DE102017210703A1 - Apparatus for laser deposition welding - Google Patents

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Thomas Schopphoven
Angelo Di Meo
Martin Traub
Dieter Hoffmann
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schweißkopf (1) für eine Vorrichtung (10) zum Laserauftragsschweißen umfassend ein Gehäuse (2), eine in diesem Gehäuse (2) mittels einer Optikhalterung (31) gehaltene Optik (3) aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen (32), und eine Werkstoffdüse (4), wobei der Schweißkopf (1) dazu ausgestaltet ist, einen Laserstrahl (L) mittels der Optik (2) in Richtung eines Bearbeitungspunktes (BP) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (5) zu lenken, wobei die Werkstoffdüse (4) zumindest dazu ausgestaltet, einen Zusatzwerkstoff (6) zum Bearbeitungspunkt (BP) während des Laserauftragsschweißens auszulassen, der durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen (7) der Werkstoffdüse (4) zugeführt wird, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente (32) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 bestehen.

Figure DE102017210703A1_0000
The invention relates to a welding head (1) for a device (10) for laser deposition welding, comprising a housing (2), an optic (3) of one or more transmissive and / or reflective housings held in this housing (2) by means of an optical mount (31) optical elements (32), and a material nozzle (4), wherein the welding head (1) is adapted to a laser beam (L) by means of the optics (2) in the direction of a processing point (BP) on a workpiece to be machined (5) guide, wherein the material nozzle (4) at least configured to omit a filler material (6) to the processing point (BP) during laser deposition welding, which is supplied by one or more suitable supply means (7) of the material nozzle (4), wherein at least the transmissive optical Elements (32) at least partially, preferably completely, consist of a material having a refractive index greater than 2.1.
Figure DE102017210703A1_0000

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft einen Schweißkopf, eine Vorrichtung zum Laserauftragsschweißen mit einem solchen Schweißkopf sowie ein entsprechendes Verfahren zum Laserauftragsschweißen mit einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a welding head, a device for laser deposition welding with such a welding head and a corresponding method for laser deposition welding with such a device.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Laserauftragsschweißen ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung und zum Generieren von Bauteilen mit Zusatzwerkstoffen. Dabei wird in ein durch einen Laserstrahl erzeugtes Schmelzbad auf einer Oberfläche eines Bauteils ein pulverförmiger, drahtförmiger oder andersartig ausgebildeter Zusatzwerkstoff eingebracht. Je höher die Prozessgeschwindigkeit ist, desto schneller kann ein Werkstück bearbeitet werden.Laser deposition welding is a process for surface treatment and the generation of components with filler metals. In this case, a pulverulent, wire-shaped or otherwise formed filler material is introduced into a molten bath produced by a laser beam on a surface of a component. The higher the process speed, the faster a workpiece can be machined.

DE 10 2011 100 456 A1 offenbart ein Verfahren zum Laserauftragsschweißen mit pulverförmigen Zusatzwerkstoffen mittels Laserstrahlung, welches bereits sehr hohe Prozessgeschwindigkeiten ermöglicht. Hierbei wurden die hohen Prozessgeschwindigkeiten dadurch erreicht, dass einem auf einer zu bearbeitenden Oberfläche vorliegenden Schmelzbad zumindest ein Zusatzwerkstoff in bereits vollständig geschmolzener oder angeschmolzener Form zugeführt wird. Dennoch wäre eine weitere Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit und eine Erweiterung der möglichen Anwendungsfelder weiterhin wünschenswert. DE 10 2011 100 456 A1 discloses a method for laser deposition welding with powdered filler metals by means of laser radiation, which already allows very high process speeds. In this case, the high process speeds were achieved by supplying at least one filler material in already completely molten or molten form to a molten bath present on a surface to be treated. Nevertheless, a further increase in the processing speed and an extension of the possible fields of application would still be desirable.

Es wäre daher wünschenswert, eine Vorrichtung zum Laserauftragsschweißen zur Verfügung zu haben, die eine hohe Prozessgeschwindigkeit ermöglicht und für schwer zugängliche Werkstücke geeignet ist. Insbesondere beinhaltet die Bearbeitungszeit beim Laserauftragsschweißen je nach bearbeiteter Geometrie und Prozessgeschwindigkeit auch Beschleunigungs- und Abbremszeiten des Bearbeitungskopfes oder Werkstückes, während welcher eine Bearbeitung mit konstanten Prozessparametern nicht möglich ist.It would therefore be desirable to have an apparatus for laser deposition welding which enables a high process speed and is suitable for hard-to-reach workpieces. In particular, the machining time during laser deposition welding, depending on the machined geometry and process speed, also includes acceleration and deceleration times of the machining head or workpiece, during which machining with constant process parameters is not possible.

Insbesondere an schwer zugänglichen Werkstücken ist der Verfahrweg für eine solche Beschleunigungsphase jedoch nicht verfügbar, zumal die Störkontur des Bearbeitungskopfes sich negativ auf die Erreichbarkeit auswirkt.However, especially in hard-to-reach workpieces, the travel path for such an acceleration phase is not available, especially since the interference contour of the machining head has a negative effect on the accessibility.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Laserauftragsschweißen zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Prozessgeschwindigkeit ermöglicht und für hohe Bewegungsdynamiken und schwer zugängliche Werkstücke geeignet ist.It is therefore an object of the invention to provide an apparatus for laser deposition welding, which enables a high process speed and is suitable for high movement dynamics and hard-to-reach workpieces.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Schweißkopf für eine Vorrichtung zum Laserauftragsschweißen umfassend ein Gehäuse, eine in diesem Gehäuse mittels einer Optikhalterung gehaltene Optik aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen, und eine Werkstoffdüse, wobei der Schweißkopf dazu ausgestaltet ist, einen Laserstrahl mittels der Optik in Richtung eines Bearbeitungspunktes auf einem zu bearbeitenden Werkstück zu lenken, wobei die Werkstoffdüse zumindest dazu ausgestaltet ist, einen Zusatzwerkstoff zum Bearbeitungspunkt während des Laserauftragsschweißens auszulassen, der durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen der Werkstoffdüse zugeführt wird, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 bestehen, um die Abmessungen und Massen der optischen Elemente und damit des Schweißkopfes zu reduzieren um eine hohe dreidimensionale Bewegungsdynamik des Schweißkopfes während des Laserauftragsschweißens zu ermöglichen.This object is achieved by a welding head for a device for laser deposition welding comprising a housing, an optics held in this housing by means of an optical mount optics of one or more transmissive and / or reflective optical elements, and a material nozzle, wherein the welding head is adapted to a laser beam by means of the optics in the direction of a machining point on a workpiece to be machined, wherein the material nozzle is at least adapted to omit a filler material to the processing point during the laser deposition welding, which is supplied by one or more suitable supply means of the material nozzle, wherein at least the transmissive optical elements at least partially, preferably completely, made of a material having a refractive index greater than 2.1 in order to reduce the dimensions and masses of the optical elements and thus of the welding head by a high dreidi enable dimensional movement dynamics of the welding head during laser deposition welding.

Der Begriff Schweißkopf bezeichnet die funktionelle Einheit, die während des Laserauftragsschweißens zur Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit dazu vorgesehen ist, bewegt zu werden. Das Gehäuse umschließt die Optik mit den optischen Elementen und damit den Laserstahl im Schweißkopf zwischen der Einkoppelstelle des Laserlichts in den Schweißkopf, an die die Lichtquelle, hier ein Laser, mit geeigneten Mitteln angekoppelt ist, und der Auskoppelstelle, aus der der Laserstrahl in Richtung des Werkstücks austritt. Die Werkstoffdüse ist zum Auslass des Zusatzwerkstoffs, beispielsweise in Pulverform, ausgestaltet. Hierbei bezeichnet der Begriff „Werkstoffdüse“ die Gesamtheit aller Materialauslässe für den Zusatzwerkstoff und gegebenenfalls anderer Substanzen. Je nach Ausführungsform kann die Werkstoffdüse ein oder mehrere Subdüsen umfassen, deren Form und Anordnung auf die jeweilige Verwendung angepasst sein kann. Die Werkstoffdüse kann beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr Subdüsen umfassen, durch die der Zusatzwerkstoff oder andere Substanzen ausgelassen werden können. Bei den Zusatzwerkstoffen werden beispielsweise Pulver mit einer Partikelgröße von 10 - 100µm durch die Werkstoffdüse in Richtung des Bearbeitungspunktes transportiert. Dieser Transport kann beispielsweise durch gravimetrische, mechanisch unterstützt, magnetische, induktive, pneumatische oder hydraulische Fördertechniken durch die Werkstoffdüse hindurch bewerkstelligt werden. Üblicherweise werden die Zusatzwerkstoffe mit einem Trägergas, beispielsweise Argon, durch geeignete Zuleitungen von einem Reservoir an Zusatzwerkstoff zur Werkstoffdüse transportiert und durch diese in einem kontinuierlichen Strahl an Zusatzwerkstoff in Richtung des Bearbeitungspunktes auf dem Werkstück befördert. Für einen effektiven Prozess des Laserauftragsschweißen ist ein konstanter genau definierter Strahl an Zusatzwerkstoffen mit einem definierten Fokus an Zusatzwerkstoffen auf dem Weg zwischen Werkstoffdüse zum Werkstück vorteilhaft. Zusatzwerkstoffe können beispielsweise Nickellegierungen, Kobaltlegierungen, Eisenlegierungen, Titanlegierungen und keramische Werkstoffe sowie Gemische der vorher genannten Werkstoffe umfassen.The term welding head refers to the functional unit that is intended to be moved during laser deposition welding to increase process speed. The housing encloses the optics with the optical elements and thus the laser steel in the welding head between the coupling point of the laser light in the welding head to which the light source, here a laser is coupled by suitable means, and the decoupling point from which the laser beam in the direction of Workpiece emerges. The material nozzle is designed for the outlet of the filler material, for example in powder form. Here, the term "material nozzle" refers to the entirety of all material outlets for the filler material and optionally other substances. Depending on the embodiment, the material nozzle may comprise one or more sub-nozzles whose shape and arrangement can be adapted to the respective use. The material nozzle may comprise, for example, two, three, four or more sub-nozzles, through which the filler or other substances may be discharged. In the case of filler materials, for example, powders with a particle size of 10 - 100 μm are transported through the material nozzle in the direction of the machining point. This transport can be accomplished, for example, by gravimetric, mechanically assisted, magnetic, inductive, pneumatic or hydraulic conveying techniques through the material nozzle. Usually, the filler materials with a carrier gas, such as argon, by suitable supply lines from a reservoir of filler material transported to the material nozzle and transported through this in a continuous beam of filler material in the direction of the processing point on the workpiece. For an effective process of laser cladding, a constant, well-defined beam of filler material with a defined focus on filler materials on the path between the material nozzle and the workpiece is advantageous. For example, filler metals may include nickel alloys, cobalt alloys, iron alloys, titanium alloys, and ceramic materials, as well as mixtures of the aforementioned materials.

Die Optik umfasst die für die jeweilige Anwendung geeignete Form und Anzahl an optischen Elementen, um den Laserstrahl in geeigneter Weise auf das Werkstück zu lenken. Hierbei kann die Optik ein einzelnes optisches Element geformt als transmissive Linse oder mehrere optische Elemente mit gleichen oder unterschiedlichen optischen Abbildungseigenschaften zur gewünschten Strahlformung umfassen. Diese optischen Elemente können als transmissive oder reflektive optische Elemente ausgeführt sein. Der Begriff „transmissive“ bezeichnet ein optisches Element, das das das Licht hindurchtritt, während reflektive optische Elemente das Licht zurückreflektieren. Welche optischen Elemente für die Herstellung einer gewünschten Strahlform des auf das Werkstück gerichteten Laserstrahls benötigt werden, kann von Fachmann gewählt werden. Hierbei kann das Gehäuse je nach Brennweite des oder der optischen Elemente kürzer oder länger gesehen in Strahlausbreitungsrichtung ausfallen. Die optischen Elemente aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 besitzen eine deutlich kürzere Brennweite als herkömmliche Glasoptiken. Solche optischen Elemente sind in der Regel transmissive optische Elemente wie beispielsweise Kollimatorlinsen, Fokuslinsen, Schutzgläser und/oder Aus- und Einkoppelstellen für den Laserstrahl. Reflektive optische Elemente können dagegen beispielsweise aus Metall gefertigt sein oder zumindest eine reflektierende Beschichtung aufweisen. In einer Ausführungsform können optischen Elemente aus obigem hochbrechendem Material mit einer Reflexionsschicht versehen sein, um reflektiv zu wirken. Somit wird die gewünschte Strahlform von einer in Strahlrichtung gesehen deutlich kürzeren und schmaleren Optik bereitgestellt. Das umschließende Gehäuse fällt damit entsprechend kürzer und insgesamt kompakter aus, was zu weniger Materialeinsatz für das Gehäuse führt und dieses entsprechend leichter ausfallen lässt. Einen Brechungsindex größer 2,1 besitzen beispielsweise Werkstoffe wie Zinksulfit (2,37), Diamant (2,42), Titandioxid-Anastas (2,52), Titandioxid-rutil (3,10) oder Bleisulfit (3,90). Vorzugsweise sollte das Material der optischen Elemente einen Brechungsindex größer 2,2, besonders bevorzugt größer 2,3 aufweisen. Unter Einsatz dieser Materialien für die jeweiligen Optiken in Schweißköpfen kann das Gewicht eines Schweißkopfes gegenüber dem Stand der Technik von 10 - 25 kg mindestens um einen Faktor zwei gesenkt werden, was sich sehr vorteilhaft auf die Beweglichkeit des Schweißkopfes mittels entsprechender Bewegungseinheiten auswirkt. Solche Optiken können zudem einen Laserstrahl mit guter Strahlqualität (definierte und stabile Strahlform) bereitstellen, was eine hohe Prozessqualität beim Laserauftragsschweißen ermöglicht. Hierbei ist ein gut definierter und stabiler Fokusbereich vorteilhaft, in dem die Zusatzwerkstoffe für das Auftragsschweißen zumindest angeschmolzen werden. Besonders bevorzugt ist dabei eine Optik des Schweißkopfes, deren optischer Fokus mit dem Materialfokus der aus der Werkstoffdüse austretenden Zusatzwerkstoffen übereinstimmt oder aber der Laserstrahl definiert defokussiert ist, um zumindest den Materialfokus als Ganzes zu überdecken. Ferner ist die Optik und die Ausgestaltung der Werkstoffdüse dabei beispielsweise so ausgewählt, dass die Fokusse in einer gewünschten Entfernung oberhalb des Bearbeitungspunktes des Werkstücks liegen, damit der Zusatzwerkstoff geeignet vorbereitet das Werkstück erreicht.The optics comprise the appropriate form and number of optical elements for the particular application in order to direct the laser beam to the workpiece in a suitable manner. Here, the optics may comprise a single optical element shaped as a transmissive lens or a plurality of optical elements having the same or different optical imaging properties for the desired beam shaping. These optical elements can be designed as transmissive or reflective optical elements. The term "transmissive" refers to an optical element that passes the light, while reflective optical elements reflect the light back. Which optical elements are required for the production of a desired beam shape of the laser beam directed onto the workpiece can be selected by a person skilled in the art. In this case, depending on the focal length of the optical element (s), the housing may be shorter or longer in beam propagation direction. The optical elements made of a material with a refractive index greater than 2.1 have a much shorter focal length than conventional glass optics. Such optical elements are usually transmissive optical elements such as collimator lenses, focus lenses, protective glasses and / or training and coupling points for the laser beam. On the other hand, reflective optical elements may, for example, be made of metal or at least have a reflective coating. In one embodiment, optical elements of the above high refractive index material may be provided with a reflective layer to be reflective. Thus, the desired beam shape is provided by a significantly shorter and narrower lens viewed in the beam direction. The enclosing housing thus falls correspondingly shorter and more compact overall, resulting in less material used for the housing and this can be correspondingly easier. A refractive index greater than 2.1, for example, materials such as zinc sulfite ( 2 . 37 ), Diamond ( 2 . 42 ), Titanium dioxide anastase ( 2 . 52 ), Titanium dioxide rutile ( 3 . 10 ) or lead sulfite ( 3 . 90 ). Preferably, the material of the optical elements should have a refractive index greater than 2.2, more preferably greater than 2.3. Using these materials for the respective optics in welding heads, the weight of a welding head compared to the prior art of 10 - 25 kg can be reduced by a factor of at least two, which has a very advantageous effect on the mobility of the welding head by means of corresponding movement units. Such optics can also provide a laser beam with good beam quality (defined and stable beam shape), which enables high process quality in laser deposition welding. Here, a well-defined and stable focus area is advantageous in which the filler metals for the build-up welding are at least melted. Particularly preferred is an optic of the welding head, the optical focus of which coincides with the material focus of the filler material emerging from the material nozzle, or else the laser beam is defined defocused in order to cover at least the material focus as a whole. Furthermore, the optics and the design of the material nozzle are selected, for example, such that the foci are at a desired distance above the processing point of the workpiece so that the filler material reaches the workpiece in a suitably prepared manner.

Der Stand der Technik für Schweißköpfe beim Laserauftragsschweißen weist dagegen deutliche Defizite insbesondere in Hinsicht auf Baugröße und Gewicht der Schweißköpfe auf. Diese Defizite sind insbesondere relevant für Anwendungen, in welchen eine hohe Bewegungsdynamik oder gute Zugänglichkeit gefordert ist. Mit geeigneter Zufuhr der Zusatzwerkstoffe ist der Zusatzwerkstoff nicht mehr der limitierende Faktor für die Prozessgeschwindigkeit, sondern die Bewegung des Schweißkopfes.The prior art for welding heads in laser deposition welding, however, has significant deficiencies, especially in terms of size and weight of the welding heads. These deficits are particularly relevant for applications in which a high dynamic range or good accessibility is required. With a suitable supply of filler materials, the filler material is no longer the limiting factor for the process speed, but the movement of the welding head.

Der Begriff Prozessgeschwindigkeit bezeichnet dabei sowohl die Auftragsrate (kg/h) als auch die Vorschubgeschwindigkeit und damit Flächenrate. Die vorliegende Erfindung verbessert bei einer hohen Auftragsrate hier insbesondere die Beschleunigung des Schweißkopfes, was zu einer besonders hohen Flächenrate führt.The term process speed refers to both the application rate (kg / h) and the feed rate and thus area rate. The present invention improves at a high application rate in particular the acceleration of the welding head, which leads to a particularly high surface rate.

Die Dynamikerhöhung wird durch einen kleineren Schweißkopf erreicht, was durch die leichtere Optik mit für die benötigte Baulänge und Breite des Schweißkopfes günstigeren optischen Eigenschaften der optischen Elemente erreicht wird, was wiederum einen kleineren und damit leichteren Schweißkopf zur Folge hat und dieser damit mit höheren Beschleunigungen und höheren Geschwindigkeiten auf kurzem Raum verfahren werden kann. Dadurch wird die Auftragsrate und somit die Prozessgeschwindigkeit stark erhöht. Die erhöhte Beschleunigung und erhöhte Ruck-Erhöhung bei Bewegung des Bearbeitungskopfes ermöglicht einen wirtschaftlichen Einsatz bei Laserauftragsschweißen gegenüber anderen Verfahren nach dem Stand der Technik. Der kleine Schweißkopf ermöglicht zusätzlich durch seine reduzierte Größe im Vergleich zu den Schweißköpfen im Stand der Technik die Bearbeitung schwer zugänglicher Werkstücke.The increase in dynamics is achieved by a smaller welding head, which is achieved by the lighter optics with favorable for the required length and width of the welding head optical properties of the optical elements, which in turn has a smaller and thus lighter welding head result and this with higher accelerations and higher speeds in a short space can be moved. This greatly increases the order rate and thus the process speed. The increased acceleration and increased jerk increase on movement of the machining head allows economical use in laser deposition welding over other prior art methods. In addition, the small welding head allows reduced size compared to the welding heads in the prior art, the machining difficult to access workpieces.

Die vorliegende Erfindung stellt somit einen Schweißkopf für eine Vorrichtung zum Laserauftragsschweißen zur Verfügung, mit dem eine hohe Prozessgeschwindigkeit ermöglicht wird und der für hohe Bewegungsdynamiken und schwer zugängliche Werkstücke geeignet ist.The present invention thus provides a welding head for a laser deposition welding apparatus which enables a high process speed and which is suitable for high movement dynamics and hard-to-reach workpieces.

In einer Ausführungsform besitzt der Schweißkopf dabei ein Gewicht unter 5kg, in einer bevorzugten Ausführungsform sogar ein Gewicht unter 3kg. Das ist im Gegensatz zu Schweißköpfen im Stand der Technik, die je nach Strahlleistung ein Gewicht zwischen 10kg und 25 kg aufweisen ein sehr leichtes Gewicht. Die erfindungsgemäßen leichten Schweißköpfe können mit Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bewegt werden, die für Schweißköpfe des Stands der Technik aus Gründen der mechanischen Überbelastung des Antriebs nicht möglich oder viel zu aufwendig sind.In one embodiment, the welding head has a weight below 5 kg, in a preferred embodiment even a weight below 3 kg. This is in contrast to welding heads in the prior art, depending on the beam power a weight between 10kg and 25 kg have a very light weight. The lightweight welding heads according to the invention can be moved at speeds and accelerations that are not possible or too expensive for welding heads of the prior art for reasons of mechanical overload of the drive.

In einer Ausführungsform ist das Material mit dem Brechungsindex größer als 2,1 ein Diamantwerkstoff. Der Begriff Diamantwerkstoff bezeichnet herbei Diamant oder diamantähnliche Substanzen. Diamant besitzt einen Brechungsindex von ungefähr 2,4. Der Diamantwerkstoff kann polykristallin oder monokristallin sein. Polykristalline Diamanten zeichnen sich durch ihre gute Bearbeitbarkeit aus, sodass dreidimensional geformte optische Elemente gut herstellbar sind. Der Diamantwerkstoff besitzt zudem eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung von 2000 W/mK, was beispielsweise um drei Größenordnungen höher ist als bei normalem Glas. Durch diese hohe Wärmeleitfähigkeit kann die durch den Laserstrahl beim Durchtritt durch die Optik in den optischen Elementen deponierte Wärme schnell und effektiv zum Gehäuse des Schweißkopfes abgeführt und von dort an die Umgebung des Schweißkopfes auf geeignete Art und Weise abgegeben werden. Dadurch sind die optischen Eigenschaften der optischen Elemente aus Diamantwerkstoff besonders stabil, was beispielsweise eine thermische Drift der Fokuslänge vermeidet. Schweißköpfe nach dem Stand der Technik weisen dagegen eine Einfahrzeit auf, bis deren Optiken im thermischen Gleichgewicht sind. Der erfindungsgemäße Schweißkopf mit optischen Elementen aus Diamantwerkstoff kann dagegen sofort mit konstanten optischen Eigenschaften eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Schweißkopf kann dadurch bei einem Betrieb unter sich ändernden Laserleistungen kontinuierlich mit konstanten optischen Eigenschaften betrieben werden, was im Stand der Technik nicht möglich ist. Außerdem besitzt der Diamantwerkstoff eine sehr hohe mechanische Robustheit, sodass besonders hohe Beschleunigungen auf den Schweißkopf ausgeübt werden können, ohne dass die Optik Schaden nimmt. Durch die mechanische Robustheit des Diamantwerkstoffs können zudem mechanisch besonders feste Optikhalterungen zur Fixierung der optischen Elemente im Gehäuse des Schweißkopfes verwendet werden, um sicherzustellen, dass sich die optischen Elemente bei den großen Beschleunigungen nicht aus ihren Optikhalterungen lösen und der Schweißkopf dadurch nicht mehr verwendbar ist. Durch die aufgrund des hohen Brechungsindexes leichteren optischen Elemente sind die vorhandenen Klemmkräfte einer Halterung wesentlich besser geeignet, hohe Beschleunigungen zu kompensieren und die optischen Elemente sicher zu halten. Dem Fachmann ist neben Naturdiamanten die Herstellung von polykristallinen oder monokristallinen Industriediamanten bekannt.In one embodiment, the material having a refractive index greater than 2.1 is a diamond material. The term diamond material refers to diamond or diamond-like substances. Diamond has a refractive index of about 2.4. The diamond material may be polycrystalline or monocrystalline. Polycrystalline diamonds are characterized by their good machinability, so that three-dimensionally shaped optical elements are easy to produce. The diamond material also has a very high thermal conductivity in the order of 2000 W / mK, which is for example three orders of magnitude higher than normal glass. As a result of this high thermal conductivity, the heat deposited in the optical elements by the laser beam as it passes through the optics can be quickly and effectively dissipated to the housing of the welding head and emitted therefrom to the surroundings of the welding head in a suitable manner. As a result, the optical properties of the optical elements made of diamond material are particularly stable, which avoids, for example, a thermal drift of the focal length. On the other hand, welding heads of the prior art have a break-in period until their optics are in thermal equilibrium. The welding head according to the invention with optical elements made of diamond material, however, can be used immediately with constant optical properties. The welding head according to the invention can thereby be operated continuously with constant optical properties when operating under varying laser powers, which is not possible in the prior art. In addition, the diamond material has a very high mechanical robustness, so that particularly high accelerations can be exerted on the welding head without damaging the optics. Due to the mechanical robustness of the diamond material, particularly mechanically strong optical holders can be used to fix the optical elements in the housing of the welding head to ensure that the optical elements do not detach from their optical holders during the large accelerations and the welding head can no longer be used thereby. Due to the lighter due to the high refractive index optical elements, the existing clamping forces of a holder are much better suited to compensate for high accelerations and to keep the optical elements safely. The skilled person is known in addition to natural diamonds, the production of polycrystalline or monocrystalline industrial diamonds.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Diamantwerkstoff dabei monokristallin. Monokristalline Diamanten streuen im Gegensatz zu polykristallinen Diamanten nicht innerhalb des optischen Elements in ungewollter Weise. Außerdem weisen monokristalline Diamanten keine oder nur geringfügige Unreinheiten oder Störstellen auf, was bei monokristallinen Diamanten zu besonders hochwertigen optische Eigenschaften führt. Monokristalline und polykristalline Diamanten sind für Laser mit einer Wellenlänge kleiner 2 µm oder größer 6µm geeignet. Geeignete Laser sind beispielsweise ND:YaG-Laser oder andere industrieübliche Festkörperlaser, Diodenlaser oder CO2-Laser. Leistungen bis zu 5 kW oder mehr lassen sich durch obige optische Elemente aus Diamantwerkstoff transportieren.In a preferred embodiment, the diamond material is monocrystalline. Monocrystalline diamonds do not scatter undesirably within the optical element, unlike polycrystalline diamonds. In addition, monocrystalline diamonds have no or only minor impurities or impurities, resulting in monocrystalline diamonds to particularly high-quality optical properties. Monocrystalline and polycrystalline diamonds are suitable for lasers with a wavelength smaller than 2 μm or larger than 6 μm. Suitable lasers are, for example, ND: YaG lasers or other industry-standard solid-state lasers, diode lasers or CO 2 lasers. Power up to 5 kW or more can be transported by the above optical elements made of diamond material.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Werkstoffdüse als Kombinationsdüse mit einer zentralen Öffnung zum Auslassen des durch die Optik bereitgestellten Laserstrahls und mit mindestens einer koaxial um die zentrale Öffnung herum angeordnete Ringdüse ausgeführt, wobei der Zusatzwerkstoff durch die Ringdüse ausgelassen wird. Die Werkstoffdüse erfüllt in dieser Ausführungsform eine Doppelfunktion (Kombinationsdüse), indem sie neben der Funktion des Auslassens des Zusatzwerkstoffes zusätzlich eine optische Funktion erfüllt, indem der Laserstrahl von der Optik des Schweißkopfes durch die Werkstoffdüse geleitet wird und durch die zentrale Öffnung der Werkstoffdüse in Richtung des Werkstückes austritt. Die zentrale Öffnung kann dabei als transparente Auskoppelstelle mit einem transparenten Fenster (Auskoppelfenster) ausgeführt sein. Bei Zusatzwerkstoffen werden beispielsweise Pulver mit einer Partikelgrößen von 10 - 100µm durch die Ringdüse mit einer Ringspaltbreite von 50-1000 µm in Richtung des Bearbeitungspunktes transportiert.In a further embodiment, the material nozzle is designed as a combination nozzle having a central opening for discharging the laser beam provided by the optics and at least one annular nozzle arranged coaxially around the central opening, the filler material being discharged through the annular nozzle. The material nozzle in this embodiment fulfills a dual function (combination nozzle) in addition to the function of discharging the filler additionally fulfills an optical function by the laser beam is guided by the optics of the welding head through the material nozzle and through the central opening of the material nozzle in the direction of Workpiece emerges. The central opening can be designed as a transparent coupling-out point with a transparent window (coupling-out window). For filler metals, for example, powders with a particle size of 10-100 μm are transported through the ring die with an annular gap width of 50-1000 μm in the direction of the machining point.

In einer weiteren Ausführungsform besteht das Gehäuse des Schweißkopfes zumindest teilweise aus einem wärmeleitfähigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer 150 W/mK, bevorzugt größer 200 W/mK, besonders vorzugsweise größer 300 W/mK. Da die optischen Elemente über ihre Optikhalterung am Gehäuse befestigt sind, beispielsweise ist das Gehäuse bereits mit Optikhalterungen ausgeführt, kann die Wärme von den optischen Elementen umso besser angeführt werden, je größer die Wärmeleitung des Materials des Gehäuses ist. Das Gehäuse kann dafür beispielsweise aus Aluminium (236 W/mK), Kupfer (rein 401 W/mK oder handelsüblich 240 - 380 W/mK) oder teilweise aus Silber (429 W/mK) oder Gold (314 W/mK) gefertigt sein.In a further embodiment, the housing of the welding head is at least partially made of a thermally conductive material having a thermal conductivity greater than 150 W / mK, preferably greater than 200 W / mK, particularly preferably greater than 300 W / mK. Since the optical elements are attached to the housing via their optical mount, for example, the housing is already designed with optical mounts, the heat from the optical elements can be better indicated, the greater the heat conduction of the material of the housing. For example, the housing can be made of aluminum (236 W / mK), copper (pure 401 W / mK or commercially available 240 - 380 W / mK) or partially made of silver (429 W / mK) or gold (314 W / mK) ,

In einer bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich zumindest die Optikhalterung der optischen Elemente mit einem Medium zur Wärmeabfuhr geeignet beaufschlagt, um die Wärmeabfuhr von den optischen Elementen noch weiter zu verbessern. Das dafür verwendete Medium kann ein oder mehrere Elemente der Gruppe Wasser, flüssige Metalle, Dämpfe, Glykol oder Ethanol umfassen. Flüssige Metalle bezeichnen dabei niedrigschmelzende Metalle, beispielsweise mit Schmelzpunkt unter 100°C oder Wärmeleitpasten auf Flüssigmetallbasis.In a preferred embodiment, in addition, at least the optical holder of the optical elements is suitably acted upon by a medium for heat removal, in order to further improve the heat dissipation from the optical elements. The medium used for this purpose may comprise one or more elements of the group water, liquid metals, vapors, glycol or ethanol. Liquid metals denote low-melting metals, for example having a melting point below 100 ° C. or heat-conducting pastes based on liquid metal.

In einer weiteren Ausführungsform sind ein oder mehrere Gaszuleitungen zur Aussendung von Gasströmen mit dem Schweißkopf verbunden, die so angeordnet sind, dass die Gasströme auf den Bearbeitungspunkt gerichtet sind. Dadurch kann für den Prozess des Laserauftragsschweißen bei den gewählten Zusatzwerkstoffen eine geeignete Atmosphäre am den Bearbeitungspunkt auf dem Werkstoff erzeugt beziehungsweise eingestellt werden. Alternativ oder in Kombination dazu können zumindest die optischen Elemente mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre beaufschlagt sein. Dieser Überdruck erzeugt eine Konvektion in der Optik und verstärkt den Kühleffekt (Wärmeabfuhr) für die optischen Elemente und schützt die optischen Elemente vor Kontamination. Dazu umfassen der oder die Gasströme beispielsweise Argon, Helium, Druckluft, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder eine Mischung daraus. Hierbei kann es sich sowohl um chemisch inerte Gase (z.B. Edelgase oder Stickstoff) bevorzugt für die Konvention in der Optik und die Passivierung des Bearbeitungspunktes gegenüber der Umgebungsluft oder um reaktive Gase zur Beeinflussung der chemischen Reaktion am Bearbeitungspunkt handeln.In another embodiment, one or more gas supply lines for emitting gas streams are connected to the welding head, which are arranged so that the gas streams are directed to the processing point. As a result, a suitable atmosphere at the processing point on the material can be generated or adjusted for the process of laser deposition welding in the selected filler materials. Alternatively or in combination, at least the optical elements can be subjected to an overpressure relative to the ambient atmosphere. This overpressure creates a convection in the optics and enhances the cooling effect (heat dissipation) for the optical elements and protects the optical elements from contamination. For this purpose, the gas stream or streams comprise, for example, argon, helium, compressed air, nitrogen, oxygen, hydrogen or a mixture thereof. These may be chemically inert gases (e.g., noble gases or nitrogen), preferably optics convention and passivating the processing point to the ambient air, or reactive gases to affect the chemical reaction at the processing point.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schweißkopf eine optische Erfassungsvorrichtung, vorzugsweise sind in der Erfassungsvorrichtung mehrere Sensoren zur Erfassung des Bearbeitungspunktes integriert. Der Begriff „optische Erfassungsvorrichtung“ kann dabei sowohl eine Kamera als auch Helligkeitssensoren oder weitere Sensorik zur Beobachtung des Bearbeitungspunktes und seiner Umgebung sein. Die Erfassungsvorrichtung ermöglicht eine noch präzisere mechanische Steuerung des Schweißkopfes relativ zum Werkstoff und dessen möglicher dreidimensionaler Struktur sowie eine Überwachung und Steuerung des Bearbeitungsprozesses.In a further embodiment, the welding head comprises an optical detection device, preferably a plurality of sensors for detecting the machining point are integrated in the detection device. The term "optical detection device" may be both a camera and brightness sensors or other sensors for observing the processing point and its surroundings. The detection device allows an even more precise mechanical control of the welding head relative to the material and its possible three-dimensional structure and monitoring and control of the machining process.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Laserauftragsschweißen umfassend einen erfindungsgemäßen Schweißkopf sowie einen Laser zur Aussendung eines Laserstrahls, der auf geeignete Weise, vorzugsweise mittels eines Lichtwellenleiters, in den Schweißkopf eingekoppelt wird. Für die jeweilige Anwendung geeignete Laser können vom Fachmann geeignet gewählt werden. Der Laserstrahl kann dabei als kontinuierlicher Strahl oder als gepulster Strahl ausgesendet werden.The invention further relates to an apparatus for laser deposition welding comprising a welding head according to the invention and a laser for emitting a laser beam, which is coupled in a suitable manner, preferably by means of an optical waveguide, in the welding head. Lasers suitable for the respective application can be suitably selected by the person skilled in the art. The laser beam can be emitted as a continuous beam or as a pulsed beam.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Schweißkopf auf einer Bewegungseinheit angeordnet, die dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf relativ zum Werkstück mit einer Verfahrgeschwindigkeit größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/min, noch mehr bevorzugt größer 500 m/min, besonders bevorzugt größer 1000 m/min, zu verfahren, und/oder die dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, zu verfahren. Der Begriff „Untergrund“ bezeichnet den ruhenden Bezugspunkt, der der Boden oder eine andere Unterlage bei einer stehenden Vorrichtung oder eine Wand oder eine Hängevorrichtung bei einer hängenden Vorrichtung sein kann. Aufgrund des geringen Gewichts des erfindungsgemäßen Schweißkopfes sind solche Geschwindigkeiten wesentlich leichter zu erreichen als mit schweren Schweißköpfen. Das Verfahren des Schweißkopfes relativ zum Untergrund stellt eine absolute Geschwindigkeit des Schweißkopfes dar, während die Geschwindigkeit des Schweißkopfes relativ zum Werkstück eine Überlagerung der Bewegung des Werkstücks und die des Schweißkopfes sein kann. Durch eine Bewegung des Werkstücks können daher größere relative Geschwindigkeiten erreicht werden.In one embodiment of the device, the welding head is arranged on a moving unit which is designed to hold the welding head relative to the workpiece at a travel speed greater than 200 m / min, preferably greater than 300 m / min, more preferably greater than 500 m / min greater than 1000 m / min, to proceed, and / or which is configured, the welding head relative to the substrate on which the device is arranged, with a travel speed greater than 20 m / min, preferably greater than 50 m / min, more preferably greater 100 m / min, to proceed. The term "subsurface" refers to the resting reference point, which may be the floor or other support in a standing device, or a wall or hanger in a suspended device. Due to the low weight of the welding head according to the invention, such speeds are much easier to achieve than with heavy welding heads. The process of the welding head relative to the ground represents an absolute speed of the welding head, while the speed of the welding head relative to the workpiece may be a superposition of the movement of the workpiece and that of the welding head. By moving the workpiece, therefore, greater relative speeds can be achieved.

In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist die Bewegungseinheit dazu ausgestaltet, den Schweißkopf mit einer Beschleunigung von mehr als 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2, relativ zum Werkstück zu beschleunigen. Geeignete Bewegungseinheiten dafür sind Einheiten, die durch lineare Direktmotoren, Spindel- oder Riementriebe angetrieben werden. Aufgrund des geringen Gewichts des erfindungsgemäßen Schweißkopfes und gegebenenfalls der sehr robusten optischen Elemente können solche Beschleunigungen nur mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden, ohne dass dabei die Bewegungseinheit, der Schweißkopf und/oder die optischen Elemente beschädigt werden und ein stabiler Prozess ohne Veränderung erreicht wird. In a further embodiment of the device, the moving unit is configured to the welding head with an acceleration of more than 10m / s 2, preferably greater than 20m / s 2, particularly preferably more than 40 m / s 2, to accelerate relative to the workpiece. Suitable moving units for this are units that are driven by linear direct motors, spindle or belt drives. Due to the low weight of the welding head according to the invention and optionally the very robust optical elements such accelerations can be achieved only with the device according to the invention, without damaging the moving unit, the welding head and / or the optical elements and a stable process is achieved without change.

In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung umfasst zur Erreichung gewünschten der Verfahrgeschwindigkeit und/oder der gewünschten Beschleunigung dazu die Bewegungseinheit Portalsysteme, einzelne verfahrbare, parallel oder seriell angeordnete, Achsen oder Rotationsachsen mit einer Parallelkinematik oder ist ein Knickarmroboter.In a further embodiment of the device to achieve desired traversing speed and / or the desired acceleration to the movement unit includes portal systems, individual movable, parallel or serially arranged axes or rotation axes with a parallel kinematic or is a articulated robot.

In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung umfasst diese zu einer weiteren Erwärmung des Bearbeitungspunktes und/oder des Werkstücks und/oder des Zusatzwerkstoffs eine zweite Wärmevorrichtung basierend auf magnetischer oder elektrischer Induktion, Lichtbogen, Wärmeleitung, Plasmabeaufschlagung, Medienbeaufschlagung oder chemischen Reaktionen. Somit kann die für den Laserauftragsprozess benötigte Temperatur beziehungsweise Temperaturgradienten im Bearbeitungspunkt und im umgebenden Werkstück noch präziser eingestellt werden, insbesondere können geringere Temperaturgradienten und/oder gleichmäßigere Temperaturverteilungen am Bearbeitungspunkt erreicht werden als nur über die Lasereinstrahlung.In a further embodiment of the device, this device comprises, for further heating of the processing point and / or the workpiece and / or the filler material, a second heating device based on magnetic or electrical induction, arc, heat conduction, plasma loading, media application or chemical reactions. Thus, the temperature or temperature gradient required for the laser application process can be set even more precisely in the processing point and in the surrounding workpiece; in particular, lower temperature gradients and / or more uniform temperature distributions can be achieved at the processing point than just via the laser irradiation.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Laserauftragsschweißen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassend ein Gehäuse, eine in diesem Gehäuse mittels einer Optikhalterung gehaltene Optik aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen, und eine Werkstoffdüse, wobei die optischen Elemente zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1, vorzugsweise ein Diamantwerkstoff, bestehen, umfassend die Schritte

  • - Lenken eines Laserstrahls mittels der Optik in Richtung eines Bearbeitungspunktes auf einem zu bearbeitenden Werkstück, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente vorzugsweise vollständig, aus Diamantwerkstoff bestehen,
  • - Zuführen eines Zusatzwerkstoffs durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen zur Werkstoffdüse,
  • - Auslassen des Zusatzwerkstoffs zum Bearbeitungspunkt während des Laserauftragsschweißens durch die Werkstoffdüse,
  • - Ausführen des Laserauftragsschweißens, vorzugsweise mit einem Schweißkopf mit einem Gewicht unter 5kg, besonders bevorzugt unter 3kg.
The invention further relates to a method for laser cladding with a device according to the invention comprising a housing, an optics held in this housing by means of an optical mount optics of one or more transmissive and / or reflective optical elements, and a material nozzle, wherein the optical elements at least partially, preferably completely, made of a material having a refractive index greater than 2.1, preferably a diamond material, comprising the steps
  • Directing a laser beam by means of the optics in the direction of a machining point on a workpiece to be machined, wherein at least the transmissive optical elements preferably consist entirely of diamond material,
  • Feeding a filler material through one or more suitable supply means to the material nozzle,
  • Skipping the filler material to the machining point during laser deposition welding through the material nozzle,
  • - Performing laser deposition welding, preferably with a welding head with a weight below 5kg, more preferably below 3kg.

In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Verfahrens des Schweißkopfs relativ zum Werkstück mit einer Verfahrgeschwindigkeit größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/min, noch mehr bevorzugt größer 500 m/min, besonders bevorzugt größer 1000 m/min, und/oder relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, mittels einer Bewegungseinheit, auf der der Schweißkopf angeordnet ist. Das Verfahren relativ zum Untergrund stellt eine absolute Geschwindigkeit dar, während die Geschwindigkeit des Schweißkopfes relativ zum Werkstück eine Überlagerung der Bewegung des Werkstücks und die des Schweißkopfes sein kann. Durch eine Bewegung des Werkstücks können daher größere relative Geschwindigkeiten erreicht werden.In one embodiment, the method comprises the further step of the method of the welding head relative to the workpiece at a travel speed greater than 200 m / min, preferably greater than 300 m / min, even more preferably greater than 500 m / min, particularly preferably greater than 1000 m / min, and / or relative to the substrate on which the device is arranged, with a travel speed greater than 20 m / min, preferably greater than 50 m / min, even more preferably greater than 100 m / min, by means of a movement unit, on which the welding head is arranged. The method relative to the ground represents an absolute speed, while the speed of the welding head relative to the workpiece may be a superposition of the movement of the workpiece and that of the welding head. By moving the workpiece, therefore, greater relative speeds can be achieved.

In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Beschleunigens des Schweißkopfes mit einer Beschleunigung von mehr 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2, relativ zum Werkstück mittels der Bewegungseinheit.In one embodiment, the method comprises the further step of accelerating the welding head with an acceleration of more than 10m / s 2 , preferably more than 20m / s 2 , more preferably more than 40m / s 2 relative to the workpiece by means of the moving unit.

In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zumindest einen der weiteren Schritte:

  • - Beaufschlagen des Bearbeitungspunktes mit einem Gasstrom mittels ein oder mehrerer mit dem Schweißkopf verbundener Gaszuleitungen, vorzugsweise zum Erzeugen einer definierten Atmosphäre am Bearbeitungspunkt, und/oder
  • - Beaufschlagen zumindest der optischen Elemente mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre.
In one embodiment, the method comprises at least one of the further steps:
  • - Applying to the processing point with a gas stream by means of one or more connected to the welding head gas supply lines, preferably for generating a defined atmosphere at the processing point, and / or
  • - Applying at least the optical elements with an overpressure relative to the ambient atmosphere.

In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Abführens von Wärme von den optischen Elementen über die Optikhalterung oder mittels Konvektion im Gehäuse oder mittels eines Medium zur Wärmeabfuhr, mit der die Optikhalterung geeignet beaufschlagt ist.In one embodiment, the method comprises the further step of dissipating heat from the optical elements via the optics mount or by convection in the housing or by means of a heat removal medium with which the optics mount is suitably applied.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Laserstrahl so geformt, dass der Zusatzwerkstoff in angeschmolzener oder aufgeschmolzener Form auf das Werkstück auftrifft. Hierzu durchdringt der Zusatzwerkstoff auf den Weg von der Werkstoffdüse zum Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück den Laserstrahl. Bevorzugt weist der Strom an Zusatzwerkstoff einen Materialfokus auf, der im Laserstrahl liegt. Noch bevorzugter ist die Optik dazu ausgestaltet, dass der Laserstrahl einen Fokus oberhalb des Bearbeitungspunktes des Werkstücks besitzt, der mit dem Materialfokus zusammenfällt. Sofern der Zusatzwerkstoff in angeschmolzener oder aufgeschmolzener Form auf das Werkstück auftrifft, kann der Prozess des Laserauftragsschweißens noch schneller ausgeführt werden, sodass der Schweißkopf noch schneller bewegt werden kann.In one embodiment of the method, the laser beam is shaped such that the filler material impinges on the workpiece in melted or melted form. For this purpose, the filler penetrates the laser beam on its way from the material nozzle to the machining point on the workpiece. The stream of filler material preferably has a material focus which lies in the laser beam. More preferably, the optic is configured so that the laser beam has a focus above the processing point of the workpiece that coincides with the material focus. If the filler material hits the workpiece in molten or molten form, the process of laser deposition welding can be performed even faster, so that the welding head can be moved even faster.

In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Aufbringens weiterer Zusatzwerkstoffe auf das Werkstück vor Beginn des Laserauftragsschweißens. Auch diese Maßnahme kann die Prozessgeschwindigkeit des Laserauftragsschweißens weiter erhöhen.In an embodiment, the method comprises the further step of applying additional filler materials on the workpiece before the start of laser deposition welding. This measure can further increase the process speed of laser deposition welding.

Figurenlistelist of figures

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

  • 1: schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißkopfes (a) in seitlicher Ansicht, (b) in Draufsicht auf die Werkstoffdüse und (c) im seitlichen Ausschnitt der Optik mit optischen Elementen;
  • 2: schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 3: schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
These and other aspects of the invention are shown in detail in the figures as follows.
  • 1 : schematic representation of an embodiment of the welding head according to the invention (a) in a lateral view, (b) in plan view of the material nozzle and (c) in the lateral section of the optic with optical elements;
  • 2 : schematic representation of an embodiment of the device according to the invention;
  • 3 : schematic representation of an embodiment of the method according to the invention.

Detaillierte Beschreibung der AusführungsbeispieleDetailed description of the embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißkopfes 1 (a) in seitlicher Ansicht, (b) in Draufsicht auf die Werkstoffdüse 4 und (c) im seitlichen Ausschnitt der Optik 3 mit optischen Elementen 31. Der Schweißkopf 1 in 1a umfasst ein Gehäuse 2, eine in diesem Gehäuse 2 gehaltene Optik 3 aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen, und eine Werkstoffdüse 4. Der Schweißkopf 1 ist dazu ausgestaltet, einen Laserstrahl L mittels der Optik 2 durch die Werkstoffdüse 4 in Richtung eines Bearbeitungspunktes BP (siehe 2) auf einem zu bearbeitenden Werkstück 5 zu lenken. Der Laserstrahl L wird hierbei durch ein Einkoppelfenster 321 in die Optik 3 eingekoppelt und durch ein Auskoppelfenster 322 angeordnet am Ausgang der Werkstoffdüse 4 wieder mit der gewünschten Strahlform ausgekoppelt. Die Werkstoffdüse 4 ist dabei dazu ausgestaltet, simultan zu ihrer optischen Funktion ein Zusatzwerkstoff 6 zum Bearbeitungspunkt BP während des Laserauftragsschweißens auszulassen, das hier beispielsweise durch zwei bis sechs rohrförmige Zufuhreinrichtungen 7 seitlich der Werkstoffdüse 4 zugeführt wird. Aus Übersichtsgründen sind in der 1a nur zwei dieser Zufuhreinrichtungen dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst der Schweißkopf 1 zusätzlich eine Gaszuleitung 8, die so angeordnet ist, dass die optischen Elemente 32 in der Optik 3 zur Kühlung mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre beaufschlagt werden. Der Gasstrom G kann dabei Argon, Helium, Druckluft, Stickstoff oder eine Mischung daraus umfassen. In dieser Ausführungsform umfasst der Schweißkopf 1 zusätzlich an der Werkstoffdüse eine optische Erfassungsvorrichtung 9, in der mehrere Sensoren (beispielsweise Helligkeitssensoren, hier nicht im Detail gezeigt zur Erfassung des Bearbeitungspunktes BP) integriert sind. Alternativ kann die optische Erfassungsvorrichtung 9 auch als Kamera ausgeführt sein. 1b zeigt die Werkstoffdüse 4 in Draufsicht, wobei diese hierbei als Ringdüse 42 mit einer zentralen Öffnung 41 als transparentes Auskoppelfenster 321 zum Auslass des Laserstrahls L und einer um die zentrale Öffnung 41 angeordnete Ringdüse 42 zum Auslass des Zusatzwerkstoffs 6, beispielsweise in Pulverform, ausgestaltet ist. Als Zusatzwerkstoff 6 kann beispielsweise Pulver mit einer Partikelgröße von 10 - 100µm (üblicherweise kleiner 50µm) durch die Ringdüse 42 mit einer Ringspaltbreite von 50 - 1000µm in Richtung des Bearbeitungspunktes BP transportiert. Dieser Transport kann beispielsweise durch gravimetrische, mechanisch unterstützt, magnetische, induktive, pneumatische oder hydraulische Fördertechniken durch die Zufuhreinrichtung 7 und die Ringdüse 42 hindurch bewerkstelligt werden. Üblicherweise werden die Zusatzwerkstoffe 6 mit einem Trägergas, beispielsweise Argon, durch geeignete Zuleitungen (hier nicht gezeigt) von einem Reservoir an Zusatzwerkstoff 6 zur Werkstoffdüse 4 transportiert und durch diese in einem kontinuierlichen Strahl an Zusatzwerkstoff 6 in Richtung des Bearbeitungspunktes BP auf dem Werkstück 5 geblasen. 1c zeigt schematisch einen Ausschnitt der Optik 3 mit zwei in jeweiligen Optikhalterungen 31 fest gehaltenen transmissiven optischen Elementen 32. In anderen Anordnungen kann die Optikhalterung 31 (anders als hier gezeigt) axial gegen einen Absatz im Gehäuse 2 verspannt sein. Die optischen Elemente 32 sind in dieser Ausführungsform vollständig aus einem Diamantwerkstoff gefertigt, das mit einem Brechungsindex von 2,42 sehr hochbrechend ist. Dadurch wird erreicht, dass der Schweißkopf 1 lediglich ein Gewicht unter 5kg besitzt. Diamant besitzt eine große mechanische Robustheit und sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Durch das geringe Gewicht des Schweißkopfes wird eine hohe dreidimensionale Bewegungsdynamik des Schweißkopfes 1 während des Laserauftragsschweißens ermöglicht. Das das Gehäuse 2 des Schweißkopfes 1 ist hier zur besseren Wärmeableitung von den optischen Elementen 32 aus reinem Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von 401 W/mK gefertigt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse wegen der Gewichtsersparnis aus Aluminium, das eine Wärmeleitfähigkeit von 236 W/mK besitzt. Die Wärme wird dann von der äußeren Oberfläche des Gehäuses 2 an die Umgebung abgegeben. Zusätzlich kann die Optikhalterung 31 noch mit einem Medium zur Wärmeabfuhr geeignet beaufschlagt werden, beispielsweise mit Wasser, flüssigem Metall, Dampf, Glykol oder Ethanol. 1c umfasst zusätzlich noch eine gegenüber der Darstellung in 1a andere Ausführungsform der Anordnung der optischen Erfassungseinrichtung 6. Hier ist diese seitlich am Gehäuse 2 befestigt, wobei die optische Erfassungseinrichtung eine optisches Signal (dargestellt als gestrichelter geknickter Pfeil in Richtung der optischen Erfassungseinrichtung 9) vom Bearbeitungspunkt in umgekehrter Richtung zum Strahlengang des Laserstrahls durch das Auskoppelfenster 321 hindurch empfängt. Dieses Signal kann beispielsweise mittels eines Prismas oder eines Strahlteilers (hier nicht explizit gezeigt) aus der Strahlrichtung senkrecht zur Gehäusewand umgelenkt werden. Das Gehäuse 2 hat dabei eine transmissive Stelle am Befestigungsort der optischen Erfassungseinrichtung 9, damit das Signal die optische Erfassungseinrichtung 9 erreichen kann. In einer alternativen Ausführungsform kann die optische Erfassungseinrichtung 9 zum Empfangen des Signals auch auf der Innenseite des Gehäuses 2 angeordnet sein. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the welding head according to the invention 1 (a) in a side view, (b) in plan view of the material nozzle 4 and (c) in the lateral section of the optics 3 with optical elements 31 , The welding head 1 in 1a includes a housing 2 , one in this case 2 held look 3 from one or more transmissive and / or reflective optical elements, and a material nozzle 4 , The welding head 1 is designed to be a laser beam L by means of optics 2 through the material nozzle 4 in the direction of a processing point BP (please refer 2 ) on a workpiece to be machined 5 to steer. The laser beam L This is done by a coupling window 321 in the optics 3 coupled and through a coupling window 322 arranged at the exit of the material nozzle 4 decoupled again with the desired beam shape. The material nozzle 4 is designed to simultaneously use a filler material for its optical function 6 to the edit point BP during laser deposition welding, here for example by two to six tubular feeders 7 at the side of the material nozzle 4 is supplied. For reasons of clarity are in the 1a only two of these feeders shown. In this embodiment, the welding head comprises 1 in addition a gas supply line 8th which is arranged so that the optical elements 32 in optics 3 be acted upon for cooling with an overpressure relative to the ambient atmosphere. The gas flow G may include argon, helium, compressed air, nitrogen or a mixture thereof. In this embodiment, the welding head comprises 1 in addition to the material nozzle an optical detection device 9 in which several sensors (for example, brightness sensors, not shown in detail here for detecting the processing point BP ) are integrated. Alternatively, the optical detection device 9 also be executed as a camera. 1b shows the material nozzle 4 in plan view, this case as an annular nozzle 42 with a central opening 41 as a transparent coupling window 321 to the outlet of the laser beam L and one around the central opening 41 arranged annular nozzle 42 to the outlet of the filler material 6 , For example, in powder form, is configured. As additional material 6 For example, powder with a particle size of 10 - 100μm (usually less than 50μm) through the ring nozzle 42 with an annular gap width of 50 - 1000μm in the direction of the machining point BP transported. This transport, for example, by gravimetric, mechanically assisted, magnetic, inductive, pneumatic or hydraulic conveying techniques by the feeder 7 and the ring nozzle 42 be accomplished through. Usually, the filler materials 6 with a carrier gas, such as argon, through suitable supply lines (not shown here) from a reservoir of filler material 6 to the material nozzle 4 transported and through these in a continuous stream of filler material 6 in the direction of the processing point BP on the workpiece 5 blown. 1c schematically shows a section of the optics 3 with two in respective optics holders 31 firmly held transmissive optical elements 32 , In other arrangements, the optical mount 31 (other than shown here) axially against a shoulder in the housing 2 be tense. The optical elements 32 are in this embodiment made entirely of a diamond material which is very high refractive index of 2.42. This will ensure that the welding head 1 only has a weight under 5kg. Diamond has a great mechanical robustness and very good thermal conductivity. Due to the low weight of the welding head, a high three-dimensional dynamic movement of the welding head 1 during laser deposition welding. That's the case 2 of the welding head 1 is here for better heat dissipation from the optical elements 32 made of pure copper with a thermal conductivity of 401 W / mK. In another preferred embodiment, the housing is made of aluminum because of the weight saving, which has a thermal conductivity of 236 W / mK. The heat is then removed from the outer surface of the housing 2 delivered to the environment. In addition, the optical mount 31 be acted upon with a medium suitable for heat dissipation, for example, with water, liquid metal, steam, glycol or ethanol. 1c additionally includes one opposite to the representation in 1a another embodiment of the arrangement of the optical detection device 6 , Here is this side of the case 2 fixed, wherein the optical detection means an optical signal (shown as a dashed broken arrow in the direction of the optical detection means 9 ) from Processing point in the reverse direction to the beam path of the laser beam through the coupling window 321 through. This signal can be deflected for example by means of a prism or a beam splitter (not explicitly shown here) from the beam direction perpendicular to the housing wall. The housing 2 has a transmissive point at the mounting location of the optical detection device 9 so that the signal is the optical detection device 9 can reach. In an alternative embodiment, the optical detection device 9 to receive the signal also on the inside of the case 2 be arranged.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 umfassend einen erfindungsgemäßen Schweißkopf 1 sowie einen Laser 11 zur Aussendung des Laserstrahls L, der hier mittels eines Lichtwellenleiters 12 in den Schweißkopf 1 eingekoppelt wird. Der Schweißkopf 1 ist zur Bewegung auf einer Bewegungseinheit 13 angeordnet, die dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf 1 relativ zum Werkstück 5 mit einer Verfahrgeschwindigkeit VG größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/s, noch mehr bevorzugt größer 500 m/s, besonders bevorzugt größer 1000 m/s, zu verfahren. Alternativ oder in Kombination kann die Bewegungseinheit 13 dazu ausgestaltet sein, den Schweißkopf 1 relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit VG größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, zu verfahren. Ferner ist die Bewegungseinheit 13 dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf 1 dafür mit einer Beschleunigung BS von mehr 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2 relativ zum Werkstück 5 zu beschleunigen. Dafür geeignete Bewegungseinheiten 13 sind beispielsweise Portalsysteme, einzelne verfahrbare, parallel oder seriell angeordnete, Achsen oder Rotationsachsen mit einer Parallelkinematik oder ein Knickarmroboter. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 10 hier zu einer weiteren Erwärmung des Bearbeitungspunktes BP und/oder des Werkstücks 5 und/oder des Zusatzwerkstoffs 6 eine zweite Wärmevorrichtung 14 basierend auf magnetischer oder elektrischer Induktion, wobei 2 zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Anordnung der zweiten Wärmevorrichtung 14 zeigt. In einer Ausführungsform ist die Wärmevorrichtung unterhalb des Werkstücks angeordnet, in der anderen Ausführungsform ist die Wärmevorrichtung 14 seitlich oberhalb des Werkstücks 5 mit Wirkung auf den Bearbeitungspunkt BP angeordnet. Bei anderen Anordnungen könnten auch Techniken wie Lichtbögen, Wärmeleitung, Plasmabeaufschlagung, Medienbeaufschlagung oder chemischen Reaktionen verwendet werden. Die Wärmevorrichtung 14 kann in einer anderen Ausführungsform auch dazu verwendet werden, den Zusatzwerkstoff 6 zusätzlich zu erwärmen. 2 shows a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention 10 comprising a welding head according to the invention 1 as well as a laser 11 to emit the laser beam L who is here by means of an optical fiber 12 in the welding head 1 is coupled. The welding head 1 is to move on a motion unit 13 arranged, which is configured to the welding head 1 relative to the workpiece 5 with a travel speed VG greater than 200 m / min, preferably greater than 300 m / s, even more preferably greater than 500 m / s, particularly preferably greater than 1000 m / s to proceed. Alternatively or in combination, the moving unit 13 be configured to the welding head 1 relative to the substrate on which the device is arranged, with a travel speed VG greater than 20 m / min, preferably greater than 50 m / min, more preferably greater than 100 m / min to proceed. Further, the moving unit 13 is designed to, the welding head 1 for it with an acceleration BS of more than 10m / s 2 , preferably more than 20m / s 2 , more preferably more than 40m / s 2 relative to the workpiece 5 to accelerate. For suitable movement units 13 are, for example, gantry systems, individual movable, parallel or serially arranged, axes or rotation axes with a parallel kinematics or articulated robot. Furthermore, the device comprises 10 here for a further heating of the processing point BP and / or the workpiece 5 and / or the filler material 6 a second heating device 14 based on magnetic or electrical induction, wherein 2 two different embodiments of the arrangement of the second heating device 14 shows. In one embodiment, the heat device is disposed below the workpiece, in the other embodiment, the heat device 14 laterally above the workpiece 5 with effect on the edit point BP arranged. In other arrangements, techniques such as arcs, heat conduction, plasma loading, media loading or chemical reactions could also be used. The warming device 14 can also be used in another embodiment, the filler material 6 in addition to warm.

In dieser Ausführungsform umfasst der Schweißkopf zusätzlich eine Gaszuleitung 8 zur Aussendung eines Gasstroms G, die so angeordnet ist, dass der Gasstrom G auf den Bearbeitungspunkt BP gerichtet ist. Dadurch erzeugt der Gasstrom G am Bearbeitungspunkt BP eine definierte Atmosphäre. Der Gasstrom G kann dabei Argon, Helium, Druckluft, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder eine Mischung daraus umfassen.In this embodiment, the welding head additionally comprises a gas feed line 8th for the emission of a gas stream G which is arranged so that the gas flow G on the edit point BP is directed. This creates the gas flow G at the processing point BP a defined atmosphere. The gas flow G may include argon, helium, compressed air, nitrogen, oxygen, hydrogen or a mixture thereof.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Laserauftragsschweißen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 (siehe beispielsweise 2) umfassend ein Gehäuse 2, eine in diesem Gehäuse 2 mittels einer Optikhalterung 31 gehaltene Optik 3 aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen 32, und eine Werkstoffdüse 4, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente 31 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1, vorzugsweise ein Diamantwerkstoff, bestehen, umfassend die Schritte des Lenkens 110 eines Laserstrahls L mittels der Optik 3, gegebenenfalls bei entsprechender Ausgestaltung (siehe 1) durch die Werkstoffdüse 4 hindurch, in Richtung eines Bearbeitungspunktes BP auf einem zu bearbeitenden Werkstück 5, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente 32 vorzugsweise vollständig, aus Diamantwerkstoff bestehen; des Zuführens 120 eines Zusatzwerkstoffs 6 durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen 7 zur Werkstoffdüse 4; des Auslassens 130 des Zusatzwerkstoffs 7 zum Bearbeitungspunkt BP während des Laserauftragsschweißens durch die Werkstoffdüse 4 (gegebenenfalls simultan zu ihrer optischen Funktion, siehe 1); des Ausführens 140 des Laserauftragsschweißens, vorzugsweise mit einem erfindungsgemäßen Schweißkopf 1 (siehe beispielsweise 1) mit einem Gewicht unter 5kg, besonders bevorzugt unter 3kg; des Verfahrens 150 des Schweißkopfs 1 relativ zum Werkstück mit einer Verfahrgeschwindigkeit VG größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/min, noch mehr bevorzugt größer 500 m/min, besonders bevorzugt größer 1000 m/min, und/oder relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit VG größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, mittels einer Bewegungseinheit 13, auf der der Schweißkopf 1 angeordnet ist, und/oder des Beschleunigens 160 des Schweißkopfes 1 mit einer Beschleunigung (BS) von mehr 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2, relativ zum Werkstück 5 ebenfalls mittels dieser Bewegungseinheit 13, optional des Beaufschlagens 170 des Bearbeitungspunktes BP mit einem Gasstrom G mittels ein oder mehrerer mit dem Schweißkopf 1 verbundener Gaszuleitungen 8, vorzugsweise zum Erzeugen einer definierten Atmosphäre am Bearbeitungspunkt BP, und/oder optional des Beaufschlagens 180 zumindest der optischen Elemente 32 mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre, optional des Abführens 190 von Wärme von den optischen Elementen 32 über die Optikhalterung 31 oder mittels Konvektion im Gehäuse 2 oder mittels eines mit einem Medium zur Wärmeabfuhr, mit der die Optikhalterung 31 geeignet beaufschlagt ist. Das Verfahren 100 kann zusätzlich den weiteren Schritt des Aufbringens 200 weiterer Zusatzwerkstoffe auf das Werkstück 5 vor Beginn des Laserauftragsschweißens 140 umfassen. Auch kann der Laserstrahl L so geformt werden, dass der Zusatzwerkstoff 6 in angeschmolzener oder aufgeschmolzener Form auf das Werkstück 5 auftrifft. 3 shows a schematic representation of an embodiment of the method according to the invention 100 for laser deposition welding with a device according to the invention 10 (see, for example 2 ) comprising a housing 2 , one in this case 2 by means of an optical mount 31 held look 3 from one or more transmissive and / or reflective optical elements 32 , and a material nozzle 4 , wherein at least the transmissive optical elements 31 at least partially, preferably completely, of a material having a refractive index greater than 2.1, preferably a diamond material, comprising the steps of steering 110 a laser beam L by means of optics 3 , if appropriate with appropriate design (see 1 ) through the material nozzle 4 through, towards a machining point BP on a workpiece to be machined 5 , wherein at least the transmissive optical elements 32 preferably completely, consist of diamond material; of feeding 120 a filler material 6 by one or more suitable supply means 7 to the material nozzle 4 ; of omission 130 of the filler material 7 to the edit point BP during laser deposition welding through the material nozzle 4 (optionally simultaneously with its optical function, see 1 ); of performing 140 laser deposition welding, preferably with a welding head according to the invention 1 (see, for example 1 ) weighing less than 5kg, more preferably less than 3kg; of the procedure 150 of the welding head 1 relative to the workpiece with a travel speed VG greater than 200 m / min, preferably greater than 300 m / min, even more preferably greater than 500 m / min, more preferably greater than 1000 m / min, and / or relative to the substrate on which the device is arranged , with a travel speed VG greater than 20 m / min, preferably greater than 50 m / min, even more preferably greater than 100 m / min, by means of a moving unit 13 on which the welding head 1 is arranged, and / or accelerating 160 of the welding head 1 with an acceleration ( BS ) of more than 10m / s 2 , preferably more than 20m / s 2 , more preferably more than 40m / s 2 , relative to the workpiece 5 also by means of this movement unit 13 , optional of charging 170 of the processing point BP with a gas stream G by means of one or more with the welding head 1 connected gas supply lines 8th , preferably for generating a defined atmosphere on processing point BP , and / or optionally of charging 180 at least the optical elements 32 with an overpressure relative to the ambient atmosphere, optionally the discharge 190 of heat from the optical elements 32 over the optics holder 31 or by convection in the housing 2 or by means of a with a medium for heat dissipation, with the optical mount 31 is suitably acted upon. The procedure 100 may additionally the further step of applying 200 additional filler materials on the workpiece 5 before laser deposition welding begins 140 include. Also, the laser beam can L be shaped so that the filler material 6 in molten or molten form on the workpiece 5 incident.

Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.The embodiments shown herein are only examples of the present invention and therefore should not be considered as limiting. Alternative embodiments contemplated by one skilled in the art are equally within the scope of the present invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
erfindungsgemäßer Schweißkopfinventive welding head
22
Gehäusecasing
33
Optikoptics
3131
Optikhalterungoptics holder
3232
optische Elementeoptical elements
321321
Einkoppelfenstercoupling window
322322
Auskoppelfensteroutput window
44
WerkstoffdüseWerkstoffdüse
4141
zentrale Öffnung der Werkstoffdüsecentral opening of the material nozzle
4242
Ringdüse der WerkstoffdüseRing nozzle of the material nozzle
55
Werkstückworkpiece
66
ZusatzwerkstoffAdditional material
77
Zufuhreinrichtungenfeeders
88th
Gaszuleitunggas supply
99
optische Erfassungsvorrichtung optical detection device
1010
erfindungsgemäße Vorrichtunginventive device
1111
Laserlaser
1212
Lichtwellenleiteroptical fiber
1313
Bewegungseinheitmoving unit
1414
zweite Wärmevorrichtung second heating device
100100
erfindungsgemäßes Verfahreninventive method
110110
Lenken eines Laserstrahls mittels der Optik in Richtung eines BearbeitungspunktesSteering a laser beam by means of optics in the direction of a processing point
120120
Zuführen eines Zusatzwerkstoffs zur WerkstoffdüseFeeding a filler material to the material nozzle
130130
Auslassen des Zusatzwerkstoffs zum BearbeitungspunktOmitting the filler material to the machining point
140140
Ausführen des LaserauftragsschweißensPerform laser deposition welding
150150
Verfahren des SchweißkopfsMethod of welding head
160160
Beschleunigen des SchweißkopfesAccelerating the welding head
170170
Beaufschlagen des Bearbeitungspunktes mit einem GasstromApplying the processing point with a gas stream
180180
Beaufschlagen zumindest der optischen Elemente mit einem ÜberdruckApplying at least the optical elements with an overpressure
190190
Abführen von Wärme von den optischen ElementenDissipation of heat from the optical elements
200200
Aufbringen weiterer Zusatzwerkstoffe auf das Werkstück vor Beginn des Laserauftragsschweißens Applying additional filler materials to the workpiece prior to laser deposition welding
BPBP
Bearbeitungspunktprocessing point
BSBS
Beschleunigungacceleration
GG
Gasstromgas flow
LL
Laserstrahllaser beam
VSVS
Verfahrgeschwindigkeittraversing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011100456 A1 [0003]DE 102011100456 A1 [0003]

Claims (20)

Ein Schweißkopf (1) für eine Vorrichtung (10) zum Laserauftragsschweißen umfassend ein Gehäuse (2), eine in diesem Gehäuse (2) mittels einer Optikhalterung (31) gehaltene Optik (3) aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen (32), und eine Werkstoffdüse (4), wobei der Schweißkopf (1) dazu ausgestaltet ist, einen Laserstrahl (L) mittels der Optik (2) in Richtung eines Bearbeitungspunktes (BP) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (5) zu lenken, wobei die Werkstoffdüse (4) zumindest dazu ausgestaltet ist, einen Zusatzwerkstoff (6) zum Bearbeitungspunkt (BP) während des Laserauftragsschweißens auszulassen, der durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen (7) der Werkstoffdüse (4) zugeführt wird, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente (32) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 bestehen, um die Abmessungen und Massen der optischen Elemente und damit des Schweißkopfes zu reduzieren um eine hohe dreidimensionale Bewegungsdynamik des Schweißkopfes (1) während des Laserauftragsschweißens zu ermöglichen.A welding head (1) for a device (10) for laser deposition welding comprising a housing (2), an optic (3) of one or more transmissive and / or reflective optical elements (3) held in this housing (2) by means of an optical mount (31). 32), and a material nozzle (4), wherein the welding head (1) is adapted to direct a laser beam (L) by means of the optics (2) in the direction of a processing point (BP) on a workpiece (5) to be machined, the material nozzle (4) is at least configured to omit an additive material (6) to the processing point (BP) during the laser deposition welding, which is supplied to the material nozzle (4) through one or more suitable feed devices (7), wherein at least the transmissive optical elements (6) 32) consist at least partially, preferably completely, of a material having a refractive index greater than 2.1 in order to reduce the dimensions and masses of the optical elements and thus of the S To reduce welding head to a high three-dimensional movement dynamics of the welding head (1) to allow during laser deposition welding. Der Schweißkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißkopf (1) ein Gewicht unter 5kg, bevorzugt unter 3kg besitzt.The welding head (1) after Claim 1 , characterized in that the welding head (1) has a weight less than 5kg, preferably less than 3kg. Der Schweißkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit dem Brechungsindex größer als 2,1 ein Diamantwerkstoff ist, vorzugsweise ist der Diamantwerkstoff monokristallin.The welding head (1) according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the material with the refractive index greater than 2.1 is a diamond material, preferably the diamond material is monocrystalline. Der Schweißkopf (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffdüse (4) als Kombinationsdüse mit einer zentralen Öffnung (41) zum Auslassen des durch die Optik (3) bereitgestellten Laserstrahls (L) und mit mindestens einer koaxial um die zentrale Öffnung (41) herum angeordnete Ringdüse (42) ausgeführt ist, wobei der Zusatzwerkstoff durch die Ringdüse (42) ausgelassen wird.The welding head (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the material nozzle (4) as a combination nozzle with a central opening (41) for discharging the laser beam (L) provided by the optics (3) and at least one coaxially around the central opening (41) arranged round annular nozzle (42) is performed, wherein the filler material is discharged through the annular nozzle (42). Der Schweißkopf (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) des Schweißkopfes (1) zumindest teilweise aus einem wärmeleitfähigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer 150 W/mK, bevorzugt größer 200 W/mK, besonders vorzugsweise größer 300 W/mK, besteht, vorzugsweise ist zumindest die Optikhalterung (31) mit einem Medium zur Wärmeabfuhr geeignet beaufschlagt werden, bevorzugt umfasst das Medium ein oder mehrere Elemente der Gruppe Wasser, flüssige Metalle, Dämpfe, Glykol oder Ethanol.The welding head (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the housing (2) of the welding head (1) at least partially made of a thermally conductive material having a thermal conductivity greater than 150 W / mK, preferably greater than 200 W / mK, particularly preferably greater 300 W / mK, preferably, at least the optical mount (31) is suitably charged with a medium for heat removal, preferably the medium comprises one or more elements of the group water, liquid metals, vapors, glycol or ethanol. Der Schweißkopf (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Gaszuleitungen (8) zur Aussendung von Gasströmen (G) mit dem Schweißkopf (1) verbunden sind, die so angeordnet sind, dass die Gasströme (G) auf den Bearbeitungspunkt (BP) gerichtet sind und/oder zumindest die optischen Elemente (32) mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre beaufschlagen, vorzugsweise erzeugen die Gasströme (G) am Bearbeitungspunkt (BP) eine durch die Gasströme (G) definierte Atmosphäre.The welding head (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that one or more gas supply lines (8) for emitting gas streams (G) to the welding head (1) are arranged, which are arranged so that the gas streams (G) are directed to the processing point (BP) and / or act on at least the optical elements (32) with an overpressure relative to the ambient atmosphere, preferably generate the gas streams (G) at the processing point (BP) defined by the gas streams (G) atmosphere. Der Schweißkopf (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Gasströme (G) Argon, Helium, Druckluft, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder eine Mischung daraus umfassen.The welding head (1) after Claim 6 , characterized in that the gas stream or streams (G) comprise argon, helium, compressed air, nitrogen, oxygen, hydrogen or a mixture thereof. Der Schweißkopf (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißkopf (1) eine optische Erfassungsvorrichtung (9) umfasst, vorzugsweise sind in der Erfassungsvorrichtung (9) mehrere Sensoren zur Erfassung des Bearbeitungspunktes (BP) integriert.The welding head (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the welding head (1) comprises an optical detection device (9), preferably in the detection device (9) a plurality of sensors for detecting the processing point (BP) integrated. Eine Vorrichtung (10) zum Laserauftragsschweißen umfassend einen Schweißkopf (1) nach Anspruch 1 sowie einen Laser (11) zur Aussendung eines Laserstrahls (L), der auf geeignete Weise, vorzugsweise mittels eines Lichtwellenleiters (12), in den Schweißkopf (1) eingekoppelt wirdA device (10) for laser deposition welding comprising a welding head (1) according to Claim 1 and a laser (11) for emitting a laser beam (L), which is coupled in a suitable manner, preferably by means of an optical waveguide (12), in the welding head (1) Die Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißkopf (1) auf einer Bewegungseinheit (13) angeordnet ist, die dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf (1) zumindest relativ zum Werkstück (5) mit einer Verfahrgeschwindigkeit (VG) größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/min, noch mehr bevorzugt größer 500 m/min, besonders bevorzugt größer 1000 m/min, zu verfahren, und/oder die dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf (1) relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit (VG) größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, zu verfahren.The device (10) according to Claim 9 , characterized in that the welding head (1) on a moving unit (13) is arranged, which is adapted, the welding head (1) at least relative to the workpiece (5) with a travel speed (VG) greater than 200 m / min, preferably greater 300 m / min, more preferably greater than 500 m / min, more preferably greater than 1000 m / min, to proceed, and / or which is designed to, the welding head (1) relative to the substrate on which the device is arranged with a travel speed (VG) greater than 20 m / min, preferably greater than 50 m / min, even more preferably greater than 100 m / min, to proceed. Die Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit (13) dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf (1) mit einer Beschleunigung (BS) von mehr 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2 relativ zum Werkstück (5) zu beschleunigen.The device (10) according to Claim 10 Characterized in that the movement unit (13) is adapted to the welding head (1) with an acceleration (BS) of more 10m / s 2, particularly preferably greater than 40m / s 2 preferably greater than 20m / s 2, relative to To accelerate workpiece (5). Die Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit (13) Portalsysteme, einzelne verfahrbare, parallel oder seriell angeordnete, Achsen oder Rotationsachsen mit einer Parallelkinematik umfasst oder ein Knickarmroboter ist. The device (10) according to one of Claims 10 or 11 , characterized in that the movement unit (13) comprises gantry systems, individual movable, parallel or serially arranged, axes or rotation axes with a parallel kinematic system or is an articulated robot. Die Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer weiteren Erwärmung des Bearbeitungspunktes (BP) und/oder des Werkstücks (5) und/oder des Zusatzwerkstoffs die Vorrichtung (10) eine zweite Wärmevorrichtung (14) basierend auf magnetischer oder elektrischer Induktion, Lichtbogen, Wärmeleitung, Plasmabeaufschlagung, Medienbeaufschlagung oder chemischen Reaktionen umfasst.The device (10) according to one of Claims 9 to 12 , Characterized in that a further heating of the machining point (BP) and / or the workpiece (5) and / or of the additional material, the apparatus (10) a second heating device (14) based on magnetic or electric induction, electric arc, heat conduction, Plasmabeaufschlagung , Media or chemical reactions. Ein Verfahren (100) zum Laserauftragsschweißen mit einer Vorrichtung (10) nach Anspruch 9 umfassend ein Gehäuse (2), eine in diesem Gehäuse (2) mittels einer Optikhalterung (31) gehaltene Optik (3) aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen (32), und eine Werkstoffdüse (4), wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente (31) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1, vorzugsweise ein Diamantwerkstoff, bestehen, umfassend die Schritte - Lenken (110) eines Laserstrahls (L) mittels der Optik (3) in Richtung eines Bearbeitungspunktes (BP) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (5), wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente (32) vorzugsweise vollständig, aus Diamantwerkstoff bestehen, - Zuführen (120) eines Zusatzwerkstoffs (6) durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen (7) zur Werkstoffdüse (4), - Auslassen (130) des Zusatzwerkstoffs (7) zum Bearbeitungspunkt (BP) während des Laserauftragsschweißens durch die Werkstoffdüse (4), - Ausführen (140) des Laserauftragsschweißens, vorzugsweise mit einem Schweißkopf (1) mit einem Gewicht unter 5kg, besonders bevorzugt unter 3kg.A method (100) for laser deposition welding with a device (10) according to Claim 9 comprising a housing (2), an optic (3) of one or more transmissive and / or reflective optical elements (32) held in this housing (2) by means of an optical mount (31), and a material nozzle (4), wherein at least the at least partially, preferably completely, of a material with a refractive index greater than 2.1, preferably a diamond material, comprising the steps of - directing (110) a laser beam (L) by means of the optics (3) in Direction of a processing point (BP) on a workpiece to be machined (5), wherein at least the transmissive optical elements (32) preferably completely, consist of diamond material, - supplying (120) a filler material (6) by one or more suitable supply means (7) to the material nozzle (4), - discharging (130) of the filler material (7) to the processing point (BP) during laser deposition welding through the material nozzle (4), - carrying out (14 0) laser deposition welding, preferably with a welding head (1) with a weight less than 5kg, more preferably less than 3kg. Das Verfahren (100) nach Anspruch 14, umfassend den weiteren Schritt des Verfahrens (150) des Schweißkopfs (1) relativ zum Werkstück mit einer Verfahrgeschwindigkeit (VG) größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/min, noch mehr bevorzugt größer 500 m/min, besonders bevorzugt größer 1000 m/min, und/oder relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit (VG) größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, mittels einer Bewegungseinheit (13), auf der der Schweißkopf (1) angeordnet ist.The method (100) according to Claim 14 comprising the further step of the method (150) of the welding head (1) relative to the workpiece with a travel speed (VG) greater than 200 m / min, preferably greater than 300 m / min, even more preferably greater than 500 m / min, particularly preferably greater than 1000 m / min, and / or relative to the substrate on which the device is arranged, with a travel speed (VG) greater than 20 m / min, preferably greater than 50 m / min, even more preferably greater than 100 m / min, by means of a motion unit ( 13) on which the welding head (1) is arranged. Das Verfahren (100) nach Anspruch 15, umfassend den weiteren Schritt des Beschleunigens (160) des Schweißkopfes (1) mit einer Beschleunigung (BS) von mehr 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2, relativ zum Werkstück (5) mittels der Bewegungseinheit (13).The method (100) according to Claim 15 comprising the further step of accelerating (160) the welding head (1) with an acceleration (BS) of more than 10m / s 2 , preferably more than 20m / s 2 , more preferably more than 40m / s 2 , relative to the workpiece (5 ) by means of the movement unit (13). Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, umfassend zumindest einen der weiteren Schritte: - Beaufschlagen (170) des Bearbeitungspunktes (BP) mit einem Gasstrom (G) mittels ein oder mehrerer mit dem Schweißkopf (1) verbundener Gaszuleitungen (8), vorzugsweise zum Erzeugen einer definierten Atmosphäre am Bearbeitungspunkt (BP), und/oder - Beaufschlagen (180) zumindest der optischen Elemente (32) mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre.The method (100) according to one of Claims 14 to 16 comprising at least one of the further steps: - applying (170) the processing point (BP) with a gas stream (G) by means of one or more gas supply lines (8) connected to the welding head (1), preferably for generating a defined atmosphere at the processing point (BP ), and / or - applying (180) at least the optical elements (32) with an overpressure relative to the ambient atmosphere. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, umfassend den weiteren Schritt des Abführens (190) von Wärme von den optischen Elementen (32) über die Optikhalterung (31) oder mittels Konvektion im Gehäuse (2) oder mittels eines mit einem Medium zur Wärmeabfuhr, mit der die Optikhalterung (31) geeignet beaufschlagt ist.The method (100) according to one of Claims 14 to 17 comprising the further step of dissipating (190) heat from the optical elements (32) via the optical mount (31) or by convection in the housing (2) or by means of a heat removal medium suitable for the optical mount (31) is charged. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der Laserstrahl (L) so geformt wird, dass der Zusatzwerkstoff (6) in angeschmolzener oder aufgeschmolzener Form auf das Werkstück (5) auftrifft.The method (100) according to one of Claims 14 to 18 in that the laser beam (L) is shaped such that the filler material (6) impinges on the workpiece (5) in melted or melted form. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, umfassend den weiteren Schritt des Aufbringens (200) weiterer Zusatzwerkstoffe auf das Werkstück (5) vor Beginn des Laserauftragsschweißens (140).The method (100) according to one of Claims 14 to 19 comprising the further step of applying (200) additional filler materials to the workpiece (5) prior to the start of laser deposition welding (140).
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