EP4308335A1 - EXTREMES HOCHGESCHWINDIGKEITS-LASERAUFTRAGSCHWEIßVERFAHREN - Google Patents

EXTREMES HOCHGESCHWINDIGKEITS-LASERAUFTRAGSCHWEIßVERFAHREN

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Publication number
EP4308335A1
EP4308335A1 EP22713587.8A EP22713587A EP4308335A1 EP 4308335 A1 EP4308335 A1 EP 4308335A1 EP 22713587 A EP22713587 A EP 22713587A EP 4308335 A1 EP4308335 A1 EP 4308335A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
component
particles
laser beam
deposition welding
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP22713587.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Schopphoven
Andres Gasser
Norbert Pirch
Matthias BRUCKI
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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 Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4308335A1 publication Critical patent/EP4308335A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps

Definitions

  • the invention relates to a laser build-up welding method for carrying out laser build-up welding to produce a melt-metallurgical connection between an at least partially melted filler material and a surface of a component by means of laser radiation, which further enables extreme process speeds to be increased.
  • the invention also relates to a corresponding laser build-up welding device and a component modified with this method or this device.
  • Laser deposition welding is known in the prior art as a method for surface treatment and for the additive manufacturing of components with additional materials.
  • a powdered filler material is introduced at a defined angle by means of a powder nozzle into a melt pool generated by a laser beam on a surface of a component.
  • a schematic diagram in Fig. 1 shows the known method.
  • a layer 2 of the filler material is produced on a component 1 in that filler material 5 in the form of powder particles is supplied to a molten bath 4 by means of a powder feeder 3 .
  • the molten bath 4 is kept in the liquid state by irradiating it with a laser beam 6 .
  • Additional material 5 in the form of solid powder arrives in the area of the melt pool 4 and is melted there by the laser beam 6 and the heating of the surrounding melt pool. If the component 1 is now moved in relation to the laser 6 and the powder feed 3, the material of the melt pool moves out of the area of influence of the laser 6 and solidifies as a melt-metallurgical connection between the base material and the filler material to form the layer 2. Seen in the direction of laser impact x below the melt pool 4 the power irradiated by the laser 6 also partially penetrates the surface of the component 1 . The action of the laser radiation creates a heat-affected zone 10 depending on the duration of interaction. Depending on the radiation intensity and duration of action of the laser 6, the filler material and component material are therefore mixed.
  • the filler material powder can be injected laterally or coaxially into the weld pool.
  • Figure 1 shows side injection.
  • Process speeds ie feed speeds of the component relative to the laser beam, typically reach between 0.2 m/min and 5 m/min.
  • An extreme high-speed laser build-up welding process is known from German published application DE 10 2011 100 456 A1.
  • the filler metal is fed into the weld pool in a fully melted form.
  • the powder particles are melted at a distance greater than zero from the melt pool and added to the melt in a liquid state.
  • the filler material is supplied to the molten pool in the same physical state as the molten pool has on the surface of the component. This eliminates the time required to melt the powder particles in the melt pool. This in turn reduces the time required for layer formation, which means that the process speed can be significantly increased.
  • the powdery filler material is melted by the laser beam before it reaches the melt pool created by the laser beam.
  • the achievable feed rate depends on the time required to melt the particles of the supplied powder on the one hand and the time required to create a melt pool on the surface of the component on the other. In this case, it would be desirable if the component were heated as little as possible and there was little dilution on the surface of the component. A further increase in process speed would also be desirable.
  • the object of the present invention is to provide a method for laser build-up welding at high feed speeds and build-up rates, with which a low heat input into the component and low dilution on the surface of the component is made possible.
  • this object is achieved by a laser build-up welding method for carrying out a laser build-up weld, with the component being melt-metallurgically connected to partially melted filler material by means of a laser beam directed onto a surface of a component, with the filler material being fed to the laser beam as a powder jet of particles, with the particles in a beam-particle interaction zone at a distance from the surface of the component depending on the process parameters of the laser cladding process and grain fraction and Material properties of the particles absorb optical energy from the laser beam and are applied to the surface of the component, with the process parameters being set in such a way that at least a proportion of the particles along their trajectory are reached by the laser radiation the boiling temperature and the resulting vapor pressure leads to an increase in speed at least of the proportion of particles towards the surface of the component.
  • laser deposition welding is carried out, i.e. a melt-metallurgical connection of an additional material is produced with the surface of the component.
  • Melting is the phase transition of a solid substance or solid mixture of substances into the liquid state.
  • the phase transition is usually generated at constant pressure by supplying heat from the laser beam. If a pure substance is melted at constant pressure, the melting temperature is clearly determined. During the phase transition, the temperature remains constant, and all the heat supplied is invested in the change in the state of aggregation as the enthalpy of fusion.
  • the inventors have recognized that the generation of a melt in a welding spot on the surface of the component before contact with the molten particles of the filler material is not a necessary prerequisite for the production of weld-metallurgically bonded layers.
  • the place where the laser radiation and the additional material hit the surface of the component is referred to as the welding spot, i.e. the point where the build-up welding takes place.
  • the powder particles are at least partially melted by the laser beam before it hits the surface of the component.
  • the powder particles shadow the laser beam so that only part of the laser beam is transmitted through the powder and hits the component.
  • the surface of the component only has to be preheated by the transmitted portion of radiation to such an extent that the additional energy input of the melted powder particles is sufficient to form a melt-metallurgical bond on the surface through the temperature increase as a result of the thermal contact, even with a previously solid substrate that has not yet melted.
  • the highest possible temperature is a temperature up to the boiling point of the particles.
  • part of the particle or part of the surface of the particle in question is heated to its boiling point. Since the heating of the surface of the particles of the filler material of at least part of the supplied powdered filler material at least partially to the boiling point of the filler material compared to the methods known from the prior art with otherwise the same conditions, such as transmittance, particle heating, etc., requires a lower laser power is required, the achievable feed rate can be further increased and the previous process limit can be overcome. With the same laser power applied, it takes longer to melt the welding spot on the surface of the component than to heat powder particles to their boiling point.
  • the heat penetration depth and thus the heat-affected zone on the surface of the component can be minimized with the method according to the invention, which means that the properties of the component, for example with regard to the mechanical properties such as ductility, modulus of elasticity and / or yield stress, also change at its The surface does not change or does not change significantly as a result of the build-up weld. Due to the low heat penetration depth, there is little mixing of the filler material with the original material of the component, i.e. the two materials are mixed on the surface of the component.
  • the increase in the speed of the particles according to the invention is advantageous because, in the case of particle temperatures greater than the melting temperature, particles at high speed are deformed along the surface of the component when they come into contact with the surface of the component as a result of the kinetic energy, even at high feed speeds, or to the surface of the component are pressed, so that heat transfer to the surface is improved. As a result, good heat exchange between the particles and the solid substrate surface (of the component) can be initiated. This achieves an improved metallurgical bond. Any increase in the speed of the particles in the direction of the surface of the component is therefore favorable for the laser deposition welding process, in particular in order to be able to operate this process at the highest possible feed speeds.
  • the rate of increase in the proportion of particles that have reached the boiling temperature is greater than 2%. From a speed increase of 2%, the advantageous effect in the treated component becomes clearly measurable and higher feed speeds can be achieved at the same time qualitatively good laser cladding and low dilution compared to the prior art.
  • the surface of a component refers to the surface that faces the laser radiation and the powder jet, with this surface only undergoing laser build-up welding where the filler material is applied to the surface.
  • the term "applied to the surface of the component” refers to any type of application of a substance to another substance, in this case the component.
  • the powdered filler material can be melted in a laser beam before it hits the component and blown (applied) onto it in molten form.
  • a laser beam is usually focused using single-lens or multi-lens laser optics, the most important optical parameters of which are the focal length and the aperture (diameter of the free opening).
  • the laser beam is bundled by the laser optics.
  • the beam waist resulting from the bundling of a laser beam after the laser optics is also referred to as the beam focus. In practice, this beam focus is not a single discrete point, but forms a focus area.
  • Laser beams are electromagnetic waves that are characterized by a combination of high intensity, often in a very narrow frequency range (monochromatic light), sharp focusing of the beam and a long coherence length. Laser beams from the infrared spectrum, for example, are used for laser deposition welding.
  • additional material refers to the entirety of the material applied to the surface of the component as a powder jet.
  • the additional material can thus be a single substance or a mixture of substances, which can comprise a homogeneous, inhomogeneous, spatially and/or temporally varying composition.
  • a multi-material mix such as IN625 with WC is also referred to as an additional material within the meaning of the present invention.
  • the additional active substance is present as particles that are transported in a powder jet (or particle jet) in the direction of the laser beam and through it onto the surface of the component, for example with the aid of a transport gas stream in which the particles are guided to the component.
  • the term "grain fraction” refers to the particles with a certain size or a size distribution of the particles in a total quantity of particles. For example, can the particles thereby have sizes in a certain interval of particle sizes.
  • a powder or a powdered additive material is understood to mean a very finely comminuted substance with an average particle size of less than 100 ⁇ m.
  • beam-particle interaction zone refers to the spatial area above the surface of the component in which the particles absorb optical energy from the laser beam. The size of the beam-particle interaction zone depends on the process parameters, in particular on the laser beam guidance and the particle beam guidance. The process parameters designate all the conditions for the laser cladding process that can be set or are predetermined by the respective selected components.
  • the process parameters determine, among other things, the jet-particle interaction zone and the number of particles that reach the boiling temperature in the jet-particle interaction zone and what proportion of the individual particles is heated to the boiling temperature, which results in the increase in velocity for the individual particles .
  • the trajectory describes the trajectory of the particles on their way to the surface of the component. This trajectory can be straight or curved, depending on how the particles interact with each other (e.g. through mechanical impact) and with the laser radiation (thermal), in particular whether the particles are accelerated and how high this acceleration is.
  • the process parameters to be set for this include one or more elements from the group of laser power of the laser beam, beam guidance of the laser beam, size of the focus area, relative position of a powder jet focus to the laser beam, preferably to the focus area of the laser beam, density of the particles in the powder jet, speed of the particles in the Powder jet before reaching the laser beam, preferably the focus area of the laser beam, distance between the laser focus and the surface of the component, overlap and feed rate.
  • the overlap between the powder jet and the laser beam is referred to as the overlap, i.e. how many particles ultimately pass through the laser beam.
  • the vapor pressure that increases the velocity is a result of the heating of a portion of the particles to the boiling point.
  • material of the respective vaporizes particle, whereby an impulse in the forward direction is exerted on the surface of the component on the respective particle, which correspondingly accelerates this respective particle.
  • the method according to the invention thus provides a method for laser build-up welding for high feed speeds and build-up rates, with which a low heat input into the component and a low level of dilution on the surface of the component are made possible.
  • the method according to the invention also represents a self-reinforcing method with regard to the thermalization of the optical energy in the powder jet of particles (heating of the particles in the laser beam), since the targeted use of the acceleration of particles as a result of the vapor pressure when the boiling temperature is reached on the particle surface leads to this that the increased speeds of the particles lead to a dilution of the particle density in the focus area of the laser beam.
  • the particles in this area with a temperature below the boiling point can absorb more optical energy from the laser beam because of the higher degree of transmission.
  • This is advantageous for the process, because the more the ratio of the thermalized optical energy shifts in favor of the powder jet of particles, the smaller the penetration depth of the melt isotherms into the substrate.
  • self-regulation sets in, since the accelerated particles experience reduced further heating. This is particularly advantageous with high powder densities or application rates and high feed speeds.
  • the increase in speed is so great that a constriction of the powder jet in the direction of the surface of the component is between 2% and 10%, preferably between 3% and 6%, particularly preferably between 4% and 5%, compared to a width of the unilluminated powder jet effected.
  • the proportion of particles that have reached the boiling point is more than 5%, preferably more than 30%, more preferably more than 50%, particularly preferably more than 80% of the particles along their trajectory through the laser radiation be heated.
  • at least 20% of a surface of the particles, preferably at least 30%, particularly preferably at least 40% are heated to at least their boiling point. In the case of a spherical particle and a parallel laser beam, no more than 50% of the surface can be heated to the boiling point.
  • the particles can have a surface that deviates from the spherical shape, surface portions greater than 50% would also be possible, but not significantly more than 50%.
  • the particles have an average particle size of >1 ⁇ m, preferably >10 ⁇ m, particularly preferably >30 ⁇ m and/or ⁇ 100 ⁇ m, preferably ⁇ 70 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 50 ⁇ m.
  • the particle sizes mentioned have proven to be advantageous in terms of heating in the time available, the homogeneity of the temperature distribution within the particle, the speed at which the particle temperature between its heating in the laser beam and its impact on the welding spot on the one hand and on the other hand that caused by the individual Particles proven possible energy input on the surface of the component.
  • the surface of the component in an area on which the laser deposition welding is carried out is heated by the transmitting laser beam itself to a temperature below its melting temperature, with the melted particles having a particle temperature at least at the point of impact of the particles on the surface of the component greater than the melting temperature of the component at its surface induce a temperature above the solidus temperature in the surface of the component to produce the melt-metallurgical connection.
  • the laser beam is aimed at the area of the surface of the component on which the build-up weld is to be carried out. However, the powdery additional material is passed through the laser beam before it hits the component. As a result, the laser beam is partially shaded.
  • the transmittance therefore indicates how much laser radiation finds its way through the powder jet.
  • the transmittance of the powder jet passed through the laser beam is adjusted in such a way that the surface of the component where the additional material is applied is heated, but the heating remains below the melting temperature of the surface of the component. By heating up the welding spot, it is possible to melt the surface of the component more quickly at this point through the impact of the hot, melted powder particles. An even higher feed rate can be achieved by preheating the surface of the component using the laser radiation. Because the laser radiation does not heat the surface of the component to the melting point, the mixing of component material with filler material is kept as low as possible.
  • the density of the particles in the powder jet is adjusted and the laser power and caustic of the laser beam are dimensioned and aligned to the powder jet so that the laser power impinging on the surface of the component is less than 85%, preferably less than 50%, particularly preferably less than 30%, particularly preferably less than 10%, particularly preferably less than 5% of the laser power before the laser beam comes into contact with the particles of the powder jet.
  • the proportion of the laser radiation that hits can be larger in order to still ensure a low level of dilution.
  • the transmittance of the laser radiation can be adjusted accordingly via the powder density.
  • the optimum degree of transmission is also a function of the feed rate.
  • austic also known as a focal line or focal surface, describes an area in optics in which light rays are tangents to an arc or a curved surface. The arch delimits the clearance. The intensity increases towards the arc and falls off steeply there.
  • the laser beam comprises a focal area whose mean distance from the surface of the component is between 0.25 mm and 20.0 mm, preferably between 0.25 mm and 10.0 mm, more preferably between 0.25 mm and 5. 0 mm, particularly preferably between 0.8 mm and 1.2 mm.
  • the focal area is the point of highest energy density. In practice, this is not a discrete point, but an area. Hence the distance counted from the center of the focus area is thus an average distance.
  • the specified values for the distance have proven to be advantageous because, on the one hand, with these values, there is enough time for the particles to hit the surface of the component so that the heat introduced at certain points by the laser beam is homogenized via heat equalization processes within the particle and, on the other hand, the entire particle Temperature level has not yet decreased significantly due to heat exchange processes with the environment.
  • the values for the extension of this range can vary between different parameter sets for the process parameters.
  • the powder jet is fed to the focus area of the laser beam, preferably coaxially.
  • the conical configuration of the powder jet can be easily achieved, for example, using a coaxial powder nozzle. It has thus proven to be advantageous if the jet of powder of the filler material is fed to the welding spot coaxially to the laser beam.
  • the conical shape of the powder jet has proven to be advantageous.
  • the tip of the cone should be as close as possible to the focal point of the laser beam, in particular within the limits mentioned above.
  • the powder jet has a powder mass which is greater than lg/1 per total volume delivered, consisting of the delivery gas volume and the particle volume.
  • the shielding gas is not included in the balance.
  • the specified minimum amount of powder material advantageously limits the transmittance of the laser beam onto the component.
  • the powder jet is fed to the laser beam by means of a coaxial nozzle as a conical powder jet, by means of a multi-jet nozzle or by means of a rectangular nozzle.
  • the filler material is applied to the surface of the component at a feed rate along the surface of the component between 5 m/min and 1000 m/min, preferably more than 10 m/min, more preferably more than 21 m/min. even more preferably more than 50 m/min, particularly preferably more than 100 m/min, very particularly preferably more than 130 m/min, extremely preferably more than 150 m/min.
  • the filler material comprises a nickel-based alloy, a cobalt-based alloy, an iron-based alloy, a titanium-based alloy, a copper-based alloy, an aluminum-based alloy, an iron-based material and/or ceramic or a mixture of the above alloys or consists of.
  • the process parameters are selected in such a way that, when using these process parameters with an inactive powder jet and the laser beam with 35% laser power, preferably 50% laser power, particularly preferably 85% laser power, according to the process parameters there is no melting of the surface of the component in the area of the incident laser beam occurs.
  • the inactive powder jet refers to a process management in which no powder jet is applied to the surface of the component. In this way, the laser beam can reach the surface of the component with full transmission without shadowing. If this laser beam is directed onto the surface of the component with 50% of its laser power compared to the actual laser deposition welding process, the surface of the component must not melt under these conditions.
  • this parameter is determined for successful laser cladding and high application speeds and application rates with simultaneous low heat input into the component and low dilution on the surface of the component can be achieved with the checked parameter set.
  • the invention also relates to a laser build-up welding device for producing a melt-metallurgical connection between an at least partially melted filler material and a surface of a component with at least one laser, from which a laser beam directed onto the surface of the component is emitted, and with at least one powder nozzle for generating a Powder jet from the filler material, with the laser beam and powder nozzle being designed and arranged in such a way that the powder jet of particles is fed to the laser beam and the particles in a beam-particle interaction zone at a distance from the surface of the component depending on process parameters in the laser deposition welding process and of grain fraction and material properties of the particles absorb optical energy from the laser beam to be applied to the surface of the component, with the process parameters of Laser deposition welding device are set so that at least a portion of the particles along their trajectory reached by the laser radiation boiling temperature and there is a speed increase at least the portion of the particles in the direction of the surface of the component as a result of a resulting vapor pressure.
  • the invention also relates to a component with a surface to which an additional material is applied by melt metallurgy using the laser deposition welding method according to the invention.
  • the component according to the invention differs from components according to the prior art, for example, by a particularly small mixing zone between the material of the component and the applied filler material.
  • the component to which the additional material is to be applied can be any component that consists of a material that is fundamentally suitable for laser deposition welding. At least the surface of the component to which the filler material is applied must be made of this material. The person skilled in the art knows, for example, suitable materials for this.
  • the component can have any suitable geometric shape, provided the surface is designed in such a way that the laser beam and/or the powder jet is able to reach the area of the surface of the component to which the filler material is to be applied.
  • Fig.l a schematic representation of a laser deposition welding process after
  • Fig.3 a schematic representation of a particle in the beam-particle
  • FIG. 2 shows a laser deposition welding method 200 according to the invention for carrying out laser deposition welding, which uses a laser beam 6 directed onto a surface la of a component 1 to melt-metallurgically connect the component 1 with partially melted additional material.
  • the filler material is fed here as a powder jet 5 of particles 5a to the laser beam 6, with the particles 5a being in a beam-particle interaction zone at a distance A from the surface la of the component 1, depending on the process parameters P of the laser deposition welding process 200 and on the grain fraction and Material properties of the particles 5a absorb optical energy from the laser beam 6 and are applied to the surface of the component 1 la.
  • the powder jet 5 which has a powder mass that can be greater than 1 g/l per conveyed total volume consisting of conveying gas volume and particle volume, is fed coaxially to the focus area 7 of the laser beam 6.
  • the powder jet 5 is fed to the laser beam 6 here by means of a coaxial nozzle as a conical powder jet.
  • the powder can also be fed in by means of a multi-jet nozzle or by means of a rectangular nozzle.
  • the process parameters P are set in such a way that at least a proportion of the particles 5a along their trajectory reaches the boiling temperature S through the laser radiation 6 and the resulting vapor pressure leads to an increase in speed at least of the proportion of the particles 5a in the direction of the surface la of the component 1, where the proportion of particles 5a that have reached the boiling point S can be greater than 2%.
  • Such process parameters P to be set can be one or more elements from the group laser power of the laser beam 6, beam guidance of the laser beam 6, size of the focus area 7, relative position of a powder jet focus to the laser beam, preferably to the focus area 7 of the laser beam 6, density of the particles 5a in the powder jet 5, Include speed of the particles 5a in the powder jet 5 before reaching the laser beam 6, preferably the focus area 7 of the laser beam, distance between the laser focus and surface la of the component 1, overlap and feed rate.
  • the described increase in the speed of the particles can be so great that a constriction of the powder jet 5 in the direction of the surface of the component is between 2% and 10%, preferably between 3% and 6%, particularly preferably between 4% and 5%, compared to a width of the unilluminated powder jet 5 is effected.
  • the proportion of particles 5a that are heated along their trajectory by the laser radiation and that have reached the boiling point S can, according to the invention, be more than 5%, preferably more than 30%, more preferably more than 50%, particularly preferably more than 80% of the particles amount to 5a.
  • the surface of the component 1 in an area on which the laser deposition welding is carried out can be heated by the transmitting laser beam 6 itself to a temperature below its melting temperature, with the melted particles 5a with a particle temperature PT greater than the melting point of the component 1 on its surface la induce a temperature above the solidus temperature in the surface la of the component 1 to produce the melt-metallurgical connection.
  • the density of the particles 5a in the powder jet 5 can be set in such a way and the laser power and caustic of the laser beam 6 can be dimensioned and aligned with the powder jet 5 in such a way that the laser power impinging on the surface la of the component 1 is less than 85%, preferably less than 50% %, particularly preferably less than 30%, particularly preferably less than 10%, particularly preferably less than 5% of the laser power before contact of the laser beam 6 with the particles 5a of the powder jet 5 is.
  • the laser beam 6 can include a focal area 7 whose mean distance A from the surface la of the component 1 is between 0.25 mm and 20.0 mm, preferably between 0.25 mm and 10.0 mm, more preferably between 0.25 mm and 5.0 mm, more preferably between 0.8 mm and 1.2 mm.
  • the filler material can be applied to the surface la of the component 1 at a feed rate along the surface la of the component 1 between 5 m/min and 1000 m/min, preferably more than 10 m/min, more preferably more than 21 m/min , even more preferably more than 50 m/min, particularly preferably more than 100 m/min, very particularly preferably more than 130 m/min, extremely preferably more than 150 m/min.
  • the process parameters P of the laser deposition welding method 200 shown here can be selected according to the invention so that when these process parameters P are used with an inactive powder jet 5 and the laser beam 6 with 35% laser power, preferably 50% laser power, particularly preferably 85% laser power, according to the process parameters P no melting the surface la of the component 1 occurs in the area of the impinging laser beam.
  • FIG. 3 shows a particle 5a from the proportion of particles 5a which have reached the boiling temperature S along their trajectory due to the laser radiation 6 and which is located within the beam-particle interaction zone according to FIG.
  • a surface of the particle 5a is heated to about 40% of its boiling temperature S.
  • the remaining part of the particle 5a has a particle temperature PT lower than the boiling temperature.
  • the particle 5a here has an average particle size of >1 ⁇ m, preferably >10 ⁇ m, particularly preferably >30 ⁇ m and/or ⁇ 100 ⁇ m, preferably ⁇ 70 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 50 ⁇ m.
  • the particle 5a of the filler material includes or consists, for example, of a nickel-based alloy, a cobalt-based alloy, an iron-based alloy, a titanium-based alloy, a copper-based alloy, an aluminum-based alloy, an iron-based material and/or ceramic or a mixture of the foregoing alloys.
  • FIG. 4 shows a laser deposition welding device 100 according to the invention for producing a melt-metallurgical connection between an at least partially melted filler material and a surface la of a component 1 with at least one laser 110, from which a laser beam 6 directed onto the surface la of the component 1 is emitted, and with at least one powder nozzle 120 for generating a powder jet 5 from the filler material, laser beam 6 and powder nozzle 120 being configured and arranged such that powder jet 5 made up of particles 5a is fed to laser beam 6 and particles 5a are in a jet-particle interaction zone in absorb optical energy from the laser beam 6 at a distance A from the surface la of the component 1 as a function of process parameters P in the laser deposition welding process 200 and of grain fraction and material properties of the particles 5a in order to be applied to the surface la of the component 1.
  • the process parameters P of the laser deposition welding device 100 can be set in such a way that at least a portion of the particles 5a along their trajectory reaches the boiling temperature S through the laser radiation 6 and, as a result of a resulting vapor pressure, the speed of at least the portion of the particles 5a increases in the direction of the surface 1a of the Component 1 comes, whereby the component 1 is obtained with a surface la, on which an additional material is applied by means of a laser deposition welding process.
  • FIGS. 2 and 3 with regard to the reference numerals that are not shown here. It is also pointed out that the arrangement of laser 110 and powder nozzle 120 shown here is only to be understood as demonstrative and should not imply a specific arrangement/configuration.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserauftragschweißverfahren zur Ausführung einer Laserauftragschweißung, wobei mittels eines auf eine Oberfläche (1a) eines Bauteils (1) gerichteten Laserstrahls (6) das Bauteil (1) schmelzmetallurgisch mit zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff verbunden wird, wobei der Zusatzwerkstoff als Pulverstrahl (5) aus Partikel (5a) dem Laserstrahls (6) zugeführt wird, wobei die Partikel (5a) in einer Strahl-Partikel-Wechselwirkungszone in einem Abstand (A) zur Oberfläche (1a) des Bauteils (1) in Abhängigkeit von Prozessparametern (P) des Laserauftragschweißverfahrens (200) und von Kornfraktion und Materialeigenschaften der Partikel (5a) optische Energie aus dem Laserstrahl (6) aufnehmen und auf die Oberfläche (1a) des Bauteils (1) appliziert werden, wobei die Prozessparameter (P) so eingestellt sind, dass zumindest ein Anteil der Partikel (5a) entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung (6) die Siedetemperatur (S) erreicht und es infolge eines resultierenden Dampfdrucks zu einer Geschwindigkeitserhöhung zumindest des Anteils der Partikel (5a) in Richtung der Oberfläche (1a) des Bauteils (1) kommt. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine entsprechende Laserauftragschweißvorrichtung (100) und ein mit diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung modifiziertes Bauteil (1).

Description

Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißverfahren Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Laserauftragschweißverfahren zur Ausführung einer Laserauftragschweißung zur Herstellung einer schmelzmetallurgischen Verbindung zwischen einem zumindest zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff und einer Oberfläche eines Bauteils mittels Laserstrahlung, das weiter erhöhte extreme Prozessgeschwindigkeiten ermöglicht. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine entsprechende Laserauftragschweißvorrichtung und ein mit diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung modifiziertes Bauteil.
Hintergrund der Erfindung
Laserauftragsschweißen ist im Stand der Technik als Verfahren zur Oberflächenbehandlung und zur additiven Fertigung von Bauteilen mit Zusatzwerkstoffen bekannt. Beim bekannten Laserauftragsschweißen wird in ein durch einen Laserstrahl erzeugtes Schmelzbad auf einer Oberfläche eines Bauteils ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff unter einem definierten Winkel mittels einer Pulverdüse eingebracht. Eine Prinzipskizze in Fig. 1 zeigt das bekannte Verfahren. Auf einem Bauteil 1 wird eine Schicht 2 des Zusatzwerkstoffes erzeugt, indem mittels einer Pulverzufuhr 3 einem Schmelzbad 4 Zusatzwerkstoff 5 in Form von Pulverpartikeln zugeführt wird. Das Schmelzbad 4 wird durch Einstrahlung eines Laserstrahls 6 im flüssigen Zustand gehalten. Zusatzwerkstoff 5 in Form von festem Pulver trifft in dem Bereich des Schmelzbades 4 ein und wird dort durch den Laserstrahl 6 und die Erwärmung des umgebenden Schmelzbades aufgeschmolzen. Wird nun das Bauteil 1 gegenüber dem Laser 6 und der Pulverzufuhr 3 bewegt, so bewegt sich das Material des Schmelzbades aus dem Einflussbereich des Lasers 6 heraus und erstarrt als schmelzmetallurgischer Verbindung zwischen Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff zur Schicht 2. In Laserauftreffrichtung x gesehen unterhalb des Schmelzbades 4 dringt die durch den Laser 6 eingestrahlte Leistung zum Teil auch in die Oberfläche des Bauteils 1 ein. Durch die Einwirkung der Laserstrahlung entsteht in Abhängigkeit der Wechselwirkungsdauer eine Wärmeeinflusszone 10. Abhängig von der Strahlungsintensität und Einwirkungsdauer des Lasers 6 findet daher eine Durchmischung von Zusatzwerkstoff und Bauteilwerkstoff statt. Das Pulver des Zusatzwerkstoffs kann seitlich oder koaxial in das Schmelzbad injiziert werden. Fig. 1 zeigt ein seitliches Injizieren. Mit dem Verfahren des Standes der Technik lassen sich Prozessgeschwindigkeiten, d. h. Vorschubgeschwindigkeiten des Bauteils relativ zum Laserstrahl, typischerweise zwischen 0,2 m/min und 5 m/min erreichen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 100 456 Al ist ein extremes Hochgeschwindigkeitslaserauftragsschweißverfahren (EHLA) bekannt. Dabei wird der Zusatzwerkstoff in vollständig geschmolzener Form dem Schmelzbad zugeführt wird. Hierzu werden die Pulverpartikel in einem Abstand größer Null zum Schmelzbad geschmolzen und der Schmelze in flüssigem Zustand zugeführt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Zusatzwerkstoff dem Schmelzbad mit dem gleichen Aggregatszustand zugeführt, den das Schmelzbad auf der Oberfläche des Bauteils hat. Dadurch entfällt die Zeit zum Aufschmelzen der Pulverpartikel im Schmelzbad. Dies wiederum verringert die Zeit, die für die Schichtbildung notwendig ist, wodurch die Prozessgeschwindigkeit deutlich erhöht werden kann. Der pulverförmige Zusatzwerkstoff wird durch den Laserstrahl aufgeschmolzen, bevor er in das durch den Laserstrahl erzeugte Schmelzbad gelangt. Die erreichbare Vorschubgeschwindigkeit ist abhängig von der Zeit, die benötigt wird, um einerseits die Partikel des zugeführten Pulvers aufzuschmelzen und andererseits von der Zeit, die benötigt wird, um ein Schmelzebad auf der Oberfläche des Bauteils zu erzeugen. Hierbei wäre es wünschenswert, wenn das Bauteil dabei möglichst gering erhitzt werden und eine geringe Aufmischung an der Oberfläche des Bauteils stattfinden würde. Eine weitere Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit wäre zusätzlich wünschenswert.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Laserauftragsschweißen bei großen Vorschubgeschwindigkeiten und Auftragsrate bereitzustellen, mit dem ein geringer Wärmeeintrag in das Bauteil und eine geringe Aufmischung an der Oberfläche des Bauteils ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Laserauftragschweißverfahren zur Ausführung einer Laserauftragschweißung gelöst, wobei mittels eines auf eine Oberfläche eines Bauteils gerichteten Laserstrahls das Bauteil schmelzmetallurgisch mit zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff verbunden wird, wobei der Zusatzwerkstoff als Pulverstrahl aus Partikel dem Laserstrahls zugeführt wird, wobei die Partikel in einer Strahl-Partikel- Wechsel wirkungszone in einem Abstand zur Oberfläche des Bauteils in Abhängigkeit von Prozessparametern des Laserauftragschweißverfahrens und von Kornfraktion und Materialeigenschaften der Partikel optische Energie aus dem Laserstrahl aufnehmen und auf die Oberfläche des Bauteils appliziert werden, wobei die Prozessparameter so eingestellt sind, dass zumindest ein Anteil der Partikel entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung die Siedetemperatur erreicht und es infolge eines resultierenden Dampfdrucks zu einer Geschwindigkeitserhöhung zumindest des Anteils der Partikel in Richtung der Oberfläche des Bauteils kommt.
Mit dem Laserauftragschweißverfahren wird eine Laserauftragschweißung durchgeführt, also eine schmelzmetallurgische Verbindung eines Zusatzwerkstoffs mit der Oberfläche des Bauteils hergestellt. Das Schmelzen ist dabei der Phasenübergang eines festen Stoffes oder festen Stoffgemisches in den flüssigen Aggregatzustand. Beim Laserauftragsschweißen wird der Phasenübergang üblicherweise bei konstantem Druck durch Wärmezufuhr durch den Laserstrahl erzeugt. Wird ein Reinstoff bei konstantem Druck geschmolzen, so ist die dabei vorliegende Schmelztemperatur eindeutig bestimmt. Während des Phasenübergangs bleibt die Temperatur konstant, sämtliche zugeführte Wärme wird als Schmelzenthalpie in die Änderung des Aggregatzustandes investiert. Die Erfinder haben erkannt, dass die Erzeugung einer Schmelze in einem Schweißspot auf der Oberfläche des Bauteils vor dem Kontakt mit den schmelzeflüssigen Partikeln des Zusatzwerkstoffs keine notwendige Voraussetzung zur Herstellung von schweißmetallurgisch angebundenen Schichten darstellt. Hierbei wird der Ort, wo die Laserstrahlung und der Zusatzwerkstoff auf die Oberfläche des Bauteils treffen, als Schweißspot bezeichnet, also die Stelle, wo die Auftragsschweißung stattfindet.
Die Pulverpartikel werden durch den Laserstrahl vor dessen Auftreffen auf die Oberfläche des Bauteils zumindest zum Teil aufgeschmolzen. Dabei schatten die Pulverpartikel den Laserstrahl ab, so dass nur noch ein Teil des Laserstrahls durch das Pulver transmittiert und auf das Bauteil auftrifft. Die Oberfläche des Bauteils muss durch den transmittierten Strahlungsanteil nur so weit vorgewärmt werden, dass der zusätzliche Energieeintrag der geschmolzenen Pulverpartikel ausreichend ist, um durch die Temperaturerhöhung infolge des Wärmekontaktes selbst bei einem vorher festen, noch nicht geschmolzenen Substrat eine schmelzmetallurgische Verbindung an der Oberfläche auszubilden. Dazu ist es vorteilhaft, wenn über die auf das Bauteil auftreffenden Partikel möglichst viel Energie in die Oberfläche des Bauteils eingebracht wird, was bedeutet, dass die Partikel auf eine möglichst hohe Temperatur aufgeheizt werden sollten. Die möglichst hohe Temperatur ist dabei eine Temperatur bis zur Siedetemperatur der Partikel. Bei der Aufheizung eines Partikels auf eine solche Temperatur wird ein Teil der Partikel bzw. ein Teil der Oberfläche des betreffenden Partikels auf seine Siedetemperatur erhitzt. Da für das Erwärmen der Oberfläche der Partikel des Zusatzwerkstoffs von zumindest einem Teil des zugeführten pulverförmigen Zusatzwerkstoffs zumindest teilweise auf die Siedetemperatur des Zusatzwerkstoffs gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bei ansonsten gleichen Voraussetzungen, wie Transmissionsgrad, Partikelerwärmung, etc., eine geringere Laserleistung benötigt wird, kann die erreichbare Vorschubgeschwindigkeit weiter vergrößert und die bisherige Prozessgrenze überwunden werden. Bei gleicher eingebrachter Laserleistung dauert das Aufschmelzen des Schweißspots auf der Oberfläche des Bauteils länger als das Erhitzen von Pulverpartikeln bis auf ihre Siedetemperatur. Darüber hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wärmeeindringtiefe und damit die Wärmeeinflusszone an der Oberfläche des Bauteils minimiert werden, was dazu führt, dass sich die Eigenschaften des Bauteils beispielsweise hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften wie beispielsweise Duktilität, E-Modul und/oder Streckspannung auch an dessen Oberfläche nicht oder nicht wesentlich durch die Auftragsschweißung ändern. Durch die geringe Wärmeeindringtiefe kommt es zu einer geringen Aufmischung des Zusatzwerkstoffs mit dem ursprünglichen Material des Bauteils, also einer Durchmischung beider Materialien an der Oberfläche des Bauteils.
Die erfindungsgemäße Geschwindigkeitserhöhung der Partikel ist dabei vorteilhaft, da Partikel mit hoher Geschwindigkeit im Falle von Partikeltemperaturen größer als die Schmelztemperatur auch bei hoher Vorschubgeschwindigkeit entlang der Oberfläche des Bauteils beim Kontakt mit der Oberfläche des Bauteils infolge der kinetischen Energie verformt bzw. an die Oberfläche des Bauteils angepresst werden, sodass eine Wärmeübertragung zur Oberfläche verbessert wird. Dadurch kann ein guter Wärmeaustausch der Partikel mit der festen Substratoberfläche (des Bauteils) initiiert werden. Dadurch wird ein verbesserter metallurgischer Verbund erreicht. Jegliche Geschwindigkeitserhöhung der Partikel in Richtung auf der Oberfläche des Bauteils hin ist für den Prozess des Laserauftragschweißens daher günstig, insbesondere um diesen Prozess bei möglichst hohen Vorschubgeschwindigkeiten betreiben zu können. In einer Ausführungsform ist die Geschwindigkeitserhöhung des Anteils der Partikel, die die Siedetemperatur erreicht haben, größer 2%. Ab 2% Geschwindigkeitserhöhung wird der vorteilhafte Effekt im behandelten Bauteil deutlich messbar und es können höhere Vorschubgeschwindigkeiten bei gleichzeitig qualitativ guter Laserauftragschweißung und geringer Aufmischung im Vergleich zum Stand der Technik erreicht werden.
Die Oberfläche eines Bauteils bezeichnet hierbei die Oberfläche, die der Laserstrahlung und dem Pulverstrahl zugewandt ist, wobei diese Oberfläche nur dort eine Laserauftragschweißung erfährt, an der der Zusatzwerkstoff auf die Oberfläche appliziert wird. Die Bezeichnung „auf die Oberfläche des Bauteils appliziert“ bezeichnet in dieser Schrift jede Art der Aufbringung eines Stoffs auf einen anderen Stoff, hier das Bauteil. Speziell kann beispielsweise der pulverförmige Zusatzwerkstoff in einem Laserstrahl vor Auftreffen auf das Bauteil aufgeschmolzen und auf dieses im geschmolzener Form geblasen (appliziert) werden.
Die Fokussierung eines Laserstrahles erfolgt in der Regel mit einer einlinsigen bzw. mehrlinsigen Laseroptik, deren wichtigste optische Parameter die Brennweite und die Apertur (Durchmesser der freien Öffnung) sind. Der Laserstrahl wird durch die Laseroptik gebündelt. Die durch Bündelung eines Laserstrahles entstehende Strahltaille nach der Laseroptik wird auch als Strahlfokus bezeichnet. Dabei ist in der Praxis dieser Strahlfokus kein einzelner diskreter Punkt, sondern bildet einen Fokusbereich. Laserstrahlen sind elektromagnetische Wellen, die sich durch eine Kombination von hoher Intensität, oft sehr engem Frequenzbereich (monochromatisches Licht), scharfer Bündelung des Strahls und großer Kohärenzlänge auszeichnen. Für die Laserauftragsschweißung werden dabei Laserstrahlen beispielsweise aus dem Infrarotspektrum genutzt.
Der Begriff „Zusatzwerkstoff ‘ bezeichnet dabei die Gesamtheit der als Pulverstrahl auf die Oberfläche des Bauteils applizierten Materials. Damit kann der Zusatzwerkstoff ein einzelner Stoff oder ein Stoffgemisch sein, der oder das eine homogene, inhomogene, räumlich und/oder zeitlich variierende Zusammensetzung umfassen kann. Als Zusatzwerkstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise auch ein Multi -Material -Mix wie IN625 mit WC bezeichnet. Der Zusatzwirkstoff liegt dabei als Partikel vor, die in einem Pulverstrahl (oder Partikelstrahl) in Richtung des Laserstrahls und durch ihn hindurch auf die Oberfläche des Bauteils transportiert werden, beispielsweise mit Hilfe eines Transportgasstroms, in dem die Partikel zum Bauteil geführt werden. Der Begriff „Kornfraktion“ bezeichnet die Partikel mit einer bestimmten Größe bzw. einer Größenverteilung der Partikel in einer Gesamtmenge von Partikeln. Beispielsweise können die Partikel dabei Größen in einem bestimmten Intervall von Partikelgrößen besitzen. Unter einem Pulver oder einem pulverförmigen Zusatzwerkstoff wird in dieser Schrift ein sehr fein zerkleinerter Stoff mit einer mittleren Partikel- oder Teilchengröße von weniger als 100 pm verstanden. Der Begriff „Strahl-Partikel-Wechselwirkungszone“ bezeichnet den räumlichen Bereich oberhalb der Oberfläche des Bauteils, in dem die Partikel optische Energie aus dem Laserstrahl aufnehmen. Die Größe der Strahl-Partikel-Wechselwirkungszone hängt dabei von den Prozessparametem ab, insbesondere von der Laserstrahlführung und der Partikelstrahlführung. Die Prozessparameter bezeichnen dabei alle einstellbaren oder durch die jeweiligen gewählten Komponenten vorgegebenen Bedingungen für das Laserauftragschweißverfahren. Die Prozessparameter bestimmen dabei u.a. die Strahl-Partikel-Wechselwirkungszone und die Anzahl der Partikel, die die Siedetemperatur in der Strahl-Partikel-Wechselwirkungszone erreichen und welcher Materialanteil der einzelnen Partikel dabei auf die Siedetemperatur erhitzt wird, woraus sich die Geschwindigkeitserhöhung für die einzelnen Partikel ergibt. Die Trajektorie bezeichnet dabei die Flugbahn der Partikel auf dem Weg zur Oberfläche des Bauteils. Diese Flugbahn kann gradlinig oder gekrümmt verlaufen, je nachdem, wie die Partikel miteinander (z.B. durch mechanischen Stoß) und mit der Laserstrahlung (thermisch) in Wechselwirkung treten, insbesondere ob die Partikel beschleunigt werden und wie hoch diese Beschleunigung ist. In einer Ausführungsform umfassen die dafür einzustellenden Prozessparameter ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Laserleistung des Laserstrahls, Strahlführung des Laserstrahls, Größe des Fokusbereiches, relative Position eines Pulverstrahlfokus zum Laserstrahl, vorzugsweise zum Fokusbereich des Laserstrahls, Dichte der Partikel im Pulverstrahl, Geschwindigkeit der Partikel im Pulverstrahl vor Erreichen des Laserstrahls, vorzugsweise des Fokusbereichs des Laserstrahls, Distanz zwischen Laserfokus und Oberfläche des Bauteils, Überlapp und Vorschubgeschwindigkeit. Als Überlapp wird hierbei der Überlapp des Pulverstrahls mit dem Laserstrahl bezeichnet, also wie viele Partikel letztendlich durch den Laserstrahl hindurchtreten.
Der geschwindigkeitserhöhende Dampfdruck ist dabei ein Resultat der Erhitzung eines Anteils von Partikel auf die Siedetemperatur. Dadurch verdampft Material des jeweiligen Partikels, wodurch ein Impuls in Vorwärtsrichtung auf die Oberfläche des Bauteils auf den jeweiligen Partikel ausgeübt wird, was diesen jeweiligen Partikel entsprechend beschleunigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit ein Verfahren zum Laserauftragsschweißen für große Vorschubgeschwindigkeiten und Auftragsraten bereit, mit dem ein geringer Wärmeeintrag in das Bauteil und eine geringe Aufmischung an der Oberfläche des Bauteils ermöglicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt zudem ein sich selbst verstärkendes Verfahren hinsichtlich der Thermalisierung der optischen Energie in dem Pulverstrahl aus Partikel dar (Erhitzen der Partikel im Laserstrahl), da die gezielte Nutzung der Beschleunigung von Partikeln infolge des Dampfdrucks beim Erreichen der Siedetemperatur an der Partikeloberfläche dazu führt, dass die erhöhten Geschwindigkeiten der Partikel zu einer Verdünnung der Partikeldichte im Fokusbereich des Laserstrahls führen. Das führt dazu, dass die Partikel in diesem Bereich mit einer Temperatur unterhalb der Siedetemperatur wegen des höheren Transmissionsgrades mehr optische Energie aus dem Laserstrahl aufnehmen können. Das ist für den Prozess vorteilhaft, weil je mehr sich das Verhältnis der thermalisierten optischen Energie zugunsten des Pulverstrahls aus Partikeln verschiebt, desto geringer wird die Eindringtiefe der Schmelzisothermen in das Substrat. Für die Partikel, die bereits infolge des Dampfdrucks beim Erreichen der Siedetemperatur an der Partikeloberfläche beschleunigt wurden, stellt sich eine Selbstregulation ein, da die beschleunigten Partikel eine verringerte weitere Erwärmung erfahren. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei großen Pulverdichten respektive Auftragsraten und großen Vorschubgeschwindigkeiten.
In einer Ausführungsform ist die Geschwindigkeitserhöhung so groß, dass eine Einschnürung des Pulverstrahls in Richtung der Oberfläche des Bauteils zwischen 2% und 10%, vorzugsweise zwischen 3% und 6%, besonders bevorzugt zwischen 4% und 5%, gegenüber einer Breite des unbeleuchteten Pulverstrahls bewirkt ist.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Anteil der Partikel, die die Siedetemperatur erreicht haben, mehr als 5%, vorzugsweise mehr als 30%, noch bevorzugter mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 80% der Partikel, die entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung erwärmt werden. Je mehr Partikel im Pulverstrahl in Richtung der Oberfläche des Bauteils beschleunigt werden, desto höhere Vorschubgeschwindigkeiten können bei gleichzeitig qualitativ guter Laserauftragschweißung erreicht werden. In einer weiteren Ausführungsform werden zumindest 20% einer Oberfläche der Partikel, bevorzugt von zumindest 30%, besonders bevorzugt von zumindest 40% auf mindestens ihre Siedetemperatur erhitzt. Bei einem kugelförmigen Partikel und einem parallel auftreffenden Laserstrahlbündel können nicht mehr als 50% der Oberfläche auf Siedetemperatur erhitzt werden. Da die Laserstrahlung im erfindungsgemäßen Laserauftragschweißverfahren fokussiert ist und die Partikel eine von der Kugelform abweichende Oberfläche besitzen können, wären auch Oberflächenanteile größer 50% möglich, allerdings nicht wesentlich mehr als 50%. Je größer der Anteil der Oberfläche des Partikels ist, der die Siedetemperatur erreicht, desto höher ist die Geschwindigkeitserhöhung des jeweiligen Partikels. Je mehr die einzelnen Partikel im Pulverstrahl in Richtung der Oberfläche des Bauteils beschleunigt werden, desto höhere Vorschubgeschwindigkeiten können bei gleichzeitig qualitativ guter Laserauftragschweißung erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Partikel eine mittlere Partikelgröße von > lpm, vorzugsweise > 10 pm, besonders bevorzugt > 30 pm und/oder < 100 pm, vorzugsweise < 70 pm, besonders bevorzugt < 50 pm auf. Die genannten Partikelgrößen haben sich als vorteilhaft hinsichtlich der Erwärmung in der zur Verfügung stehenden Zeit, der Homogenität der Temperaturverteilung innerhalb des Partikels, der Geschwindigkeit mit der der Partikel Temperatur zwischen seiner Erwärmung im Laserstrahl und seinem Auftreffen auf den Schweißspot einerseits und andererseits dem durch den einzelnen Partikel möglichen Energieeintrag auf die Oberfläche des Bauteils erwiesen.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Oberfläche des Bauteils in einem Bereich, auf dem die Laserauftragschweißung durchgeführt wird, durch den transmittierenden Laserstrahl selbst auf eine Temperatur unterhalb ihrer Schmelztemperatur aufgewärmt, wobei zumindest im Auftreffpunkt der Partikel auf der Oberfläche des Bauteils die aufgeschmolzenen Partikel mit einer Partikeltemperatur größer der Schmelztemperatur des Bauteils an seiner Oberfläche eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur in die Oberfläche des Bauteil zur Herstellung der schmelzmetallurgischen Verbindung induzieren. Der Laserstrahl ist auf den Bereich der Oberfläche des Bauteils, auf dem die Auftragsschweißung durchgeführt wird, gerichtet. Allerdings wird das pulverförmige Zusatzmaterial durch den Laserstrahl geleitet, bevor dieser auf das Bauteil auftrifft. Dadurch wird der Laserstrahl teilweise abgeschattet. Abhängig von der Dichte des Pulverstrahls durch den Laserstrahl wird mehr oder weniger viel des Laserstrahls durch den Pulverstrahl hindurchgelassen. In diesem Zusammenhang spricht man von „Transmissionsgrad“. Der Transmissionsgrad gibt also an, wieviel Laserstrahlung ihren Weg durch den Pulverstrahl hindurch findet. Erfindungsgemäß wird der Transmissionsgrad über den durch den Laserstrahl hindurchgeleiteten Pulverstrahl derart eingestellt, dass die Oberfläche des Bauteils dort wo der Zusatzwerkstoff appliziert wird zwar aufgewärmt wird, die Erwärmung aber unterhalb der Schmelztemperatur der Oberfläche des Bauteils bleibt. Durch die Aufwärmung des Schweißspots gelingt es, die Oberfläche des Bauteils an dieser Stelle schneller durch das Auftreffen der heißen, geschmolzenen Pulverpartikel seinerseits aufzuschmelzen. Durch die Vorwärmung der Oberfläche des Bauteils mittels der Laserstrahlung kann eine noch größere Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden. Dadurch, dass die Laserstrahlung dabei die Oberfläche des Bauteils nicht auf Schmelztemperatur erhitzt, wird die Aufmischung von Bauteilmaterial mit Zusatzwerkstoff möglichst geringgehalten.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Dichte der Partikel im Pulverstrahl so eingestellt und die Laserleistung und Kaustik des Laserstrahls so bemessen und zum Pulverstrahl ausgerichtet, dass die auf die Oberfläche des Bauteils auftreffende Laserleistung weniger als 85%, vorzugsweise weniger als 50%, besonders bevorzugt weniger als 30%, besonders bevorzugt weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% der Laserleistung vor Kontakt des Laserstrahls mit den Partikeln des Pulverstrahls beträgt. Bei größeren Vorschubgeschwindigkeiten kann der auftreffende Anteil der Laserstrahlung größer sein, um trotzdem eine geringe Aufmischung zu gewährleisten. Mit anderen Worten kann über die Pulverdichte der Transmissionsgrad der Laserstrahlung entsprechend eingestellt werden. Der optimale Transmissionsgrad ist dabei auch eine Funktion der Vorschubgeschwindigkeit. Der Begriff „Kaustik“, auch Brennlinie oder Brennfläche genannt, bezeichnet in der Optik einen Bereich, in dem Lichtstrahlen Tangenten an einen Bogen oder eine gebogene Fläche sind. Der Bogen begrenzt den Lichtraum. Die Intensität nimmt zum Bogen hin zu und fällt dort steil ab.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Laserstrahl einen Fokusbereich, dessen mittlerer Abstand zur Oberfläche des Bauteils zwischen 0,25 mm und 20,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,25 mm und 10,0 mm, noch bevorzugter zwischen 0,25 mm und 5,0 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm beträgt. Wie experimentell bestimmt wurde, führen obige Höchstwerte noch zu brauchbaren Beschichtungsergebnissen, wobei ein geringerer Abstand vorteilhaft ist. Der Fokusbereich ist der Punkt der höchsten Energiedichte. Dieser ist in der Praxis kein diskreter Punkt, sondern ein Bereich. Daher wird der Abstand von der Mitte des Fokusbereichs aus gezählt, ist somit ein mittlerer Abstand. Die genannten Werte für den Abstand haben sich als vorteilhaft erwiesen, da bei diesen Werten einerseits genug Zeit bis zum Auftreffen der Partikel auf die Oberfläche des Bauteils vergeht, sodass die durch den Laserstrahl punktuell eingebrachte Wärme über Wärmeausgleichsprozesse innerhalb des Partikels homogenisiert wird und andererseits das gesamte Temperaturniveau durch Wärmeaustauschprozesse mit der Umgebung noch nicht wesentlich abgenommen hat. Die Werte für die Ausdehnung dieses Bereichs können zwischen unterschiedlichen Parametersätzen für die Prozessparameter variieren.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Pulverstrahl dem Fokusbereich des Laserstrahls zugeführt, vorzugweise koaxial. Die kegelförmige Ausbildung des Pulverstrahls lässt sich beispielsweise über eine koaxiale Pulverdüse leicht erreichen. Damit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Strahl des Pulvers des Zusatzwerkstoffs koaxial zum Laserstrahl dem Schweißspot zugeführt wird. Die kegelförmige Ausbildung des Pulverstrahls hat sich als vorteilhaft erwiesen. Die Kegelspitze sollte dabei möglichst nah bei dem Fokuspunkt des Laserstrahls, insbesondere innerhalb der oben genannten Grenzen, liegen.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt der Pulverstrahl eine Pulvermasse, die pro gefördertem Gesamtvolumen bestehend aus Fördergasvolumen und Partikelvolumen größer lg/1 ist. Hiermit wird das Schutzgas nicht mit in die Bilanz einbezogen. Die spezifizierte Mindestmenge an Pulvermaterial schränkt den Transmissionsgrad des Laserstrahls auf das Bauteil vorteilhaft ein.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Pulverstrahl dem Laserstrahl mittels einer Koaxialdüse als konischer Pulverstrahl, mittels eine Mehrstrahldüse oder mittels eine Rechteckdüse zugeführt.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Zusatzwerkstoff auf die Oberfläche des Bauteils mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang der Oberfläche des Bauteils zwischen 5 m/min und 1000 m/min, vorzugsweise dabei mehr als 10 m/min, weiter bevorzugt dabei mehr als 21 m/min, noch weiter bevorzugt dabei mehr als 50 m/min, besonders bevorzugt dabei mehr als 100 m/min, ganz besonders bevorzugt dabei mehr als 130 m/min, äußerst bevorzugt dabei mehr als 150 m/min, aufgetragen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Zusatzwerkstoff eine Nickelbasis-Legierung, eine Kobaltbasis-Legierung, eine Eisenbasis-Legierung, eine Titanbasis-Legierung, eine Kupferbasis-Legierung, eine Aluminiumbasis-Legierung, ein Eisenbasiswerkstoff und/oder Keramik oder einer Mischung der voranstehenden Legierungen oder besteht daraus.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Prozessparameter so gewählt sind, dass unter Anwendung dieser Prozessparameter bei inaktivem Pulverstrahl und dem Laserstrahl mit 35% Laserleistung, vorzugsweise 50% Laserleistung, besonders bevorzugt 85% Laserleistung, gemäß den Prozessparametern kein Aufschmelzen der Oberfläche des Bauteils im Bereich des auftreffenden Laserstrahls auftritt. Er inaktive Pulverstrahl bezeichnet dabei eine Prozessführung, bei der kein Pulverstrahl auf die Oberfläche des Bauteils appliziert wird. Somit kann der Laserstrahl ohne Abschattung mit vollem Transmissionsgrad die Oberfläche des Bauteils erreichen. Wird dieser Laserstrahl hier mit 50% seiner Laserleistung gegenüber dem eigentlichen Laserauftragschweißvorgang auf die Oberfläche des Bauteils gelenkt, so darf die Oberfläche des Bauteils unter diesen Bedingungen nicht aufschmelzen. Somit wird sichergestellt, dass dies auch bei 100% der Laserleistung unter Applikation des Zusatzwerkstoffs in Form des Pulverstrahls nicht passiert. Durch die Überprüfung des kritischen Parameters der „Laserleistung“ ist dieser Parameter für ein erfolgreiches Laserauftragschweißen bestimmt und es können große Auftragsgeschwindigkeiten und Auftragsraten mit gleichzeitigem geringen Wärmeeintrag in das Bauteil und einer geringen Aufmischung an der Oberfläche des Bauteils mit dem überprüften Parametersatz erreicht werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Laserauftragschweißvorrichtung zur Herstellung einer schmelzmetallurgischen Verbindung zwischen einem zumindest zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff und einer Oberfläche eines Bauteils mit zumindest einem Laser, aus dem ein auf die Oberfläche des Bauteils gerichteter Laserstrahl emittiert wird, und mit zumindest einer Pulverdüse zum Erzeugen eines Pulverstrahls aus dem Zusatzwerkstoff, wobei Laserstrahl und Pulverdüse so ausgestaltet und angeordnet sind, dass der Pulverstrahl aus Partikel dem Laserstrahl zugeführt wird und die Partikel in einer Strahl-Partikel- Wechsel wirkungszone in einem Abstand zur Oberfläche des Bauteils in Abhängigkeit von Prozessparametem in dem Laserauftragschweißverfahren und von Kornfraktion und Materialeigenschaften der Partikel optische Energie aus dem Laserstrahl aufnehmen, um auf die Oberfläche des Bauteils appliziert zu werden, wobei die Prozessparameter der Laserauftragschweißvorrichtung so eingestellt sind, dass zumindest ein Anteil der Partikel entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung die Siedetemperatur erreicht und es infolge eines resultierenden Dampfdrucks zu einer Geschwindigkeitserhöhung zumindest des Anteils der Partikel in Richtung der Oberfläche des Bauteils kommt. Die verwendeten Komponenten wie beispielsweise der Laser können übliche Komponenten für Laserauftragschweißvorrichtung sein.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Bauteil mit einer Oberfläche, auf die ein Zusatzwerkstoff mittels des erfindungsgemäßen Laserauftragschweißverfahrens schmelzmetallurgisch appliziert ist. Das erfindungsgemäße Bauteil unterscheidet sich von Bauteilen gemäß dem Stand der Technik beispielsweise durch eine besonders geringe Aufmischzone zwischen dem Material des Bauteils und dem aufgetragenen Zusatzwerkstoff. Das Bauteil, auf das der Zusatzwerkstoff aufgetragen werden soll, kann jedes Bauteil sein, das aus einem für Laserauftragschweißen grundsätzlich geeigneten Material besteht. Dabei muss zumindest die Oberfläche des Bauteils aus diesem Material bestehen, auf die der Zusatzwerkstoff aufgetragen wird. Der Fachmann kennt beispielsweise dafür geeignete Materialien. Das Bauteil kann dabei jede geeignet geometrische Form besitzen, sofern die Oberfläche so gestaltet ist, dass der Laserstrahl und/oder der Pulverstrahl in der Lage ist, den Bereich der Oberfläche des Bauteils zu erreichen, auf den der Zusatzwerkstoff aufgetragen werden soll.
Es versteht sich, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen oder Merkmale daraus auch in beliebigen von den Ansprüchen und von deren Rückbezüge abweichenden Kombinationen miteinander kombiniert werden können, um Lösungen der voranstehenden Aufgabe im Rahmen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
Außerdem sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und Zahlenangaben wie „ein“, „zwei“ usw. im Regelfall als „mindestens“-Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein...“, „mindestens zwei...“ usw., sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ausdrücklich ergibt oder es für den Fachmann offensichtlich oder technisch zwingend ist, dass dort nur „genau ein...“, „genau zwei...“ usw. gemeint sein können. Weiterhin sind alle Zahlenangaben sowie Angaben zu Verfahrensparametern und/oder Vorrichtungsparametem im technischen Sinne zu verstehen, d.h. als mit den üblichen Toleranzen versehen zu verstehen. Auch aus der expliziten Angabe der Einschränkung „wenigstens“ oder „mindestens“ o.ä. darf nicht geschlossen werden, dass bei der einfachen Verwendung von „ein“, also ohne die Angabe von „wenigstens“ o.ä., ein „genau ein“ gemeint ist.
Kurze Beschreibung der Figuren
Zusätzlich sind weitere Merkmale, Effekte und Vorteile vorliegender Erfindung anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert. Komponenten, welche in den einzelnen Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, sind hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei die Komponenten nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen.
Die Zeichnung zeigen:
Fig.l: eine schematische Darstellung eines Laserauftragsschweißverfahrens nach dem
Stand der Technik;
Fig.2: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Laserauftragsschweißverfahrens;
Fig.3: eine schematische Darstellung eines Partikels in der Strahl-Partikel-
Wechsel wirkungszone von Fig.2; und
Fig.4: eine Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Laserauftragschweißvorrichtung zur Herstellung eines Bauteils mit einem durch das Laserauftragsschweißverfahren aufgetragenen Zusatzwerkstoff.
Ausführungsbeispiele
Fig.1 ist bereits in der Beschreibungseinleitung beschrieben.
Fig.2 zeigt ein erfmdungsgemäßes Laserauftragschweißverfahren 200 zur Ausführung einer Laserauftragschweißung, welches mittels eines auf eine Oberfläche la eines Bauteils 1 gerichteten Laserstrahls 6 das Bauteil 1 schmelzmetallurgisch mit zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff verbindet. Der Zusatzwerkstoff wird hier als Pulverstrahl 5 aus Partikeln 5a, dem Laserstrahls 6 zugeführt, wobei die Partikel 5a in einer Strahl-Partikel- Wechsel wirkungszone in einem Abstand A zur Oberfläche la des Bauteils 1 in Abhängigkeit von Prozessparametem P des Laserauftragschweißverfahrens 200 und von Kornfraktion und Materialeigenschaften der Partikel 5a optische Energie aus dem Laserstrahl 6 aufnehmen und auf die Oberfläche la des Bauteils 1 appliziert werden. In der abgebildeten Konfiguration wird der Pulverstrahl 5, welcher eine Pulvermasse besitzt, die pro gefördertem Gesamtvolumen bestehend aus Fördergasvolumen und Partikelvolumen größer 1 g/1 sein kann, dem Fokusbereich 7 des Laserstrahls 6 koaxial zugeführt. Die Zuführung des Pulverstrahls 5 zum Laserstrahl 6 wird hier mittels einer Koaxialdüse als konischer Pulverstrahl realisiert. In einer anderen möglichen Konfiguration kann die Pulverzuführung aber auch mittels einer Mehrstrahldüse oder mittels einer Rechteckdüse durchgeführt werden. Die Prozessparameter P sind so eingestellt, dass zumindest ein Anteil der Partikel 5a entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung 6 die Siedetemperatur S erreicht und es infolge eines resultierenden Dampfdrucks zu einer Geschwindigkeitserhöhung zumindest des Anteils der Partikel 5a in Richtung der Oberfläche la des Bauteils 1 kommt, wobei der Anteil der Partikel 5a, die die Siedetemperatur S erreicht haben, größer 2% sein kann. Solche einzustellenden Prozessparameter P können ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Laserleistung des Laserstrahls 6, Strahlführung des Laserstrahls 6, Größe des Fokusbereiches 7, relative Position eines Pulverstrahlfokus zum Laserstrahl, vorzugsweise zum Fokusbereich 7 des Laserstrahls 6, Dichte der Partikel 5a im Pulverstrahl 5, Geschwindigkeit der Partikel 5a im Pulverstrahl 5 vor Erreichen des Laserstrahls 6, vorzugsweise des Fokusbereichs 7 des Laserstrahls, Distanz zwischen Laserfokus und Oberfläche la des Bauteils 1, Überlapp und Vorschubgeschwindigkeit umfassen. Die beschriebene Geschwindigkeitserhöhung der Partikel kann hierbei so groß sein, dass eine Einschnürung des Pulverstrahls 5 in Richtung der Oberfläche des Bauteils zwischen 2% und 10%, vorzugsweise zwischen 3% und 6%, besonders bevorzugt zwischen 4% und 5%, gegenüber einer Breite des unbeleuchteten Pulverstrahls 5 bewirkt ist. Die Einschnürung des Pulverstrahls ist durch die prozentuale Abweichung des Winkels a zum Winkel ß wie folgt definiert: E = (a-b)/a [%]. Der Anteil der Partikel 5a, die entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung erwärmt werden und die die Siedetemperatur S erreicht haben, kann erfindungsgemäß mehr als 5%, vorzugsweise mehr als 30%, noch bevorzugter mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 80% der Partikel 5a betragen. Weiterhin kann Oberfläche des Bauteils 1 in einem Bereich, auf dem die Laserauftragschweißung durchgeführt wird, durch den transmittierenden Laserstrahl 6 selbst auf eine Temperatur unterhalb ihrer Schmelztemperatur aufgewärmt werden, wobei zumindest im Auftreffpunkt der Partikel 5a auf der Oberfläche la des Bauteils 1 die aufgeschmolzenen Partikel 5a mit einer Partikeltemperatur PT größer der Schmelztemperatur des Bauteils 1 an seiner Oberfläche la eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur in die Oberfläche la des Bauteil 1 zur Herstellung der schmelzmetallurgischen Verbindung induzieren. Ferner kann die Dichte der Partikel 5a im Pulverstrahl 5 so eingestellt und die Laserleistung und Kaustik des Laserstrahls 6 so bemessen und zum Pulverstrahl 5 so ausgerichtet sein, dass die auf die Oberfläche la des Bauteils 1 auftreffende Laserleistung weniger als 85%, vorzugsweise weniger als 50%, besonders bevorzugt weniger als 30%, besonders bevorzugt weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% der Laserleistung vor Kontakt des Laserstrahls 6 mit den Partikeln 5a des Pulverstrahls 5 beträgt. Der Laserstrahl 6 kann dabei einen Fokusbereich 7 umfassen, dessen mittlerer Abstand A zur Oberfläche la des Bauteils 1 zwischen 0,25 mm und 20,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,25 mm und 10,0 mm, noch bevorzugter zwischen 0,25 mm und 5,0 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm, beträgt. Der Zusatzwerkstoff kann hierbei auf die Oberfläche la des Bauteils 1 mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang der Oberfläche la des Bauteils 1 zwischen 5 m/min und 1000 m/min, vorzugsweise dabei mehr als 10 m/min, weiter bevorzugt dabei mehr als 21 m/min, noch weiter bevorzugt dabei mehr als 50 m/min, besonders bevorzugt dabei mehr als 100 m/min, ganz besonders bevorzugt dabei mehr als 130 m/min, äußerst bevorzugt dabei mehr als 150 m/min, aufgetragen werden. Die Prozessparameter P des hier dargestellten Laserauftragschweißverfahrens 200 können erfindungsgemäß so gewählt sein, dass unter Anwendung dieser Prozessparameter P bei inaktivem Pulverstrahl 5 und dem Laserstrahl 6 mit 35% Laserleistung, vorzugsweise 50% Laserleistung, besonders bevorzugt 85% Laserleistung, gemäß der Prozessparameter P kein Aufschmelzen der Oberfläche la des Bauteils 1 im Bereich des auftreffenden Laserstrahls auftritt.
Fig.3 zeigt einen Partikel 5a aus dem Anteil der Partikel 5a, welche entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung 6 die Siedetemperatur S erreicht haben und welcher sich innerhalb der Strahl-Partikel-Wechselwirkungszone gemäß Fig.2 befindet. Hierbei ist eine Oberfläche des Partikel 5a auf ungefähr 40% auf ihre Siedetemperatur S erhitzt. Der übrige Teil des Partikels 5a hat eine Partikeltemperatur PT kleiner der Siedetemperatur. Außerdem weist der Partikel 5a hier eine mittlere Partikelgröße von > 1 pm, vorzugsweise > 10 pm, besonders bevorzugt > 30 pm und/oder < 100 pm, vorzugsweise < 70 pm, besonders bevorzugt < 50 pm auf. Der Partikel 5a des Zusatzwerkstoffs umfasst oder besteht beispielsweise aus einer Nickelbasis-Legierung, einer Kobaltbasis-Legierung, einer Eisenbasis-Legierung, einer Titanbasis-Legierung, einer Kupferbasis-Legierung, einer Aluminiumbasis-Legierung, einem Eisenbasiswerkstoff und/oder Keramik oder einer Mischung der voranstehenden Legierungen. Fig.4 zeigt eine erfindungsgemäße Laserauftragschweißvorrichtung 100 zur Herstellung einer schmelzmetallurgischen Verbindung zwischen einem zumindest zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff und einer Oberfläche la eines Bauteils 1 mit zumindest einem Laser 110, aus dem ein auf die Oberfläche la des Bauteils 1 gerichteter Laserstrahl 6 emittiert wird , und mit zumindest einer Pulverdüse 120 zum Erzeugen eines Pulverstrahls 5 aus dem Zusatzwerkstoff, wobei Laserstrahl 6 und Pulverdüse 120 so ausgestaltet und angeordnet sind, dass der Pulverstrahl 5 aus Partikel 5a dem Laserstrahl 6 zugeführt wird und die Partikel 5a in einer Strahl -Partikel -Wechselwirkungszone in einem Abstand A zur Oberfläche la des Bauteils 1 in Abhängigkeit von Prozessparametern P in dem Laserauftragschweißverfahren 200 und von Kornfraktion und Materialeigenschaften der Partikel 5a optische Energie aus dem Laserstrahl 6 aufnehmen, um auf die Oberfläche la des Bauteils 1 appliziert zu werden. Die Prozessparameter P der Laserauftragschweißvorrichtung 100 können so eingestellt sein, dass zumindest ein Anteil der Partikel 5a entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung 6 die Siedetemperatur S erreicht und es infolge eines resultierenden Dampfdrucks zu einer Geschwindigkeitserhöhung zumindest des Anteils der Partikel 5a in Richtung der Oberfläche la des Bauteils 1 kommt, wodurch das Bauteil 1 mit einer Oberfläche la, auf die ein Zusatzwerkstoff mittels eines Laserauftragschweißverfahrens appliziert ist, erhalten wird. Bezüglich der hier referenziellen Bezugszeichen, die hier nicht gezeigt werden, verweisen wir auf die Figuren 2 und 3. Ferner wird daraufhingewiesen, dass die hier dargestellte Anordnung von Laser 110 und Pulverdüse 120 nur demonstrativ zu verstehen ist und keine konkrete Anordnung/Konfiguration implizieren soll.
An dieser Stelle sei explizit darauf hingewiesen, dass Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen und/oder Figuren beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um auch erläuterte Merkmale, Effekte und Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen bzw. erzielen zu können.
Es versteht sich, dass es sich bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel lediglich um eine erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt. Insofern beschränkt sich die Ausgestaltung der Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel. Bezugszeichenliste:
1 Bauteil la Oberfläche des Bauteils 2 Schicht
3 Pulverzufuhr
4 Schmelzbad
5 Pulverstrahl
5a Partikel 6 Laserstrahl, Laserstrahlung 7 Fokusbereich
9 Partikel (gemäß Stand der Technik, Fig.l)
10 Wärmeeinflusszone 100 Laserauftragschweißvorrichtung 110 Laser
120 Pulverdüse 200 Laserauftragschweißverfahren A Abstand zwischen Fokusbereich und Oberfläche des Bauteils PT Partikeltemperatur P Prozessparameter s Siedetemperatur x Laserauftreffrichtung v Vorschubgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Pulverstrahls entlang der Oberfläche des Bauteils bzw. Relativgeschwindigkeit Laser-Substrat)

Claims

Patentansprüche:
1. Ein Laserauftragschweißverfahren (200) zur Ausführung einer Laserauftragschweißung, wobei mittels eines auf eine Oberfläche (la) eines Bauteils (1) gerichteten Laserstrahls (6) das Bauteil (1) schmelzmetallurgisch mit zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff verbunden wird, wobei der Zusatzwerkstoff als Pulverstrahl (5) aus Partikel (5a) dem Laserstrahls (6) zugeführt wird, wobei die Partikel (5a) in einer Strahl-Partikel- Wechsel wirkungszone in einem Abstand (A) zur Oberfläche (la) des Bauteils (1) in Abhängigkeit von Prozessparametern (P) des Laserauftragschweißverfahrens (200) und von Kornfraktion und Materialeigenschaften der Partikel (5a) optische Energie aus dem Laserstrahl (6) aufnehmen und auf die Oberfläche (la) des Bauteils (1) appliziert werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Prozessparameter (P) so eingestellt sind, dass zumindest ein Anteil der Partikel (5a) entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung (6) die Siedetemperatur (S) erreicht und es infolge eines resultierenden Dampfdrucks zu einer Geschwindigkeitserhöhung zumindest des Anteils der Partikel (5a) in Richtung der Oberfläche (la) des Bauteils (1) kommt.
2. Das Laserauftragschweißverfahren (200) gemäß Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Geschwindigkeitserhöhung des Anteils der Partikel (5a), die die Siedetemperatur (S) erreicht haben, größer 2% ist.
3. Das Laserauftragschweißverfahren (200) gemäß Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Geschwindigkeitserhöhung so groß ist, dass eine Einschnürung des Pulverstrahls (5) in Richtung der Oberfläche des Bauteils zwischen 2% und 10%, vorzugsweise zwischen 3% und 6%, besonders bevorzugt zwischen 4% und 5%, gegenüber einer Breite des unbeleuchteten Pulverstrahls (5) bewirkt ist.
4. Das Laserauftragschweißverfahren (200) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Anteil der Partikel (5a), die die Siedetemperatur (S) erreicht haben, mehr als 5%, vorzugsweise mehr als 30%, noch bevorzugter mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 80% der Partikel (5a) beträgt, die entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung erwärmt werden.
5. Das Laserauftragschweißverfahren (200) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zumindest 20% einer Oberfläche der Partikel (5a), bevorzugt von zumindest 30%, besonders bevorzugt von zumindest 40% auf mindestens ihre Siedetemperatur (S) erhitzt werden.
6. Das Laserauftragschweißverfahren (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Partikel (5a) eine mittlere Partikelgröße von > 1 pm, vorzugsweise > 10 pm, besonders bevorzugt > 30 pm und/oder < 100 pm, vorzugsweise < 70 pm, besonders bevorzugt < 50 pm aufweisen.
7. Das Laserauftragschweißverfahren (200) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Oberfläche des Bauteils (1) in einem Bereich, auf dem die Laserauftragschweißung durchgeführt wird, durch den transmittierenden Laserstrahl (6) selbst auf eine Temperatur unterhalb ihrer Schmelztemperatur aufgewärmt wird, wobei zumindest im Auftreffpunkt der Partikel (5a) auf der Oberfläche (la) des Bauteils (1) die aufgeschmolzenen Partikel (5a) mit einer Partikeltemperatur (PT) größer der Schmelztemperatur des Bauteils (1) an seiner Oberfläche (la) eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur in die Oberfläche (la) des Bauteil (1) zur Herstellung der schmelzmetallurgischen Verbindung induzieren.
8. Das Laserauftragschweißverfahren (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Dichte der Partikel (5a) im Pulverstrahl (5) so eingestellt und die Laserleistung und Kaustik des Laserstrahls (6) so bemessen und zum Pulverstrahl (5) ausgerichtet ist, dass die auf die Oberfläche (la) des Bauteils (1) auftreffende Laserleistung weniger als 85%, vorzugsweise weniger als 50%, besonders bevorzugt weniger als 30%, besonders bevorzugt weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% der Laserleistung vor Kontakt des Laserstrahls (6) mit den Partikeln (5a) des Pulverstrahls (5) beträgt.
9. Das Laserauftragschweißverfahren (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Laserstrahl (6) einen Fokusbereich (7) umfasst, dessen mittlerer Abstand (A) zur Oberfläche (la) des Bauteils (1) zwischen 0,25 mm und 20,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,25 mm und 10,0 mm, noch bevorzugter zwischen 0,25 mm und 5,0 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm, beträgt.
10. Das Laserauftragschweißverfahren (200) nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Pulverstrahl (5) dem Fokusbereich (7) des Laserstrahls (6) zugeführt wird, vorzugweise koaxial.
11. Das Laserauftragschweißverfahren (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Pulverstrahl (5) eine Pulvermasse besitzt, die pro gefördertem Gesamtvolumen bestehend aus Fördergasvolumen und Partikelvolumen größer 1 g/1 ist.
12. Das Laserauftragschweißverfahren (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Pulverstrahl (5) dem Laserstrahl (6) mittels einer Koaxialdüse als konischer Pulverstrahl, mittels eine Mehrstrahldüse oder mittels eine Rechteckdüse zugeführt wird.
13. Laserauftragschweißverfahren (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Zusatzwerkstoff auf die Oberfläche (la) des Bauteils (1) mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang der Oberfläche (la) des Bauteils (1) zwischen 5 m/min und 1000 m/min, vorzugsweise dabei mehr als 10 m/min, weiter bevorzugt dabei mehr als 21 m/min, noch weiter bevorzugt dabei mehr als 50 m/min, besonders bevorzugt dabei mehr als 100 m/min, ganz besonders bevorzugt dabei mehr als 130 m/min, äußerst bevorzugt dabei mehr als 150 m/min, aufgetragen wird.
14. Das Laserauftragschweißverfahren (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Zusatzwerkstoff (5) eine Nickelbasis-Legierung, eine Kobaltbasis-Legierung, eine Eisenbasis-Legierung, eine Titanbasis-Legierung, eine Kupferbasis-Legierung, eine Aluminiumbasis-Legierung, ein Eisenbasiswerkstoff und/oder Keramik oder einer Mischung der voranstehenden Legierungen umfasst oder daraus besteht.
15. Das Laserauftragschweißverfahren (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Prozessparameter (P) so gewählt sind, dass unter Anwendung dieser Prozessparameter (P) bei inaktivem Pulverstrahl (5) und dem Laserstrahl (6) mit 35% Laserleistung, vorzugsweise 50% Laserleistung, besonders bevorzugt 85% Laserleistung, gemäß den Prozessparametern (P) kein Aufschmelzen der Oberfläche (la) des Bauteils (1) im Bereich des auftreffenden Laserstrahls auftritt.
16. Das Laserauftragschweißverfahren (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die dafür einzustellenden Prozessparameter (P) ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Laserleistung des Laserstrahls (6), Strahlführung des Laserstrahls (6), Größe des Fokusbereiches (7), relative Position eines Pulverstrahlfokus zum Laserstrahl, vorzugsweise zum Fokusbereich (7) des Laserstrahls (6), Dichte der Partikel (5a) im Pulverstrahl (5), Geschwindigkeit der Partikel (5a) im Pulverstrahl (5) vor Erreichen des Laserstrahls (6), vorzugsweise des Fokusbereichs (7) des Laserstrahls, Distanz zwischen Laserfokus und Oberfläche (la) des Bauteils (1), Überlapp und Vorschubgeschwindigkeit umfassen.
17. Eine Laserauftragschweißvorrichtung (100) zur Herstellung einer schmelzmetallurgischen Verbindung zwischen einem zumindest zum Teil geschmolzenen Zusatzwerkstoff und einer Oberfläche (la) eines Bauteils (1) mit zumindest einem Laser (110), aus dem ein auf die Oberfläche (la) des Bauteils (1) gerichteter Laserstrahl (6) emittiert wird, und mit zumindest einer Pulverdüse (120) zum Erzeugen eines Pulverstrahls (5) aus dem Zusatzwerkstoff, wobei Laserstrahl (6) und Pulverdüse (120) so ausgestaltet und angeordnet sind, dass der Pulverstrahl (5) aus Partikel (5a) dem Laserstrahl (6) zugeführt wird und die Partikel (5a) in einer Strahl- Partikel-Wechselwirkungszone in einem Abstand (A) zur Oberfläche (la) des Bauteils (1) in Abhängigkeit von Prozessparametem (P) in dem Laserauftragschweißverfahren (200) und von Kornfraktion und Materialeigenschaften der Partikel (5a) optische Energie aus dem Laserstrahl (6) aufnehmen, um auf die Oberfläche (la) des Bauteils (1) appliziert zu werden d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Prozessparameter (P) der Laserauftragschweißvorrichtung (100) so eingestellt sind, dass zumindest ein Anteil der Partikel (5a) entlang ihrer Trajektorie durch die Laserstrahlung (6) die Siedetemperatur (S) erreicht und es infolge eines resultierenden Dampfdrucks zu einer Geschwindigkeitserhöhung zumindest des Anteils der Partikel (5a) in Richtung der Oberfläche (la) des Bauteils (1) kommt.
18. Ein Bauteil (1) mit einer Oberfläche (la), auf die ein Zusatzwerkstoff mittels eines
Laserauftragschweißverfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 schmelzmetallurgisch appliziert ist.
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