DE102010005863A1

DE102010005863A1 - Verfahren zum Strahlschweißen eines Objekts und entsprechendes Strahlenfangmittel

Info

Publication number: DE102010005863A1
Application number: DE102010005863A
Authority: DE
Inventors: Christian 22889 Vogel; Thomas Dr.-Ing. 22087 Gartner; Olaf 22159 Groß
Original assignee: Lufthansa Technik AG
Current assignee: Lufthansa Technik AG
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: WO2011091948A1; DE102010005863B4

Abstract

Verfahren zum Strahlschweißen eines Objekts und entsprechendes Strahlenfangmittel (15) unter Verwendung eines mittels eines Strahlerzeugers erzeugten Strahls, insbesondere eines Elektronen- oder Laserstrahls, umfassend das Anordnen eines Strahlenfangmittels (15) auf der Wurzelseite (20) des Schweißstoßes (12), wobei das Strahlenfangmittel (15) mindestens an der dem Schweißstrahl (16) ausgesetzten Oberfläche im Wesentlichen aus einem Refraktärmetall bzw. einer Refraktärmetalllegierung besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strahlschweißen eines Objekts unter Verwendung eines mittels eines Strahlerzeugers erzeugten Strahls, insbesondere eines Elektronen- oder Laserstrahls, umfassend das wurzelseitige Anordnen eines Strahlenfangmittels an dem zu schweißenden Objekt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Strahlenfangmittel.
Das Elektronenstrahlschweißen ist ein Fügeverfahren, das die kinetische Energie hochbeschleunigter Elektronen nutzt, um die Fügestelle lokal anzuschmelzen und das Bauteil bzw. die Bauteile dadurch stoffschlüssig zu fügen. Im Falle des Laserstrahlschweißens wird die Fügestelle durch die Energie des Laserstrahls angeschmolzen.
Üblicherweise ist das Strahlenfangmittel als Blech aus artgleichem Werkstoff wie das zu verschweißende Bauteil ausgeführt.
Führt man eine Verbindungsschweißung als Durchschweißung aus, besteht die Gefahr des Auftreffens des an der Wurzel austretenden Elektronen-/Laserstrahls auf die gegenüberliegenden Bereiche des Werkstückes bzw. der Schweißvorrichtung. Um dies zu vermeiden, verwendet man ein Strahlenfangmittel. Somit besitzt das Strahlenfangmittel die primäre Aufgabe, ein ungewolltes Anschmelzen der Bauteilwandung in den zuvor beschriebenen Bereichen zu vermeiden.
Geschweißte Bauteile werden in der Regel nachbearbeitet, wenn beim Schweißen mit konventionellen Strahlenfangmitteln das Entstehen und Niederschlagen von Metalldampfsublimat und Schweißspritzern nicht vermieden werden kann. Dies tritt beispielsweise beim Schweißen von Eisen-, Nickel-, Kobalt-, Aluminium- oder Titanlegierungen, wie sie beispielsweise bei Gehäuseteilen von Flugzeugtriebwerken verwendet werden, auf, sowie dann, wenn das Strahlenfangmittel aufgrund von begrenztem Bauraum bzw. bauteilbedingt in sehr kurzer Entfernung zum Schweißstoß positioniert werden muss. Der Schweißstrahl legt in diesem Fall nicht genug Weg zurück, um zu divergieren und an Energiedichte zu verlieren. Darüber hinaus kann das in das Strahlenfangmittel eingekoppelte Energieniveau dazu führen, dass ein Übergangszustand erreicht wird, der zwischen Wärmeleitungs- und Tiefschweißen liegt, und die daraus resultierende zusammenbrechende Dampfkapillare immer wiederkehrend Material auswirft. Diese ausgeworfenen Materialpartikel können dann auf der Unterseite des zu schweißenden Stoßes anhaften und müssen durch aufwendiges Nachbearbeiten entfernt werden, oder sind gar gemäß der einschlägigen Industrienormen als unzulässig zu bezeichnen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Strahlschweißverfahren mit vermindertem Nachbearbeitungsaufwand und ein entsprechendes Strahlenfangmittel bereitzustellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Durch Verwendung eines Strahlenfangmittels, das mindestens an der dem Schweißstrahl und/oder dem Sekundärstrahl ausgesetzten Oberfläche im Wesentlichen aus Refraktärmetall und/oder mindestens einer Refraktärmetalllegierung besteht, kann der Auswurf von Partikeln sowie die Metalldampfsublimation des Strahlenfangmittels, aufgrund der hohen Siede- und Schmelzpunkte von Refraktärmetallen, vermieden werden, woraus ein stark reduzierter Nachbearbeitungsaufwand resultiert. „Im Wesentlichen aus Refraktärmetall bestehend” umfasst dabei reine Refraktärmetalle, wie beispielsweise Molybdän, Tantal, Niob, Wolfram, Rhenium, Vanadium und Hafnium, die durch einen Schmelzpunkt von mehr als 1900°C gekennzeichnet sind. Man spricht insbesondere dann von einem reinen Refraktärmetall, wenn das Refraktärmetall nicht mehr als zehn Atom- bzw. Gewichtsprozent anderer Elemente enthält. Eine Refraktärmetalllegierung bezeichnet eine Legierung aus einem oder mehreren Refraktärmetallen mit anderen Elementen, wobei es sich dann um eine Refraktärmetalllegierung handelt, wenn die Summe aller Refraktärmetalle in der Legierung größer ist als fünfzig Atom- bzw. Gewichtsprozent. Legierungen sind auch dann Refraktärmetalllegierungen, wenn ihre Schmelztemperatur, aufgrund des vorliegenden Refraktärmetallanteils, über 1900°C beträgt. Je nachdem, ob eine Schweißung kontinuierlich am Bauteil durchgeführt wird oder ob die Schweißung durch eine Öffnung, beispielsweise ein Bohrloch, verläuft, wird das Strahlenfangmittel entweder von dem auf der Wurzelseite der Schweißung austretenden Sekundärstrahl oder direkt vom Primärstrahl getroffen.
Vorzugsweise ist das Refraktärmetall oder die Refraktärmetalllegierung des Strahlenfangmittels als Granulat, bzw. als festes Schüttgut, oder als zu einer Form zusammengelötetes oder gesintertes Granulat ausgeführt. Das Strahlenfangmittel aus Refraktärmetall bzw. Refraktärmetalllegierung kann aber auch als Blech ausgeführt sein. Ein Vorteil des Refraktärmetallgranulates liegt darin, dass es aufgrund einer durch die Granulatbildung bedingten künstlichen Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit des Strahlenfangmittels beim Schweißen zu weitaus geringerem aufgeschmolzenem Materialvolumen als bei gewöhnlichen Strahlenfangmitteln führt. An schwer zugänglichen Stellen, insbesondere beim Schweißen von Hohlkörpern, können Refraktärmetalle, die als Granulat ausgeführt sind, die Aufgabe des Strahlenfangmittels übernehmen, da sie über eine verhältnismäßig kleine Öffnung eingeführt werden können. Eine Ausführung des Strahlenfangmittels als Granulat macht es in manchen Fällen erst möglich Schweißungen als Durchschweißungen auszuführen. Die Granulatpartikel sind vorzugsweise in Kugel-, Tonnen- oder Würfelform ausgebildet, wodurch die Wärmeleitfähigkeit des Strahlenfangmittels gezielt beeinflusst werden kann, da die unterschiedlichen Geometrien zu unterschiedlich großen Zwischenräumen im Strahlenfangmittel führen.
Vorzugsweise ist das Strahlenfangmittel als makroporöse Masse mit diffuser Oberflächenstruktur ausgeführt. Eine Masse ist dann makroporös, wenn sie Poren aufweist, deren mittlerer Durchmesser größer als 50 Nanometer ist. Eine Oberfläche ist dann als diffus zu bezeichnen, wenn sie mehr als 50 Prozent des einfallenden Lichts nicht nach dem Gesetz „Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel”, sondern nach dem „Lambertschen Gesetz” und damit senkrecht zum Material reflektiert. Ein makroporöses Strahlenfangmittel mit einer diffusen Oberfläche hat den Vorteil, dass die möglichen Verdampfungsvolumina des Strahlenfangmittels reduziert werden können.
Ferner führt ein mittlerer Durchmesser von kleiner als fünf Millimeter der das Granulat bildenden Partikel zu verbessertem Aufschmelzverhalten.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren Figuren näher erläutert. In den Figuren sind im Einzelnen zu erkennen:
1: Prinzipskizze eines Refraktärmetallstrahlenfangmittels ausgeführt als Granulat.
2: Prinzipskizze eines Refraktärmetallstrahlenfangmittels ausgeführt als auf einen Basisträger gelötetes Granulat.
3: Prinzipskizze eines Refraktärmetallstrahlenfangmittels ausgeführt als zu einer definierten Form gesintertes Granulat.
4: Prinzipskizze eines Refraktärmetallstrahlenfangmittels ausgeführt als ein Blech.
In der Prinzipskizze von 1 ist in einer Schnittansicht das rotationssymmetrische Fügen zweier auf einem Träger 13 gehaltenen Bauteile 10, 11, beispielsweise Teile eines Lagergehäuses für eine Gasturbine, an zwei Schweißstößen 12, durch einen mittels eines nicht gezeigten Strahlerzeugers erzeugten Schweißstrahl 16, insbesondere einen Elektronen- bzw. Laserstrahl, dargestellt. Der Schweißstrahl 16 trifft auf der Auftrittseite 19 auf, fügt die Bauteile stoffschlüssig am Schweißstoß 12 und tritt aus der der Auftrittseite 19 abgewandten Wurzelseite 20 als energieärmerer Sekundärstrahl 17 wieder aus. Die Restenergie des Sekundärstrahls 17 kann durch das wurzelseitig angeordnete Strahlenfangmittel 15, welches hier als Granulat ausgeführt ist, aufgenommen werden. Dabei kann die Befüllung des Hohlraums 22 mit dem Strahlenfangmittel 15 beispielsweise durch die Öffnung 21 erfolgen. Durch die Öffnung 21 kann das Strahlenfangmittel nach dem Schweißprozess auch wieder aus dem Hohlraum 22 ausgeleert werden.
Bei einer rotationssymmetrischen Schweißnaht wie in der 1 kann die Schweißung beispielsweise auf einem rotierbaren Träger 13 durchgeführt werden, der sich um eine Rotationsachse 14 bewegt. Ebenfalls können auch nicht rotationssymmetrische Schweißungen von Bauteilen an nur einem oder mehreren Schweißstößen 12 durchgeführt werden.
In der 2 werden zwei Bauteile 10, 11 gefügt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel das Strahlenfangmittel 15 als auf einen Basisträger 18 aufgebrachtes Granulat ausgeführt ist. Der Basisträger ist beispielsweise aus Ti-6Al-4V ausgebildet. Vorzugsweise ist das Strahlenfangmittel auf dem Basisträger befestigt, beispielsweise gelötet. Das Strahlenfangmittel 15 wird vom Sekundärstrahl 17 getroffen, welcher, zunächst als Schweißstrahl 16, auf der Auftrittseite 19 auftrifft, die Bauteile am Schweißstoß 12 verschweißt, und aus der Wurzelseite 20 als Sekundärstrahl 17 austritt. Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die poröse bzw. diffuse Struktur des Strahlenfangmittels 15 erhalten bleibt, so dass die Funktion des Strahlenfangmittels 15 nicht beeinträchtigt wird.
3 zeigt eine Schweißung von zwei Bauteilen 10, 11, ähnlich dem vorangegangenen Beispiel, wobei in diesem Ausführungsbeispiel das Strahlenfangmittel 15 aus zu einer definierten Form 30 gesintertem Granulat besteht. Auch hier wird das Strahlenfangmittel 15 vom Sekundärstrahl 17 getroffen, der, zunächst als Schweißstrahl 16, auf der Auftrittseite 19 auftrifft, die Bauteile am Schweißstoß 12 verschweißt und aus der Wurzelseite 20 als Sekundärstrahl 17 austritt. Auch hier ist es von besonderem Vorteil, wenn die poröse bzw. diffuse Struktur des Strahlenfangmittels 15 erhalten bleibt, so dass die Funktion des Strahlenfangmittels 15 nicht beeinträchtigt wird.
4 zeigt eine Schweißung von zwei Bauteilen 10, 11, ähnlich dem vorangegangenen Beispiel, wobei in diesem Ausführungsbeispiel das Strahlenfangmittel 15 aus einem Refraktärmetallblech bzw. aus einem Refraktärmetalllegierungsblech besteht. Wie zuvor beschrieben, wird das Strahlenfangmittel 15 vom Sekundärstrahl 17 getroffen, der, zunächst als Schweißstrahl 16, auf der Auftrittseite 19 auftrifft, die Bauteile am Schweißstoß 12 verschweißt und als Sekundärstrahl 17 aus der Wurzelseite 20 austritt.

Claims

Verfahren zum Strahlschweißen eines Objekts unter Verwendung eines mittels eines Strahlerzeugers erzeugten Strahls, insbesondere eines Elektronen- oder Laserstrahls, umfassend das Anordnen eines Strahlenfangmittels (15) auf der Wurzelseite (20) des Schweißstoßes (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenfangmittel (15) mindestens an der dem Schweißstrahl (16) und/oder dem Sekundärstrahl (17) ausgesetzten Oberfläche im Wesentlichen aus Refraktärmetall und/oder mindestens einer Refraktärmetalllegierung besteht.
Strahlschweißverfahren nach Anspruch 1, wobei das Refraktärmetall oder die Refraktärmetalllegierung des Strahlenfangmittels (15) als Granulat ausgeführt ist.
Strahlschweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Refraktärmetall oder die Refraktärmetalllegierung des Strahlenfangmittels (15) als auf einen Basisträger (18) aufgelötetes Granulat ausgeführt ist.
Strahlschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Refraktärmetall oder die Refraktärmetalllegierung des Strahlenfangmittels (15) als Granulat ausgeführt ist, welches zu einer definierten Form (30) gesintert ist.
Strahlschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Strahlenfangmittel (15) mindestens an der dem Schweißstrahl (16) und/oder Sekundärstrahl (17) ausgesetzten Oberfläche im Wesentlichen aus Molybdän, Tantal und/oder Wolfram oder einer Legierung mit einem überwiegenden Refraktärmetallanteil aus Molybdän, Tantal und/oder Wolfram besteht.
Strahlenfangmittel (15) zur Verwendung in einem Verfahren zum Strahlschweißen eines Objekts unter Verwendung eines mittels eines Strahlerzeugers erzeugten Strahls, insbesondere eines Elektronen- oder Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenfangmittel (15) mindestens an der dem Schweißstrahl (16) und/oder dem Sekundärstrahl (17) ausgesetzten Oberfläche im Wesentlichen aus Refraktärmetall und/oder mindestens einer Refraktärmetalllegierung besteht.
Strahlenfangmittel (15) nach Anspruch 6, wobei das Refraktärmetall oder die Refraktärmetalllegierung des Strahlenfangmittels (15) als Granulat ausgeführt ist.
Strahlenfangmittel (15) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Refraktärmetall oder die Refraktärmetalllegierung des Strahlenfangmittels (15) als auf einen Basisträger (18) aufgelötetes Granulat ausgeführt ist.
Strahlenfangmittel (15) nach den Ansprüchen 6 bis 8, wobei das Refraktärmetall oder die Refraktärmetalllegierung des Strahlenfangmittels (15) als Granulat ausgeführt ist, welches zu einer definierten Form (30) gesintert ist.
Strahlenfangmittel (15) nach den Ansprüchen 6 und 9, wobei der mittlere Durchmesser von das Granulat bildenden Partikeln kleiner als 10 Millimeter ist.
Strahlenfangmittel (15) nach den Ansprüchen 6 bis 10, wobei der mittlere Durchmesser von das Granulat bildenden Partikeln kleiner als 5 Millimeter ist.
Strahlenfangmittel (15) nach den Ansprüchen 6 bis 11, wobei das Strahlenfangmittel (15) als makroporöse Masse ausgeführt ist.
Strahlenfangmittel (15) nach den Ansprüchen 6 bis 12, wobei das Strahlenfangmittel (15) eine diffuse Oberflächenstruktur aufweist.
Strahlenfangmittel (15) nach den Ansprüchen 6 bis 13, wobei das Strahlenfangmittel (15) mindestens an der dem Schweißstrahl (16) und/oder Sekundärstrahl (17) ausgesetzten Oberfläche im Wesentlichen aus Molybdän, Tantal und/oder Wolfram oder einer Legierung mit einem überwiegenden Refraktärmetallanteil aus Molybdän, Tantal und/oder Wolfram besteht.