专利名称：具有用于求得激光加工机粉末供给喷嘴的失调的手段的方法以及激光加工机的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种用于求得粉末供给喷嘴相对于激光射线的失调的方法，通过该粉末供给喷嘴将粉末作为激光加工的添加材料引导到工件上，本发明还涉及一种用于借助激光射线对工件进行激光加工的机器，具有用于将粉末作为添加材料供给到该工件上的粉末供给喷嘴并且具有用于使激光射线对准工件的激光加工头。
背景技术：
在使用粉末状添加材料进行激光材料加工时，如在粉末堆焊或者激光金属熔敷 (LMD)时，粉末通过激光射线带入的能量施加到基体上。通过将各个粉末带并排敷设或叠置敷设成各个层和/或层组，可以制成几乎任意的两维和三维的面或体积。在此，在粉末堆焊中，层的品质尤其也取决于粉末焦点相对于激光射线的调校以及取决于粉末质量。尤其在构造多个叠置的层时，为了制成的构件的高精度，要求均勻的、能再现的层特性和/或层特性在过程期间的适配。一种可能性在于，执行合适的过程监视和过程调节。为此，US 2004/0133298A1公开了一种方法，其中，检测层特性，如尺寸、凝固速率和/或粗糙度，并且基于这些测量来适配过程参数激光功率和进给速度。替代地，US 6，459，951，Bl说明了一种方法，其中，关于过程温度除了可以调整激光功率和进给速度之外还可以调整粉末速率。这里没有讨论粉末焦点和激光射线焦点相互之间的失调或者工件表面上的粉末落点相对于激光射线的失调。 这导致问题，因为失调的粉末焦点或粉末落点在方向改变时引起不同的、不能通过所描述的过程监视和过程调节装置被满意地平衡的层构造速率。但迄今的用于粉末焦点和激光射线相互之间的调校的解决方案首先设置手动调整，使得需要受过培训的专业人员并且只能有限地确保可再现性。
发明内容
相反，本发明的任务在于，给出一种用于求得粉末供给喷嘴相对于激光射线的失调的方法以便然后可以基于结果采取合适的措施，以及提供一种用于实施该方法的合适的激光加工机。根据本发明，该任务通过一种用于求得粉末供给喷嘴相对于激光射线的失调的方法的解决，通过该粉末供给喷嘴将粉末作为激光加工的添加材料引导到工件上，其中，在工件上在至少两个不同方向上借助粉末堆焊以保持不变的施加参数并且在没有粉末供给喷嘴和激光射线之间的相对转动的情况下地构建一个测试结构，其中，测量该测试结构的在不同方向上构建的高度和/或壁厚，并且，根据在不同方向上测得的高度和/或壁厚的差求得粉末供给喷嘴相对于激光射线的失调的方向以及必要时求得尺度。对于“不同方向”在本申请范围内理解为平坦的工件表面上的两个既不共线也不相互平行地延伸的方向。
根据本发明，在测试结构中，粉末焦点和激光焦点在失调情况下占据至少两个关于测试结构的轮廓而言不同的位置，而不发生除了为了驶出测试结构的轮廓所需的相对运动而外的其它运动分量。换句话说，在该测试结构中，粉末焦点参考激光射线自身的坐标系来看具有相对于激光射线恒定不变的空间关系，而粉末焦点相对于激光射线的相对位置参考要驶出的测试结构轮廓来看却占据至少两个不同的位置。根据本发明，借助粉末堆焊在工件上构建一个测试结构或测试几何结构并且测量，然后通过层结构中的位置分辨的高度差别求得失调。本发明利用了该特性在施加参数保持不变的情况下，跟在激光射线之后的粉末焦点产生最大高度的层结构并且走在激光射线前面的粉末焦点产生最小高度的层结构。通过工件上的、优选具有粉末焦点和激光射线的所有可能相对位置的测试结构并且紧接着测量该测试结构，可以通过高度差别的量值及其方向分布确定粉末焦点相对于激光射线的位置并且由此确定失调。所构建的测试元件的高度和壁厚本身可以借助任一对此合适的、已知的测量方法测量。尤其适合的是所谓光截面法，即一种光学3D测试技术方法，该方法使得能够沿着投影的光线测量高度断面并且该方法基于三角测量原理。从属的光截面传感器由一将尽可能窄并且亮的光线投影到测量对象上的线性投影机(大多具有作为光源的激光器)以及一观察光线在对象上的投影的电子摄像机组成。通过摄影测量学方法将光线在摄像图像中的移动换算成3D坐标。优选构造一自身封闭的环形的、尤其是圆形的或者椭圆形的壁作为工件上的测试结构，确切地说有利地具有30至50mm的最大延伸尺寸或最大直径。在这样的圆形的或者椭圆形的壁中，基于粉末供给喷嘴的环形运动轨迹实现粉末焦点和激光射线的所有可能的相对位置。替代环形结构，也可以替换地在不同的坐标方向或角度位置上构建多个在不同方向上延伸的壁或者条作为测试结构。在此，精度取决于具有不同方向的条的数量。另一替换方案基于新焊接的几何结构与具有不同的、存储在矩阵中的已知缺陷的参考几何结构相比较。特别优选的是，根据在不同方向上测得的高度和/或壁厚的差别选择粉末供给喷嘴相对于激光射线所需要的调校的方向以及必要时选择尺度，然后进行必要的调校。如果根据该高度差别不能精确地说明粉末供给喷嘴的必要的调节的尺度，而是只能估算，那么也可以在多个迭代步骤中、优选在不超过三个迭代步骤中进行调校。粉末供给喷嘴的调校或者自动地通过调节驱动装置、特别是电动的调节驱动装置进行，或者手动地通过操作人员进行，该操作人员例如通过显示获得修正方向并且进行粉末供给喷嘴的相应调节。优选在不同方向中的这个方向上相对于激光射线调校粉末供给喷嘴在该方向上测得了所构建的测试结构的最大高度，即达到了最高的层结构。如果该方向不在粉末供给喷嘴的两个调校轴之一上，则通过角度函数将粉末供给喷嘴的必要的调节运动分配到这两个调校轴上。换句话说，能够通过对最大高度差别的合适的分析求值来对于一个或者对于两个调校轴预先给点粉末供给喷嘴的合适的横向进给(aistellimg)。视高度差以及要求的分辨率或可容忍的高度差别而定，或者步进地或者无级地进行横向进给，这些高度差别也与层总数以及与因此要考虑的偏差累加有关。
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优选根据测得的高度和/或壁厚自动地按照相应的算法进行粉末供给喷嘴相对于激光射线的调校。根据本发明的方法除了允许喷嘴调校之外也允许推导出层品质的其它影响因数的出现。因此在喷嘴已修正但仍具有不同构建结果(涉及由于喷嘴调校而确定的统计构造高度)的情况下可推断出粉末的质量偏差。这样，尤其是可以在批次更换后检查粉末的质量。如果在一个粉末批次内部发生高度的偏差，那么可以认为是射线源或者射线导向和/ 或射线成形和/或粉末供给的问题。对应的激光加工机应当装备有相应的装置用于监视和识别参数偏差，以便可以确定这样的关联。本发明还涉及一种适合于实施上面描述的确定方法或调校方法的机器，用于借助激光射线对工件进行激光加工，具有一粉末供给喷嘴用于将粉末作为添加材料供给到该工件上，并且具有一激光加工头用于使激光射线对准工件，其中，该激光加工机根据本发明具有一测量装置用于测量借助粉末堆焊施加到工件上的施加结构的高度和/或壁厚，还具有一分析求值装置，该分析求值装置借助测得的测试结构的高度和/或壁厚求得粉末供给喷嘴相对于激光射线的失调的方向并且必要时求得其尺度，该测试结构在至少两个不同方向上以保持不变的施加参数并且在粉末供给喷嘴和激光射线之间没有相对转动的情况下被施加到工件上。该测量装置优选具有一个或者多个传感器，如例如三角测量传感器或光学距离传感器，以便测量构建的测试结构的高度并且将值转送给分析求值单元。通过该分析求值单元计算当前存在的失调的方向并且必要时计算尺度。为了能够用这些传感器进行测量，所构建的测试结构的高度应当不超过一定义的高度，该高度例如由于测量装置的分辨率而是有限的。特别优选，该粉末供给喷嘴通过一同轴喷嘴的外部环形开口形成，其中，激光射线穿过该同轴喷嘴的内部开口。优选该激光加工机具有一调校装置用于相对于激光射线调节粉末供给喷嘴，其中，分析求值装置根据测得的测试结构的高度和/或壁厚求得粉末供给喷嘴相对于激光射线所需要的调校的方向并且必要时求得尺度来作为该调校装置的调节参量，该测试结构在至少两个不同方向上以保持不变的施加参数并且在粉末供给喷嘴和激光射线之间没有相对转动的情况下被施加到工件上。最后，本发明还涉及一种计算机产品，具有编码装置，这些编码装置适合于实施上述方法的所有步骤。由从属权利要求、说明书和附图中得到本发明其它的优点，前述的以及还要解释的特征也可以单独地或者多个任意组合地使用。所示的和描述的实施方式不理解为穷举， 而是具有用于描述本发明的示例性特征。
附图示出图1用于实施本发明方法的本发明激光加工机的实施例，针对该激光加工机的粉末供给喷嘴，图2用该激光加工机制造的、用于调校粉末供给喷嘴的圆形测试结构，以及
图3和4测试结构的另外的例子。
具体实施例方式图1中示出的激光加工机1用于借助激光加工射线2和粉末(例如金属粉末)对工件进行材料加工，该粉末作为添加材料通过机器1的粉末供给喷嘴4供给到要加工的工件5上。机器1包括一激光加工头6，用于使激光射线2在ζ方向上对准工件5，其中，该激光加工头6具有一通过伺服马达驱动的调校或调节装置7，用于使粉末供给喷嘴4在χ和y 方向上移动并从而相对于激光射线2移动。该粉末供给喷嘴4设置在激光加工头6下部并且在所示实施例中构造成具有内部开口 8和外部环形开口 9的同轴喷嘴，该内部开口被激光射线2穿过，粉末3通过该外部环形开口被施加到工件5上。在激光加工头6的下部还设置有一测量装置10，该测量装置具有多个用于工件5的高度测量的传感器11。在使用粉末3进行激光材料加工时，例如在激光焊接时或粉末堆焊时，加工的质量主要取决于粉末3在工件5上的落点(粉末焦点)12与激光射线2的共线定向。如果例如在粉末堆焊时在工件5上形成的粉末焦点12没有相对于激光射线2共线地定向，即在所示实施例中粉末供给喷嘴4没有相对于激光射线2共线地定向，则跟在激光射线2后面的粉末焦点12产生最大高度的层结构并且走在光射线2前面的粉末焦点12产生最小高度的层结构。为了求得粉末焦点12与相对于激光射线2共线定向的偏差以及由此求得粉末喷嘴4的失调并且紧接着修正该失调，采取如下行动在工件5的一个平坦的面上通过机器1 借助粉末堆焊逆时针方向构造一在图2中示出的、呈自身封闭的圆形壁21形式的测试结构 20，确切地说具有保持不变的施加参数并且没有粉末供给喷嘴4和激光射线2之间的绕ζ 轴或与平行于ζ轴的轴线的相对转动。换句话说，在该测试结构20中，粉末焦点12关于激光射线自身的坐标系具有相对于激光射线2的恒定不变的空间关系。在施加该圆形壁21时，沿着测试结构20占据了粉末焦点12和激光射线2的在粉末焦点12相对于激光射线2不共线定向的情况下所有可能的相对位置，使得在粉末焦点12 沿进给方向直接跟在激光射线2后面的那个施加方向上壁21的高度H最大，而在粉末焦点 12沿进给方向上直接走在激光射线2前面的那个施加方向上壁21的高度H最小。借助测量装置10位置分辨地测量圆形壁21的高度H。借助电子分析求值装置13 (图1)，根据测量数据或由此求得的高度断面来求得粉末焦点12相对于激光射线2的相对位置并从而求得粉末供给喷嘴4相对于激光射线2的相对位置，并且，由此在失调的情况下确定粉末供给喷嘴4相对于激光射线2所需要的调校的方向以及确定尺度来作为调校装置7的伺服马达的调节参量。因此全自动化地进行粉末供给喷嘴4的所需要的调校。在图2中示例性说明了圆形壁21的以45°角间距测量的高度数据。根据y方向上的Imm的最大高度差别以及χ方向上的0. 15mm的最小高度差别对于粉末供给喷嘴4求得失调，并因此所需要的修正调节，例如在χ方向-300 μ m并且在y方向上-20 μ m。优选在粉末供给喷嘴4的这样一个运动方向上进行所需要的修正调节，在该方向上测得构造的圆形壁21的最大高度。在该例中最大壁高度!iax6. 21mm在270°处测得，即在顺时针方向上运动的粉末供给喷嘴4在-χ方向上运动时。
借助图2中所示的圆形的测试结构20检测粉末供给喷嘴4相对于激光射线2的所有运动方向，并且因此可以由此求得所需调校的修正参数。圆形的测试结构20理论上反映所有的相对位置或实际上视分辨率而定足够地反映相对位置，对于这种测试结构，可以精确地求得横向进给方向，但不是必定求得横向进给的量值，该量值取决于大量应用条件并且因此通常需要通过多个迭代步骤来逼近。在图3中在工件5上借助粉末堆焊构造一个具有四个壁31a_31d的矩形测试结构 30，这四个壁只在两个不同的方向(X，y)上延伸。根据测得的壁31a_31d的高度可以求得粉末供给喷嘴4在χ和y方向上的修正参数，其中，通常为了精确定向需要多个迭代步骤。在图4中在工件5上借助粉末堆焊构造一个具有四个壁41a_41d的星形测试结构 40，这四个壁在四个不同的方向(X，y，两个对角线)上延伸。根据测得的壁31a-31d的高度可以求得粉末供给喷嘴4在χ和y方向上的修正参数，必要时借助适当的内插，其中，通常为了精确定向需要多个迭代步骤。附加或者替代测量测试结构11，30，40的高度，也可以测量测试结构11，30，40的
壁厚D。
权利要求
1.用于求得粉末供给喷嘴(4)相对于激光射线O)的失调的方法，通过该粉末供给喷嘴将粉末(3)作为激光加工的添加材料引导到工件(5)上，其中，在工件(5)上在至少两个不同方向上借助粉末堆焊以保持不变的施加参数并且在粉末供给喷嘴(4)和激光射线(2) 之间没有相对转动的情况下构建一测试结构OO ；30 ；40)，其中，测量该测试结构QO ；30 ； 40)的在不同方向上构建的高度(H)和/或壁厚(D)，并且，根据在不同方向上测得的高度 (H)和/或壁厚(D)的差别求得粉末供给喷嘴(4)相对于激光射线O)的失调的方向以及必要时求得该失调的尺度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，借助光截面法测量所构建的所述测试结构 (20 ；30 ；40)在不同方向上的高度(H)。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，构建一个环形的、尤其是圆形的或者椭圆形的壁作为工件(5)上的测试结构00)。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，构建在不同方向上延伸的多个壁(31；41) 作为工件(5)上的测试结构00)。
5.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，根据在不同方向上测得的高度(H)和/ 或壁厚(D)选择粉末供给喷嘴(4)相对于激光射线(2)所需要的调校的方向以及必要时选择调校的尺度。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，在不同方向中的这个方向上相对于激光射线(2)调校粉末供给喷嘴在该方向上测得了所构建的测试结构OO；30 ；40)的最大高度(Hmax) ο
7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于，根据测得的高度(H)和/或壁厚(D)自动地进行粉末供给喷嘴(4)相对于激光射线O)的调校。
8.用于借助激光射线(2)对工件(5)进行激光加工的机器(1)，具有一粉末供给喷嘴(4)用于将粉末(3)作为添加材料供给到该工件(5)上， 并且具有一激光加工头(6)用于使激光射线(2)对准工件(5)，其特征在于， 该激光加工机(1)还具有一测量装置(10)用于测量工件(5)的高度(H)和/或壁厚(D)和一分析求值装置(13)，该分析求值装置根据测得的测试结构QO ；30 ；40)的高度(H) 和/或壁厚(D)求得粉末供给喷嘴(4)相对于激光射线O)的失调的方向以及必要时求得失调的尺度，该测试结构在至少两个不同方向上以保持不变的施加参数并且在粉末供给喷嘴(4)和激光射线( 之间没有相对转动的情况下被施加到工件( 上。
9.根据权利要求8的机器，其特征在于，所述测量装置(10)具有一个或者多个传感器 (11)，特别是三角测量传感器。
10.根据权利要求8或9的机器，其特征在于，所述粉末供给喷嘴(4)和/或所述测量装置(10)设置在该激光加工机(1)的激光加工头(6)上。
11.根据权利要求8至10之一的机器，其特征在于，所述粉末供给喷嘴(4)构造成具有一内部开口⑶和一外部环形开口(9)的同轴喷嘴，激光射线(2)穿过该内部开口，粉末(3)通过该外部环形开口施加到工件( 上。
12.根据权利要求8至11之一的机器，其特征在于，设置有一调校装置(7)用于相对于激光射线(2)调节粉末供给喷嘴G)，其中，分析求值装置(13)根据测得的测试结构OO ；`30 ；40)的高度(H)和/或壁厚⑶求得粉末供给喷嘴⑷相对于激光射线⑵所需要的调校的方向并且必要时求得调校的尺度作为该调校装置(7)的调节参量，该测试结构在至少两个不同方向上以保持不变的施加参数并且在粉末供给喷嘴(4)和激光射线(2)之间没有相对转动的情况下被施加到工件(5)上。
13.计算机产品，该计算机产品具有编码装置，该编码装置适合用于实施根据权利要求 1至7之一的方法的所有步骤。
全文摘要
在根据本发明的用于求得粉末供给喷嘴(4)相对于激光射线(2)的失调的方法中，通过该粉末供给喷嘴将粉末(3)作为激光加工的添加材料引导到工件(5)上，规定，在工件(5)上在至少两个不同方向上借助粉末堆焊以保持不变的施加参数并且在粉末供给喷嘴(4)和激光射线(2)之间没有相对转动的情况下构建一测试结构，测量该测试结构的在不同方向上构建的高度和/或壁厚，并且，根据在不同方向上测得的高度和/或壁厚的差别求得粉末供给喷嘴(4)相对于激光射线(2)的失调的方向以及必要时求得失调的大小。
文档编号B23K26/34GK102245343SQ200980150082
公开日2011年11月16日 申请日期2009年11月13日 优先权日2008年11月13日
发明者M·皮格, P·A·卡罗尔, S·考夫曼 申请人:通快激光与系统工程有限公司