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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Laserstrahl-Auftragsschweißen. Die Erfindung betrifft insbesondere Laserstrahl-Auftragsschweißen mit pulverförmigem Zusatzwerkstoff unter Verwendung einer Pendelbewegung (Wobbel-Strategie).
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Durch eine Pendelbewegung (sogenannte Wobbel-Strategie) des Laserstrahls beim Laserstrahl-Auftragsschweißen kann eine Keimbildung und Kornwachstum in der breiigen Zone (mushy zone) gezielt erzeugt werden, so dass das Wachstum einer kolumnaren Erstarrungsfront unterdrückt bzw. vollständig vermieden.
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Bei der derzeitig eingesetzten kommerziell verfügbaren Anlagentechnik können nur begrenzte Strategien für die Pendelbewegung beim Auftragsschweißen eingesetzt werden. Aufgrund der benötigten großen Beschleunigungskräfte sind Pendelfrequenzen von bis zu 50 Hz somit nicht zu erzielen.
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Zahlreiche Bauteile von Gasturbinen oder Dampfturbinen, insbesondere Laufschaufeln und Leitschaufeln, sind während des Betriebes der Turbine erheblichen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen ausgesetzt. Daher sind Verfahren zur Reparatur und Wiederaufarbeitung von Turbinenbauteilen, wie beispielsweise Laserstrahl-Auftragsschweißen, von großem ökonomischem Interesse.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine vorteilhafte Anordnung und ein vorteilhaftes Verfahren zum Laserstrahl-Auftragsschweißen zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Laserstrahl-Auftragsschweißen gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen umfasst eine Arbeitsplatte zum Auflegen eines zu bearbeitenden Werkstücks bzw. Bauteils während des Laserstrahl-Auftragsschweißens. Die Arbeitsplatte ist auf Federn, zum Beispiel Blattfedern, gelagert. Zudem ist die Arbeitsplatte dazu ausgelegt zum Schwingen angeregt zu werden bzw. in Schwingung versetzt zu werden.
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Unter einer Arbeitsplatte wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine Vorrichtung mit einer Arbeitsoberfläche verstanden. Die Arbeitsoberfläche kann eben ausgestaltet sein, eine ebene Oberfläche ist aber nicht zwingend erforderlich.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass eine Schwingung oder Pendelbewegung des Arbeitspunktes des Laserstrahls in Bezug auf das Werkstück oder Bauteil allein durch eine Schwingung der Arbeitsplatte, auf der das Werkstück angeordnet werden kann, realisiert werden kann. Eine Pendelbewegung oder Schwingung des Laserstrahls bzw. einer Vorrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls ist nicht erforderlich. Es lassen sich somit gezielt die für die Schwingung bzw. das Oszillieren notwendigen Verfahrensparameter, wie zum Beispiel die Pendelfrequenz der Laserstrahlung im Schmelzbad, beeinflussen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst vorzugsweise eine Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen, wobei die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen ihrerseits eine Laserstrahlquelle, eine Pulverfördereinrichtung und eine Düse zur Pulverzufuhr umfasst. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen über der Arbeitsplatte angeordnet.
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Weiterhin kann die Anordnung einen Motor und eine Unwucht umfassen. Der Motor und die Unwucht können so angeordnet und ausgelegt sind, dass beim Betrieb des Motors die Arbeitsplatte zum Schwingen angeregt wird. Auf diese Weise kann durch geeignete Einstellung der Drehzahl des Motors die Schwingungsfrequenz der Arbeitsplatte eingestellt und gegebenenfalls gesteuert werden. Der Motor und die Unwucht können beispielsweise zur Erzeugung einer Schwingungsfrequenz zwischen 10 Hz und 50 Hz ausgelegt sein.
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Prinzipiell kann die Arbeitsplatte in der Form eines Tisches ausgestaltet sein. Sie kann insbesondere eine Anzahl Beine, zum Beispiel 3 oder 4 Tischbeine, umfassen. Die Federn, zum Beispiel Blattfedern, auf denen die Arbeitsplatte gelagert ist, können zwischen der Arbeitsplatte und den Beinen angeordnet sein. Grundsätzlich können die an der Arbeitsplatte angeordneten Beine aber auch Federn umfassen oder als Federn ausgestaltet sein.
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Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Anordnung ein Dämpfersystem. Das Dämpfersystem kann zum Beispiel an der Arbeitsplatte angeordnet sein. Mithilfe des Dämpfersystems kann das Schwingungsverhalten der Arbeitsplatte beeinflusst werden. Das Dämpfersystem ermöglicht insbesondere eine gezielte Einstellung der Schwingungsamplitude.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist unter anderem zur Herstellung und Reparatur bzw. Wiederaufarbeitung von Turbinenbauteilen, beispielsweise von Turbinenschaufeln geeignet. Dabei kann es sich um eine Gasturbinenschaufel oder eine Dampfturbinenschaufel handeln. Weiterhin kann es sich bei der Turbinenschaufel um eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel handeln. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht grundsätzlich den Einsatz der sogenannten Wobbelstrategie beim Laserstrahl-Auftragsschweißen von Nickelbasis-Superlegierungen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorteilhafterweise zum Laserstrahl-Auftragsschweißen einer Nickelbasis-Superlegierung ausgelegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserstrahl-Auftragsschweißen umfasst die folgenden Schritte: Ein zu bearbeitendes Werkstück bzw. Bauteil wird auf einer Arbeitsplatte angeordnet, bevorzugt befestigt. Die Arbeitsplatte und das Werkstück werden in Schwingung versetzt bzw. zum Schwingen angeregt. Das Werkstück wird durch Laserstrahl-Auftragsschweißen mittels einer Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen bearbeitet während das Werkstück (gemeinsam mit der Arbeitsplatte) schwingt. Dabei wird die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen in einer Vorschubrichtung über das Werkstück geführt.
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Das Verfahren kann vorzugsweise mithilfe einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden. Es hat grundsätzlich dieselben Vorteile wie die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Die Arbeitsplatte und das Werkstück können zum Beispiel in vertikaler und/oder horizontaler Richtung in Schwingung versetzt bzw. zum Schwingen angeregt werden.
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Bevorzugt werden die Arbeitsplatte und das Werkstück mit Hilfe eines Motors und einer Unwucht in Schwingung versetzt bzw. zum Schwingen angeregt. Dabei können der Motor und/oder die Unwucht unter der Arbeitsplatte angeordnet sein.
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Optional werden die Arbeitsplatte und das Werkstück quer zur Vorschubrichtung in Schwingung versetzt bzw. zum Schwingen angeregt. Auf diese Weise wird eine Pendelbewegung des Arbeitspunktes des Laserstrahls auf dem Werkstück erzeugt.
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Die Schwingung der Arbeitsplatte und des Werkstücks kann grundsätzlich gedämpft werden, zum Beispiel durch ein Dämpfersystem, welches an der Arbeitsplatte angeordnet oder befestigt ist.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere eine Schwingungsfrequenz der Arbeitsplatte und/oder des Werkstücks zwischen 10 Hz und 50 Hz erzeugt werden. Dies stellt eine Erhöhung der Schwingungsfrequenz gegenüber herkömmlichen Verfahren dar und ermöglicht verbesserte, insbesondere homogenere Materialeigenschaften des aufgetragenen Materials. Durch die oszillierende Erstarrungsfront wird ein feinkörniges Gefüge erzeugt. Damit wird gleichzeitig die Qualität des erzeugten Werkstücks bzw. Bauteils verbessert.
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Optional kann das Werkstück bzw. Bauteil eine Nickelbasis-Superlegierung umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine Nickelbasis-Superlegierung durch Laserstrahl-Auftragsschweißen aufgetragen werden. Es kann beispielsweise ein Werkstück oder Bauteil verwendet werden und durch Laserstrahl-Auftragsschweißen mittels einer Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen bearbeitet werden, welches eine Nickelbasis-Superlegierung umfasst. Dabei kann insbesondere Material der Nickelbasis-Superlegierung durch Laserstrahl-Auftragsschweißen aufgetragen werden.
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Bei dem Werkstück bzw. Bauteil kann es sich um ein Bauelement einer Gasturbine oder einer Dampfturbine handeln, insbesondere um eine Turbinenschaufel, zum Beispiel eine Laufschaufel oder eine Leitschaufel.
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Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Eingrenzung des Parameterfeldes, verbesserte Materialeigenschaften des Bauteils im Vergleich zu konventionell geschweißten Bauteilen, Einsparung von Material und eine Verkleinerung der Ausschusszahlen bei Service-Bauteilen.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsvarianten stellen lediglich Beispiele dar, welche den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht beschränken.
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1 zeigt schematisch eine Gasturbine.
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2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anlage in einer Schnittansicht.
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Die 1 zeigt schematisch eine Gasturbine. Eine Gasturbine weist im Inneren einen um eine Rotationsachse drehgelagerten Rotor mit einer Welle 107 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 109, ein Verdichter 101, eine Brenneranordnung 15, eine Turbine 105 und das Abgasgehäuse 190.
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Die Brenneranordnung 15 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 105. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißgaskanal einer Leitschaufelreihe 117 eine aus Laufschaufeln 115 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 117 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 115 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor angebracht sind. An dem Rotor angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine.
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Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 101 durch das Ansauggehäuse 109 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 101 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brenneranordnungen 15 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums in der Brennkammer verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 117 und den Laufschaufeln 115 vorbei. An den Laufschaufeln 115 entspannt sich das Arbeitsmedium impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 115 den Rotor antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
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Die 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Anlage 1 in einer Schnittansicht. Die Anlage 1 umfasst eine Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen 2. Die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen 2 umfasst beispielsweise eine Laserstrahlquelle (in der 2 nicht gezeigt) zur Erzeugung von Laserstrahlung 3, eine Pulverfördereinrichtung (in der 2 nicht gezeigt) und eine Düse 4 zur Pulverzufuhr zu einem Arbeitspunkt 9.
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Die Anlage 1 umfasst zudem eine Arbeitsplatte 5, die auf Federn 6, zum Beispiel Blattfedern), gelagert ist. Die Arbeitsplatte kann in der Form eines Tisches ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen 2 über der Arbeitsplatte 5 angeordnet.
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Weiterhin umfasst die Anlage 1 einen Motor 7 und eine Unwucht 8. Die Arbeitsplatte 5, der Motor 7 und die Unwucht 8 sind so angeordnet, dass die Arbeitsplatte 5 über den Motor 7 und die Unwucht 8 zum Schwingen angeregt werden kann. Vorteilhafterweise sind der Motor 7 und die Unwucht 8 an der Arbeitsplatte 5 befestigt. In der 2 sind der Motor 7 und die Unwucht 8 unter der Arbeitsplatte 5 angeordnet und dort befestigt.
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Die in der 2 gezeigte Anlage 1 umfasst zudem ein Dämpfersystem 10. Mittels des Dämpfersystems 10 lässt sich das Schwingungsverhalten, zum Beispiel die Amplitude, beeinflussen. Das Dämpfersystem 10 ist in der 2 an der Arbeitsplatte 5 angeordnet und dort befestigt.
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Durch die beschriebene Anlagentechnik lassen sich somit gezielt die für das Oszillieren notwendigen Verfahrensparameter, zum Beispiel die Pendelfrequenz der Laserstrahlung im Schmelzbad, beeinflussen.
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Bevorzugt ist die Anlage 1 zum Laserstrahl-Auftragsschweißen einer Nickelbasis-Superlegierung ausgelegt. Dies ermöglicht zum Beispiel die Herstellung oder Reparatur von Turbinenbauteilen, zum Beispiel von in der 1 gezeigten Gasturbinenbauteilen. Bei dem Turbinenbauteil handelt es sich vorzugsweise um eine Turbinenschaufel. Dabei kann es sich um eine Gasturbinenschaufel oder eine Dampfturbinenschaufel handeln. Weiterhin kann es sich bei der Turbinenschaufel um eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel handeln.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserstrahl-Auftragsschweißen, wird ein zu bearbeitendes Werkstück oder Bauteil, zum Beispiel eines der zuvor genannten Turbinenbauteile, auf der Arbeitsplatte 5 angeordnet und gegebenenfalls befestigt. Die Arbeitsplatte 5 und das Werkstück werden in Schwingung versetzt bzw. zum Schwingen angeregt und das Werkstück wird durch Laserstrahl-Auftragsschweißen mittels der Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen 2 bearbeitet wird während das Werkstück gemeinsam mit der Arbeitsplatte 5 schwingt. Während der Bearbeitung wird die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen 2 in einer Vorschubrichtung 11 über das Werkstück geführt wird.
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Die Arbeitsplatte 5 und das Werkstück können dabei in vertikaler und/oder horizontaler Richtung in Schwingung versetzt werden, beispielweise mit Hilfe des Motors 7 und der Unwucht 8. Vorzugsweise wird die Arbeitsplatte 5 und das Werkstück quer zur Vorschubrichtung 11, also in horizontaler Richtung senkrecht zur Vorschubrichtung 11 in Schwingung versetzt.
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Die Schwingung der Arbeitsplatte 5 und des Werkstücks kann gedämpft werden, bevorzugt durch das Dämpfersystem 10, welches an der Arbeitsplatte angeordnet und gegebenenfalls befestigt sein kann.
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Im Rahmen des Verfahrens kann zum Beispiel eine Schwingungsfrequenz der Arbeitsplatte 5 zwischen 10 Hz und 50 Hz erzeugt werden.
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Das Werkstück oder Bauteil kann prinzipiell eine Nickelbasis-Superlegierung umfassen. Bei dem durch Laserstrahl-Auftragsschweißen aufzutragenden Material kann es sich auch um eine Nickelbasis-Superlegierung handeln.
