Die vorliegende Erfindung betrifft ein optimiertes Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates durch Laserauftragschweißen. Das Verfahren ist dabei in zwei Schritte gegliedert, bei dem in einem ersten Schritt zunächst mindestens zwei zueinander beabstandet verlaufende Beschichtungsspuren, sogenannte Verbindungsstege (sysnonym: Konturverbindungsstege) erzeugt werden, die die gewünscht endkonturfertige Schichtdicke oder -stärke vorge- ben. Der zwischen jeweils zwei Verbindungsstegen verbleibende Zwischen raum wird in einem zweiten Schritt mit einer Beschichtungsspur der gleichen Schichtdicke, der sogenannten Füllspur, aufgefüllt, so dass sich die Füllspur an die Verbindungsstege so anfügt, dass die gewünschte Endkontur erreicht wird und eine Nachbearbeitung der Schicht dadurch entfallen kann. Dabei handelt es sich bei der Füllspur nur um eine einzige Beschichtungsspur. Es entsteht so mit mit zwei Arbeitsschritten eine plane Oberfläche.

Beim Beschichten mittels Laserstrahlung (Laserauftragschweißen) mit pulver förmigem Zusatzwerkstoff wird auf der Oberfläche eines Bauteils durch den auf der Oberfläche des Bauteils auftreffenden Laserstrahl ein Schmelzbad erzeugt, in das ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff durch eine Pulverdüse injiziert wird.

Ein derartiges, aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist in Fig. 1 dar gestellt. Hierbei wird die Oberfläche eines Substrates 1 mittels eines Laser strahls 2 beaufschlagt und aufgeschmolzen. Durch eine Pulverdüse 3, die den Laserstrahl 2 koaxial einfasst, wird in das vom Laserstrahl 2 erzeugte Schmelz bad ein Pulver 4 eines schmelzbaren Materials eingebracht, das im vom Laser strahl erzeugten Schmelzbad 5 aufgeschmolzen wird. Durch Bewegung des Sub strates 1 relativ zum Laserstrahl 2 und Auftrag des Pulvers 4 durch die Pulver düse 3 entsteht dabei auf der Oberfläche des Substrates 1 eine Beschichtungs spur oder Beschichtungsraupe 2 ^' , deren Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist. Die Geometrie der Beschichtungsraupe ähnelt dem Querschnitt von ihrer Grund form her einer Linsenform. Durch das Aufträgen bzw. Erzeugen mehrerer sich überlappender Beschichtungsraupen 2 ^' kann eine flächige Beschichtung herge stellt werden. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine gemäß dieser Technik hergestellten Beschichtung aus einer Mehrzahl sich partiell überlappender Be schichtungsraupen 2 ^' .

Je nach Grad der Überlappung entsteht dabei eine beschichtete Fläche mit ei ner mehr oder weniger ausgebildeten Wellenstruktur auf der Schichtoberflä che. Generell gilt: Wenn der Überlappungsgrad unter 80% liegt, bildet sich auf der Schichtoberfläche eine mit abnehmendem Überlapp zunehmende Wellen struktur aus. In Fig. 4 ist dieses schematisch für zwei Überlappungsgrade er sichtlich. Schema A) zeigt eine Schicht mit ca. 20% Überlapp und Schema B) eine Schicht mit 50% Überlapp. In Schema A) ist eine deutlich stärkere Wellenstruk tur zu sehen als in Schema B). Das bedeutet, dass bei einem größeren Überlap pungsgrad die Schichtoberfläche endkonturnäher d. h. glatter gefertigt werden kann, aber dafür mehr Spuren benötigt werden und die Beschichtungsdauer länger ist. Um auf die endgültige gewünschte Schichtstärke zu kommen muss die Schichtoberfläche aber abschließend durch Schleifen, Drehen oder Fräsen nachbearbeitet werden. Und bei einem Überlappungsgrad größer 80% wächst die Schicht während des Beschichtens immer weiter an und es kommt dabei zu Anbindungsfehler und Porenbildung durch die Abschattung des Laserstrahls von der aufgebrachten Beschichtung. Dieses gilt beim Laserauftragschweißen prinzipiell für alle Querschnittsflächen von Laserstrahlen.

Beim Beschichten mit rechteckförmigen Querschnitt des Laserstrahls entste hen beim Erzeugen von dünnen Schichten sogar oftmals sogenannten Ein brandkerben (siehe Bezugszeichen 4 in Fig. 5) in den Seitenbereichen der Be schichtungsraupen. Diese verursachen Schichteinbrüche (siehe Bezugszeichen 5 in Fig. 5) im Überlappbereich, die die Nachbearbeitung bei Standard mäßigem beschichten noch weiter erhöht, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens Laserauftragschweißen weiter abnimmt.

Weiterhin treten beim Laserauftragschweißen von harten Werkstoffen, wie zum Beispiel Wolfram-Karbid-Kobalt (WC/Co) häufig Risse auf, die bei der nor malen überlappenden Bearbeitung zu sogenannten Rissgittern führen, die in vielen Anwendungen nicht toleriert werden da es dabei zu Schichtausbrüchen kommen kann.

Fig. 6 zeigt eine Oberflächenaufnahme einer durch Laser-Auftragschweißen er zeugten WC/Co-Beschichtung nach einer Farbeindringprüfung, in der ein deut liches Muster eines Rissgitters erkennbar ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zum Beschich ten einer Oberfläche eines Substrates mittels Laserauftragschweißen zur Ver fügung zu stellen, bei dem eine im Vergleich zum Stand der Technik beim Laser- Auftragschweißen eine höhere Oberflächenqualität bezüglich einer höheren Ebenheit der Oberfläche bei geringem Überlappungsgrad der Beschichtungs spuren erreicht wird, und dass wie oben beschrieben Einbrandkerben und Schichteinbrüchen sowie Rissgitter vermieden werden können.

Dieses wird erreicht mit den Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Patentanspruch 1. Die abhängigen Patentansprüche stellen dabei vor teilhafte Weiterbildungen dar.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Laser-Auftrag schweißen, bei dem der Materialauftrag in einem ersten Schritt durch mindes tens zwei zueinander beabstandet verlaufende Beschichtungsspuren, im wei teren hier als Verbindungsstege (synonym: Konturverbindungsstege) bezeich net, erfolgt, und anschließend in einem zweiten Schritt die zwischen jeweils zwei Verbindungsstegen liegende Oberfläche des Substrats mit einer Beschich tungsspur, im weiteren hier als Füllspur bezeichnet, beschichtet wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden sowohl die Verbindungsstege als auch die Füllspur in gleicher Dicke erzeugt, so dass nach Abschluss des Verfahrens über die Verbindungsstege und die Füllspur eine plane Oberfläche entstanden ist.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden somit zunächst zumindest zwei bzw. mehrere Verbindungsstege mittels Laserauftragschweißen erzeugt.

In einem sich anschließenden zweiten Schritt wird die Fläche zwischen jeweils zwei erzeugten Verbindungsstege ebenfalls mittels Laserauftragschweißen ge füllt. Dieser zweite Beschichtungsschritt erfolgt dabei in einem einzigen Bear beitungsschritt durch Laserauftragschweißen, d. h. der Bereich zwischen zwei Verbindungsstege wird in einem einzigen Arbeitsdurchgang durch Laserauf tragschweißen so gefüllt, dass die Füllspur sich so an die Verbindungsstege an passt dass eine endkonturfertige Beschichtung entsteht. Dies wird erfindungs gemäß dadurch erreicht, dass Verbindungsstege und Füllspur exakt in der glei chen Dicke aufgetragen werden.

Durch die vorliegenden Erfindung ist es daher nicht nur möglich eine endkon turfertige Oberfläche zu generieren sondern auch ein Verfahren zur Verfügung zu stellen mit dem die oben beschriebenen Probleme der Einbrandkerben so wie der Rissgitter vermieden werden können. Das erfindungsgemäße Verfah rens führt somit zu einer äußerst homogen und glatt ausgebildeten Oberfläche, so dass beispielsweise ein anschließendes Nachbearbeitungsverfahren, bei dem die Oberfläche geglättet werden muss, gänzlich entfallen kann. Dies führt zudem zu einer deutlichen wirtschaftlichen Steigerung der vorgeschlagenen Verfahrensweise. Die Prozesszeit kann ebenso reduziert werden.

Dies bedeutet, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Nachbear beitung der aufgetragenen Beschichtung notwendig ist. Gleichzeitig können Einbrandkerben, insbesondere bei Verwendung von rechteckförmigen Laser strahlen vermieden werden. Auch die Rissgitter, die insbesondere wie oben be schrieben beim Aufträgen von harten Werkstoffen ein Problem darstellen, kön nen beim erfindungsgemäßen Verfahren vermieden werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Verbindungsstege eine Breite (b) aufweisen und dass für ein Ver hältnis des Abstands (d), gemessen von der Mitte eines Verbindungsstegs zur Mitte eines benachbarten Verbindungsstegs, zur Breite (b) jeweils unabhängig voneinander gilt: 1,3 < d/b < 35, bevorzugt 3 < d/b < 15 und besonders bevor zugt 4 < d/b < 7.

Dabei werden die Verbindungsstege von den Füllspuren partiell so überlappt und schmelzmetallurgisch verbunden, dass sie sich an der vorgegebenen Geo metrie der Verbindungstege so anpassen das die gewünschte endkonturfertige Beschichtung entsteht.

Beispielswiese beträgt die Überlappung mit dem jeweiligen Verbindungssteg jeweils unabhängig voneinander zwischen 25 % und 75 %, bevorzugt zwischen 30 und 65 %, besonders bevorzugt zwischen 40 und 50 %. Die Überlappung be zieht sich dabei auf die Breite des jeweiligen Verbindungsstegs.

In der Regel und bevorzugt ist das Material der Verbindungsstege und der Füll spuren identisch, was aber nicht zwingend sein muss. Ebenso ist es somit mög lich, dass die Füllspuren, aus einem unterschiedlichen Material gebildet sein können, als die Verbindungsstege. Dies ermöglicht, insbesondere bei überlap pendem Auftrag der Füllspur mit den Verbindungsstegen einen graduellen Übergang der Materialien vom Verbindungssteg zur Füllspur. Durch einen der artigen Auftrag können insbesondere Spannungen, die an den Stoßgrenzen der unterschiedlichen Materialien entstehen würden, vermieden bzw. abgebaut werden.

Weiterhin ist es möglich, dass mehr als zwei zueinander beabstandet verlau fende Verbindungsstege erzeugt werden, wobei die zwischen zwei beliebigen Paaren aus Verbindungsstegen liegende Oberfläche des Substrats mit einer Füllspur aus identischen oder unterschiedlichen Materialien, verglichen mit der jeweiligen anderen Füllspur, beschichtet wird.

Eine beispielhafte Ausführungsform ist in Fig. 7 dargestellt und wird weiter un ten näher beschrieben.

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist es somit insbesondere möglich, dass ein Paar Verbindungsstege erzeugt wird und eine Füllspur aus einem ers ten Material zwischen diesem ersten Paar von Verbindungsstegen eingefüllt wird. Die Füllspur zwischen einem beliebigen anderen Paar an Verbindungsste gen , beispielsweise zwischen einem an das erste Paar angrenzenden Paar von Verbindungsstegen kann dabei mit einem identischen, aber auch unterschied lichen Material, verglichen mit der zwischen dem ersten Paar aus Verbindungs stegen gefüllt werden. Somit können Oberflächen von einheitlicher Material beschaffenheit, aber auch sequentiell unterschiedlicher Materialbeschaffen heit erzeugt werden.

Das Substrat kann aus beliebigen Materialien, beispielsweise aus einem Mate rial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus metallischen Werkstoffen, Ver bundwerkstoffen und nichtmetallischen Werkstoffen, besonders bevorzugt metallischen Werkstoffen, gebildet sein.

Der Begriff„Verbundwerkstoffe" bedeutet im Zusammenhang mit den Substra ten dabei einen Werkstoff, der aus einer Kombination unterschiedlicher Werk stoffe gebildet ist, beispielsweise beschichtete Substrate, Leiterplatinen, Pre- pregs, Solarzellen etc.

Die Verbindungsstege und Füllspuren können dabei jeweils unabhängig vonei nander aus Materialien, deren Auftrag mittels Laserauftragschweißen möglich ist, gebildet sein, beispielsweise aus Materialien, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus metallischen Werkstoffen, Kompositwerkstoffen und nichtme tallischen Werkstoffen, bevorzugt metallische Werkstoffen.

Der zum Laser-Auftragssachweißen der Verbindungsstege verwendete Laser strahl weist bevorzugt eine kreisförmige, rechteckförmige, linienförmige oder ellipsenförmige, bevorzugt kreisförmige oder rechteckförmige, besonders be vorzugt kreisförmig projizierte Laserstrahlfläche auf.

Zusätzlich oder alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform kann der zum Laserauftragschweißen der Füllspur verwendete Laserstrahl eine kreisförmige, rechteckförmige, linienförmige oder ellipsenförmige, bevorzugt kreisförmige o- der rechteckförmige, projizierte Laserstrahlfläche aufweisen.

Unter einer„projizierten Laserstrahlfläche" im Sinne der zuvorgenannten Aus führungsform wird dabei der wirksame Querschnitt des Laserstrahls, der auf die Oberfläche des Substrates auftrifft, bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einem in zwei aufeinander folgen den Arbeitsschritten durch denselben oder verschiedene Laser bearbeitet wer den, oder in einem Arbeitsvorgang durch zwei gleiche oder verschiedene Laser bearbeitet werden.

Im ersten Fall werden hierbei die Verbindungsstege auf dem Substrat mittels dem selben Laser aufgetragen mittels dem auch anschließend die Füllspuren aufgetragen werden. Das Verfahren kann dabei derart ausgestaltet sein, dass zunächst sämtliche Verbindungstege aufgebracht werden, und anschließend die verbleibenden Zwischenräume zwischen den Verbindungsstegen mit der Füllspur sukzessiv oder kontinuierlich aufgefüllt werden. Alternativ hierzu ist es ebenso möglich, zunächst in einem ersten Schritt ein erstes Paar von Verbin dungsstegen zu erzeugen, dann den Zwischenraum zwischen dem ersten Paar von Verbindungsstegen mit einer Füllspur zu füllen und anschließend in weite ren Arbeitsschritten jeweils einen benachbarten Verbindungssteg zu erzeugen, und weiter den neugebildeten Zwischenraum zwischen dem neuen Paar an Verbindungsstegen mit einer Füllspur auszufüllen.

Im zweiten Fall ist es auch möglich, zwei separate Laser zur Beschichtung der Verbindungsstege und Füllspuren einzusetzen. Eine beispielhafte Verfahrensführung hierzu sieht vor, dass zum Beispiel die Verbindungsstege im ersten Arbeitsschritt durch einen Laser mit einem Laser strahl mit kreisförmigen Laserstrahlprofiel generiert werden, während die Füll spuren anschließend oder zeitversetzt mit einem Laser mit einem rechteckför migem Laserstrahlprofiel generiert werden. Bei einer derartigen Verfahrens führung ist zur Erzeugung einer jeweils zwischen zwei Verbindungsstegen aus gebildeten Beschichtung eine nur einmalige Relativbewegung des Substrates zu den Lasern notwendig. Diese Verfahrensvariante ist jedoch ebenso unter Ver wendung eines einzigen Lasers möglich, dessen Strahl dann für die Zwecke der gleichzeitigen Ausbildung der Verbindungsstege und Füllspuren entsprechend geteilt werden kann.

Nach erfolgter Beschichtung kann eine Nachbehandlung der beschichteten Oberfläche des Substrats erfolgen, insbesondere durch Fräsen, Drehen, Schlei fen oder Polieren. Dies kann der weiteren Glättung der Oberfläche dienen.

Für den Fall, dass bereits eine hinreichend glatte Oberfläche durch das Verfah ren ausgebildet wird, kann ein entsprechender Nachbearbeitungsschritt ebenso entfallen.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand der nachfolgenden Ausführungen nä her beschrieben, ohne die Erfindung auf die speziellen Ausführungsformen zu beschränken.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden als Laser-Verbindungs- steg-Auftragsschweißen (LAVA) bezeichnet. Das Laser-Verbindungssteg-Auf- tragsschweißen ist ein Verfahren zur Herstellung von korrosions- und/oder ver schleißbeständigen Schichten durch Laserauftragschweißen. Dabei werden die Schichten durch sogenannte Verbindungsstege und Füllspuren hergestellt (Fig. 7).

Die prinzipielle Vorgehensweise des erfindungsgemäßen Laser-Verbindungs- steg-Auftragsschweißens ist in Fig. 7 dargestellt. Hierbei werden zunächst auf einem Substrat 1 erste Beschichtungsspuren 6 (die sogenannten Verbindungs- Stege) erzeugt. Die Verbindungsstege sind dabei bevorzugt äquidistant zuei nander in einem Abstand d, jeweils gemessen von der Mitte des jeweiligen Ver bindungsstegs 6 zum benachbarten Verbindungssteg 6 aufgetragen. Der Auf trag erfolgt durch Laserauftragschweißen. Die Verbindungsstege werden dabei in einer Breite b und einer Höhe h aufgetragen. Nach Erzeugung der Verbin dungsstege 6 wird jeweils der verbleibende Freiraum zwischen zwei Verbin dungsstegen 6 mittels einer Füllspur 7, aufgefüllt. Die Füllspur wird in der glei chen Dicke h wie die Verbindungsstege 6 aufgetragen, so dass nach diesem zweiten Arbeitsschritt die Endkontur vorliegt. Die Füllspur 7 kann dabei bevor zugt mit den Verbindungsstegen 6 in einem Überlappungsbereich 8 überlap pen. Im beispielhaften Fall gemäß Fig. 7 beträgt der Überlappungsgrad hierbei 50%. Im Gegensatz zum konventionellen Laserauftragschweißen werden somit beim LAVA-Ansatz zuerst Verbindungsstege 6 mit einem Mindestabstand d, welcher das 1,3 Fache der Breite des Verbindungsstegs beträgt, aufgebracht. Das bedeutet, dass sich die Verbindungsstege 6 nicht berühren. Die Distanz d zwischen den Verbindungsstegen 6 kann in Abhängigkeit von der zu Verfügung stehenden Laserleistung und Optikkomponenten gewählt werden. Bevorzugt beträgt dieser Abstand bis zum 35-fachen der Konturverbindungsstegbreite b. Die anschließende Füllung zwischen den Verbindungsstegen wird mit genau ei ner Beschichtungsspur 7 durchgeführt. Dafür wird die Breite der Beschich tungsspur für die Füllung 7 auf den Abstand der Verbindungsstege 6 abge stimmt. Die Überlappung 8 der Füllung mit dem Verbindungssteg 6 kann je nach Ausbildung zwischen 40 und 50% betragen.

Beim Auftragsschweißen der Füllspur treten durch den Kontakt der Schmelze mit den Verbindungsstegen Benetzungseffekte auf. Durch eine angepasste Pro zessführung (insbesondere Strahldurchmesser, Laserleistung, Pulvermassen strom, Vorschubgeschwindigkeit) wird dieser Effekt so ausgenutzt, dass die Oberfläche der Füllspur sich an die Oberfläche der Verbindungsstege anlegt. Dies führt zu einer sehr glatten und endkonturfertigen Oberfläche.

Eine entsprechende Vorgehensweise ist fotografisch in Fig. 8 dargestellt. Die perspektivisch links in Fig. 8 dargestellte Abbildung zeigt eine Vielzahl von Ver bindungsstegen 6, deren Zwischenräume bereits vollständig oder teilweise mit Füllspuren 7 ausgefüllt sind. Der in Fig. 8 perspektivisch rechts dargestellte Aus schnitt zeigt eine perspektivisch schräge Aufnahme einer erzeugten Beschich tung, verglichen mit dem linken Teil, dar.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit eine endkonturfertige Be schichtung erzeugt werden. Dies wird anhand des Vergleichs von erzeugten Be schichtungen nach dem herkömmlichen, im einleitenden Teil der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Verfahren erzeugten Beschichtung, im Vergleich zu einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Beschichtung verdeut licht.

Fig. 10 zeigt links eine Beschichtung mit den Standardverfahren mit einem Überlapp der Spuren von 40%. Auf der rechten Seite ist eine Beschichtung zu sehen, die mit dem LAVA-Verfahren hergestellt wurde. Bei beiden Schichten wurde 0,1 mm abgefräst. Deutlich ist zu sehen, dass bei der Beschichtung im rechten Bildteil eine glatte Oberfläche erreicht wurde, während im linken Teil noch immer Bereiche der unbearbeiteten Oberfläche der Beschichtung zu se hen ist. Außerdem wird hier eine um 40% größere Beschichtungsfläche er reicht, da beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Spurversatz von 100% mög lich ist. Bei immer größer werdenden Spurbreitenverhältnissen zwischen Ver bindungssteg und Füllspur kann die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens immer weiter gesteigert werden, da der Überlapp nur zwischen Verbindungssteg und Füllspur stattfindet und die Breite des Verbindungsstegs um ein vielfaches klei ner ist als die Breite der Füllspur.

Wie insbesondere aus Fig. 10 ersichtlich ist, lassen sich mit dem erfindungsge mäßen Verfahren auch die bei aus dem Stand derTechnik bekannten Verfahren beschriebenen Einbrandkerben, die bei dem Beschichten mit rechteckförmigen Laserstrahl auftreten können, vermeiden.