Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auftragschweißen, sowie ein Verfahren zum Vorwärmen eines Werkstücks.

Es ist bekannt, dass bei einem Laserauftragschweißen mit zunehmend hohen Laserenergien und hohen Auftragsraten, beispielsweise beim Hochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen [HVLA: High-Velocity Laser Application], wie beispielsweise aus der DE 10 2011 100 456 A1 unter dem Begriff Extremhochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen [EHLA] bekannt, ein hoher Energieeintrag (und vor allem Wärmeeintrag) auf die zu beschichtende Oberfläche eines Werkstücks aufgebracht wird. Diese Energie wird zum Teil von dem Werkstück beziehungsweise der gebildeten Oberfläche als Wärme absorbiert und als Abwärme wieder abgestrahlt und zu einem Teil wird das Laserlicht nicht aufgenommen, sondern reflektiert. Von der Abwärme und dem reflektierten Laserlicht wird erhebliche Energie in die umliegenden Komponenten einer Vorrichtung zum Auftragschweißen eingetragen. Diese Problematik ist aus klassischen Bearbeitungsverfahren von Werkstücken nicht bekannt und es gibt derzeit keine bekannte Lösung für diese Problematik.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auftragschweißen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:

- eine Schweißeinrichtung zum Bereitstellen von Schweißenergie;

- eine Zufuhreinrichtung zum Zuführen von einem Schweißzusatzwerkstoff; und - zumindest eine Werkstückaufnahme zum Aufnehmen eines Werkstücks mit einer zu beschichtenden Oberfläche, wobei die zu beschichtende Oberfläche in relativer Anordnung zu der Schweißeinrichtung eine Hauptrichtung zum Abstrahlen von bereitgestellter Schweißenergie aufweist.

Die Vorrichtung ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Wärmeabsorbereinrichtung mit einer Auffangfläche und mit einer mit der Auffangfläche festkörperlich-thermisch verbundenen im Betrieb mit einem Kühlfluid aktiv beströmten Kühlfläche vorgesehen ist, wobei die Wärmeabsorbereinrichtung derart relativ zu der Werkstückaufnahme ausgerichtet ist, dass beim Auftragschweißen von der Auffangfläche der Wärmeabsorbereinrichtung die Hauptrichtung zum Abstrahlen von bereitgestellter Schweißenergie geschnitten ist.

In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.

Die hier vorgeschlagene Vorrichtung zum Auftragschweißen ist dazu eingerichtet, ein Werkstück, welches in eine Werkstückaufnahme aufgenommen ist, auf einer zu beschichtenden Oberfläche mittels eines Schweißzusatzwerkstoffs, welcher aus einer Zufuhreinrichtung zugeführt wird, mithilfe einer Schweißeinrichtung zu beschichten. Der Schweißzusatzwerkstoff wird beispielsweise in Form von einem Draht oder einem Pulver bereitgestellt. Die Schweißeinrichtung ist beispielsweise für ein Plasmaschweißen, Lichtbogenschweißen, Laserschweißen oder für ein Hochgeschwindigkeitsflammspritzen eingerichtet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung beziehungsweise die Schweißeinrichtung und die Zufuhreinrichtung für ein Hochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen [HVLA: High-Velocity Laser Application] eingerichtet. Die zu beschichtende Oberfläche des Werkstücks ist in einer vorteilhaften Ausführungsform eben ausgebildet, alternativ weist die Oberfläche Erhebungen und/oder Vertiefungen auf, sodass sie also eine 2,5-D Topologie aufweist. Die Werkstückaufnahme und/oder die Schweißeinrichtung ist beweglich, sodass ein relativer Vorschub zwischen der Schweißeinrichtung und der Werkstückaufnahme und/oder ein Ausrichten der Schweißeinrichtung relativ zu der Werkstückaufnahme beziehungsweise zu der zu beschichtenden Oberfläche ermöglicht ist. In dem Werkstück beziehungsweise der gebildeten Beschichtung auf der Oberfläche des Werkstücks aufgenommene Abwärme wird diffus abgestrahlt, wobei aber aufgrund der Flächenausbildung sich eine Hauptrichtung zum Abstrahlen normal zu der zu beschichtenden Oberfläche ausbildet. Eine Hauptrichtung ist dadurch charakterisiert, dass die meiste Wärmestrahlung in dieser Richtung abgestrahlt wird, bevorzugt mehr als 20 % [zwanzig Prozent], besonders bevorzugt mindestens 50 % der Wärmestrahlung. Als Wärmestrahlung wird bevorzugt hier nicht ausschließlich ein Strahlungsfrequenzbereich bezeichnet, welcher unmittelbar zu einem Erwärmen einer getroffenen Komponente führt, sondern auch solche, welche infolge einer (mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit oder zu einem gewissen Anteil, beispielsweise unmittelbar beim Auftreffen) stattfindenden Phasenverschiebung (beispielsweise infolge einer Brechung) ein Erwärmen einer getroffenen Komponente bewirken können.

Bei einer lichtförmigen Einbringung von Schweißenergie, beispielsweise bei einer Flamme, Plasma oder Laserlicht, gilt das Reflexionsgesetz, sodass also Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel die Hauptrichtung zum Abstrahlen der lichtförmig bereitgestellten Schweißenergie darstellt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zu beschichtende Oberfläche des Werkstücks relativ zu der Schweißeinrichtung beziehungsweise zu der Eintragrichtung der Schweißenergie geneigt ausgerichtet, beispielsweise um 15° [fünfzehn Grad von 360°] bis 45°, bevorzugt 25°, sodass sich zu einer Oberflächennormale ein entsprechender (also bei ideal glatt und spiegelnder Oberfläche betragsgleicher) Austragwinkel als Hauptrichtung ausbildet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Oberfläche in aller Regel nicht ideal spiegelglatt ist und aufgrund von Zerstreuungseffekten bei einer Bereitstellung von Schweißzusatzwerkstoff, insbesondere als Pulver ein beachtlicher Anteil der eingebrachten lichtförmigen Schweißenergie außerhalb der Hauptrichtung abgestrahlt wird, beispielsweise kegelförmig von der zu beschichtenden Oberfläche. Hier ist vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eine Wärmeabsorbereinrichtung aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, einen Teil der von der zu beschichtende Oberfläche abgestrahlten Abwärme des zuvor beschriebenen Prozesses aufzunehmen beziehungsweise wegzuleiten. Hierzu ist eine Auffangfläche vorgesehen, welche (zumindest im weitesten Sinne) zum Absorbieren von der abgestrahlten Abwärme eingerichtet ist. Diese Auffangfläche ist derart eingerichtet, dass ein möglichst kleiner Anteil der abgestrahlten und in die Auffangfläche eingestrahlten Abwärme reflektiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auffangfläche zudem derart eingerichtet, dass sie eine geringe Neigung zum Abgeben von aufgenommener Wärme in Form von Wärmestrahlung aufweist. Weiterhin ist eine mit der Auffangfläche festkörperlich-thermisch verbundene mit einem Kühlfluid aktiv beströmbare und im Betrieb aktiv beströmte Kühlfläche vorgesehen. Diese Kühlfläche wird von der mittels der Auffangfläche aufgenommenen Wärme versorgt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kühlfläche (im Dauerbetrieb) mit mehr als 50 % [fünfzig Prozent], bevorzugt mindestens 80 %, der von der Auffangfläche aufgenommenen Wärme versorgt. Die übrige Wärme ist in dem Bauteil (also dem Substrat) mit der Auffangfläche beziehungsweise einem angrenzenden Bauteil gespeichert. Bevorzugt ist ein Anteil der Wärme, welcher wieder abgestrahlt wird, geringer als die in dem genannten Bauteil mit oder bei der Auffangfläche gespeicherte Wärme. Bevorzugt ist die Kühlfläche zum Abführen von in dem genannten Bauteil eingespeicherter Wärme eingerichtet. Bevorzugt wird ein als Wärmestrahlung von der Auffangfläche wieder abgestrahlter Anteil der aufgenommenen oder reflektierten Wärmestrahlung derart abgelenkt oder gestreut, dass ein daraus resultierender Wärmeeintrag in eine weitere Komponente, und vor allem die Schweißeinrichtung und die Zufuhreinrichtung, gering, bevorzugt vernachlässigbar ist.

Die Wärmeabsorbereinrichtung ist zum Auffangen der Wärmestrahlung und reflektiertem Licht aus der Bearbeitung der zu beschichtenden Oberfläche derart relativ zu der Werkstückaufnahme ausgerichtet, dass beim Auftragschweißen mittels ihrer Auffangfläche die Hauptrichtung zum Abstrahlen von bereitgestellter Schweißenergie geschnitten ist. In einer Ausführungsform ist ein Flächenzentrumsbereich der Auffangfläche von der Hauptrichtung geschnitten, sodass möglichst viel von einem Streuungsanteil von der Auffangfläche aufnehmbar ist. In einer Ausführungsform ist die Auffangfläche der Wärmeabsorbereinrichtung möglichst nah an der zu beschichtenden Oberfläche angeordnet, sodass möglichst viel von der Wärmestrahlung auffangbar ist. In einer Ausführungsform ist der Abstand zwischen der zu beschichtenden Oberfläche und der Auffangfläche derart groß, dass Schweißzusatzwerkstoff in seiner Flugbahn (entlang der Zufuhrrichtung und/oder entlang einer Abprallbahn von der zu beschichtenden Oberfläche) nicht oder einzig zu einem vernachlässigbaren Anteil gestört wird. In einer Ausführungsform ist die Auffangfläche derart zu der Zufuhreinrichtung beziehungsweise deren Zufuhrrichtung ausgerichtet, dass eventuell auf der Auffangfläche auftreffender Schweißzusatzwerkstoff infolge eines Abprallens und/oder infolge einer aktiven (bevorzugt Luft-) Beströmung der Auffangfläche von der zu beschichtenden Oberfläche weggeführt wird. In einer Ausführungsform beträgt ein kürzester Abstand zwischen dem Flächenzentrum der Auffangfläche und dem Bearbeitungspunkt der zu beschichtenden Oberfläche mindestens 150 mm [einhundertundfünfzig Millimeter], bevorzugt maximal 500 mm, beispielsweise 200 mm bis 300 mm. Der genannte kürzeste Abstand ist bevorzugt eine Flächennormale zu einer (gedachten) Erstreckungsebene beziehungsweise zu (im Punkt des kürzesten Abstands) einer Erstreckungssphäre (beispielsweise ein Kugelflächenabschnitt oder eine Freiform) der Auffangfläche. Die genannte Flächennormale ist bevorzugt zu der Hauptrichtung zum Abstrahlen von bereitgestellter Schweißenergie geneigt ausgerichtet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Auffangfläche in einer Ausführungsform eine Oberflächenstruktur aufweist, welche bevorzugt makroskopisch ist, wobei von der Erstreckungsebene beziehungsweise Erstreckungssphäre eine Grundform gebildet ist, von welcher sich die Oberflächenstruktur abweichend erstreckt, vergleichbar mit einer Dellenstruktur (als Oberflächenstruktur) in einem Golfball, dessen Grundform eine Kugel und somit die Erstreckungssphäre eine Kugelfläche ist, oder T-Nute (als Oberflächenstruktur) in einem Spanntisch einer Werkzeugmaschine, dessen Grundform eine Ebene als Erstreckungsebene ist.

Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung vorgeschlagen, dass die Kühlfläche zumindest eine der folgenden Komponenten umfasst: eine Kühlrippe; - zumindest ein Lochblech;

- eine Strömungsleitung für ein Kühlfluid; und

- eine um zumindest das Zweifache vergrößerte Oberfläche im Vergleich zu der betreffenden Grundfläche der Kühlfläche.

Hier ist vorgeschlagen, dass die Kühlfläche, beispielsweise für eine Luftanströmung, beispielsweise unterstützt von einer Luftförderung, Erhebungen und Vertiefungen aufweist, beispielsweise in Form von Kühlrippen, bei welchen die sich von einer Grundfläche wegerstreckende Ausdehnung deutlich größer ist als eine Ausdehnung quer zu dieser Erstreckung. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind eine Vielzahl von Kühlrippen vorgesehen, wobei diese in einem geeigneten Abstand bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind.

In einer alternativen Ausführungsform oder zusätzlich weist die Kühlfläche zumindest eine Strömungsleitung für ein Kühlfluid auf, sodass also ein von der Umgebung abgekapseltes Kühlfluid zum Temperieren der Kühlfläche einsetzbar ist. In einer Ausführungsform ist ein Kühlkreislauf vorgesehen, in den die Strömungsleitung der Kühlfläche eingebunden ist. In einer alternativen Ausführungsform oder zusätzlich ist eine sogenannte Heat-Pipe vorgesehen, bei welcher ein Kühlfluid (hier dann ein sogenanntes Kältemittel) im Betrieb zum Kühlen verdunstet beziehungsweise verdampft wird und an einem anderen Ort wieder verflüssigt wird und an den warmen Ort zurückfließt, wobei also eine solche Heat-Pipe einen abgeschlossenen Behälter bildet.

Alternativ oder zusätzlich ist die Oberfläche der Kühlfläche im Vergleich zu einer mathematischen Grundfläche um zumindest das Zweifache, bevorzugt zumindest das Dreifache, bevorzugt maximal das Zehnfache, vergrößert, indem beispielsweise eine makroskopische Oberflächenrauigkeit gebildet ist, eine mehr oder weniger regelmäßige Wellung vorgesehen ist, eine Pyramidenform oder Ähnliches. Auch in dieser Ausführungsform ist bevorzugt mit einer Luftanströmung, bevorzugt mittels einer Fördereinrichtung erzwungenen und/oder definierten Luftströmung eingesetzt.

In einer Ausführungsform ist zusätzlich oder ausschließlich die Kühlfläche von einem oder einer Mehrzahl von Lochblechen gebildet. Infolge der Oberflächenvergrößerung mittels der in dem Lochblech angeordneten (Durchgangs-) Löcher ist eine gute Effizienz der Kühlung erzielbar. In einer Ausführungsform ist von zumindest einem der Lochbleche zudem zumindest ein Teil der Auffangfläche zum Absorbieren und/oder geeigneten Reflektieren von der Abstrahlung von dem Schweißprozess gebildet. Beispielsweise umfasst ein solches Lochblech eine Vielzahl von (Durchgangs-) Löchern, beispielsweise mit einem Durchmesser von etwa 1 mm [ein Millimeter] bis 3 mm, bevorzugt 1 ,5 mm bis 2 mm, und/oder einen Abstand zwischen den Löchern von etwa 1 mm [ein Millimeter] bis 3 mm, bevorzugt 1 ,5 mm bis 2 mm. Beispielsweise ist das Lochblech ein sogenanntes Streckmetall beziehungsweise Streckgitter.

Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung vorgeschlagen, dass die Kühlfläche mittels einer thermischen Brücke mit einer Strömungsleitung für ein Kühlfluid verbunden ist, wobei zum Erwärmen von einer weiteren Komponente das Kühlfluid als, bevorzugt einzige, Wärmequelle genutzt ist.

Hier ist vorgeschlagen, dass eine Strömungsleitung für ein Kühlfluid mit der Kühlfläche verbunden ist und zwar über eine thermische Brücke, also mit einer hervorragenden Temperaturleitfähigkeit, also einem hohen Wärmeübergangskoeffizient und einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Eine solche thermische Brücke ist beispielsweise durch eine Einstückigkeit, durch eine stoffschlüssige Verbindung und/oder mithilfe einer Wärmeleitpaste gebildet.

Hier ist nun vorgeschlagen, dass das Kühlfluid, welches an der Kühlfläche der Wärmeabsorbereinrichtungen erwärmt wird, zum Erwärmen einer weiteren Komponente genutzt wird, und somit diese weitere Komponente die Abwärme im Betrieb nutzt (also aufnimmt und/oder umwandelt) und damit als deren Wärmesenke die Kühlfläche gekühlt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die weitere Komponente oder eine Mehrzahl von weiteren Komponenten die einzige Wärmesenke für das Kühlfluid. Weiterhin ist (bevorzugt unabhängig davon) die weitere Komponente beziehungsweise die Mehrzahl der weiteren Komponenten die einzigen, von welchen das Kühlfluid zum Temperieren der Kühlfläche als Wärmequelle genutzt wird beziehungsweise werden. In einem Betriebszustand, in welchem an der Kühlfläche noch keine oder nur eine geringe Abwärme entsteht, wird dann in Kauf genommen, dass die weitere Komponente im Vorfeld nicht erwärmt wird. Beispielsweise ist die zumindest eine weitere Komponente (die Wärmesenke) ein Werkstück, welches gerade nicht mittels der Schweißeinrichtung bearbeitet wird. Bei einer Betriebsaufnahme beziehungsweise in einer unvorhergesehenen Betriebspause steht gegebenenfalls keine Abwärme für dieses Werkstück zur Verfügung, wobei dann entweder mittels einer anderen Quelle dieses zweite Werkstück erwärmt wird oder das Werkstück ohne (ergänzende Erwärmung auf diesem Wege (in beispielsweise Raumtemperatur) der Bearbeitung mittels der Schweißeinrichtung zugeführt wird.

Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung vorgeschlagen, dass die Auffangfläche eine als Strahlungsfalle ausgeführte Oberflächenbeschaffenheit aufweist, wobei bevorzugt die Strahlungsfalle eine Mehrzahl von Sackgassen mit zu der Hauptrichtung in Richtung des Endes der Sackgasse einander annäherndem Wandungsverlauf umfasst, und/oder wobei bevorzugt zum Absorbieren von Laserlicht eines Laser-Auftragschweißens die Oberfläche der Auffangfläche einen geringeren Spiegelungsanteil als die zu beschichtende Oberfläche aufweist.

Hier ist vorgeschlagen, dass von der Auffangfläche eine Strahlungsfalle ausgebildet ist, sodass ein Minimum der eingetragenen Strahlung, insbesondere des Laserlichts nicht reflektiert wird oder zumindest zerstreut wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Sackgassen vorgesehen, in welcher ein Strahlungsweg einstrahlen kann und am Ende auf einen geschlossenen Boden trifft, wobei die Sackgasse sich hin zu diesem Boden verjüngt, also einen sich annähernden Wandungsverlauf aufweist. Somit wird ein Lichtstrahl, welcher auf eine Wandung der Sackgasse trifft, auf die gegenüberliegende Wandung reflektiert, sofern die Einstrahlung nicht von der ersten Wandung bereits vollständig absorbiert wird und von dort wiederum in Richtung Ende der Sackgasse reflektiert, sodass die Anzahl der Auftreffpunkte auf der Auffangfläche erheblich erhöht wird und somit das Absorptionsverhalten beziehungsweise die Absoprtionseffizienz der Auffangfläche im Vergleich zu einer Ausführungsform mit einer ebenen oder mit einer lediglich aufgerauten Oberfläche erheblich gesteigert wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Strahlungsfalle von einer Spiegelungseigenschaft der Auffangfläche gebildet, welche einen geringeren Spiegelungsanteil für Laserlicht aufweist als die zu beschichtende Oberfläche. Beispielsweise ist die Oberfläche der Auffangfläche dunkel und/oder matt gestaltet.

Es sei darauf hingewiesen, dass sowohl die Sackgassen als auch der geringe Spiegelungsanteil der Oberfläche der Auffangfläche miteinander kombinierbar sind. Beispielsweise ist der Spiegelungsanteil mittels einer Lackbeschichtung und/oder mittels Eloxieren eines Aluminiummatenals erzielt.

Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung vorgeschlagen, dass im Betrieb eine gemittelte und/oder zentrale Normale zu der Auffangfläche zu der Hauptrichtung zum Abstrahlen von bereitgestellter Schweißenergie von der zu beschichtenden Oberfläche geneigt ausgerichtet ist, wobei bevorzugt ein Streulicht mit einem Streuwinkel zu dieser Hauptrichtung von kleiner oder gleich 15° zu dieser Normale geneigt ausgerichtet ist.

Hier ist vorgeschlagen, dass die Auffangfläche zu der Hauptrichtung zum Abstrahlen der bereitgestellten Schweißenergie, beispielsweise dem Laserlicht, geneigt ausgerichtet ist, sodass ein verbleibender Reflexionsanteil nicht wieder auf das Werkstück zurückgestrahlt wird beziehungsweise mit hoher Wahrscheinlichkeit an einer anderen Stelle bevorzugt außerhalb des Werkstücks zurückgeworfen wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist für ein Streulicht, mit einem Streuwinkel von 15° [fünfzehn Grad von 360°] zu der Hauptrichtung, also einem Kegel mit einem Öffnungswinkel von 15° oder kleiner, zu dieser Normalen der Auffangfläche geneigt ausgerichtet, sodass auch für einen großen Anteil des Streulichts innerhalb dieses Streukegels Auffangfläche geneigt ausgerichtet ist. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die gemittelte oder zentrale Normale der Auffangfläche zum einen auf ein Mittel einer unebenen Fläche beziehungsweise der gedachten Erstreckungsebene beziehungsweise Erstreckungssphäre durch eine unebene Fläche bezogen ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Auffangfläche konkav oder konvex beziehungsweise gewellt (Erstreckungssphäre) ausgeführt, wobei dann die zentrale Normale in einem Flächenzentrum der Auffangfläche angeordnet ist.

In einer alternativen Ausführungsform ist mittels einer konkaven oder konvexen Ausführungsform die Neigung gegenüber Streulicht innerhalb eines Streukegels, welche bevorzugt nicht auf den genannten Öffnungswinkel von 15° beschränkt ist, entsprechend angepasst, sodass eine jeweilige lokale Normale zu dem jeweiligen Streuwinkel geneigt ausgerichtet ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist diese Ausrichtung mit der oben genannten Strahlungsfalle kombiniert, wobei die Normale eben nicht auf eine Sackgasse und/oder Oberflächenrauigkeit bezogen ist, sondern eben auf eine Mittelung der Fläche in welcher die Sackgassen beziehungsweise die Rauigkeit angeordnet ist.

Es sei darauf hingewiesen, dass der Öffnungswinkel in einem geraden Kreiskegel derjenige der Gegenkathete gegenüberliegende Winkel des rechtwinkligen Dreiecks ist, von welchem der Kegel (Rotationskörper mit der Hypotenuse als Rotationsachse beziehungsweise Höhe) gebildet ist. In der Spitze des Kegels ist also der doppelte Betrag des Öffnungswinkels (beispielsweise 30° bei dem oben genannten 15° Öffnungswinkel) eingeschlossen.

Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung vorgeschlagen, dass die Wärmeabsorbereinrichtung relativ zu der Schweißeinrichtung zumindest entlang einer einzigen Vorschubrichtung fixiert mitbewegbar ist.

Hier ist vorgeschlagen, dass die Wärmeabsorbereinrichtung mitbewegbar ist, bevorzugt so, dass sie zu der Schweißeinrichtung immer gleich ausgerichtet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Wärmeabsorbereinrichtung bei gleicher Funktion kleiner ausführbar ist als eine starr angeordnete Wärmeabsorbereinrichtung. In einer Ausführungsform ist die Wärmeabsorbereinrichtung mitbewegbar, aber bevorzugt so dass ausschließlich ein Strahlungswinkel relativ zu der Auffangfläche konstant ist. Dabei ist ein (kürzester) Abstand, eine Eintreffpunkt auf der Auffangfläche und/oder eine Ausrichtungswinkel um eine Achse entlang des Strahlungswinkels veränderlich.

Bevorzugt umfasst die Wärmeabsorbereinrichtung keinen eigenen Aktor. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Wärmeabsorbereinrichtung über einen Verbindungsarm zu der Schweißeinrichtung und/oder der Zufuhreinrichtung oder zu einem Aktor (zumindest für den Vorschub) der Schweißeinrichtung beziehungsweise Zufuhreinrichtung fixiert. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die (beziehungsweise jeweils eine) Wärmeabsorbereinrichtung über einen Verbindungsarm zu einer der Werkstückaufnahmen oder zu einem Schalttisch und/oder Aktor (zumindest für das Positionieren relativ zu der Schweißeinrichtung) der betreffenden Werkstückaufnahme fixiert.

Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung vorgeschlagen, dass zumindest eine weitere Werkstückaufnahme zum Aufnehmen jeweils eines weiteren Werkstücks zum Bearbeiten mittels der Schweißeinrichtung vorgesehen ist und in einer Position außerhalb eines Bearbeitens mittels einer Heizeinrichtung ein aufgenommenes Werkstück vorwärmbar ist, wobei bevorzugt die Heizeinrichtung, besonders bevorzugt ausschließlich, mittels der aufgefangenen Wärme der Wärmeabsorbereinrichtung mit einer benötigten Prozesswärme versorgbar ist.

Bei dieser Ausführungsform ist vorgeschlagen, dass eine weitere Werkstückaufnahme vorgesehen ist, welche außerhalb einer Position zum Bearbeiten mittels der Schweißeinrichtung bestückbar ist, beziehungsweise von welcher außerhalb der besagten Position ein Werkstück entnehmbar ist. Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist vorgeschlagen, dass das aufgenommene Werkstück der weiteren (zweiten) Werkstückaufnahme mittels einer Heizeinrichtung vorwärmbar ist, sodass eine Temperaturdifferenz zwischen der zu beschichtenden Oberfläche und dem aufzubringenden Schweißzusatzwerkstoff, welche angeschmolzen oder aufgeschmolzen (also sehr heiß) ist, verringert ist und somit die zu beschichtende Oberfläche und darunter liegendes Material einem verringerten thermischen Schock ausgesetzt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass bei einer Ausführungsform noch weitere Werkstückaufnahmen vorgesehen sind und/oder bevorzugt die Mehrzahl der Werkstückaufnahmen auf einem gemeinsamen Schalttisch gemeinsam bewegbar ist, sodass ein Bewegen einer Werkstückaufnahme in die Position des Bearbeitens gleichzeitig ein Bewegen einer anderen Werkstückaufnahme aus dieser Position heraus bewirkt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist diese Heizeinrichtung zuvor während eines aufgenommenen Werkstücks außerhalb der Position zum Bearbeiten mittels derjenigen von der Wärmeabsorbereinrichtung aufgefangenen Wärme versorgbar, beispielsweise über eine Strömungsleitung mit einem Kühlfluid. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Wärmeabsorbereinrichtung die einzige Wärmequelle für die Prozesswärme, welche die Heizeinrichtung benötigt, um das aufgenommene Werkstück vorzuwärmen. Es wird hiermit Bezug genommen auf die obigen Ausführungen betreffend die Nutzung der aufgefangenen Wärme der Wärmeabsorbereinrichtung.

Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung vorgeschlagen, dass im auslegungsgemäßen Betrieb aufgebrachten maximalen Leistung zum Auftragschweißen das zumindest eine aufgenommene zweite Werkstück für mindestens 50 % der von der Wärmeabsorbereinrichtung aufgefangenen Abwärme eine Wärmesenke ist.

Es sei darauf hingewiesen, dass die 50 % [fünfzig Prozent] im Dauerbetrieb vorliegend gemeint ist, in welchem beispielsweise die eingesetzten Bauteile, also deren Wärmekapazitäten, in eine Sättigung gebracht sind und/oder ein thermodynamisches Gleichgewicht eingestellt ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das zumindest eine aufgenommene zweite Werkstück für mindestens 80 % der von der Wärmeabsorbereinrichtung aufgefangenen Abwärme eine Wärmesenke, wobei der Rest in Leitungsverluste und Abstrahlung umgewandelt wird.

Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung vorgeschlagen, dass zumindest ein Lochblech vorgesehen ist, wobei bevorzugt bezogen auf die Hauptrichtung zum Abstrahlen von bereitgestellter Schweißenergie hinter zumindest einem der Lochbleche ein Kanal für eine Strömungsleitung eines Kühlfluids gebildet ist, und/oder wobei bevorzugt von zumindest einem der Lochbleche und/oder einem weiteren Flächenelement bezogen auf die Hauptrichtung zum Abstrahlen von bereitgestellter Schweißenergie hinter dem zumindest einen Lochblech die Auffangfläche gebildet ist.

Hier ist vorgeschlagen, dass eine gelöcherte Fläche gebildet ist und zwar bevorzugt aus einem sich selbst tragenden Element, wie beispielsweise ein metallisches oder ein organisches Blech. Bevorzugt weist das Lochblech eine gute Wärmleitfähigkeit auf, sodass vorderseitig (also abstrahlungsseitig) aufgenommene Abstrahlungsenergie schnell an die Rückseite des Lochblechs weitergeleitet wird, beispielsweise dazu umfassend Stahl, Aluminium und/oder Kohlenstofffasern. Beispielsweise umfasst ein solches Lochblech eine Vielzahl von (Durchgangs-) Löchern, beispielsweise mit einem Durchmesser von etwa 1 mm [ein Millimeter] bis 3 mm, bevorzugt 1 ,5 mm bis 2 mm, und/oder einen Abstand zwischen den Löchern von etwa 1 mm [ein Millimeter] bis 3 mm, bevorzugt 1 ,5 mm bis 2 mm.

Beispielsweise ist das Lochblech ein sogenanntes Streckmetall beziehungsweise Streckgitter.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind eine Mehrzahl von solchen Lochblechen in der Hauptrichtung hintereinander angeordnet, besonders bevorzugt mit quer zu der Hauptrichtung zueinander versetzten Löchern. Damit ist eine besonders einfach aufgebaute und effiziente Strahlungsfalle geschaffen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist in Hauptrichtung hinter dem in dieser Richtung letzten Lochblech ein, bevorzugt geschlossenes, Flächenelement angeordnet, von welchem ein Teil der Auffangfläche gebildet ist, und zwar für gegebenenfalls direkt auftreffende Strahlung oder für über eine Mehrzahl von Lochblechen zumindest einmal reflektierte Strahlung. Es sei darauf hingewiesen, dass von dem zumindest einen Lochblech zwangsläufig auch ein Teil der Auffangfläche gebildet ist. Beispielsweise ist das Flächenelement ebenfalls ein sich selbsttragendes Blechelement, beispielsweise aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material wie das zumindest eine Lochblech oder zumindest eines der Lochbleche.

Beispielsweise ist das Material einer Auffangfläche, beispielsweise zumindest eines der Lochbleche, bevorzugt des in Hauptrichtung vordersten Lochblechs, dunkel, beispielsweise als eloxiertes Aluminium oder ein Schwarzblech oder gegebenenfalls beschichtet beziehungsweise lackiert. In einer Ausführungsform ist eine Auffangfläche für ein möglichst diffuses Reflexionsverhalten gebürstet oder in anderer Weise aufgeraut.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist in Hauptrichtung hinter zumindest einem der Lochbleche, bevorzugt über alle Lochbleche, und/oder zwischen dem zuvor genannten Flächenelement und zumindest einem der Lochbleche ein Kanal zur Strömungsleitung von einem Kühlfluid, beispielsweise Luft, gebildet. Besonders bevorzugt ist das Kühlfluid dabei zumindest bei dem in Hauptrichtung vordersten Lochblech entlang strömend geführt, dass der Venturi-Düsen-Effekt über die Löcher erzielt wird. Damit wird zusätzlich erwärmte Luft aus dem Bearbeitungsbereich bei der Werkstückaufnahme angesaugt und damit zumindest zu einem Teil abgeführt.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Vorwärmen eines Werkstücks vorgeschlagen, welches vor einem Bearbeiten mittels Auftragschweißen ausgeführt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a. Bereitstellen eines ersten Werkstücks aufgenommen in einer ersten Werkstückaufnahme sowie eines zweiten Werkstücks aufgenommen in einer zweiten Werkstückaufnahme; b. Bearbeiten des in der ersten Werkstückaufnahme aufgenommenen ersten Werkstücks mittels einer Schweißeinrichtung zum Auftragschweißen; c. Auffangen einer in Schritt b. entstehenden Abwärme mittels einer Wärmeabsorbereinrichtung; und d. Versorgen des in der zweiten Werkstückaufnahme aufgenommenen zweiten Werkstücks mit Wärme mit der in Schritt c. aufgefangenen Abwärme als Wärmequelle. Hier ist ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem ein Werkstück vor dem Bearbeiten mittels eines Auftragsschweißens vorgewärmt wird. Hierbei wird der Vorteil erzielt, dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem Werkstück und dem aufgetragenen Schweißzusatzwerkstoff, welcher angeschmolzen oder aufgeschmolzen (also mit sehr hoher Temperatur) aufgebracht wird, und dem gegebenenfalls gebildeten Schmelzbad verringert wird. Damit ist ein Temperaturschock für die zu beschichtende Oberfläche und darunter liegendes Material verringert und/oder die Oberflächeneigenschaft (und vor allem deren Anbindung zum Substrat) der zu beschichtenden Oberfläche bei entsprechender Kühlung des Werkstücks während des Bearbeitens (nahezu) konstant.

Hier ist nun vorgeschlagen, dass ein erstes Werkstück in einer ersten Werkstückaufnahme mittels einer Schweißeinrichtung bearbeitet wird, wobei hierbei entstehende Abwärme von einer Wärmeabsorbereinrichtung aufgenommen und an ein zweites Werkstück abgegeben wird, welches in einer zweiten Werkstückaufnahme aufgenommen ist. Bevorzugt befindet sich das zweite Werkstück beziehungsweise die zweite Werkstückaufnahme nicht in einer Position, in welcher das zweite Werkstück mittels Auftragsschweißen bearbeitet wird oder zumindest wird bevorzugt das zweite Werkstück gerade nicht mittels Auftragsschweißen bearbeitet. In einer Ausführungsform wird das zweite Werkstück gerade vorbereitet, beispielsweise mittels Einmessen, Reinigen und/oder eine eventuell notwendige spanende Bearbeitung durchgeführt. In einer Ausführungsform wird die Werkstückaufnahme selbst beziehungsweise eine Komponente der Werkstückaufnahme selbst für eine wärmeleitende Übertragung der Abwärme auf das entsprechend aufzunehmende Werkstück erwärmt. In einer alternativen Ausführungsform ist eine separate Heizeinrichtung vorgesehen. In einer Ausführungsform ist die Heizeinrichtung als eine Komponente der zweiten Werkstückaufnahme zum luftgetragenen Übertragen von Abwärme auf das zweite Werkstück eingerichtet.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmeabsorbereinrichtung eine Komponente der Werkzeugmaschine, beispielsweise die erste Werkstückaufnahme, wobei bevorzugt die erste und die zweite Werkstückaufnahme gleichartig oder identisch ausgebildet sind. Die jeweils eine Werkstückaufnahme bildet dann eine Wärmequelle und die andere jeweils die Wärmesenke für die beim Bearbeiten mittels der Schweißeinrichtungen in das jeweilige Werkstück eingetragene Abwärme. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass beispielsweise mehr als zwei Werkstückaufnahmen beziehungsweise gleichzeitig mehrere Werkstücke von einer Werkstückaufnahme aufnehmbar sind, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform jeweils dasjenige Werkstück aufgewärmt wird, welches als Nächstes einem Bearbeiten mittels Auftragsschweißen zugeführt wird, besonders bevorzugt bei ausreichend vorhandener Abwärme. Diese vorhandenen Werkstücke werden beispielsweise in der (zeitlichen) Reihenfolge der Zuführung zu dem Auftragsschweißen gestaffelt mit dieser Wärme versorgt, sodass das dem Auftragsschweißen nächste Werkstück, die höchste Temperatur aufweist beziehungsweise die größte Wärmemenge erhält und das in dieser Reihe letzte Werkstück die geringste Wärmemenge erhält.

Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass die Werkstückaufnahmen und die Wärmeabsorbereinrichtung Teil einer Vorrichtung zum Auftragschweißen nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung ist.

Das mittels der Vorrichtung zum Auftragsschweißen in einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung ausgeführte Verfahren zum Vorwärmen eines Werkstücks ist besonders vorteilhaft, weil die Wärmeabsorbereinrichtung besonders effizient zum Auffangen von Abwärme von einem mittels einer Schweißeinrichtung bearbeiteten Werkstückoberfläche auffangbar ist. Somit ist ein besonders großer Anteil dieser Abwärme für die nachfolgenden Werkstücke nutzbar gemacht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung und bevorzugt zum Ausführen des hier vorgeschlagenen Verfahrens zum Vorwärmen eines Werkstücks einer Laser- Auftragsweißeinrichtung, ganz besonders bevorzugt ein Hochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen [HVLA: High-Velocity Laser Application], Eine Laserleistung liegt beispielsweise zwischen zehn Kilowatt [10 kW] und 30 kW, bevorzugt zwischen 16 kW und 20 kW.

Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in

Fig. 1 : eine Vorrichtung zum Auftragschweißen in einer schematischen Seitenansicht;

Fig. 2: eine Wärmeabsorbereinrichtung in einer Detailansicht;

Fig. 3: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Vorwärmen eines Werkstücks vor einem Bearbeiten mittels Auftragschweißen;

Fig. 4: eine Vorrichtung zum Auftragschweißen in einer weiteren Ausführungsform in einer schematischen Seitenansicht; und

Fig. 5: ein Lochblech.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Auftragschweißen in einer schematischen Seitenansicht gezeigt. Die Vorrichtung 1 zum Auftragschweißen umfasst eine Schweißeinrichtung 2 und eine Zufuhreinrichtung 3, welche zum Beschichten eines (hier gezeigt ersten) Werkstücks 7 eingerichtet sind. Das erste Werkstück 7 ist von einer ersten Werkstückaufnahme 5 aufgenommen, wobei die erste Werkstückaufnahme 5 eine Heizeinrichtung 25 umfasst. In diesem Ausführungsbeispiel ist neben der ersten Werkstückaufnahme 5 eine zweite Werkstückaufnahme 6 angeordnet, wobei die zweite Werkstückaufnahme 6 analog zu der ersten Werkstückaufnahme 5 ausgeführt ist, also mit einer Heizeinrichtung 25 ausgestattet und zum Aufnehmen eines zweiten Werkstücks 8 eingerichtet ist. Die Werkstückaufnahmen 5,6 sind hier rein optional auf einem gemeinsamen Schalttisch 26 angeordnet, wobei der Schalttisch 26 zum Rotieren um eine schalttischseitige Rotationsachse 27 eingerichtet ist, sodass jeweils eine Werkstückaufnahme 5,6 derart positionierbar ist, dass das aufgenommen Werkstück 7,8 zum Beschichten mittels der Schweißeinrichtung 2 und der Zufuhreinrichtung 3 angeordnet ist. Die Werkstückaufnahmen 5,6 sind zum Neigen der Werkstücke 7,8 entlang einer Hauptrichtung 10 eingerichtet.

Die Schweißeinrichtung 2 und die Zufuhreinrichtung 3 sind (rein optional hier) für ein

Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen [HVLA: High-Velocity Laser Application] eingerichtet, wobei mittels der Zufuhreinrichtung 3 ein Schweißzusatzwerkstoff 4 oberhalb einer zu beschichtende Oberfläche 9 des Werkstücks 7 zuführbar ist. Der Schweißzusatzwerkstoff 4 ist zum Aufschmelzen mittels der Schweißeinrichtung 2 eingerichtet, wobei die Schweißeinrichtung 2 zum Einbringen von Schweißenergie in Form von Laserlicht 20 in den zugeführten Schweißzusatzwerkstoff 4 oberhalb der zu beschichtenden Oberfläche 9 und in die zu beschichtende Oberfläche 9 des (hier ersten) Werkstücks 7 eingerichtet ist. Die zu beschichtende Oberfläche 9 des Werkstücks 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel eben ausgebildet, alternativ weist die Oberfläche 9 Erhebungen und/oder Vertiefungen auf, sodass sie also eine 2,5-D Topologie aufweist. Die Werkstückaufnahme 5 und/oder die Schweißeinrichtung 2 ist beweglich, sodass eine relative Vorschubrichtung 24 zwischen der Schweißeinrichtung 2 und der Werkstückaufnahme 5 und/oder ein Ausrichten der Schweißeinrichtung 2 relativ zu der Werkstückaufnahme 5 beziehungsweise zu der zu beschichtenden Oberfläche 9 ermöglicht ist. Zudem sind die beiden Werkstückaufnahmen 5,6 zur Rotation um eine werkstückseitige Rotationsachse 28 eingerichtet.

Aufgrund des in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Lasers gilt für das Laserlicht 20 das Reflexionsgesetz, sodass gilt: Einfallswinkel 29 gleich Ausfallswinkel 30. Somit stellt eine Hauptrichtung 10 die Richtung des Abstrahlens der lichtförmig bereitgestellten Schweißenergie dar.

Die Werkstückaufnahmen 5,6 sind in diesem Ausführungsbeispiel derart ausgeführt, dass ein aufgenommenes Werkstück 7 in der Position zum Bearbeiten mittels Auftragschweißen zu dem Erdschwerefeld verkippt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zu beschichtende Oberfläche 9 des Werkstücks 7 relativ zu der Schweißeinrichtung 2 geneigt ausgerichtet, beispielsweise um hier 25°.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Oberfläche 9 nicht ideal spiegelglatt ist und aufgrund von Streuungseffekten bei einer Bereitstellung von Schweißzusatzwerkstoff 4, insbesondere als Pulver ein beachtlicher Anteil der eingebrachten Schweißenergie (nicht nur des Laserlichts 20) außerhalb der Hauptrichtung 10 abgestrahlt wird, beispielsweise kegelförmig von der zu beschichtenden Oberfläche 9. Die Verkippung des Werkstücks 7 ist derart gewählt, dass das ausfallende Laserlicht 20 auf eine Auffangfläche 12 einer Wärmeabsorbereinrichtung 11 auftrifft. Hier ist vorgeschlagen, dass die Auffangfläche 12 eine Strahlungsfalle ausbildet, sodass ein Minimum der eingetragenen Strahlung (hier vereinfacht ausschließlich des Laserlichts 20 dargestellt) reflektiert wird und diese reflektierte Wärmestrahlung zerstreut wird, vergleiche dazu Fig. 2.

Aufgrund der Topologie der zu beschichtenden Oberfläche 9 des Werkstücks 7 liegt meist eine Streuung des Laserlichts 20 vor. Der Streukegel 21 weist eine (annährende) Gaußverteilung auf, sodass sich der Hauptanteil der Energie in einem Kegel mit dem Streuwinkel 23 von beispielsweise 15° befindet. Bei dieser Ausführungsform ist (rein optional) jeder Strahlweg eines Streulichts 22 innerhalb des Streukegels 21 geneigt zu einer Normale der Auffangfläche 12 (beziehungsweise deren hier vereinfacht dargestellten Erstreckungsebene). Die Strahlung wird daher nicht oder nur zu einem geringen Anteil wieder zum Ausgangspunkt (also dem aktuellen Bearbeitungspunkt) zurückgeworfen.

Die Wärmeabsorbereinrichtung 11 ist relativ zu der Schweißeinrichtung 2 zumindest entlang der Vorschubrichtung 24 fixiert mitbewegbar (hier rein optional mittels eines Verbindungsarms 31 zu der Schweißeinrichtung 2 und der Zufuhreinrichtung 3 fixiert), sodass die Wärmeabsorbereinrichtung 11 beziehungsweise die Auffangfläche 12 im Vergleich zu der zu beschichtende Oberfläche 9 des Werkstücks 7 kleiner ausführbar ist.

Die Wärmeabsorbereinrichtung 11 umfasst eine zur Auffangfläche 12 rückseitig angeordnete Kühlfläche 13, welche mittels eines Kühlfluids (hier (rein optional) als Flüssigkeit innerhalb einer Strömungsleitung 15 und bevorzugt zudem als Umgebungsluft) kühlbar ist. Die Strömungsleitung 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel über eine thermische Brücke 17 mit der Auffangfläche 12 thermisch-leitend verbunden. Eine solche thermische Brücke 17 ist beispielsweise durch eine Einstückigkeit, durch eine stoffschlüssige Verbindung und/oder mithilfe einer Wärmeleitpaste gebildet. In einer Ausführungsform umfasst die thermische Brücke 17 eine sogenannte Heat-Pipe. Hier ist nun vorgeschlagen, dass das Kühlfluid, welches an der Kühlfläche 13 der Wärmeabsorbereinrichtungen 11 erwärmt wird, zum Erwärmen des (zweiten) Werkstücks 8 mittels der Heizeinrichtung 25 genutzt wird, und somit das zweite Werkstück 8 die Abwärme im Betrieb zum Vorwärmen nutzt und zugleich damit die Kühlfläche 13 und also die Auffangfläche 12 gekühlt wird. Auf die Wärmeabsorbereinrichtung 11 wird in Fig. 2 detailliert eingegangen und insofern wird für zumindest eine mögliche Ausführungsform auf die dortige Beschreibung verwiesen.

In Fig. 2 ist eine Wärmeabsorbereinrichtung 11, wie sie in einer Vorrichtung 1 zum Auftragschweißen gemäß Fig. 1 einsetzbar ist, in einer Detailansicht gezeigt. Zusätzlich ist die Auffangfläche 12 hier noch mit einem weiteren (lupen-artig eingekreisten) Detailausschnitt dargestellt. Das Laserlicht 20 beziehungsweise die Schweißenergie erwärmt die Auffangfläche 12 beziehungsweise einen Großteil der Wärmeabsorbereinrichtung 11, wobei an der darstellungsgemäß linken Seite der Auffangfläche 12 eine Kühlfläche 13 angeordnet ist. Die Kühlfläche 13 umfasst in dieser Ausführungsform Kühlrippen 14, deren sich von einer Grundfläche 16 wegerstreckende Ausdehnung deutlich größer ist als eine Ausdehnung quer zu dieser Erstreckung. In diesem Ausführungsbeispiel sind eine Vielzahl von Kühlrippen 14 vorgesehen, wobei diese in einem geeigneten Abstand bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind. Somit ergibt sich, dass die Oberfläche der Kühlfläche 13 im Vergleich zu einer Grundfläche 16 der Kühlfläche 13 um ein Vielfaches vergrößert ist.

In einer Ausführungsform weist die Kühlfläche 13 zusätzlich zumindest eine Strömungsleitung 15 für das Kühlfluid auf, sodass also ein von der Umgebung abgekapseltes Kühlfluid zum Temperieren der Kühlfläche 13 einsetzbar ist. Beispielsweise wird ein Kühlfluid in der gezeigten Strömungsrichtung 32, bevorzugt in einer abgekapselten Leitung, an den Kühlrippen 14 entlanggeführt.

In dem Detailausschnitt der Auffangfläche 12 ist eine Mehrzahl von Sackgassen 18 vorgesehen, in welche jeweils ein Strahlungsweg des Laserlichts 20 einstrahlen kann und am Ende auf einen geschlossenen Boden trifft, wobei die Sackgasse 18 sich hin zu diesem Boden verjüngt, also einen sich annähernden Wandungsverlauf 19 aufweist. Somit wird das Laserlicht 20, welches auf eine Wandung der Sackgasse 18 trifft, auf die gegenüberliegende Wandung reflektiert, sofern die Einstrahlung nicht von der ersten Wandung bereits vollständig absorbiert wird und von dort wiederum in Richtung Ende der Sackgasse 18 reflektiert, sodass die Anzahl der Auftreffpunkte auf der Auffangfläche 12 erheblich erhöht wird und somit das Absorptionsverhalten der Auffangfläche 12 erheblich gesteigert wird. Beispielsweise ist die Oberfläche 9 der Auffangfläche 12 dunkel und/oder matt gestaltet.

In Fig. 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Vorwärmen eines Werkstücks vor einem Bearbeiten mittels Auftragschweißen gezeigt. In der folgenden Beschreibung wird Bezug auf die vorhergehende Figurenbeschreibung genommen, vergleiche daher Fig. 1 und Fig. 2. In Schritt a. wird ein erstes Werkstück 7 in einer ersten Werkstückaufnahme 5 und ein zweites Werkstück 8 in einer zweiten Werkstückaufnahme 6 bereitgestellt, wobei das Bereitstellen an einem Schalttisch 26 gemäß Fig. 1 bevorzugt zeitversetzt ausgeführt wird. In Schritt b. wird mittels einer Schweißeinrichtung 2 das erste Werkstück 7 bearbeitet. Aufgrund des verwendeten Laserlichts 20 der Schweißeinrichtung 2 und der Reflexion des Laserlichts 20 erfolgt ein Wärmeeintrag in die Wärmeabsorbereinrichtung 11. Daher wird in Schritt c. die entstehende Abwärme von der Wärmeabsorbereinrichtung 11 aufgenommen und an ein zweites Werkstück 8 mittels der thermischen Brücke 17 abgegeben.

In Schritt d. wird das in der zweiten Werkstückaufnahme 6 aufgenommene zweite Werkstück 8, welches gerade nicht mittels Auftragsschweißen bearbeitet wird, mittels einer wärmeleitenden Übertragung der Abwärme auf das entsprechend aufzunehmende Werkstück 8 erwärmt. In einer Ausführungsform wird das zweite Werkstück 8 gerade vorbereitet, beispielsweise mittels Einmessen, Reinigen und/oder eine eventuell notwendige spanende Bearbeitung durchgeführt. Somit bildet die Heizeinrichtung 25 beziehungsweise das in der jeweiligen (zweiten) Werkstückaufnahme 6 aufgenommene (zweite) Werkstück 8 eine Wärmesenke. In einer Ausführungsform wird von der aufgenommenen Abwärme in dem derzeit bearbeiteten (ersten) Werkstück 7 eine weitere Wärmequelle für das andere (zweite) Werkstück 8 gebildet. Alternativ oder zusätzlich wird das (anfänglich eventuell noch kalte) gerade bearbeitete oder kurz vor dem Bearbeiten bereits positionierte (erste) Werkstück 7 Abwärme aus der Wärmeabsorbereinrichtung 11 über die Heizeinrichtung 25 zugeführt.

Somit wird in Schritt d. die aufgenommene Abwärme zum Erwärmen des zweiten Werkstücks 8 verwendet, sodass dieses im Betrieb beim Beschichten keinen oder nur einen sehr geringen thermischen Schock erleidet. Aufgrund der erwärmten Temperatur an dem zweiten Werkstück 8 erfolgt eine Erhöhung der Güte der zu beschichtende Oberfläche 9 des Werkstücks 8.

In Fig. 4 ist eine Vorrichtung 1 zum Auftragschweißen in einer weiteren Ausführungsform in einer schematischen Seitenansicht gezeigt. Rechts in der Darstellung ist wie in Fig. 1 ein Werkstück während eines Auftragschweißens gezeigt, sodass insoweit ohne Ausschluss der Allgemeinheit auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.

Die Wärmeabsorbereinrichtung 11 ist links im Bild dargestellt und erstreckt sich hier senkrecht von unten bis oben. Ganz links ist ein (geschlossenes) Flächenelement 35 (beispielsweise ein Blech) gezeigt, auf dessen rechter Seite bevorzugt zumindest ein Teil der Auffangfläche 12 gebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist von dem Flächenelement 35 eine Begrenzung des Kanals 34 für die Strömungsleitung 15 des Kühlfluids gebildet. Rechts in der Wärmeabsorbereinrichtung 11 ist ein (hier rein optional einziges) Lochblech 33 gezeigt. Die Löcher 39 sind bevorzugt durchgängig zu dem Kanal 34 gebildet, sodass Luft aus dem Raum rechts der Wärmeabsorbereinrichtung 11 infolge einer Anströmung entlang des Lochblechs 33 (wie hier mit der beispielsweise Pressluftdüse 38 dargestellt) infolge des Venturi- Düsen-Effekts in den Kanal 34 einsaugbar ist, wie dies repräsentativ mit drei Pfeilen angedeutet ist. Das Lochblech 33 und das Flächenelement 35 sind hier (rein optional) von Stabelementen 36,37 zueinander fixiert gehalten, wobei die ersten Stabelemente 36 zum reinen Halten der beiden Elemente zueinander und die zweiten Stabelemente 37 zum Fixieren der Wärmeabsorbereinrichtung 11 an einer festen oder bewegbaren Einrichtung eingerichtet sind. Weiterhin ist rein repräsentativ bei einem von der Oberfläche des Werkstücks abgestrahlten Laserstrahl gezeigt, wie dieser durch eines der Löcher 39 des Lochblechs 33 hindurchtritt und auf das Flächenelement 35 trifft und von dort wiederum auf die Rückseite des Lochblechs 33 reflektiert und wiederum hin zu dem Flächenelement 35 zurückreflektiert wird. Zudem ist rein repräsentativ bei einem weiteren abgestrahlten Laserstrahl gezeigt, dass dieser auf das Lochblech 33 trifft und dort teils absorbiert und (rein optional) teils diffus abgestrahlt wird.

In Fig. 5 ist ein Lochblech 33 in einer Draufsicht gezeigt. Hier sind eine Vielzahl von Löchern 39 schematisch angedeutet. Die Löcher 39 können dabei regelmäßig, unregelmäßig, rund oder eckig oder in beliebig anderer Form gebildet sein. Die Löcher 39 sind beispielsweise mittels schneiden, Stanzen oder Strecken gebildet. In einer Ausführungsform sind die Löcher 39 in einer Region großer Anzahl angeordnet, wo eine große Abstrahlungsintensität erwartet wird beziehungsweise in einem Hauptbetriebszustand vorliegt und entsprechend eine geringe Anzahl, wo eine geringere Intensität erwartet wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Anzahl der Löcher 39 bereichsweise danach unterschiedlich gestaltet, dass dort eine große Anzahl von Löchern 39 vorgesehen ist, wo eine große Menge an erwärmter Luft abzuführen ist, und umgekehrt eine geringe Anzahl von Löchern 39, wo eine geringere Menge an erwärmter Luft abzuführen ist.

Mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung zum Auftragschweißen ist eine Erhöhung der Güte einer Beschichtung eines Werkstücks darstellbar, wobei das Werkstück dabei mittels einer Wärmeabsorbereinrichtung und einer Heizeinrichtung erwärmt wird.

Bezuqszeichenliste

Vorrichtung zum Auftragschweißen 35 Flächenelement

Schweißeinrichtung 36 erstes Stabelement

Zufuhreinrichtung 37 zweites Stabelement

Schweißzusatzwerkstoff 38 Pressluftdüse erste Werkstückaufnahme 39 Löcher zweite Werkstückaufnahme erstes Werkstück zweites Werkstück zu beschichtende Oberfläche

Hauptrichtung

Wärmeabsorbereinrichtung

Auffangfläche

Kühlfläche

Kühlrippe

Strömungsleitung

Grundfläche thermische Brücke

Sackgasse

Wandungsverlauf

Laserlicht

Streukegel

Streulicht

Streuwinkel

Vorschubrichtung

Heizeinrichtung

Schalttisch schalttischseitige Rotationsachse werkstückseitige Rotationsachse

Einfallswinkel

Ausfallswinkel

Verbindungsarm

Strömungsrichtung des Kühlfluids

Lochblech

Kanal