Die Erfindung betrifft ein Laserauftragschweißverfahren zur Ausführung einer Laserauftragschweißung zur Herstellung einer schmelzmetallurgischen Verbindung zwischen einem zumindest zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff und einer Oberfläche eines Bauteils mittels Laserstrahlung, das weiter erhöhte extreme Prozessgeschwindigkeiten ermöglicht. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine entsprechende Laserauftragschweißvorrichtung und ein mit diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung modifiziertes Bauteil.

Hintergrund der Erfindung

Laserauftragsschweißen ist im Stand der Technik als Verfahren zur Oberflächenbehandlung und zur additiven Fertigung von Bauteilen mit Zusatzwerkstoffen bekannt. Beim bekannten Laserauftragsschweißen wird in ein durch einen Laserstrahl erzeugtes Schmelzbad auf einer Oberfläche eines Bauteils ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff unter einem definierten Winkel mittels einer Pulverdüse eingebracht. Eine Prinzipskizze in Fig. 1 zeigt das bekannte Verfahren. Auf einem Bauteil 1 wird eine Schicht 2 des Zusatzwerkstoffes erzeugt, indem mittels einer Pulverzufuhr 3 einem Schmelzbad 4 Zusatzwerkstoff 5 in Form von Pulverpartikeln zugeführt wird. Das Schmelzbad 4 wird durch Einstrahlung eines Laserstrahls 6 im flüssigen Zustand gehalten. Zusatzwerkstoff 5 in Form von festem Pulver trifft in dem Bereich des Schmelzbades 4 ein und wird dort durch den Laserstrahl 6 und die Erwärmung des umgebenden Schmelzbades aufgeschmolzen. Wird nun das Bauteil 1 gegenüber dem Laser 6 und der Pulverzufuhr 3 bewegt, so bewegt sich das Material des Schmelzbades aus dem Einflussbereich des Lasers 6 heraus und erstarrt als schmelzmetallurgischer Verbindung zwischen Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff zur Schicht 2. In Laserauftreffrichtung x gesehen unterhalb des Schmelzbades 4 dringt die durch den Laser 6 eingestrahlte Leistung zum Teil auch in die Oberfläche des Bauteils 1 ein. Durch die Einwirkung der Laserstrahlung entsteht in Abhängigkeit der Wechselwirkungsdauer eine Wärmeeinflusszone 10. Abhängig von der Strahlungsintensität und Einwirkungsdauer des Lasers 6 findet daher eine Durchmischung von Zusatzwerkstoff und Bauteilwerkstoff statt. Das Pulver des Zusatzwerkstoffs kann seitlich oder koaxial in das Schmelzbad injiziert werden. Fig. 1 zeigt ein seitliches Injizieren. Mit dem Verfahren des Standes der Technik lassen sich Prozessgeschwindigkeiten, d. h. Vorschubgeschwindigkeiten des Bauteils relativ zum Laserstrahl, typischerweise zwischen 0,2 m/min und 5 m/min erreichen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 100 456 Al ist ein extremes Hochgeschwindigkeitslaserauftragsschweißverfahren (EHLA) bekannt. Dabei wird der Zusatzwerkstoff in vollständig geschmolzener Form dem Schmelzbad zugeführt wird. Hierzu werden die Pulverpartikel in einem Abstand größer Null zum Schmelzbad geschmolzen und der Schmelze in flüssigem Zustand zugeführt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Zusatzwerkstoff dem Schmelzbad mit dem gleichen Aggregatszustand zugeführt, den das Schmelzbad auf der Oberfläche des Bauteils hat. Dadurch entfällt die Zeit zum Aufschmelzen der Pulverpartikel im Schmelzbad. Dies wiederum verringert die Zeit, die für die Schichtbildung notwendig ist, wodurch die Prozessgeschwindigkeit deutlich erhöht werden kann. Der pulverförmige Zusatzwerkstoff wird durch den Laserstrahl aufgeschmolzen, bevor er in das durch den Laserstrahl erzeugte Schmelzbad gelangt. Die erreichbare Vorschubgeschwindigkeit ist abhängig von der Zeit, die benötigt wird, um einerseits die Partikel des zugeführten Pulvers aufzuschmelzen und andererseits von der Zeit, die benötigt wird, um ein Schmelzebad auf der Oberfläche des Bauteils zu erzeugen. Hierbei wäre es wünschenswert, wenn das Bauteil dabei möglichst gering erhitzt werden und eine geringe Aufmischung an der Oberfläche des Bauteils stattfinden würde. Eine weitere Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit wäre zusätzlich wünschenswert.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Laserauftragsschweißen bei großen Vorschubgeschwindigkeiten und Auftragsrate bereitzustellen, mit dem ein geringer Wärmeeintrag in das Bauteil und eine geringe Aufmischung an der Oberfläche des Bauteils ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Laserauftragschweißverfahren zur Ausführung einer Laserauftragschweißung gelöst, wobei mittels eines auf eine Oberfläche eines Bauteils gerichteten Laserstrahls das Bauteil schmelzmetallurgisch mit zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff verbunden wird, wobei der Zusatzwerkstoff als Pulverstrahl aus Partikel dem Laserstrahls zugeführt wird, wobei die Partikel in einer Strahl-Partikel- Wechsel wirkungszone in einem Abstand zur Oberfläche des Bauteils in Abhängigkeit von Prozessparametern des Laserauftragschweißverfahrens und von Kornfraktion und Materialeigenschaften der Partikel optische Energie aus dem Laserstrahl aufnehmen und auf die Oberfläche des Bauteils appliziert werden, wobei die Prozessparameter so eingestellt sind, dass zumindest ein Anteil der Partikel entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung die Siedetemperatur erreicht und es infolge eines resultierenden Dampfdrucks zu einer Geschwindigkeitserhöhung zumindest des Anteils der Partikel in Richtung der Oberfläche des Bauteils kommt.

Mit dem Laserauftragschweißverfahren wird eine Laserauftragschweißung durchgeführt, also eine schmelzmetallurgische Verbindung eines Zusatzwerkstoffs mit der Oberfläche des Bauteils hergestellt. Das Schmelzen ist dabei der Phasenübergang eines festen Stoffes oder festen Stoffgemisches in den flüssigen Aggregatzustand. Beim Laserauftragsschweißen wird der Phasenübergang üblicherweise bei konstantem Druck durch Wärmezufuhr durch den Laserstrahl erzeugt. Wird ein Reinstoff bei konstantem Druck geschmolzen, so ist die dabei vorliegende Schmelztemperatur eindeutig bestimmt. Während des Phasenübergangs bleibt die Temperatur konstant, sämtliche zugeführte Wärme wird als Schmelzenthalpie in die Änderung des Aggregatzustandes investiert. Die Erfinder haben erkannt, dass die Erzeugung einer Schmelze in einem Schweißspot auf der Oberfläche des Bauteils vor dem Kontakt mit den schmelzeflüssigen Partikeln des Zusatzwerkstoffs keine notwendige Voraussetzung zur Herstellung von schweißmetallurgisch angebundenen Schichten darstellt. Hierbei wird der Ort, wo die Laserstrahlung und der Zusatzwerkstoff auf die Oberfläche des Bauteils treffen, als Schweißspot bezeichnet, also die Stelle, wo die Auftragsschweißung stattfindet.

Die Pulverpartikel werden durch den Laserstrahl vor dessen Auftreffen auf die Oberfläche des Bauteils zumindest zum Teil aufgeschmolzen. Dabei schatten die Pulverpartikel den Laserstrahl ab, so dass nur noch ein Teil des Laserstrahls durch das Pulver transmittiert und auf das Bauteil auftrifft. Die Oberfläche des Bauteils muss durch den transmittierten Strahlungsanteil nur so weit vorgewärmt werden, dass der zusätzliche Energieeintrag der geschmolzenen Pulverpartikel ausreichend ist, um durch die Temperaturerhöhung infolge des Wärmekontaktes selbst bei einem vorher festen, noch nicht geschmolzenen Substrat eine schmelzmetallurgische Verbindung an der Oberfläche auszubilden. Dazu ist es vorteilhaft, wenn über die auf das Bauteil auftreffenden Partikel möglichst viel Energie in die Oberfläche des Bauteils eingebracht wird, was bedeutet, dass die Partikel auf eine möglichst hohe Temperatur aufgeheizt werden sollten. Die möglichst hohe Temperatur ist dabei eine Temperatur bis zur Siedetemperatur der Partikel. Bei der Aufheizung eines Partikels auf eine solche Temperatur wird ein Teil der Partikel bzw. ein Teil der Oberfläche des betreffenden Partikels auf seine Siedetemperatur erhitzt. Da für das Erwärmen der Oberfläche der Partikel des Zusatzwerkstoffs von zumindest einem Teil des zugeführten pulverförmigen Zusatzwerkstoffs zumindest teilweise auf die Siedetemperatur des Zusatzwerkstoffs gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bei ansonsten gleichen Voraussetzungen, wie Transmissionsgrad, Partikelerwärmung, etc., eine geringere Laserleistung benötigt wird, kann die erreichbare Vorschubgeschwindigkeit weiter vergrößert und die bisherige Prozessgrenze überwunden werden. Bei gleicher eingebrachter Laserleistung dauert das Aufschmelzen des Schweißspots auf der Oberfläche des Bauteils länger als das Erhitzen von Pulverpartikeln bis auf ihre Siedetemperatur. Darüber hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wärmeeindringtiefe und damit die Wärmeeinflusszone an der Oberfläche des Bauteils minimiert werden, was dazu führt, dass sich die Eigenschaften des Bauteils beispielsweise hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften wie beispielsweise Duktilität, E-Modul und/oder Streckspannung auch an dessen Oberfläche nicht oder nicht wesentlich durch die Auftragsschweißung ändern. Durch die geringe Wärmeeindringtiefe kommt es zu einer geringen Aufmischung des Zusatzwerkstoffs mit dem ursprünglichen Material des Bauteils, also einer Durchmischung beider Materialien an der Oberfläche des Bauteils.

Die erfindungsgemäße Geschwindigkeitserhöhung der Partikel ist dabei vorteilhaft, da Partikel mit hoher Geschwindigkeit im Falle von Partikeltemperaturen größer als die Schmelztemperatur auch bei hoher Vorschubgeschwindigkeit entlang der Oberfläche des Bauteils beim Kontakt mit der Oberfläche des Bauteils infolge der kinetischen Energie verformt bzw. an die Oberfläche des Bauteils angepresst werden, sodass eine Wärmeübertragung zur Oberfläche verbessert wird. Dadurch kann ein guter Wärmeaustausch der Partikel mit der festen Substratoberfläche (des Bauteils) initiiert werden. Dadurch wird ein verbesserter metallurgischer Verbund erreicht. Jegliche Geschwindigkeitserhöhung der Partikel in Richtung auf der Oberfläche des Bauteils hin ist für den Prozess des Laserauftragschweißens daher günstig, insbesondere um diesen Prozess bei möglichst hohen Vorschubgeschwindigkeiten betreiben zu können. In einer Ausführungsform ist die Geschwindigkeitserhöhung des Anteils der Partikel, die die Siedetemperatur erreicht haben, größer 2%. Ab 2% Geschwindigkeitserhöhung wird der vorteilhafte Effekt im behandelten Bauteil deutlich messbar und es können höhere Vorschubgeschwindigkeiten bei gleichzeitig qualitativ guter Laserauftragschweißung und geringer Aufmischung im Vergleich zum Stand der Technik erreicht werden.

Die Oberfläche eines Bauteils bezeichnet hierbei die Oberfläche, die der Laserstrahlung und dem Pulverstrahl zugewandt ist, wobei diese Oberfläche nur dort eine Laserauftragschweißung erfährt, an der der Zusatzwerkstoff auf die Oberfläche appliziert wird. Die Bezeichnung „auf die Oberfläche des Bauteils appliziert“ bezeichnet in dieser Schrift jede Art der Aufbringung eines Stoffs auf einen anderen Stoff, hier das Bauteil. Speziell kann beispielsweise der pulverförmige Zusatzwerkstoff in einem Laserstrahl vor Auftreffen auf das Bauteil aufgeschmolzen und auf dieses im geschmolzener Form geblasen (appliziert) werden.

Die Fokussierung eines Laserstrahles erfolgt in der Regel mit einer einlinsigen bzw. mehrlinsigen Laseroptik, deren wichtigste optische Parameter die Brennweite und die Apertur (Durchmesser der freien Öffnung) sind. Der Laserstrahl wird durch die Laseroptik gebündelt. Die durch Bündelung eines Laserstrahles entstehende Strahltaille nach der Laseroptik wird auch als Strahlfokus bezeichnet. Dabei ist in der Praxis dieser Strahlfokus kein einzelner diskreter Punkt, sondern bildet einen Fokusbereich. Laserstrahlen sind elektromagnetische Wellen, die sich durch eine Kombination von hoher Intensität, oft sehr engem Frequenzbereich (monochromatisches Licht), scharfer Bündelung des Strahls und großer Kohärenzlänge auszeichnen. Für die Laserauftragsschweißung werden dabei Laserstrahlen beispielsweise aus dem Infrarotspektrum genutzt.

Der Begriff „Zusatzwerkstoff ‘ bezeichnet dabei die Gesamtheit der als Pulverstrahl auf die Oberfläche des Bauteils applizierten Materials. Damit kann der Zusatzwerkstoff ein einzelner Stoff oder ein Stoffgemisch sein, der oder das eine homogene, inhomogene, räumlich und/oder zeitlich variierende Zusammensetzung umfassen kann. Als Zusatzwerkstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise auch ein Multi -Material -Mix wie IN625 mit WC bezeichnet. Der Zusatzwirkstoff liegt dabei als Partikel vor, die in einem Pulverstrahl (oder Partikelstrahl) in Richtung des Laserstrahls und durch ihn hindurch auf die Oberfläche des Bauteils transportiert werden, beispielsweise mit Hilfe eines Transportgasstroms, in dem die Partikel zum Bauteil geführt werden. Der Begriff „Kornfraktion“ bezeichnet die Partikel mit einer bestimmten Größe bzw. einer Größenverteilung der Partikel in einer Gesamtmenge von Partikeln. Beispielsweise können die Partikel dabei Größen in einem bestimmten Intervall von Partikelgrößen besitzen. Unter einem Pulver oder einem pulverförmigen Zusatzwerkstoff wird in dieser Schrift ein sehr fein zerkleinerter Stoff mit einer mittleren Partikel- oder Teilchengröße von weniger als 100 pm verstanden. Der Begriff „Strahl-Partikel-Wechselwirkungszone“ bezeichnet den räumlichen Bereich oberhalb der Oberfläche des Bauteils, in dem die Partikel optische Energie aus dem Laserstrahl aufnehmen. Die Größe der Strahl-Partikel-Wechselwirkungszone hängt dabei von den Prozessparametem ab, insbesondere von der Laserstrahlführung und der Partikelstrahlführung. Die Prozessparameter bezeichnen dabei alle einstellbaren oder durch die jeweiligen gewählten Komponenten vorgegebenen Bedingungen für das Laserauftragschweißverfahren. Die Prozessparameter bestimmen dabei u.a. die Strahl-Partikel-Wechselwirkungszone und die Anzahl der Partikel, die die Siedetemperatur in der Strahl-Partikel-Wechselwirkungszone erreichen und welcher Materialanteil der einzelnen Partikel dabei auf die Siedetemperatur erhitzt wird, woraus sich die Geschwindigkeitserhöhung für die einzelnen Partikel ergibt. Die Trajektorie bezeichnet dabei die Flugbahn der Partikel auf dem Weg zur Oberfläche des Bauteils. Diese Flugbahn kann gradlinig oder gekrümmt verlaufen, je nachdem, wie die Partikel miteinander (z.B. durch mechanischen Stoß) und mit der Laserstrahlung (thermisch) in Wechselwirkung treten, insbesondere ob die Partikel beschleunigt werden und wie hoch diese Beschleunigung ist. In einer Ausführungsform umfassen die dafür einzustellenden Prozessparameter ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Laserleistung des Laserstrahls, Strahlführung des Laserstrahls, Größe des Fokusbereiches, relative Position eines Pulverstrahlfokus zum Laserstrahl, vorzugsweise zum Fokusbereich des Laserstrahls, Dichte der Partikel im Pulverstrahl, Geschwindigkeit der Partikel im Pulverstrahl vor Erreichen des Laserstrahls, vorzugsweise des Fokusbereichs des Laserstrahls, Distanz zwischen Laserfokus und Oberfläche des Bauteils, Überlapp und Vorschubgeschwindigkeit. Als Überlapp wird hierbei der Überlapp des Pulverstrahls mit dem Laserstrahl bezeichnet, also wie viele Partikel letztendlich durch den Laserstrahl hindurchtreten.

Der geschwindigkeitserhöhende Dampfdruck ist dabei ein Resultat der Erhitzung eines Anteils von Partikel auf die Siedetemperatur. Dadurch verdampft Material des jeweiligen Partikels, wodurch ein Impuls in Vorwärtsrichtung auf die Oberfläche des Bauteils auf den jeweiligen Partikel ausgeübt wird, was diesen jeweiligen Partikel entsprechend beschleunigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit ein Verfahren zum Laserauftragsschweißen für große Vorschubgeschwindigkeiten und Auftragsraten bereit, mit dem ein geringer Wärmeeintrag in das Bauteil und eine geringe Aufmischung an der Oberfläche des Bauteils ermöglicht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt zudem ein sich selbst verstärkendes Verfahren hinsichtlich der Thermalisierung der optischen Energie in dem Pulverstrahl aus Partikel dar (Erhitzen der Partikel im Laserstrahl), da die gezielte Nutzung der Beschleunigung von Partikeln infolge des Dampfdrucks beim Erreichen der Siedetemperatur an der Partikeloberfläche dazu führt, dass die erhöhten Geschwindigkeiten der Partikel zu einer Verdünnung der Partikeldichte im Fokusbereich des Laserstrahls führen. Das führt dazu, dass die Partikel in diesem Bereich mit einer Temperatur unterhalb der Siedetemperatur wegen des höheren Transmissionsgrades mehr optische Energie aus dem Laserstrahl aufnehmen können. Das ist für den Prozess vorteilhaft, weil je mehr sich das Verhältnis der thermalisierten optischen Energie zugunsten des Pulverstrahls aus Partikeln verschiebt, desto geringer wird die Eindringtiefe der Schmelzisothermen in das Substrat. Für die Partikel, die bereits infolge des Dampfdrucks beim Erreichen der Siedetemperatur an der Partikeloberfläche beschleunigt wurden, stellt sich eine Selbstregulation ein, da die beschleunigten Partikel eine verringerte weitere Erwärmung erfahren. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei großen Pulverdichten respektive Auftragsraten und großen Vorschubgeschwindigkeiten.

In einer Ausführungsform ist die Geschwindigkeitserhöhung so groß, dass eine Einschnürung des Pulverstrahls in Richtung der Oberfläche des Bauteils zwischen 2% und 10%, vorzugsweise zwischen 3% und 6%, besonders bevorzugt zwischen 4% und 5%, gegenüber einer Breite des unbeleuchteten Pulverstrahls bewirkt ist.

In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Anteil der Partikel, die die Siedetemperatur erreicht haben, mehr als 5%, vorzugsweise mehr als 30%, noch bevorzugter mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 80% der Partikel, die entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung erwärmt werden. Je mehr Partikel im Pulverstrahl in Richtung der Oberfläche des Bauteils beschleunigt werden, desto höhere Vorschubgeschwindigkeiten können bei gleichzeitig qualitativ guter Laserauftragschweißung erreicht werden. In einer weiteren Ausführungsform werden zumindest 20% einer Oberfläche der Partikel, bevorzugt von zumindest 30%, besonders bevorzugt von zumindest 40% auf mindestens ihre Siedetemperatur erhitzt. Bei einem kugelförmigen Partikel und einem parallel auftreffenden Laserstrahlbündel können nicht mehr als 50% der Oberfläche auf Siedetemperatur erhitzt werden. Da die Laserstrahlung im erfindungsgemäßen Laserauftragschweißverfahren fokussiert ist und die Partikel eine von der Kugelform abweichende Oberfläche besitzen können, wären auch Oberflächenanteile größer 50% möglich, allerdings nicht wesentlich mehr als 50%. Je größer der Anteil der Oberfläche des Partikels ist, der die Siedetemperatur erreicht, desto höher ist die Geschwindigkeitserhöhung des jeweiligen Partikels. Je mehr die einzelnen Partikel im Pulverstrahl in Richtung der Oberfläche des Bauteils beschleunigt werden, desto höhere Vorschubgeschwindigkeiten können bei gleichzeitig qualitativ guter Laserauftragschweißung erreicht werden.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die Partikel eine mittlere Partikelgröße von > lpm, vorzugsweise > 10 pm, besonders bevorzugt > 30 pm und/oder < 100 pm, vorzugsweise < 70 pm, besonders bevorzugt < 50 pm auf. Die genannten Partikelgrößen haben sich als vorteilhaft hinsichtlich der Erwärmung in der zur Verfügung stehenden Zeit, der Homogenität der Temperaturverteilung innerhalb des Partikels, der Geschwindigkeit mit der der Partikel Temperatur zwischen seiner Erwärmung im Laserstrahl und seinem Auftreffen auf den Schweißspot einerseits und andererseits dem durch den einzelnen Partikel möglichen Energieeintrag auf die Oberfläche des Bauteils erwiesen.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Oberfläche des Bauteils in einem Bereich, auf dem die Laserauftragschweißung durchgeführt wird, durch den transmittierenden Laserstrahl selbst auf eine Temperatur unterhalb ihrer Schmelztemperatur aufgewärmt, wobei zumindest im Auftreffpunkt der Partikel auf der Oberfläche des Bauteils die aufgeschmolzenen Partikel mit einer Partikeltemperatur größer der Schmelztemperatur des Bauteils an seiner Oberfläche eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur in die Oberfläche des Bauteil zur Herstellung der schmelzmetallurgischen Verbindung induzieren. Der Laserstrahl ist auf den Bereich der Oberfläche des Bauteils, auf dem die Auftragsschweißung durchgeführt wird, gerichtet. Allerdings wird das pulverförmige Zusatzmaterial durch den Laserstrahl geleitet, bevor dieser auf das Bauteil auftrifft. Dadurch wird der Laserstrahl teilweise abgeschattet. Abhängig von der Dichte des Pulverstrahls durch den Laserstrahl wird mehr oder weniger viel des Laserstrahls durch den Pulverstrahl hindurchgelassen. In diesem Zusammenhang spricht man von „Transmissionsgrad“. Der Transmissionsgrad gibt also an, wieviel Laserstrahlung ihren Weg durch den Pulverstrahl hindurch findet. Erfindungsgemäß wird der Transmissionsgrad über den durch den Laserstrahl hindurchgeleiteten Pulverstrahl derart eingestellt, dass die Oberfläche des Bauteils dort wo der Zusatzwerkstoff appliziert wird zwar aufgewärmt wird, die Erwärmung aber unterhalb der Schmelztemperatur der Oberfläche des Bauteils bleibt. Durch die Aufwärmung des Schweißspots gelingt es, die Oberfläche des Bauteils an dieser Stelle schneller durch das Auftreffen der heißen, geschmolzenen Pulverpartikel seinerseits aufzuschmelzen. Durch die Vorwärmung der Oberfläche des Bauteils mittels der Laserstrahlung kann eine noch größere Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden. Dadurch, dass die Laserstrahlung dabei die Oberfläche des Bauteils nicht auf Schmelztemperatur erhitzt, wird die Aufmischung von Bauteilmaterial mit Zusatzwerkstoff möglichst geringgehalten.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Dichte der Partikel im Pulverstrahl so eingestellt und die Laserleistung und Kaustik des Laserstrahls so bemessen und zum Pulverstrahl ausgerichtet, dass die auf die Oberfläche des Bauteils auftreffende Laserleistung weniger als 85%, vorzugsweise weniger als 50%, besonders bevorzugt weniger als 30%, besonders bevorzugt weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% der Laserleistung vor Kontakt des Laserstrahls mit den Partikeln des Pulverstrahls beträgt. Bei größeren Vorschubgeschwindigkeiten kann der auftreffende Anteil der Laserstrahlung größer sein, um trotzdem eine geringe Aufmischung zu gewährleisten. Mit anderen Worten kann über die Pulverdichte der Transmissionsgrad der Laserstrahlung entsprechend eingestellt werden. Der optimale Transmissionsgrad ist dabei auch eine Funktion der Vorschubgeschwindigkeit. Der Begriff „Kaustik“, auch Brennlinie oder Brennfläche genannt, bezeichnet in der Optik einen Bereich, in dem Lichtstrahlen Tangenten an einen Bogen oder eine gebogene Fläche sind. Der Bogen begrenzt den Lichtraum. Die Intensität nimmt zum Bogen hin zu und fällt dort steil ab.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Laserstrahl einen Fokusbereich, dessen mittlerer Abstand zur Oberfläche des Bauteils zwischen 0,25 mm und 20,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,25 mm und 10,0 mm, noch bevorzugter zwischen 0,25 mm und 5,0 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm beträgt. Wie experimentell bestimmt wurde, führen obige Höchstwerte noch zu brauchbaren Beschichtungsergebnissen, wobei ein geringerer Abstand vorteilhaft ist. Der Fokusbereich ist der Punkt der höchsten Energiedichte. Dieser ist in der Praxis kein diskreter Punkt, sondern ein Bereich. Daher wird der Abstand von der Mitte des Fokusbereichs aus gezählt, ist somit ein mittlerer Abstand. Die genannten Werte für den Abstand haben sich als vorteilhaft erwiesen, da bei diesen Werten einerseits genug Zeit bis zum Auftreffen der Partikel auf die Oberfläche des Bauteils vergeht, sodass die durch den Laserstrahl punktuell eingebrachte Wärme über Wärmeausgleichsprozesse innerhalb des Partikels homogenisiert wird und andererseits das gesamte Temperaturniveau durch Wärmeaustauschprozesse mit der Umgebung noch nicht wesentlich abgenommen hat. Die Werte für die Ausdehnung dieses Bereichs können zwischen unterschiedlichen Parametersätzen für die Prozessparameter variieren.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Pulverstrahl dem Fokusbereich des Laserstrahls zugeführt, vorzugweise koaxial. Die kegelförmige Ausbildung des Pulverstrahls lässt sich beispielsweise über eine koaxiale Pulverdüse leicht erreichen. Damit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Strahl des Pulvers des Zusatzwerkstoffs koaxial zum Laserstrahl dem Schweißspot zugeführt wird. Die kegelförmige Ausbildung des Pulverstrahls hat sich als vorteilhaft erwiesen. Die Kegelspitze sollte dabei möglichst nah bei dem Fokuspunkt des Laserstrahls, insbesondere innerhalb der oben genannten Grenzen, liegen.

In einer weiteren Ausführungsform besitzt der Pulverstrahl eine Pulvermasse, die pro gefördertem Gesamtvolumen bestehend aus Fördergasvolumen und Partikelvolumen größer lg/1 ist. Hiermit wird das Schutzgas nicht mit in die Bilanz einbezogen. Die spezifizierte Mindestmenge an Pulvermaterial schränkt den Transmissionsgrad des Laserstrahls auf das Bauteil vorteilhaft ein.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Pulverstrahl dem Laserstrahl mittels einer Koaxialdüse als konischer Pulverstrahl, mittels eine Mehrstrahldüse oder mittels eine Rechteckdüse zugeführt.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Zusatzwerkstoff auf die Oberfläche des Bauteils mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang der Oberfläche des Bauteils zwischen 5 m/min und 1000 m/min, vorzugsweise dabei mehr als 10 m/min, weiter bevorzugt dabei mehr als 21 m/min, noch weiter bevorzugt dabei mehr als 50 m/min, besonders bevorzugt dabei mehr als 100 m/min, ganz besonders bevorzugt dabei mehr als 130 m/min, äußerst bevorzugt dabei mehr als 150 m/min, aufgetragen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Zusatzwerkstoff eine Nickelbasis-Legierung, eine Kobaltbasis-Legierung, eine Eisenbasis-Legierung, eine Titanbasis-Legierung, eine Kupferbasis-Legierung, eine Aluminiumbasis-Legierung, ein Eisenbasiswerkstoff und/oder Keramik oder einer Mischung der voranstehenden Legierungen oder besteht daraus.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Prozessparameter so gewählt sind, dass unter Anwendung dieser Prozessparameter bei inaktivem Pulverstrahl und dem Laserstrahl mit 35% Laserleistung, vorzugsweise 50% Laserleistung, besonders bevorzugt 85% Laserleistung, gemäß den Prozessparametern kein Aufschmelzen der Oberfläche des Bauteils im Bereich des auftreffenden Laserstrahls auftritt. Er inaktive Pulverstrahl bezeichnet dabei eine Prozessführung, bei der kein Pulverstrahl auf die Oberfläche des Bauteils appliziert wird. Somit kann der Laserstrahl ohne Abschattung mit vollem Transmissionsgrad die Oberfläche des Bauteils erreichen. Wird dieser Laserstrahl hier mit 50% seiner Laserleistung gegenüber dem eigentlichen Laserauftragschweißvorgang auf die Oberfläche des Bauteils gelenkt, so darf die Oberfläche des Bauteils unter diesen Bedingungen nicht aufschmelzen. Somit wird sichergestellt, dass dies auch bei 100% der Laserleistung unter Applikation des Zusatzwerkstoffs in Form des Pulverstrahls nicht passiert. Durch die Überprüfung des kritischen Parameters der „Laserleistung“ ist dieser Parameter für ein erfolgreiches Laserauftragschweißen bestimmt und es können große Auftragsgeschwindigkeiten und Auftragsraten mit gleichzeitigem geringen Wärmeeintrag in das Bauteil und einer geringen Aufmischung an der Oberfläche des Bauteils mit dem überprüften Parametersatz erreicht werden.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Laserauftragschweißvorrichtung zur Herstellung einer schmelzmetallurgischen Verbindung zwischen einem zumindest zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff und einer Oberfläche eines Bauteils mit zumindest einem Laser, aus dem ein auf die Oberfläche des Bauteils gerichteter Laserstrahl emittiert wird, und mit zumindest einer Pulverdüse zum Erzeugen eines Pulverstrahls aus dem Zusatzwerkstoff, wobei Laserstrahl und Pulverdüse so ausgestaltet und angeordnet sind, dass der Pulverstrahl aus Partikel dem Laserstrahl zugeführt wird und die Partikel in einer Strahl-Partikel- Wechsel wirkungszone in einem Abstand zur Oberfläche des Bauteils in Abhängigkeit von Prozessparametem in dem Laserauftragschweißverfahren und von Kornfraktion und Materialeigenschaften der Partikel optische Energie aus dem Laserstrahl aufnehmen, um auf die Oberfläche des Bauteils appliziert zu werden, wobei die Prozessparameter der Laserauftragschweißvorrichtung so eingestellt sind, dass zumindest ein Anteil der Partikel entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung die Siedetemperatur erreicht und es infolge eines resultierenden Dampfdrucks zu einer Geschwindigkeitserhöhung zumindest des Anteils der Partikel in Richtung der Oberfläche des Bauteils kommt. Die verwendeten Komponenten wie beispielsweise der Laser können übliche Komponenten für Laserauftragschweißvorrichtung sein.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Bauteil mit einer Oberfläche, auf die ein Zusatzwerkstoff mittels des erfindungsgemäßen Laserauftragschweißverfahrens schmelzmetallurgisch appliziert ist. Das erfindungsgemäße Bauteil unterscheidet sich von Bauteilen gemäß dem Stand der Technik beispielsweise durch eine besonders geringe Aufmischzone zwischen dem Material des Bauteils und dem aufgetragenen Zusatzwerkstoff. Das Bauteil, auf das der Zusatzwerkstoff aufgetragen werden soll, kann jedes Bauteil sein, das aus einem für Laserauftragschweißen grundsätzlich geeigneten Material besteht. Dabei muss zumindest die Oberfläche des Bauteils aus diesem Material bestehen, auf die der Zusatzwerkstoff aufgetragen wird. Der Fachmann kennt beispielsweise dafür geeignete Materialien. Das Bauteil kann dabei jede geeignet geometrische Form besitzen, sofern die Oberfläche so gestaltet ist, dass der Laserstrahl und/oder der Pulverstrahl in der Lage ist, den Bereich der Oberfläche des Bauteils zu erreichen, auf den der Zusatzwerkstoff aufgetragen werden soll.

Es versteht sich, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen oder Merkmale daraus auch in beliebigen von den Ansprüchen und von deren Rückbezüge abweichenden Kombinationen miteinander kombiniert werden können, um Lösungen der voranstehenden Aufgabe im Rahmen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.

Außerdem sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und Zahlenangaben wie „ein“, „zwei“ usw. im Regelfall als „mindestens“-Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein...“, „mindestens zwei...“ usw., sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ausdrücklich ergibt oder es für den Fachmann offensichtlich oder technisch zwingend ist, dass dort nur „genau ein...“, „genau zwei...“ usw. gemeint sein können. Weiterhin sind alle Zahlenangaben sowie Angaben zu Verfahrensparametern und/oder Vorrichtungsparametem im technischen Sinne zu verstehen, d.h. als mit den üblichen Toleranzen versehen zu verstehen. Auch aus der expliziten Angabe der Einschränkung „wenigstens“ oder „mindestens“ o.ä. darf nicht geschlossen werden, dass bei der einfachen Verwendung von „ein“, also ohne die Angabe von „wenigstens“ o.ä., ein „genau ein“ gemeint ist.

Kurze Beschreibung der Figuren

Zusätzlich sind weitere Merkmale, Effekte und Vorteile vorliegender Erfindung anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert. Komponenten, welche in den einzelnen Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, sind hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei die Komponenten nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen.

Die Zeichnung zeigen:

Fig.l: eine schematische Darstellung eines Laserauftragsschweißverfahrens nach dem

Stand der Technik;

Fig.2: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Laserauftragsschweißverfahrens;

Fig.3: eine schematische Darstellung eines Partikels in der Strahl-Partikel-

Wechsel wirkungszone von Fig.2; und

Fig.4: eine Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Laserauftragschweißvorrichtung zur Herstellung eines Bauteils mit einem durch das Laserauftragsschweißverfahren aufgetragenen Zusatzwerkstoff.

Ausführungsbeispiele

Fig.1 ist bereits in der Beschreibungseinleitung beschrieben.

Fig.2 zeigt ein erfmdungsgemäßes Laserauftragschweißverfahren 200 zur Ausführung einer Laserauftragschweißung, welches mittels eines auf eine Oberfläche la eines Bauteils 1 gerichteten Laserstrahls 6 das Bauteil 1 schmelzmetallurgisch mit zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff verbindet. Der Zusatzwerkstoff wird hier als Pulverstrahl 5 aus Partikeln 5a, dem Laserstrahls 6 zugeführt, wobei die Partikel 5a in einer Strahl-Partikel- Wechsel wirkungszone in einem Abstand A zur Oberfläche la des Bauteils 1 in Abhängigkeit von Prozessparametem P des Laserauftragschweißverfahrens 200 und von Kornfraktion und Materialeigenschaften der Partikel 5a optische Energie aus dem Laserstrahl 6 aufnehmen und auf die Oberfläche la des Bauteils 1 appliziert werden. In der abgebildeten Konfiguration wird der Pulverstrahl 5, welcher eine Pulvermasse besitzt, die pro gefördertem Gesamtvolumen bestehend aus Fördergasvolumen und Partikelvolumen größer 1 g/1 sein kann, dem Fokusbereich 7 des Laserstrahls 6 koaxial zugeführt. Die Zuführung des Pulverstrahls 5 zum Laserstrahl 6 wird hier mittels einer Koaxialdüse als konischer Pulverstrahl realisiert. In einer anderen möglichen Konfiguration kann die Pulverzuführung aber auch mittels einer Mehrstrahldüse oder mittels einer Rechteckdüse durchgeführt werden. Die Prozessparameter P sind so eingestellt, dass zumindest ein Anteil der Partikel 5a entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung 6 die Siedetemperatur S erreicht und es infolge eines resultierenden Dampfdrucks zu einer Geschwindigkeitserhöhung zumindest des Anteils der Partikel 5a in Richtung der Oberfläche la des Bauteils 1 kommt, wobei der Anteil der Partikel 5a, die die Siedetemperatur S erreicht haben, größer 2% sein kann. Solche einzustellenden Prozessparameter P können ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Laserleistung des Laserstrahls 6, Strahlführung des Laserstrahls 6, Größe des Fokusbereiches 7, relative Position eines Pulverstrahlfokus zum Laserstrahl, vorzugsweise zum Fokusbereich 7 des Laserstrahls 6, Dichte der Partikel 5a im Pulverstrahl 5, Geschwindigkeit der Partikel 5a im Pulverstrahl 5 vor Erreichen des Laserstrahls 6, vorzugsweise des Fokusbereichs 7 des Laserstrahls, Distanz zwischen Laserfokus und Oberfläche la des Bauteils 1, Überlapp und Vorschubgeschwindigkeit umfassen. Die beschriebene Geschwindigkeitserhöhung der Partikel kann hierbei so groß sein, dass eine Einschnürung des Pulverstrahls 5 in Richtung der Oberfläche des Bauteils zwischen 2% und 10%, vorzugsweise zwischen 3% und 6%, besonders bevorzugt zwischen 4% und 5%, gegenüber einer Breite des unbeleuchteten Pulverstrahls 5 bewirkt ist. Die Einschnürung des Pulverstrahls ist durch die prozentuale Abweichung des Winkels a zum Winkel ß wie folgt definiert: E = (a-b)/a [%]. Der Anteil der Partikel 5a, die entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung erwärmt werden und die die Siedetemperatur S erreicht haben, kann erfindungsgemäß mehr als 5%, vorzugsweise mehr als 30%, noch bevorzugter mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 80% der Partikel 5a betragen. Weiterhin kann Oberfläche des Bauteils 1 in einem Bereich, auf dem die Laserauftragschweißung durchgeführt wird, durch den transmittierenden Laserstrahl 6 selbst auf eine Temperatur unterhalb ihrer Schmelztemperatur aufgewärmt werden, wobei zumindest im Auftreffpunkt der Partikel 5a auf der Oberfläche la des Bauteils 1 die aufgeschmolzenen Partikel 5a mit einer Partikeltemperatur PT größer der Schmelztemperatur des Bauteils 1 an seiner Oberfläche la eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur in die Oberfläche la des Bauteil 1 zur Herstellung der schmelzmetallurgischen Verbindung induzieren. Ferner kann die Dichte der Partikel 5a im Pulverstrahl 5 so eingestellt und die Laserleistung und Kaustik des Laserstrahls 6 so bemessen und zum Pulverstrahl 5 so ausgerichtet sein, dass die auf die Oberfläche la des Bauteils 1 auftreffende Laserleistung weniger als 85%, vorzugsweise weniger als 50%, besonders bevorzugt weniger als 30%, besonders bevorzugt weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% der Laserleistung vor Kontakt des Laserstrahls 6 mit den Partikeln 5a des Pulverstrahls 5 beträgt. Der Laserstrahl 6 kann dabei einen Fokusbereich 7 umfassen, dessen mittlerer Abstand A zur Oberfläche la des Bauteils 1 zwischen 0,25 mm und 20,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,25 mm und 10,0 mm, noch bevorzugter zwischen 0,25 mm und 5,0 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm, beträgt. Der Zusatzwerkstoff kann hierbei auf die Oberfläche la des Bauteils 1 mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang der Oberfläche la des Bauteils 1 zwischen 5 m/min und 1000 m/min, vorzugsweise dabei mehr als 10 m/min, weiter bevorzugt dabei mehr als 21 m/min, noch weiter bevorzugt dabei mehr als 50 m/min, besonders bevorzugt dabei mehr als 100 m/min, ganz besonders bevorzugt dabei mehr als 130 m/min, äußerst bevorzugt dabei mehr als 150 m/min, aufgetragen werden. Die Prozessparameter P des hier dargestellten Laserauftragschweißverfahrens 200 können erfindungsgemäß so gewählt sein, dass unter Anwendung dieser Prozessparameter P bei inaktivem Pulverstrahl 5 und dem Laserstrahl 6 mit 35% Laserleistung, vorzugsweise 50% Laserleistung, besonders bevorzugt 85% Laserleistung, gemäß der Prozessparameter P kein Aufschmelzen der Oberfläche la des Bauteils 1 im Bereich des auftreffenden Laserstrahls auftritt.

Fig.3 zeigt einen Partikel 5a aus dem Anteil der Partikel 5a, welche entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung 6 die Siedetemperatur S erreicht haben und welcher sich innerhalb der Strahl-Partikel-Wechselwirkungszone gemäß Fig.2 befindet. Hierbei ist eine Oberfläche des Partikel 5a auf ungefähr 40% auf ihre Siedetemperatur S erhitzt. Der übrige Teil des Partikels 5a hat eine Partikeltemperatur PT kleiner der Siedetemperatur. Außerdem weist der Partikel 5a hier eine mittlere Partikelgröße von > 1 pm, vorzugsweise > 10 pm, besonders bevorzugt > 30 pm und/oder < 100 pm, vorzugsweise < 70 pm, besonders bevorzugt < 50 pm auf. Der Partikel 5a des Zusatzwerkstoffs umfasst oder besteht beispielsweise aus einer Nickelbasis-Legierung, einer Kobaltbasis-Legierung, einer Eisenbasis-Legierung, einer Titanbasis-Legierung, einer Kupferbasis-Legierung, einer Aluminiumbasis-Legierung, einem Eisenbasiswerkstoff und/oder Keramik oder einer Mischung der voranstehenden Legierungen. Fig.4 zeigt eine erfindungsgemäße Laserauftragschweißvorrichtung 100 zur Herstellung einer schmelzmetallurgischen Verbindung zwischen einem zumindest zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff und einer Oberfläche la eines Bauteils 1 mit zumindest einem Laser 110, aus dem ein auf die Oberfläche la des Bauteils 1 gerichteter Laserstrahl 6 emittiert wird , und mit zumindest einer Pulverdüse 120 zum Erzeugen eines Pulverstrahls 5 aus dem Zusatzwerkstoff, wobei Laserstrahl 6 und Pulverdüse 120 so ausgestaltet und angeordnet sind, dass der Pulverstrahl 5 aus Partikel 5a dem Laserstrahl 6 zugeführt wird und die Partikel 5a in einer Strahl -Partikel -Wechselwirkungszone in einem Abstand A zur Oberfläche la des Bauteils 1 in Abhängigkeit von Prozessparametern P in dem Laserauftragschweißverfahren 200 und von Kornfraktion und Materialeigenschaften der Partikel 5a optische Energie aus dem Laserstrahl 6 aufnehmen, um auf die Oberfläche la des Bauteils 1 appliziert zu werden. Die Prozessparameter P der Laserauftragschweißvorrichtung 100 können so eingestellt sein, dass zumindest ein Anteil der Partikel 5a entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung 6 die Siedetemperatur S erreicht und es infolge eines resultierenden Dampfdrucks zu einer Geschwindigkeitserhöhung zumindest des Anteils der Partikel 5a in Richtung der Oberfläche la des Bauteils 1 kommt, wodurch das Bauteil 1 mit einer Oberfläche la, auf die ein Zusatzwerkstoff mittels eines Laserauftragschweißverfahrens appliziert ist, erhalten wird. Bezüglich der hier referenziellen Bezugszeichen, die hier nicht gezeigt werden, verweisen wir auf die Figuren 2 und 3. Ferner wird daraufhingewiesen, dass die hier dargestellte Anordnung von Laser 110 und Pulverdüse 120 nur demonstrativ zu verstehen ist und keine konkrete Anordnung/Konfiguration implizieren soll.

An dieser Stelle sei explizit darauf hingewiesen, dass Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen und/oder Figuren beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um auch erläuterte Merkmale, Effekte und Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen bzw. erzielen zu können.

Es versteht sich, dass es sich bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel lediglich um eine erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt. Insofern beschränkt sich die Ausgestaltung der Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel. Bezugszeichenliste:

1 Bauteil la Oberfläche des Bauteils 2 Schicht

3 Pulverzufuhr

4 Schmelzbad

5 Pulverstrahl

5a Partikel 6 Laserstrahl, Laserstrahlung 7 Fokusbereich

9 Partikel (gemäß Stand der Technik, Fig.l)

10 Wärmeeinflusszone 100 Laserauftragschweißvorrichtung 110 Laser

120 Pulverdüse 200 Laserauftragschweißverfahren A Abstand zwischen Fokusbereich und Oberfläche des Bauteils PT Partikeltemperatur P Prozessparameter s Siedetemperatur x Laserauftreffrichtung v Vorschubgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Pulverstrahls entlang der Oberfläche des Bauteils bzw. Relativgeschwindigkeit Laser-Substrat)