WO2015086194A1 - Oszillierendes schweissverfahren - Google Patents

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Chen Hong
Stefanie Linnenbrink
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Definitions

  • the invention relates to a welding method in which the welding beam is moved in an oscillating manner.
  • the object is achieved by a method according to claim 1.
  • the figure shows schematically the arrangement of a build-up welding with a laser and a powder feed.
  • the solidification front changes constantly, so that a oscillating solidification is realized.
  • the grain growth is interrupted during the solidification of the melt and the structure solidifies one-grain.
  • the fine graininess of the microstructure distributes the remaining residual welding stresses to the grain boundaries so that cracks in the weld seam or in the weld bead or between them are avoided.
  • the welding process can be a remelting or an order welding. There is one for both methods
  • the figure shows a device 1 of a welding process, in particular a laser welding process.
  • the method is not limited to laser welding, but also applies to electron welding and other welding processes such as plasma welding or other additive manufacturing processes.
  • a substrate 4 which is a nickel- or cobalt-based superalloy with high ⁇ ⁇ content in turbine blades and therefore generally a hard-to-weld alloy, material is applied.
  • a weld bead 6 as part of the build-up weld has already been produced.
  • a molten bath 7 is present.
  • a powder nozzle as an exemplary material supply 10
  • the powder 8 is melted.
  • This laser radiation is in particular pulsed and the material 8 is supplied in the form of powder, but can also be supplied as a wire.
  • the laser radiation or the energy supply 13 can be moved back and forth along the direction 16 vertical to the surface 5 of the substrate 4, so that a variation of the laser beam diameter is produced on the surface of the melt path 7.
  • the deflection is preferably between 1mm and 2mm.
  • an oscillating movement can be performed.
  • the deflection of the oscillating motion is preferably between 1mm and 2mm.
  • the surface to be welded has a length greater than or equal to 4 mm in at least one direction, i.
  • a plurality of weld beads are produced or applied next to each other, which may also overlap.
  • the vertical 16 or horizontal 19 movement can be used individually or combined with one another, both during remelting or build-up welding, and is superimposed on the forward movement of energy supply 13 with respect to substrate 4.
  • plan view of the substrate 4 in the direction 16 with oscillating movement in the direction 19 thus results in a zigzag movement, a meandering or a sinusoidal movement.

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Abstract

Durch die oszillierende Bewegung beim Schweißen in vertikaler und/oder horizontaler Richtung werden kleinere Körner erzielt, die die Entstehung von Rissen beim Schweißen verhindern.

Description

Oszillierendes Schweißverfahren
Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren, bei dem der Schweißstrahl oszillierend bewegt wird.
Beim Laserauftragsschweißen von Nickelbasis-Superlegierungen mit hohem Anteil an metallischer Phase γλ kann es schon während der Erstarrung der Schmelze zu Heißrissbildung kommen. Durch Verkleinerung des Strahldurchmessers des Lasers mit kreisförmiger Intensitätsverteilung wird die Abkühlrate erhöht und Erstarrungsrisse können vermieden werden. Jedoch wird dadurch die Aufbauraute des Materials kleiner. Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Schweißverfahren aufzuzeigen, mit dem hohe Abkühlraten und gleichzeitig große Aufbauraten erzielt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. Das Verfahren erzeugt einfach und schneller rissfreie Mikrostrukturen beim Schweißen.
Es zeigt die Figur schematisch die Anordnung einer Auftragsschweißung mit einem Laser und einer Pulverzufuhr.
Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Durch eine oszillierende Bewegung in horizontaler und/oder vertikaler Richtung sowie in der Variation der Laserstrahlung verändert sich die Erstarrungsfront ständig, sodass eine oszillierende Erstarrungsform realisiert wird. Durch eine sich ständig verändernde Erstarrungsfunktion wird das Kornwachstum während der Erstarrung der Schmelze unterbrochen und das Gefüge erstarrt einkörnig. Durch die Feinkörnigkeit des Gefüges werden die mithin verbleibenden Schweißeigenspannungen auf die Korngrenzen verteilt, sodass Risse in Schweißnaht oder in Schweißraupe oder zwischen denen vermieden werden.
Das Schweißverfahren kann ein Umschmelzen oder ein Auftrags- schweißen darstellen. Bei beiden Verfahren gibt es eine
Schmelze und eine Erstarrungsfront.
Die Figur zeigt eine Vorrichtung 1 eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laserschweißverfahrens .
Das Verfahren ist nicht beschränkt auf Laserschweißverfahren, sondern gilt auch für Elektronenschweißverfahren und andere Schweißverfahren wie Plasmaschweißverfahren oder auch andere additive Fertigungsverfahren.
Auf ein Substrat 4, das bei Turbinenschaufeln eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung mit hohen γλ -Anteil und daher allgemein eine schwer schweißbare Legierung darstellt, wird Material aufgetragen.
Eine Schweißraupe 6 als Teil der Auftragsschweißung ist schon erzeugt worden.
Dort, wo ein Laser mit seiner Laserstrahlung als beispielhafte Energiequelle 13 auf das Substrat 4 gerichtet ist, ist ein Schmelzbad 7 vorhanden. Über eine Pulverdüse als beispielhafte Materialzufuhr 10 wird das Pulver 8 aufgeschmolzen .
Diese Laserstrahlung ist insbesondere gepulst und das Mate- rial 8 wird in Form von Pulver zugeführt, kann aber auch als Draht zugeführt werden. Die Laserstrahlung bzw. die Energiezufuhr 13 kann entlang der Richtung 16 vertikal zur Oberfläche 5 des Substrats 4 hin und her bewegt werden, so dass eine Variation des Laserstrahl - durchmessers auf der Oberfläche der Schmelzbahn 7 erzeugt wird. Die Auslenkung beträgt vorzugsweise zwischen 1mm und 2mm .
Senkrecht zu der Richtung 16 kann vorzugsweise durch eine horizontale Bewegung 19 quer zur Vorwärtsbewegung der Ener- giezufuhr 13 von Laserstrahlung und Pulverzufuhr 10 relativ zum Schmelzbad 7 alternativ oder zusätzlich eine oszillierende Bewegung durchgeführt werden.
Die Auslenkung der oszillierenden Bewegung beträgt vorzugsweise zwischen 1mm und 2mm.
Die zu schweißende Fläche weist in zumindest einer Richtung eine Länge größer gleich 4mm auf, d.h. vorzugsweise werden mehrere Schweißraupen nebeneinander erzeugt oder aufgetragen, die sich auch überlappen können.
Die vertikale 16 bzw. horizontale 19 Bewegung kann einzeln verwendet oder miteinander kombiniert werden, sowohl beim Um- schmelzen oder Auftragsschweißen und ist der Vorwärtsbewegung von Energiezufuhr 13 gegenüber Substrat 4 überlagert.
In Draufsicht auf das Substrat 4 in Richtung 16 bei oszillierender Bewegung in Richtung 19 ergibt sich also eine Zick- Zack-Bewegung, eine mäanderförmige oder eine sinusförmige Bewegung. Vergleichbares gilt für eine Aufsicht senkrecht zur Richtung 16 bei oszillierender Bewegung in Richtung 16.
Durch diese Vorgehensweise werden aufgrund der Erfindung verbesserte Materialeigenschaften erreicht.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Schweißen,
bei dem eine Energiequelle (13) zum Schweißen und/oder eine Materialzufuhr (10) oszillierend gegenüber der Oberfläche (5) eines Substrats (4) bewegt wird oder werden.
Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem eine Umschmelzschweißung stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem eine Auftragsschweißung stattfindet.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Energiequelle (13) oszillierend in vertikaler Richtung (16) zur Oberfläche (5) bewegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 4 ,
bei dem die Energiequelle (13) oszillierend in horizontaler Richtung (16) zur Oberfläche (5) bewegt wird.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüchen 1 oder
3,
bei dem die Energiequelle (13) und die Materialzufuhr (10) oszillierend horizontal zur Oberfläche (5) des Substrats (4) bewegt werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 3 oder 6 ,
bei dem eine oszillierende Bewegung in vertikaler Richtung von Energiequelle (13) und Materialzufuhr (10) erfolgt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
bei dem eine Laserstrahlung als Energiequelle (13) verwen- det wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 3, 6, 7 oder 8,
bei dem Pulver als Material (8) verwendet wird,
das durch die Materialzufuhr (10) zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen An- Sprüche,
bei dem nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen als Substrat (4) verwendet werden.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Patentansprüche 1, 3, 6, 7, 8, 9 oder 10,
bei dem eine Schweißdüse verwendet wird,
die die Materialzufuhr (10) ,
insbesondere Pulverzufuhr und
Erzeugung und Zufuhr der Energie (13),
insbesondere der Laserstrahlung,
aufweist .
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche ,
bei dem die oszillierende Bewegung bis zu 2mm beträgt, insbesondere eine Auslenkung zwischen 1mm und 2mm beträgt.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche ,
bei dem die geschweißte Fläche in zumindest einer Ausrichtung größer gleich 4mm beträgt .
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche ,
bei dem mehrere Schweißraupen nebeneinander erzeugt oder aufgetragen werden.
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