本发明涉及一种用于激光熔覆的激光系统和方法。
背景技术：
1、激光熔覆技术用于例如修复、涂覆和连结技术的领域中。可以分为常规技术(激光金属沉积(lmd)、直接金属沉积(dmd)或直接能量沉积(ded))和所谓的高速激光金属沉积(hs-lmd或超高速激光金属沉积(ehla))。
2、如图1a示意性所示，在常规激光金属沉积的情况下，借助于激光束30在工件10的表面12上产生焊池16。粉状填充材料20通过与激光束30同轴布置或相对于激光束横向布置的粉末喷嘴借助于惰性的输送气体或载流气体被引入至焊池16中。在撞击在焊池16上之前，粉末颗粒20或粉末颗粒20中的至少一些在与激光束30的相互作用区40中被加载激光。在lmd方法中，借助于激光束30输入至工件10中的能量通常大于输入至粉末颗粒20中的能量。因此，粉末颗粒20通常仅在撞击焊池16之后才熔化。如果熔体固化，则形成通过熔融冶金接合的固结层。同轴粉末喷嘴装置产生聚焦的粉末气体射流。为了产生无缺陷的层，原则上在焊池16中与粉末颗粒20的相互作用时间必须足够长，以使颗粒20与熔体16之间发生温度均衡并且使颗粒20转变成液态。这限制了lmd工艺的速度。大量激光辐射撞击在工件上引起大的混合和热影响区14(wez)的产生。
3、与常规lmd工艺相比，在hs-lmd的情况下(参见图1b)，粉状填充材料20被有意加热至熔点附近的温度或比工件表面12更高的温度。由于激光束30与粉末气体射流之间的相互作用区40足够大，粉末20被加热至这样的程度，即它在工件表面12上基本上直接形成固体，特别是与工件10的熔融冶金连接，该工件表面同样由激光束10预先加热。由于不需要花费时间在焊池16中熔化颗粒20，因此这可以实现与常规激光金属沉积(0.5m/min至2m/min)的情况相比高得多的进给率，高达500m/min。减少输入至工件10中的能量引起热影响区14和焊池16的显著减少。还可以借助于hs-lmd涂覆诸如铝和铸造合金的温度敏感材料。hs-lmd用于特定旋转对称部件，例如制动盘或滑动轴承的涂覆。对于借助于hs-lmd的材料沉积，旋转部件并且将用于供应激光束和粉末的处理头特别地在垂直于部件或平行于部件的旋转轴的直线上移动。以这种方式，可以产生螺旋形或螺旋状的焊缝，该焊缝在端部处形成涂覆面。
4、hs-lmd方法例如在de 10 2011 100 456 b4或在de 10 2018 130 798a1中有所描述。
技术实现思路
1、基于已知的现有技术，本发明的任务是提供改进的用于激光熔覆(或激光金属沉积)的激光系统和改进的用于激光金属沉积的方法。特别地，目标是提高借助于激光金属沉积处理的工件的质量，特别是材料性质。
2、该任务通过具有独立权利要求的特征的激光系统、方法和部件来实现。由从属权利要求、说明书和附图得出有利的拓展方案。
3、相应地，提出了一种用于激光金属沉积的激光系统，其具有用于产生波长在0.4μm与1.5μm之间的范围中的激光束的激光源。可以使用盘形激光器或光纤激光器作为激光源。还可以使用二极管激光器。以这种方式，例如，可以产生波长为约450nm、约515nm、在约800nm与约1000nm之间、或约1030nm、1060nm或1070nm的激光束。激光束可以以其可以借助于光纤被引导至处理头的方式设计。例如在二极管发射器或条或堆叠的亮度有限的情况下，由于可用的光纤直径大，因此激光束可以令人满意地耦合至多包层光纤的相对较大的环和芯部分中，如下面更详细描述的。激光源可以具有2kw与24kw之间的激光功率。如果工件是制动盘，则激光功率特别地可以在8kw与24kw之间。如果工件是滑动轴承，则激光功率特别地可以是2kw。
4、激光系统还具有用于将激光束定向至工件表面以及用于将包括粉状材料的粉末射流定向至激光束和工件表面的射流喷嘴。激光束可以正交地定向至材料表面。粉末射流相对于激光束倾斜，以便在材料表面上方选择粉末射流与激光束之间的相互作用区。这样的相互作用区允许更有效的沉积。
5、从射流喷嘴出射的激光束在核心区域中具有与边缘区域相比降低的强度。例如，中心部分强度可以小于边缘部分强度的90％。因此，至少在相互作用区内，激光束在边缘区域中的强度高于激光束在核心区域中的强度，使得粉状材料在其进入相互作用区时受到边缘区域的更高强度。由于至少一个粉末射流相对于激光束的倾斜方向，因此与激光束的相互作用部分在粉末射流的截面上方变化。由于核心区域中的强度降低，因此各个粉末颗粒在变化的相互作用部分的情况下被供应有基本上均匀的能量。换言之，激光束在边缘区域中的强度最大值引起每个粉末颗粒的通量分布更均匀，并且因此引起处理窗口的扩大，以实现更高的激光功率连同更稳定的焊接质量。对于激光束在焦平面中的强度分布，可以适用：i边缘≥i中心≥0。
6、粉状材料包括硬质材料颗粒，特别是碳化物，这些硬质材料颗粒在相互作用区中与激光束相互作用之后不会溶解。硬质材料颗粒的粉末尺寸可以在15μm与63μm之间，特别是在15μm与45μm之间或20μm与53μm之间的范围中。硬质材料颗粒可以包括以下材料中的一种或更多种：
7、
8、硬质材料颗粒具有以下效果：当基材例如基质材料的铁基材被加热时，它们不会过热，并且因此不会溶解。这防止硬质材料颗粒在焊池中与基材形成合金。换言之，硬质材料颗粒具有以下效果：在不会溶解例如熔化的情况下，与由激光束在材料表面产生的焊池形成材料接合连接。由于激光束的中心部分强度降低，因此硬质材料颗粒不与材料或基质形成合金，这意味着存在更少的溶解的化学元素。因此，所施加的层更耐用，并且即使在应力下也很少出现裂纹，特别是垂直裂纹。因此，提高了工件的延展性，并且降低了工件的脆性。此外，机械力可以通过塑性形变来补偿。
9、硬质材料颗粒还具有以下效果：防止或至少减少在焊池的冷却阶段，即在从熔体到固相的阶段出现残余应力。特别地，硬质材料颗粒的使用可以减少残余应力25％。因此，工件的变形在冷却阶段期间减少。变形较小的工件更耐用，并且即使在应力下也很少出现裂纹，特别是垂直裂纹。此外，由于必须要去除的材料较少，因此变形减少，减少了工件的后处理工作量。
10、因此，硬质材料颗粒的使用有利于借助于激光金属沉积处理的工件的材料性质。例如，由于激光束的中心部分强度降低，粉状材料中原来存在的粉末颗粒的95％实际上被捕获为所处理的工件中的硬质材料颗粒。
11、工件可以是金属工件。粉状材料特别地可以包括金属材料。粉状材料可以借助于载流气体特别是氩气或氦气以及/或者借助于惰性气体混合物作为处理保护气体而辐射至工件表面上。处理保护气体可以另外地保护处理位置免受周围大气的影响。激光束的焦点可以位于工件表面上，或者可以直接位于工件表面上方。射流喷嘴可以具有用于中心部分强度降低的激光束的中心部分开口以及用于粉状材料的环状开口。环状开口可以以环形间隙喷嘴的方式，或者借助于围绕中心部分开口环形布置的多个喷嘴以多射流喷嘴的方式来设计。还可以使用用于产生线粉末焦点的宽射流喷嘴。在此，粉末可以例如相对于进给方向以从前方的角度和/或以从后方的角度辐射至处理位置上。粉末焦点的直径可以例如在0.2mm与约6mm之间。工件可以是例如制动盘、液压缸、压力辊、滑动轴承或其他旋转对称工件。
12、此外，提出了一种用于激光金属沉积的方法。该方法涉及将波长在0.4μm与1.5μm之间的范围中的激光束定向至工件表面的步骤。该方法还涉及将包括粉状材料的粉末射流定向至激光束和工件表面的步骤。激光束可以正交地定向至材料表面。粉末射流相对于激光束倾斜，以便在材料表面上方选择粉末射流与激光束之间的相互作用区。这样的相互作用区允许更有效的沉积。激光束和粉末射流借助于射流喷嘴定向。方法涉及在工件表面上方的与激光束的相互作用区中加热粉状材料的步骤。方法还涉及特别地借助于焊接将经加热的粉状材料沿着预定轮廓施加至工件表面以形成磨损保护层的步骤。磨损保护层在冷却之后形成，并且对于减少制动盘上的细小灰尘污染特别有利。在相互作用区内，激光束在核心区域中具有与边缘区域相比降低的强度。此外，粉状材料包括也存在于磨损保护层中的硬质材料颗粒。结合装置公开的实施方式、效果和优点相应地适用于该方法。
13、此外，提出了一种部件，特别是制动盘、液压缸、压力辊、滑动轴承或其他工件，特别是旋转对称工件。该部件具有由基材、特别是铸造合金或铸铁制成的基体。该基体可以借助于成型工艺例如铸造来生产。此外，在基体受到激光金属沉积之前，基体可能已经进行后处理，例如车削或铣削。该部件具有借助于激光金属沉积施加至基体的磨损保护层，该磨损保护层具有根据本公开内容的多个硬质材料颗粒。特别地，使用根据本公开内容的方法将磨损保护层施加至基体。磨损保护层可以被设计为双相或多相层系统。硬质材料颗粒嵌入基质材料中。硬质材料颗粒优选地基本上是球形并且在边缘区域中各自具有与基质材料的混合区。混合区的厚度不超过10μm。如上所述，由于与现有技术相比能量引入更加均匀，因此激光束的中心部分强度降低能够实现在整个磨损保护层上方在硬质材料颗粒与基质材料之间的这种狭窄且均匀的混合区。
14、在一个实施方式中，部件是制动盘，其中磨损保护层施加在适于与制动蹄摩擦接触的制动区域中。由于硬质材料颗粒强度高，因此当制动盘与制动蹄摩擦接触时，这样的制动盘表现出低材料磨损。这可以减少在制动期间细小灰尘污染的程度。
15、磨损保护层可以具有沿着基体的表面变化的厚度，其中，磨损保护层的外侧厚度，即在部件的外边缘部分处的厚度与磨损保护层的内侧厚度，即面向部件的内部的厚度相比具有不同的程度。厚度表示与部件表面正交的尺寸。在制动盘的情况下，厚度与摩擦表面正交。例如，磨损保护层的外侧厚度可以小于磨损保护层的内侧厚度。相邻部件的磨损保护层可以具有嵌入基质材料中的多个硬质材料颗粒。根据本公开内容的特征和效果可以与部件组合。厚度变化可以由于激光金属沉积之后的后处理步骤而造成。例如，在激光金属沉积期间输入至部件中的高热可能引起部件变形。该变形在部件的外侧区域中可能比在内侧区域中更明显。部分去除磨损保护层补偿该变形。这可能引起磨损保护层的外侧厚度小于磨损保护层的内侧厚度。在一个实施方式中，内侧厚度与外侧厚度之间的厚度差可以不超过200μm，特别地是100μm，进一步特别地不超过50μm。以百分比表示，相对于最小厚度的厚度差不能超过40％，特别地是25％，进一步特别地不超过10％。这样小的厚度差可能由于中心部分强度降低的激光束与根据本公开内容的硬质材料颗粒的组合而造成。它们减少了部件所需要的后处理时间并且有利于材料性质。
16、此外，部件可以在磨损保护层下方具有缓冲层，以便实现双层系统。
17、在一个实施方式中，粉状材料的硬质材料颗粒包括来自以下组中的至少一种材料：碳化钨、碳化钛、基于铌的合金和/或碳化铬。测试和实验表明，这些材料在使用激光束的情况下不会过热，并且因此特别适合于提高延展性、减少变形并且防止裂纹形成。
18、在一个实施方式中，除了硬质材料颗粒之外，粉状材料还具有可熔基质材料，使得由粉状材料在工件表面上形成多相层，或者就方法步骤而言，使得向工件表面施加多相层。在多相层中，硬质材料颗粒与基质材料以多相具有较高质量的材料性质的方式相互作用。这支持降低脆性并且有助于减少在冷却阶段期间的残余应力。
19、在一个实施方式中，硬质材料颗粒在粉状材料中的含量为15至40体积百分比，特别是23至30体积百分比。例如，剩余部分可以是基质材料。这些体积比表示最优折衷，以便实现增加的耐磨性以及通过激光金属沉积的有效接合。
20、在一个实施方式中，粉状材料包括来自以下组中的至少一种材料：(i)不锈钢，特别是430l和316l；(ii)镍合金，特别是耐腐蚀镍基合金；以及(iii)合金或聚集体或粉末混合物，其中包含组分钛、碳化钛、铌、碳化铌、钼、铬和/或碳化铬中的至少一种。这些材料可以以关于单层与双层系统以及单相与多相层系统的任何组合来使用。在单层系统中，将一层粉状材料施加至工件。在双层系统中，将两层粉状材料施加至工件，其中，两层彼此不同。例如，第一层可以用作缓冲层，并且第二层可以用作磨损保护层。在单相层系统中，层具有一个相，特别是未熔化的硬质材料颗粒，而在多相层系统中，层被划分成基质和硬质材料颗粒。
21、在一个实施方式中，相互作用区内的核心区域的外径小于或等于边缘区域的外径的三分之一，特别地四分之一，进一步特别地五分之一、八分之一或十分之一。换言之，环状束的外径在至少一个位置处可以至多是中心部分束的直径的10倍大，特别地至多5倍大、4倍大或3倍大。例如，可以借助于二阶矩方法来确定各个束部分的极限。原则上，由于与激光束的相互作用时间的差减少，因此较窄的边缘区域引起粉末颗粒之间的温度分布更均匀。激光束的外径，特别是根据上述变型的环状束的外径在相互作用区中的至少一个位置处可以至少是500μm，优选地至少是1000μm，甚至更优选地至少是2000μm。通过扩大相互作用区中，特别是在工件表面上的激光束直径，可以提高生产率。
22、为了产生具有核心区域和边缘区域的激光束的射束分布，可以使用多包层光纤，特别地2合1传输光纤，以允许有效的束形成。激光束的核心区域和环状区域的强度分量可以是可控的。例如，可以使用芯直径在200μm与300μm之间且环外径在700μm与1000μm之间的2合1光纤。例如，还可以使用具有超过一个次级芯部分的多包层光纤，以在不同的环状区域中产生具有不同强度的射束分布。附加地或替选地，还可以使用束成形元件，特别是衍射光学元件(doe)或多透镜阵列，以产生所描述的射束分布。以这种方式，还可以产生非旋转对称的射束分布，例如线性射束分布。此外，还可以以这种方式使用单芯光纤产生环形射束分布。
23、在一个实施方式中，方法涉及以下步骤：特别地借助于焊接将缓冲材料沿着预定轮廓施加至工件表面，以在工件表面上形成缓冲层，其中，缓冲材料在粉状材料之前施加，使得缓冲层形成在磨损保护层下方。以这种方式，实现了双层系统，这引起工件的耐磨性增加。
24、在一个实施方式中，方法涉及以下步骤：对所施加的粉状材料进行部分磨削以补偿在施加期间出现的任何变形。工件可以是制动盘。由于热应力，在施加粉状材料之后，在冷却阶段可能出现变形。由于该变形而造成的几何分量变化可以通过部分磨削来补偿。
25、根据本公开内容，相互作用区内的激光束可以具有带有基本上环形强度最大值的射束分布。因此，激光束的射束分布具有围绕激光束的中间的核心区域的边缘区域，其中激光束优选地在每个点处具有比核心区域更高的强度。边缘区域还可以具有多个环状区域，相互作用区内的激光束的强度在至少一个环形区域中比在核心区域中更高。在区域之间的过渡处，强度分布可以具有渐变形式和连续形式两者。激光束的强度可以沿着环形基本上是恒定的。替选地，激光束的强度可以沿着环形是可变的，并且可以波动例如高达约30％。
26、此外，根据本公开内容，相互作用区内的激光束可以具有基本上横向于激光束的进给方向对准的线性射束分布，线性射束分布具有在进给方向上的前强度最大值和/或在进给方向上的后强度最大值。进给方向描述激光束相对于工件表面移动的方向。它可以包括相对较快的、特别是工件的旋转进给速率和相对较慢的、引导激光束的处理头的横向进给速率，以便在工件表面上产生螺旋形或螺旋状的材料施加。在具有线性射束分布的激光束的情况下，前强度最大值和后强度最大值各自基本上横向于进给方向线性延伸，并且由同样较低强度的线性区域(激光束的核心区域)彼此间隔开。根据该变型，粉状填充材料可以借助于一个或更多个宽射流喷嘴从前方倾斜地和/或从后方倾斜地定向至处理位置处，所述宽射流喷嘴基本上平行于线性激光焦点对准。激光束还可以包括在焦平面中至少部分交叠的若干单独的激光束。
27、根据本公开内容，激光束的强度分布在一点处可以基本上是平顶形。平顶形还可以称为顶帽。平顶形或顶帽形的强度分布描述了激光束在边缘部分处的强度突然上升至强度最大值，在强度在朝向激光束的核心区域的方向上突然再次下降之前，在边缘区域的整个宽度上基本上保持该强度最大值。与高斯强度分布相比，激光束的边缘区域中的平顶形或顶帽形的强度分布促进所施加材料层的粗糙度减小。在相互作用区内的至少一个位置处，激光束的核心区域中的强度可以不超过激光束的边缘区域中的强度最大值的90％，优选地不超过50％，甚至更优选地不超过10％。激光束的核心区域中具有较低强度的强度分布使得可以关于所使用的激光功率的可变性扩大处理窗口。特别地，因为更多的激光功率用于预热和/或熔化用于涂覆工件的粉末，所以焦平面中所描述的强度分布允许使用>4kw的激光功率，同时保持焊接质量。在相互作用区内的至少一个位置处，激光束的核心区域中的功率可以例如在整个激光束的激光功率的7％与9％之间。在核心区域中，功率还可以在激光束的总功率的5％与7％之间，特别地约6％。根据替选变型，核心区域中的功率可以降低至最小值，也就是说特别地降低至总激光功率的0％。
1.一种用于激光金属沉积的激光系统，包括：
2.根据权利要求1所述的激光系统，其中，
3.根据前述权利要求之一所述的激光系统，其中，
4.根据前述权利要求之一所述的激光系统，其中，
5.根据前述权利要求之一所述的激光系统，其中，
6.根据前述权利要求之一所述的激光系统，其中，
7.一种用于激光金属沉积的方法，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的方法，其中，
9.根据权利要求7或8之一所述的方法，其中，
10.根据权利要求7至9之一所述的方法，其中，
11.根据权利要求7至10之一所述的方法，其中，
12.根据权利要求7至11之一所述的方法，其中，
13.根据权利要求7至12之一所述的方法，包括以下步骤：
14.根据权利要求7至13之一所述的方法，包括以下步骤：
15.一种部件，包括：
16.根据权利要求15所述的部件，其中，
17.根据权利要求15或16之一所述的部件，其中，
18.根据权利要求17所述的部件，其中，
19.根据权利要求15至18之一所述的方法，其中，
