用于激光堆焊的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于激光堆焊的方法，在该方法中，附加材料，尤其粉末状的附加材料被施加到工件表面的至少一个区域上，其中，所述附加材料至少部分地借助激光射束熔化和/或工件表面的区域借助激光射束熔化，使得在凝固之后，得到附加材料在工件表面上的、材料锁合的材料施加。此外，本发明涉及一种用于执行这样的方法的设备。

背景技术：

激光堆焊是一种用在工业上的工件加工中的方法。在传统的激光堆焊中，将工件表面或者说基底表面借助激光射束熔化并且向由此构造的熔池供给粉末状的材料。供给到熔池中的粉末同样被熔化，使得在熔化的粉末材料和工件表面凝固之后形成材料锁合地连接的、尤其熔融冶金连接的材料层。该过程根据应用情况而定可以在工件表面的不同位置上执行或者在工件表面的较大的连续区域上重复执行。必要时也可以在工件表面上重叠地建立由不同材料制成的多个材料层，甚至可以由此借助激光堆焊施加三维形状。对于施加金属材料的情况，堆焊方法也称作激光金属沉积，英语是“lasermetaldeposition”(lmd)。激光堆焊的典型应用领域在于修复、涂层和连接技术领域。

由wo2013/127287a1例如已知一种涂层方法，在该方法中，可旋转地支承的工件布置在封闭的工艺室中。在工件的旋转下，金属被喷到工件表面上。借助通过扫描器光具在旋转的工件上来回运动的激光射束，将所喷的金属熔化。该方法仅适用于可以布置在工艺室中的、小型的、旋转对称的构件。

由ep2514533a2例如已知：在加工期间借助激光光具改变激光射束的横截面，以便根据加工状况来优化地构造熔池。

在ep2377641a2中描述一种激光堆焊过程，在该过程中，工件表面上的激光相遇点的运动轨迹根据加工任务而变化。例如描述了激光相遇点的一种具有重复环形的运动轨迹，以便能够熔化工件表面的相对大的区域。

de102008057309b3描述一种用于激光堆焊的方法，在该方法中，借助具有激光喷嘴的激光加工头将激光射束指向工件表面上。借助设置在激光喷嘴上的粉末供给喷嘴将粉末状的附加材料施加到工件表面上。激光喷嘴和粉末供给喷嘴一起相对于工件表面运动，用于层状地施加粉末状的附加材料。

对激光堆焊的工业使用的经济性而言，决定性的是材料构造可达到的速度，特别地，即在具有足够的品质且基底没有明显变形的情况下每单位时间可以施加的材料的质量或体积。

技术实现要素：

从现有技术出发，本发明的任务是提供用于激光堆焊的一种方法和一种设备，其可灵活使用并且同时具有高施加速率。

该任务通过具有权利要求1的特征的用于激光堆焊的方法以及通过具有权利要求10的特征的用于激光堆焊的设备来解决。

在根据本发明的用于激光堆焊的方法的情况中，附加材料被施加到工件表面的至少一个区域上。为了在工件表面上实现材料锁合的材料施加或者附加材料的层状结构，借助激光射束将所施加的附加材料至少部分地熔化和/或借助激光射束熔化工件表面的一区域。

根据应用情况可以不同地执行堆焊。例如可以(主要地)用激光射束加载工件表面上附加材料还没有熔化的区域。通过激光射束的热能将所述附加材料和位于其下方的工件表面熔化。

激光射束由激光加工装置提供。借助该激光加工装置，将激光射束指向工件表面的待加工的区域上。所述激光加工装置具有激光喷嘴，该激光喷嘴限定工作区域，激光射束在该工作区域内射到工件表面上。激光喷嘴的工作区域的边界以及所产生的粉末焦点的几何形状主要通过喷嘴开口的形状和大小来限定。在激光喷嘴的工作区域中，在限定的状态下进行激光加工。通常，激光喷嘴具有保护气体供给或也具有附加的过程气体供给，使得可以在激光喷嘴的工作区域中进行最佳的焊接加工。

为了使工件表面的更大的区域设有附加材料，通过扫描运动改变激光射束在工件表面上的相遇部位，在该扫描运动中，激光喷嘴和工件表面相对彼此运动。因此，基于扫描运动，将在限定的状态下可以进行激光加工的工作区域定位于工件表面上的不同位置处。根据本发明，针对焊接加工，整个待加工的表面并不绝对必须同时例如置于保护气体下，或者说，并不绝对必须在封闭的过程室中执行所述过程，而是仅将激光喷嘴定位在相对小的、正好待加工的各区域上方，以便避免不希望的氧化过程。当然，除激光喷嘴外使用其它保护设备、例如防射束装置等仍然可以是有意义的。

根据本发明，将一附加运动叠加于所述扫描运动，通过该附加运动将激光射束在工件表面上的相遇部位在激光喷嘴的工作区域内改变。因此，在工作区域内在限定状态下可以将工件表面的相对大的区域熔化。激光射束在附加运动中在预定的运动轨迹上相对于激光喷嘴移动。优选地，可以根据应用情况来限定运动轨迹，以便实现尽可能好的加工结果。

激光射束在工件表面上的相遇部位也称作焦斑或激光光斑等，该相遇部位可以具有不同的横截面形状。已知地，激光射束在工件表面(具有或没有附加材料)上形成的焦斑的大小、形状、横截面或直径等受不同因素影响。但相遇部位或者说焦斑通常至少几乎是圆形的。相遇部位在激光喷嘴的工作区域内的改变伴随着焦斑的中点或中心的移位。显而易见，激光射束在工件表面上的相遇部位的改变且更确切地说在激光喷嘴的工作区域内的该改变由激光射束相对于激光喷嘴的运动引起。

尤其已经表明，代替于通过激光射束的相对大的焦斑来同时熔化相对大的区域，当小的焦斑在时间上错开地以限定的运动轨迹并且必要时重复地驶过一个区域时，产生更好的比例。形成更均匀的熔池。通过改进的焊接过程，可以在不损失品质的情况下提高熔化率，损失品质例如是因为工件或附加材料由于局部过热而烧损造成的。因此可以在总体地显著提高构造速率。

在实际中特别重要的是粉末状的附加材料的施加。所述粉末状的附加材料和/或应施加附加材料的工件表面常涉及金属材料并且所述方法常涉及“lasermetaldeposition”方法。

在一个特别优选的实施例中，借助扫描器光具产生所述附加运动。所述扫描器光具的特征在于高的动态性、精度和灵活性。此外，扫描器光具可集成到激光焊接头中，该激光焊接头构成易于操作的激光加工装置。

在一个特别优选的实施例的情况中，所述附加运动具有沿着和/或横向于扫描运动的分量。通过附加运动的横向于扫描运动并且尤其平行于工件表面指向的分量，使在扫描运动期间可加工的表面区域变得更宽。如果例如应当对工件的相对大的连续面进行涂层，则必要时必须以彼此相继的多个扫描运动走过该大的表面区域。如果在一个扫描运动中可加工区域更宽，则可以减少所需要重复的次数，由此可以在整体上减少过程时间。

通过附加运动的沿着扫描运动的并且尤其平行于工件表面指向的分量例如可以保证：即使扫描运动的速度变化(例如，在制动或加速时或者在扫描运动的一弯曲走向中)，但仍等时长地加载沿扫描运动的方向彼此相继的区域。因此，在总体上可以实施动态性更强的扫描运动，而不发生损失品质的情况。

特别优选的变型是，所述附加运动不但横向于扫描运动而且沿着扫描运动指向。

为了能够产生所述附加运动，优选地可以使用一维、二维或三维(1d，2d或3d)的扫描器光具。特别优选地使用平场扫描器光具，在该平场扫描器光具的情况下保证：激光射束可以在激光喷嘴的整个工作区域中以相同的品质工作。

在对工件表面的不平坦的区域进行加工时，也可以在所述附加运动的范畴内，尤其通过3d扫描器光具进行激光焦点的高度调整。

在本发明的一个优选的变型中，通过附加运动，相对于附加材料供给装置改变激光射束在工件表面上的相遇部位。因此，通过附加运动可以改变激光射束的相遇部位相对于附加材料供给装置的位置，以便在扫描运动的过程中可以根据加工状况和加工任务调设最佳的图案。尤其可以由此相对于附加材料在工件表面上的相遇部位改变激光射束的相遇部位。优选地，基于附加运动，该相遇部位可以走过工件表面的没有附加材料的区域以及可以走过已经施加有附加材料的区域。

在一个特别优选的实施例中，所述附加运动相对于激光喷嘴沿着周期性重复的运动轨迹进行。通过与应用情况和同时进行的扫描运动相匹配的周期性重复，可以保证：待加工的整个工件表面被激光射束均匀地或者说最佳地加载。通过预给定(经试验的)不同的周期性运动轨迹来简化所述方法的编程。

一个驱动特别良好且可精确控制的变型通过以下方式得出：所述附加运动相对于激光喷嘴沿着闭合的无端轨迹进行。以这种方式避免附加运动的突然停止或者运动转向。

在一个特别优选的变型的情况中，闭合的无端轨迹沿着通过激光喷嘴限定的工作区域的边缘延伸。尤其在实践中已经证明，在具有矩形喷嘴开口(和由此产生的矩形工作区域)的激光喷嘴中，无端轨迹同样在相应的矩形无端轨迹上延伸。在四个角区域中，无端轨迹优选地沿着略微倒圆的轨迹延伸。

椭圆的运动轨迹经证明特别适合作为闭合的无端轨迹。所述椭圆的轨迹优选地具有不同长度的主轴。所述椭圆的轨迹相对于对应的当前扫描运动这样延伸，使得较长的主轴横向于扫描运动指向。以这种方式使加工区域显著扩宽。

在同样驱动良好且可精确控制的一种变型中，通过扫描器光具的至少一个激光镜的运动产生所述附加运动，其中，用于产生附加运动的镜运动的速度在整个附加运动期间是恒定的。

所述附加运动的有利的运动轨迹的另一示例通过蛇形走向得出。蛇形走向尤其理解为一种走向，在该走向中，运动轨迹交替地走完不同指向的曲线(弯道)，在所述曲线中，优选地，在各一曲线之前的运动方向与在该曲线之后的运动方向相反。优选地，激光射束的相遇点在走完彼此相继的曲线时横向于对应的当前扫描运动移位。

在一个特别优选的实施例中，根据相遇部位沿着附加运动的运动轨迹的位置将激光功率改变。以这种方式，例如在激光喷嘴的工作区域为长形的情况下可以在工作区域的外边缘区域中减小功率，因为在那里激光射束由于所需要的运动转向可能更长时间地停留在工件表面上，由此可能引起高的能量输入，该能量输入例如能够导致烧损。在此的目的是由附加材料施加出与品质和层厚度相关的均匀痕迹。

在本发明的另一实施例的情况中，根据相遇部位沿附加运动的运动轨迹的定位速度改变激光功率。

在一个特别优选的变型中，当基于附加运动而驶过工件表面的具有或没有附加材料的区域时，激光功率可以不同。

替代或补充于激光功率，在附加运动期间也可以改变其它加工参数，以便实现最优地适配于对应加工任务的焊接方法。例如作为参数考虑的是：射束形状、如射束横截面，焦斑的大小，或也考虑激光射束的偏振，转向镜(偏转/反射镜)的频率，并从而单个轮廓的环绕速度，以及射束引导机器的合速度。

尤其，转向镜的频率和从而在附加运动的闭合无端轨迹上的环绕速度是对优化加工结果而言的重要参数。

在设备方面，本发明通过一种用于激光堆焊的设备来解决。该设备具有附加材料供给装置和激光加工装置，其中，激光加工装置包括激光喷嘴，该激光喷嘴限定工作区域，其中，借助激光加工装置可以将激光射束指向到工件表面上和/或指向到设有附加材料的工件表面上。

为了产生已经阐述的扫描运动，在该扫描运动中，激光喷嘴和工件表面在激光射束在工件表面上的相遇部位的改变下相对彼此运动，所述设备还具有扫描运动装置。根据本发明，除扫描运动装置外，还设有附加运动装置，通过该附加运动装置可产生已经提及的附加运动，通过该附加运动可以将激光射束在工件表面上的相遇部位在激光喷嘴的工作区域内改变。

优选地，为激光喷嘴设有保护和/或过程气体供给装置，该保护和/或过程气体供给装置向工作区域或光路供给保护和/或过程气体。

所述激光喷嘴可以不同地构造。、它可以仅部分地包围激光射束。但优选涉及的是完全包围激光射束的激光喷嘴。有利地，激光喷嘴设有冷却回路，以便导出在焊接过程中起作用的热量。

经证实为特别有利的是，激光喷嘴具有呈长形间隙形式的喷嘴开口。在此，该间隙可以根据对应的当前扫描运动有利地这样定向，使得纵向轴线(更大的延伸)横向于扫描运动的运动方向延伸。

如上面已经提及的，附加运动装置优选地构造为激光加工装置的扫描器光具，尤其平场扫描器光具。

在特别适用于工业制造的实施例中，可借助扫描运动装置使所述激光加工装置相对于工件运动。特别优选地，扫描运动装置构造为操作机器人。所述激光加工装置例如呈优选地设有扫描器光具的激光焊接头形式，该激光加工装置布置在操作机器人的臂上并且因此可绕着多个运动轴线相对于工件表面运动，以便也能够加工3d构件。

在连续地施加粉末状的附加材料时，首先有利的是：附加材料供给装置具有至少一个供给喷嘴。在此，如果附加材料供给装置固定在激光喷嘴的区域中，则得到附加材料供给的特别有利的情况。优选地，至少一个供给喷嘴，但最好是更多个供给喷嘴绕着激光喷嘴的喷嘴开口布置，使得附加材料直接靠近激光射束的相遇部位地并且在相对于该相遇部位的限定位置供给到工件上。

附加材料供给装置、尤其是供给喷嘴的相对于激光喷嘴同轴的构型是特别优选的，因为当激光喷嘴连同供给装置一起在扫描运动中沿一方向和沿相反方向运动时，由此得到统一的比例。

为了使得能够实现自动化的工业使用，所述设备具有数字式控制单元，借助该控制单元可控制或者控制所述设备，用于执行根据本发明的方法。为了此目的，所述数字式控制单元具有包括控制指令的存储器件，基于所述控制指令相应地控制所述设备。

如已经提及的那样，所述方法或者所述设备在修复、涂层或连接任务中的应用是特别有利的。此外要提及的是：在优化的构件制造方法中的应用，在所述构件中例如通过激光堆焊来增大刚性，或在构件或结构的增材制造(generativeherstellung)中的应用。

附图描述

本发明另外的构型是从属权利要求以及本发明的在后面描述的实施例的主题。此外，根据实施例参照附图详细地阐述本发明。附图分别示出：

图1根据第一实施例的用于激光堆焊的设备；

图2按照图1的设备的激光喷嘴的截面示图；

图3按照图1的设备的激光喷嘴的仰视图；

图4激光射束的相遇部位的附加运动在按照图2和3的激光喷嘴的工作区域内的运动轨迹的示意图；

图5在使用按照图4的附加运动的情况下，激光射束在工件表面上的相遇点的合运动轨迹的示意图；

图6根据激光射束的相遇部位沿着按照图4的附加运动的运动轨迹的位置示出激光功率；

图7激光射束的相遇部位的附加运动在按照图2和3的激光喷嘴的工作区域内的运动轨迹的另一示例的示意图；

图8在使用按照图7的附加运动的情况下，激光射束在工件表面上的相遇点的合运动轨迹的示意图；

图9激光射束的相遇部位的附加运动在按照图2和3的喷嘴的工作区域内的运动轨迹的另一示例的示意图；

图10在使用按照图9的附加运动的情况下，激光射束在工件表面上的相遇点的合运动轨迹的示意图；和

图11根据另一实施例的用于激光堆焊的设备。

具体实施方式

图1示出用于激光堆焊的设备10。该设备10具有呈激光焊接头1形式的激光加工装置，该激光焊接头固定在构造为操作机器人2的扫描运动装置上。借助操作机器人2，焊接头1可以绕多个运动轴线沿着工件3的表面运动，所述工件布置在工件接收件4上。

工件接收件4构造为固定的工件台。如果需要的话，工件接收件4同样可以作为扫描运动装置的一部分设有工件运动轴线，以便使工件相对于焊接头1运动。

激光焊接头1通过激光传导线缆5与激光器总成6连接，通过该激光器总成给焊接头1供给激光射束。借助焊接头1将激光射束指向工件表面上。例如，激光射束具有“近似顶帽”(“neartophat”)的能量分布和约8kw的功率(在持续运行中)。

焊接头1包括激光喷嘴7(图2和3)。通过可借助操作机器人2产生的扫描运动，使焊接头1连同激光喷嘴7一起在激光射束在工件表面上的相遇部位的改变下相对于工件表面运动。

此外，焊接头1设有未详细示出的3d平场扫描器光具19，借助该3d平场扫描器光具，激光射束可以在激光喷嘴7的工作区域中指向不同的部位。在此，激光射束实施附加运动。可通过扫描器光具19产生的附加运动可以叠加于扫描运动，即这两个运动可以至少暂时地同时实施。因此，激光射束在工件表面上的相遇部位的合运动轨迹由扫描运动和附加运动的叠加得出。

此外，激光焊接头1具有附加材料供给装置8，用于将附加材料至少区域地施加到工件表面上。附加材料供给装置8通过输送软管9与附加材料储存装置11连接。所述附加材料例如涉及金属粉末。特别地，作为附加材料的例如可以是铁基合金metco42c或镍基合金inconel718。在后面根据图2和3详细地阐述附加材料供给装置8。

最后，用于激光堆焊的设备10还具有数字式控制单元12，借助该控制单元在运行控制指令的情况下控制所述设备，以执行工件加工。

在图2和3中详细地示出图1的焊接头1的激光喷嘴7。激光喷嘴7具有居中的通道13，来自未示出的扫描器光具的激光射束可以通过所述通道被引导到工件表面上。通道13沿着喷嘴轴线14延伸并且在下端部处通到呈长形间隙形式的喷嘴开口15中。激光喷嘴7具有四个用于冷却水的接口16。此外，激光喷嘴7具有四个用于供给附加材料的接口17。此外设有两个用于保护气体的接口18。

在图3中可见两个出口间隙20，所述出口间隙设置在喷嘴开口15的相对置的侧上。这些出口间隙20是间隙状的(粉末)供给喷嘴的部分，附加材料可以通过所述供给喷嘴喷出，以施加到工件表面上。

在图4中示出图2和3的激光喷嘴7的矩形的工作区域21。激光射束的相遇部位在图4中例如示出为圆形的焦斑22，在工作区域21内，该相遇部位可以借助扫描器光具19实施沿着闭合的无端轨迹的附加运动，该无端轨迹呈椭圆/矩形/圆形的形式。实线表示的是焦斑中点的运动轨迹23。外部的虚线直观示出焦斑的外边缘的走向24。

在焊接过程中，激光射束重复地并且优选连续地实施示例性示出的附加运动。同时，激光喷嘴7通过操作机器人2以扫描运动在工件表面上运动。优选地，所述扫描运动横向于工作区域21的纵向轴线25指向。有利地，激光喷嘴7能够绕着喷嘴轴线14转动到相对于扫描运动方向的该定位中。示例性的附加运动具有沿着扫描运动和横向于扫描运动的分量。

在图5中例如示出焦斑中点在工件表面上的合走向26，该合走向通过激光射束在激光喷嘴7的工作区域21内的附加运动和激光喷嘴7相对于工件表面的扫描运动的叠加得出。为了确保用激光射束尽可能无空缺地加载工件表面，有利的是：当激光射束在无端轨迹上(与轨迹的形状无关)环绕一次时，喷嘴7的工作区域21在工件表面上仅这样运动，所运动的量最多为激光焦斑直径。此外有利的是，焦斑的直径大于工作区域21的宽度的25％，优选大于该宽度的50％。

所述附加运动通过扫描器光具19的至少一个激光镜的运动产生，其中，用于产生附加运动的镜运动的速度几乎恒定。因为激光射束在工作区域21的外边缘区域中更长时间地加载表面，所以在这些区域中减小激光功率，以便防止烧损或者烧坏附加材料或者工件表面。在图6中示例地，根据相遇部位沿着附加运动的运动轨迹的位置，示出激光功率的走向。

所示的功率走向示出：在工作区域21的布置在纵向轴线25的端部处的边缘区域中，功率由较高水平v2线性减小到较低水平v1。在图4中所示的示例中，这相应于运动轨迹23的在点s2和s3之间的区段以及在s4和s1之间的区段。在过渡出边缘区域时，功率又线性地增加到较高的能量水平v2。根据运动轨迹也可以考虑，非线性地减小和/或增加功率。此外可能的是，例如如果在工作区域21中的运动轨迹23在一个边缘上具有沿扫描运动方向的分量并且在另一边缘上具有与扫描运动方向相反的分量，则在两个边缘区域中将功率调节到不同的水平。

根据借助供给喷嘴相对于激光喷嘴7的工作区域21或者说在工作区域21内将附加材料施加在哪个位置而定，可以得出不同的方法变型。如果例如仅用附加材料加载工作区域21的一部分，则可以通过附加运动将激光射束在工件表面上的相遇部位相对于供给喷嘴或者说相对于附加材料的相遇部位这样改变，使得相遇部位基于附加运动走过工件表面的没有附加材料的区域以及已经施加有附加材料的区域。

在激光堆焊中，由于以叠加的附加运动实施所述方法，所以可以在14mm的痕迹宽度、2.6mm的层厚度、和90％的粉末效率的情况下实现400m/min的进给速度，所述粉末效率的构造速率超过650cm³/h。

图7示出相遇部位相对于激光喷嘴7的附加运动的另一示例，在这种情况中，焦斑在一个运动周期内首先走完在图7中从右向左的蛇形轨迹上的运动并且接着从左向右在同一轨迹上又返回。通过与横向于工作区域21纵向轴线25的扫描运动叠加，得出例如焦斑22在工件表面上的合运动轨迹26，该运动轨迹在图8中示出。该蛇形运动轨迹具有的优点是：在工件3上走过关于扫描方向均匀分布的合走向26，由此可以将用于边缘区域的激光功率调节得相同，使得形成非常均匀的堆焊。该优点适用于所有以下运动形式，在所述运动形式中，运动轨迹23在边缘区域中的平行于扫描运动方向的运动分量相同地指向。

图9示出相遇部位相对于激光喷嘴7的附加运动的另一示例。在这种情况中，焦斑22在一个运动周期内沿着工作区域21的边缘走完在矩形轨迹23上的运动。在该变型中，几乎完全利用工作区域21。由于控制和驱动技术的原因，运动轨迹23在角区域中略微倒圆。运动轨迹23基本上由四个线性的运动区段组成，由此简化附加运动的控制或者编程。当仅在线性的运动区段的起始和结束时借助斜坡提高(在起始时)或降低(在结束时)激光功率时，尤其实现非常好的结果。圆形的焦斑22例如具有约3.6mm的直径。工作区域21的宽度例如为5mm并且长度为16mm。通过与横向于工作区域21纵向轴线25的扫描运动的叠加，例如得出焦斑22在工件表面上的、在图10中示出的合运动轨迹26。

最后，在图11中示出用于激光堆焊的设备10的另一示例。根据图9的设备10与根据图1的设备10的区别仅在于激光喷嘴7的构造。特别地，该激光喷嘴7涉及所谓的离轴式激光喷嘴7，其中，附加材料通过侧面的附加材料供给喷嘴28引入到激光射束中。该结构形式的特征在于通过小的喷嘴体而获得良好的构件可触及性。