DE102011100456A1

DE102011100456A1 - Extremes Hochgeschwindigkeitslaserauftragsschweißverfahren

Info

Publication number: DE102011100456A1
Application number: DE102011100456A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Küppers; Gerhard Maria Backes; Jochen Kittel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2011-05-04
Filing date: 2011-05-04
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2031-05-05
Also published as: DE102011100456B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragsschweißen von pulverförmigen Zusatzwerkstoffen mittels Laserstrahlung, welches extrem hohe Prozessgeschwindigkeiten ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher als Extremes Hochgeschwindigkeitslaserauftragsschweißverfahren (EHLA) bezeichnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragsschweißen von pulverförmigen Zusatzwerkstoffen mittels Laserstrahlung, welches extrem hohe Prozessgeschwindigkeiten ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher als Extremes Hochgeschwindigkeitslaserauftragsschweißverfahren (EHLA) bezeichnet werden.
Laserauftragsschweißen ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung und zum Generieren von Bauteilen mit Zusatzwerkstoffen. Dabei wird in ein durch einen Laserstrahl erzeugtes Schmelzbad auf einer Oberfläche eines Bauteils ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff unter einem definierten Winkel mittels einer Pulverdüse eingebracht.
Ein Verfahren nach dem Stand der Technik ist beispielhaft in 1 skizziert. Auf einem Bauteil 1 wird eine Schicht 2 des Zusatzwerkstoffes erzeugt, indem mittels einer Pulverzufuhr 3 einem Schmelzbad 4 festes Pulver 5 zugeführt wird. Das Schmelzbad 4 wird durch Einstrahlung eines Laserstrahls 6 im flüssigen Zustand gehalten. Festes Pulver 5 trifft in dem Bereich des Schmelzbades 4 ein und wird dort durch den Laser 6 aufgeschmolzen. Wird nun das Bauteil 1 gegenüber dem Laser 6 und der Pulverzufuhr 3 bewegt, so bewegt sich das Material des Schmelzbades aus dem Einflussbereich des Lasers 6 heraus und erstarrt zur Schicht 2.
Unterhalb des Schmelzbades 4 dringt die durch den Laser 6 eingestrahlte Leistung zum Teil auch in die Oberfläche des Bauteils 1 ein wodurch der Grundwerkstoff aufgeschmolzen wird und dadurch eine Schmelzmetallurgische Verbindung zwischen Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff entsteht. Hierdurch entsteht auch eine Wärmeeinflusszone 10. Abhängig von der Leistung des Lasers 6 findet daher eine Durchmischung von Zusatzwerkstoff und Bauteilwerkstoff statt.
Das Pulver kann seitlich oder koaxial in das Schmelzbad injiziert werden. 1 zeigt ein seitliches Injizieren. Mit dem Verfahren des Standes der Technik lassen sich Prozessgeschwindigkeiten, d. h. Vorschubgeschwindigkeiten des Bauteils gegenüber dem Laserstrahl, zwischen 0,2 m/min und 2 m/min erreichen. Die höchsten bisher erreichten Prozessgeschwindigkeiten liegen im Bereich bis zu 20 m/min.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Laserauftragsschweißen anzugeben, das eine deutlich Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Laserauftragschweißverfahren gemäß Anspruch 1 sowie die Laserauftragschweißvorrichtung nach Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Laserauftragschweißverfahrens an.
Erfindungsgemäß wird eine deutliche Erhöhung der erzielbaren Bearbeitungsgeschwindigkeit dadurch erreicht, dass einem auf einer zu bearbeitenden Oberfläche vorliegenden Schmelzbad zumindest ein Zusatzwerkstoff in vollständig geschmolzener Form zugeführt wird. Hierzu wird der Zusatzwerkstoff, der zunächst pulverförmig vorliegt, mittels eines Laserstrahls in einem Abstand größer als Null zum Schmelzbad geschmolzen und dem Schmelzbad dann flüssig zugeführt.
Das Aufschmelzen des Pulvers in dem genannten Abstand vom Schmelzbad sowie das Erhitzen des Schmelzbades kann durch den gleichen Laserstrahl erfolgen. Der auf das Schmelzbad einstrahlende Laserstrahl bewirkt also auch das Schmelzen des Zusatzwerkstoffs im genannten Abstand vom Schmelzbad.
Der genannte Abstand des Fokus vom Schmelzbad beträgt vorzugsweise ≥ 0,2 mm, vorzugsweise ≥ 1 mm, bevorzugt ≥ 4 mm, besonders bevorzugt ≥ 5 mm und/oder ≤ 7 mm, vorzugsweise ≤ 6 mm.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Zusatzwerkstoff dem Schmelzbad mit dem gleichen Aggregatszustand zugeführt, den das Schmelzbad auf der Oberfläche des Bauteils hat. Dadurch entfällt die Zeit zum Aufschmelzen der Pulverpartikel im Schmelzbad. Dies wiederum verringert die Zeit, die für die Schichtbildung notwendig ist, wodurch die Prozessgeschwindigkeit deutlich erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff durch den Laserstrahl aufgeschmolzen, bevor er in das durch den Laserstrahl erhitzte bzw. erzeugte Schmelzbad gelangt. Das heißt, dass für das Aufschmelzen der Pulverpartikel gerade jene Zeit zur Verfügung steht, die der Flugdauer der Pulverpartikel durch den Laserstrahl entspricht.
Die Zeit zum Aufschmelzen der Pulverpartikel hängt erstens von der Partikelgröße, zweitens von der Aufenthaltsdauer der Partikel im Laserstrahl und drittens von der Intensität der Laserstrahlung ab. Für die Partikelgröße gilt allgemein, dass je kleiner das Partikel ist, umso kürzer die Zeit ist, bis das Partikel geschmolzen ist. Die Aufenthaltsdauer der Partikel im Laserstrahl sollte daher vorzugsweise möglichst lang sein.
Beim konventionellen Laserauftragsschweißen ist die Aufenthaltsdauer der Pulverpartikel im Laserstrahl nur kurz, da das Pulver direkt ins Schmelzbad eingebracht wird. Wird das Pulver gemäß der Erfindung oberhalb des Schmelzbades in den Laserstrahl injiziert bevor es ins Schmelzbad gelangt, ist die Aufenthaltszeit der Pulverpartikel im Laserstrahl deutlich länger.
Eine hohe Intensität der Laserstrahlung verkürzt die Zeit zum Aufschmelzen der Partikel des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs. Die Intensität der Laserstrahlung ist hier definiert als Quotient aus Laserleistung geteilt durch die Querschnittsfläche des Strahls senkrecht zur optischen Achse des Strahls. Man erkennt, dass die Intensität der Laserstrahlung erhöht werden kann einerseits durch Erhöhung der Laserleistung, aber andererseits auch durch Verkleinerung der Strahlfläche.
Es ist aus diesem Grund bevorzugt, dass der Laserstrahl in einen Fokus fokussiert wird, der um den Abstand vom Schmelzbad entfernt ist. Der Zusatzwerkstoff wird dann in und evtl. auch um den Fokus aufgeschmolzen. Der Bereich, in dem der Werkstoff geschmolzen vorliegt, ist im einfachsten Fall jener Bereich, in dem die Intensität des Strahls durch die Fokussierung hinreichend groß ist, um die Pulverpartikel in der Zeit seit ihrem Eintreten in den Laserstrahl aufzuschmelzen. Dieser Bereich kann sich auch etwas vor und/oder hinter den Fokus in Richtung der optischen Achse des Laserstrahls erstrecken.
Bevorzugterweise wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff als Strahl in den Laserstrahl injiziert. Hierbei kann das Pulver durch einen Gasstrahl transportiert werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Pulverstrahl in einen kleinen Bereich fokussiert wird. Im Wesentlichen alle Pulverpartikel durchlaufen also diesen kleinen Bereich. Eine solche Fokussierung kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass der Pulverstrahl mittels einer koaxialen Pulverdüse erzeugt wird. Ein derart fokussierter Pulverstrahl kann eine Kegelform haben, wobei die Spitze des Kegels gerade jener Bereich ist, auf dem der Pulverstrahl fokussiert wird. Bei einer solchen Anordnung können Laserstrahl und Pulvergasstrahl koaxial zueinander verlaufen. Sie treffen dann zunächst auf den Fokus bzw. den genannten Pulverfokusbereich, um von dort auf das Schmelzbad zu treffen. Hierbei ist der Zusatzwerkstoff dann flüssig.
Bevorzugterweise wird der Pulverstrahl gerade auf den Fokus des Laserstrahls fokussiert, so dass also der genannte Bereich im Fokus des Laserstrahls liegt. Es ist jedoch auch möglich, den Pulverstrahl auf einen Bereich zu fokussieren, der entlang der optischen Achse des Laserstrahls vom Laser aus gesehen ≤ 3 mm, vorzugsweise ≤ 1 mm vor dem Fokus oder ≤ 20 mm, vorzugsweise ≤ 10 mm hinter dem Fokus des Laserstrahls liegt.
Bevorzugterweise verlaufen der Laserstrahl und der Pulverstrahl koaxial zueinander, haben also die gleiche Strahlachse.
Um ein hinreichend schnelles Aufschmelzen der Pulverpartikel zu bewirken, sollte vorzugsweise eine hinreichende Laserleistung vorgesehen werden. Da jedoch der Laserstrahl auch das Schmelzbad erhitzt, kann unter Umständen eine zum schnellen Schmelzen des Pulvers ausreichende Laserleistung zur Folge haben, dass das Schmelzbad stark erwärmt wird. Dies kann dazu führen, dass sich der aufgebrachte Zusatzwerkstoff im Bereich des Schmelzbades zu einem unerwünscht hohen Grad mit dem Werkstoff der Oberfläche vermischt.
Eine möglichst geringe Durchmischung des aufgebrachten Zusatzwerkstoffs mit dem Grundwerkstoff der Oberfläche hat den Vorteil, dass die physikalischen Eigenschaften der Schicht, wie beispielsweise Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie die Eigenschaften des Grundwerkstoffs, wie beispielsweise Duktilität, erhalten bleiben. Eine möglichst hohe Absorption der Laserstrahlung im Pulvergasstrahl ermöglicht es gleichzeitig, eine hohe Laserleistung einzusetzen, durch die die Strahlintensität zum Aufschmelzen des Pulvers erhöht werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann auch bei einer hohen Laserleistung der Energieeintrag in das Schmelzbad und damit auch die Durchmischung kontrolliert werden. Dies kann dadurch geschehen, dass das Pulver dem Laserstrahl bzw. dem Fokus mit einer hinreichend hohen Pulverpartikeldichte zugeführt wird. Die Pulverpartikeldichte ist dabei definiert als Quotient des Pulvermassenstroms geteilt durch die Querschnittsfläche des Pulvergasstrahls senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung der Partikel und die Geschwindigkeit der Partikel für das gegebenes Pulver. Je höher die Pulverdichte eingestellt wird, desto geringer ist der Anteil der Laserleistung, der in das Schmelzbad einstrahlt, da ein umso größerer Anteil der Laserleistung durch das Pulver absorbiert und eventuell auch reflektiert wird.
Besonders hohe Pulverdichten lassen sich durch Pulverdüsen mit kegelförmigen Pulvergasstrahlen wie oben beschrieben im Pulverfokus erreichen.
Zur Oberflächenbehandlung kann das Schmelzbad und der Fokus gegenüber der Oberfläche verschoben werden. Schmelzbad und Fokus werden hierbei parallel zueinander verschoben. Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens sind hierbei besonders hohe Verschiebungsgeschwindigkeiten von ≥ 20 m/min, vorzugsweise ≥ 50 m/min, besonders bevorzugt ≥ 100 m/min, besonders bevorzugt ≥ 150 m/min möglich.
Das Pulvermaterial kann unter anderem z. B. Nickelbasis-Legierung, Coblatbasis-Legierung, Eisenbasis-Legierung, Titan-Legierung, martensitische Legierung und/oder Keramik aufweisen oder daraus bestehen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft dargestellt werden.
Es zeigt
1 ein Auftragsschweißverfahren nach dem Stand der Technik und
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Auftragsschweißverfahrens.
2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Auftragsverfahren. Erfindungsgemäß wird auf einer Oberfläche 1 ein Schmelzbad 4 zumindest eines geschmolzenen Zusatzwerkstoffes erzeugt. Hierzu wird pulverförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines Laserstrahls 6 geschmolzen. Erfindungsgemäß wird der Zusatzwerkstoff in einem Abstand größer als Null zum Schmelzbad durch den Laserstrahl 6 geschmolzen und dem Schmelzbad 4 in vollständig geschmolzener Form zugeführt.
Im gezeigten Beispiel wird das Pulver einem Bereich des Schmelzens im genannten Abstand zum Schmelzbad in Form eines Pulvergasstrahls 5 zugeführt. Ein Pulvergasstrahl oder Pulverstrahl wird hierbei erzeugt, indem Pulver durch einen Gasstrahl transportiert wird. Der Laserstrahl 6 und der Pulvergasstrahl 5 können koaxial verlaufen. Betrachtet man den fokussierten Laserstrahl 6 und den Pulvergasstrahl 5 als rotationssymmetrisch um die optische Achse, so ist die optische Achse des Laserstrahls 6 eine Symmetrieachse sowohl für den Laserstrahl 6 als auch für den Pulvergasstrahl 5.
Der Laserstrahl 6 ist vorzugsweise in einen Fokus gebündelt, der sich um den genannten Abstand vom Schmelzbad beabstandet über der Oberfläche 1 befindet. Das Aufschmelzen des Pulvers findet dann hauptsächlich in und um den Fokus 7 statt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist außerdem der Pulverstrahl 5 fokussiert, hat also eine Kegelform, wobei die Kegelspitze idealerweise mit dem Fokus 7 zusammenfällt oder in dessen Nähe liegt. Es können also Laserstrahl 6 und Pulverstrahl 5 auf im Wesentlichen den gleichen Punkt bzw. Bereich 7 fokussiert werden, der sich im genannten Abstand vom Schmelzbad 4 befindet. Das Pulver wird dann in und um den Fokus 7 aufgeschmolzen und bewegt sich in flüssiger Form weiter zum Schmelzbad 4. Der Fokus des Pulvergasstrahls 9 fällt also mit dem Fokus 7 des Laserstrahls 6 zusammen oder liegt kurz vor oder hinter dem Fokus 7 des Laserstrahls. Ausgehend vom Schmelzbereich 9 bewegt sich geschmolzener Zusatzwerkstoff 8 in Richtung des Schmelzbades 4.
Erfindungsgemäß kann die Oberfläche 1 gegenüber dem Laser 6, dem Pulvergasstrahl 5 und dem Fokus 7 bewegt werden, so dass sich das Schmelzbad 4 über die Oberfläche 1 bewegt. Auf diese Weise sind auf der Oberfläche 1 Linien und Flächen erzeugbar, die durch das Schmelzbad 4 behandelt wurden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht besonders hohe Geschwindigkeiten der Substratbewegung von mehr als 20 m/min bis zu über 150 m/min.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Dichte des Pulvergasstrahls 5, d. h. der Quotient aus Pulvermassenstrom geteilt durch Querschnittsfläche des Strahls und Geschwindigkeit der Pulverpartikel insbesondere im Fokus 7 so eingestellt werden, dass ein möglichst großer Anteil der Leistung der Laserstrahlung 6 durch den Pulvergasstrahl absorbiert wird und nur ein solcher Anteil des Laserstrahls 6 auf das Schmelzbad 4 strahlt, dass dieses sich in möglichst geringem Maß mit dem Grundwerkstoff der Oberfläche 1 durchmischt. Beispielsweise kann die Pulverdichte so eingestellt werden, dass nur ein Anteil von 50% der vom Laser als Laserstrahl erzeugten Leistung auf das Schmelzbad 4 eingestrahlt wird.
Im folgenden soll ein Beispiel des erfindnugsgemäßen Verfahrens beschrieben werden, bei dem eine Prozessgeschwindigkeit von 130 m/min erreicht wurde. Es wurde hierbei auf einer rotationssymmetrischen Welle entlang ihres Umfanges ein Steg mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebracht. Hierzu rotierte die Welle um ihre Rotationsachse so, dass sich ihr Umfang mit einer Geschwindigkeit von 130 m/min bewegte. Auf die Oberfläche der Welle wurde Inconell 625 als Zusatzwerkstoff aufgebracht. Hierzu wurde ein Laserstrahl mit einer Leistung von 1 kW in einem Abstand von 0.6 mm über der Oberfläche der Welle fokussiert. Am Werkstück wurde ein Strahldurchmesser des Lasers von 0.8 mm eingestellt. Dem Fokus des Lasers wurde der Zusatzwerkstoff als Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 20 μm bis 50 μm zugeführt. Der Teilchenstrom wurde hierbei auf einen Pulverfokus mit einem Durchmesser von 0.6 mm fokussiert. Der Pulvermassenstrom betrug 12 g/min. Mit diesen Parametern konnte ein Auftrag des Inconell 625 bei einer Prozessgeschwindigkeit von 130 m/min erreicht werden.

Claims

Laserauftragschweißverfahren, wobei auf einer Oberfläche ein Schmelzbad mit zumindest einem geschmolzenen Zusatzwerkstoffes mittels eines auf das Schmelzbad einstrahlenden Laserstrahls erzeugt wird, indem Pulver des Zusatzwerkstoffes mittels des Laserstrahls geschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff in einem Abstand zum Schmelzbad durch den Laserstrahl geschmolzen wird und dem Schmelzbad in vollständig geschmolzener Form zugeführt wird.
Laserauftragschweißverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Laserstrahl in einem Fokus fokussiert wird, der um den Abstand vom Schmelzbad entfernt ist und in welchem der Zusatzwerkstoff geschmolzen wird.
Laserauftragschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pulver des Zusatzwerkstoffes dem Laserstrahl und/oder dem Fokus als Strahl zugeführt wird, der vorzugsweise auf den Fokus gebündelt ist oder auf einem um ≤ 3 mm, vorzugsweise ≤ 1 mm in Strahlrichtung vor dem Fokus oder ≤ 20 mm, vorzugsweise ≤ 10 mm, in Strahlrichtung hinter dem Fokus liegenden Bereich gebündelt ist und besonders bevorzugt kegelförmig ist.
Laserauftragschweißverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Strahl des Pulvers koaxial zum Laserstrahl gestrahlt wird.
Laserauftragschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schmelzbad und der Fokus parallel zueinander relativ zur Oberfläche verschoben werden, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit ≥ 20 m/min, besonders bevorzugt ≥ 50 m/min, besonders bevorzugt ≥ 100 m/min, besonders bevorzugt ≥ 130 m/min.
Laserauftragschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand, in dem der Zusatzwerkstoff geschmolzen wird, vom Schmelzbad ≥ 0,2 mm, vorzugsweise ≥ 1 mm, besonders bevorzugt ≥ 4 mm, besonders bevorzugt ≥ 5 mm und/oder ≤ 7 mm, vorzugsweise ≤ 6 mm, beträgt. Laserauftragschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverdichte so eingestellt wird, dass eine Laserleistung des Laserstrahls im Schmelzbad weniger als 80%, vorzugsweise weniger als 60%, besonders bevorzugt weniger als 50% besonders bevorzugt weniger als 30% der Laserleistung vor Kontakt des Laserstrahls mit dem Pulver beträgt.
Laserauftragschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pulvermaterial Nickelbasis-Legierung, Coblatbasis-Legierung, Eisenbasis-Legierung, Titan-Legierung, martensitische Legierung und/oder Keramik aufweist oder daraus besteht.
Laserauftragschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pulver Partikel einer mittleren Größe ≥ 1 μm, vorzugsweise ≥ 10 μm, besonders bevorzugt ≥ 30 μm und/oder ≤ 90 μm, vorzugsweise ≤ 70 μm, besonders bevorzugt ≤ 50 μm aufweist oder daraus besteht.
Laserauftragschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver dem Fokus kontinuierlich oder diskret zugeführt wird.
Laserauftragschweißvorrichtung mit zumindest einem Laser zum Schmelzen zumindest eines Zusatzwerkstoffes sowie zumindest einer Pulverdüse, wobei mit der Laserauftragschweißvorrichtung ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchführbar ist.