DE102014202835A1 - Method for laser welding of cavities - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von Kavitäten aufweisenden Bauteilen (3, 4) aus metallischen, insbesondere aus austenitischen Werkstoffen, bei dem die zu schweißenden Bauteile (3, 4) in einem Vorwärmprozess vorgewärmt und anschließend durch einen Tiefschweißprozess mittels Laserstrahlung miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zu schweißenden Bauteile (3, 4) in dem Vorwärmprozess im Bereich der herzustellenden Schweißnähte (9, 10) durch Laserstrahlung vorgewärmt werden und/oder dass die tiefgeschweißten Schweißnähte (9, 10) in einem Wärmeleitungsschweißprozess durch Laserstrahlung nachbehandelt werden.The invention relates to a method for the laser welding of cavities comprising components (3, 4) of metallic, in particular of austenitic materials, in which the components to be welded (3, 4) are preheated in a preheating process and then connected to each other by a deep welding process by means of laser radiation, characterized in that the components to be welded (3, 4) in the preheating in the region of the welds to be produced (9, 10) are preheated by laser radiation and / or that the deep-welded welds (9, 10) are treated by laser radiation in a heat conduction welding process.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von Kavitäten aufweisenden Bauteilen aus metallischen, insbesondere aus austenitischen Werkstoffen, bei dem die zu schweißenden Bauteile in einem Vorwärmprozess vorgewärmt und anschließend durch einen Tiefschweißprozess mittels Laserstrahlung miteinander verbunden werden. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Laserstrahleinrichtung, die eine Laserstrahlquelle und eine im Strahlengang der Laserstrahlquelle positionierte Zoom-Optik aufweist, einer Antriebseinrichtung, die mit der Laserstrahleinrichtung gekoppelt ist, um diese zu verfahren, und einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Laserstrahleinrichtung und der Antriebseinrichtung aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung automatisch die Laserstrahleinrichtung durch Betätigung der Antriebseinrichtung verfährt und die Zoom-Optik einstellt, um zwei Bauteile durch einen Tiefschweißprozess miteinander zu verbinden. The present invention relates to a method for the laser welding of components comprising cavities made of metallic, in particular of austenitic materials, in which the components to be welded are preheated in a preheating process and subsequently connected to each other by a deep welding process by means of laser radiation. Furthermore, the present invention relates to an apparatus for performing the method with a laser beam device having a laser beam source and a positioned in the beam path of the laser beam source zoom optics, a drive device which is coupled to the laser beam device to move them, and a control device for Having control of the laser beam device and the drive device, wherein the control device automatically moves the laser beam device by operating the drive device and adjusts the zoom optics to connect two components by a deep welding process with each other.
Das Laserstrahlschweißen oder Laserschweißen wird in erster Linie zum Verschweißen von metallischen Bauteilen eingesetzt, die mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und mit geringem thermischem Verzug gefügt werden müssen. Daher kommt das Laserstrahlschweißen bevorzugt zum Einsatz, um die Bauteile von Gasturbinen miteinander zu verbinden. Speziell werden durch Laserstrahlschweißen Brennerkomponenten gefügt, die aus austenitischem Werkstoff bestehen und mit Kavitäten versehen sind, durch die im Betrieb flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff geführt wird. Beispielsweise werden Drallkörper (swirler hub) von Brennern aus einem Nabenkörper und einem aufgesetzten Deckel durch einen Laserschweißprozess hergestellt. Da durch die Kavitäten einer solchen Nabe im Betrieb flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff geführt wird, dürfen durch den Laserschweißprozess keine kerbebehafteten Wurzeldurchhänge nach dem Schweißprozess verbleiben, weil an solchen Wurzeldurchhängen durch den Brennstoff Korrosionsvorgänge ausgelöst werden können, die zum Versagen der Brennerkomponente führen können. Untersuchungen zum Laserstrahlschweißen an Brennerkomponenten haben gezeigt, dass unter Einsatz eines geschmolzenen Kalzium-Silikat-Schweißpulvers für die Wurzelformierung eine geeigneten Nahtqualität speziell im Wurzelbereich erzielt werden kann. Problematisch ist allerdings, dass sich beim Ausschalten der Laserstrahlung noch kritische Wurzeldurchhänge bilden können. Laser welding or laser welding is primarily used for welding metallic components that have to be joined with high welding speed, narrow and slim weld form and with low thermal distortion. Therefore, the laser beam welding is preferably used to connect the components of gas turbines with each other. Specifically, by laser welding torch components are joined, which consist of austenitic material and are provided with cavities through which during operation liquid and / or gaseous fuel is fed. For example, swirlers of burners are made from a hub body and an attached lid by a laser welding process. Since liquid and / or gaseous fuel is guided through the cavities of such a hub during operation, no laser-welding process leaves any notched root passages after the welding process, because at such root passages through the fuel corrosion can be triggered, which can lead to failure of the burner component. Investigations on laser beam welding on torch components have shown that using a molten calcium silicate welding powder for root formation, a suitable seam quality, especially in the root zone, can be achieved. The problem, however, is that when turning off the laser radiation critical root passages can still form.
Untersuchungen zeigen, dass eine Verbesserung der Nahtoberfläche durch eine Vorwärmung der zu verschweißenden Komponenten verbessert werden kann. Erste Schweißversuche wurden an im Ofen vorgewärmten Bauteilen durchgeführt. Nachteilig hieran ist, dass eine solche Ofenvorwärmung und anschließende Schweißung für eine industrielle Anwendung schwierig umzusetzen ist. Investigations show that an improvement in the seam surface can be improved by preheating the components to be welded. Initial welding tests were carried out on components preheated in the furnace. The disadvantage of this is that such a furnace preheating and subsequent welding is difficult to implement for industrial application.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserschweißen von Kavitäten aufweisenden Bauteilen der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass die Entstehung von Wurzeldurchhängen auch nach dem Ausschalten der Laserstrahlung vermieden wird. Object of the present invention is therefore to provide a method and apparatus for laser welding of cavities having components of the type mentioned in such a way that the formation of root passages is avoided even after switching off the laser radiation.
Ferner soll das Verfahren zur Automatisierung geeignet sein, um kurze Prozesszeiten zu erreichen. Furthermore, the method should be suitable for automation in order to achieve short process times.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die zu schweißenden Bauteile in dem Vorwärmprozess im Bereich der herzustellenden Schweißnähte durch Laserstrahlung vorgewärmt werden und/oder dass die tiefgeschweißten Schweißnähte in einem Wärmeleitungsschweißprozess durch Laserstrahlung nachbehandelt werden. Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ist die Aufgabe ferner dadurch gelöst, dass die Steuerungseinrichtung automatisch die Zoom-Optik einstellt und die Laserstrahleinrichtung durch Betätigung der Antriebseinrichtung verfährt, um die zu schweißenden Bauteile vor der Durchführung des Tiefschweißprozesses einem Vorwärmprozess zu unterwerfen, in welchem die zu schweißenden Bauteile im Bereich der herzustellenden Schweißnähte vorgewärmt werden und/oder um die während des Tiefschweißprozesses hergestellten Schweißnähte in einem Wärmeleitungsschweißprozess durch Laserstrahlung nachzubehandeln. This object is achieved in a method of the type mentioned above in that the components to be welded are preheated in the preheating in the welds to be produced by laser radiation and / or that the deep-welded seams are treated by laser radiation in a heat conduction welding process. In a device of the type mentioned above, the object is further achieved in that the control device automatically adjusts the zoom optics and moves the laser beam device by operating the drive means to subject the components to be welded before performing the deep welding process a preheating in which the to be welded components to be welded in the range of welds to be produced and / or to post-treat the welds produced during the deep welding process in a heat conduction welding process by laser radiation.
Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, nicht nur den eigentlichen Fügeprozess, d.h. den Tiefschweißprozess, mittels Laserstrahlung durchzuführen, sondern auch den Vorwärmprozess und/oder die Nachbehandlung durch einen Wärmeleitungsschweißprozess. Hierdurch wird es möglich, alle zum Schweißen erforderlichen Prozessschritte mittels einer einzigen Laserschweißeinrichtung auszuführen, wodurch einerseits der apparatetechnische Aufwand gering gehalten wird und andererseits kurze Prozesszeiten erreicht werden können. The invention is therefore based on the consideration, not only the actual joining process, i. the deep welding process to perform by means of laser radiation, but also the preheating and / or the post-treatment by a heat conduction welding process. This makes it possible to carry out all the process steps required for welding by means of a single laser welding device, whereby on the one hand the apparatus-technical effort is kept low and on the other hand, short process times can be achieved.
Gerätetechnisch wird hierzu eine Laserstrahleinrichtung eingesetzt, die eine Laserstrahlquelle und eine im Strahlengang der Laserstrahlquelle positionierte Zoom-Optik aufweist. Diese wird durch die Steuerungseinrichtung der Laserschweißvorrichtung für den durchzuführenden Schweißprozessschritt (Vorwärmen, Tiefschweißen, Wärmeleitungsschweißen) jeweils in geeigneter Weise eingestellt. Für den Tiefschweißprozess empfiehlt sich die Bearbeitung mit einem Laserstrahl, der eine sogenannte Top Hat-Intensitätsverteilung aufweist. Entsprechend stellt die Steuerungseinrichtung die Laserstrahleinrichtung und insbesondere die Zoom-Optik automatisch ein, um den Tiefschweißprozess mit der Top Hat-Intensitätsverteilung durchzuführen. Für den Vorwärmprozess und den Wärmeleitungsschweißprozess sind geringere Laserintensitäten, dafür jedoch größere Einstrahlungsflächen (Brennpunkte) an den zu bearbeitenden Bauteilen gewünscht. Entsprechend wird die Zoom-Optik für diese Prozesse jeweils so eingestellt, dass sie für den durchzuführenden Prozess den Laserstrahl geeignet fokussieren und auf diese Weise die Größe des Brennpunktes und damit auch die Intensität der durch den Laserstrahl eingebrachten Energie eingestellt wird. Device technology, a laser beam device is used for this purpose, which has a laser beam source and a positioned in the beam path of the laser beam source zoom optics. This is set by the controller of the laser welding apparatus for the welding process step to be performed (preheating, deep welding, thermal conduction welding), respectively. For the deep welding process, it is recommended to use a laser beam that has a has so-called top hat intensity distribution. Accordingly, the controller automatically adjusts the laser beam device, and particularly the zoom optics, to perform the deep welding process with the top hat intensity distribution. For the preheating process and the heat conduction welding process, lower laser intensities are required, but larger irradiation areas (focal points) on the components to be processed are desired. Accordingly, the zoom optics for these processes are each set so that they appropriately focus the laser beam for the process to be performed and in this way the size of the focal point and thus also the intensity of the introduced by the laser beam energy is adjusted.
Es hat sich gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Schweißnähte keiner oder nur noch einer geringfügigen Nachbearbeitung bedürfen und eine hohe Schweißnahtqualität ohne Zusatzwerkstoffe erreicht werden kann. It has been found that welds produced by the method according to the invention require no or only a minor reworking and a high weld quality can be achieved without additional materials.
Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt With regard to advantageous embodiments of the invention, reference is made to the following description of an embodiment with reference to the accompanying drawings. In the drawing shows
Die
Erfindungsgemäß werden die beiden Bauteile
Zur Durchführung dieses dreistufigen Fügeprozesses wird eine Laserschweißvorrichtung
Die Zoom-Optik
In dem Tiefschweißprozess ist die Einbringung einer hohen Energiedichte bis in eine Tiefe von mehreren Millimetern in die zu fügenden Bauteile erforderlich. Entsprechend wird die Linse
Zur Ausführung des Vorwärmprozesses, der vor dem Schweißprozess stattfindet, und des Wärmeleitungsschweißprozesses, in welchem die tiefgeschweißten Nähte nachbehandelt werden, ist der Eintrag von Laserstrahlung gegenüber dem Tiefschweißvorgang auf einer größeren Fläche und mit einer geringeren Intensität gewünscht. Entsprechend wird hier die verstellbare Linse
Zur Herstellung einer Schweißverbindung wird die Laserschweißeinrichtung
Nach Durchführung des Vorwärmprozesses wird die Linse
Nach Beendigung des Tiefschweißprozesses wird die Linse
Die vorgenannten Vorgänge laufen automatisch ab, da die Kontur der herzustellenden Schweißnaht
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
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