EP3439820A1 - Vorrichtung und verfahren zum fertigen von metallischen bauteilen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum fertigen von metallischen bauteilen

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EP3439820A1
EP3439820A1 EP17715952.2A EP17715952A EP3439820A1 EP 3439820 A1 EP3439820 A1 EP 3439820A1 EP 17715952 A EP17715952 A EP 17715952A EP 3439820 A1 EP3439820 A1 EP 3439820A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
support element
laser beam
layers
track
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP17715952.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Fux
Steffen Bonss
Marko Seifert
Andrea Berger
Thomas FIEBIGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Dresden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Technische Universitaet Dresden filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3439820A1 publication Critical patent/EP3439820A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/0093—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring combined with mechanical machining or metal-working covered by other subclasses than B23K
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/34—Coated articles, e.g. plated or painted; Surface treated articles

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for manufacturing metallic components.
  • Bonding of metallic components can be accomplished by several methods that differ in complexity.
  • a combination of local deformation with locally realized forming temperature exists in joining processes such as gas and resistance pressure welding or friction welding, cf. D. Böhme, F.-D. Hermann: Manual of Welding, Part II, DVS-Verlag, Dusseldorf 1992, page 45 et seq. And p. 269 et seq.
  • For individual metallic bands for example, from the publication DE 195 02 140 C1 or the document EP 2 090 395 A2 laser assisted joining known.
  • rollers and tubular components for various applications, for example, a casting process or the classic metallurgical production chain, ie casting and forging or free-form cutting, are used.
  • the forging in addition to the near-net shape shaping especially the task of reducing and eliminating microorganisms, pores and Gusslunkern. But forge also achieves texture refinement and associated property improvements.
  • a significant cost factor of the forging process is the necessary tools.
  • Thick-walled seamless tubes are typically manufactured by means of casting and extrusion, continuous casting, centrifugal casting or pilgering, cf. K.-H. Brensing, B. Sommer: Production process for steel pipes, Mannesmannröhren-Werke AG, 45466 Mülheim a. d. Ruhr.
  • large, manufactured by free-form cutting components subsequently require a complex machining finish.
  • the selection of materials of the components or workpieces is not only taking into account the stresses that occur for the intended application area, but they must also meet the respective manufacturing process.
  • components can, for example, use composite casting technologies, such as B. centrifugal casting for the production of composite cast rolls (see M. Winhager, J. Girardi, K. Maier: roll casting: From disposable product to environmentally friendly high-tech tool, Foundry Review 51 (2004), No. 5/6, pages 100th -103) are made of two materials. Since these technologies are too costly for a number of parts or can not be used for all materials and applications, the component surfaces that are most subject to corrosion or wear are provided with a finishing layer by subsequent coating techniques.
  • composite casting technologies such as B. centrifugal casting for the production of composite cast rolls (see M. Winhager, J. Girardi, K. Maier: roll casting: From disposable product to environmentally friendly high-tech tool, Foundry Review 51 (2004), No. 5/6, pages 100th -103) are made of two materials. Since these technologies are too costly for a number of parts or can not be used for all materials and applications, the component surfaces that are most subject to corrosion or wear are provided with a finishing layer by subsequent coating techniques.
  • Typical processes for surface finishing are galvanic coating, thermal spraying and
  • MIG / MAG, UP, plasma, laser processes are based on the molten state of the coating material and a melting of the substrate surface, so that, depending on the process and applied layer thicknesses, the components or component surfaces are heated to a high degree.
  • the maximum layer thicknesses usually applied in one layer are 2-3 mm, in exceptional cases up to 5 mm.
  • the coating of large component surfaces is also very time-consuming.
  • the conventional production line includes measures for the removal of scale and dusts and for protection against excessive heat radiation and noise.
  • An apparatus for manufacturing metallic components from a substrate and a support element to be applied to the substrate has a feed device which is set up to guide the support element onto a surface of the substrate to be coated.
  • the device has at least one laser light source, which is set up, by at least one emitted laser beam at least the support element on its
  • a moving unit and / or the feeding device are designed to apply the support element to the substrate by way of a movement of the substrate relative to the feed device and / or a movement of the feed device, so that at least one track of the support element material lies on the substrate Surface of the substrate is arranged or individual tracks of the support element material on the surface of the substrate next to each other and or or layers of the support element material are arranged one above the other.
  • the substrate may hereby be on a substrate holder be arranged so that the single roller of the rolling device presses the support element on the substrate.
  • the term "application by lane” should in particular also be understood to mean the application of only a single lane of the support element material to the substrate.
  • the relative movement between the feed device and the substrate then serves primarily to position the support element on the substrate surface.
  • both the substrate and the support element are formed from a metallic material, but it can also be at least the material of the support element or the material of the substrate made of a thermoplastic material, preferably as a polymer-matrix composite based on thermoplastic.
  • a thermoplastic material preferably as a polymer-matrix composite based on thermoplastic.
  • materials for the substrate and / or the support element steels nickel and nickel alloys, copper and copper alloys, titanium and titanium alloys, aluminum and aluminum alloys and various special metals can be used.
  • a substrate material and the support element material may be the same or identical, but different materials may be used for the substrate and the support element.
  • the laser beam emitted by the laser light source preferably heats both the support element and the substrate to the respective surfaces to be connected immediately before and / or at the point of impingement or impingement on the temperature suitable for cohesive joining. This allows an improved connection of the two elements.
  • the support element is band-shaped or wire-shaped.
  • strip-shaped should be understood in particular to mean that a length and a width of the support element is significantly greater than a thickness, typically at least five times the thickness.
  • wire-shaped is to be understood in particular that the length of the support element is significantly greater than its thickness and significantly greater than its width. Typically, the length is at least five times the thickness or the width.
  • the wire-shaped support element is rectangular in its cross section, but it may also be circular.
  • the substrate should have a convex surface and preferably be cylindrical. Alternatively, the substrate may also be designed plate-shaped or have a concave surface. Typically, the substrate is wider than the support element, preferably a width of the
  • Substrate at least twice a width of the support element.
  • the substrate may also be formed thicker than the support element.
  • a thickness of the substrate is preferably at least twice a thickness of the support element.
  • a preheating device may be provided with which the support element and / or the substrate can be preheated to a surface of the substrate prior to the impact of the surface of the support element to be joined.
  • the preheating device forms at least one laser beam and / or a plasma arc.
  • the preheating device can also have an induction generator or a device for conductive heating or for heating by means of TIG arc (tungsten inert gas arc).
  • TIG arc tungsten inert gas arc
  • the at least one laser beam emitted by the laser light source is linear or rectangular in shape to heat a wide strip of the material.
  • the at least one laser beam can be deflected in a one-dimensional manner, that is to say preferably in continuous repetition, over the area to be heated.
  • the laser light source which is also referred to as a laser radiation source, may be designed such that the at least one laser beam emitted by it is directed to an edge region of a track of the support element which is already firmly bonded to the substrate, in order to facilitate the application of a material fit prepare for the track to be added to another track.
  • an area with a width of 10 percent, preferably 5 percent of the width of the entire track to be understood.
  • a welding device may be provided with which a weld between two adjacent tracks of the support element can be generated. This allows the tracks to be better connected.
  • the pressing takes place by the rolling device.
  • the point of impingement or the impact area is located below the rolling device, in order to ensure a timely, ideally immediately after heating by the laser beam joining by pressing by means of the rolling device.
  • a method for producing metallic components from a substrate and a support element to be applied to the substrate and to be firmly bonded to the substrate comprises several steps.
  • the support element is guided by a feed device onto a surface of the substrate to be coated.
  • At least the support element is heated by a laser beam emitted by at least one laser light source on its surface immediately before and / or at a point of impact or an impact between the support element and the substrate to a temperature suitable for cohesive joining.
  • the heated support element is then pressed by a rolling device onto the substrate and in this case connected in a material-bonded manner to the substrate.
  • the support element is applied to the substrate by a movement of the substrate relative to the feed device and / or a movement of the feed device relative to the substrate, so that at least one track of the support element material is arranged on the surface of the substrate or individual tracks of the Support element material on the surface of the substrate next to each other and or or individual layers of the support element material are arranged one above the other.
  • the substrate and the support element are preferably connected together in a protective gas atmosphere in order to avoid contamination of the surface and thus a poorer connection.
  • a protective gas can Both an inert and an active gas can be used.
  • Total deformation of the support member during compression with the substrate should be in the range of 1 percent to 50 percent of the initial thickness of the support member to allow reliable connection.
  • the described method is preferably carried out with the described device or the described device is typically suitable for carrying out the described method.
  • FIG. 1 shows a lateral schematic view of a device for the adaptive manufacture of metallic components and component surfaces
  • Fig. 2 is a perspective view of the device with a cylindrical substrate
  • FIG. 3 shows a view corresponding to FIG. 2 with a plurality of layers applied to the substrate
  • FIG. 4 shows a perspective view of the device with a plate-shaped substrate
  • Fig. 5 is a figure 4 corresponding view with a welding device
  • Fig. 6 is a figure 4 corresponding view with a composite sheet.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a device for the adaptive manufacture of metallic components.
  • a support element 1 in the illustrated embodiment, a band of a NiCr alloy is formed by a in the illustrated embodiment by two rollers.
  • Dete feeding device 7 is guided on a substrate 3.
  • the substrate 3 is plate-shaped and made of a low-alloy steel in the illustrated embodiment.
  • a component volume ie a volume of a component formed from the substrate 3 and the support element 1, starting from the substrate 3 as a base body, track and / or layer by means of the band-shaped support element. 1 constructed as a coating material.
  • the support element 1 can also be wire-shaped.
  • the support element 1 is guided at an angle over a single pressure roller or roller 2 onto a surface of the substrate 3 and rolled on with a force F w , which is preferably designed to be perpendicular to a substrate surface.
  • a rectangular or linear laser beam 6 emitted by a laser radiation source or laser light source 4 heats both later contact surfaces of the substrate 3 and the support member 1 to suitable bonding temperatures in a point of impact or impact, also referred to as a laser contact zone ,
  • the laser beam 6 is slightly wider than the supplied support element 1, ie a width of the laser beam 6 exceeds a width of the support element 1 by, for example, 5 percent.
  • a thickness of the support element 1 after the rolling is in the illustrated embodiment still 90 percent of its original thickness.
  • a first preheating device 5 a in the form of an inductor is additionally provided, through which the support element 1 is guided onto the substrate 3 before impingement and which acts as an inductor
  • Pad element 1 preheated.
  • a second preheating device 5b is arranged above the substrate 3 but below the laser beam 6 and heats the substrate 3 by means of a further inductor. By preheating, the respective temperature and deformation gradients can be positively influenced or varied. At the same time, coupling of the laser beam 6 into a gap of the impact area is improved, and higher process speeds can also be realized.
  • the substrate 3 may also be arranged on a substrate holder and guided on the holder by the rolling device 2.
  • a protective gas atmosphere may be provided in which the substrate 3 and the support element 1 are located during connection. The preheating of the support element 1 or of the substrate 3 is typically carried out immediately before the connection of the support element 1 to the substrate 3.
  • FIG. 2 shows, in a perspective view, a further exemplary embodiment of the device or of the method with a cylindrical substrate 3. Recurring features are provided with identical reference symbols in this figure as well as in the following figures.
  • the feeding device 7 now has only one deflection roller and one feed roller. On the feed roller, the support element 1 is wound and is unwound from there and guided over the feed roller to the substrate 3.
  • the substrate 3 now serves as a type of second roller of a roller pair formed with the roller 2.
  • a local volume structure see Figure 3
  • the volume build-up can also be achieved without transverse movement in accordance with the specified band or
  • FIG. 3 A further embodiment in which the support element 1 is now applied in layers to already applied tracks and layers is shown in FIG. 3 in a view corresponding to FIG.
  • a greatly reduced production run is achieved in which only low tooling costs and low energy costs are incurred. Overall, only small forming forces are necessary, resulting in small space sizes for the system.
  • the formation of zinc and the release of dusts or particles are avoided and heating or holding ovens can be dispensed with. This results in a very effective automatic processing chain.
  • Microstructures and coarse-grained microstructures are avoided and very low shrinkage and shrinkage stresses are achieved. This results, also in connection with the advantage of an easily achievable combination of different materials, with a high final contour accuracy for the efficient production of variable components with the desired properties.
  • FIG. 4 shows, in a perspective view, a flat substrate 3 in the form of a plate onto which the support element is applied becomes. While in the case of the method shown in FIGS. 2 and 3, the substrate 3 is typically guided in a transverse movement relative to the stationary feed device 7, in the exemplary embodiment shown in FIG Track 8 achieved this transverse movement by one or more linear axes. Alternatively or additionally, the transverse movement can also be performed by the feeding device 7. In addition, a separation unit 13 in the form of a flying shear or a cut-off wheel is arranged below the substrate 3. With this device, it is possible first to perform a coating in the form of an applied track in one direction, then to separate the support element 1 by the separation unit 13 and to realize a further track next to the already applied to the substrate 3 with a corresponding track offset ,
  • a reliable and firm metallic bond is produced between the substrate 3 as the base body and the support element 1 as a support layer, which typically consists predominantly of high-quality kneading structure, that is to say has no or only slight microstructure gains compared to electroplating or thermal spraying. Even with small thicknesses of the support element 1 of less than 1 mm, the desired chemical composition is guaranteed. Compared with build-up welding, there is only a minimal or no occurrence of molten states in the area of the material transitions, ie also no mixing through the substrate material in the remaining cross section.
  • the machining further processing can be carried out immediately after, in particular in a component production without preheating, but in principle already parallel to the component production.
  • a further, second laser light source 9 which emits a second laser beam 10 is now used.
  • This second laser beam 10 serves to preheat the substrate 3.
  • a welding device 11 is provided above the substrate 3.
  • the welding device 11 may emit a welding laser beam 12 or form a tungsten inert gas or plasma arc.
  • the welding laser beam 12 connects adjacent tracks of the support element 1 with each other by a laser weld in the form of an I-shock.
  • the formation of the weld seam take place parallel to the depositing of the support element 1 or done with the same device in a subsequent process step.
  • the width of the first laser beam 6 emitted by the first laser light source 4 and directed onto the impact area can be adjusted in the illustrated embodiment such that an edge of an already applied layer or an already applied track of the support element 1 is also heated by the laser beam 6.
  • a static and a dynamic beam shaping can be used.
  • the roller 2 used for the application and pressing of the support element 1 may have a one-sided lateral guide, which is preferably arranged on a side facing away from the coated surface to ensure lateral pressure for connection to the adjacent track or adjacent location.
  • the described method is also suitable for a partial application of tape or wire-shaped materials on flat or rotationally symmetrical components, eg. B. for the production of composite sheets or composite boards, as shown in Figure 6.
  • a single track of the support element material is positioned on the substrate 3 by a relative movement between the feeding device 7 and the substrate 3 caused by the moving unit 8 and connected to the substrate 3 by the rolling device 2 and the laser beam 6.
  • This single track of the cladding material can be both flush with the outer edges of the
  • Substrate 3 for example, a sheet
  • Such components manufactured in this way are suitable for the realization of easily availablechtbaustruktu- reindeer, for example, for the combination of aluminum alloys (sheet metal) and
  • the feed rate is about 1.8 m / min, a single track width of 8 mm and a single track height of 1.5 mm at 8 kW laser power.
  • overlap rates to neighboring tracks of 50 percent must be selected. That means for one Area increase a real track width of 4 mm.
  • a strip (10 mm wide, 1.7 mm thick, 1.5 mm thick after application) is coated at a speed of 6 m / min with the described method, whereby only 4 kW of laser power is required and track overlap is eliminated due to geometry, the result is without preheating of tape and / or substrate surface, a coating time of 6.3 h.
  • a coating time of 6.3 h.
  • the material is utilized to 100 percent and the surface requires no or little post-processing due to the formation by smooth rolling.
  • the heating of the tube is significantly lower compared to build-up welding.
  • coating speeds of greater than or equal to 10 m / min are realistic.
  • a coating time of 3.8 h results for a 10 mm bandwidth, or 1.9 h for a 20 mm bandwidth.
  • the amount of preheating although also increases the soaking temperature of the pipe, but remains below the

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum adaptiven Fertigen von metallischen Bauteilen aus einem Substrat (3) und einem auf dem Substrat (3) aufzubringenden und mit dem Substrat (3) stoffschlüssig zu verbindenden Auflageelement (1) mit einer Zuführvorrichtung (7), die eingerichtet ist, das Auflageelement (1) auf eine zu beschichtende Oberfläche des Substrats (3) zu führen, und mindestens einer Laserlichtquelle (4), mit der durch einen emittierten Laserstrahl (6) zumindest das Auflageelement (1) an seiner Oberfläche unmittelbar vor bzw. an einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich zwischen dem Auflageelement (1) und dem Substrat (3) auf eine zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur vorwärmbar ist. Außerdem ist eine mit mindestens einer Walze ausgestattete Walzvorrichtung (2) vorgesehen, die eingerichtet ist, das erwärmte Auflageelement (1) auf das Substrat (3) zu pressen und hierbei mit dem Substrat (3) stoffschlüssig zu verbinden. Durch eine Ouerbewegung des Substrats (3) relativ zu der Zuführvorrichtung (1) bzw. eine Bewegung der Zuführvorrichtung (7) wird das Auflageelement (1) spurweise oder lagenweise auf das Substrat (3) aufgebracht, so dass einzelne Spuren des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats (3) nebeneinander bzw. Lagen des Auflageelementwerkstoffs übereinander angeordnet sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Fertigen
von metallischen Bauteilen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fertigen von metallischen Bauteilen.
Ein Verbinden von metallischen Bauteilen kann mittels mehrerer Verfahren erfolgen, die sich hinsichtlich ihrer Komplexität unterscheiden. Eine Kombination aus lokaler Verformung bei lokal realisierter Umformtemperatur gibt es bei Fügeverfahren wie Gas- und Widerstandspressschweißen oder Reibschweißen, vgl. D. Böhme, F.-D. Hermann: Handbuch der Schweißverfahren, Teil II, DVS-Verlag, Düsseldorf 1992, Seite 45 ff. und S. 269 ff.. Bei einzelnen metallischen Bändern ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 195 02 140 Cl oder der Druckschrift EP 2 090 395 A2 ein laserunterstütztes Fügen bekannt.
Bei Großbauteilen wie Wellen aller Art, Walzen sowie rohrförmigen Bauteilen für verschiedene Anwendungen kann beispielsweise ein Gießprozess oder die klassische metallurgische Fertigungskette, d. h. Gießen und Schmieden bzw. Freiformschneiden, zum Einsatz kommen. Dabei kommt dem Schmieden neben der endkonturnahen Formgebung vor allem die Aufgabe der Reduzierung und Beseitigung von Gefügeseigerungen, Poren und Gusslunkern zu. Durch Schmieden werden aber auch eine Gefügefeinung und eine damit verbundene Eigenschaftsverbesserungen erreicht. Einen wesentlichen Kostenfaktor des Schmiedeprozesses stellen die dafür notwendigen Werkzeuge dar.
Je nach Art der Bauteile erfolgt eine Weiterbearbeitung oftmals über ein sehr energieintensives Zwischenwärmen und unter Beachtung werkstoffabhängiger Abkühlregime, die zum Beispiel bei Bauteilen mit großem Querschnitt wegen einer Begrenzung von Schrumpfspannungen auch mehrere Tage in Anspruch nehmen können vgl. K. Lange: Umformtechnik, Band 2: Massivumformung, Springer-Verlag 1993 und D. M. Schibisch, L. de Vathaire: elektrowärme international, 2/2013, Seiten 79-86.
Bei großen und komplizierten Formen sind oftmals viele Zwischenerwärmungen notwendig. Das Anwärmen und Abkühlen großer Teile aus hochlegierten Stählen beim Schmieden und bei der Wärmebehandlung ist sehr zeitintensiv. Aus Effektivitätsgründen ist die Notwendigkeit des Zusammenfassens ähnlicher Formen beim Schmieden und ähnlicher Stahlsorten bei der Wärmebehandlung sinnvoll, wodurch zusammen mit anderen schmiedespezifischen Faktoren häufig eine kurzfristige Bereitstellung von geschmiedeten Teilen erschwert wird.
Dickwandige nahtlose Rohre wiederum werden typischerweise mittels Gießen und Strangpressen, Stranggießen, Schleuderguss oder Pilgerschrittverfahren gefertigt, vgl. K.-H. Brensing, B. Sommer: Herstellverfahren für Stahlrohre, Mannesmannröhren-Werke AG, 45466 Mülheim a. d. Ruhr. Insbesondere benötigen große, mittels Freiformschneiden gefertigte Bauteile nachträglich eine aufwändige spanende Endbearbeitung. Die Werkstoffauswahl der Bauteile bzw. Werkstücke erfolgt dabei nicht nur unter Beachtung der für den vorgesehenen Einsatzbereich auftretenden Beanspruchungen, sondern sie müssen auch den jeweiligen Herstellungsverfahren gerecht werden.
Genügen die Grundwerkstoffe den an die Bauteile gestellten potenziellen An- forderungen nicht, können Bauteile beispielsweise über Verbundguss- Technologien, wie z. B. Schleuderguss für die Herstellung von Verbundguss- Walzen (vgl. M. Winhager, J. Girardi, K. Maier: Walzenguss: Vom Wegwerfprodukt zum umweltschonenden High-Tech-Werkzeug, Gießereirundschau 51 (2004), Heft 5/6, Seiten 100-103) aus zwei Werkstoffen gefertigt werden. Da diese Technologien für eine Reihe von Teilen zu aufwändig bzw. auch für nicht alle Werkstoffe und Einsatzgebiete nutzbar sind, werden die am stärksten auf Korrosion oder Verschleiß beanspruchten Bauteiloberflächen durch nachfolgende Beschichtungstechniken mit einer Veredelungsschicht versehen.
Typische Verfahren für die Oberflächenveredelung sind die galvanische Be- schichtung, das Beschichten mittels des Thermischen Spritzens und
Auftragschweißen. Während die galvanische Beschichtung (z.B. Hartchrom- Schichten) im kalten Zustand abläuft und üblicherweise Schichtdicken bis < 0,1 mm realisiert, werden beim Thermischen Spritzen (vgl. F. Gätner, J. Voyer, Xiumei Qj, H. Kreye: Neue Herausforderungen für das Draht- und Stabflammspritzen, Universität der Bundeswehr Hamburg, Germany), mit Ausnahme des Kaltgasspritzens, ein vollständiges bis partielles Aufschmelzen des Beschichtungswerkstoffes angestrebt, wobei üblicherweise Schichtdicken s < 1 mm realisiert werden. Alle Auftragschweißprozesse, z.B. MIG/MAG-, UP-, Plasma-, Laserverfahren, basieren auf dem schmelzflüssigen Zustand des Schichtwerkstoffes und einem Anschmelzen der Substratoberfläche, so dass je nach Verfahren und aufgetragenen Schichtdicken eine starke Erwärmung der Bauteile bzw. Bauteiloberflächen erfolgt. Die üblicherweise einlagig aufgetragenen maximalen Schichtdicken liegen bei 2-3 mm, in Ausnahmefällen werden bis zu 5 mm angegeben. Die Beschichtung großer Bauteiloberflächen ist ebenfalls sehr zeitintensiv.
Weiterhin beinhaltet die konventionelle Fertigungsstrecke Maßnahmen zur Beseitigung von Zunder und Stäuben sowie zum Schutz vor übermäßiger Wärmstrahlung und Lärm.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem kosten- und energieeffizient eine Fertigung größerer Bauteile ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Eine Vorrichtung zum Fertigen von metallischen Bauteilen aus einem Substrat und einem auf das Substrat aufzubringenden Auflageelement weist eine Zuführvorrichtung auf, die eingerichtet ist, das Auflageelement auf eine zu beschichtende Oberfläche des Substrats zu führen. Außerdem weist die Vorrichtung mindestens eine Laserlichtquelle auf, die eingerichtet ist, durch mindes- tens einen emittierten Laserstrahl zumindest das Auflageelement an seiner
Oberfläche unmittelbar vor und bzw. oder an einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich zwischen dem Auflageelement und dem Substrat auf eine zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur zu erwärmen. Schließlich ist eine mit mindestens einer Walze ausgestattete Walzvorrichtung vorgesehen, mit der das erwärmte Auflageelement auf das Substrat pressbar ist und hierbei eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird. Eine Verfahreinheit und bzw. oder die Zuführvorrichtung sind dazu ausgebildet, durch eine Ouerbewe- gung des Substrats relativ zu der Zuführvorrichtung und bzw. oder eine Bewegung der Zuführvorrichtung das Auflageelement spurweise oder lagenweise auf das Substrat aufzubringen, so dass mindestens eine Spur des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats angeordnet ist oder einzelne Spuren des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats nebeneinander und bzw. oder Lagen des Auflageelementwerkstoffs übereinander angeordnet sind.
Mit der beschriebenen Vorrichtung ist es in energieeffizienter, kraftsparender sowie raumsparender Weise möglich, spur- und lagenweise großflächige (2D) Bauteile und bzw. oder großvolumige (3D) Bauteile zu fertigen. Diese großvo- lumigen Bauteile bzw. diese Bauteile mit großen Oberflächen aus einem oder mehreren festen Werkstoffen liegen dann typischerweise mit ausschließlich metallischer Bindung zwischen einzelnen Lagen bzw. Spuren vor. Das Aufbringen und Verbinden einzelner Spuren bzw. Lagen oder Spurlagen erfolgt dabei quasi in einem "kalten" Zustand, so dass ein überwiegender Anteil des Aus- gangsgefüges der zugeführten Werkstoffe erhalten bleibt. Durch ein flächiges Pressen des Auflageelements auf das Substrat wird hierbei eine zuverlässige
Verbindung hergestellt. Das Substrat kann hierbei auf einem Substrathalter angeordnet sein, so dass die einzelne Walze der Walzvorrichtung das Auflageelement auf das Substrat drückt. Unter einem spurweisen Aufbringen soll hierbei insbesondere auch das Aufbringen lediglich einer einzigen Spur des Auflageelementwerkstoffs auf das Substrat verstanden werden. Die Relativ- bewegung zwischen der Zuführvorrichtung und dem Substrat dient dann vor allem dem Positionieren des Auflageelements auf der Substratoberfläche.
Typischerweise sind sowohl das Substrat als auch das Auflageelement aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet, es kann aber auch zumindest der Werkstoff des Auflageelements oder der Werkstoff des Substrats aus einem thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise als ein Polymer-Matrix-Komposit auf Thermoplastbasis, ausgebildet sein. Als Werkstoffe für das Substrat und bzw. oder das Auflageelement können Stähle, Nickel- und Nickellegierungen, Kupfer- und Kupferlegierungen, Titan und Titanlegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie verschiedene Sondermetalle verwendet werden.
Ein Substratwerkstoff und der Auflageelementwerkstoff können gleich bzw. identisch sein, es können für das Substrat und das Auflageelement aber auch verschiedene Werkstoffe verwendet werden. Vorzugsweise wird durch den von der Laserlichtquelle emittierten Laserstrahl sowohl das Auflageelement als auch das Substrat an den jeweiligen zu verbindenden Oberflächen unmittelbar vor und bzw. oder an dem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich auf die zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur erwärmt. Dies ermöglicht eine verbesserte Verbindung der bei- den Elemente.
Es kann vorgesehen sein, dass das Auflageelement bandförmig oder draht- förmig ist. Unter "bandförmig" soll hierbei insbesondere verstanden werden, dass eine Länge und eine Breite des Auflageelements deutlich größer als eine Dicke ist, typischerweise mindestens ein Fünffaches der Dicke beträgt. Unter dem Begriff "drahtförmig" soll insbesondere verstanden werden, dass die Länge des Auflageelements deutlich größer als seine Dicke und deutlich größer als seine Breite ist. Typischerweise beträgt die Länge mindestens ein Fünffaches der Dicke bzw. der Breite. Vorzugsweise ist das drahtförmige Auflage- element in seinem Querschnitt rechteckig, es kann aber auch kreisförmig ausgebildet sein. Das Substrat sollte eine konvexe Oberfläche aufweisen und vorzugsweise zylinderförmig sein. Alternativ kann das Substrat auch plattenförmig ausgestaltet sein oder eine konkave Oberfläche aufweisen. Typischerweise ist das Sub- strat breiter als das Auflageelement, vorzugsweise beträgt eine Breite des
Substrats mindestens das Doppelte einer Breite des Auflageelements. Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat auch dicker als das Auflageelement ausgebildet sein. Eine Dicke des Substrats beträgt vorzugsweise mindestens das Doppelte einer Dicke des Auflageelements.
Es kann eine Vorwärmvorrichtung vorgesehen sein, mit der das Auflageelement und bzw. oder das Substrat vor dem Auftreffen der zu fügenden Oberfläche des Auflageelements auf eine Oberfläche des Substrat vorwärmbar ist. Die Vorwärmeinrichtung bildet mindestens einen Laserstrahl und bzw. oder einen Plasmabogen aus. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorwärmeinrichtung auch einen Induktionsgenerator bzw. eine Vorrichtung zum konduktiven Erwärmen oder zum Erwärmen mittels WIG-Bogen (Wolfram-Inertgas-Bogen) aufweisen. Mit der Vorwärmeinrichtung ist es möglich, die zu fügenden Werkstoffe besser auf den nachfolgenden Verbindungsprozess vorzubereiten, da wesentliche Prozessparameter positiv beeinflusst werden, so dass der eigentliche Fügevorgang einfacher erfolgen kann.
Typischerweise ist der mindestens eine Laserstrahl, der von der Laserlichtquelle emittiert wird, linienförmig oder rechteckförmig ausgebildet, um einen breiten Streifen des Werkstoffs zu erhitzen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine Laserstrahl eindimensional auslenkbar ist, also vorzugsweise in stetiger Wiederholung über den zu erwärmenden Bereich verfahren wird. Die Laserlichtquelle, die auch als Laserstrahlungsquelle bezeichnet wird, kann derart ausgebildet sein, dass der mindestens eine von ihr emittierte Laserstrahl auf einen Randbereich einer bereits mit dem Substrat stoffschlüssig verbundenen Spur des Auflageelements gerichtet ist, um diesen Randbereich zum erleichterten Aufbringen einer neben der bereits stoffschlüssig verbun- denen Spur aufzubringenden weiteren Spur vorzubereiten. Unter dem Randbereich soll hierbei insbesondere ein Bereich mit einer Breite von 10 Prozent, vorzugsweise 5 Prozent der Breite der gesamten Spur verstanden werden.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Schweißvorrichtung vorgesehen sein, mit der eine Schweißnaht zwischen zwei nebeneinander angeordneten Spuren des Auflageelements generierbar ist. Hierdurch können die Spuren besser miteinander verbunden werden.
Es kann vorgesehen sein, dass unmittelbar nach dem Erwärmen durch den Laserstrahl das Pressen durch die Walzvorrichtung stattfindet. In besonders bevorzugter Weise befindet sich der Auftreffpunkt bzw. der Auftreffbereich unterhalb der Walzvorrichtung, um ein zeitnahes, idealerweise sofort nach dem Erwärmen durch den Laserstrahl erfolgendes Fügen durch Anpressen mittels der Walzvorrichtung zu gewährleisten.
Ein Verfahren zum Fertigen von metallischen Bauteilen aus einem Substrat und einem auf dem Substrat aufzubringenden sowie mit dem Substrat stoffschlüssig zu verbindenden Auflageelement weist mehrere Schritte auf. Das Auflageelement wird durch eine Zuführvorrichtung auf eine zu beschichtende Oberfläche des Substrats geführt. Zumindest das Auflageelement wird durch einen von mindestens einer Laserlichtquelle emittierten Laserstrahl an seiner Oberfläche unmittelbar vor und bzw. oder an einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich zwischen dem Auflageelement und dem Substrat auf eine zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur erwärmt. Das erwärmte Auflageelement wird anschließend durch eine Walzvorrichtung auf das Substrat gepresst und hierbei mit dem Substrat stoffschlüssig verbunden. Das Auflageelement wird durch eine Ouerbewegung des Substrats relativ zu der Zuführvorrichtung und bzw. oder eine Bewegung der Zuführvorrichtung relativ zu dem Substrat spurweise oder lagenweise auf das Substrat aufgebracht, so dass mindestens eine Spur des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats angeordnet ist oder einzelne Spuren des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats nebeneinander und bzw. oder einzelne Lagen des Auflageelementwerkstoffs übereinander angeordnet sind.
Das Substrat und das Auflageelement werden vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre miteinander verbunden, um eine Verschmutzung der Oberfläche und somit eine schlechtere Verbindung zu vermeiden. Als Schutzgas kann sowohl ein inertes als auch ein aktives Gas eingesetzt werden.
Eine Gesamtverformung des Auflageelements während des Zusammenpressens mit dem Substrat sollte im Bereich von 1 Prozent bis 50 Prozent der Ausgangsdicke des Auflageelements liegen, um eine zuverlässige Verbindung zu ermöglichen.
Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt bzw. die beschriebene Vorrichtung ist typischerweise zum Durchführen des erläuterten Verfahrens geeignet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 6 erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine seitliche schematische Ansicht einer Vorrichtung zum adaptiven Fertigen metallischer Bauteile und Bauteiloberflächen;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit einem zylinderförmigen Substrat;
Fig. 3 eine Figur 2 entsprechende Ansicht mit mehreren auf dem Substrat aufgebrachten Lagen;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit einem plattenförmi- gen Substrat;
Fig. 5 eine Figur 4 entsprechende Ansicht mit einer Schweißvorrichtung und
Fig. 6 eine Figur 4 entsprechende Ansicht mit einem Verbundblech.
In Figur 1 ist in einer schematischen seitlichen Ansicht eine Vorrichtung zum adaptiven Fertigen von metallischen Bauteilen dargestellt. Ein Auflageelement 1, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Band aus einer NiCr-Legierung wird durch eine im dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei Rollen gebil- dete Zuführvorrichtung 7 auf ein Substrat 3 geführt. Das Substrat 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel plattenförmig und aus einem niedriglegierten Stahl. Durch die gezeigte Vorrichtung bzw. das im Folgenden beschriebene Verfahren wird ein Bauteilvolumen, d. h. ein Volumen eines aus dem Substrat 3 und dem Auflageelement 1 gebildeten Bauteils, ausgehend von dem Substrat 3 als Grundkörper, spur- und bzw. oder lagenweise mittels des bandförmigen Auflageelements 1 als Auftragwerkstoff aufgebaut. In weiteren Ausführungsbei- spielen kann das Auflageelement 1 auch drahtförmig sein.
Das Auflageelement 1 wird hierzu, wie bereits beschrieben, unter einem Winkel über eine einzelne Andrückrolle bzw. Walze 2 auf eine Oberfläche des Substrats 3 geführt und mit einer Kraft Fw aufgewalzt, die vorzugsweise senk- recht auf eine Substratoberfläche wirkend ausgebildet ist. Unmittelbar vor dem Aufwalzen erhitzt ein rechteckiger oder linienförmiger Laserstrahl 6, der von einer Laserstrahlungsquelle oder Laserlichtquelle 4 emittiert wird, beide späteren Kontaktflächen des Substrats 3 und des Auflagenelements 1 auf geeignete Fügetemperaturen in einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbe- reich, der auch als Laserkontaktzone bezeichnet wird. Der Laserstrahl 6 ist hierbei etwas breiter als das zugeführte Auflagenelement 1, d. h. eine Breite des Laserstrahls 6 übertrifft eine Breite des Auflagenelements 1 um beispielsweise 5 Prozent. Eine Dicke des Auflageelements 1 nach dem Aufwalzen beträgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel noch 90 Prozent seiner Aus- gangsdicke.
Während des Aufwalzens werden im Wesentlichen nur die beiden erhitzten Oberflächenbereiche durch die wirkende Walzkraft verformt und dadurch fest miteinander verbunden. Durch eine Ouerbewegung, die auf eine Drahtbreite bzw. Bandbreite des Auflageelements 1 bzw., bei zylinderförmigem oder rotationssymmetrischem Substrat 3, auf eine Rotation des Substrats 3 abgestimmt ist, erfolgt ein spurweiser bzw. spiralförmiger einlagiger (n=l) Flächenaufbau. Nach Fertigstellung einer ersten Spur bzw. ersten Lage kann durch eine Umkehr der Ouerbewegung in einem kontinuierlichen Ablauf die nächste Spur oder Lage (n=2) deponiert werden. Dies kann so oft erfolgen, bis eine vorgegebene Kontur n=x erreicht wird. Die nach der ersten Spur bzw. der ersten Lage aufgebrachten Spuren bzw. Lagen können aber auch nach Durchtrennen des Auflageelements 1 wieder vom Ausgangspunkt der ursprünglichen ersten Spur bzw. ersten Lage beginnend ausgeführt werden. Dadurch ergibt sich auch die Möglichkeit, spurweise oder lagenweise verschiedene Werkstoffe und bzw. oder verschiedene Band- und bzw. oder Drahtgeometrien einzusetzen.
In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine erste Vorwärmeinrichtung 5a in Form eines Induktors vorgesehen, durch die das Aufla- geelement 1 vor dem Auftreffen auf das Substrat 3 geführt wird und die das
Auflageelement 1 vorerwärmt. Eine zweite Vorwärmeinrichtung 5b ist oberhalb des Substrats 3, aber unterhalb des Laserstrahls 6 angeordnet und erwärmt mittels eines weiteren Induktors das Substrat 3. Durch die Vorerwärmung können die jeweiligen Temperatur- und Verformungsgradienten positiv beeinflusst bzw. variiert werden. Gleichzeitig wird eine Einkopplung des Laserstrahls 6 in einen Spalt des Auftreffbereichs verbessert und es lassen sich auch höhere Prozessgeschwindigkeiten realisieren. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Substrat 3 auch auf einem Substrathalter angeordnet sein und auf dem Halter durch die Walzvorrichtung 2 geführt werden. Außerdem kann je nach den zu fügenden Werkstoffen des Substrats 3 und des Auflageelements 1 zum Schutz vor Oxidation eine Schutzgasatmosphäre vorgesehen sein, in der sich das Substrat 3 und das Auflageelement 1 beim Verbinden befinden. Die Vorwärmung des Auflageelements 1 bzw. des Substrats 3 erfolgt typischerweise unmittelbar vor dem Verbinden des Auflageelements 1 mit dem Substrat 3.
Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bzw. des Verfahrens mit einem zylinderförmigen Substrat 3. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den fol- genden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Die Zuführvorrichtung 7 weist nun lediglich eine Umlenkrolle und eine Zuführrolle auf. Auf der Zuführrolle ist das Auflageelement 1 aufgewickelt und wird von dort abgewickelt sowie über die Zuführrolle auf das Substrat 3 geführt. Durch die zylinderförmige Ausführung 3 dient das Substrat 3 nun als eine Art zweite Walze eines mit der Walze 2 gebildeten Walzenpaars. Für die Fertigung der Bauteile kann nach dem eventuell notwendigen Durchtrennen des das Auflageelement 1 bildenden Drahts bzw. Bands und einem gegebenenfalls erfolgendem Wechsel des Werkstoffs oder einer Geometrie des Auflageelements 1 ein lokaler Volumenaufbau vorgenommen werden (siehe Figur 3). Bei schmalen Konturänderungen kann der Volumenaufbau auch ohne Querbewegung entsprechend der vorgegebenen Band- bzw.
Drahtbreite bis zur vorgegebenen Lagenzahl n=x erfolgen.
Eine weitere Ausführungsform, bei dem das Auflageelement 1 nun lagenweise auf bereits aufgebrachte Spuren und Lagen aufgebracht wird, ist in Figur 3 in einer Figur 2 entsprechenden Ansicht dargestellt. Bei einer entsprechenden Fertigung dreidimensionaler Bauteile aus dem Substrat 3 und dem Auflageelement 1 ergeben sich gegenüber konventionellen metallurgischen Fertigungsstufen mehrere Vorteile: Es wird ein stark verkürzter Fertigungsdurch- lauf erzielt, bei dem nur geringe Werkzeugkosten und geringe Energiekosten anfallen. Insgesamt sind nur geringe Umformkräfte notwendig, woraus sich geringe Raumgrößen für die Anlagentechnik ergeben. Zudem sind keine hohen Anforderungen an Fundamente und Fertigungshallen zu stellen, wie sie Schmiedepressen oder Ähnliches benötigen. Zudem werden eine Zunderbil- dung und ein Freisetzen von Stäuben oder Partikeln vermieden und es kann auf Aufheiz- bzw. Warmhalteöfen verzichtet werden. Es ergibt sich somit eine sehr effektive automatische Bearbeitungskette.
Hinsichtlich der Bauteile werden nur sehr geringe Durchwärmtemperaturen benötigt, was in einer geringen Wärmeabstrahlung resultiert. Dies führt zu einer verbesserten Handhabung der Bauteile, da keine oder nur geringe Wartezeiten zwischen dem Generieren des Bauteils und einer spanenden Endbearbeitung auftreten. Außerdem können in einfacher Weise
Gefügeseigerungen und grobkörnige Gefüge vermieden sowie sehr geringe Schrumpfungen und Schrumpfspannungen erreicht werden. Dies führt, auch im Zusammenhang mit dem Vorteil einer einfach erreichbaren Kombination verschiedener Werkstoffe, bei einer hohen Endkonturgenauigkeit zur effizienten Herstellung variabler Bauteile mit den gewünschten Eigenschaften.
Figur 4 stellt in einer perspektivischen Ansicht ein flächig ausgebildetes Substrat 3 in Form einer Platte dar, auf die das Auflagenelement aufgebracht wird. Während bei dem in den Figuren 2 und 3 gezeigten Verfahren bzw. der dort gezeigten Vorrichtung typischerweise das Substrat 3 relativ zu der feststehenden Zuführvorrichtung 7 in einer Querbewegung geführt wird, wird bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel über eine unterhalb des Sub- strats 3 angeordnete Verfahreinheit 8 diese Querbewegung durch eine oder mehrere Linearachsen erreicht. Alternativ oder zusätzlich kann die Querbewegung auch durch die Zuführvorrichtung 7 vorgenommen werden. Außerdem ist unterhalb des Substrats 3 eine Trenneinheit 13 in Form einer fliegenden Schere oder einer Trennschleifscheibe angeordnet. Mit dieser Vorrich- tung ist es möglich, zunächst in einer Richtung eine Beschichtung in Form einer aufgebrachten Spur durchzuführen, dann das Auflageelement 1 durch die Trenneinheit 13 zu trennen und mit einem entsprechenden Spurversatz eine weitere Spur neben der bereits aufgebrachten auf das Substrat 3 zu realisieren.
Bei einer derartigen flächigen Nutzung des Verfahrens ergeben sich ebenfalls Vorteile hinsichtlich des Prozesses wie eine Vermeidung eines schmelzflüssigen Ausgangszustands und, bedingt durch die erreichbaren geringen
Durchwärmtemperaturen, nur sehr geringe oder keine Schrumpfspannungen. Eine teilweise Kombination von Schrumpfungen ist vielmehr noch durch den
Verformungsvorgang möglich. Gegenüber Auftragschweißverfahren ist nur ein geringer Energiebedarf für das Schichtauftragen bzw. das Lagenauftragen nötig, so dass deutlich höhere Fertigungsgeschwindigkeiten bei wesentlich kürzeren Fertigungszeiten erreichbar sind. Außerdem ist wiederum eine staub- und partikelfreie Fertigung in Endkontur bzw. sehr endkonturnah möglich bei nahezu vollständiger Werkstoffausnutzung.
Bezüglich der hergestellten Bauteile ergibt sich gegenüber galvanischen Verfahren oder thermischem Spritzen eine sichere und feste metallische Bindung zwischen dem Substrat 3 als Grundkörper und dem Auflageelement 1 als Auflageschicht, die typischerweise überwiegend aus hochwertigem Knetgefüge besteht, also keine oder nur geringe Gefügeseigerungen aufweist. Auch bei geringen Dicken des Auflageelements 1 von weniger als 1 mm ist die gewünschte chemische Zusammensetzung sicher gewährleistet. Verglichen mit Auftragschweißen gibt es nur ein minimales bzw. gar kein Auftreten von schmelzflüssigen Zuständen im Bereich der Werkstoff Übergänge, also auch keine Aufmischung durch den Substratwerkstoff in den Restquerschnitt.
Die spanende Weiterbearbeitung kann sofort im Anschluss, insbesondere bei einer Bauteilfertigung ohne Vorwärmung, prinzipiell aber schon parallel zur Bauteilfertigung erfolgen.
Bei dem in Figur 5 ebenfalls in einer perspektivischen Ansicht gezeigten Vorrichtung wird nun noch eine weitere, zweite Laserlichtquelle 9 verwendet, die einen zweiten Laserstrahl 10 emittiert. Dieser zweite Laserstrahl 10 dient der Vorwärmung des Substrats 3. Außerdem ist eine Schweißvorrichtung 11 oberhalb des Substrats 3 vorgesehen. Die Schweißvorrichtung 11 kann einen Schweißlaserstrahl 12 emittieren oder einen Wolfram-Inertgas- bzw. Plasmabogen ausbilden. Der Schweißlaserstrahl 12 verbindet nebeneinander liegende Spuren des Auflageelements 1 miteinander durch eine Laserschweißnaht in Form eines I-Stoßes. Das Ausbilden der Schweißnaht kann, wie in Figur 5 dargestellt, parallel zum Deponieren des Auflageelements 1 erfolgen oder mit der gleichen Vorrichtung in einem anschließenden Verfahrensschritt geschehen.
Die Breite des von der ersten Laserlichtquelle 4 emittierten und auf den Auftreffbereich gerichteten ersten Laserstrahls 6 kann in dem dargestellten Ausführungsbeispiel derart eingestellt sein, dass auch eine Kante einer bereits aufgebrachten Lage bzw. einer bereits aufgebrachten Spur des Auflageelements 1 durch den Laserstrahl 6 miterhitzt wird. Hierfür kann sowohl eine statische als auch eine dynamische Strahlformung genutzt werden.
Die für das Auftragen und Andrücken des Auflageelements 1 verwendete Walze 2 kann eine einseitige seitliche Führung aufweisen, die vorzugsweise auf einer der beschichteten Fläche abgewandten Seite angeordnet ist, um einen seitlichen Druck für eine Verbindung zur Nachbarspur bzw. Nachbarlage zu gewährleisten.
Neben vollflächigen Beschichtungen bzw. Volumenaufbauten eignet sich das beschriebene Verfahren auch für ein partielles Auftragen von band- oder drahtförmigen Werkstoffen auf ebene oder rotationssymmetrische Bauteile, z. B. für die Fertigung von Verbundblechen bzw. Verbundplatinen, wie in Figur 6 dargestellt. In dem in dieser Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird lediglich eine einzelne Spur des Auflageelementwerkstoffs durch eine von der Verfahreinheit 8 bewirkte Relativbewegung zwischen der Zuführvorrichtung 7 und dem Substrat 3 auf dem Substrat 3 positioniert und durch die Walzvorrichtung 2 und den Laserstrahl 6 mit dem Substrat 3 verbunden. Diese einzel- ne Spur des Auflagewerkstoffs kann sowohl bündig zu den Außenkanten des
Substrats 3 (beispielsweise eines Blechs) aufgetragen werden oder sie wird so aufgebracht, dass sie nur teilweise überlappend mit den Kanten des Substrats 3 (oder der Substrate 3) verbunden ist. Solche auf diese Weise hergestellten Bauteile eignen sich für die Realisierung von gut fügbaren Leichtbaustruktu- ren, beispielsweise für die Kombination Aluminiumlegierungen (Blech) und
Stahl (Auflage). Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden. Anhand des folgenden Ausführungsbeispiels soll die extrem hohe Wirtschaftlichkeit des beschriebenen Verfahrens bzw. der beschriebenen Vorrichtung veranschaulicht werden: Wird ein Stahlband mit 20 mm Breite und 3 mm Dicke für das Auftragen, d. h. als Auflageelement 1, verwendet, ergibt sich bei 10 m/min Vorschubgeschwindigkeit eine Auftragrate von 280 kg/h bzw. eine Flächenleistung von 12 m2/h. Diese Kennzahlen sind momentan auch mit
Hochleistungsbeschichtungsverfahren nicht annähernd erreichbar. Gleichzeitig ist der Energieeintrag gegenüber Auftragschweißen um ein Vielfaches geringer. Da die mit dem beschriebenen Laserwalzplattieren erreichbaren Vorschubgeschwindigkeiten von der Leistung der eingesetzten Laserlichtquelle 4 und den zu bearbeitenden Werkstoffen abhängig sind, können beispielsweise bei einer Kombination zwischen Stählen und Nickellegierungen bei Einsatz geeigneter Laserlichtquellen 4 Vorschubgeschwindigkeiten von 20 m/min oder höher erreicht werden. Der Gesamtwärmeeintrag wird mit zunehmender Geschwindigkeit noch geringer.
Bei einer als Vergleichsbeispiel ausgewählten Beschichtung von dickwandigen Rohren zum Korrosionsschutz mittels Laserpulver-Auftragschweißen liegt die Vorschubgeschwindigkeit bei ca. 1,8 m/min, einer Einzelspurbreite von 8 mm und einer Einzelspurhöhe von 1,5 mm bei 8 kW Laserleistung. Zum Realisieren möglichst gleichmäßiger Schichthöhen müssen üblicherweise Überlappraten zu Nachbarspuren von 50 Prozent gewählt werden. Das bedeutet für einen Flächenzuwachs eine reale Spurbreite von 4 mm. Um ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 400 mm und 18 m Länge zu beschichten, ergibt sich somit eine Beschichtungszeit von 52,5 h. Wird mit dem beschriebenen Verfahren ein Band (10 mm breit, 1,7 mm dick, nach dem Auftragen 1,5 mm dick) mit 6 m/min Vorschubgeschwindigkeit beschichtet, wobei nur 4 kW Laserleistung benötigt werden und eine Spurüberlappung geometriebedingt entfällt, ergibt sich ohne Vorwärmung von Band und bzw. oder Substratoberfläche eine Beschichtungszeit von 6,3 h. Bei Verwendung eines 20 mm breiten Bands werden bei einer Laserleistung von 8 kW sogar nur 3,15 h benötigt. Gleichzeitig fallen keine Metallstäube an, der Werkstoff wird zu 100 Prozent ausgenutzt und die Oberfläche bedarf aufgrund der Ausbildung durch glatte Walzen keiner oder nur geringer Nachbearbeitung. Außerdem fällt die Durchwärmung des Rohres gegenüber dem Auftragschweißen deutlich niedriger aus.
Wird der beschriebene Prozess noch durch die Vorwärmung unterstützt, sind Beschichtungsgeschwindigkeiten von größer oder gleich 10 m/min realistisch. Bei einem Wert der Vorschubgeschwindigkeit von 10 m/min ergibt sich bei 10 mm Bandbreite eine Beschichtungszeit von 3,8 h bzw. bei 20 mm Bandbreite von 1,9 h. Je nach Höhe der Vorwärmung erhöht sich zwar auch die Durchwärmtemperatur des Rohres, bleibt aber unter der beim
Auftragschweißen sich einstellenden Temperatur.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zum Fertigen von metallischen Bauteilen aus einem Substrat (3) und einem auf dem Substrat (3) aufzubringenden und mit dem Substrat (3) stoffschlüssig zu verbindenden Auflageelement (1) mit einer Zuführvorrichtung (7), die eingerichtet ist, das Auflageelement (1) auf eine zu beschichtende Oberfläche des Substrats (3) zu führen, mindestens einer Laserlichtquelle (4), die eingerichtet ist, durch mindestens einen emittierten Laserstrahl (6) zumindest das Auflageelement (1) an seiner Oberfläche unmittelbar vor und/oder an einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich zwischen dem Auflageelement (1) und dem Substrat (3) auf eine zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur zu erwärmen, und einer mit mindestens einer Walze ausgestatteten Walzvorrichtung (2), die eingerichtet ist, das erwärmte Auflageelement (1) auf das Substrat (3) zu pressen und hierbei mit dem Substrat (3) stoffschlüssig zu verbinden, wobei eine Verfahreinheit (8) und/oder die Zuführvorrichtung (7) dazu ausgebildet ist, durch eine Ouerbewegung des Substrats (3) relativ zu der Zuführvorrichtung (1) und/oder einer Bewegung der Zuführvorrichtung (7) das Auflageelement (1) spurweise oder lagenweise auf das Substrat (3) aufzubringen, so dass mindestens eine Spur des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats (3) angeordnet ist oder einzelne Spuren des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats (3) nebeneinander und/oder Lagen des Auflageelementwerkstoffs übereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflageelement (1) bandförmig oder drahtförmig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) eine konvexe Oberfläche aufweist oder plat- tenförmig ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorwärmvorrichtung (5a, 5b) vorgesehen ist, mit der das Auflageelement (1) und/oder das Substrat (3) vor dem Auftreffen der zu fügenden Oberfläche des Auflageelements (1) auf eine Oberfläche des Substrats (3) vorwärmbar ist, wobei die Vorwärmeinrichtung (5a, 5b) mindestens einen Laserstrahl, einen Wolfram- Inertgas-Bogen und/oder einen Plasmabogen ausbildet und/oder mindestens einen Induktionsgenerator aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Laserstrahl (6) linienförmig oder rechteckförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (4) derart ausgebildet ist, den mindestens einen Laserstrahl (6) auf einen Randbereich einer bereits mit dem Substrat (3) stoffschlüssig verbundenen Spur des Auflageelements (1) zu richten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schweißvorrichtung (11) vorgesehen ist, mit der eine Schweißnaht zwischen zwei nebeneinander angeordneten Spuren des Auflageelements (1) generierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke des Substrats (3) größer als eine Dicke des Auflageelements (1) ist.
9. Verfahren zum Fertigen von metallischen Bauteilen aus einem Substrat (3) und einem auf dem Substrat (3) aufzubringenden und mit dem Sub- strat (3) stoffschlüssig zu verbindenden Auflageelement (1), bei dem das Auflageelement (1) durch eine Zuführvorrichtung (7) auf eine zu beschichtende Oberfläche des Substrats (3) geführt wird, zumindest das Auflageelement (1) durch einen von mindestens einer Laserlichtquelle (4) emittierten Laserstrahl (6) an seiner Oberfläche unmittelbar vor und/oder an einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich zwischen dem Auflageelement (1) und dem Substrat (3) auf eine zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur erwärmt wird, und das erwärmte Auflageelement (1) durch eine Walzvorrichtung (2) auf das Substrat (3) gepresst und hierbei mit dem Substrat (3) stoffschlüssig verbunden wird, wobei das Auflageelement (1) durch eine Ouerbewegung des Substrats (3) relativ zu der Zuführvorrichtung (1) und/oder eine Bewegung der Zuführvorrichtung (7) relativ zu dem Substrat (3) spurweise oder lagenweise auf das Substrat (3) aufgebracht wird, so dass mindestens eine Spur des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats (3) angeordnet ist oder einzelne Spuren des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats (3) nebeneinander und/oder einzelne Lagen des Auflageelementwerkstoffs übereinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) und das Auflageelement (1) in einer Schutzgasatmosphäre miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtverformung des Auflageelements (1) während des Zusammenpressens im Bereich von 1 Prozent bis 50 Prozent der Ausgangsdicke des Auflageelements (1) eingehalten wird.
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