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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität gegenüber dem Anmeldungsdatum 21. Juli 2014 der US-Patentanmeldung Nr. 14/336.215, die hierin durch Verweis aufgenommen ist.
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FACHGEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft Fügeverfahren und im Speziellen Verfahren zum Formen eines Schmelzbades während eines Fügeverfahrens.
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HINTERGRUND
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Verschiedene Verfahren sind zum Fügen von Materialien bekannt, was sich kollektiv auf das Verbinden von zwei oder mehreren Substraten sowie auf das Reparieren oder Verstärken von einem oder mehreren Substraten bezieht. Beispielsweise sind Wärmeleitschweißen und Stichlochschweißen bekannte Verfahren zum Fügen von Materialien. Wie in 1 dargestellt wird, kann bei Stichlochschweißen eine gesamte Dicke eines Teils des Substrats 10 mittels einer Energiequelle 12 in ein Schmelzbad 14 geschmolzen werden. Derart wird ein Stichloch 16 durch die gesamte Dicke des Schmelzbades 14 des Substrats 10 gebildet. Während sich das Verfahren in Fortbewegungsrichtung der Schweißnaht entlangbewegt, bewegen sich auch das Schmelzbad 14 und das zugeordnete Stichloch 16 durch das Substrat 10 in eine Richtung des Schweißens 18. Das geschmolzene Material des Schmelzbades 14 verfestigt sich in eine Schweißperle 20 hinter dem Stichloch 16, während sich das Stichloch vorwärtsbewegt. In der dargestellten Ausführungsform wird Inertgas 21 rund um das Schmelzbad bereitgestellt, um die Oxidation des Substrats oder eines anderen Verfahrensmaterials zu verhindern und (wahrscheinlich mit zusätzlichem Gas) jegliches Plasma, das sich an der Oberfläche bildet, zu unterdrücken. Bei Wärmeleitschweißen stellt die Energiequelle 12 eine Energiemenge bereit, die nicht ausreichend ist, um ein Stichloch 16 zu bilden, wie in 1 dargestellt wurde. Statt ein Stichloch zu bilden, wird Wärme in das Substrat 10 von einer Oberfläche des Substrats 10 geleitet.
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Eine Anzahl an Problemen kann während der Bildung des Schmelzbades auftreten. Das erste umfasst die Segregation problematischer Elemente und Bestandteile. Das zweite umfasst konzentrierte Zugbeanspruchung. Das dritte umfasst den Einschluss von Hohlräumen, insbesondere bei Stichlochschmelzen. Hinsichtlich von Segregationen gilt es anzuerkennen, dass die Schmelzbadform die Anfälligkeit auf Schweißrisse während des Verfestigungsvorganges stark beeinflusst. Sich verfestigende Körner wachsen normal auf die Fest/Flüssig-Grenzfläche (in Richtung des Maximaltemperaturgradienten) und wachsen epitaxial, wobei die Kornorientierung besonders bevorzugt hinsichtlich des angrenzenden Feststoffes ist. Solche Formen und Kornorientierungen können Risse signifikant beeinflussen.
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Für tränenförmige Schmelzbäder mit linearer Fest/Flüssig-Grenzfläche bilden sich Körner mit paralleler Anordnung auf jeder Seite des Bades (wie in 2D dargestellt). In 3D dargestellt, bilden sich die Körner auch grob lotrecht auf die Seiten eines Kegels. Die Körner beenden ihre Verfestigung an der Schmelzachse (letzte Stelle, an der sie verfestigen). Solche Körner sind üblicherweise auch relativ groß, da es keine Änderung in der Verfestigungsrichtung gibt (von jeder linearen Seite) und Körner der bevorzugten Orientierung sich einfach in Richtung der Schmelzachse ausbreiten können.
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Elemente mit niedrigen Schmelzpunkten (z. B. Schwefel und Phosphor) und ähnliche Bestandteile (Verbindungen wie Eutetika) konzentrieren sich natürlich am letzten Punkt der Verfestigung. Solche Bestandteile sind bekannt dafür, Verfestigungsrisse zu verschärfen, da sie der Beanspruchung der Endverfestigung nicht standhalten könnten. Hinsichtlich 2, im Fall von tränenförmigen Schmelzbädern 22, segregieren solche Bestandteile 32 an der Schmelzachse 30 und sind über relativ wenige und raue Korngrenzen verstreut. Solch eine Segregation führt erwartungsgemäß zu Schweißverfestigungsrissen.
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Zusätzlich können Risse als Ergebnis von Zugbeanspruchung und als Ergebnis einer rissanfälligen Mikrostruktur auftreten. Es wird postuliert, dass zusätzlich zu beeinflussenden Segregationen, die die letztere rissanfällige Mikrostruktur fördern, die Schmelzbadform auch die Beanspruchungsverteilung beeinflusst, die für rissfreie Verfestigung wichtig ist. Beanspruchungskonzentrationen bei Schweißnahten sind komplex und von vielen Faktoren abhängig, aber wahrscheinlich umfasst der wichtigste Faktor Wärmemanagement. Die Schrumpfbehinderung des festen Materials, der an die verfestigende Schweißnaht angrenzt, ist äußerst wichtig für ein solches Stressmanagement. Beispielsweise erfordert ein völlig schrumpfbehindertes Substrat, dass die verfestigende Schmelzestelle aller Schrumpfbeanspruchung standhält. Alternativ dazu gleicht ein nicht schrumpfbehindertes Substrat Schrumpfverformung aus und ist viel weniger anfällig für Rissbildung. Verfahren, die in der Lage sind, solche mechanische Spannungen zu verteilen, sind daher wünschenswert.
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Ferner gilt es anzuerkennen, dass das Beginnen und Beenden von Laserstichlochschweißen (jeweils) den Übergang von einem Wärmeleitmodus zum Stichlochmodus zu einem Wärmeleitmodus des Schmelzens erfordert. Das bedeutet, wenn der Laserstrahl zum ersten Mal auf das Substrat gerichtet wird, erzeugt er zuerst ein seichtes Schmelzbad. Translation und weitere Energiezufuhr entwickelt ein Durchgangsabschnittsstichloch. Solch eine Entwicklung umfasst eine turbulente Bewegung der Schmelze und ist anfällig für die Erzeugung von Defekten, z. B. Porosität. Nach der Schweißbeendung geht Durchgangsabschnittspenetration in Teilpenetration über und ein Loch, das von dem geschmolzenen Material umgeben ist, geht in ein seichtes Schmelzbad über. Die geschmolzenen geometrischen Veränderungen, die in solch einem Übergang umfasst sind, sind anfällig dafür, Schmelzdefekte einzuschließen.
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Noch ferner kann bei Stichlochschweißen das Schmelzbad 14 durch ein hohes Tiefe-zu-Breite-(Aspekt-)Verhältnis im Substrat 10 aufgrund der Konzentration von Energie und Geschwindigkeit des Schweißverfahrens charakterisiert werden. Aufgrund des hohen Aspektverhältnisses des Stichloches 16 und der Schweißgeschwindigkeit können sich Hohlräume (Porosität) in der Nähe des Mittelpunktes einer Tiefe des Schmelzbades 14, weit von der Schmelzbadoberfläche, bilden. Die Hohlräume können im verfestigenden Schmelzbad eingeschlossen werden, bevor die Poren in der Lage sind, an die Schmelzbadoberfläche zu gelangen. Diese Wirkung wird durch die Anwesenheit der Tränenform (2) verstärkt, da diese den Defekten weniger Raum zum Entweichen bereitstellt. Im Vergleich zu Stichlochschweißen stellt Wärmeleitschweißen ein Schmelzbad bereit, das im Allgemeinen seichter und weiter ist, aber immer noch ein tränenförmiges Schmelzbad wie hierin beschrieben haben kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung hinsichtlich der Zeichnungen, die das Folgende darstellen, erklärt:
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1 stellt die Bildung eines Stichloches eines typischen Stichloch-Schweißverfahrens nach dem Stand der Technik dar.
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2 stellt eine Draufsicht auf das tränenförmige Schmelzbad, das durch das Verfahren nach dem Stand der Technik nach 1 gebildet wird, dar.
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3A–3B stellt ein Schmelzbad in konturierter Form mit einer Fest/Flüssig-Grenzfläche gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dar.
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4 stellt ein Schweißverfahren zur Bildung eines konturierten Schmelzbades gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dar.
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5 stellt den Fortbewegungsweg einer ersten Energiequelle und einer zweiten Energiequelle in einem Verfahren gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dar.
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6 stellt eine Zwei-in-eins-Faser zur Verwendung in einem Aspekt der Erfindung dar.
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7 stellt ein Schmelzbad dar, das gebildet wird, indem zusätzliche Energie an die Kanten des Schmelzbades gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebracht wird.
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8 stellt das Aufbringen von Energie dar, um ein Schmelzbad mit konturierter Form gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zu bilden.
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9A–9D stellen die Bildung eines kurvilinearen und kurviplanaren Schmelzbades (9C und 9D) und ein Schmelzbad nach dem Stand der Technik (9A–9B) gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen Verfahren und Systeme, die die Form des Schmelzbades in einem Fügeverfahren, wie z. B. ein Tiefschweiß- oder Wärmeleitschweißverfahren, im Vergleich zu bekannten Verfahren stark beeinflussen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schweißverfahren bereitgestellt, das das Aufbringen einer ersten Energiemenge und einer zweiten Energiemenge auf das Substrat umfasst, das wirksam ist, um ein Schmelzbad bereitzustellen, das eine kurvilineare und kurviplanare Fest/Flüssig-Grenzfläche umfasst. Wie hierin beschrieben wird, reduziert das konturierte Schmelzbad die Segregation von Artefakten und Beanspruchungskonzentration innerhalb einer Tiefe und entlang einer Mittelachse einer Breite des Schmelzbades, sowie es die Wahrscheinlichkeit des Einschlusses von Hohlräumen im Schmelzbad im Vergleich zu z. B. einem tränenförmigeren Schmelzbad reduziert.
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Im Spezielleren bilden sich Körner mit stark variierter Anordnung bei einer kurvilinearen und kurviplanaren Fest/Flüssig-Grenzfläche auf jeder Seite des Schmelzbades. Die Körner krümmen sich üblicherweise in Richtung der Vorwärtsbewegungsrichtung. Solche Körner sind üblicherweise auch relativ klein, da es einen kontinuierlichen Wechsel in der Verfestigungsrichtung gibt und Körner mit bevorzugter Orientierung beginnen und konkurrieren mit Vorteil gegenüber Körnern der weniger bevorzugten Orientierung. Ferner können sich unerwünschte Artefakte über die ganze verfestigende Schweißnaht und/oder über viele Feinkorngrenzen verteilen. Die Tendenz zu Schweißnahten-Verfestigungsrissen ist damit reduziert.
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Zusätzlich gilt es anzuerkennen, dass, obwohl die Schmelzbadform die Schrumpfbehinderung des Festmetalls, das an die sich verfestigende Schweißnaht angrenzt, nicht direkt beeinflussen kann, die Schmelzbadform die Richtung und Konzentration der resultierenden Zugbeanspruchung beeinflussen können, die üblicherweise in Verbindung mit Schrumpfbehinderung zu Rissen führen. Es ist wichtig, dass solche Beanspruchungen nicht konzentriert sind, sondern eher verteilt. Ein weiterer wichtiger Vorteil der hierin beschriebenen Verfahren ist, dass die Schmelzbadformsteuerung und das Verfahrenswärmemanagement zur Verteilung solcher Beanspruchung führen können.
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Ferner können die hierin beschriebenen Schweißnahtform-Steuerungsvorgänge das Vermeiden tiefer Penetrationsschweißnahtdefekte verbessern. Das Aufbringen von Verfahrensenergie z. B. als Folge einer Stichlochpenetrationsschweißnaht kann das Schmelzbad formen, um von Stichlochschweißen auf Wärmeleitmodus-Schweißen derart überzugehen, dass Turbulenzen minimiert werden. Solch ein Übergang kann effektiv die Bildung von Einschlüssen und Hohlräumen vermeiden und/oder die Möglichkeit für Hohlräume verbessern, an die Oberfläche zu kommen und sich an dieser aufzulösen.
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In speziellen Ausführungsformen wird das Substrat außerhalb des Schmelzbades erhitzt, um absichtlich eine Kühlgeschwindigkeit oder Verfestigungsgeschwindigkeit des Schmelzbades zu reduzieren und das Schmelzbad an zumindest einer Hinterkantenregion davon wirksam zu verbreitern (im Vergleich zu Verfahren ohne Erhitzungsschritt außerhalb des Schmelzbades). In anderen Ausführungsformen wird eine Innenregion des sich bildenden Schmelzbades erhitzt, um die Form des Schmelzbades zu beeinflussen. In jedem Fall schafft das Verbreitern des Schmelzbades an der Hinterkantenregion mehr Raum, um Verunreinigungen oder Hohlräume, z. B. innerhalb des Schmelzbades, zu entfernen, so wie es die Segregation von Artefakten entlang der Mittelachse des Schmelzbades reduziert, wie in 2 gezeigt wurde. Die resultierende verfestigte Schweißperle mit reduzierter Artefaktensegregation wird nach der Verfestigung signifikant stärker.
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Beispielsweise wird hinsichtlich 3A–3B ein Schmelzbad 100 auf einem Substrat 105 gezeigt, das im Vergleich zum tränenförmigen Schmelzbad 22 nach dem oben beschriebenen Stand der Technik (in 3 in gestrichelten Linien dargestellt) verbreitert ist. 3A zeigt das Schmelzbad 100 in einer Draufsicht in 2D, während 3B die konturierte Form 102 in einer Tiefe (D) des Schmelzbades 100 darstellt. Eine kurviplanare Fest/Flüssig-Grenzfläche 103 wird zwischen dem Schmelzbad 100 und dem festen Teil des Substrats 105, das an das Schmelzbad 100 angrenzt, dargestellt. Die durchgezogene Linie in 3A stellt die Peripherie 104 des Schmelzbades 100 mit der konturierten Form 102 dar. In speziellen Ausführungsformen wird das Schmelzbad 100 mit der konturierten Form 102 zumindest an einer Hinterkantenregion 106 des Schmelzbades 100 bereitgestellt. Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff „Hinterkantenregion” auf die hintere Hälfte des Schmelzbades 100, wie z. B. jeder Bereich des Schmelzbades 100, der zwischen einer vertikalen Ebene, die sich durch einen Mittelpunkt 108 (quer zur Fortbewegungsrichtung) erstreckt und einem hintersten Punkt 110 des Schmelzbades 100 angeordnet ist. Es gilt allerdings anzuerkennen, dass der Bereich des Schmelzbades vor der Hinterkantenregion 106 (Vorderflankenregion 127) auch durch die hierin beschriebenen Verfahren verbreitert werden kann. In jedem Fall werden Artefakte 114 mittels der größeren verbreiterten und/oder konturierten Form im Vergleich zu Verfahren nach dem Stand der Technik nicht in Richtung der Mittelachse 112 segregiert, während die Verfestigung stattfindet, sondern werden stattdessen gleichmäßiger rund um den Umfang des Schmelzbades 100 verteilt, wie in 3A dargestellt ist. Daher vermeidet das Substrat bei der Verfestigung die Schwächung, die normalerweise durch die Mittelachsensegregation von Artefakten hervorgerufen wird.
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Verschiedene Verfahren werden erwogen, um ein Schmelzbad 100 auf einem Substrat 105 mit der hierin beschriebenen und in 3A–3B dargestellten konturierten Form 102 herzustellen. Eine Anzahl an Verfahren werden unten beschrieben; allerdings versteht sich, dass die vorliegende Erfindung dadurch nicht auf eine spezielle Ausführungsform beschränkt ist. Nur beispielsweise können die hierin beschriebenen Verfahren verwendet werden, um zwei Substrate an den Kanten zu verbinden, um ein oder mehrere Substrate zu reparieren, um ein oder mehrere Substrate zu verstärken (durch das Zusetzen von z. B. zusätzlichem Superlegierungspulver vor oder in das Schmelzbad), oder als Möglichkeit, kleinere Substrate in größere Anordnungen einzubauen.
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Hinsichtlich 4 wird ein beispielhaftes Schweißverfahren gezeigt, um ein Schmelzbad 100 mit zumindest einer Hinterkantenregion 106 mit der konturierten Form 102 (3) darzustellen. Es gilt anzuerkennen, dass das Schmelzbad üblicherweise kontinuierlich durch das Substrat 105 bewegt wird und eine Schweißnaht schafft. 4 stellt daher die Bildung eines Schweißbades zu einem Zeitpunkt dar, mit einem Bereich dahinter, der schon geschmolzen und wieder verfestigt sein kann, und einem Bereich davor, der noch durch eine Energiequelle kontaktiert werden muss.
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In der dargestellten Ausführungsform stellt eine erste Energiequelle 116 dem Substrat 105 eine erste Energiemenge 118 bereit. In gewissen Ausführungsformen kann die erste Energiemenge 118 ausreichen, um ein Stichloch 120 durch das Substrat 105 und ein Schmelzbad 100 rund um das Stichloch 120 zu bilden. In anderen Ausführungsformen bildet die erste Energiemenge 118 nur ein Schmelzbad 100, aber bildet kein Stichloch 120, wie das bei Wärmeleitschweißen der Fall ist. In jedem Fall kann das Schmelzbad 100, das von der ersten Energiemenge 118 bereitgestellt ist, eine nichtoptimale Form, z. B. eine Tränenform 22, haben, wie das in 2 dargestellt ist, wenn keine weiteren Schritte gesetzt wurden.
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Um dem Schmelzbad 100 die konturierte Form 102 bereitzustellen, kann eine zweite Energiequelle 122 verwendet werden, um eine zweite Energiemenge 124 außerhalb der Breite (W) des Schmelzbades 100 aufzubringen, um der Hinterkantenregion 106 eine konturierte Form 102 bereitzustellen, wie es in 3A–3B dargestellt wurde. Alternativ dazu kann die erste Energiemenge 118 und die zweite Energiemenge 124 von derselben Energiequelle bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die erste Energiequelle 116 mit verschiedenen Energiemengen, die kurzzeitig an entfernte Stellen gerichtet sind, wie z. B. durch programmierte Oszillationen von galvanometerbetriebener Abtastlaserstrahl-Optik in schnellem Time-Sharing betrieben werden. In einer Ausführungsform wird die zweite Energiemenge 124 auf der Region außerhalb einer Breite (W) des Schmelzbades 100 aufgebracht. Beispielsweise kann die zweite Energiemenge 124 auf Regionen 132 auf einer oder mehreren der gegenüberliegenden Seiten des Schmelzbades 100, die sich im Substrat 105 bilden, aufgebracht werden, wie unten detaillierter beschrieben und in 5 dargestellt wird. In bestimmten Ausführungsformen wird die zweite Energiemenge 124 auch innerhalb einer Breite (W) des Schmelzbades 100 aufgebracht, die sich auch erweitern und das Schmelzbad 100 formen kann.
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In dieser Ausführungsform erhitzt die zweite Energiemenge 124 die Region außerhalb der Breite (W), aber ist alleine nicht ausreichend, um das Substrat in den Regionen 132 zu schmelzen. Es gilt jedoch anzuerkennen, dass die Hitze von dem Schmelzbad 100 ausreichend sein kann, um einen Teil des Substrats 105 zu schmelzen, besonders in der Peripherie des Schmelzbades 100. Das Erhitzen der Region außerhalb der Breite (W) des Schmelzbades 100 erhöht die Temperatur des Substrats 105 rund um das Schmelzbad 100 und ist daher wirksam, um die Wiederverfestigungsgeschwindigkeit des Schmelzbades zu senken, z. B. in eine Fortbewegungsrichtung der Schweißnaht. Zusätzlich ist die Abkühlungsgeschwindigkeitsreduktion rund um das Schmelzbad 100 wirksam, um eine Form der Hinterkantenregion 106 des Schmelzbades 100 zu beeinflussen, z. B. zu verbreitern (im Vergleich zu einem Verfahren ohne solche Seitenerhitzung), durch das Senken der Abkühlungsgeschwindigkeit. Durch die Steuerung der Aufbringungsmuster der zweiten Energiemenge 124 kann die konturierte Form 102 des Schmelzbades 100 gebildet werden. In einer Ausführungsform wird die zweite Energiemenge 124 ausgewählt, das Substrat 105 und nahe verfestigte Ablagerungen auf eine Temperatur zu erhitzen, die von 1 bis 300°C unter deren Schmelztemperatur liegt.
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In einer Ausführungsform können die erste und zweite Energiequelle (entweder voneinander getrennt oder eine einzelne Time-Sharing-Quelle) 116, 122 kollektiv in Richtung der Schweißnaht 128 entlang einer Länge des Substrats 105 bewegt werden. Alternativ dazu kann das Substrat 105 in Richtung der Schweißnaht 128 hinsichtlich der Energiequellen 116, 122, die stationär angeordnet sein können, bewegt werden.
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Ferner können die erste und zweite Energiequelle 116, 122 in dieselbe Richtung bewegt werden. In einer weiteren Ausführungsform, wie in 5 dargestellt ist, kann eine Energiequelle 116 in eine erste Richtung bewegt werden und die zweite Energiequelle 122 kann in eine unterschiedliche zweite Richtung bewegt werden. Beispielsweise kann, wie in 5 dargestellt ist, die erste Energiequelle 116 in die Richtung der Schweißnaht 128 bewegt werden, während die zweite Energiequelle 122 in eine Richtung 130, quer zur Richtung der Schweißnaht 128 bewegt wird. So kann eine normale Fortbewegungsgeschwindigkeit der ersten Energiequelle 116 beibehalten werden, während die zweite Energiequelle 122 der ersten Energiequelle 116 nachfolgt, um das Substrat 105 an Regionen, z. B. Regionen 132, außerhalb der Breite (W) des Schmelzbades 100 zu erhitzen, um die Abkühlungsgeschwindigkeit des Schmelzbades wie hierin beschrieben zu steuern. Wie dargestellt wird, wird erwogen, dass die zweite Energiequelle 122 auch eine Innenregion des Schmelzbades 100 erhitzen kann.
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In einer Ausführungsform sind die Regionen 132 Regionen, die auf beiden Seiten 123 des Schmelzbades 100 angeordnet sind, wobei die Seiten zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante des Schmelzbades 100 definiert sind und sich erstrecken. Die Größe jeder der Regionen 132, die angrenzend an das Schmelzbad 100 erhitzt werden, kann jegliche Größe sein, die nötig ist, um das erwünschte Resultat zu erzielen und kann von Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung ohne weiteres bestimmt werden.
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In bestimmten Ausführungsformen wird die erste Energiemenge in einer Richtung der Schweißnaht 128 aufgebracht und die zweite Energiemenge 124 wird in einem Zickzackmuster 134 aufgebracht, wie in 5 dargestellt wird, aber die Bewegung der ersten Energiequelle 116 und/oder der zweiten Energiequelle 122 kann jeglichem anderen geeigneten Muster folgen.
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Um die Differenzialanwendung von Energie zu erzielen, hat in bestimmten Ausführungsformen die erste Energiemenge 118 eine größere Leistungsdichte und/oder -frequenz als die zweite Energiemenge 124, sodass die erste Energiemenge 118 wirksam ist, um das Schmelzbad 100 zu bilden, während die zweite Energiemenge 124 zumindest eine Region außerhalb einer Breite (W) des Schmelzbades erhitzt, wie in 5 dargestellt wurde.
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In anderen Ausführungsformen ist die erste Energiemenge 118 während einer längeren Zeitdauer oder in häufigeren Intervallen als die zweite Energiemenge 124 aufgebracht, um den erwünschten Effekt zu erzielen. Es gilt anzuerkennen, dass die Reihenfolge des Aufbringens der ersten Energiemenge 118 und der zweiten Energiemenge 124 keine Einschränkung hat. Beispielsweise kann die zweite Energiemenge 124 nach dem Beginn des Aufbringens der ersten Energiemenge 118 aufgebracht werden, wie es der Fall ist, wenn die zweite Energiequelle 122 die zweite Energiemenge 124 hinter einer Vorderkante des sich bildenden Schmelzbades 100 aufbringt. Alternativ dazu kann die erste Energiemenge 118 beispielsweise gleichzeitig zur zweiten Energiemenge 124 oder nach dem Aufbringen der ersten Energiemenge 118 aufgebracht werden. Das Aufbringen von Energie kann auch entweder kontinuierlich oder pulsierend zugeführt werden.
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Die obengenannte Ausführungsform beschrieb die Verwendung zweier Energiequellen 116, 122, um das Schmelzbad 100 mit der konturierten Form 102 zu bilden. Es gilt allerdings anzuerkennen, dass eine geringere oder größere Anzahl an Energiequellen verwendet werden kann. In einer Ausführungsform wird eine einzige Energiequelle verwendet. In einer bestimmten Ausführungsform wird eine einzige Energiequelle verwendet, zusammen mit einer Laserfaser, um eine oder mehrere Energiestrahlen auf das Substrat bereitzustellen. Hinsichtlich 6 kann z. B. eine Zwei-in-eins-Faser 135 verwendet werden, in Kombination mit einer einzelnen Energiequelle, wie z. B. eine erste Energiequelle 116, um das Schmelzbad 100 mit der konturierten Form 102 bereitzustellen. Wie beispielsweise in 6 dargestellt wird, umfasst die Zwei-in-eins-Faser 135 einen inneren Kern 136 und einen äußeren Ring 138, der den inneren Kern 136 umgibt. Zwei-in-eins-Fasern sind im Handel von Trumpf, Inc. (Plymouth Township, MI) erhältlich. In einer Ausführungsform stellt die Zwei-in-eins-Faser 135 eine erste Energiemenge 118 durch den inneren Kern 136 und eine zweite Energiemenge 124 durch den äußeren Ring 138 der Faser 135 bereit. So kann die erste Energiemenge 118 wirksam sein, um das Schmelzbad 100 im Substrat 105 wie hierin beschrieben zu bilden. Zusätzlich kann unter Verwendung einer einzelnen Energiequelle die zweite Energiemenge 124 eine Region, z. B. Regionen 132, außerhalb der Breite (W) des Schmelzbades 100 berühren, um eine Verfestigung des Schmelzbades 100 zumindest an der Hinterkantenregion 106 davon wie hierin beschrieben zu reduzieren.
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Die Herstellung der unterschiedlichen ersten und zweiten Energiemengen kann wie oben beschrieben durchgeführt werden, wie z. B. durch das Aufbringen der ersten Energiemenge 118 durch den Kern 136 bei größerer Intensität oder eine längere Zeitdauer lang als die zweite Energiemenge durch den Ring 138. In einer bestimmten Ausführungsform können z. B. ein Stichloch 120 (4) und ein angrenzendes Schmelzbad 100 durch die erste Energiemenge 118, die sich durch den inneren Kern 136 und die Weite außerhalb des Stichloches 120 bewegt, gebildet werden, und das Schmelzbad 100 kann durch die zweite Energiemenge 124, die sich durch den äußeren Ring 138 bewegt, erhitzt werden.
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Nun hinsichtlich 7 wird ein Schmelzbad 100 dargestellt, das in einem Substrat 105 gebildet werden kann, indem die erste Energiemenge 118 aufgebracht wird und die zweite Energiemenge 124 Energie auf das Substrat 105 außerhalb der Breite (W) des Schmelzbades 100 aufbringt, um eine Verfestigung des Schmelzbades 100 zumindest an der Hinterkantenregion 106 davon, wie hierin beschrieben (5) zu reduzieren. Ferner kann in diesem Aspekt eine zusätzliche Energiemenge 144 auf das Schmelzbad 100 an jeglicher Stelle, z. B. Stellen 146, innerhalb des Schmelzbades, von der Mittelachse 112 der Breite (W) entfernt wie in 7 dargestellt, aufgebracht werden. Die zusätzliche Energie 144 ist ferner wirksam, um das Schmelzbad an Kanten 148 der Seiten 123 davon zu erhitzen und die Verfestigungsgeschwindigkeit des Schmelzbades 100 zumindest an den Kanten 148 zu reduzieren. In einer Ausführungsform umfassen die Kanten 148 zumindest Kanten der Hinterkantenregion 106 des Schmelzbades 100. Durch das Aufbringen der zusätzlichen Wärme auf zumindest Kanten 148 der Hinterkantenregion 106 wird die Hinterkantenregion 106 relativ heiß gehalten, was dazu führt, dass die Hinterkantenregion 106 im Wesentlichen in der gleichen Geschwindigkeit wie die Vorderkantenregion des Schmelzbades 100 (oder näher daran als ohne Aufbringen der zusätzlichen Energie) abkühlt. Dies kann dazu führen, dass es eine Form des sich verfestigenden Materials positiv beeinflusst, indem z. B. ein im Wesentlichen symmetrisches und ovalförmiges sich verfestigendes Schmelzbad (2D) und eine sphärische, ellipsoide oder ähnliche oberflächengeformte Fest/Flüssig-Grenzfläche (3D) bereitgestellt wird.
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In einer Ausführungsform bringt eine dritte Energiequelle 150 die zusätzliche Energiemenge 144 wie in 7 dargestellt auf, während die erste Energiequelle 116 die erste Energiemenge 118 aufbringt und die zweite Energiequelle 122 die zweite Energiemenge 124 aufbringt, wie schon erklärt wurde (5). Alternativ dazu kann die zusätzliche Energie 144 von Time-Sharing-Energie aus der ersten Energiequelle 116 und/oder der zweiten Energiequelle 122 aufgebracht werden. Die zusätzliche Energiemenge 144 kann in jeglichem geeigneten Muster aufgebracht werden, z. B. in einem Zickzack-Muster quer zur Mittelachse 112. Alternativ dazu kann die zusätzliche Energiemenge 144 in Richtung der Schweißnaht 128 aufgebracht werden (4).
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In bestimmten Ausführungsformen kann die zweite Energiemenge 124 und zusätzliche Energie 144 (wenn diese aufgebracht wird) durch ihre jeweiligen Quellen in eine gewünschte Richtung (z. B. 128 und/oder 130) in einer Seite-an-Seite-Bewegung oder sogar in die und aus der Verfahrensebene oszillieren, um sich verfestigende Körner weiter zu verfeinern und potentielle Segregate oder Artefakte 114 von der Mittelachse 112 zu verteilen. In jedem Fall wird vermutet, dass das Aufbringen zusätzlicher Energien zur ersten Energiemenge 118 zur Umlenkung und Homogenisierung von Schweißbeanspruchungen führt, die sich sonst bei unidirektionaler Verfahrensenergieaufbringung aus einer einzigen Quelle konzentrieren. Ferner kann das zusätzliche Aufbringen von Energien, wie es hierin beschrieben wird, einen Grad an Schweiß-Beanspruchungsentlastungswärmenachbehandlung fördern.
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In wieder einer anderen Ausführungsform wird erwogen, dass ein Schmelzbad 100 mit einer konturierten Form 102 mit kurvilinearen und/oder kurviplanaren Fest/Flüssig-Grenzflächen gebildet werden kann, ohne dass Wärme außerhalb der Breite (W) des Schmelzbades 100 aufgebracht wird. Beispielsweise bringt eine erste Energiequelle 118 Energie auf, um zumindest eine Vorderkantenregion eines Schmelzbades 100 zu bilden, während eine zweite Energiequelle 122 Energie aufbringt, um eine Hinterkantenregion 106 des Schmelzbades zu bilden, wie hinsichtlich 5 gezeigt und erklärt wurde. Allerdings werden in diesem Fall keine der ersten und zweiten Energie auf das Substrat außerhalb der Breite (W) des Schmelzbades aufgebracht, sind jedoch trotzdem wirksam, um die konturierte Form 102, die in 3A–3B gezeigt wird, bereitzustellen.
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Beispielsweise können die erste Energiemenge 118 und die zweite Energiemenge 124 jeweils in einem konzentrischen Muster, wie in 8 dargestellt ist, aufgebracht werden. Jeder Weg im Muster kann mit einem anderen überlappend sein. Zusätzlich gilt es anzuerkennen, dass das Aufbringen von Energie dahingehend nicht eingeschränkt ist, obwohl jeder Weg als im Wesentlichen linear in einer Richtung zu einem Zeitpunkt dargestellt wird. Seite-an-Seite-Bewegungen in jegliche Richtung, während die zugeordnete Energiequelle oder das Substrat sich in eine bestimmte Richtung bewegen, werden ebenfalls erwogen. In einer Ausführungsform wird die zweite Energiemenge 124 in größerem Ausmaß aufgebracht als die erste Energiemenge 118. Beispielsweise kann die zweite Energiemenge 124 im Vergleich zur ersten Energiemenge 118 eine längere Zeitdauer lang, in häufigeren Intervallen und/oder auf einen größeren Oberflächenbereich aufgebracht werden.
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Wie erwähnt ist es in jeglichen der hierin beschriebenen Verfahren wünschenswert, ein Schmelzbad 100 mit einer kurvilinearen und/oder kurviplanaren Fest/Flüssig-Grenzfläche bereitzustellen. Der Begriff „kurvilinear” bezieht sich auf eine gekrümmte Linie und der Begriff „kurviplanar” bezieht sich auf eine gekrümmte Ebene. Mit „kurviplanar” ist auch gemeint, dass es keine geraden Linien gibt, die mit einer Ebene des Schmelzbades (unter einer solchen, die man bei einem Kegel oder Zylinder hätte) verbunden sind. Daher könnte, wie in 9A und 9C dargestellt ist, das Schmelzbad, wird es von oben auf der Verfahrensebene (2D) angesehen, eine Fest/Flüssig-Grenzflächenlinie haben, die entweder gerade (linear) 150 oder gekrümmt (rund, oval oder dergleichen (kurvilinear 152)) ist. In einem Aspekt stellen die hierin beschriebenen Verfahren eine kurvilineare Fest/Flüssig-Grenzfläche dar.
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Ferner würde, wenn das Schmelzbad 100 in 3D dargestellt werden (z. B. durch Mehrfachpositionsröntgen etc.) könnte, eine Fest/Flüssig-Grenzflächenoberfläche eine Ebene 154 darstellen. Wäre die Ebene 154 konisch 156 (wie man es von einem tränenförmigen Schmelzbad erwarten könnte) (siehe 9B), hätte sie relativ gerade Seiten, wie in einem Querschnitt dargestellt wäre, und Körner 158 würden in Richtung einer gemeinsamen Schweißmittelachse wachsen. Wäre die Ebene kurviplanar 160, wie man es z. B. von einem ovalförmigen Schmelzbad erwarten könnte, wären ihre Seiten gekrümmt und Körner 158 müssten mehrfache Orientierungen haben, um von der Fest/Flüssig-Grenzfläche zu wachsen, wie in 9D dargestellt ist. Aspekte der vorliegenden Erfindung stellen daher ein Schmelzbad mit einer Fest/Flüssig-Grenzfläche bereit, das auch eine kurviplanare Fest/Flüssig-Grenzfläche hat.
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Es gilt anzuerkennen, dass die Tiefe der Schweißnaht von jeder der aufgebrachten Energien gesteuert werden kann, um die gewünschte Form innerhalb der Tiefe des Schmelzbades bereitzustellen. Beispielsweise kann dies erzielt werden, indem Parameter der Energieaufbringung gesteuert werden, wie es Fachleute verstehen werden, z. B. durch Steuerung von Pulsdauer, Frequenz und/oder jegliche anderen geeigneten Parameter. In einer Ausführungsform umfasst das Schmelzbad 100, wenn überhaupt, nur minimale planare Flüssig/Fest-Grenzflächen. In einer bestimmten Ausführungsform gibt es keine planaren Flüssig/Fest-Grenzflächen des Schmelzbades 100.
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Für die hierin beschriebenen Verfahren kann das Substrat 105 jegliches Material umfassen, das von den hierin beschriebenen Verfahren profitieren würde. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Substrat 105 ein Superlegierungsmaterial. Der Begriff „Superlegierung” wird hierin verwendet, wie er auf dem Gebiet der Erfindung üblicherweise verwendet wird, um eine hochgradig korrosionsresistente und oxidationsresistente Legierung zu bezeichnen, die herausragende mechanische Festigkeit und Kriechfestigkeit sogar bei hohen Temperaturen aufweist. Superlegierungen umfassen üblicherweise einen hohen Nickel- oder Kobaltgehalt. Beispielhafte Superlegierungen umfassen, ohne darauf eingeschränkt zu sein, Legierungen, die unter den Warenzeichen- und Markennamen Hastelloy, Inconel-Legierungen (z. B. IN 738, IN 792, IN 939), Rene-Legierungen (z. B. Rene N5, Rene 41, Rene 80, Rene 108, Rene 142, Rene 220), Haynes-Legierungen, Mar M, CM 247, CM 247 LC, C263, 718, X-750, ECY 768, 262, X45, PWA 1483 und CMSX-(z. B. CMSX-4)Einkristalllegierungen, GTD 111, GTD 222, MGA 1400, MGA 2400, PSM 116, CMSX-8, CMSX-10, PWA 1484, IN 713C, Mar-M-200, PWA 1480, IN 100, IN 700, Udimet 600, Udimet 500 und Titaniumaluminid verkauft werden. Alternativ dazu kann das Substrat 105 ein keramisches Material umfassen.
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Die eine oder mehreren Energiequelle(n) zur Bildung des Schmelzbades 100 und zum Erhitzen der Regionen 132 außerhalb der Breite (W) oder Peripherie 126 des Schmelzbades 100 kann/können jegliche geeignete Energiequelle sein, die ausreicht/en, um das jeweilige Ziel zu erreichen. In einer Ausführungsform kann/können die eine oder mehreren Energiequelle(n), z. B. entweder eine oder beide der Quellen 116, 122, eine Laserenergiequelle sein. Es gilt anzuerkennen, dass Fachleute in der Lage wären, die Parameter zu identifizieren und zu verstehen, auf welche Art die Parameter variiert werden, um ein Schmelzbad 100 mit einer gewünschten Form wie hierin beschrieben bereitzustellen. Solche Parameter können Leistungsdichte, Pulsdauer, Pulsintervalle, Frequenz, Verwendung von Zwei-in-eins-Fasern, die Anzahl an Energiequellen, die Verwendung von hybriden (z. B. Plasma und Laser) Quellen, Beabstandung zwischen Quelle und Substrat und dergleichen umfassen, ohne darauf eingeschränkt zu sein.
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In jeglicher der hierin beschriebenen Ausführungsformen gilt es anzuerkennen, dass die Tiefe des Schmelzbades 100 und daher das Schmelzen des Substrats 105 wie erwünscht gesteuert werden kann. Wie oben erwähnt wird es erwogen, dass ein Teil des Schmelzbades 100 (wie z. B. die in 3A dargestellte Region 140) eine kürzere Tiefe von einer oberen Oberfläche des Substrats 105 im Vergleich zu einem Rest des Schmelzbades 100 haben kann. So kann ein Schmelzbad 100 eine kurvilineare und eine kurviplanare Fest/Flüssig-Grenzfläche haben, um die Beseitigung von Artefakten und Porosität aus dem Schmelzbad 100 zu verbessern.
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In bestimmten Ausführungsformen wird die Energiemenge, die auf das Substrat 105 durch eine oder mehrere Energiequellen aufgebracht wird, in gewisser Art nicht einheitlich aufgebracht oder umfasst einen Leistungsgradienten. Beispielsweise kann die Energiequelle, die das Schmelzbad 100 bildet, bei einer bestimmten festgelegten Leistungsdichte zu schmelzen beginnen, die allmählich über ein festgelegtes Zeitintervall erhöht wird, um das Stichloch und/oder das Schmelzbad zu bilden. Dies hat die Wahrscheinlichkeit, Turbulenzen zu reduzieren, die üblicherweise Defekte hervorrufen, wie z. B. Poren oder andere unerwünschte Einschlüsse.
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Ferner versteht sich, dass, obwohl die konturierte Form 102 des Schmelzbades 100 in einer Draufsicht als eine relativ elliptische Form dargestellt wird, die vorliegende Erfindung dahingehend nicht eingeschränkt ist. Es wird erwogen, dass andere Formen gebildet werden können und dass das Schmelzbad 100 nicht die Tränenform 22 hat, sodass Artefakte 114 sich nicht entlang der Mittelachse 30 des Schmelzbades 100 segregieren, wie es in 2 gezeigt wurde. Außerdem kann die hierin bereitgestellte Schmelzbadform jegliche sein, die reduzierte Beanspruchung entlang der Mittelachse bereitstellt und eine größere Wahrscheinlichkeit bereitstellt, dass Porosität vom Schmelzbad vor der Wiederverfestigung entweicht, im Vergleich zu einem tränenförmigen Schmelzbad.
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Um die hierin beschriebenen Verfahren umzusetzen, können eine oder mehrere Steuerungen bereitgestellt werden, die mit zumindest der einen oder mehreren Energiequellen in direkter oder drahtloser Kommunikation steht/en. Beispielweise wird in 4 die Steuerung 142 in Kommunikation mit einer ersten Energiequelle 116 und einer zweiten Energiequelle 122 dargestellt.
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Der/Die eine oder mehreren Steuerung(en) kann/können programmiert sein oder Software/Hardware haben, um die Energiequellen zu steuern. So ist/sind die eine oder mehreren Steuerung(en) konfiguriert, computerlesbare Anweisungen auszuführen, um Parameter wie Leistungsdichte, Pulsdauer, Frequenz und Fortbewegungsrichtung der Energiequelle(n) oder Substrate wie oben beschrieben auszuführen. In bestimmten Ausführungsformen ist/sind einer oder mehrere Sensor(en), z. B. Temperatursensoren, bereitgestellt, um das Schmelzverfahren zu überwachen. Der/Die eine oder mehreren Sensor(en) steht/en auch mit der Steuerung 142 in Kommunikation. Der/Die eine oder mehrere Steuerung(en) 142 kann/können eine oder mehrere Eingaben zum Empfangen von Information, wie z. B. Temperatur auf dem Substrat oder Beanspruchungsverteilung, die den Verfahrensort umgibt, von dem/n einen oder mehreren Sensor(en) umfassen.
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Die Steuerung 142 kann z. B. einen Zweckcomputer umfassen, der einen Mikroprozessor, einen Mikrocomputer, eine industrielle Steuerung, eine speicherprogrammierbare Steuerung, einen diskreten logischen Schaltkreis oder andere geeignete Steuervorrichtung umfasst. In einer Ausführungsform umfasst die Steuerung 142 Eingabekanäle, einen Speicher, einen Ausgabekanal und einen Computer. Wie hierin verwendet kann der Begriff Computer einen Prozessor, eine Mikrosteuerung, einen Mikrocomputer, eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC), einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis und andere programmierbare Schaltkreise umfassen. Der Speicher kann ein computerlesbares Medium oder eine Speichervorrichtung, z. B. eine Diskette, ein Compact-Disk Read-Only-Memory (CD-ROM) oder dergleichen umfassen. In einer Ausführungsform umfasst die Steuerung 142 computerlesbare Anweisungen zum Ausführen jeglichen Aspekts der Verfahren oder zur Steuerung jeglichen Aspekts der Systeme, die hierin beschrieben sind.
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Die hierin beschriebenen Verfahren können unter geeigneten Strömungsbedingungen stattfinden, um das Schmelzbad 100 vor Luftsauerstoff zu bewahren. In bestimmten Ausführungsformen können die hierin beschriebenen Verfahren in Gegenwart eines das Schmelzbad 100 vor Luftsauerstoff bewahrendem fließenden Argon- oder anderen Inertgas-Strom (durch das Bezugszeichen 21 dargestellt) über dem Schmelzbad 100 durchgeführt werden, wie in 1 dargestellt wurde.
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In anderen Ausführungsformen kann ein Schweißpulver einer Größe und Zusammensetzung wie in der veröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. 2013/0136868 (die in ihrer Gesamtheit hiermit durch Verweis hierin aufgenommen ist) beschrieben ist, auf das Substrat und/oder das Schmelzbad aufgebracht werden, um das Schmelzbad ähnlich vor Luftsauerstoff zu bewahren. Die Verwendung von Schweißpulver hat eine Vielzahl an damit verbundenen Vorteilen, einschließlich der Bildung einer Schlackenschicht auf einer oberen Oberfläche des Schmelzbades, was dazu beiträgt, Verunreinigungen vom Schmelzbad abzutragen und alleine zu isolieren und die Wärmeabgabe zu steuern, wodurch die Schmelzbadform und Beanspruchungen beeinflusst werden. Sollen außerdem jegliche der hierin beschriebenen Verfahren als ein zusätzliches Herstellungsverfahren verwendet werden, so kann das zusätzliche Material in Form von Superlegierungspulver sein, das auf das Schmelzbad oder vor der Bildung des Schmelzbades aufgebracht wird, wie in
US 2013/0136868 beschrieben ist.
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Während verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass solche Ausführungsformen nur beispielhaft sein sollen. Vielzählige Variationen, Veränderungen und Ersetzungen können angestellt werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demgemäß soll die Erfindung nur vom Sinn und Schutzumfang der angehängten Ansprüche eingeschränkt werden.
