(57)【要約】基板をコーティングする方法及び方法を実施するための装置に関する。 基板をコーティングする方法において、少なくとも区画ごとに、少なくとも実質的に時間的に一定の強度で、駆動される第１レーザビームと、第２レーザビームとを用いて、付加的材料及び基板の基材の関与の下で溶融プールが形成され、この方法を実施するための装置において、第２レーザビームはパルスレーザビームとして溶融プールに方向づけられる、ことが提案される。このようにして、溶融プールが、流体状態の短い時間空間において、そのダイナミクスに影響を与えることが可能になり、例えばパルスレーザパラメータを介して、溶融流体状の材料の広がり及び濡れを向上させ、コントロールして調整する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板をコーティングする方法であって、
第１の、少なくとも区画ごとに、少なくとも実質的に時間的に一定の強度で、駆動されるレーザビームと、第２レーザビームとを用いて、少なくとも１つのワイヤ又はストリップの形態の付加的材料及び前記基板の基材の関与の下で溶融プールが形成され、
前記第２レーザビームはパルスレーザビームとして前記溶融プールに方向づけられる、
方法。
【請求項２】
前記溶融プール上での前記パルスレーザビームの衝突スポットは、前記溶融プール上の前記の第１レーザビームの衝突スポットの範囲内にある、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記溶融プール上での前記パルスレーザビームの衝突スポットは、前記溶融プール上での前記の第１レーザビームの衝突スポットに追従する、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記溶融プール上での前記パルスレーザビームの前記衝突スポットと、前記溶融プール上での前記の第１レーザビームの衝突スポットとは交差しない、
請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記パルスレーザビームと前記第２レーザビームとは、相互に平行方向でない方向から前記基板の方へ方向付けられる、
請求項１乃至４いずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記パルスレーザビームのビーム方向を前記基板に対して変更する、
請求項１乃至５いずれか１項記載の方法。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれか１項記載の方法を実施するための装置であって、
少なくとも区画ごとに、少なくとも実質的に時間的に一定の強度で、駆動される第１レーザビームを生成する第１レーザ装置と、
第２レーザビームを生成する第２レーザ装置と、
少なくともワイヤ又はストリップの形態の少なくとも１つの付加的材料を供給する供給手段と、を有し、
前記第１レーザ装置及び前記第２レーザ装置並びに前記供給手段は、前記少なくとも１つの付加的材料及び前記基板の基材の関与の下で溶融プールを形成するように調節されており、
前記第２レーザビームは、前記溶融プールへ方向付けるためのパルスレーザである、
装置。
【請求項８】
前記第２レーザビームのビーム方向は前記第１レーザビームのビーム方向に対して平行でない、
請求項７記載の装置。
【請求項９】
コーティングプロセス中に、前記第２レーザビームのビーム方向を、開ループ又は閉ループ制御して変化させるための手段を有する、
請求項７又は８記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念による、基板をコーティングする方法、及び、請求項８の上位概念による方法を実施する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
方法及び装置は、特に、基板が１つ以上の金属層の堆積によって、機械的、化学的、熱的又は他の影響に対して保護される、レーザクラッディング（Laserauftragsschweissen）に関する。基板に材料結合により付着する、少なくとも１つの新たに形成される層は、さらに、他の用途固有の理由から機能化のために堆積されることができる。コーティングによれば、ワークピースの元の輪郭又は機能は再生産されることができる（修理溶接）。加算的製造（der additiven Fertigung）では、クラッディングを用いて、通常は複数の層を上下に配置し、基板上で複雑な三次元構造を形成することができる。
【０００３】
冒頭で述べたタイプの方法及び装置は、ＷＯ  ２０１３／１４９８７２  Ａ１から公知である。この刊行物は、レーザクラッディングを用いて基板表面上でコーティング又は三次元構造要素を形成することを開示する。ここで、コーティング又は三次元構造要素はＴｉＡｌによって形成されているか又はＴｉＡｌである。その際、ＴｉＡｌは、純粋又は合金の形態のワイヤ又はストリップ形状であり、それぞれ個別のワイヤ又は個別のストリップとして、少なくとも１つのレーザビームの入射領域（den Einflussbereichen）においてガイドされる。レーザビームの熱導入によって、種々の材料が溶融され、相互に溶け合う。複数のレーザビームを使用する際に、これらは供給されるストリップの周りの種々の方向から配置されることができる。１ｋＷ〜３ｋＷの範囲の出力でのＮｄ−ＹＡＧレーザの使用が開示されている。これは明らかに、一定の又は時間的に変調された強度で駆動されるｃｗレーザである。上記の従来技術は、使用される特定の付加的材料の効果的な利用に関する。従来技術は、溶融プールの形態又はプロセスによって形成される溶接ビード（Schweissraupe）の形態に関係しない。
【０００４】
レーザクラッディングにおいて、中心的な課題は、プロセスゾーン内でプロセスエネルギーを時間的及び位置的に最適にすることにある。一方では、適切な特性を有する溶融プールを得るために、エネルギー導入は材料及びプロセスに依存する下限を越えなければならない。したがって、レーザクラッディングは、溶融流体材料中の動的挙動によって、主に特徴づけられる。一方では、許容可能な時間内で溶融プールの脱ガスのために、エネルギー導入は十分でなければならない。このために、溶融プールの粘性は、その流動性が表面の適切な濡れを可能にするように低くなければならない。必要な温度を達成するために要求される出力密度は、所与の局所的エネルギー分布において、導入されるべき時間的エネルギー密度の下限を特定する。
【０００５】
他方では、高すぎる温度に基づいてネガティブな効果が生じ得る。例えば、異なる種類の材料でのコーティングの際に、熱の影響によって、金属間相の形成が強まり、金属間相は、通常の脆いその特性に基づいてコーティングの基板への接続を著しく弱め得る。さらに、部材の歪み（Verzug des Bauteils）又は基板の損傷への熱の影響は、材料の微細構造が損なわれることによってもたらされる。したがって、溶接技術からは、硬化領域と焼き戻し領域（angelassenem Bereich）との間の応力差異によって誘導される、例えば低温亀裂（Kaltrisse）として知られている。これらの問題は、特に加算的製造において、すなわち、多層コーティングにおいて、しばしば強調して見受けられる。
【０００６】
ＥＰ  ２  ７５５  ７９３  Ｂ１からは、２つのエネルギービームによる加工によってワークピース表面を構造化する方法及び装置が公知である。この従来技術は、基板のコーティングに関するものではなく、付加的材料の供給無しに変更された構造を与えるためのワークピース表面の処理に関する。したがって、連続レーザと協働するパルスレーザビームを用いて、ワークピース表面に、例えば波形状の構造がもたらされる。
【０００７】
ＤＥ  １０  ２００８  ０２２  １４２  Ｂ３からは、相互に連結されるべき複数のアルミニウム部分を溶接する方法が公知であり、この方法では、熱エネルギーは２つの集束パルスレーザビームを用いて、接合ゾーンに導入される。その際、ビームスポットは、一定の距離を置いて次々に続く。基板のコーティングには言及されていない。
【０００８】
ＤＥ  ４１  １８  ７９１  Ａ１からは、アルミニウムの溶接方法が公知であり、この方法では溶接プロセスは、まず時間的に一定なレーザビームを用いて行われるが、同時に又は予め、レーザビームインパルスは溶接位置上に集束される。その際、均一な溶接ビードが形成されるべきである。レーザクラッディングは開示されていない。
【０００９】
ＤＥ  １０  ２００４  ０２７  ２２９  Ｂ４は、同様に、アルミニウム製のワークピースの溶接方法を開示し、その方法では、溶接位置は時間的に一定の強度を有する第１レーザビームで照射され、かつ、溶接位置は同時にパルス化された第２レーザビームで照射される。ここで、両レーザビームの作用位置は重なり合っている。ワークピースは電解酸化され（elektrolytisch oxidiert）、ここで各陽極コーティング（Eloxalschicht）はパルスレーザビームによって位置毎に蒸発される。レーザクラッディングは開示されていない。
【００１０】
ＤＥ  １０１  ３１  ８８３  Ａ１からは、金属部品の溶接方法及び装置が公知であり、ここでは、金属部品は互いに反対側の位置から熱伝導モードのレーザビームで照射される。ここで、実質的には全溶接継ぎ目断面が溶融すべきである。パルスレーザの使用は開示されておらず、クラッディングにも言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】ＰＣＴ国際公開第２０１３／１４９８７２号公報
【特許文献２】欧州特許庁特許登録第２  ７５５  ７９３号公報
【特許文献３】独国特許登録第１０  ２００８  ０２２  １４２号公報
【特許文献４】独国特許公開第４１  １８  ７９１号公報
【特許文献５】独国特許登録第１０  ２００４  ０２７  ２２９号公報
【特許文献６】独国特許公開第１０１  ３１  ８８３号公報
【発明の概要】
【００１２】
本明細書に関連する発明は、レーザクラッディングの改善された結果を目的として、溶融プールの形態を利用可能にする、冒頭で述べたタイプの方法及び装置を提供するという、技術的課題に基づく。
【００１３】
この技術的課題は、請求項１の特徴的発明特定事項を有する冒頭で述べたタイプの方法によって、請求項８の特徴部分の発明特定事項を有する冒頭で述べたタイプの装置によって、解決される。
【００１４】
本発明による方法及び本発明による装置の有利な実施形態は、従属請求項によって与えられる。
【００１５】
パルスレーザビームは、高いレーザビーム強度に突然さらされる溶融プール内で材料を蒸発させる。蒸発によって、ワークピース表面へ強い反動圧力が生じる。このようにして、溶融プール及びそのダイナミクスに、流動的な状態の短い時間内で影響を及ぼすことが可能になる。これは、パルスレーザパラメータを介して、溶融流動性の材料の広がり（die Spreitung）も、濡れ（die Benetzung）も向上させ、コントロールして配向するために使用され得る。さらに、固化する溶融物の調整されるべき表面構造に影響を与え得る。つまり、表面の物理的条件に従う固化トポロジーは変更され得る。これは、微視的には、例えば、表面の粗さを低減し、又は表面の特別な構造を所期のように生成するために使用されることができる。巨視的には、連続的レーザビームのみによる照射によって生じるものとは異なり、ビードの幾何学的形状を設定することができる。
【００１６】
さらに、溶融プールに作用する力は、溶融プールの高められたダイナミクスを生じさせることができる。溶融プールの高められたダイナミクスは、溶融物の溶接プロセスの際に生じる孔を再び追い出すことができ、したがって、孔によって引き起こされるプロセスエラーを低減することができる。
【００１７】
さらに、溶融プールのより良い影響可能性は、クラッディングプロセスがプロセス安定性及び構築精度に関して改善され得ることにつながり得る。重なり合って構築された、いくつかのビード又は層によって通常生じる不正確さは、著しく低減されることができる。十分に広く展開される方法の適用性において、構築プロセスは完全にコントロールされ、後工程及び中間工程の必要性は最小まで低減される。
【００１８】
さらに、従来技術に対して低い溶融プールの温度において、固体材料の濡れが可能になることが有利である。溶融物の粘性に依存しないで、蒸発材料の圧力効果が改善した濡れをもたらすからである。
【００１９】
溶融物の広がり及び溶融材料による固体材料の濡れは、本発明による方法に基づいて熱エネルギー制御されるだけではない（nicht allein thermisch energiegesteuert）。有効な蒸気圧力は、熱相互作用時間（der thermischen Wechselwirkungszeit）の削減と、したがって金属間相の形成の削減につながる。
【００２０】
好ましくは、パルスレーザビームの生成のために、数ナノ秒から数百ナノ秒の範囲のパルスを放出する所謂短パルスレーザが使用される。さらに、ナノ秒を明らかに下回るパルスを利用可能にし得る超短パルス‐レーザも使用されることができる。超短パルス又は短パルスレーザとしては数えられないレーザに対して、短パルス持続時間は、非常に高いピーク出力を提供し得ることにつながり、それは、連続レーザによって達成可能なものを超えて桁違いに高い。このピーク出力は、パルス放出の短い時間間隔内にのみ自然に存在し、時間平均では非常に小さい。かかるレーザ源の平均出力は、パルスピーク中では数百万ワットが可能である一方で、多くの場合は数十ワットである。
【００２１】
本発明による方法は、パルスレーザビームの溶融プール上での衝突スポットが、第１レーザビームの溶融プール上での衝突スポットの範囲内にあるように行われることができる。第２レーザビームの溶融プール上での衝突スポットが第１レーザビームの溶融プール上での衝突スポットに続くことも有利であり得る。第２レーザビームの溶融プール上での衝突スポットと、第１レーザビームの溶融プール上での衝突スポットとが重なり合う限り、これらのレーザビームの溶融プールへの両作用の特定の分離（eine gewisse Entkopplung）が達成される。
【００２２】
溶融プールの影響の可能性をさらに高めるために、第１レーザビームの溶融プール上での衝突スポットに対する第２レーザビームの溶融プール上での衝突スポットの位置も、方法の間、変化することができる。
【００２３】
さらに、本発明による方法は、第１レーザビーム及び第２レーザビームが互いに平行でない方向から基板上に配向されるように行われることができる。溶融プールに衝突するパルスレーザビームの方向は、溶融プールの影響に関連するパラメータである。特に、これによって、溶融プールへの蒸気圧力の作用方向は影響され得る。
【００２４】
特に、本発明による方法は、基板に対するパルスレーザビームのビーム方向が変化するように行われる。このようにして、溶融プールの影響の可能性がさらに増す。ビーム方向の変化は、コーティングプロセスの間、さらなるパラメータに依存して、例えば、基板に対する位置に依存して、閉ループ又は開ループ制御される。したがって、溶接ビードの長手方向の広がりに沿って、意図的に異なる溶接ビード形状を調整することができる。基板の表面形状は、例えば三次元構造に基づいて、溶接方向に沿って変化することができ、したがって、溶接ビードの幾何学的形状が不所望に変化することを変えるために、パルスレーザのビーム方向を変更することによって、反応できる。所望の溶融プールの形態を維持又は調整するために、例えばビジュアル的に画像処理手段を用いてモニタリングして、パルスビームのビーム方向を適切な閉ループ制御で適合させることもできる。
【００２５】
さらに、本発明による方法は、付加的材料（der Zusatzwerkstoff）がワイヤ形状又はストリップ形状で供給されるように行われることができる。パウダー状の付加的材料を基板表面上に載置し、したがってパウダーベッドが生成されるか、又は、パウダー形態の付加的材料を、例えばガス流でレーザビーム照射中に導入することが考えられる。しかしながら、パウダー形態の付加的材料の場合には、パウダーの少なくとも一部がパルスレーザの影響によって、特に生成される蒸気圧力に基づいて基板から押しのけられてしまう危険が生じる。パルスレーザが第１レーザビームに追従する（nachgefuehrt）場合、この問題は特にパウダーを導入する際に、既存のパウダーベッド無しで、空間的分離によって軽減することができる。
【国際調査報告】
2020533177.tif 000002
2020533177.tif 000003
2020533177.tif 000004
2020533177.tif 000005
2020533177.tif 000006