DE102009050676A1 - Verfahren zum Auftragsschweissen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Schweißen eines Materials, insbesondere zum Auftragsschweißen auf ein Material, mit Aufbringen eines Schweißpulses auf das Material, wobei das Material mit einem Konditionierungspuls vor dem Aufbringen des Schweißpulses behandelt wird.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Produkt und eine Schweißvorrichtung nach den nebengeordneten Ansprüchen.
  • Stand der Technik
  • In weiten Bereichen der Technik finden sogenannte Superlegierungen eine immer weitere Verbreitung. Dabei bezieht sich die Bezeichnung Superlegierung auf eine Hochtemperaturfestigkeit oder eine besondere Korrosionsbeständigkeit der jeweiligen Legierung. So werden im Flugzeugturbinenbau oder beim Bau von Turbinen für die Stromerzeugung Superlegierungen auf Nickel-Basis eingesetzt, um den hohen thermischen und mechanischen Anforderungen in den einzelnen Stufen einer Turbine gerecht zu werden.
  • Problematisch an solchen Legierungen, insbesondere auf Nickel-Basis oder Kobalt-Basis, ist, dass diese je nach Legierungszusammensetzung nur eingeschränkt oder nicht schweißbar sind. So kommt es bei vielen solcher Legierungen beim Schweißen zu Veränderung der Gefügestruktur, insbesondere an den Korngrenzen, wobei beispielsweise Mikrorisse an den Korngrenzen entstehen können, so dass eine Schweißung nicht zu einem Verbund mit ausreichend mechanischen oder thermischen Eigenschaften führt.
  • Ein besonderes Problemfeld ist die Reparatur von Produkten oder Bauteilen, welche aus einer Superlegierung auf Nickel-Basis oder Kobalt-Basis bestehen. Um Beschädigungen von Oberflächen zu reparieren, hat sich bei verschieden Materialien das Verfahren des Auftragsschweißens etabliert, wobei Materialunebenheiten, wie beispielsweise Kratzer oder Dellen mittels Aufschweißen eines Auftrages von Auftragsmaterial ausgebessert werden. Dieses Verfahren ist jedoch bei vielen Superlegierungen wegen der schlechten Schweißeignung nicht anwendbar.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die aus dem Stand der Technik bekannten Schweißverfahren zu verbessern, insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Schweißverfahren oder eine Schweißvorrichtung zum Auftragsschweißen von Superlegierungen auf Nickel-Basis oder Kobalt-Basis anzugeben.
  • Die Erfindung löst die oben genannte Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche.
  • Die Erfindung verwendet vorzugsweise Laserlicht zum Erzeugen eines Schweißpulses. Erfindungsgemäß wird vor dem Schweißpuls das Material mit einem Konditionierungspuls behandelt. Der Konditionierungspuls dient dazu, das Material auf das eigentliche Schweißen vorzubereiten. Das Verfahren eignet sich besonders für ein Auftragsschweißen, wobei ein Auftragsmaterial mit dem Schweißen auf das Material aufgetragen wird. Besonders geeignet ist das Verfahren zum Beheben von Schadstellen an dem Material, insbesondere zum Behandeln von Turbinenschaufeln, bspw. von Turbinen für die Stromerzeugung oder von Flugzeugantrieben. Mit dem Auftragsschweißen können Bereiche eines Werkstücks wiederaufgebaut werden, die im Betrieb Schaden genommen haben. Bevorzugt werden Werkstücke behandelt. Auftragsschweißen wird üblicherweise mit einem vergleichsweise großen Spot durchgeführt, wobei bevorzugt vorgeschädigte oder benutzte Werkstücke behandelt werden. Zwischen dem Konditionierungspuls und dem Schweißpuls ist vorzugsweise eine Abkühlphase, vorteilhafterweise mindestens bis zur Abkühlung auf die unterste Umwandlungstemperatur des Materials, vorgesehen. Die Abkühlphase dauert bevorzugt mindestens eine Minute. Bei bevorzugten Verfahren wird zwischen dem Konditionierungspuls und dem Schweißpuls eine Pause gelassen, die nicht länger ist als 24 Stunden noch bevorzugter nicht mehr als eine Stunde und noch bevorzugter nicht mehr als zehn Minuten. Dies bietet den Vorteil, dass die Konditionierung des Materials durch den Konditionierungspuls wirksam bleibt. Zwischen aufeinanderfolgenden Schweißpulsen derselben Lasereinrichtung beträgt die Pause vorzugsweise mindestens 10 ms.
  • Vorzugsweise besteht das Material aus einer Legierung auf Nickel-Basis oder auf Kobalt-Basis. Dabei bedeutet „Basis”, dass die jeweiligen Legierungen mindestens 50% der genannten Elemente Nickel oder Kobalt aufweisen. Noch bevorzugter handelt es sich um Superlegierungen auf Nickel-Basis oder auf Kobalt-Basis. Superlegierungen sind nicht allgemein genormt, in der Fachsprache werden allerdings unter Superlegierungen solchen Legierungen verstanden, die besonders hochtemperaturfest oder besonders korrosionsbeständig sind. Besonders bevorzugt wird das Verfahren an INCONEL-Legierungen durchgeführt.
  • Vorzugsweise wird der Konditionierungspuls auf einen mit dem Schweißpuls zu schweißenden Bereich des Materials aufgebracht. Dies bietet den Vorteil, dass das Material exakt dort konditioniert wird, wo später geschweißt wird. Besonders bevorzugt wird daher, dass genau der zu schweißende Bereich des Materials mit dem Konditionierungspuls konditioniert wird.
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird Laserlicht verwendet. Besonders bevorzugt wird Laserlicht eines lampengepumpten Festkörperlasers. Es hat sich herausgestellt, dass die genannten Legierungen mit lampengepumpten Festkörperlasern mit dem Konditionierungspuls besonders gut im Auftragsschweißverfahren geschweißt werden können. Die maximale Puls-Leistung des Lasers beträgt vorzugsweise zwischen 3 kW und 8 kW. Vorzugsweise wird mit einer maximalen Pulsleistung bezogen auf die Größe des Spots des Konditionierungspulses von mindestens 500 W/mm2, bevorzugter mindestens 1000 W/mm2 oder maximal 5000 W/mm2, bevorzugter maximal 3000 W/mm2 gearbeitet.
  • Vorteilhafterweise werden der Schweißpuls und der Konditionierungspuls mit einer einzelnen Lasereinrichtung aufgebracht. Dies bietet den Vorteil, dass lediglich eine Lasereinrichtung benötigt wird.
  • Vorteilhafterweise weist der Schweißpuls eine höhere Leistung auf als der Konditionierungspuls. Dabei ist mit der Leistung vorzugsweise die Maximalleistung gemeint. Als besonders vorteilhaft hat sich ein abfallender Puls erwiesen. Durch die niedrige Leistung beim Konditionierungspuls wird erreicht, dass das Material nicht wie beim Schweißen, sondern lediglich zum Konditionieren behandelt wird. Bevorzugt weist der Konditionierungspuls eine Leistung oder eine Energie auf, die zu einem Umschmelzen zumindest eines Teils des Materials führt. Dies bietet den Vorteil, dass in dem Material vorhandene Imperfektionen, welche sich beim Schweißen vergrößern können, aufgelöst werden, bevor das Schweißen mit dem Schweißpuls stattfindet.
  • Vorteilhafterweise wird der Konditionierungspuls im Wesentlichen in Abwesenheit eines Auftragsmaterials durchgeführt. Dabei bedeutet „im Wesentlichen”, dass geringere Verunreinigungen des Materials mit einem Auftragsmaterial, beispielsweise mit einem aufzutragenden Pulver, tolerierbar sind. Besonders bevorzugt wird, falls der Konditionierungspuls in vollständiger Abwesenheit eines Auftragsmaterials durchgeführt wird. Der Vorteil ist, dass der Zugang von Schutzgas, das vorzugsweise oft beim Konditionierungspuls verwendet wird, während des Konditionierungspulses durch die Abwesenheit des Auftragsmaterials verbessert wird.
  • Vorzugsweise ist die Pulslänge des Konditionierungspulses grösser als die Pulslänge des Schweißpulses. Vorzugsweise ist der Konditionierungspuls mindestens zweimal so lang, noch bevorzugter mindestens fünfmal so lang wie der Schweißpuls. Es wird bevorzugt, dass der Schweißpuls eine Dauer von weniger als 30 ms, noch bevorzugter weniger als 20 ms aufweist und der Konditionierungspuls eine Länge von mindestens 40 ms, bevorzugter mindestens 60 ms. Die angegebenen Verhältnisse haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Beispielsweise wird durch die Verlängerung der Dauer des Konditionierungspulses eine vorteilhafte Konditionierung des Materials erreicht. Durch die längere Dauer des Konditionierungspulses kann es trotz der bevorzugt geringeren Leistung des Konditionierungspulses dazu kommen, dass die gesamt aufgewendete Energie beim Konditionierungspuls höher ist als beim Schweißpuls.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Werkstück, insbesondere ein durch Auftragsschweißen behandeltes Werkstück, das mit einem Verfahren in einem der oben beschriebenen bevorzugten Varianten behandelt wurde. Das Werkstück ist vorzugsweise ein wiederhergestelltes oder repariertes Werkstück, bei dem Schadstellen durch das Auftragsschweißen ausgebessert wurden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Schweißvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren in einer der oben beschriebenen bevorzugten Varianten durchzuführen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, wobei die beiliegende Zeichnung zeigt:
  • 1 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemässen Schweißverfahrens, mit dem ein erfindungsgemässes Schweißprodukt auf einer erfindungsgemässen Schweißvorrichtung hergestellt wird.
  • Bevorzugte Ausführungsform
  • In der 1 ist schematisch ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemässen Schweißverfahrens gezeigt. Die bevorzugte Ausführungsform betrifft eine Auftragsschweißung auf einer Superlegierung, nämlich auf einem Werkstück aus INCONEL 738. Dabei wird mit der Auftragsschweißung eine Schadstelle an der Oberfläche des Werkstücks repariert, wobei auf das Materials des Werkstücks, Auftragsmaterial, ebenfalls INCONEL 738, aufgebracht wird. Das Auftragsmaterial wird in Form eines Drahtes zugeführt.
  • Zur Pulserzeugung wird ein lampengepumpter Festkörperlaser, genauer ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1.064 nm verwendet. Der Laser ist geeignet, Laserpulse mit einer Leistung von 7 kW Maximalleistung zu erbringen, wobei die beiden bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung abfallende Pulsformen verwenden, so dass die tatsächlich eingebrachte Durchschnittsleistung über den Gesamtpuls etwa um 1/3 niedriger ist.
  • Das Verfahren startet mit einem Schritt 1, wobei das Material von losen Rückständen gereinigt wird. Nachfolgend wird in einem Schritt 2 die Lichtaustrittsstelle des Lasers auf den zu bearbeitenden Bereich des Materials geführt. In einem nachfolgenden Schritt 3 wird ein Konditionierungspuls auf den entsprechenden Bereich aufgebracht. Der Konditionierungspuls dauert 80 ms.
  • Nachfolgend wird in einem Schritt 4 gewartet, bis das Material unter die unterste Umwandlungstemperatur abgekühlt ist. In einem nachfolgenden Schritt 5 wird die Spitze des Drahtes mit dem Auftragsmaterial zu dem Schweißbereich geführt. In einem nachfolgenden Schritt 6 wird dann der eigentliche Schweißpuls mit einer Länge von 10 ms aufgebracht. Dabei sollte berücksichtigt werden, dass der Schweißpuls mit einer Leistung aufgebracht wird, die über der Leistung des Konditionierungspulses liegt. Ein Beispiel für Leistungen sind 7 kW Maximalleistung für den Schweißpuls und 4 kW Maximalleistung für den Konditionierpuls bei einem Spotdurchmesser von 1,5 mm.
  • Nachfolgend wird in einem Schritt 7 abgefragt, ob noch weitere Bereiche des Werkstücks zu Schweißen sind. Falls ja, springt das Verfahren zum Schritt 2 zurück und durchläuft nochmals die Abfolge von Konditionierungspuls und Schweißpuls. Es sollte angemerkt werden, dass selbstverständlich auch parallel mehrere Bereiche zunächst konditioniert werden können und anschließend mit Schweißpulsen geschweißt werden können. Auf diese Weise kann das Verfahren bei der Schweißung von mehreren Bereichen beschleunigt werden.
  • Es sollte angemerkt werden, dass im Rahmen der Erfindung auch bevorzugt wird, zunächst einen größeren Bereich mit Konditionierungspulsen zu belegen und anschließend diesen Bereich mit Schweißpulsen zu bearbeiten. Ebenso wird bevorzugt, ggf. mehrere Lagen von Auftragsmaterial mit Schweißpulsen aufzubringen.
  • Ergibt die Abfrage in Schritt 7, dass keine weiteren Bereiche zu Schweißen sind, springt das Verfahren zu einem Schritt 8, in welchem es stoppt.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Schweißen eines Materials, insbesondere zum Auftragsschweißen auf ein Material, mit – Aufbringen eines Schweißpulses auf das Material, gekennzeichnet durch – Behandeln des Materials mit einem Konditionierungspuls vor dem Aufbringen des Schweißpulses.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus einer Legierung auf Nickel-Basis oder auf Kobalt-Basis besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Konditionierungspuls auf einer mit dem Schweißpuls zu schweißenden Stelle des Materials aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißpuls und/oder der Konditionierungspuls mit Laserlicht aufgebracht werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißpuls und der Konditionierungspuls mit einer einzigen Lasereinrichtung aufgebracht werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißpuls eine höhere Leistung aufweist als der Konditionierungspuls.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konditionierungspuls eine Leistung und/oder Energie aufweist, die zu einem Umschmelzen zumindest eines Teils des Materials führt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konditionierungspuls im Wesentlichen in Abwesenheit eines Auftragsmaterials durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulslänge des Konditionierungspulses größer ist als die Pulslänge des Schweißpulses.
  10. Werkstück, insbesondere durch Auftragsschweißen wiederhergestelltes Werkstück, das mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 behandelt wurde.
  11. Schweißvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
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