WO2005099958A1 - Verfahren und vorrichtung zum laserschweissen von bauteilen aus superlegierungen - Google Patents

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WO2005099958A1
WO2005099958A1 PCT/DE2005/000663 DE2005000663W WO2005099958A1 WO 2005099958 A1 WO2005099958 A1 WO 2005099958A1 DE 2005000663 W DE2005000663 W DE 2005000663W WO 2005099958 A1 WO2005099958 A1 WO 2005099958A1
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laser
temperature
workpiece
welding
control unit
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PCT/DE2005/000663
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Klaus Emiljanow
Stefan Czerner
Axel Bormann
Karl Lindemann
Peter Stippler
Jörg WERHAHN
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Mtu Aero Engines Gmbh
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    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • B23K2103/26—Alloys of Nickel and Cobalt and Chromium

Definitions

  • the present invention relates to a method for laser welding components made of superalloys and to an apparatus therefor.
  • the disadvantage of such a method is the complex heating of the component to 1050 ° C.
  • the heat affected zone of the welding area or the weld seam is larger compared to the cold welding, the contour of the component cannot be built up exactly and the risk of welding sag is unavoidable with thin walls.
  • the additional preheating also makes the process expensive and reduces productivity.
  • the weld pool is negatively affected by the induction coil.
  • the invention is based on the knowledge that this object can be achieved by monitoring and regulating the work process of laser welding.
  • the object is therefore achieved by a method for laser welding of super alloys, the power of the laser being regulated as a function of the temperature of the weld pool in the method.
  • the process-controlled laser power enables very thin wall thicknesses to be welded without welding sag.
  • both single-crystal or directionally solidified nickel and cobalt super alloys can be welded.
  • the quantity of the precipitates, their shape or their size can be influenced, for example, by quickly passing through a temperature range in which certain precipitates form. These circumstances can be taken into account when setting the power of the laser.
  • the laser power is calculated based on the temperature measurement using mathematical functions.
  • the method is preferably carried out on a cold workpiece.
  • a cold workpiece or component Designated workpiece that is not preheated or preheated and thus essentially has the ambient temperature.
  • the components do not need to be preheated to, for example, 1050 degrees, as is necessary in prior art methods.
  • One advantage here is that the absence of preheating means that the heat input is lower and that the contour of the component can be built up again exactly. In this way, the effort can be considerably reduced in a grinding step that may be connected downstream.
  • the temperature of the weld pool is recorded pyrometrically. Due to the energy introduced by means of the laser beam, a melt pool or weld pool is formed from the material. Electromagnetic radiation is emitted from the laser beam-material interaction zone. These can be recorded by a pyrometer and used to determine the temperature. This non-contact determination of the temperature of the weld pool makes it possible to place the measuring device in a suitable position relative to the workpiece and the weld pool. As a result, the temperature, which serves as an input variable for the temperature-based regulation of the power according to the invention, can be reliably determined.
  • the temperature measurement can take place through the laser focusing optics.
  • the temperature can be detected by a partially transparent mirror and a lens provided for deflecting the laser beam. This ensures that the temperature in the area of the effective zone between the material and the laser beam is always detected.
  • the method according to the present invention can preferably be carried out automatically, in particular by means of a CNC system.
  • automating the method in particular the feed, ie the relative movement between the workpiece and the laser beam, can be set precisely and reproducibly on the basis of predeterminable data.
  • the component target contour and the component actual contour, the data for the course of the welding path and all parameter-relevant data can be used for automation.
  • the dwell time of the laser beam can be set precisely at one point.
  • the temperature measurement and control of the laser power additionally provided according to the invention ensure that temperature-time regimes are adhered to exactly and thus crack-free build-up welding of superalloys can be achieved.
  • Super alloys which can be treated with the method according to the invention are, in particular, gamma-phase-hardenable super alloys. These alloys, in which the hardening is achieved by precipitation of the gamma phase, can be present both as a single crystal and as an alloy with directionally solidified precipitates.
  • the power of the laser is preferably set, i.e. Regulated based on the temperature of the weld pool during welding, that there is a temperature balance of the formation of the gamma phases, through which the gamma phases are excreted in a non-crack-critical area.
  • the method according to the invention is preferably a laser cladding welding method, which is used, for example, in the machining of turbine blade tips.
  • the method according to the invention can also be used for other welding processes on components for gas turbines or for aircraft engines which are made of superalloys.
  • the filler material in the form of a powder or in the form of a wire can be added concentrically to the laser beam or to the side.
  • the method according to the invention comprises the steps of positioning the workpiece, detecting the workpiece contour, generating an NC code, moving the component into a protective gas chamber, temperature-controlled laser deposition welding and extending the workpiece.
  • the present invention relates to a device for laser welding a superalloy, comprising a laser beam source, a process control unit, a temperature detection unit and an addition device for filler materials.
  • the device is characterized in that the process control unit comprises a controller, which is connected to the temperature detection unit and the laser source.
  • the controller is connected to the control unit of the laser source the one that is used to set the laser power.
  • the power to be set is obtained in the controller based on the temperature values determined by the temperature detection unit.
  • a further unit for processing and forwarding the data recorded by the temperature detection unit can be provided. However, this processing and forwarding unit can also be integrated in the temperature detection unit.
  • the temperature detection unit is preferably designed so that the temperature of the weld pool is detected.
  • the addition device allows the filler material to be fed in concentrically with the laser beam. However, it is also possible to feed the filler material laterally to the laser beam.
  • the filler material can be supplied in powder form or as wire.
  • the device preferably comprises a holding device for holding and fastening the workpiece, this being connected to the control unit and the holding device being controlled via the control unit.
  • a targeted relative movement of the workpiece to the laser beam and thus compliance with a temperature-time regime can be achieved.
  • the recording device controlled by a separate control unit.
  • the temperature control strategy that is used by the controller is preferably taken into account in the separate control unit in order to be able to adhere to a predetermined temperature-time regime.
  • Figure 1 is a schematic block diagram of the plant technology of an embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 2 another schematic view of an embodiment of the device according to the invention.
  • the device 10 according to the invention comprises a laser beam source 12 with a control device 14 connected to it and a radiation guide or an optical waveguide 16 which directs the laser radiation to a laser working head 18.
  • processing optics 20 and a partially transparent mirror 22 are provided in the laser working head 18.
  • the device 10 further comprises a feed 24 for the filler material. In the embodiment according to FIG. 1, this is arranged laterally to the laser beam 26 and in the embodiment according to FIG. 2 concentrically to the laser beam 26.
  • a pyrometer 28 is provided in the device 10 according to the invention, which, as can be seen from FIG. 1, is arranged above the laser working head 18.
  • a process control unit 30, which has a processing and forwarding unit 32 for measurement data of the pyrometer 28 and a controller 34, is connected in the device 10 to the pyrometer 28 and the control device 14 of the laser beam source 12.
  • a workpiece or component 38 can be held in the protective gas chamber 36, which is only shown in FIG. 2, in a holding device 40, which is shown as a quick-action clamping device.
  • the component 38 which, for example and as indicated in FIG. 2, can represent a turbine blade, is positioned with the quick-action clamping device 40 with high repeatability.
  • the quick release device 40 is preferably of an aerodynamically favorable design in order not to impede gas flows in the protective gas chamber 36.
  • the component contour is recorded using a laser scanner (not shown), which is positioned above the component 38 by means of CNC axes 42.
  • the actual contour of the component 38 is determined using software (not shown) using the measured data.
  • an individual NC code is calculated which, in addition to the path data, also contains the temperature control strategy and all parameter-relevant data.
  • the protective gas chamber 36 is positioned above the workpiece 38 via CNC axes 42, filled with protective gas via an almost laminar gas stream 44, and the laser processing head 24 is positioned above the component 38.
  • the welding bath temperature is measured using the plant technology shown in FIG. 1.
  • a welding pool is formed in the process zone 46 by the laser radiation 26.
  • the electromagnetic radiation emitted from the beam-material interaction zone 46 is measured by the processing optics 20 and the partially transparent mirror 22 using a pyrometer 28.
  • the measurement data are recorded in the detection unit 32 and the required laser power is transferred to the laser control unit 14 via the controller 34.
  • the laser beam source 12, for example a Nd. YAG laser beam source can act on the workpiece 38 with this power via the beam guide (optical waveguide) 16 and the processing optics 20.
  • the filler material is applied via the powder feed line or wire feed 24 either concentrically with the laser working head 18 or laterally to the laser beam 26.
  • the laser welding process is processed automatically via the CNC control and the component is moved to a loading and unloading position for removal from the system.
  • the time-temperature regime to be set for the method according to the invention is dependent both on the material and on the workpiece geometry.
  • the regulation of the power of the laser according to the invention is the key to crack-free welding tracks and is temperature-based via transition functions in the control system.
  • the workpiece geometry can be optimally taken into account in the automated process.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laser-Schweißen von Superlegierungen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Leistung des Lasers (12) in Abhängigkeit der Temperatur des Schweißbades geregelt wird, sowie eine Vorrichtung (10) zum Laserschweißen einer Superlegierung, umfassend eine Laserstrahlquelle (12), eine Prozesssteuereinheit (30), eine Temperaturerfassungseinheit (28) und eine Zugabevorrichtung (24) für Zusatzwerkstoffe, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Prozesssteuereinheit (30) einen Regler (34) umfasst, der mit der Temperaturerfassungseinheit (28) und der Laserquelle (12) verbunden ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Laserschweißen von Bauteilen . aus Superlegierungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserschweißen von Bauteilen aus Superlegierungen sowie auf eine Vorrichtung hierfür.
Bei Superlegierungen ist häufig die Schweißbarkeit problematisch und eingeschränkt. Auf dem Gebiet von Turbinen, wie stationären Gasturbinen oder Turbinen in Flugtriebwerken, ist allerdings aufgrund der Anforderungen an diese Komponenten ein Einsatz von hochwarmfesten Werkstoffen erforderlich. Als Werkstoffe für die Herstellung solcher Komponenten werden meist gammaphasen-härtbare Superlegierungen, die als MCrAlY-Legierungen bezeichnet werden, verwendet. Diese Superlegierungen sind allerdings in Bezug auf ihre Schweißeignung problematisch, was besonders nachteilig ist, da Turbinenschaufeln häufig sowohl in der Fertigung als auch bei der Instandsetzung geschweißt werden müssen. Beispielsweise müssen bei Schau- felspitzen von Turbinen- und Kompressorschaufeln aufgrund des Verschleißes während des Betriebs in regelmäßigen Abständen auf die Kanten Schweißschichten aufgebracht werden.
Bisher ist es üblich, Bauteile aus problematisch zu schweißenden Superlegierungen auf hohe Temperaturen, z.B. 1000°C, zu erwärmen, bevor diese geschweißt werden. Durch diese Erwärmung sollen Erstarrungsrisse und Seigerungen sowie Risse durch Ausscheidungen von intermetallischen Ni3Al und Ni3Ti-Phasen verhindert werden. In der US 5,554,837 ist ein solches Laser-Pulverauftragsschweißen beschrieben, bei dem das Werkstück vor dem Schweißen einer induktiven Vorwärmung unterzogen wird. Diese induktive Erwärmung kann bei dem Verfahren des Stands der Technik auch während und nach dem Schweißvorgang aufrecht erhalten bleiben. Auf diese Weise wird ein gewünschter Temperaturverlauf und damit ein gewünschtes Ausscheidungsverhalten erzielt. Insbesondere stellt sich bei den erhöhten Temperaturen zum Teil ein duktiles Verhalten dieser Werkstoffe ein.
Nachteil eines solchen Verfahrens ist die aufwendige Erwärmung des Bauteils auf 1050°C. Die Wärmeeinflusszone des Schweißbereichs beziehungsweise der Schweißnaht ist gegenüber der Kaltschweißung größer, die Kontur des Bauteils kann nicht exakt aufgebaut werden und bei dünnen Wandstärken ist die Gefahr des Schweißdurchhangs unvermeidbar. Durch die zusätzliche Vorwärmung wird der Prozess zudem teuer und senkt die Produktivität. Zu- sätzlich wird das Schmelzbad durch die Induktionsspule negativ beein- flusst .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die ein Schweissen von Bauteilen aus Superlegierungen ermöglicht, ohne eine Rissbildung befürchten zu müssen. Gleichzeitig soll das Verfahren einfach ausführbar sein und eine hohe Produktivität erlauben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, indem der Arbeitsprozess des Laserschweißens überwacht und geregelt wird.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe daher gelöst durch ein Verfahren zum Laser-Schweißen von Superlegierungen, wobei in dem Verfahren die Leistung des Lasers in Abhängigkeit von der Temperatur des Schweißbades geregelt wird.
Durch diese Regelung der Leistung aufgrund der Temperatur des Schweißbzw. Schmelzbades können Werkstücke aus Superlegierungen, insbesondere aus Nickel- und Kobalt-Superlegierungen, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, rissfrei mit einer hohen Qualität wirtschaftlich bearbeitet werden. Zudem können durch die prozessgeregelte Laserleistung sehr dünne Wandstärken ohne Schweißdurchhang geschweißt werden. Mit dem erfindungsgemäßen temperaturgeregelten Laserstrahlauftragsschweißen können sowohl einkristalline oder gerichtet erstarrte Nickel- als auch Kobaltsuperlegierungen geschweißt werden. Durch die Regelung der Leistung aufgrund der gemessenen Schweißbadtemperatur und Kontrolle des Temperaturhaushaltes kann nämlich die Temperatur des Schweißbades so eingestellt werden, dass eine Bildung von Ausscheidungen, die zur Rissbildung führen, nicht oder nur zu einem geringen Maße auftritt . Neben der Temperatur kann es für die Ausbildung einer gewissen Phase maßgeblich sein, wie lange die Legierung sich in einem bestimmten Temperaturbereich befindet. Durch ein schnelles Durchlaufen eines Temperaturbereichs, in dem sich bestimmte Ausscheidungen bilden, kann beispielsweise die Menge der Ausscheidungen, deren Form oder deren Größe beeinflusst werden. Diese Umstände können bei der einzustellenden Leistung des Lasers berücksichtigt werden. Die Berechnung der Laserleistung erfolgt basierend auf der Temperaturmessung unter Einsatz mathematischer Funktionen.
Vorzugsweise wird das Verfahren an einem kalten Werkstück durchgeführt . Als kaltes Werkstück beziehungsweise Bauteil wird erfindungsgemäß ein Werkstück bezeichnet, das nicht vorgewärmt beziehungsweise vorgeheizt ist und somit im wesentlichen die Umgebungstemperatur besitzt. Bei dem Einsatz eines kalten Werkstücks, der durch die erfindungsgemäße Temperaturregelung ermöglicht wird, brauchen die Bauteile nicht auf beispielsweise 1050 Grad vorgewärmt zu werden, wie dies bei Verfahren des Stands der Technik notwendig ist. Ein Vorteil ist hierbei unter anderem, dass durch das Entfallen der Vorwärmung die Wärmeeinbringung geringer ist und dass die Kontur des Bauteils genau wieder aufgebaut werden kann. Somit kann der Aufwand in einem gegebenenfalls nachgeschalteten Schleifschritt erheblich reduziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur des Schweißbades pyrometrisch erfasst. Durch die mittels des Laserstrahls eingebrachte Energie bildet sich aus dem Werkstoff ein Schmelzbad bzw. Schweißbad aus. Von der Laserstrahl-Stoff-Wechselwirkungszone werden hierbei elektromagnetische Strahlungen abgegeben. Diese können von einem Pyrometer erfasst und zur Temperaturbestimmung verwendet werden. Durch diese berührungslose Bestimmung der Temperatur des Schweißbades wird es möglich, die Messvorrichtung in einer geeigneten relativen Position zu dem Werkstück und dem Schmelzbad zu platzieren. Dadurch kann die Temperatur, die als Eingangsgröße für die erfindungsgemäße temperaturbasierende Regelung der Leistung dient, zuverlässig bestimmt werden.
Die Temperaturmessung kann hierbei durch die Laserfokussieroptik hindurch erfolgen. Hierbei kann beispielsweise die Temperaturerfassung durch einen zur Umlenkung des Laserstrahls vorgesehenen teildurchlässigen Spiegel und eine Linse erfolgen. Dadurch wird gewährleistet, dass stets die Temperatur im Bereich der Wirkzone zwischen dem Werkstoff und dem Laserstrahl erfasst wird. Es ist aber auch möglich, die Temperaturerfassung seitlich von der Laserfokussieroptik durchzuführen. In diesem Fall wird die Messeinrichtung entsprechend ausgerichtet, um stets die Temperatur des Schmelzbades zu erfassen.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise automatisiert durchgeführt werden, insbesondere mittels einer CNC-Anlage. Durch die Automatisierung des Verfahrens kann insbesondere der Vorschub, d.h. die relative Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Laserstrahl, aufgrund vorgebbarer Daten präzise und reproduzierbar eingestellt werden. Für die Automatisierung können neben der Temperatur-Regelstrategie auch die Bauteil-Soll-Kontur und die Bauteil-Ist-Kontur, die Daten für den Verlauf der Schweißbahn und alle parameterrelevanten Daten verwendet werden. Somit kann beispielsweise durch einen geeignet eingestellten Vor- schub des Werkstücks die Verweilzeit des Laserstrahls auf einem Punkt präzise eingestellt werden. Durch die zusätzlich erfindungsgemäß vorgesehene Temperaturmessung und Regelung der Laserleistung kann ein exaktes Einhalten von Temperatur-Zeit-Regimen sichergestellt und somit rissfreie Auftragsschweißungen von Superlegierungen realisiert werden.
Als Superlegierungen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden können, eigenen sich insbesondere gammaphasen-härtbare Superlegierungen. Diese Legierungen, bei denen die Härtung durch Ausscheidung der Gammaphase erzielt wird, kann sowohl als Einkristall als auch als Legierung mit gerichtet erstarrten Ausscheidungen vorliegen.
Die Leistung des Lasers wird vorzugsweise so eingestellt, d.h. aufgrund der Temperatur des Schweißbades während des Schweißens geregelt, dass sich ein Temperaturhaushalt der Bildung der Gamma-Phasen ergibt, durch den die Gamma-Phasen in einem rissunkritischen Bereich ausgeschieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise ein Laser-Auftragsschweißverfahren, das beispielsweise bei der Bearbeitung von Turbinen- schaufelspitzen verwendet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch für andere Schweißprozesse an Komponenten für Gasturbinen oder für Flugtriebwerke, die aus Superlegierungen bestehen, eingesetzt werden. Die Zugabe des Zusatzwerkstoffs in Form eines Pulvers oder in Form eines Drahtes kann hierbei konzentrisch zum Laserstrahl oder seitlich dazu erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte des Positionierens des Werkstücks, des Erfassens der Werkstückkontur, des Generierens eines NC-Codes, des Einfahrens des Bauteils in eine Schutzgaskammer, des temperaturgeregelten Laserauftragsschweißens und des Ausfahrens des Werkstücks. Durch Automatisierung aller oder einiger dieser Schritte kann die Wiederholbarkeit des Verfahrensergebnisses gewährleistet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Laserschweißen einer Superlegierung, umfassend eine Laserstrahlquelle, eine Prozesssteuereinheit, eine Temperaturerfassungseinheit und eine Zugabevorrichtung für Zusatzwerkstoffe. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Prozesssteuereinheit einen Regler umfasst, der mit der Temperaturerfassungseinheit und der Laserquelle verbunden ist. Insbesondere ist der Regler mit dem Steuergerät der Laserquelle verbun- den, über das die Laserleistung eingestellt wird. Die einzustellende Leistung wird in dem Regler aufgrund der Temperaturwerte, die von der Temperaturerfassungseinheit ermittelt wurden, erhalten. In der Verbindung zwischen der Temperaturerfassungseinheit und dem Regler kann eine weitere Einheit zur Verarbeitung und Weiterleitung der von der Temperaturerfassungseinheit erfassten Daten vorgesehen sein. Diese Verarbeitungs- und Weiterleitungseinheit kann aber auch in der Temperaturerfassungseinheit integriert sein.
Die Temperaturerfassungseinheit ist hierbei vorzugsweise so ausgeführt, dass die Temperatur des Schweißbades erfasst wird.
Die Zugabevorrichtung erlaubt in einer Ausführungsform eine zu dem Laserstrahl konzentrische Zuführung des Zusatzwerkstoffs . Es ist allerdings auch möglich, den Zusatzwerkstoff seitlich zu dem Laserstrahl zuzuführen. Der Zusatzwerkstoff kann in Pulverform oder als Draht zugeführt werden.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise eine Aufnahmevorrichtung für die Aufnahme und Befestigung des Werkstücks, wobei diese mit der Steuereinheit verbunden ist und die Aufnahmevorrichtung über die Steuereinheit angesteuert wird. Hierdurch kann eine gezielte relative Bewegung des Werkstücks zu dem Laserstrahl und somit die Einhaltung eines Temperatur-Zeit- Regimes erzielt werden. Es ist auch möglich, die Aufnahmevorrichtung von einer gesonderten Steuereinheit ansteuern zu lassen. In diesem Fall wird vorzugsweise die Temperatur-Regelstrategie, die von dem Regler angewandt wird, in der separaten Steuereinheit berücksichtigt, um ein vorgegebenes Temperatur-Zeit-Regime einhalten zu können.
Die Vorteile und Merkmale, die bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden, gelten -soweit anwendbar- entsprechend für die erfindungsgemäße Vorrichtung und umgekehrt .
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Blockdarstellung der Anlagentechnik einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Figur 2 : eine weitere schematische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 umfasst in der dargestellten Ausführungsform eine Laserstrahlquelle 12 mit einem mit dieser verbundenen Steuergerät 14 und einer Strahlungsführung beziehungsweise einem Lichtwellenleiter 16, der die Laserstrahlung an einen Laserarbeitskopf 18 leitet. In dem Laserarbeitskopf 18 ist eine Bearbeitungsoptik 20 sowie ein teildurchlässiger Spiegel 22 vorgesehen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 10 eine Zuführung 24 für den Zusatzwerkstoff. Diese ist in der Ausführungsform nach Figur 1 seitlich zu dem Laserstrahl 26 und in der Ausführungsform nach Figur 2 konzentrisch zu dem Laserstrahl 26 angeordnet.
Für die Temperaturerfassung ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ein Pyrometer 28 vorgesehen, das, wie sich aus Figur 1 ergibt, oberhalb des Laserarbeitskopfes 18 angeordnet ist.
Mit dem Pyrometer 28 und dem Steuergerät 14 der Laserstrahlquelle 12 verbunden ist in der Vorrichtung 10 eine Prozesssteuereinheit 30, die eine Verarbeitungs- und Weiterleitungseinheit 32 für Messdaten des Pyrometers 28 und einen Regler 34 aufweist.
In der lediglich in Figur 2 gezeigten Schutzgaskammer 36 kann ein Werkstück oder Bauteil 38 in einer Aufnahmevorrichtung 40, die als Schnellspannvorrichtung dargestellt ist, gehalten werden.
Eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nun beschrieben werden.
Das Bauteil 38, das beispielsweise und wie in Figur 2 angedeutet eine Turbinenschaufel darstellen kann, wird mit der Schnellspannvorrichtung 40 mit hoher Wiederholgenauigkeit, positioniert. Die Schnellspannvorrichtung 40 ist vorzugsweise aerodynamisch günstig ausgeführt, um Gasströme in der Schutzgaskammer 36 nicht zu behindern.
Nach dem Einspannen wird die Bauteilkontur mit einem Laserscanner (nicht dargestellt) erfasst, der mittels CNC-Achsen 42 über dem Bauteil 38 positioniert wird. Mit einer Software (nicht dargestellt) wird über die gemessenen Daten die Ist-Kontur des Bauteils 38 ermittelt. Mit Hilfe der Soll-Kontur des Bauteils 38 wird ein individueller NC-Code berechnet, der neben den Bahndaten auch die Temperatur-Regelstrategie sowie alle parameterrelevanten Daten enthält. Über CNC-Achsen 42 wird die Schutzgaskammer 36 über dem Werkstück 38 positioniert, über einen nahezu laminaren Gas- strom 44 mit Schutzgas gefüllt und der Laserbearbeitungskopf 24 wird über dem Bauteil 38 positioniert. Die Messung der Schweißbadtemperatur erfolgt mit der in Figur 1 dargestellten Anlagentechnik. In der Prozesszone 46 bildet sich durch die Laserstrahlung 26 ein Schweißbad aus. Die aus der Strahl-Stoff-Wechselwirkungszone 46 emittierte elektromagnetische Strahlung wird durch die Bearbeitungsoptik 20 und den teildurchlässigen Spiegel 22 mittels Pyrometer 28 gemessen. In der Prozesssteuereinheit 30 werden die Messdaten in der Erfassungseinheit 32 erfasst und über den Regler 34 wird an das Lasersteuergerät 14 die erforderliche Laserleistung übergeben. Die Laserstrahlquelle 12, die beispielsweise eine Nd. YAG-Laserstrahlquelle sein kann, beaufschlagt über die Strahlführung (Lichtwellenleiter) 16 und die Bearbeitungsoptik 20 das Werkstück 38 mit dieser Leistung. Durch Verschieben des Werkstücks 38 in die in Figur 1 durch den Pfeil angedeutete Richtung oder durch entsprechende Bewegung des Laserarbeitskopfes 18 wird so eine Schweißbahn 48 erzeugt .
Das Aufbringen des Zusatzwerkstoffs erfolgt über die Pulverzuleitung oder Drahtzufuhr 24 wahlweise konzentrisch mit dem Laserarbeitskopf 18 oder seitlich zum Laserstrahl 26.
Der Laserschweißprozess wird automatisiert über die CNC-Steuerung abgearbeitet und das Bauteil wird zur Entnahme aus der Anlage in eine Be- und Entladeposition gefahren.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren einzustellende Zeit-Temperatur- Regime ist sowohl vom Werkstoff als auch von der Werkstückgeometrie abhängig. Die erfindungsgemäße Regelung der Leistung des Lasers ist hierbei der Schlüssel zu rissfreien Schweißbahnen und erfolgt temperaturbasiert über Übergangsfunktionen im Regelsystem. Zudem kann bei dem automatisierten Prozess die Werkstückgeometrie optimal berücksichtigt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung können somit folgende Vorteile erzielt werden: Ein rissfreies Auftragsschweißen von rissempfindlichen Superlegierungen kann ohne Vorwärmung erfolgen. Der Verzug wird bedingt durch die geregelte Laserleistung reduziert. Die Qualität der Schweißqualität wird durch die Prozessregelung verbessert und das Schweißen von dünnwandigen Wandstärken wird ohne Schweißdurchhang möglich. Die Reproduzierbarkeit kann durch Parametrisierung des Schweißprozesses erzielt werden. Schließlich wird eine wirtschaftliche Bearbeitung der Bauteile durch kon- turgenaues Schweißen ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laser-Schweißen von Superlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Lasers (12) in Abhängigkeit der Temperatur des Schweißbades geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an einem kalten Werkstück (38) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Schweißbades (46) pyrometrisch erfasst wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassung durch die Laserfokussieroptik (20, 22) erfolgt .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahren automatisiert erfolgt, insbesondere mittels einer CNC-Anlage erfolgt .
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Superlegierung eine gammaphasen-härtbare Super- legierung verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Lasers (12) so geregelt wird, dass sich ein Temperaturhaushalt der Bildung der Gamma-Phasen ergibt, durch den die Gamma-Phasen in einem rissunkritischen Bereich ausgeschieden werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Laser-Auftragsschweißverfahren darstellt.
9 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses die Schritte des Positionierens des Werkstücks (38) , des Erfassens der Werkstückkontur, des Generierens eines CN-Codes, des Einfahrens des Bauteils (38) in eine Schutzgaskammer (36) , des temperaturgeregelten Laserauftragsschweißens und des Ausfahrens des Werkstücks (38) umfasst.
10.Vorrichtung (10) zum Laserschweißen einer Superlegierung, umfassend eine Laserstrahlquelle (12) , eine Prozesssteuereinheit (30) , eine Temperaturerfassungseinheit (28) und eine Zugabevorrichtung (24) für Zusatzwerkstoffe dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesssteuereinheit (30) einen Regler (34) umfasst, der mit der Temperaturerfassungseinheit (28) und der Laserquelle (12) verbunden ist.
11.Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungseinheit so ausgeführt ist, dass die Temperatur des Schweißbades (46) erfasst wird.
12.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabevorrichtung (24) eine zu dem Laserstrahl konzentrische Zuführung erlaubt.
13.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Aufnahmevorrichtung (40) für die Befestigung des Werkstücks (38) umfasst und diese mit der Steuereinheit (30) verbunden ist und die Aufnahmevorrichtung (40) über diese bewegt wird.
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