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1. (WO2019002283) VORRICHTUNG ZUM LASERAUFTRAGSSCHWEIßEN
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Patentansprüche

1 . Ein Schweißkopf (1 ) für eine Vorrichtung (10) zum Laserauftragsschweißen umfassend ein Gehäuse (2), eine in diesem Gehäuse (2) mittels einer Optikhalterung (31 ) gehaltene Optik (3) aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen (32), und eine Werkstoffdüse (4), wobei der Schweißkopf (1 ) dazu ausgestaltet ist, einen Laserstrahl (L) mittels der Optik (2) in Richtung eines Bearbeitungspunktes (BP) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (5) zu lenken, wobei die Werkstoffdüse (4) zumindest dazu ausgestaltet ist, einen Zusatzwerkstoff (6) zum

Bearbeitungspunkt (BP) während des Laserauftragsschweißens

auszulassen, der durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen (7) der Werkstoffdüse (4) zugeführt wird, wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente (32) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 bestehen, um die

Abmessungen und Massen der optischen Elemente und damit des

Schweißkopfes zu reduzieren um eine hohe dreidimensionale

Bewegungsdynamik des Schweißkopfes (1 ) während des

Laserauftragsschweißens zu ermöglichen.

2. Der Schweißkopf (1 ) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Schweißkopf (1 ) ein Gewicht unter 5kg, bevorzugt unter 3kg besitzt.

3. Der Schweißkopf (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Material mit dem Brechungsindex größer als 2,1 ein

Diamantwerkstoff ist, vorzugsweise ist der Diamantwerkstoff monokristallin.

4. Der Schweißkopf (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Werkstoffdüse (4) als Kombinationsdüse mit einer zentralen

Öffnung (41 ) zum Auslassen des durch die Optik (3) bereitgestellten

Laserstrahls (L) und mit mindestens einer koaxial um die zentrale Öffnung (41 ) herum angeordnete Ringdüse (42) ausgeführt ist, wobei der

Zusatzwerkstoff durch die Ringdüse (42) ausgelassen wird.

5. Der Schweißkopf (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Gehäuse (2) des Schweißkopfes (1 ) zumindest teilweise aus einem wärmeleitfähigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit größer 150 W/mK, bevorzugt größer 200 W/mK, besonders vorzugsweise größer 300 W/mK, besteht, vorzugsweise ist zumindest die Optikhalterung (31 ) mit einem Medium zur Wärmeabfuhr geeignet beaufschlagt werden, bevorzugt umfasst das Medium ein oder mehrere Elemente der Gruppe Wasser, flüssige Metalle, Dämpfe, Glykol oder Ethanol.

6. Der Schweißkopf (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein oder mehrere Gaszuleitungen (8) zur Aussendung von Gasströmen (G) mit dem Schweißkopf (1 ) verbunden sind, die so angeordnet sind, dass die Gasströme (G) auf den Bearbeitungspunkt (BP) gerichtet sind und/oder zumindest die optischen Elemente (32) mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre beaufschlagen, vorzugsweise erzeugen die

Gasströme (G) am Bearbeitungspunkt (BP) eine durch die Gasströme (G) definierte Atmosphäre.

7. Der Schweißkopf (1 ) nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass der oder die Gasströme (G) Argon, Helium, Druckluft, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder eine Mischung daraus umfassen.

8. Der Schweißkopf (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Schweißkopf (1 ) eine optische Erfassungsvorrichtung (9) umfasst, vorzugsweise sind in der Erfassungsvorrichtung (9) mehrere Sensoren zur Erfassung des Bearbeitungspunktes (BP) integriert.

9. Eine Vorrichtung (10) zum Laserauftragsschweißen umfassend einen

Schweißkopf (1 ) nach Anspruch 1 sowie einen Laser (1 1 ) zur Aussendung eines Laserstrahls (L), der auf geeignete Weise, vorzugsweise mittels eines Lichtwellenleiters (12), in den Schweißkopf (1 ) eingekoppelt wird

10. Die Vorrichtung (10) nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Schweißkopf (1 ) auf einer Bewegungseinheit (13) angeordnet ist, die dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf (1 ) zumindest relativ zum

Werkstück (5) mit einer Verfahrgeschwindigkeit (VG) größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/min, noch mehr bevorzugt größer 500 m/min, besonders bevorzugt größer 1000 m/min, zu verfahren, und/oder

die dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf (1 ) relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit (VG) größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, zu verfahren.

Die Vorrichtung (10) nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Bewegungseinheit (13) dazu ausgestaltet ist, den Schweißkopf (1 ) mit einer Beschleunigung (BS) von mehr 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2 relativ zum Werkstück (5) zu beschleunigen.

Die Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Bewegungseinheit (13) Portalsysteme, einzelne verfahrbare, parallel oder seriell angeordnete, Achsen oder Rotationsachsen mit einer Parallelkinematik umfasst oder ein Knickarmroboter ist.

Die Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12,

dadurch gekennzeichnet,

dass zu einer weiteren Erwärmung des Bearbeitungspunktes (BP) und/oder des Werkstücks (5) und/oder des Zusatzwerkstoffs die Vorrichtung (10) eine zweite Wärmevorrichtung (14) basierend auf magnetischer oder elektrischer Induktion, Lichtbogen, Wärmeleitung, Plasmabeaufschlagung,

Medienbeaufschlagung oder chemischen Reaktionen umfasst.

14. Ein Verfahren (100) zum Laserauftragsschweißen mit einer Vorrichtung (10) nach Anspruch 9 umfassend ein Gehäuse (2), eine in diesem Gehäuse (2) mittels einer Optikhalterung (31 ) gehaltene Optik (3) aus ein oder mehreren transmissiven und/oder reflektiven optischen Elementen (32), und eine Werkstoffdüse (4), wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente (31 ) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als 2,1 , vorzugsweise ein Diamantwerkstoff, bestehen, umfassend die Schritte

Lenken (1 10) eines Laserstrahls (L) mittels der Optik (3) in Richtung eines Bearbeitungspunktes (BP) auf einem zu bearbeitenden Werkstück (5), wobei zumindest die transmissiven optischen Elemente (32) vorzugsweise vollständig, aus Diamantwerkstoff bestehen, Zuführen (120) eines Zusatzwerkstoffs (6) durch ein oder mehrere geeignete Zufuhreinrichtungen (7) zur Werkstoffdüse (4),

Auslassen (130) des Zusatzwerkstoffs (7) zum Bearbeitungspunkt (BP) während des Laserauftragsschweißens durch die Werkstoffdüse (4), Ausführen (140) des Laserauftragsschweißens, vorzugsweise mit einem Schweißkopf (1 ) mit einem Gewicht unter 5kg, besonders bevorzugt unter 3kg.

Das Verfahren (100) nach Anspruch 14, umfassend den weiteren Schritt des Verfahrens (150) des Schweißkopfs (1 ) relativ zum Werkstück mit einer Verfahrgeschwindigkeit (VG) größer 200 m/min, vorzugsweise größer 300 m/min, noch mehr bevorzugt größer 500 m/min, besonders bevorzugt größer 1000 m/min, und/oder relativ zum Untergrund, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer Verfahrgeschwindigkeit (VG) größer 20 m/min, vorzugsweise größer 50 m/min, noch mehr bevorzugt größer 100 m/min, mittels einer Bewegungseinheit (13), auf der der Schweißkopf (1 ) angeordnet ist.

16. Das Verfahren (100) nach Anspruch 15, umfassend den weiteren Schritt des Beschleunigens (160) des Schweißkopfes (1 ) mit einer Beschleunigung (BS) von mehr 10m/s2, bevorzugt mehr als 20m/s2, besonders bevorzugt mehr als 40m/s2, relativ zum Werkstück (5) mittels der Bewegungseinheit (13).

17. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, umfassend

zumindest einen der weiteren Schritte:

Beaufschlagen (170) des Bearbeitungspunktes (BP) mit einem Gasstrom (G) mittels ein oder mehrerer mit dem Schweißkopf (1 ) verbundener Gaszuleitungen (8), vorzugsweise zum Erzeugen einer definierten Atmosphäre am Bearbeitungspunkt (BP), und/oder Beaufschlagen (180) zumindest der optischen Elemente (32) mit einem Überdruck relativ zur Umgebungsatmosphäre.

18. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, umfassend den weiteren Schritt des Abführens (190) von Wärme von den optischen

Elementen (32) über die Optikhalterung (31 ) oder mittels Konvektion im Gehäuse (2) oder mittels eines mit einem Medium zur Wärmeabfuhr, mit der die Optikhalterung (31 ) geeignet beaufschlagt ist.

19. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der

Laserstrahl (L) so geformt wird, dass der Zusatzwerkstoff (6) in

angeschmolzener oder aufgeschmolzener Form auf das Werkstück (5) auftrifft.

20. Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, umfassend den weiteren Schritt des Aufbringens (200) weiterer Zusatzwerkstoffe auf das Werkstück (5) vor Beginn des Laserauftragsschweißens (140).