam path of the laser radiation wedge-shaped, refractive structures are shifted to cause a different sized beam offset. Alternatively, mirrors can cause the laser radiation 2a . 2 B be reflected differently tilted to achieve a different direction change.

Dem Fachmann stehen weitere Möglichkeiten zur Verfügung, um mit geeigneten Positioniermitteln die Auftreffposition mindestens einer der von den einzelnen Laserlichtquellen 5a, 5b ausgehenden Laserstrahlungen 2a, 2b auf den Überlagerungsmitteln 6 zu beeinflussen.The person skilled in the art has further options for using suitable positioning means to determine the impact position of at least one of the individual laser light sources 5a . 5b outgoing laser radiation 2a . 2 B on the overlay means 6 to influence.

In 5 ist schematisch eine beispielhafte Anwendung der Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung dargestellt. Die Anwendung kann insbesondere eine Vorrichtung für die Bearbeitung eines Werkstücks durch Laserspritzen oder Laserauftragsschweißen sein. Diese Vorrichtung umfasst neben einer Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung in 5 schematisch angedeutete Mittel 8 zur Beaufschlagung des Werkstücks mit einem Pulver 9, wobei das Pulver 9 dem Werkstück in Form eines Pulverstrahls zugeführt wird.In 5 schematically an exemplary application of the device for generating laser radiation is shown. In particular, the application can be a device for machining a workpiece by laser spraying or laser deposition welding. This device comprises, in addition to a device for generating laser radiation in 5 schematically indicated means 8th for applying a powder to the workpiece 9 , where the powder 9 the workpiece is supplied in the form of a powder jet.

Durch geeignet überlagerte Laserstrahlungen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e wird in einer Arbeitsebene eine schematisch angedeutete linienförmige Intensitätsverteilung 1 erzeugt, die wie das in 1 und 2 abgebildete Beispiel zwei in Querrichtung zueinander beabstandete lokale Maxima 3, 4 aufweist. Im abgebildeten Ausführungsbeispiel tragen drei der Laserstrahlungen 2a, 2b, 2c zu dem größeren Maximum 4 und zwei der Laserstrahlungen 2d, 2e zu dem kleineren Maximum 3 bei.By suitably superimposed laser radiation 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e In a work plane, a schematically indicated line-shaped intensity distribution 1 generated like that in 1 and 2 Illustrated example two transversely spaced local maxima 3 . 4 having. In the illustrated embodiment, carry three of the laser radiation 2a . 2 B . 2c to the larger maximum 4 and two of the laser beams 2d . 2e to the smaller maximum 3 at.

Die Intensitätsverteilung 1 wird in Richtung des Pfeiles 10 und somit in Linienquerrichtung über das nicht abgebildete, zu bearbeitende Werkstück bewegt. Dies kann dadurch geschehen, dass die Laserstrahlung zusammen mit dem Pulverstrahl relativ zu dem Werkstück bewegt wird oder dass das Werkstück relativ zu der Laserstrahlung und dem Pulverstrahl bewegt wird.The intensity distribution 1 becomes in the direction of the arrow 10 and thus moved in the transverse direction of the line over the workpiece, not shown, to be machined. This can be done by moving the laser radiation together with the powder beam relative to the workpiece or by moving the workpiece relative to the laser radiation and the powder beam.

Dabei kann das größere lokale Maximum 4 zum Aufschmelzen des Materials des Werkstücks dienen. Das kleinere lokale Maximum 3 der Intensitätsverteilung dient zum Aufschmelzen des Pulvers 9, das gezielt in den von dem kleineren lokalen Maximum 3 der Intensitätsverteilung beaufschlagten Bereich eingebracht wird (siehe 5). Auf diese Weise lässt sich der Laserspritz- oder Laserauftragsschweiß-Vorgang optimal an das Material des Werkstücks und die zu verarbeitenden Pulvermaterialien anpassen.In doing so, the larger local maximum 4 serve to melt the material of the workpiece. The smaller local maximum 3 The intensity distribution serves to melt the powder 9 that is targeted to that of the smaller local maximum 3 the intensity distribution applied area is introduced (see 5 ). In this way, the laser spraying or laser deposition welding process can be optimally adapted to the material of the workpiece and the powder materials to be processed.

Beispielsweise kann auch mindestens ein vorderer oder hinterer Rand in Querrichtung der Intensitätsverteilung hinsichtlich Form und/oder Intensität derart gestaltet sein, dass dadurch der Übergang von beschichtetem zu nicht beschichtetem Werkstück verbessert wird. Es besteht auch die Möglichkeit, die Intensitätsverteilung um Bereiche vor oder nach den lokalen Maxima 3, 4 zu erweitern, die ein Vorheizen des Werkstücks und/oder ein Nachheizen des bereits beschichteten Werkstücks ermöglichen.For example, at least one front or rear edge in the transverse direction of the intensity distribution in terms of shape and / or intensity may be designed such that thereby the transition from coated to non-coated workpiece is improved. It is also possible, the intensity distribution around areas before or after the local maxima 3 . 4 to expand, which allow a preheating of the workpiece and / or a reheating of the already coated workpiece.

Es besteht zusätzlich oder alternativ die Möglichkeit, die Laserstrahlung räumlich und/oder zeitlich zu modulieren. Durch die zeitliche Modulation kann die Laserstrahlung auf die Pulverdichte und die Materialzusammensetzung des Pulvers abgestimmt werden. Durch die räumliche Modulation kann wie mit der räumlichen Gestaltung der Intensitätsverteilung Einfluss auf die Prozessführung hinsichtlich Vorheizen, Aufschmelzen des Werkstückmaterials, Aufschmelzen des Pulvers und Nachheizen des beschichteten Werkstücks genommen werden.It is additionally or alternatively possible to spatially and / or temporally modulate the laser radiation. Due to the temporal modulation, the laser radiation can be matched to the powder density and the material composition of the powder. As a result of the spatial modulation, as with the spatial design of the intensity distribution, it is possible to influence the process control with regard to preheating, melting of the workpiece material, melting of the powder and subsequent heating of the coated workpiece.

Als Materialien für das Werkstück kommen insbesondere verschiedenste Metalle in Betracht.As materials for the workpiece, in particular a wide variety of metals come into consideration.

Auch für das Pulver kann aus einer Vielzahl von Materialien ausgewählt werden. Beispielsweise können Pulver auf Metallbasis, insbesondere auf Aluminium-, Kupfer-, Eisen-, Molybdän-, Zink-, Kobalt- oder Nickelbasis ausgewählt werden. Außerdem kommen Metall-Keramik-Verbunde wie beispielsweise Legierungen mit Karbidverstärkungen, Nickellegierungen mit Oxidverstärkungen, oder Verbunde auf Wolframkarbid-, Chromkarbid- oder Graphitbasis in Betracht. Oxidkeramiken auf beispielsweise Aluminiumoxid-, Chromoxid-, Titanoxid- oder Zirkonoxidbasis kommen ebenfalls in Betracht. Alternativ kann das Pulver auch auf Polymeren wie beispielsweise PTFE basieren.Also for the powder can be selected from a variety of materials. For example, metal-based powders, in particular aluminum, copper, iron, molybdenum, zinc, cobalt or nickel based powders may be selected. Also contemplated are metal-ceramic composites such as carbide-reinforced alloys, oxide-reinforced nickel alloys, or tungsten carbide, chromium carbide, or graphite-based composites. Oxide ceramics on, for example, aluminum oxide, chromium oxide, titanium oxide or zirconium oxide are also possible. Alternatively, the powder may also be based on polymers such as PTFE.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2008/128781 A1 [0003]

Claims

Device for generating laser radiation ( 2 ) with a spatially structured, linear intensity distribution ( 1 ) in a working plane, comprising - a plurality of laser light sources ( 5a . 5b . 5c ), - overlay means ( 6 . 6a . 6b ) different from the laser light sources ( 5a . 5b . 5c ) outgoing laser radiation ( 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e ) can be superimposed in such a way that at a first location of the spatially structured intensity distribution ( 1 ) the laser radiation ( 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e ) of a first of the laser light sources ( 5a . 5b . 5c ) contributes more to the intensity distribution than the laser radiation ( 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e ) a second of the laser light sources ( 5a . 5b . 5c ), whereas at a second location the spatially structured intensity distribution ( 1 ) the laser radiation ( 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e ) of the second of the laser light sources ( 5a . 5b . 5c ) contributes more to the intensity distribution than the laser radiation ( 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e ) of the first of the laser light sources ( 5a . 5b . 5c ).

Device according to claim 1, characterized in that the superimposing means ( 6 . 6a . 6b ) comprise at least one polarity coupler and / or at least one wavelength coupler.

Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the device comprises positioning means with which the impact position of at least one of the individual laser light sources ( 5a . 5b . 5c ) outgoing laser radiation ( 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e ) on the overlay means ( 6 . 6a . 6b ) can be influenced.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the device comprises control means with which the intensities of the individual laser light sources ( 5a . 5b . 5c ) outgoing laser radiation ( 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e ), in particular independently of each other.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the spatially structured, linear intensity distribution ( 1 ) in the line transverse direction (X) at least two local maxima ( 3 . 4 ) having.

Device for processing a workpiece by laser or laser deposition welding, comprising - means ( 8th ) for applying a powder to the workpiece ( 9 ), in particular the powder ( 9 ) can be supplied in a directed beam to the workpiece, - a device for generating laser radiation ( 2 ) used to melt the powder ( 9 ) and can be used for melting a part of the surface of the workpiece, - means for moving the workpiece relative to the laser radiation ( 2 ) and / or the powder jet or the movement of the laser radiation ( 2 ) and / or the powder jet relative to the workpiece, characterized in that the device for generating laser radiation ( 2 ) is designed so that the laser radiation ( 2 ) on the workpiece a linear intensity distribution ( 1 ), which is spatially structured, and / or which is spatially and / or temporally modulated.

Apparatus according to claim 6, characterized in that the spatially structured linear intensity distribution ( 1 ) at least two local maxima ( 3 . 4 ) in the line transverse direction (X).

Device according to one of claims 6 or 7, characterized in that the movement of the workpiece relative to the laser radiation ( 2 ) and / or the powder jet or the movement of the laser radiation ( 2 ) and / or the powder jet relative to the workpiece in a direction (X) corresponding to a transverse direction of the line-shaped intensity distribution.

Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the means ( 8th ) for applying a powder to the workpiece ( 9 ) are designed to contain the powder ( 9 ) in the range of one of the local maxima ( 3 . 4 ) of the intensity distribution ( 1 ).

Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the device for generating laser radiation ( 2 ) is a device according to one of claims 1 to 5.