DE102017206843A1 - Veränderung der Leistung beim Wobbeln - Google Patents

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Abstract

Beim Wobbeln wird die Laserleistung (P) kurzzeitig im Bereich des Kehrpunkts (16', 16", ...) erniedrigt, so dass sich bessere Schweißergebnisse erzielen lassen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Adaptierung der Leistung beim Wobbeln einer Auftragsstrategie beim Schweißen.
  • Schweißverfahren werden bei metallischen Bauteilen durchgeführt, um fehlendes Material aufzutragen oder um dreidimensionale Strukturen zu erzielen. Dabei werden zurzeit oft Laserschweißverfahren, insbesondere Pulverauftragsverfahren, insbesondere Laser-Pulver-Auftragschweißverfahren, verwendet. Bei diesen Verfahren, aber auch bei anderen Verfahren, bei denen Pulver oder das Material in sonstiger Art und Weise zugeführt wird, wird eine Wobbelstrategie angewendet, bei der der Energiestrahl und Substrat relativ zueinander oszillieren.
  • Dies kann dadurch geschehen, dass der Laserstrahl und/oder Materialstrahl gegenüber dem Substrat oszillieren gelassen wird oder das Substrat durch eine Vibrationsanlage oszilliert oder beides davon. Weitere Möglichkeiten zur Erzeugung der Wobbelstrategie sind ebenfalls möglich.
  • Durch eine Wobbel-Strategie beim Laserstrahl-Auftragschweißen können eine Keimbildung und ein Kornwachstum in der breiigen Zone gezielt erzeugt werden, so dass das Wachstum einer kolumnaren Erstarrungsfront unterdrückt bzw. vollständig vermieden wird.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Verfahren weiterhin zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Erste experimentelle Ergebnisse mit oszillierender, insbesondere sinusförmiger oder zickzackförmiger Laserstrahlung zeigen vielversprechende Ergebnisse mit rissfreier Gefügestruktur von einer Nickelbasis-Superlegierung.
  • Dabei kann durch eine Anpassung der Laserleistung an den Umkehrpunkten, insbesondere Verkleinerung der Laserleistung auf 90% von Pmax , eine homogene Einschmelztiefe über die Breite der auftraggeschweißten Spur in den Grundwerkstoff erzielt werden. Normalerweise wird bei Verwendung nicht oszillierender Laserstrahlung beim Laserstrahl-Auftragschweißen aufgrund des Wärmestaus eine maximale Aufmischung in der Mitte der Spur generiert. Dies kann bei schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen zur kolumnaren Erstarrung von Körnern über mehrere Lagen hinweg führen und damit die Initiierung von kritischen Heißrissen fördern.
  • Dadurch soll die Heißrissneigung von schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen beim Laserstrahl-Auftragschweißen vermieden werden.
  • Es zeigen die 1, 2 die schematische Vorgehensweise des Verfahrens.
  • Insbesondere ein Laserstrahl-Auftragschweißen mit pulverförmigen Zusatzwerkstoff unter Verwendung einer Pendelbewegung in Form einer sinusförmigen oder zickzackförmigen Oszillation wird durchgeführt. Dabei wird eine Anpassung der Laserleistung P an den Kehrpunkten 16', 16", insbesondere mit einer Verkleinerung der Laserleistung P auf insbesondere 90% von Pmax durchgeführt.
  • Dadurch wird eine kleine (< 150µm), homogene Einschmelztiefe über die Breite der auftraggeschweißten Spur in den Grundwerkstoff erzielt. Dadurch kann bei schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen ein epitaktisches Wachstum kolumnarer Körnern über mehrere Lagen hinweg vermieden werden, so dass die Gefahr der Bildung kritischer Heißrisse während der Erstarrung und/oder der anschließenden Wärmebehandlung verkleinert wird.
  • Die Vorteile sind:
    • • Vermeidung der Heißrissbildung beim Auftragschweißen schwer schweißbarer Nickelbasis-Superlegierungen mit großem Anteil an intermetallischer Phase.
    • • Verbesserte Materialeigenschaften des Bauteils im Vergleich zu konventionell geschweißten Bauteilen.
    • • Einsparung von Material, Verkleinerung der Ausschusszahlen bei Service-Bauteilen.
  • Die 1 zeigt die relative Verfahrweise 13 (2) des Energiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls, und die 2 die Anordnung von Materialstrom und Energiestrahl 7 (2) gegenüber einem Substrat 4. Vorzugsweise wird nur der Energiestrahl, insbesondere der Laserstrahl, oszillieren gelassen.
  • In 1 ist der Verlauf der Oszillation, also die Auslenkung oder Deflection und die gleichzeitige Veränderung der Leistung P gegenüber der Zeit t in Millisekunden aufgetragen.
  • Die Oszillation 13 hat wie bei einer Sinuskurve üblich zumindest einen Kehrpunkt 16', 16", .... Die Sinuskurve ist nur ein Beispiel für eine wellenförmige Bewegung, wie z.B. eine ZickZack-Bewegung, die Kehrpunkte 16', 16" aufweist.
  • Erreicht der Energiestrahl Laserstrahl 7 einen solchen Kehrpunkt 16', 16" (Max/Min-Punkt), so wurde die Laserleistung bereits vorab insbesondere kontinuierlich reduziert und danach wieder hochgefahren, das heißt im Bereich des Kehrpunkts 16', 16" wurde die Laserleistung L vorab heruntergefahren auf eine niedrigere Laserleistung und danach wieder insbesondere kontinuierlich hochgefahren auf den ursprünglichen vorherigen Wert Pmax für eine Zeit tmax .
  • tmin und tmax ergeben die Hälfte der Schwingungsdauer der Sinuskurve und es gilt vorzugsweise tmax ≤ 0,3 tmin.
  • Nur während einer Zeitspanne tmax wird nahezu Pmax verwendet. Ansonsten ist während tmin die Leistung P reduziert.
  • Im besten Fall wird in der Hälfte zweier direkt aufeinander folgenden Kehrpunkten 16', 16", also im Nullpunkt 17 die maximale Leistung P = Pmax angewendet.
  • Pmax ist vorzugsweise am größten, wenn die Sinuskurve bzw. die Oszillierung die Nulllinie 17 durchschreitet.
  • Vorzugsweise oszilliert nur der Energiestrahl, insbesondere der Laserstrahl.

Claims (11)

  1. Verfahren beim Wobbeln eines Materialauftragsverfahren, insbesondere eines Auftragsschweißens, ganz insbesondere eines Pulverauftragschweißens, bei dem ein Energiestrahl, insbesondere ein Laserstrahl, und/oder Materialstrom gegenüber einem Substrat (4) oszillierend (13) verfahren werden, wobei die Oszillationsbewegung zumindest einen Kehrpunkt (16', 16") aufweist, und wobei die Leistung (P) des Energiestrahls (7) sich zwischen den Kehrpunkten (16', 16") verändert, insbesondere oszilliert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Leistung (P) des Energiestrahls (7) vor Erreichen des Kehrpunkts (16', 16") erniedrigt wird, insbesondere kontinuierlich erniedrigt wird und nach Überschreiten des Kehrpunkts (16', 16") diese Leistung (P) des Energiestrahls (7) wieder, insbesondere kontinuierlich, erhöht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Laserauftragschweißen, insbesondere ein Laserpulverauftragschweißen angewendet wird, und der Materialstrom Pulver aufweist.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem es eine Maximalleistung Pmax gibt, und die Leistung (P) immer wieder bis auf Pmax erhöht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Leistung (P) maximal um mindestens 10%, insbesondere maximal um 50% der Maximalleistung (Pmax) erniedrigt wird.
  6. Verfahren nach einem Anspruch 5, bei dem die Erniedrigung der Leistung (P) höchstens 30%, insbesondere höchstens 20% der maximalen Leistung (Pmax) entspricht.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oszillation von Energiestrahl und/oder Materialstrom sowie Substrat (4) sinusförmig ist.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oszillation von Energiestrahl und/oder Materialstrom sowie Substrat (4) zickzackförmig ist.
  9. Verfahren einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem tmin und tmax eine halbe Schwingungsdauer der Oszillation darstellen und es gilt tmax ≤ 0,3 tmin, wobei während tmax die maximale Leistung verwendet wird.
  10. Verfahren einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nur der Energiestrahl gegenüber dem Substrat (4) oszilliert.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, bei dem Energiestrahl und Materialstrom gegenüber dem Substrat (4) oszillieren.
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