EP2766148A1 - Laserschweissen von nickelbasierten superlegierungen - Google Patents

Laserschweissen von nickelbasierten superlegierungen

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EP2766148A1
EP2766148A1 EP12798266.8A EP12798266A EP2766148A1 EP 2766148 A1 EP2766148 A1 EP 2766148A1 EP 12798266 A EP12798266 A EP 12798266A EP 2766148 A1 EP2766148 A1 EP 2766148A1
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EP
European Patent Office
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welding
weight
laser
nickel
watts
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12798266.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten JOKISCH
Nikolai Arjakine
Bernd Burbaum
Andres Gasser
Stefanie Linnenbrink
Frank MENTZEL
Michael Ott
Norbert Pirch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP12798266.8A priority Critical patent/EP2766148A1/de
Publication of EP2766148A1 publication Critical patent/EP2766148A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • B23K2103/26—Alloys of Nickel and Cobalt and Chromium

Definitions

  • the invention relates to the laser welding of nickel-based substrates by means of a laser, wherein material is applied.
  • the object is achieved by laser deposition welding according to claim 1.
  • Figure 1 shows schematically a device, with which the laser deposition welding is performed
  • Figure 2 is a list of superalloys.
  • Figure 1 shows a component 20, 120, 130 with a substrate 10 having a nickel-based alloy, in particular a ge ⁇ Mäss FIG. 2
  • Welding material 14 is applied to the surface 17 of the substrate 10, if necessary, to an extended ⁇ working point. This is done by means of a laser 4, which melts by means of a laser beam 7 from a material supply 11, in particular powder feed material 14.
  • the laser 4 is preferably moved at a speed of Ge ⁇ 500mm / min.
  • the laser power is preferably 80 watts to 120 watts, in particular 100 watts.
  • the laser beam 7 of the laser 4 is concavely curved.
  • the laser beam diameter d is preferably between 300 ⁇ and 400 ⁇ , in particular 350 ⁇ .
  • the laser beam diameter d is measured on the surface 17.
  • a low mass feed rate which is between 360 mg / min and 450 mg / min, in particular between 370 mg / min and 390 mg / min.
  • this is done by the fact that the welding tracks, which are placed next to each other and form a welding layer, see between 200 ⁇ and 250 ⁇ side by side, that is, the laser is shifted by this amount ⁇ in the Y direction in the plane. For the following welding position, so to increase the
  • the focus position dz is shifted by ⁇ to 150 ⁇ in the Z direction.
  • the substrate 10 is preferably welded at below 100 ° C., preferably at room temperature, in particular a cooling, in particular without control, being carried out.
  • the high ⁇ 'content is defined as the maximum ⁇ ' content considered at room temperature ⁇ .
  • It is preferably at least 30% by weight, in particular in the range between 30% by weight and 50% by weight, very particularly 35% by weight.
  • the ⁇ 'content in the alloy is effected by titanium (Ti) and aluminum (Al), so that preferably the contents of titanium (Ti) and aluminum (Al) together preferably between 7% by weight to 9% by weight, in particular 8% by weight.
  • the method is to be applied to nickel-base alloys with higher carbon content, which is 0.15 wt.% To 0.25 wt.%.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Durch bewusst ausgewählte Laserparameter bezüglich der Leistung des Strahldurchmessers, insbesondere des Strahldurchmessers der Massenzufuhrrate der Verfahrgeschwindigkeit, können rissfreie artgleiche Schweißungen von nickelbasierten Superlegierungen durchgeführt werden.

Description

Laserschweißen von nickelbasierten Superlegierungen
Die Erfindung betrifft das Laserschweißen von nickelbasierten Substraten mittels eines Lasers, wobei Material aufgetragen wird .
Das Schweißen von Werkstoffen führt manchmal zu Rissen.
Eine solche Schweißverbindung oder Auftragsschweißung erfüllt dann nicht die erforderlichen Anforderungen, so dass es Aufgabe der Erfindung ist, dieses Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Laserauftragsschweißen gemäß Anspruch 1.
In den weiteren Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. Es zeigt
Figur 1 schematisch eine Vorrichtung, mit der das Laserauftragsschweißen durchgeführt wird, Figur 2 eine Liste von Superlegierungen.
Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Figur 1 zeigt ein Bauteil 20, 120, 130 mit einem Substrat 10, welches eine nickelbasierte Legierung, insbesondere eine ge¬ mäß Figur 2 aufweist. Auf die Oberfläche 17 des Substrats 10 ggf. auf einer ausge¬ arbeiteten Stelle wird Schweißmaterial 14 aufgetragen. Dies geschieht mittels eines Lasers 4, der mittels eines Laserstrahls 7 das aus einer Materialzufuhr 11, insbesondere Pulverzufuhr stammende Material 14, aufschmilzt. Dabei bewegt sich der Laser 4 vorzugsweise mit einer Ge¬ schwindigkeit von 500mm/min.
Die Laserleistung beträgt vorzugsweise 80 Watt bis 120 Watt, insbesondere 100 Watt.
Der Laserstrahl 7 des Lasers 4 ist konkav gekrümmt.
Der Laserstrahldurchmesser d beträgt vorzugsweise zwischen 300μη und 400μιη, insbesondere 350μιη.
Der Laserstrahldurchmesser d wird auf der Oberfläche 17 gemessen .
Um generell die Wärmezufuhr in das Substrat 10 niedrig zu halten, wird vorzugsweise eine geringe Massenzufuhrrate ver- wendet, die zwischen 360mg/min und 450mg/min, insbesondere zwischen 370mg/min und 390mg/min liegt.
Dementsprechend liegt die Verfahrgeschwindigkeit bei
450mm/min bis 550mm/min.
Durch diese Laserparameter, der Leistung, des Strahldurchmessers, der Verfahrgeschwindigkeit und der Massenzufuhrrate wird der Energieeintrag bewusst niedrig gehalten, um Thermo- risse zu vermeiden.
Durch weitere Maßnahmen können auch Risse in übereinanderlie¬ genden Schweißlagen vermieden werden.
Zum einen geschieht dies dadurch, dass die Schweißbahnen, die nebeneinander gelegt werden und eine Schweißlage bilden, zwi- sehen 200μη und 250μη nebeneinander liegen, das bedeutet, der Laser wird um diesen Betrag ΔΥ in Y-Richtung in der Ebene verschoben . Für die nachfolgende Schweißlage, also zur Erhöhung der
Dicke, wird die Fokuslage dz um ΙΟΟμη bis 150μη in Z-Richtung verschoben . Durch diese Maßnahmen werden Thermospannungen vermieden und damit auch schweißbedingte Risse.
Das Substrat 10 wird vorzugsweise bei unter 100°C geschweißt, vorzugsweise bei Raumtemperatur, wobei insbesondere eine Küh- lung, ganz insbesondere ohne Steuerung durchgeführt wird.
Diese Vorgehensweise/Maßnahmen eignen sich besonders für Nickelbasislegierungen mit hohem γ' -Gehalt, insbesondere für Substrate aus Rene 80, da dies die Materialien sind, die generell etwas schwieriger zu schweißen sind.
Der hohe γ' -Gehalt wird als der maximale γ' -Gehalt bei Raum¬ temperatur betrachtet.
Der liegt vorzugsweise bei mindestens 30 Gew.%, insbesondere im Bereich zwischen 30 Gew.% bis 50 Gew.%, ganz insbesondere bei 35 Gew.%.
Der γ' -Anteil in der Legierung wird bewirkt durch Titan (Ti) und Aluminium (AI) , so dass vorzugsweise die Gehalte von Titan (Ti) und Aluminium (AI) zusammen vorzugsweise zwischen 7 Gew.% bis 9 Gew.%, insbesondere 8 Gew.% liegen.
Ebenso ist das Verfahren bei Nickelbasislegierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt anzuwenden, der bei 0,15 Gew.% bis 0,25 Gew.% liegt.

Claims

Patentansprüche
1. Laserauftragsschweißen von nickelbasierten Superlegie- rungen,
bei dem ein Durchmesser (d) des Laserstrahls (7) einen Durchmesser von 300μη bis 400μιη,
insbesondere 350μιη,
aufweist
und/oder
bei dem die Laserleistung zwischen 80 Watt und 120 Watt be¬ trägt,
und/oder
bei dem die Massenzufuhrrate zwischen 360mg/min und
450mg/min beträgt,
insbesondere die Pulvermassenzufuhrrate,
ganz insbesondere bis 380mg/min,
und/oder
bei dem die Verfahrgeschwindigkeit zwischen Substrat (4) und Laserstrahl (10) 450mm/min bis 550mm/min beträgt, insbesondere 500mm/min,
und/oder
bei dem der Laser (4) um einen Betrag von 200μη bis 250μη in einer Schweißlagenebene verschoben wird,
um eine direkt benachbarte Schweißbahn zu erzeugen, wobei mehrere nebeneinander angeordnete Schweißbahnen eine
Schweißlage ergeben.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die Laserleistung zwischen 80 Watt und 120 Watt, insbesondere 100 Watt beträgt.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Massenzufuhrrate zwischen 360mg/min und
450mg/min beträgt,
insbesondere die Pulvermassenzufuhrrate,
ganz insbesondere 380mg/min.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Verfahrgeschwindigkeit zwischen Substrat (4) und Laserstrahl (10) 450mm/min bis 550mm/min beträgt, insbesondere 500mm/min.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem der Laser (4) um einen Betrag von 200μη bis 250μη in einer Schweißlagenebene verschoben wird,
um eine direkt benachbarte Schweißbahn zu erzeugen, wobei mehrere nebeneinander angeordnete Schweißbahnen eine
Schweißlage ergeben.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Laser (4) in Z-Richtung um ΙΟΟμη bis 150μη verschoben wird,
um eine neue Schweißlage zu erzeugen.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem als Schweißmaterial (14) das Material des Substrats (10) verwendet wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem unter 100°C Substrattemperatur geschweißt wird, insbesondere bei Raumtemperatur.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem Nickelbasislegierungen mit hohem γ' -Gehalt geschweißt werden,
insbesondere mit einem γ' -Gehalt von 30Gew.% bis 50Gew.%, ganz insbesondere von 35Gew.% bis 45Gew.%.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Titan- und Aluminiumgehalt (Ti + AI) der nickelbasierten Superlegierung zusammen zwischen 7 Gew.% bis 9 Gew.%,
insbesondere 8 Gew.% beträgt.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem der Kohlenstoffgehalt (C) der nickelbasierten Superlegierung zwischen 0,15 Gew.% bis 2,5 Gew.%, insbesondere bei 0,17 Gew.% liegt.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem eine polykristalline Schweißnaht erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem auf IN738 geschweißt wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12,
bei dem auf Rene 80 geschweißt wird.
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