DE102014219447A1

DE102014219447A1 - Method of laser powder deposition welding and laser powder deposition welding system

Info

Publication number: DE102014219447A1
Application number: DE102014219447.4A
Authority: DE
Inventors: Moritz Fischle; Henning Hanebuth; Christian Werner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-04-14

Abstract

Bei dem Verfahren zum Laserpulver-Auftragsschweißen zumindest eines Bauteils mittels Auftragspulver wird das Auftragspulver elektrisch geladen, das zumindest eine Bauteil entgegengesetzt elektrisch geladen und das Auftragspulver zum Bauteil geführt. Das Laserpulver-Auftragsschweißsystem ist zur elektrischen Ladung des Auftragspulvers und zur nachfolgenden Führung des Auftragspulvers zum Bauteil ausgebildet.In the method for laser powder build-up welding of at least one component by means of application powder, the application powder is electrically charged, the at least one component is electrically charged in opposite directions and the application powder is guided to the component. The laser powder build-up welding system is designed for the electrical charging of the powder applied and for the subsequent guidance of the powder applied to the component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserpulver-Auftragsschweißen sowie ein Laserpulver-Auftragsschweißsystem. The invention relates to a method for laser powder build-up welding and a laser powder build-up welding system.

Es ist bekannt, große zu beschichtende Oberflächen mittels Plasmapulver-Auftragsschweißens zu beschichten. Plasmapulver-Auftragsschweißen lässt sich bei geringer Anfälligkeit der Oberflächen für einen gesteigerten Wärmeeintrag nutzen, wobei vorteilhafterweise hohe Auftragsraten erzielt werden können. It is known to coat large surfaces to be coated by plasma powder build-up welding. Plasma powder build-up welding can be used with low susceptibility of the surfaces for increased heat input, with advantageously high application rates can be achieved.

Es ist weiterhin bekannt, Oberflächen mittels Laserpulver-Auftragsschweißens zu beschichten, welches die Vorteile einer geringen Aufmischung mit dem Grundwerkstoff und einer gut steuerbaren Energieeinbringung aufweist. It is also known to coat surfaces by laser powder build-up welding, which has the advantages of low mixing with the base material and a well controllable energy input.

Die Auftragsrate beim Laserpulver-Auftragsschweißen kann gesteigert werden, indem die Laserleistung und die Pulvermenge gesteigert werden. Ein hoher Anteil an Auftragspulver jedoch, welches nicht im Laserstrahl geschmolzen wird und folglich nicht zum Auftragsschweißen selbst zur Verfügung steht, bedingt zusätzlichen Aufwand. Dieses überschüssige Auftragspulver muss aufgefangen und entsorgt oder aufbereitet werden. The deposition rate in laser powder build-up welding can be increased by increasing the laser power and powder quantity. However, a high proportion of application powder, which is not melted in the laser beam and therefore not available for build-up welding itself, requires additional effort. This excess application powder must be collected and disposed of or processed.

Ferner sind gegenwärtig die Schichtdicken beim Laserpulver-Auftragsschweißen von Fördermengenschwankungen des Pulverförderers, des Fördergasstroms und der Lage des Bauteils (vorwiegend in Wannenlage) abhängig. Furthermore, at present, the layer thicknesses in laser powder build-up welding are dependent on fluctuations in the flow rate of the powder conveyor, the conveying gas flow and the position of the component (predominantly in the tub position).

Vor diesem Hintergrund des Standes der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Laserpulver-Auftragsschweißen sowie ein verbessertes Laserpulver-Auftragsschweißsystem zur Verfügung zu stellen. Insbesondere soll mittels der Erfindung eine Erhöhung des Pulver-Wirkungsgrades des Laserpulver-Auftragsschweißens realisierbar sein. Ferner soll bevorzugt eine Senkung des Pulverausschusses realisierbar sein. Against this background of the prior art, it is therefore an object of the invention to provide an improved method for laser powder build-up welding as well as an improved laser powder build-up welding system. In particular, should be feasible by means of the invention, an increase in the powder efficiency of the laser powder buildup welding. Furthermore, preferably a reduction of the powder scrap should be feasible.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Laserpulver-Auftragsschweißen mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Laserpulver-Auftragsschweißsystem zum Laserpulver-Auftragsschweißen mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. This object is achieved by a method for laser powder build-up welding with the features specified in claim 1 and with a laser powder build-up welding system for laser powder build-up welding with the features specified in claim 5. Preferred embodiments of the invention will become apparent from the accompanying dependent claims, the following description and the drawings.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Laserpulver-Auftragsschweißen zumindest eines Bauteils mittels Auftragspulver wird das Auftragspulver elektrisch geladen, das zumindest eine Bauteil entgegengesetzt elektrisch geladen und das Auftragspulver zum Bauteil geführt. In the method according to the invention for laser powder build-up welding of at least one component by means of application powder, the application powder is electrically charged, the at least one component is electrically charged in opposite directions and the application powder is guided to the component.

Infolge der Ladung des Bauteils und des Auftragspulvers wird das Auftragspulver verbessert auf das Bauteil fokussiert. Beim Laserpulver-Auftragsschweißen wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein höherer Wirkungsgrad erzielt. Insbesondere ist der Pulverwirkungsgrad gegenüber bekannten Verfahren zum Laserpulver-Auftragsschweißen deutlich erhöht. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich folglich bei gleicher Auftragsrate die Laserleistung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren senken oder aber bei gleicher Laserleistung die Auftragsrate erhöhen. Vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren sowohl bei Ein- als auch bei Mehrpulversystemen anwenden. Vorteilhaft lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der Pulverausschuss deutlich, insbesondere um etwa 20%, senken. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserpulver-Auftragsschweißen besteht darin, dass eine Beschichtung von Bauteilen unabhängig von der Lage der Bauteile möglich ist. Insbesondere lässt sich in Steigposition (also in der Position PF) und/oder in Querposition (in Position PC) und/oder in Überkopfposition (Position PE) und/oder in Fallposition (Position PG) durchführen. Die Pulverstrahlqualität lässt sich in Bezug auf die Fokussierung erheblich verbessern. Weiterhin vorteilhaft bleiben Partikel des Auftragspulvers, welche nicht in der Prozesszone verbleiben, am Bauteil hängen, so dass die Konzentration von Schwebpartikeln in der Raumluft reduziert ist, was insbesondere im Hinblick auf die Arbeitssicherheit vorteilhaft ist. As a result of the charge of the component and the powder applied, the application powder is focused on the component improved. In the case of laser powder build-up welding, a higher efficiency is achieved by means of the method according to the invention. In particular, the powder efficiency is significantly increased over known methods for laser powder build-up welding. By means of the method according to the invention, the laser power can thus be reduced at the same application rate compared with methods known from the prior art or else the application rate can be increased with the same laser power. Advantageously, the method of the invention can be used both in single and in multi-powder systems. Advantageously, by means of the process according to the invention, the powder broke can be reduced significantly, in particular by about 20%. Another advantage of the method according to the invention for laser powder build-up welding is that a coating of components is possible regardless of the position of the components. In particular, it is possible to perform in ascending position (ie in the position PF) and / or in transverse position (in position PC) and / or in overhead position (position PE) and / or in fall position (position PG). The powder jet quality can be significantly improved in terms of focusing. Also advantageous remain particles of the powder applied, which do not remain in the process zone, hang on the component, so that the concentration of suspended particles in the ambient air is reduced, which is particularly advantageous in terms of safety at work.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Pulverdüse herangezogen, welche mit einer elektrischen Hochspannung beaufschlagt wird. Unter einer Hochspannung im Sinne dieser Erfindung ist eine Spannung von zumindest einem kV zu verstehen. Zweckmäßigerweise ist die Hochspannung eine Spannung von mindestens 20 kV, idealerweise von zumindest 60 kV. Auf diese Weise kann das Auftragspulver bei dem Verfahren zum Laserpulver-Auftragsschweißen wie an sich bekannt durch die Pulverdüse auf das Bauteil geströmt werden. Beim Durchströmen der Pulverdüse wird das Auftragspulver infolge der elektrischen Hochspannung zugleich elektrisch geladen. In a preferred embodiment of the method according to the invention, a powder nozzle is used, which is subjected to an electrical high voltage. A high voltage in the sense of this invention means a voltage of at least one kV. Conveniently, the high voltage is a voltage of at least 20 kV, ideally at least 60 kV. In this way, in the laser powder build-up welding process, the application powder can be flowed onto the component as known per se by the powder nozzle. When flowing through the powder nozzle, the application powder is at the same time electrically charged due to the electrical high voltage.

Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die elektrische Hochspannung mittels einer Hochspannungskaskade beaufschlagt. Mittels einer Hochspannungskaskade kann eine Hochspannung besonders leicht realisiert werden. Advantageously, in the method according to the invention, the electrical high voltage is applied by means of a high-voltage cascade. By means of a high-voltage cascade, a high voltage can be realized particularly easily.

Idealerweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Tribo-Pulverbeschichtungsdüse und/oder eine Corona-Beschichtungsdüse herangezogen. Die Corona-Beschichtung basiert auf einer Pulverdüse, die mit einer Hochspannungskaskade beaufschlagt wird. Ein Aufschlagspulver-Trägergasgemisch wird durch die Düse hindurchgeführt und die Partikel des Auftragspulvers werden dabei geladen. Über eine am stromabwärtigen Ende der Düse vorhandene Hochspannungselektrode, zweckmäßig eine Hochspannungskathode, werden die Partikel auf das entgegengesetzt geladene Bauteil gelenkt. Ideally, a tribo-powder coating nozzle and / or a corona coating nozzle is used in the process according to the invention. The corona coating is based on a powder nozzle, which is subjected to a high-voltage cascade. A whipper powder-carrier gas mixture is passed through the nozzle and the particles of the powder applied are charged. About a present at the downstream end of the nozzle high voltage electrode, suitably a high voltage cathode, the particles are directed to the oppositely charged component.

Die Tribo-Pulverbeschichtungsdüse (Tribo: kurz für „triboelektrisch“, d.h. „reibungselektrisch“) erlaubt eine Erzeugung einer elektrostatischen Ladung der Partikel des Auftragspulvers im Trägergasstrom, welcher auf das entgegengesetzt geladene Bauteil gerichtet ist. Diese Technologie lässt sich sowohl in Lateral- als auch in Koaxialdüsen von Laserpulver-Auftragsschweißsystemen einsetzen. The tribo powder coating nozzle (Tribo: short for "triboelectric", i.e. "triboelectric") allows to generate an electrostatic charge of the particles of the coating powder in the carrier gas stream which is directed towards the oppositely charged component. This technology can be used in both lateral and coaxial nozzles of laser powder build-up welding systems.

Das erfindungsgemäße Laserpulver-Auftragsschweißsystem ist ein Laserpulver-Auftragsschweißsystem zum Laserpulver-Auftragsschweißen eines Bauteils insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wie zuvor beschrieben. Zweckmäßigerweise ist das erfindungsgemäße Laserpulver-Auftragsschweißsystem zur elektrischen Ladung des Auftragspulvers und zur nachfolgenden Führung des Auftragspulvers zum Bauteil ausgebildet. Mit dem erfindungsgemäßen Laserpulver-Auftragsschweißsystem lässt sich folglich ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den dort genannten Vorteilen durchführen. The laser powder build-up welding system according to the invention is a laser powder build-up welding system for laser powder build-up welding of a component, in particular by the method according to the invention as described above. Expediently, the laser powder build-up welding system according to the invention is designed for the electrical charging of the application powder and for the subsequent guidance of the application powder to the component. With the laser powder build-up welding system according to the invention, consequently, a method according to the invention with the advantages mentioned there can be carried out.

Zweckmäßigerweise weist das erfindungsgemäße Laserpulver-Auftragsschweißsystem mindestens eine Pulverdüse auf, welche zur elektrischen Ladung des Auftragspulvers ausgebildet ist. Expediently, the laser powder build-up welding system according to the invention has at least one powder nozzle, which is designed for the electrical charging of the applied powder.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laserpulver-Auftragsschweißsystems umfasst diese eine Elektrode, welche zur Beaufschlagung der mindestens einen Pulverdüse mit Hochspannung ausgebildet und angeordnet ist. In an advantageous development of the laser powder build-up welding system according to the invention, this comprises an electrode which is designed and arranged to act on the at least one powder nozzle with high voltage.

Idealerweise ist oder sind bei dem erfindungsgemäßen Laserpulver-Auftragsschweißsystem die mindestens eine Pulverdüse mit mindestens einer Tribo-Pulverbeschichtungsdüse und/oder mindestens einer Corona-Beschichtungsdüse gebildet. Ideally, in the case of the laser powder build-up welding system according to the invention, the at least one powder nozzle is or are formed with at least one tribo powder coating nozzle and / or at least one corona coating nozzle.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing.

Die einzige Zeichnungsfigur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Laserpulver-Auftragsschweißsystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserpulver-Auftragsschweißen schematisch im Längsschnitt. The only drawing figure 1 shows a laser powder buildup welding system according to the invention for carrying out the method according to the invention for laser powder buildup welding schematically in longitudinal section.

Das in 1 dargestellte Laserpulver-Auftragsschweißsystem ist zum Laserpulver-Auftragsschweißen eines Bauteils 10 ausgebildet. Dazu umfasst das Laserpulver-Auftragsschweißsystem 20 einen Laserschweißkopf 30, aus welchem in an sich bekannter Weise mittels einer Linse 40 ein Laserstrahl 50 fokussiert austritt. This in 1 illustrated laser powder build-up welding system is for laser powder build-up welding of a component 10 educated. This includes the laser powder build-up welding system 20 a laser welding head 30 from which in a conventional manner by means of a lens 40 a laser beam 50 focused exit.

Ferner ist eine Pulverdüse 60 vorgesehen, mittels welcher ein Auftragspulver-Trägergasstrom 70 auf den Auftreffbereich des Laserstrahls 50 auf das Bauteil 10 geströmt wird. Im Auftreffbereich des Laserstrahls 50 auf das Bauteil 10 befindet sich der Fokusbereich des Laserstrahls 50, sodass sich im Auftreffbereich ein Schmelzbad 80 ausbildet. Further, a powder nozzle 60 provided by means of which an order powder carrier gas stream 70 on the impact area of the laser beam 50 on the component 10 is streamed. In the impact area of the laser beam 50 on the component 10 is the focus area of the laser beam 50 , so that in the impact area a molten bath 80 formed.

Die Pulverdüse 60 ist als Corona-Beschichtungsdüse realisiert, welche neben der eigentlichen strömungsmechanischen Pulverdüse zusätzlich eine Hochspannungskaskade 90 aufweist, welche am stromabwärtigen Ende der Pulverdüse 60 eine Hochspannungselektrode 100 auf eine Hochspannung von 100 kV festlegt. Der Auftragspulver-Trägergasstrom 70 passiert entlang der Richtung R die Hochspannungselektrode 100, so dass aus der Pulverdüse 60 austretendes Auftragspulver elektrisch negativ aufgeladen ist. Das Bauteil 10 ist (im Einzelnen nicht gezeigt) positiv geladen, so dass die negativ geladenen Pulverpartikel 110 auf das Bauteil 10 hin beschleunigt werden. The powder nozzle 60 is realized as a corona coating nozzle, which in addition to the actual fluidic powder nozzle additionally a high voltage cascade 90 which is at the downstream end of the powder nozzle 60 a high voltage electrode 100 to a high voltage of 100 kV. The order powder carrier gas stream 70 happens along the direction R the high voltage electrode 100 so that out of the powder nozzle 60 exiting order powder is electrically negatively charged. The component 10 is positively charged (not shown in detail) so that the negatively charged powder particles 110 on the component 10 be accelerated.

Alternativ oder zusätzlich zur Pulverdüse 60 kann eine Pulverdüse 60' vorhanden sein, welche als Tribo-Pulverbeschichtungsdüse (Tribo: kurz für „triboelektrisch“, d.h. „reibungselektrisch“) ausgebildet ist. Auch mittels der letztgenannten Pulverbeschichtungsdüse 60' werden die Partikel 110 des Auftragspulvers negativ aufgeladen und infolge dessen auf das positiv geladene Bauteil 10 hin beschleunigt. In an sich bekannter Weise werden auf das Bauteil 10 hin beschleunigte Partikel 110 mittels des Laserstrahls 50 als Pulverauftrag mit dem Bauteil 10 mittels Laserpulver-Auftragsschweißens verschweißt. Alternatively or in addition to the powder nozzle 60 can a powder nozzle 60 ' be present, which is designed as a tribo powder coating nozzle (Tribo: short for "triboelectric", ie "triboelectric"). Also by means of the latter powder coating nozzle 60 ' become the particles 110 the order powder negatively charged and as a result to the positively charged component 10 accelerated. In known manner be on the component 10 accelerated particles 110 by means of the laser beam 50 as powder application with the component 10 welded by laser powder build-up welding.

Es versteht sich, dass in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen das Auftragspulver positiv aufgeladen werden kann, während das Bauteil 10 elektrisch negativ geladen ist. It is understood that in other, not specifically illustrated embodiments, the order powder can be positively charged while the component 10 electrically negatively charged.

Claims

Method for laser powder build-up welding of at least one component ( 10 ) by means of application powder ( 110 ), in which the order powder ( 110 ) is electrically charged, the at least one component ( 10 ) electrically charged and the order powder ( 110 ) to the component ( 10 ) to be led.

Method according to claim 1, wherein a powder nozzle ( 60 ; 60 ' ) is used, which is acted upon by a high electrical voltage.

Method according to the preceding claim, in which the electrical high voltage is connected by means of a high-voltage cascade ( 90 ) is applied.

Method according to one of the preceding claims, in which a tribo-powder coating nozzle ( 60 ' ) and / or a corona coating nozzle ( 60 ) is used.

Laser powder build-up welding system for laser powder build-up welding according to a method according to one of the preceding claims.

Laser powder build-up welding system for laser powder build-up welding of a component ( 10 ), in particular according to the preceding claim, which for the electric charge of the powder ( 110 ) and for the subsequent guidance of the order powder ( 110 ) to the component ( 10 ) is trained.

Laser powder build-up welding system for laser powder build-up welding of a component ( 10 ), comprising at least one powder nozzle ( 60 . 60 ' ), which is designed for the electrical charge of the order powder.

Laser powder build-up welding system according to the preceding claim, which comprises an electrode which, for applying to the at least one powder nozzle ( 60 . 60 ' ) is formed and arranged with high voltage.

Laser powder build-up welding system according to one of the preceding claims, in which the at least one powder nozzle ( 60 . 60 ' ) with at least one tribo powder coating nozzle ( 60 ' ) and / or at least one corona coating nozzle ( 60 ) is or are formed.

Laser powder build-up welding system according to one of the preceding claims, which is used for electrical charging of the component ( 10 ) with a charge opposite to the electrical charge of the powdered powder ( 110 ) is trained.