DE102015222083A1 - Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragschweißen mit Pendelbewegung - Google Patents

Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragschweißen mit Pendelbewegung Download PDF

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen bereitgestellt, bei der eine Scannereinrichtung und eine Zufuhreinrichtung für ein zum Auftragschweißen vorgesehenes Material miteinander verbunden angeordnet sind. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Lasereinrichtung und eine Steuereinrichtung. Mittels der Vorrichtung kann ein Pendeln des Laserstrahls während des Laserstrahl-Auftragschweißens durchgeführt werden. Es wird weiterhin ein Verfahren zum Laserstrahl-Auftragschweißen mit Pendelbewegung bereitgestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragschweißen mit einer Pendelbewegung eines Laserstrahls, bei der ein Scanner und eine Zufuhreinrichtung miteinander verbunden angeordnet sind.
  • Laserstrahl-Auftragschweißen gehört zu den Verfahren des Auftragschweißens, bei denen auf ein Werkstück ein Oberflächenauftrag mittels Aufbringen eines zusätzlichen Materials unter gleichzeitigem Aufschmelzen erfolgt. Das Material wird häufig in Pulverform, z.B. als Metallpulver, oder in Form eines Drahts zugeführt, aufgeschmolzen und das aufgeschmolzene Material aufgebracht. Als Energiequelle dient ein Laser, der geeignet ist, das Material des Werkstücks lokal zu erhitzen und aufzuschmelzen. Synchron zum Aufschmelzen des Materials des Werkstücks wird das zusätzliche Material zugeführt und auch aufgeschmolzen, wobei es sich mit dem Material des Werkstücks verbindet.
  • Laserstrahl-Auftragschweißen ist ein geeignetes Verfahren, Werkstücke wie Bauteile von Turbinen, z.B. Turbinenschaufeln, zu reparieren. Um dabei eine Keimbildung zum Einleiten des Erstarrens des aufgeschmolzenen Metalls und ein Kornwachstum der sich dabei bildenden Kristalle in der „mushy zone“ gezielt zu erzeugen, kann der Laserstrahl in einer Art Pendelbewegung geführt werden. Dadurch wird das Wachstum einer kolumnaren Erstarrungsfront unterdrückt bzw. vollständig vermieden. Dieses Pendeln des Laserstrahls wird auch als Wobble-Strategie bezeichnet. Der Laser wird dabei mit bis zu 100 Hz hin und her bewegt, wobei sich durch eine Überlagerung von Pendelbewegung und herkömmlichem Vorschub, für den eine Verfahreinrichtung sorgt, eine Zickzackbewegung ergibt. Weiterhin sind z.B. kreis-, sinus-, acht- oder ellipsenförmige Bewegungen als Resultat einer Spiegelbewegung möglich. Darüber hinaus können Software-gesteuert weitere Pendelbewegungen des Laserstrahls erzeugt werden.
  • Herkömmliche Anlagen zum Auftragschweißen sind allerdings nicht so ausgelegt, dass die Laserstrahlung gependelt werden kann. Es besteht darum die Aufgabe, ein Laserstrahl-Auftragschweißen unter Verwendung der Wobble-Strategie zum Bearbeiten von Bauteilen zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragschweißen mit einem pulverförmigen Zusatzwerkstoff, umfassend:
    • – eine Verfahreinrichtung,
    • – eine Lasereinrichtung,
    • – eine Zufuhreinrichtung,
    • – eine Scannereinrichtung, und
    • – mindestens eine Steuereinrichtung,
    wobei die Scannereinrichtung und die Zufuhreinrichtung miteinander verbunden sind.
  • Dabei ist das Zufuhrsystem mit der Scannervorrichtung kombiniert angeordnet. Die verbundene Anordnung hat den Vorteil, dass Scannereinrichtung und Zufuhreinrichtung während eines Beschichtungsprozesses nicht relativ zueinander bewegt werden können. Weiterhin kann mit der Vorrichtung eine nahezu rissfreie Gefügestruktur von Nickelbasis-Superlegierungen mit einem großen Anteil an intermetallischer Phase erzeugt werden. Damit können vorteilhaft verbesserte Materialeigenschaften eines reparierten Bauteils im Vergleich zu herkömmlich geschweißten Bauteilen erreicht werden. Die Vorrichtung ist weiterhin vorteilhaft, weil mit ihr höhere Aufbauraten an einem Werkstück erreicht werden können als herkömmlicherweise, z.B. bis zu 16 cm3/h, potentiell aber auch darüber. Damit werden höhere Aufbauraten erzielt als mit herkömmlichen Verfahren wie Power Cladding oder Micro Cladding.
  • Die Lasereinrichtung der Vorrichtung dient zum Erzeugen und Leiten eines Laserstrahls. Die Lasereinrichtung ist durch eine Glasfaser mit der Scannereinrichtung verbunden, die dazu geeignet ist, einen Laserstrahl von der Lasereinrichtung bis in die Scannereinrichtung hinein zu leiten. Die Scannereinrichtung dient dabei zum Auslenken des Laserstrahls; in der Scannereinrichtung sind Spiegel, die dazu ausgelegt sind, einen Laserstrahl durch die Zufuhreinrichtung hindurch zu lenken, und den Laserstrahl innerhalb der Zufuhreinrichtung zu pendeln. Das Pendeln oder die Pendelbewegung in Bezug auf den Laserstrahl bezeichnen eine wiederholte Auslenkung des Laserstrahls.
  • Die Zufuhreinrichtung der Vorrichtung dient zum Zuführen eines zusätzlichen Materials, das beim Auftragschweißen aufgeschmolzen und auf ein Material aufgetragen wird. Das zusätzliche Material, das vorteilhafterweise in Pulverform vorliegt, wird in einem dafür vorgesehenen Behälter, der auf ein Fördersystem montiert ist, bereitgestellt und durch eine Leitung an die Zufuhreinrichtung geliefert. Vorzugsweise ist die Zufuhreinrichtung eine Düse. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Düse eine Schlitzdüse ist. Es ist ebenfalls bevorzugt, wenn die Düse eine Runddüse ist.
  • Die Verfahreinrichtung dient zum Leisten des Vortriebs der Vorrichtung. Die Steuereinrichtung der Vorrichtung dient zum Steuern der Bewegungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung relativ zu einem Werkstück mittels der Verfahreinrichtung und zum Steuern der Pendelbewegung des Laserstrahls. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung ausgebildet, sowohl die Verfahreinrichtung als auch die Scannereinrichtung zu steuern. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass jeweils eine separate Steuereinrichtung für die Verfahreinrichtung und die Scannereinrichtung bereitgestellt wird, wobei die Steuereinrichtungen ausgebildet sind, die Bewegungen der Vorrichtung bzw. des Lenkens des Laserstrahls mittels der Scannereinrichtung zu steuern.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reparieren eines Werkstücks aus einer hochtemperaturfesten Superlegierung, mit den Schritten:
    • – S1) Bereitstellen eines Werkstücks, das eine schadhafte Stelle aufweist,
    • – S2) Bereitstellen einer Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragschweißen mit einer Lasereinrichtung, einer Zufuhreinrichtung, einem Scannersystem, und einer Steuereinrichtung, wobei das Scannersystem und die Lasereinrichtung miteinander verbunden sind,
    • – S3) Bereitstellen eines Zusatzwerkstoffs durch die Zufuhreinrichtung unter gleichzeitigem Lenken eines Laserstrahls durch die Zufuhreinrichtung hindurch auf die schadhafte Stelle, wobei der Laserstrahl pendelt.
  • Die Vorteile des Verfahrens entsprechen denen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dem Fachmann sind hochtemperaturfeste Superlegierungen bekannt, z.B. Nickel-basierte Superlegierungen. Dem Fachmann sind ebenfalls die Standardprozeduren beim Reparieren eines schadhaften Werkstücks bzw. Bauteils, vor allem Entschichten des Werkstücks (wenn es eine Beschichtung aufweist), Vorbereiten der schadhaften Stelle, Auftragsschweißen, Nachbearbeiten der geschweißten Stelle und Wiederbeschichten bekannt.
  • Vorzugsweise wird als Werkstück eine Turbinenschaufel verwendet. Das Verfahren ist für Werkstücke mit großen Dimensionen besonders geeignet, weil diese materialsparend und mit hoher Qualität durch das Verfahren repariert werden können.
  • Werkstücke bzw. Bauteile wie Turbinenschaufeln weisen herkömmlicherweise eine Beschichtung, z.B. aus Keramik, auf. Es ist deshalb bevorzugt, wenn nach Schritt S2 eine Beschichtung entfernt wird und nach Schritt S3 eine neue Beschichtung aufgetragen wird, wenn das Werkstück eine Beschichtung aufweist. Das Material der Beschichtung ist dem Fachmann bekannt, z.B. keramische Beschichtungen.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Zusatzwerkstoff artgleich mit dem Grundwerkstoff des Werkstückes ist. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Zusatzwerkstoff pulverförmig bereitgestellt wird. Alternativ können auch dem Grundwerkstoff des Werkstückes ähnliche Zusatzwerkstoffe bereitgestellt werden.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine reparierte Turbinenschaufel, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren repariert wurde.
  • Das Verfahren wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2 eine schematische Darstellung von Ausführungsformen einer Zufuhreinrichtung der Vorrichtung;
  • 3 eine Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 4 eine Turbinenschaufel.
  • In einer Ausführungsform gemäß der Darstellung von 1 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine Lasereinrichtung 2 mit einem Faserkabel 3, einem Faserstecker 4 und einer Einrichtung zur Kollimation 5. Das Faserkabel 3 ist bevorzugt ein Glasfaserkabel, kann aber auch anderes Material aufweisen, z.B. Polymere. Der Faserstecker 4 dient zur lösbaren Verbindung des Faserkabels 3 mit weiteren Komponenten wie der Einrichtung zur Kollimation 5, auch als Kollimator 5 bezeichnet. Die Lasereinrichtung 2 weist weiterhin einen Umlenkspiegel mit einem dichroitischen Spiegel 6a auf, um den Weg eines Laserstrahls 2a zu lenken. Im Bereich des Umlenkspiegels 6a ist eine CCD-Kamera 7 montiert. Sichtbares Licht wird durch den dichroitischen Spiegel 6a transmittiert.
  • Die Lichtleitfaser 3 ist mit einer Laserstrahlquelle (nicht gezeigt) verbunden. In dieser Laserstrahlquelle wird die Laserstrahlung erzeugt, und durch die Faser 3 in eine Scannerreinheit 11 geführt. Der Laserstrahl 2a wird durch eine Zufuhreinrichtung 8 geführt. Die Zufuhreinrichtung 8 ist mit einem Vorratsbehälter 9 verbunden, der ein idealerweise pulverförmiges Material enthält, welches über eine Einrichtung zur Materialförderung 9a, besonders zur Pulverförderung, zur Zufuhreinrichtung 8 befördert wird. Der Vorratsbehälter 9 und die Einrichtung zur Materialförderung 9a sind separat von der Vorrichtung 1 angeordnet. Die Zufuhreinrichtung 8 ist mittels einer Halterung 10 an einem Gehäuse der Vorrichtung 1, bevorzugt am Gehäuse einer Scannereinrichtung 11, befestigt. Die Halterung 10 kann im Gehäuse der Scannereinrichtung 11 integriert oder reversibel angebracht sein. In 2 sind verschiedene Ausführungsformen der Zufuhreinrichtung 8 dargestellt. In 2a ist die Zufuhreinrichtung 8 als schlitzförmige Düse 8a, auch als Schlitzdüse 8a bezeichnet, ausgeführt. In 2b ist die Zufuhreinrichtung als Runddüse 8b ausgeführt. In den Düsen ist eine Pendelbewegung des Laserstrahls 2a indiziert.
  • Die Scannereinrichtung 11 ist bevorzugt ein komplexes System mit allen notwendigen Komponenten zum Lenken des Laserstrahls 2a. Die Scannereinrichtung 11 kann auch aus einzelnen Komponenten zusammengesetzt sein. Die Scannereinrichtung 11 ist besonders über die Halterung 10 mit der Zufuhreinrichtung 8 verbunden. Die Scannereinrichtung 11 ist ausgebildet, den Weg des Laserstrahls 2a zu lenken, besonders in einer Pendelbewegung auszulenken, wie in 2 indiziert. Zur Erzeugung einer Pendelbewegung des Laserstrahls 2a, der dann auch als oszillierender Laserstrahl 2a bezeichnet wird, weist die Scannereinrichtung 11 eine Reihe von Bestandteilen auf. Eine eigentliche Scannereinrichtung ist für ein Steuern der Bewegung des Laserstrahls 2a in Echtzeit mittels des Umlenkspiegels 6b vorgesehen. Der Umlenkspiegel 6b ist ausgebildet, sowohl die Laserstrahlung als auch das Licht mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich umlenken. Der Umlenkspiegel 6b kann auch ein ganzes Spiegelsystem umfassen. Die Laserstrahlung trifft auf den (die) Spiegel und wird vom Spiegel (den Spiegeln) reflektiert. Die Richtung, in die die Laserstrahlung abgelenkt wird hängt von der aktuellen Spiegelposition ab. Ein leistungsstarkes Objektiv 12, z.B. ein F-Theta-Objektiv, ist zur Fokussierung des Laserstrahls 2a vorgesehen. Weiterhin kann die Scannereinrichtung 11 einen Filter für das Bereitstellen von Druckluft umfassen, eine Batterie und diverse Kabel zum Bereitstellen von Elektrizität, Wasserleitungen zum Kühlen und Einrichtungen zur Montage. Die Aufzählung ist nicht abschließend.
  • Alternativ kann die Scannereinrichtung 11 ausgebildet sein, so gesteuert zu werden, dass die Auslenkung der Laserstrahlung nicht nur hin und her erfolgt, sondern auch sinusförmige, achtförmige, mäanderförmige usw. Auslenkungen ermöglicht werden. Damit ergeben sich bei Überlagerung der Pendelbewegung mit dem Hauptvorschub auf dem Werkstück bzw. dem Bauteil zick-zack-förmige, spiralförmige usw. Verfahrwege. Zur Steuerung der Scannereinrichtung 11 ist eine Steuereinrichtung 13 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 13 ist außerhalb der Scannereinrichtung 11 angeordnet und über ein Kabel 13a mit der Scannereinrichtung verbunden. Die Steuereinrichtung 13 ist dabei bevorzugt ein Steuercomputer. Die Steuereinrichtung 13 kann alternativ auch in ein komplexes System der Scannereinrichtung 11 integriert sein und sich im Gehäuse der Scannereinrichtung 11 befinden.
  • In 3 ist ein Verfahren zum Reparieren einer beschädigten Stelle 21 einer Turbinenschaufel 20 dargestellt. Dabei wird in einem ersten Schritt S1 eine Turbinenschaufel 20, deren Oberfläche eine beschädigte Stelle 21 aufweist, wie in 4 gezeigt, bereitgestellt. Die Turbinenschaufel 20 weist z.B. eine Nickel-basierte Superlegierung auf, oder alternativ ein anderes oder weiteres metallisches hochtemperaturfestes Material. In einem zweiten Schritt S2 wird die Beschichtung, herkömmlicherweise aus einem keramischen Werkstoff, z.B. Metalloxiden, entfernt. In einem dritten Schritt S3 wird die Vorrichtung 1 zum Laserstrahl-Auftragsschweißen bereitgestellt. In einem vierten Schritt S4 wird ein Zusatzwerkstoffs aus dem Vorratsbehälter 9 durch die Einrichtung zur Materialförderung 9a an die Zufuhreinrichtung 8 befördert, und durch die Zufuhreinrichtung 8 auf einen Bereich der beschädigten Stelle 21 zugeführt. Der Zusatzwerkstoff wird pulverförmig und bevorzugt artgleich mit dem Material der Turbinenschaufel 20 bereitgestellt. Alternativ kann der Zusatzwerkstoff auch verschieden vom Grundwerkstoff, jedoch ähnlich, sein. Das Zuführen mittels der Zufuhreinrichtung 8, die als Düse ausgebildet ist, wird durch Aufdüsen auf die beschädigte Stelle 21 durchgeführt. Gleichzeitig wird der Laserstrahl 2a durch die Zufuhreinrichtung 8 hindurch gelenkt, der sowohl das Material der Turbinenschaufel 20 als auch den pulverförmigen Zusatzwerkstoff aufschmilzt. Die Scannereinrichtung 11 sorgt dabei für eine Pendelbewegung, bzw. Oszillation, des Laserstrahls 2a. Die Oszillation beträgt dabei bis zu 100 Hz. Die Pendelbewegung des Laserstrahls 2a ist z.B. linienförmig (2a, 2b). Die Pendelbewegung erfolgt dabei quer zur Vorschubrichtung der Vorrichtung 1 relativ zur Oberfläche der Turbinenschaufel 20. An der Stelle, über der sich die Vorrichtung 1 gerade befindet und der Laserstrahl 2a auf das Material trifft, wird eine neue Beschichtung 22 aufgebaut.
  • Die Vorrichtung 1 wird während des Verfahrens solange, auch wiederholt, über die beschädigte Stelle geführt, bis das Material der Turbinenschaufel 20 an der beschädigten Stelle 21 komplett erneuert worden ist. Die Bewegung der Vorrichtung 1 über die beschädigte Stelle 21 und die Frequenz der Oszillation des Laserstrahls 2a, werden bevorzugt von der Steuereinrichtung 13 gesteuert. Alternativ kann, wie oben beschrieben, jeweils eine Steuereinrichtung für die Bewegung der Vorrichtung 1, besonders für eine die Bewegung leistende Verfahreinrichtung, und für die Steuerung der Scannereinrichtung 2, besonders der Frequenz der Oszillation des Laserstrahls 2a, vorhanden sein.
  • Für einen Fachmann naheliegende Abwandlungen und Änderungen der Erfindung fallen unter den Schutzumfang der Patentansprüche.

Claims (11)

  1. Vorrichtung (1) zum Laserstrahl-Auftragschweißen mit einem pulverförmigen Zusatzwerkstoff, umfassend: – eine Verfahreinrichtung, – eine Lasereinrichtung (2), – eine Zufuhreinrichtung (8), – eine Scannereinrichtung (11), und – eine Steuereinrichtung (13), wobei die Scannereinrichtung (11) und die Zufuhreinrichtung (8) miteinander verbunden sind.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die Scannereinrichtung (11) ausgebildet ist, einen Laserstrahl (2a) durch die Zufuhreinrichtung (8) hindurch zu lenken und den Laserstrahl (2a) innerhalb der Zufuhreinrichtung (8) zu pendeln.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Zufuhreinrichtung (8) eine Düse ist.
  4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, bei der die Düse eine Schlitzdüse (8a) ist.
  5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, bei der die Düse eine Runddüse (8b) ist.
  6. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung (13) ausgebildet ist, ein Pendeln des Laserstrahls (2a) zu steuern.
  7. Verfahren zum Reparieren eines Werkstücks (20) aus einer hochtemperaturfesten Superlegierung, mit den Schritten: – S1) Bereitstellen des Werkstücks (20), das einen Schaden aufweist, – S2) Bereitstellen einer Vorrichtung (1) zum Laserstrahl-Auftragschweißen mit einer Lasereinrichtung (2), einer Zufuhreinrichtung (8), einer Scannereinrichtung (11), und einer Steuereinrichtung (13), wobei die Scannereinrichtung (11) und die Zufuhreinrichtung (8) miteinander verbunden sind, – S3) Auftragen eines Zusatzwerkstoffs durch die Zufuhreinrichtung (8) und gleichzeitigem Lenken eines Laserstrahls (2a) durch die Zufuhreinrichtung (8) hindurch auf die schadhafte Stelle, wobei der Laserstrahl (2a) pendelt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei als Werkstück (20) eine Turbinenschaufel (20) verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei nach Schritt S2 eine Beschichtung entfernt wird und nach Schritt S3 eine neue Beschichtung aufgetragen wird, wenn das Werkstück eine Beschichtung aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Zusatzwerkstoff artgleich mit dem Material des Werkstücks ist und pulverförmig bereitgestellt wird.
  11. Reparierte Turbinenschaufel, repariert gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10.
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