DE102014206302A1

DE102014206302A1 - Method of welding

Info

Publication number: DE102014206302A1
Application number: DE102014206302.7A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Siemens AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Siemens AG
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2015-10-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen, bei dem eine Energiequelle und/oder eine Materialzufuhr zum Schweißen in in sich kreuzenden, gebogen verlaufenden Bahnen, insbesondere vollständig gebogen verlaufenden Bahnen, gegenüber der Oberfläche eines Substrats bewegt werden.The invention relates to a method for welding in which an energy source and / or a material supply for welding in intersecting, curved paths, in particular completely curved paths, are moved relative to the surface of a substrate.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren mit einem Laserstrahl. The invention relates to a welding method with a laser beam.

Beim Laserauftragschweißen von Nickelbasis-Superlegierungen mit hohem Anteil an metallischer Phase γ‘ kann es schon während der Erstarrung der Schmelze zur Heißrissbildung kommen. Durch Verkleinerung des Strahldurchmessers des Lasers mit kreisförmiger Intensitätsverteilung wird die Abkühlrate erhöht und Erstarrungsrisse können vermieden werden. Jedoch wird dadurch die Aufbauraute des Materials kleiner. In laser cladding of nickel-base superalloys with a high proportion of metallic phase γ ', hot cracking may occur even during the solidification of the melt. By reducing the beam diameter of the laser with a circular intensity distribution, the cooling rate is increased and solidification cracks can be avoided. However, this reduces the build-up of the material.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe eines Schweißverfahrens, mit dem hohe Abkühlraten und gleichzeitig große Aufbauraten erzielt werden können. The object of the invention is therefore to specify a welding method with which high cooling rates and at the same time large build-up rates can be achieved.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Verfahrens zum Schweißen, wobei eine Energiequelle und/oder eine Materialzufuhr zum Schweißen in in sich kreuzenden, gebogen verlaufenden Bahnen, insbesondere in vollständig gebogen verlaufenden Bahnen, gegenüber der Oberfläche eines Substrats bewegt werden. Bevorzugt sind die gebogen verlaufenden Bahnen als Schleifen ausgeführt. The object is achieved by specifying a method for welding, wherein an energy source and / or a material supply for welding in intersecting, curved tracks, in particular in fully curved tracks, are moved relative to the surface of a substrate. Preferably, the curved tracks are designed as loops.

Durch die bogen- bzw. schleifenförmige Bewegung der Energiequelle, insbesondere eines Laserstrahls, werden eine Keimbildung und Kornwachstum in der sogenannten‚ „Mushy Zone“, d.h. der breiigen Zone, zwischen vollkommen flüssig und vollkommen fester Schmelze, generiert. Erfindungsgemäß wird der Verfahrensparameter insbesondere beim Laserauftragschweißen und -umschmelzen nun so festgelegt, dass eine Keimbildung und Kornwachstum in dieser Mushy Zone erzeugt werden. Somit wird das Wachstum einer kolumnaren Erstarrungsfront unterdrückt bzw. vollständig vermieden. Dies bedeutet, dass sich durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Erstarrungsbedingungen, insbesondere der Temperaturgradient G und die Erstarrungsgeschwindigkeit v, in der Schmelze so beeinflussen lassen, dass das Gefüge des Substrats mit einer globular dendritischen Struktur (equiaxed dendritic) erstarrt. The arcuate motion of the energy source, particularly a laser beam, causes nucleation and grain growth in the so-called "Mushy Zone", i. the pulpy zone, between completely liquid and completely solid melt generated. In accordance with the invention, the process parameter, in particular during laser deposition welding and remelting, is now determined such that nucleation and grain growth are produced in this Mushy zone. Thus, the growth of a columnar solidification front is suppressed or completely avoided. This means that by applying the method according to the invention, the solidification conditions, in particular the temperature gradient G and the solidification rate v, can be influenced in the melt such that the structure of the substrate solidifies with a globular dendritic structure (equiaxed dendritic).

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.

Bevorzugt wird zunächst eine obere Schleife gefahren und anschließend eine untere Schleife gefahren, wobei die obere Schleife im Wesentlichen dem oberen Teil einer achtförmigen Bahn und der untere Teil im Wesentlichen dem unteren Teil einer achtförmigen Bahn entspricht. Insbesondere kann die obere Schleife versetzt zu der unteren Schleife liegen. Auch kann die obere Schleife zwischen zwei unteren Schleifen liegen. Preferably, an upper loop is first driven and then driven a lower loop, wherein the upper loop substantially corresponds to the upper part of an eight-shaped path and the lower part substantially to the lower part of an eight-shaped path. In particular, the upper loop may be offset from the lower loop. Also, the upper loop may lie between two lower loops.

Auch kann zunächst eine untere Schleife gefahren werden und anschließend eine obere Schleife gefahren werden, wobei die untere Schleife im Wesentlichen dem unteren Teil einer achtförmigen Bahn und der obere Teil im Wesentlichen dem oberen Teil einer achtförmigen Bahn entspricht. Bevorzugt liegt die untere Schleife zwischen zwei oberen Schleifen. Also, first a lower loop can be driven and then driven an upper loop, the lower loop substantially corresponds to the lower part of an eight-shaped path and the upper part substantially to the upper part of an eight-shaped path. Preferably, the lower loop is between two upper loops.

Insbesondere sind die sich kreuzenden, gebogen verlaufenden Bahnen achtförmige Bahnen. In particular, the intersecting curved tracks are octahedral tracks.

Durch die Schleifen oder die achtförmigen Bahnen ist eine einfache Pendelbewegung, d.h. sogenannte „Butterfly“-Bewegung der Laserstrahlung möglich. Modellierungsergebnisse haben gezeigt, dass durch Anwendung einer solchen Strategie, sich die Erstarrungsbedingungen (Temperaturgradient G, Erstarrungsgeschwindigkeit v) in der Schmelze besonders gut beeinflussen lassen. Auch ist diese Bewegung besonders einfach, und ohne abzusetzen mit dem Laser durchführbar. By the loops or the eight-shaped tracks is a simple pendulum motion, i. so-called "butterfly" movement of the laser radiation possible. Modeling results have shown that by applying such a strategy, the solidification conditions (temperature gradient G, solidification rate v) in the melt can be influenced particularly well. Also, this movement is particularly simple, and can be carried out without settling with the laser.

Bevorzugt wird jeder Bahndurchlauf mit einem Versatz gegenüber dem vorherigen Bahndurchlauf durchgeführt, so dass sich nur teilweise oder gar keine Überlappungen ergeben. In bevorzugter Ausgestaltung wird der Versatz in Bearbeitungsrichtung vorgenommen. Preferably, each web run is performed with an offset from the previous web run, so that only partially or no overlap result. In a preferred embodiment, the offset is made in the machining direction.

In bevorzugter Ausgestaltung können die verschiedenen Bahnen stetig, insbesondere differenzierbar, abgefahren werden. Dieses kommt dadurch zustande, dass die Bewegung für die gebogene bzw. schleifenförmige Bahn durch eine Linearbewegung quer zur Acht überlagert wird. Der Endpunkt einer Schleife ist quasi Startpunkt der nächsten Schleife. In a preferred embodiment, the various webs can be traveled steadily, in particular differentiable. This is due to the fact that the movement for the curved or loop-shaped path is superimposed by a linear movement across the eight. The end point of a loop is virtually the starting point of the next loop.

Das Schweißverfahren kann ein Umschmelzen oder ein Laserauftragschweißen darstellen. Bei beiden Verfahren gibt es eine Schmelze, so dass das Wachstum einer kolumnaren Erstarrungsfront unterdrückt wird. The welding process may be remelting or laser cladding. In both processes, there is a melt, so that the growth of a columnar solidification front is suppressed.

In bevorzugter Ausgestaltung werden die Energiequelle und die Materialzufuhr zusammen als eine Schweißdüse verwendet, die die Erzeugung und Zufuhr der Energie, insbesondere der Laserstrahlung, aufweisen. Die Laserstrahlung wird dabei in einem Lasergerät erzeugt. Die Laserstrahlung wird in Abhängigkeit von der Wellenlänge z.B. mittels Glasfaser vom Lasergerät bis zur Bearbeitungsoptik an der Werkzeugmaschine geführt. Hier wird die Laserstrahlung durch optische Elemente, z.B. Linsen, erst parallelisiert, und dann in Richtung des Substrats fokussiert. An diese Bearbeitungsoptik ist für den Fall des Auftragschweißens beispielsweise eine Pulverdüse montiert, die für die Materialzufuhr benötigt wird. Diese Pulverdüse ist beispielweise rotationssymmetrisch, und hat innen eine Öffnung, durch die die Laserstrahlung hindurch passt. Pulverdüse und Laserstrahlung werden so zueinander justiert, dass das Zusatzmaterial (Metallpulver) und die Laserstrahlung an derselben Stelle auf das Substrat treffen. In a preferred embodiment, the energy source and the material supply are used together as a welding nozzle, which have the generation and supply of energy, in particular the laser radiation. The laser radiation is generated in a laser device. The laser radiation is dependent on the wavelength, e.g. guided by glass fiber from the laser device to the processing optics on the machine tool. Here the laser radiation is transmitted through optical elements, e.g. Lenses, first parallelized, and then focused in the direction of the substrate. For example, a powder nozzle, which is required for the supply of material, is mounted on this processing optics in the case of hardfacing. This powder nozzle is rotationally symmetrical, for example, and has an opening on the inside through which the laser radiation passes. The powder nozzle and laser radiation are adjusted to each other so that the additional material (metal powder) and the laser radiation hit the substrate at the same location.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch: Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying figures. In it show schematically:

1: mehrere als schleifenförmige Bahnen 1 ausgestaltete Verfahrbewegungen eines Laserstrahls. 1 several as looped tracks 1 designed traversing movements of a laser beam.

2: mehrere als achtförmige Bahnen 11 ausgestaltete Verfahrbewegungen eines Laserstrahls. 2 several as eight-shaped tracks 11 designed traversing movements of a laser beam.

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. The figures and the description represent only embodiments of the invention.

Die 1 zeigt mehrere als gebogene, schleifenförmige Bahnen 1 ausgestaltete Verfahrbewegungen 2, 3, 4 eines Laserstrahls (nicht gezeigt) in einem Schweißverfahren, insbesondere in einem Laserschweißverfahren in einer Bearbeitungsrichtung 10. Insbesondere können die Bahnen auch als achtförmige Bahnen 11 ausgestaltete Verfahrbewegungen 12, 13, 14 gestaltet sein (2). The 1 shows several as curved, loop-shaped tracks 1 configured traversing movements 2 . 3 . 4 a laser beam (not shown) in a welding process, in particular in a laser welding process in a machining direction 10 , In particular, the webs can also be eight-shaped webs 11 configured traversing movements 12 . 13 . 14 be designed ( 2 ).

Das Verfahren ist nicht beschränkt auf Laserschweißverfahren, sondern gilt auch für Elektronenschweißverfahren und andere Schweißverfahren wie Plasmaschweißverfahren oder auch andere additive Fertigungsverfahren. The method is not limited to laser welding, but also applies to electron welding and other welding processes such as plasma welding or other additive manufacturing processes.

Durch die schleifenförmigen Bahnen lassen sich die Erstarrungsbedingungen, insbesondere der Temperaturgradient G und die Erstarrungsgeschwindigkeit v, in der Schmelze so beeinflussen, dass das Gefüge mit einer globular dendritischen Struktur (equiaxed dendritic) erstarrt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden eine Keimbildung und ein Kornwachstum in der sogenannten „Mushy Zone“ (breiige Zone zwischen vollkommen flüssiger und vollkommen fester Schmelze) erzeugt. Somit wird das Wachstum einer kolumnaren Erstarrungsfront unterdrückt bzw. vollständig vermieden. As a result of the loop-shaped webs, the solidification conditions, in particular the temperature gradient G and the solidification rate v, in the melt can be influenced such that the microstructure solidifies with a globular dendritic structure (equiaxed dendritic). The process according to the invention produces nucleation and grain growth in the so-called "Mushy Zone" (pulpy zone between completely liquid and completely solid melt). Thus, the growth of a columnar solidification front is suppressed or completely avoided.

Dabei sind die schleifenförmigen, insbesondere achtförmigen Bahndurchläufe im Wesentlichen offen. Dies bedeutet im Fall der Acht, dass diese eine offene Form aufweist. Auch geschlossene Formen können jedoch vorkommen. Zudem kann die Schleife, bzw. die Acht eine „quasi“ beliebige schleifenähnliche bzw. achtähnliche Form aufweisen. The loop-shaped, in particular eight-shaped web runs are substantially open. This means in the case of the eight that this has an open shape. However, closed forms may also occur. In addition, the loop or the eight can have a "quasi" arbitrary loop-like or eight-like shape.

Jeder Bahndurchlauf wird mit einem Versatz gegenüber dem vorherigen Bahndurchlauf durchgeführt, so dass sich nur teilweise oder gar keine Überlappungen, bezogen auf die Bahndurchläufe, ergeben. Dabei wird der Versatz in einer Bearbeitungsrichtung 10 vorgenommen. Der Versatz kommt dadurch zustande, dass die achtförmige Bewegung durch einen Vorschub in Bearbeitungsrichtung überlagert wird. Das führt dazu, dass die beiden „Schleifen“ einer „8“ versetzt zueinander liegen, d.h. jede obere Schleife liegt in Vorschubrichtung gesehen, immer zwischen zwei unteren Schleifen (nicht zwangsweise mittig). In der 1 ist das für die drei mittleren unteren Schleifen dargestellt, und die äußeren Schleifen sind in der 1 so mit den oberen Schleifen verbunden, dass ein geschlossener Linienzug entsteht. Each web pass is made with an offset from the previous web pass, resulting in only partial or no overlaps in terms of web passes. In this case, the offset in a machining direction 10 performed. The offset is due to the fact that the achtförmige movement is superimposed by a feed in the machining direction. This results in the two "loops" of an "8" being offset with respect to each other, ie each upper loop is located in the feed direction, always between two lower loops (not necessarily centered). In the 1 this is shown for the three middle lower loops, and the outer loops are in the 1 so connected to the upper loops, that a closed polyline arises.

Die verschiedenen Bahnen werden stetig, insbesondere differenzierbar abgefahren. The different tracks are traversed continuously, in particular differentiable.

Bevorzugt werden die Energiequelle und/oder die Materialzufuhr in horizontaler Bearbeitungsrichtung in in sich kreuzenden, gebogen verlaufenden Bahnen, insbesondere vollständig gebogen verlaufenden Bahnen zur Oberfläche bewegt. Als Substrat kann dabei eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung verwendet werden. The energy source and / or the material supply in the horizontal machining direction are preferably moved in intersecting, curved paths, in particular completely curved paths, to the surface. As a substrate, a nickel- or cobalt-based superalloy can be used.

Bei der zu schweißenden Fläche werden vorzugsweise mehrere, schleifenförmig ausgebildete Bahnen, Schweißraupen, nebeneinander erzeugt oder aufgetragen, die sich auch überlappen können. In the area to be welded, a plurality of loop-shaped webs, weld beads, are preferably produced or applied next to one another, which can also overlap.

Durch diese Vorgehensweise werden aufgrund der Erfindung verbesserte Materialeigenschaften erreicht. By virtue of this procedure, improved material properties are achieved on the basis of the invention.

Claims

A method of welding, characterized in that an energy source and / or a material supply for welding in intersecting, curved paths, in particular fully curved tracks, are moved relative to the surface of a substrate.

A method of welding according to claim 1, characterized in that the curved tracks are designed as loops.

Welding method according to claim 2, characterized in that first an upper loop is run and then a lower loop is driven, the upper loop substantially corresponding to the upper part of an eight-shaped track and the lower part substantially to the lower part of an eight-shaped track ,

A method of welding according to claim 3, characterized in that the upper loop is offset from the lower loop.

Welding method according to claim 3 or 4, characterized in that the upper loop lies between two lower loops.

Welding method according to any one of claims 2, characterized in that first a lower loop and then an upper loop is driven, the lower loop substantially corresponding to the lower part of an octagonal track and the upper part substantially to the upper part of an octagonal track ,

Welding method according to claim 6, characterized in that the lower loop lies between two upper loops.

Welding method according to one of the preceding claims, characterized in that the intersecting, curved tracks are in the form of octagonal tracks ( 11 ) are configured.

Welding method according to one of the preceding claims, characterized in that each web pass is performed with an offset from the previous web pass, so that only partial or no overlaps result.

Welding method according to claim 9, characterized in that the offset in the machining direction ( 10 ) is made.

Welding method according to one of the preceding claims, characterized in that the different webs are traversed continuously, in particular differentiable, with one another.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a remelting takes place.

Method according to one of the preceding claims 1-11, characterized in that a build-up welding takes place.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the energy source and / or the material supply in the horizontal machining direction ( 10 ) in intersecting, curved tracks, in particular completely curved tracks ( 11 ,) are moved to the surface.

Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that a laser radiation is used as an energy source.

Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that nickel- or cobalt-based superalloys are used as the substrate.

Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the energy source and the material supply are used together as a welding nozzle, which has the generation and supply of energy, in particular the laser radiation.