DE10328596A1

DE10328596A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserschweißen von Bauteilen

Info

Publication number: DE10328596A1
Application number: DE10328596A
Authority: DE
Inventors: Klaus Emiljanow; Maik Zeugner
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2005-01-13
Also published as: WO2005007334A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von Werkstücken. DOLLAR A Das Bauteil 10 wird durch eine induktive Heizeinrichtung 19 vorgewärmt. Unter Beibehaltung des induktiven Heizens wird geschweißt, wobei beim Schweißen des Bauteils 10 eine Lasereinrichtung 27 als Energiequelle verwendet wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein zum Schweißen erforderlicher Werkstoff in Form eines Schweißdrahts 28 dem zu schweißenden Bauteil 10 zugeführt (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von Bauteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Laserschweißen von Bauteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Schweißtechnik, nämlich das sogenannte Laserschweißen. Beim Laserschweißen wird die Energie eines Lasers für den eigentlichen Schweißvorgang genutzt. Das Laserschweißen findet zum Beispiel Verwendung beim Autragschweißen oder Verbindungsschweißen an Werkstücken bzw. Bauteilen aus Superlegierungen auf Nickel- und/oder Kobaltbasis. So wird Laserautragschweißen oder Laserverbindungsschweißen zum Beispiel bei der Reparatur von Bauteilen einer Gasturbine, insbesondere bei der Reparatur von Turbinenschaufeln, verwendet.

Aus der EP 0 785 837 B1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen von Bauteilen aus einer nickel- und/oder kobaltbasierten Superlegierung bekannt. Nach diesem Stand der Technik wird das zu schweißende Bauteil mithilfe einer induktiven Heizeinrichtung vorgewärmt und unter Aufrechterhaltung bzw. Beibehaltung des induktiven Heizens geschweißt, wobei eine Lasereinrichtung als Energiequelle für das Schweißen verwendet wird. Gemäß der EP 0 785 837 B1 wird der zum Schweißen erforderliche Werkstoff in Form eines Pulvers bereitgestellt. Hierzu verfügt die entsprechende Vorrichtung über eine Pulverzuführung. Weiterhin wird in der EP 0 785 837 B1 vorgeschlagen, das Bauteil auf einen Bewegungssystem anzuordnen und das gesamte Bauteil über das Bewegungssystem während des Schweißens zu bewegen.

Die Zuführung des zum Schweißen erforderlichen Werkstoffs in Pulverform bedarf eines hohen konstruktiven Aufwands, um das Pulver dem zu schweißenden Bauteil örtlich gezielt zuzuführen. Weiterhin erfordert die Bewegung des Bauteils beim Laserschweißen einen hohen konstruktiven Aufwand. Das Verfahren sowie die Vorrichtung gemäß EP 0 785 837 B1 sind demnach aufwendig und teuer.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Laserschweißen von Bauteilen sowie eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das eingangs genannte Verfahren zum Laserschweißen von Bauteilen durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.

Erfindungsgemäß wird ein zum Schweißen erforderlicher Werkstoff in Form eines Schweißdrahts dem zu schweißenden Bauteil zugeführt. Dies hat gegenüber dem Stand der Technik gemäß EP 0 785 837 B1 den Vorteil, dass der zum Schweißen erforderliche Werkstoff örtlich gezielter und gleichzeitig mit geringerem Aufwand an eine Schweißstelle herangeführt werden kann.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Zuführung und/oder Bewegung des Schweißdrahts von einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung derart gesteuert bzw. geregelt, dass der Schweißdraht beim Schweißen derart entlang einer Schweißstelle bewegt wird, dass die gesamte Schweißstelle geschweißt wird. Die Lasereinrichtung wird dabei von der Steuer- bzw. Regeleinrichtung derart gesteuert bzw. geregelt wird, dass ein Laserstrahl synchron mit dem Schweißdraht entlang der Schweißstelle geführt wird. Aufwändige Bewegungssysteme für das zu schweißende Bauteil können somit entfallen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserschweißen von Bauteilen ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 7 gekennzeichnet.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laserschweißen von Bauteilen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserschweißen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 in größerem Detail erläutert.
1 zeigt exemplarisch als Bauteil eine Schaufel 10 einer Hochdruckturbine, wobei mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein nicht-dargestellter Riss innerhalb der Schaufel 10 mithilfe des Laserschweißens repariert werden soll.
Die Schaufel 10 ist hierzu in einem Schutzgasbehälter 11 angeordnet, wobei der Schutzgasbehälter 11 der Aufnahme des zu schweißenden Bauteils bzw. der Schaufel 10 dient. Der Schutzgasbehälter 11 verfügt über eine Zuführung 12 für das Schutzgas in Richtung des Pfeils 13. Über die Zuführung 12 für das Schutzgas wird ein in 1 nicht näher dargestelltes Netz von Rohrleitungen mit Schutzgas versorgt. In 1 ist lediglich eine derartige Rohrleitung 14 im Querschnitt dargestellt. Das Netz von Rohrleitungen 14 ist im Bodenbereich des Schutzgasbehälters 11 angeordnet und beispielsweise von Stahlwolle 15 umgeben. Dies dient der Gewährleistung einer Gleichverteilung des Schutzgases am Boden des Schutzgasbehälters 11. Das Schutzgas strömt durch eine perforierte bzw. gelochte Bodenplatte 16 des Schutzgasbehälters 11 in einen Arbeitsraum 17 desselben. Im Arbeitsraum 17 des Schutzgasbehälters 11 ist die zu schweißende Schaufel 10 auf einer Bauteilaufnahme 18 positioniert. Das durch die Bodenplatte 16 strömende Schutzgas umspült während des gesamten Verfahrens gleichmäßig die äußeren Oberflächen der zu schweißenden Schaufel 10. Das Schutzgas kann durch nicht-gezeigte Ableitungen, die sich vorzugsweise in einem oberen Abschnitt des Schutzgasbehälters 11 befinden, aus demselben abgeführt werden.
Die zu schweißende Schaufel 10 bzw. das zu schweißende Bauteil ist innerhalb des Schutzgasbehälters 11 positioniert und ist von einer induktiven Heizeinrichtung 19 umgeben, wobei in 1 exemplarisch zwei Windungen 20 der induktiven Heizeinrichtung 19 dargestellt sind. Die induktive Heizeinrichtung 20 steht über Hochfrequenzdurchführungen 21 und 22 mit einem Hochfrequenzgenerator 23 in Verbin dung. Über den Hochfrequenzgenerator 23 ist Heizleistung der induktiven Heizeinrichtung 19 einstellbar.
Vor dem eigentlichen Schweißen der Schaufel 10 wird dieselbe mithilfe der induktiven Heizeinrichtung 19 auf eine Vorwärmtemperatur vorgewärmt. Unter Beibehaltung des induktiven Heizens wird das eigentliche Laserschweißen vorgenommen. Zum Schweißen wird das Bauteil bzw. die Schaufel 10 auf einer von der konkreten Superlegierung abhängigen Temperatur gehalten. Diese Schweißtemperatur liegt in der Regel zwischen 900°C und 1100°C. Die Erwärmung der Schaufel 10 bzw. die Temperatur derselben wird von einem Pyrometer 24 berührungslos gemessen. Das Pyrometer 24 steht über eine Steuerleitung 25 mit einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung 26 in Verbindung. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 26 vergleicht den vom Pyrometer 24 bereitgestellten Messwert mit einem entsprechenden Sollwert und steuert bzw. regelt in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen Messwert und Sollwert den Hochfrequenzgenerator 23. Auf diese Art und Weise wird das zu schweißende Bauteil bzw. die Schaufel 10 auf die erforderliche Temperatur erwärmt sowie auf dieser Temperatur gehalten.
Zum Laserschweißen der Schaufel 10 findet eine Lasereinrichtung 27 Verwendung. Die Lasereinrichtung 27 ist in 1 stark schematisiert dargestellt. Bei der Lasereinrichtung 27 kann es sich zum Beispiel um einen CO₂-Laser handeln. Es können jedoch auch andere Lasereinrichtungen verwendet werden. Die Auswahl einer geeigneten Lasereinrichtung obliegt dem hier angesprochenen Fachmann.
Erfindungsgemäß wird das zum Schweißen erforderliche Material bzw. der zum Schweißen erforderliche Werkstoff in Form eines Schweißdrahts 28 dem zu schweißenden Bauteil bzw. der zu schweißenden Schaufel 10 zugeführt. Hierzu dient eine in 1 schematisiert dargestellte Schweißdraht-Zuführungseinrichtung 29. Mithilfe der Schweißdraht-Zuführungseinrichtung 29 ist der Schweißdraht 28 in den Bereich der induktiven Heizeinrichtung 19 hineinführbar. Die Schaufel 10 wird nämlich während des induktiven Heizens innerhalb der induktiven Heizeinrichtung 19 geschweißt. Bedingt dadurch, dass der zum Schweißen erforderliche Werkstoff in Form eines Schweißdrahts an das Bauteil bzw. die Schaufel 10 herangeführt wird, ist eine örtlich gezielte bzw. positionsgenaue Zuführung des Werkstoffs an die zu schweißende Schaufel 10 möglich.
Wie 1 entnommen werden kann, sind auch die Lasereinrichtung 27 sowie die Schweißdraht-Zuführungseinrichtung 29 über die Steuerleitung 25 mit der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 26 verbunden. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 26 dient demnach nicht nur der Steuerung bzw. Regelung der induktiven Heizeinrichtung 19, sondern vielmehr auch der Steuerung bzw. Regelung der Lasereinrichtung 27 sowie der Schweißdraht-Zuführungseinrichtung 29. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 26 steuert bzw. regelt nämlich die Zuführung und/oder Bewegung des Schweißdrahts 28 derart, dass einerseits der Schweißdraht 28 positionsgenau in den Bereich der induktiven Heizeinrichtung 19 an eine zu schweißende Schweißstelle geführt wird, und dass andererseits der Schweißdraht 28 entlang der Schweißstelle derart bewegt wird, dass die gesamte Schweißstelle geschweißt werden kann. Zur Bewegung des Schweißdrahts 28 entlang der zu schweißenden Schweißstelle ist der Schweißdraht-Zuführungseinrichtung 29 eine nicht-dargestellte Bewegungseinrichtung zugeordnet. Diese wird von der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 26 angesteuert und führt bzw. bewegt den Schweißdraht 28 im obigen Sinne.
Weiterhin liegt es im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass auch der Lasereinrichtung 29 eine nicht-dargestellte, weitere Bewegungseinrichtung zugeordnet ist. Auch diese ist von der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 26 steuerbar bzw. regelbar. So wird nämlich beim Schweißen der Schweißstelle der Schaufel 10 nicht nur der Schweißdraht 28 entlang der zu schweißenden Schweißstelle bewegt, sondern es wird vielmehr auch der Laserstrahl synchron mit dem Schweißdraht 28 entlang der Schweißstelle bewegt. Hierdurch ist gewährleistet, dass die gesamte Schweißstelle genau und zuverlässig geschweißt wird. Aufwendige Bewegungseinrichtungen für das zu schweißende Bauteil können entfallen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch das zu schweißende Bauteil bzw. die zu schweißende Schaufel 10 relativ zu der Lasereinrichtung 27 sowie der Schweißdraht-Zuführungseinrichtung 29 bewegt werden können. Hierzu kann die Bauteilaufnahme 18 innerhalb des Schutzgasbehälters verfahrbar ausgebildet sein. Es ist jedoch bevorzugt, die zu schweißende Schaufel 10 im Schutzgas behälter 11 ortsfest zu positionieren und die Lasereinrichtung 27 sowie die Schweißdraht-Zuführungseinrichtung 29 beim Laserschweißen relativ zum ortfesten Bauteil zu bewegen. Dies ist konstruktiv einfacher realisierbar.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird erstmals vorgeschlagen, beim Laserschweißen das zu schweißende Bauteil mithilfe einer induktiven Heizeinrichtung zu erwärmen und in Kombination den erforderlichen Werkstoff in Form eines Schweißdrahts an das zu schweißende Bauteil heranzuführen. Diese Kombination ist besonders vorteilhaft. Beim Laserschweißen liegt nämlich eine kleine Wärmeeinflusszone vor, wodurch die Rissbildung am zu schweißenden Bauteil minimiert wird. Des weiteren kann mithilfe des Schweißdrahts das zum Schweißen erforderliche Material positionsgenau an das zu schweißende Bauteil herangeführt werden. Dies reduziert den konstruktiven Aufwand und erhöht die Schweißgenauigkeit.

10: Schaufel
11: Schutzgasbehälter
12: Zuführung
13: Pfeil
14: Rohrleitung
15: Stahlwolle
16: Bodenplatte
17: Arbeitsraum
18: Bauteilaufnahme
19: Heizeinrichtung
20: Windung
21: Hochfrequenzdurchführung
22: Hochfrequenzdurchführung
23: Hochfrequenzgenerator
24: Pyrometer
25: Steuerleitung
26: Steuer- bzw. Regeleinrichtung
27: Lasereinrichtung
28: Schweißdraht
29: Schweißdraht-Zuführungseinrichtung

Claims

Verfahren zum Laserschweißen von Bauteilen aus einer nickel- und/oder kobaltbasierten Superlegierung, insbesondere zur Reparatur von Bauteilen einer Gasturbine mittels Auftragschweißen oder Verbindungsschweißen, wobei das Bauteil (10) durch eine induktive Heizeinrichtung (19) vorgewärmt wird und unter Beibehaltung des induktiven Heizens geschweißt wird, und wobei beim Schweißen des Bauteils (10) eine Lasereinrichtung (27) als Energiequelle verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zum Schweißen erforderlicher Werkstoff in Form eines Schweißdrahts (28) dem zu schweißenden Bauteil (10) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) unter Beibehaltung des induktiven Heizens innerhalb der induktiven Heizeinrichtung (19) geschweißt wird, wobei der Schweißdraht (28) hierzu mit Hilfe einer Schweißdraht-Zuführungseinrichtung (29) in den Bereich der induktiven Heizeinrichtung (19) geführt bzw. bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung bzw. Bewegung des Schweißdrahts (28) von einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung (26) derart gesteuert bzw. geregelt wird, dass einerseits der Schweißdraht (28) an eine Schweißstelle des Bauteils (10) im Bereich der induktiven Heizeinrichtung (19) geführt wird, und dass andererseits der Schweißdraht (28) entlang der Schweißstelle bewegt wird, sodass die gesamte Schweißstelle geschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu auch die Lasereinrichtung (27) von der Steuer- bzw. Regeleinrichtung (26) derart gesteuert bzw. geregelt wird, dass ein Laserstrahl synchron mit dem Schweißdraht (28) entlang der Schweißstelle bewegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die induktive Heizeinrichtung (19) bewirkte Erwärmung des Bauteils (10) pyrometrisch gemessen wird.
Verfahren nach Anspruche 5, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom erfassten Messwert der Erwärmung des Bauteils (10) die Steuer- bzw. Regeleinrichtung (26) die Leistung der induktiven Heizeinrichtung (19) steuert bzw. regelt.
Vorrichtung zum Laserschweißen von Bauteilen aus einer nickel- und/oder kobaltbasierten Superlegierung, insbesondere zur Reparatur von Bauteilen einer Gasturbine mittels Auftragschweißen oder Verbindungsschweißen, mit einer induktiven Heizeinrichtung (19) zur Vorwärmung bzw. Erwärmung des zu schweißenden Bauteils (10), und mir einer Lasereinrichtung (27) als Energiequelle, gekennzeichnet durch eine Schweißdraht-Zuführungseinrichtung (29) für die Zuführung des zum Schweißen erforderlichen Werkstoffs in Form eines Schweißdrahts (28).
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung (26), wobei die Steuer- bzw. Regeleinrichtung (26) die Bewegung des Schweißdrahts (28) beim Laserschweißen derart steuert bzw. regelt, dass der Schweißdraht (28) entlang einer Schweißstelle bewegt und die gesamte Schweißstelle geschweißt wird, und wobei die Steuer- bzw. Regeleinrichtung (26) die Lasereinrichtung (27) derart gesteuert bzw. geregelt, dass ein Laserstrahl synchron mit dem Schweißdraht (28) entlang der Schweißstelle bewegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu der Lasereinrichtung (27) und der Schweißdraht-Zuführungseinrichtung (29) Bewegungseinrichtungen zugeordnet sind.