EP3337637A1 - Auftragschweissen von übereinander aufgetragenen auftragslagen mit unterschiedlichen dicken - Google Patents

Auftragschweissen von übereinander aufgetragenen auftragslagen mit unterschiedlichen dicken

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EP3337637A1
EP3337637A1 EP16735595.7A EP16735595A EP3337637A1 EP 3337637 A1 EP3337637 A1 EP 3337637A1 EP 16735595 A EP16735595 A EP 16735595A EP 3337637 A1 EP3337637 A1 EP 3337637A1
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EP
European Patent Office
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layers
thick
application
welding
order
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16735595.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nikolai Arjakine
Georg Bostanjoglo
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3337637A1 publication Critical patent/EP3337637A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder

Definitions

  • the invention relates to a method for build-up welding in which the microstructure of the welded-on region is set in a targeted manner.
  • the invention relates to laser beam deposition welding with a powdery filler material using a pendulum motion (wobble strategy).
  • the Wöbbel strategy for laser cladding allows targeted control of nucleation and grain growth in the mushy zone, so that the growth of a colum- lic solidification front is suppressed or completely avoided.
  • Experimental results show a nearly crack-free microstructure on the nickel-based superalloys IN738.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and a component according to claim 6.
  • FIG shows a component according to the invention.
  • the figure and the description represent only embodiments of the invention.
  • the advantage lies in improved material properties of the component compared to conventionally welded components.
  • the figure shows a component 1 with a substrate 4 and a job-welded area 13 (material application).
  • the component 1 had at least one crack or defect which was removed, so that for re-use of the component material must be reapplied or a new component is constructed hybrid.
  • the substrate 4 of the component 1 is preferably a nickel- or cobalt-based superalloy.
  • Material is applied to the surface 12 of the substrate 4 to be processed.
  • the difference in thickness between the directly successive thick application layers 7 7 ⁇ ⁇ , ... and thin order layers 9 ⁇ , 9 ⁇ ⁇ , ... is at least 20% (relative).
  • the sequence of thinner 9 ⁇ , 9 ⁇ ⁇ and thicker 7 7 ⁇ ⁇ on ⁇ tragslagen can be varied as desired, ie either first the thin 9 ⁇ or first the thick order layer 7 ⁇ .
  • the thick order layers 7 ⁇ , 7 ⁇ ⁇ , ... may also be formed differently thick, but are always at least 20% thicker than the thickest order of the thin order ⁇ layers 9 ⁇ 9 ⁇ ⁇ ....
  • the figure represents only an example of the invention, in which the sequence of thinner 9 ⁇ , 9 ⁇ ⁇ , ... and thicker 7 ⁇ , 7 ⁇ ⁇ , ... order layers is alternating.
  • the material for the thick and thin order layers is preferably the same.
  • the material composition of the thick 7 ⁇ , 7 ⁇ ⁇ and thin 9 ⁇ , 9 ⁇ ⁇ order layers can be varied, alternating or graded, these following examples are not limiting:
  • Material 1 and material 2 differ at least by 20% in an alloying ingredient or at least one alloying element more or less. There may be at least 4, in particular at least 8, completely in ⁇ particular at least 12 order situations.
  • the laser parameters are optionally adapted to a lower or higher powder mass flow:

Landscapes

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

Abstract

Durch die Veränderung des Pulvermassenstroms werden verschieden dicke Auftragslagen erzeugt, wodurch die Mikrostruktur des gesamten auftragsgeschweißten Bereichs (13) gezielt und vorteilhaft eingestellt wird.

Description

AUFTRAGSCHWEISSEN VON ÜBEREINANDER AUFGETRAGENEN AUFTRAGSLAGEN MIT UNTERSCHIEDLICHEN DICKEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren beim Auftragschweißen, bei dem die Mikrostruktur des aufgeschweißten Bereichs gezielt eingestellt wird.
Die Erfindung betrifft insbesondere das Laserstrahl-Auftrag¬ schweißen mit einem pulverförmigen Zusatzwerkstoff unter Verwendung einer Pendelbewegung (Wöbbel-Strategie) . Durch die Wöbbel-Strategie beim Laserstrahl-Auftragschweißen können Keimbildung und Kornwachstum in der mushy zone (breiige Zone) gezielt beeinflusst werden, so dass das Wachstum einer kolum- naren Erstarrungsfront unterdrückt bzw. vollständig vermieden wird. Experimentelle Ergebnisse zeigen eine nahezu rissfreie Gefügestruktur an der Nickelbasis-Superlegierungen IN738.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein rissfreies Gefüge zu erzielen .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Bauteil gemäß Anspruch 6.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigt sich eine Abhängigkeit der erstarrten Gefügestruktur in Abhängigkeit vom Pulvermassenstrom. Bei großen Pulvermassenströmen ergibt sich ein feinkörniges Gefüge, wobei die Korngröße deutlich kleiner ist als die Lagenhöhe. Bei Ver¬ kleinerung des Pulvermassenstroms kommt es ab einer Grenze zu einer Kristallisation von stängelkristallinen Körnern in etwa der Größe der Lagenhöhe.
Es zeigt die Figur ein erfindungsgemäßes Bauteil. Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Vorgeschlagen wird die Einstellung einer gewünschten Gefüge- struktur durch die Anpassung des Pulvermassenstroms. Bei einem lagenweisen Aufbau lassen sich somit unterschiedliche Gefügestrukturen je Lage erzielen. Dadurch können die mechanischen Eigenschaften gezielt beeinflusst werden. Zudem kann an für Heißrisse kritischen Stellen gezielt ein sehr feinkör- niges Gefüge eingestellt werden. Damit verkleinert sich die Gefahr einer Rissbildung.
Der Vorteil liegt in verbesserten Materialeigenschaften des Bauteils im Vergleich zu konventionell geschweißten Bautei- len.
Die Figur zeigt ein Bauteil 1 mit einem Substrat 4 und einem auftragsgeschweißten Bereich 13 (Materialauftrag) .
Das Bauteil 1 wies zumindest einen Riss oder Defekt auf, der entfernt wurde, so dass für den Wiedereinsatz des Bauteils Material neu aufgetragen werden muss oder ein Neubauteil wird hybridmäßig aufgebaut. Das Substrat 4 des Bauteils 1 ist vorzugsweise eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung .
Auf die Oberfläche 12 des zu bearbeitenden Substrats 4 wird Material aufgetragen.
Dies erfolgt insbesondere durch eine Pulverauftragschweißung, insbesondere durch eine Laserpulverauftragschweißung .
Die verschiedenen Schichtdicken der Auftragslagen 7 9
7λ λ, 9λ λ, ... für den Materialauftrag werden erreicht durch Einstellung des Pulvermassenstroms.
Es sind unterschiedlich dicke Auftragslagen vorhanden bzw werden erzeugt, also sind dicke Auftragslagen 7 7λ λ, ... und dünne Auftragslagen 9λ, 9λ λ, ... vorhanden. Der Unterschied in der Dicke zwischen den direkt aufeinanderfolgenden dicken Auftragslagen 7 7λ λ, ... und dünnen Auftragslagen 9λ, 9λ λ, ... beträgt mindestens 20% (relativ) .
Die Abfolge der dünneren 9λ, 9λ λ und dickeren 7 7λ λ Auf¬ tragslagen kann beliebig variiert werden, d. h. entweder zuerst die dünne 9λ oder zuerst die dicke Auftragslage 7λ. Ebenso können die dicken Auftragslagen 7λ, 7λ λ, ... auch verschieden dick ausgebildet sein, sind aber immer mindestens 20% dicker als die dickste Auftragslage der dünnen Auftrags¬ lagen 9\ 9λ\ ....
Vergleichbares gilt für die dünnen Auftragslagen 9λ, 9λ λ.
Die Figur stellt nur ein Beispiel der Erfindung dar, bei dem die Abfolge der dünneren 9λ, 9λ λ, ... und dickeren 7λ, 7λ λ, ... Auftragslagen alternierend ist. Das Material für die dicken und dünnen Auftragslagen ist vorzugsweise dasselbe.
Ebenso kann die Materialzusammensetzung der dicken 7λ, 7λ λ und dünnen 9λ, 9λ λ Auftragslagen variiert werden, alternie- rend oder gradiert, wobei diese folgenden Beispiele keine Einschränkung darstellen:
7λ Material 1
9λ Material 2
7λ λ Material 1
9 λ λ Material 2
oder
7λ Material 1
9λ Material 1
7 λ λ Material 2
9 λ λ Material 2
oder
7λ Material 1 9λ Material 1
7 λ λ Material 1
9λ λ Material 2
·~Ι \ \ \ Material 2
g \ \ \ Material 2
oder
7 λ Material 1
9λ Material 2
7 λ λ Material 2
9λ λ Material 2
·~Ι \ \ \ Material 1
g \ Material 2
oder..
Material 1 und Material 2 unterscheiden sich zumindest um 20% in einem Legierungsbestandteil oder weisen zumindest ein Legierungselement mehr oder weniger auf. Es können mindestens 4, insbesondere mindestens 8, ganz ins¬ besondere mindestens 12 Auftragslagen vorhanden sein.
Die Laserparameter werden optional an einen geringeren oder höheren Pulvermassenstrom angepasst:
Wird eine obere Grenze des Pulvermassenstroms überschritten, dann treten Bindefehler, also Löcher auf. Wird die untere Grenze unterschritten, dann wachsen die Körner über mehrere Lagen .
Das heißt, möchte man noch größere Dicken der Auftragslagen ohne Bindefehler haben, als die im genannten Parameterfenster möglichen, dann muss die Leistung auch erhöht werden. Analog ist das für kleinere Dicken, ohne dass die Körner über meh¬ rere Lagen wachsen. Hier muss dann die Leistung reduziert werden . Insbesondere mit der Wobbeistrategie können die Korngrößen innerhalb einer Lage in bestimmten Grenzen eingestellt werden .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Materialauftrag (13) auf eine Oberfläche (12) eines Substrats (4),
bei dem mehrere Auftragslagen (7 9λ, ...,7λ λ, 9λ λ, ...) auf¬ getragen werden,
die verschieden dick ausgebildet werden,
wobei verschieden dick bedeutet, dass ein Unterschied in der Dicke zwischen zumindest zwei der jeweiligen direkt aufeinanderfolgenden Auftragslagen (7 9λ, ,7λ λ, 9λ λ, ...) mindestens 20% beträgt,
wobei die unterschiedliche Dicke durch Einstellung des Pul¬ vermassenstroms erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die Parameter für ein Auftragsverfahren für die unterschiedlichen Pulvermassenströme der Auftragslagen (7 9 λ, ,7λ λ, 9λ λ, ...) angepasst werden.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem eine Auftragschweißung verwendet wird,
insbesondere eine Laserpulverauftragschweißung .
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem eine Wöbbel-Technologie angewendet wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4,
bei dem ein nickel- oder kobaltbasiertes Substrat auftrag¬ geschweißt wird.
6. Bauteil ( 1 ) ,
insbesondere hergestellt nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 5,
bei dem eine Auftragschweißung verschieden dicke Auftrags- lagen aufweist.
7. Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6,
das mindestens 4, insbesondere mindestens 8,
ganz insbesondere 12 Auftragslagen (7 9 ...) aufweist,
8. Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7,
bei dem das Material für die Auftragslagen (7 9λ, 7λ λ, 9λ λ) verändert wird oder ist.
9. Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8,
bei dem die dünnen Auftragslagen (9λ, 9λ λ, ...) ein erstes Material aufweisen und die dicken Auftragslagen (7 7λ λ,...) ein zweites Material aufweisen.
10. Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7,
bei dem das Material der dicken und dünnen Auftragslagen (7\ 9\ 7λ\ 9λ λ) dasselbe ist.
EP16735595.7A 2015-11-06 2016-06-21 Auftragschweissen von übereinander aufgetragenen auftragslagen mit unterschiedlichen dicken Withdrawn EP3337637A1 (de)

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Inventor name: MENTZEL, FRANK

Inventor name: GASSER, ANDRES

Inventor name: LINNENBRINK, STEFANIE

Inventor name: OTT, MICHAEL

Inventor name: PIRCH, NORBERT

Inventor name: BURBAUM, BERND

Inventor name: ARJAKINE, NIKOLAI

Inventor name: BOSTANJOGLO, GEORG

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