DE4120790A1 - Duese zum oberflaechenbehandeln metallischer werkstuecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Düse zum insbesondere Pulver-Auf­ tragschweißen beziehungsweise Dünnschichtlegieren von hoch­ beanspruchten metallischen Bauteilen mittels Hochenergiestrahl nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Besondere Bedeutung beim Laser-Beschichten und -Legieren kommt unter dem Aspekt, die Arbeitsschritte Zuführen des auf das Werkstück aufzutragenden Zusatzwerkstoffes und dessen Laser­ strahlbehandlung in einem Arbeitsgang durchzuführen, der Schaf­ fung einer geeigneten Anordnung mit guter Positioniermöglich­ keit von Laserstrahl und Pulver-Fördergasstromzuführung zu.

Zur Verminderung der Richtungsabhängigkeit beim Laser-Pulver- Auftragschweißen sind aus dem Tagungsband "Lasertechnik" BIAS/ VDI - Bremen 1991, S. 442 ff. unter dem Titel "Aspekte des Laser-Spritzbeschichtens" von R. Becker, C. Binroth und G. Sepold, mehrere Düsen-Varianten mit dem Ziel einer quasi-zen­ trischen Pulverzufuhr bekannt. Die dort beschriebene Lehrstrahl­ düse läßt eine Zentrierung des Pulverfördergasstromes nur schwer zu, wobei sich geringe Unterschiede der Strömungsimpulse der Einselstrahlen negativ auswirken. Nachteilig wirkt sich außerdem die notwendige, sehr genaue Ausrichtung der Teilströme aus, die mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.

Das Zentrieren des Pulver-Fördergasstromes mittels der vorge­ stellten Ringdüse ist aufgrund des konstruktionsbedingt un­ gleichmäßig verteilten Pulverstromaustrittes nicht möglich. Die dritte Variante, bei der ein zusätzlicher separater Gasstrom den Pulverstrom nach unten in Richtung Substrat ablenkt, ge­ währleistet zwar eine ringförmige Verteilung des Pulvers, ist aber gegenüber Verschmutzungen sehr empfindlich. Die Pulverteil­ chen setzen sich an den Wandungen der Austrittsöffnungen fest und führen zu störenden Verwirbelungen des Gasstromes bzw. kön­ nen die Düsenöffnung völlig dichtsetzen.

Die aus der US-PS 47 24 299 bekannte Laser-Spritzdüse besteht aus einem Düsenkörper mit einem ersten und zweiten für sich abge­ schlossenen Teil und einem Strahldurchgangsweg, der sich so dazwischen erstreckt, daß der Laserstrahl in den Durchgang eintritt, durch das erste Teil durchgeht und durch das zweite Teil austritt. Weiterhin umschließt ein Gehäuse das zweite Teil, so daß ein ringförmiger Durchgang gebildet und mit dem genannten Strahldurchgang eine koaxiale Öffnung umschlossen ist, die dem Laserstrahl den Durchgang gestattet. Des weiteren existieren Mittel, die mit dieser Öffnung operieren, um ein Pulver so zu fördern, daß dieses und der Strahl an einem gemeinsamen Punkt zusammenlaufen.

Aus der US-PS 48 04 815 ist eine der zuvor beschriebenen Lösung ähnliche Düse bekannt, die ebenfalls nach dem Prinzip des Laser-Spritzbeschichtens arbeitet und der vorbeugenden Ober­ flächenbehandlung von Nickellegierungen dient.

Die beiden erwähnten Düsenkonstruktionen haben infolge des speziellen Einsatzes für das Laser-Spritzbeschichten den ge­ meinsamen Mangel, daß der Verbrauch an Spülgas, welches die geschmolzenen Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche spritzt, sehr hoch ist. Die thermische Belastung der Konstruk­ tionen an der Pulveraustrittsöffnung ist vergleichsweise groß, da die Pulverpartikel noch innerhalb der Düse mit dem Laser­ strahl zusammentreffen und somit das Schmelzen der Pulverpar­ tikel in der Düse erfolgt und auftretende Wärmestrahlungen die Spritzdüsenaustrittsöffnungen direkt belasten. Der notwendige zweite Kühlkreislauf der ersten Düse erhöht den Fertigungs­ aufwand.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei Beseitigung der zuvor aufgezeigten Mängel und entgegen den üblichen Methoden des Laser-Spritzbeschichtens eine Düse, insbesondere zum Laser-Pulver-Auftragschweißen beziehungsweise Dünnschichtlegieren zu schaffen, die ein rich­ tungsunabhängiges Beschichten hochbeanspruchter metallischer Bauteile bei gleichmäßiger, ringförmiger Verteilung des zuge­ führten Pulvermasse- und Schutzgasstromes gewährleistet. Die Düse soll als wesentliche Ergänzung des bereits vorhandenen Werk­ zeugsortiments mit wenigen Handgriffen an beispielsweise handels­ übliche Hochleistungslaseranlagen anschließbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Düse nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnenden Merkmale gelöst. Mit der erfindungsgemäßen Düse, die wahlweise an eine spiegel- oder linsenfokussierte Hochleistungslaseranlage an­ schließbar ist, wird ein definierter Pulvermassestrom, der sich aus einer bestimmten Pulvermenge und einem bestimmten Anteil an Fördergas zusammensetzt, über eine im folgenden näher be­ schriebene, spezielle Pulverzuführung derart verteilt, daß die Spitze des sich als umgekehrter Kegel darstellenden Pulver- Fördergasstromaustrittes außerhalb der Düse mit dem defokussier­ ten Laserstrahl zusammentrifft. Dort kommt es zum Anschmelzen der Pulverpartikel und somit zur Bildung eines Schmelzbades mit geringer Aufschmelzung der Werkstückoberfläche und somit zum Auftragschweißprozeß selbst. Dabei gewährleistet die ringförmi­ ge Pulververteilung einflächiges Beschichten in der gesamten x-y-Ebene bei Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit und -eigenschaften und die Optimierung des Verschleißverhaltens des jeweiligen Bauteiles. Die nach der Montage der Düse zwischen Laserstrahlführungsteil, Pulverführungskappe, Schutz­ gasführungskappe und Schutzgaskappe entstandenen Räume und Metall-Metall-Verbindungen sichern die Wärmeableitung der vom Schmelzbad reflektierten Wärme bis zur Wasserkühlung und somit den thermischen Schutz der Düse beim Laser-Pulver-Auf­ tragschweißen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Düse in schematischer Darstellung und

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Düse mit den Anschlüssen für den Pulver-Fördergasstrom und den Schutzgas­ strom.

Es wird davon ausgegangen, daß die erfindungsgemäße Düse gemäß Fig. 1 und Fig. 2 zum Oberflächenbehandeln eines hochbeanspruch­ ten metallischen Werkstückes für das Laser-Pulver-Auftrag­ schweißen an eine Hochleistungslaseranlage unter Nutzung der vorhandenen Kühlmedienaggregate, Schutzgasleitungen und einem Pulverförderer/-absauger über den im oberen Bereich konstanten Innendurchmesser ihres zentrischen Laserstrahlführungsteils 1 angeschlossen ist. Das untere zusammenlaufende Teilstück des Laserstrahlführungsteils 1 ist mit einer Laserstrahlaustritts­ öffnung 18 versehen, hingegen dessen oberes angeflanschtes Ringteil Kühlmedienzu- und -abführungen 3 aufweist, welche in einem Wasserkühlungsraum 2 münden und im Betriebszustand die Wasserkühlung realisieren. Der Wasserkühlungsraum 2 ist einer­ seits durch die zylindrische und keglige Außenkontur des Laser­ strahlführungsteils 1 und andererseits durch die kegelstumpfför­ mige Innenkontur einer Pulverführungskappe 4 gebildet. Er ist im schwächer werdenden Bereich mittels endseitig an der Pul­ verführungskappe 4 angeformter Dichtlippe 13, die an der Außen­ kontur des Laserstrahlführungsteils 1 anliegt, und im nach oben aufgeweiteten Bereich durch einen Formschluß zwischen Laser­ strahlführungsteil 1 und Pulverführungskappe 4 mittels Gewinde 12 am Ringteil abgedichtet. Auf der äußeren Umfangsfläche der im unteren Teilstück kegelstumpfförmigen Pulverführungskappe 4 sind 22 Pulverführungskanäle 6 mit einer Breite von 1 mm und einer Tiefe von 1 mm gleichmäßig verteilt, entsprechend dem durch den Kegelstumpf festgelegten Winkel von 35° zur gedachten Mittenachse der Düse eingearbeitet, welche eine ordnungsgemäße ringförmige Pulververteilung gewährleisten. Die Pulverführungs­ kanäle 6 sind nach außen durch die Innenkontur einer Schutzgas­ führungskappe 8 derart begrenzt, daß sich bei gleichem Winkel oberhalb von ihnen ein Zwischenraum für das Einbringen und Ver­ teilen des Pulver-Fördergasstromes über mindestens einen geraden, radialen Anschluß 5 ergibt. Eine form- und kraftschlüssige Verbin­ dung zwischen beiden Kappen 4, 8 mit dichter Umschließung der Pulverführungskanäle 6 bis zu deren Austrittsöffnungen 7 wird beim Festdrehen eines Überwurfringes 15 mittels Gewinde 16 an seinem stufenförmigen Absatz erreicht.

Auf der Außenfläche der Schutzgasführungskappe 8 sind 20 gleich­ mäßig verteilte Schutzgasführungskanäle 9 ebenfalls unter einem Winkel 35° zur Mittenachse der Düse mit einer Breite von 2,5 mm und einer Tiefe von 1,5 mm angeordnet.

Den äußeren Abschluß der erfindungsgemäßen Düse bildet die mit­ tels Gewinde 17 lösbar mit der Schutzgasführungskappe 8 verbun­ dene Schutzgaskappe 10. Deren konische Innenkontur umschließt aufgrund des gleichen bereits erwähnten Winkels die Schutzgas­ führungskanäle 9 allseitig, so daß deren Austrittsöffnungen 11 ebenfalls in einer Ebene mit den Austrittsöffnungen 7 der Pul­ verführungskanäle 6 und der Laserstrahlaustrittsöffnung 18 liegen. Über den Schutzgasführungskanälen 9 entsteht wiederum ein minimaler Zwischenraum, der der Einführung des Schutzgas­ stromes über die dafür vorgesehenen Anschlüsse 14 und der Vertei­ lung in die Schutzgasführungskanäle 9 dient.

Nach dem Anschließen der erforderlichen Medien, wie Schutzgas, Pulver-Fördergasstrom und Kühlwasser ist die erfindungsgemäße Anordnung zum Laser-Pulver-Auftragschweißen betriebsbereit.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 Laserstrahlführungsteil
 2 Wasserkühlungsraum
 3 Zu- und Abführung für Kühlmedium
 4 Pulverführungskappe
 5 Anschluß Pulver-Fördergasstrom
 6 Pulverführungskanal
 7 Austrittsöffnung Pulverführungskanal
 8 Schutzgasführungskappe
 9 Schutzgasführungskanal
10 Schutzgaskappe
11 Austrittsöffnung Schutzgasführungskanal
12 Gewinde
13 Dichtlippe
14 Anschluß Schutzgasstrom
15 Überwurfring
16 Gewinde
17 Gewinde
18 Laserstrahlaustrittsöffnung

Claims (8)

1. Düse zum Oberflächenbehandeln metallischer Werkstücke, insbesondere zum Pulver-Auftragschweißen beziehungsweise Dünnschichtlegieren von hochbeanspruchten metallischen Bauteilen, welche wahlweise an eine spiegel- oder linsen­ fokussierte Hochenergiestrahlanlage, vorzugsweise Hoch­ leistungslaseranlage, unter Nutzung der vorhandenen Kühl­ medienaggregate, Schutzgasleitungen und Pulverförderer/ -absauger anschließbar ist, die Mittel zum Positionieren des Pulver-Fördergasstromes zum Hochenergiestrahl und zur Inertgasabschirmung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung der Düse an die Hochenergiestrahlanlage über den im oberen Bereich konstanten Innendurchmesser ihres zentrischen Laserstrahlführungsteils (1) erfolgt, dessen unteres zusammenlaufendes Teilstück mit einer Laser­ strahlaustrittsöffnung (18) versehen ist und dessen oberes angeflanschtes Ringteil Kühlmedien zu- und -abführungen (3) aufweist, die in einen Wasserkühlungsraum (2) führen, wel­ cher einerseits durch die zylindrische und keglige Außen­ kontur des Laserstrahlführungsteils (1) und andererseits durch die kegelstumpfförmige Innenkontur einer Pulverfüh­ rungskappe (4) gebildet und im schwächer werdenden Bereich endseitig mittels angeformter Dichtlippen (13) sowie im nach oben aufgeweiteten Bereich durch den das Laserstrahl­ führungsteil (1) und die Pulverführungskappe (4) verbinden­ den Schraubverschluß am Ringteil abgedichtet ist, daß weiterhin auf der äußeren Umfangsfläche der im unteren Teilstück kegelstumpfförmigen Pulverführungskappe (4) eine Vielzahl gleichmäßig verteilter Pulverführungskanäle (6) eingearbeitet sind, daß des weiteren eine Schutzgasführungs­ kappe (8) mit an die Außenkonturen der Pulverführungskappe (4) angepaßten Innenkonturen derart auf letztere aufgesteckt und befestigt ist, daß sich oberhalb der Pulverführungska­ näle (6) ein Zwischenraum für das Einbringen und Verteilen des Pulver-Fördergasstromes ergibt, aber deren Kegelflächen im Bereich der Pulverführungskanäle (6) fest gegeneinander gepreßt sind und diese dabei allseitig dicht bis zu deren Austrittsöffnungen (7) verschließen, daß außerdem auf der äußeren kegelstumpfförmigen Umfangsfläche der Schutzgas­ führungskappe (8) mehrere, ebenfalls gleichmäßig verteilte, Schutzgasführungskanäle (9) mit oberen Zwischenräumen zum Einleiten des Schutzgasstromes eingebracht sind, die wiederum mittels einer - den äußeren Abschluß der Düse bildenden und mit der Schutzgasführungskappe (8) lösbar verbundenen - Schutzgaskappe (10) mit angepaßter Innenkontur bis zu ihren Austrittsöffnungen (11) abgedeckt sind.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel der Kegelstümpfe von dem Laserstrahlführungsteil (1), der Pulverführungskappe (4), der Schutzgasführungskappe (8) und der Innenkegelfläche von der Schutzgaskappe (10) zur ge­ dachten Mittenachse jeweils nahezu gleich zwischen 28° und 40° betragen.

3. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ zahl der in den Kegelstumpf der Pulverführungskappe (4) eingearbeiteten Pulverführungskanäle (6) nahezu gleich der der in den Kegelstumpf der Schutzgasführungskappe (8) ein­ gearbeiteten Schutzgasführungskanäle (9) ist und jeweils zwischen 18 und 24 beträgt.

4. Düse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverführungskanäle (6) 1 mm bis 2 mm breit und 0,5 mm bis 1 mm tief sind und im oberen Bereich einen halbkreisförmigen Verteilungsraum besitzen.

5. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Pulver-Fördergasstrom über mindestens einen ge­ raden, radialen Anschluß (5) in den Raum zwischen Pulverfüh­ rungskappe (4) und Schutzgasführungskappe (8) einströmt.

6. Düse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasführungskanäle (9) 1 mm bis 3 mm breit und 1 mm bis 2 mm tief sind und im oberen Bereich einen halbkreisför­ migen Verteilungsraum besitzen.

7. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schutzgas über mindestens zwei gerade, radiale Anschlüsse (14) in den Raum zwischen Schutzgasfüh­ rungskappe (8) und Schutzgaskappe (10) einströmt.

8. Düse nach Anspruch 1 und wenigstens einem der darauffolgen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Laser­ strahlaustrittsöffnung (18) und die jeweils konzentrisch darum auf Kreisringen angeordneten Austrittsöffnungen (7, 11) der Pulver- und Schutzgasführungskanäle (6, 9) allesamt auf einer Horizontalebene befinden.