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1. (WO2019048002) METHOD FOR COATING A SUBSTRATE AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD
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Verfahren zum Beschichten eines Substrats sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Das Verfahren und die Vorrichtung betreffen somit insbesondere ein

Laserauftragsschweißen, bei dem das Substrat durch Aufbringen einer oder mehrerer metallischer Schichten gegen mechanische, chemische, thermische oder sonstige Einflüsse geschützt werden kann. Die mindestens eine neu gebildete, dem Substrat stoffschlüssig anhaftende Schicht kann außerdem zur Funktionalisierung aus anderen anwendungsspezifischen Gründen aufgetragen werden. Mit einer Beschichtung kann auch eine ursprüngliche Kontur oder Funktion eines Werkstückes wieder hergestellt werden (Reparaturschweißen). Bei der additiven Fertigung werden mittels des

Auftragsschweißens in der Regel mehrere Schichten übereinander gesetzt, wodurch auf dem Substrat komplexe dreidimensionale Strukturen gebildet werden können.

Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der

WO 2013/149872 A1 bekannt. Die genannte Druckschrift offenbart die Ausbildung einer Beschichtung oder dreidimensionaler Strukturelemente auf Substratoberflächen mittels Laserauftragsschweißens, wobei die Beschichtung oder die dreidimensionalen

Strukturelemente mit TiAl gebildet ist bzw. sind. Dabei wird das TiAl draht- oder bandförmig in reiner oder legierter Form jeweils als einzelner Draht oder einzelnes Band in den Einflussbereichen mindestens eines Laserstrahls geführt. Durch den

Wärmeeintrag der Laserstrahlung werden die unterschiedlichen Werkstoffe

aufgeschmolzen und miteinander vermischt. Beim Einsatz von mehreren Laserstrahlen können diese aus verschiedenen Richtungen um die zugeführten Bänder angeordnet werden. Es ist der Einsatz eines NdYAG-Lasers mit einer Leistung im Bereich von 1 kW bis 3 kW offenbart. Dabei handelt es sich offensichtlich um einen cw-Laser, der mit konstanter oder zeitlich modulierter Intensität betrieben wird. Der genannte Stand der Technik befasst sich insbesondere mit der effektiven Nutzung des speziell eingesetzten Zusatzwerkstoffes. Mit der Form des Schmelzbades oder einer durch den Prozess ausgebildeten Schweißraupe befasst sich der Stand der Technik nicht.

Beim Laserauftragsschweißen besteht die zentrale Herausforderung darin, die

Prozessenergie zeitlich und örtlich optimal in die Prozesszone einzubringen. Zum einen muss der Energieeintrag eine vom Werkstoff und vom Prozess abhängige untere Grenze überschreiten, um ein Schmelzbad mit geeigneten Eigenschaften zu erhalten. So ist das Laserauftragsschweißen maßgeblich geprägt durch die dynamischen

Verhältnisse im schmelzflüssigen Werkstoff. Zum einen muss der Energieeintrag für ein Ausgasen des Schmelzbades in akzeptabler Zeit hinreichend sein. Zudem muss die Viskosität der Schmelze so gering sein, dass ihre Fließfähigkeit eine hinreichende Benetzung der Oberfläche ermöglicht. Die Leistungsdichte, die erforderlich ist, um die notwendige Temperatur zu erreichen, bestimmt die untere Grenze für die

einzubringende zeitliche Energiedichte bei gegebener lokaler Energieverteilung.

Zum anderen kann es aufgrund zu hoher Temperaturen zu negativen Effekten kommen. Z. B. kommt es beim Beschichten mit artfremden Werkstoffen durch die

Wärmeeinwirkung verstärkt zur Bildung intermetallischer Phasen, die aufgrund ihrer meist spröden Eigenschaften die Verbindung der Beschichtung zum Substrat erheblich schwächen können. Darüber hinaus kann die Wärmeeinwirkung zum Verzug des Bauteils oder zur Schädigung des Substrats durch Beeinträchtigung der Mikrostruktur des Werkstoffes führen. So sind aus der Schweißtechnik z. B. Kaltrisse bekannt, die durch die Spannungsdifferenzen zwischen gehärtetem und angelassenem Bereich innerhalb der Wärmeeinflusszone induziert werden. Diese Probleme sind insbesondere bei der additiven Fertigung, d. h. bei mehrlagiger Beschichtung oftmals verstärkt aufzufinden.

Aus der EP 2 755 793 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Strukturieren von Werkstückoberflächen durch Bearbeitung mit zwei energetischen Strahlungen bekannt. Dieser Stand der Technik betrifft nicht die Beschichtung eines Substrats sondern die Behandlung einer Werkstückoberfläche, um ihr ohne Zuführung eines Zusatzwerkstoffes eine geänderte Struktur zu geben. So kann mittels eines gepulsten Laserstrahls im Zusammenwirken mit einem kontinuierlichen Laserstrahl der Werkstückoberfläche z. B. eine wellenförmige Struktur aufgegeben werden.

Aus der DE 10 2008 022 142 B3 ist ein Verfahren zum Verschweißen von miteinander zu verbindenden Aluminiumteilen bekannt, bei dem die thermische Energie mittels zweier gepulster fokussierter Laserstrahlen in die Fügezone eingebracht wird. Die Strahlflecken folgen dabei mit einer gewissen Distanz aufeinander. Die Beschichtung eines Substrats ist nicht angesprochen.

Aus der DE 41 18 791 A1 ist ein Verfahren zum Schweißen von Aluminium bekannt, bei dem der Schwei ßprozess zunächst mit einem zeitlich konstanten Laserstrahl erfolgt, während gleichzeitig oder im Vorlauf auf die Schweißstelle Laserstrahlimpulse fokussiert werden. Dabei sollen gleichmäßige Schweißraupen ausgebildet werden. Ein Laserauftragsschweißen ist nicht offenbart.

Die DE 10 2004 027 229 B4 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum Schweißen von Werkstücken aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bei dem die Schweißstelle mit einem ersten Laserstrahl mit zeitlich konstanter Intensität beaufschlagt wird und die Schweißstelle gleichzeitig mit einem zweiten, gepulsten Laserstrahl beaufschlagt wird, wobei sich die Einwirkstellen beider Laserstrahlen überschneiden. Die Werkstücke sind elektrolytisch oxidiert, wobei die jeweilige Eloxalschicht durch den gepulsten Laserstrahl zumindest stellenweise verdampft wird. Ein Laserauftragsschweißen wird nicht offenbart.

Aus der DE 101 31 883 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen von Metallteilen bekannt, bei denen die Metallbauteile von einander entgegengesetzten Seiten mit Laserstrahlen im Wärmeleitungsmodus beaufschlagt werden, wobei im Wesentlichen der gesamte Schweißnahtquerschnitt aufgeschmolzen werden soll. Der Einsatz eines Pulslasers ist nicht offenbart wie auch das Auftragsschweißen nicht angesprochen ist.

Der hier betroffenen Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welche es erlauben, die Form des Schmelzbades im Hinblick auf ein verbessertes Ergebnis des Laserauftragsschweißens zur Verfügung zu stellen.

Dieses technische Problem wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 , bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der gepulste Laserstahl bewirkt im Schmelzbad, welches den hohen

Laserstrahlungsintensitäten schlagartig ausgesetzt ist, ein Verdampfen des

Werkstoffes. Mit dem Verdampfen geht ein starker Rückstoßdruck auf die

Werkstückoberfläche einher. Auf diese Weise ist es möglich, das Schmelzbad und seine Dynamik in dem kurzen Zeitraum des flüssigen Zustandes zu beeinflussen. Dies kann dazu genutzt werden, über die Pulslaserparameter sowohl die Spreitung als auch die Benetzung des schmelzflüssigen Werkstoffes zu steigern und kontrolliert

auszurichten. Zudem kann die sich einstellende Oberflächenstruktur der erstarrenden Schmelze beeinflusst werden. D. h. die Erstarrungstopographie, die den physikalischen Bedingungen an der Oberfläche folgt, kann modifiziert werden. Dies kann z.B. in mikroskopischer Hinsicht genutzt werden, um die Rauheit der Oberfläche zu verringern oder gezielt eine besondere Struktur der Oberfläche zu erzeugen. Makroskopisch kann eine Raupengeometrie eingestellt werden, die von derjenigen abweicht, die durch die Beaufschlagung allein durch einen kontinuierlichen Laserstrahl entstehen würde.

Des Weiteren kann die auf das Schmelzbad wirkende Kraft dazu führen, dass eine erhöhte Schmelzbaddynamik entsteht. Eine erhöhte Schmelzbaddynamik wiederum kann Poren, die beim Schwei ßprozess der Schmelze entstehen, heraustreiben, so dass durch Poren bedingte Prozessfehler verringert werden können.

Zudem kann die bessere Beeinflussbarkeit des Schmelzbades dazu führen, dass der Prozess des Auftragsschweißens hinsichtlich der Prozessstabilität und der

Aufbaugenauigkeit verbessert werden kann. Die normalerweise sich einstellende Ungenauigkeit nach wenigen aufeinander aufgebauten Raupen oder Schichten kann erheblich reduziert werden. Bei hinreichend weit entwickelter Adaptivität des Verfahrens kann der Aufbauprozess vollständig kontrolliert werden, was die Notwendigkeit von Nach- und Zwischenschritten auf ein Minimum reduziert.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass auch bei gegenüber dem Stand der Technik niedrigeren Temperaturen des Schmelzbades eine Benetzung des festen Werkstoffes ermöglicht wird, da unabhängig von der Viskosität der Schmelze die Druckwirkung des verdampfenden Materials eine verbesserte Benetzung bewirkt.

Die Ausbreitung der Schmelze und die Benetzung des festen Werkstoffes mit dem Schmelzmaterial sind auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht allein thermisch energiegesteuert. Die wirkende Dampfdruck-Kraft führt zu einer Reduktion der thermischen Wechselwirkungszeit und damit zu einer Reduzierung der Bildung von intermetallischen Phasen.

Bevorzugt wird zur Erzeugung des gepulsten Laserstrahls ein so genannter Kurzpuls-Laser eingesetzt, der Pulse im Bereich von einigen Nanosekunden bis einigen hundert Nanosekunden emittiert. Des Weiteren kann auch ein Ultrakurzpuls-Laser eingesetzt werden, der Pulse deutlich unter einer Nanosekunde zur Verfügung stellen kann.

Gegenüber den Lasern, die nicht zu den Ultrakurz- oder Kurzpuls-Lasern gezählt werden können, führen die kurzen Pulsdauern dazu, dass sehr hohe Spitzenleistungen bereitgestellt werden können, die viele Größenordnungen über denen liegen, die mit kontinuierlichen Lasern erreichbar sind. Diese Spitzenleistungen liegen naturgemäß nur im kurzen Zeitintervall der Pulsemission an, die im Zeitmittel sehr klein sind. Die mittlere Leistung solcher Laserquellen beträgt oft nur wenige zehn Watt, während in der

Pulsspitze einige Millionen Watt möglich sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, dass der Auftrefffleck des gepulsten Laserstrahls auf dem Schmelzbad innerhalb des Auftreffflecks des ersten Laserstrahls auf dem Schmelzbad liegt. Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn der Auftrefffleck des zweiten Laserstrahls auf dem Schmelzbad dem Auftrefffleck des ersten Laserstrahls auf dem Schmelzbad nachfolgt. Sofern sich dabei der Auftrefffleck des zweiten Laserstrahls auf dem Schmelzbad und der Auftrefffleck des ersten Laserstrahls auf dem Schmelzbad nicht überschneiden, wird eine gewisse Entkopplung der beiden Wirkungen der Laserstrahlen auf das Schmelzbad erreicht.

Die Lage des Auftreffflecks des zweiten Laserstrahls auf dem Schmelzbad relativ zum Auftrefffleck des ersten Laserstrahls auf dem Schmelzbad kann während des

Verfahrens auch variiert werde, um die Möglichkeiten der Beeinflussung des

Schmelzbades weiter zu erhöhen.

Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl aus zueinander nicht parallelen Richtungen auf das Substrat gerichtet werden. Die Richtung des auf das Schmelzbad auftreffenden gepulsten Laserstrahls ist ein relevanter Parameter für die Beeinflussung des

Schmelzbades. Insbesondere kann hierdurch die Richtung der Wirkung des

Dampfdruckes auf das Schmelzbad beeinflusst werden.

Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass die Strahlrichtung des gepulsten Laserstrahls relativ zum Substrat verändert wird. Auf diese Weise erhöhen sich die Möglichkeiten der Schmelzbadbeeinflussung weiter. Die Änderung der Strahlrichtung kann während des Beschichtungsprozesses gesteuert oder geregelt in Abhängigkeit von weiteren Parametern erfolgen, z.B. in Abhängigkeit vom Ort relativ zum Substrat. Somit können entlang der Längsausdehnung einer Schweißraupe bewusst unterschiedliche Schweißraupenformen eingerichtet werden. Es kann auch sein, dass sich die Oberflächenform des Substrats entlang der

Schweißrichtung ändert, z.B. aufgrund dreidimensionaler Strukturen, so dass mit Hilfe sich ändernder Strahlrichtung des gepulsten Laserstrahls darauf reagiert werden kann, um eine unerwünschte Veränderung der Schweißraupengeometrie zu verändern. Es

kann auch die Form des Schweißbades z.B. visuell mittels bildverarbeitender Mittel überwacht werden und mit geeigneter Regelung die Strahlrichtung des gepulsten Strahls angepasst werden, um eine gewünschte Schweißbadform aufrechtzuerhalten oder einzustellen.

Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass der Zusatzwerkstoff in Drahtform oder Bandform zugeführt wird. Denkbar wäre auch ein Auflegen des Zusatzwerkstoffes in Pulverform unmittelbar auf die Substratoberfläche, so dass ein Pulverbett erzeugt wird, oder ein Einbringen des pulverförmigen

Zusatzstoffes z.B. mit einem Gasstrom während der Laserstrahlbeaufschlagung. Bei einem pulverförmigen Zusatzwerkstoff besteht allerdings die Gefahr, dass zumindest ein Teil des Pulvers durch den Einfluss des gepulsten Lasers, insbesondere aufgrund des erzeugten Dampfdruckes, vom Substrat gestoßen wird. Wird der gepulste

Laserstrahl dem ersten Laserstrahl nachgeführt, kann dieses Problem insbesondere beim Einbringen des Pulvers, also ohne bestehendes Pulverbett, durch die räumliche Entkopplung verringert werden.