WO2015106833A1 - Pendelndes schweissverfahren - Google Patents

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Torsten JOKISCH
Michael Ott
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Definitions

  • the invention relates to a welding method in which the welding beam is moved in an oscillating manner.
  • Figure 1 shows an arrangement for welding
  • FIG. 1 shows a device 1 of a welding process, in particular a laser welding process, by means of which the invention is explained in a non-restrictive manner.
  • a weld bead 6 as part of the build-up weld has already been produced.
  • the welding bead represents the remelted area.
  • a powder nozzle as a material supply 14 leads Pul ⁇ ver 8, wherein the powder 8 is melted, here by a laser radiation 15.
  • the material 8 is supplied in the form of Pul ⁇ ver, but can also be supplied as a wire.
  • This laser radiation 15 is in particular pulsed.
  • the surface to be welded is constructed from a plurality of adjacent and possibly superimposed weld beads and preferably has a length greater than or equal to 4mm in at least one direction.
  • the example is triangular 44; 31, 34; 43, 49, 55 pendulum movement of the laser radiation 15 shown.
  • the pendulum motion is preferably only in one plane.
  • the triangular shape 44; 31, 34; 43, 49, 55 is preferably an acute-angled triangle and wherein preferably a height (in the travel direction 2) of the triangular shape 44 is at least twice as large as the bottom 24.
  • a swinging movement preferably proceeds as follows:
  • the laser radiation 15 moves counter to the travel direction 2 at an angle to the travel direction 2 up to a first deflection point 22, where the laser radiation 15 then perpendicular to the travel direction 2 in a direction 24 to a second Turning point 23 is moved.
  • the laser radiation 15 is further moved in total in the travel 2, it then moves obliquely to the traversing ⁇ direction 2 in direction of travel 2 in a first oblique direction 30 (Fig. 3) to a second starting point 31, the first in the direction of travel 2 after the Turning point 22 is located.
  • the second starting point 31 is shifted by a distance 4 on the height of the first order ⁇ directing point the 22nd
  • the laser radiation 15 then moves forward again up to a third deflection point 33.
  • the third deflection point 33 lies behind the first one in the direction of travel 2
  • a connecting line between the points 21, 33 is parallel to the travel direction 2. From there, the laser radiation 15 oscillates again at an angle to the travel direction. direction 2 against the direction of travel 2 up to a fourth deflection 34th
  • the fourth deflection point 34 lies in the direction perpendicular to the travel direction 2 at a height with the second starting point 31 and in the direction of travel 2 at a height with the second deflection point 23.
  • FIG. 4 The further triangular pendulum movement starting from FIG. 3 can then be seen in FIG. 4, in which the laser radiation 15 oscillates in a second oblique direction 40 to the travel direction 2 in the travel direction 2 to the seventh deflection point 55.
  • the seventh deflection point 55 lies at a height with the point 34. From there, the laser radiation 15 then moves in the direction of the third deflection point 33 to a fifth deflection point 43, which lies behind the deflection point 33 according to FIG.
  • the laser radiation 15 moves obliquely to the travel direction 2 in a third backward movement 46 up to a sixth deflection point 49. From the sixth deflection point 49, the laser radiation 15 oscillates perpendicular to the travel direction 2 to the seventh deflection point 55.

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Abstract

Durch die pendelnde Bewegung beim Schweißen in vertikaler und/ oder horizontaler Richtung werden kleinere Körner erzielt, die die Entstehung von Rissen beim Schweißen verhindern. Die Erfundung beträgt ein Verfahren zum Schweissen eines Substrats (3), bei dem eine Energiequelle (13) und/oder eine Materialzufuhr (14) pendelnd gegenüber der Oberfläche (5) des Substrats (3) bewegt wird oder werden.

Description

Pendelndes Schweißverfahren
Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren, bei dem der Schweißstrahl oszillierend bewegt wird.
Beim Laserauftragsschweißen von Nickelbasis-Superlegierungen mit hohem Anteil an metalltischer Phase γλ kann es zu Hei߬ rissbildung schon während Erstarrung der Schmelze kommen. Durch Verkleinerung des Strahldurchmessers des Lasers mit kreisförmiger Intensitätsverteilung werden kleinere Körner erzielt und Erstarrungsrisse können vermieden werden, jedoch wird dadurch die Aufbauraute des Materials kleiner. Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Schweißverfahren aufzuzeigen, mit dem kleine Körner und 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 kön¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen. Durch eine pendelnde Bewegung in horizontaler Richtung soll sich die Erstarrungsfront ständig verändern, so dass eine os¬ zillierende Erstarrungsform realisiert wird. Durch eine sich ständig verändernde Erstarrungsfunktion wird das Kornwachstum währen der Erstarrung der Schmelze unterbrochen und das Ge- füge erstarrt feinkörnig. Durch die Feinkörnigkeit des Gefü¬ ges werden die mithin verbleibenden Schweißeigenspannungen auf die Korngrenzen verteilt, so dass Risse in der Schwei߬ naht oder im Schweißgut vermieden werden. Das Schweißverfahren kann ein Umschmelzen oder ein Auftragsschweißen darstellen. Bei beiden Verfahren gibt es eine
Schmelze und Erstarrungsfront. Es zeigen:
Figur 1 eine Anordnung zum Schweißen
Figur 2 - 4 den Ablauf der Pendelbewegung.
Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laserschweißverfahrens, anhand dessen in nicht eingeschränkter Weise die Erfindung erläutert wird.
Das Verfahren ist also nicht beschränkt auf Laserschweißver- fahren, sondern gilt auch für Elektronenschweißverfahren und andere Plasmaschweißverfahren mit entsprechenden Energiequellen .
Auf ein Substrat 3, das bei Turbinenschaufeln eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung mit hohen Yx-Anteil und daher allgemein eine schwer schweißbare Legierung darstellt, wird Material 8 aufgetragen.
Eine Schweißraupe 6 als ein Teil der Auftragsschweißung ist schon erzeugt worden.
Im Falle eines Umschmelzverfahrens stellt die Schweißraupe den umgeschmolzenen Bereich dar.
Dort, wo ein Laser als beispielhafte Energiequelle 13 seine Laserstrahlen 15 (Fig.2) auf das Substrat 3 richtet, ist ein Schmelzbad 7 vorhanden.
Vorzugsweise eine Pulverdüse als Materialzufuhr 14 führt Pul¬ ver 8 zu, wobei das Pulver 8 aufgeschmolzen wird, hier durch eine Laserstrahlung 15. Das Material 8 wird in Form von Pul¬ ver zugeführt, kann aber auch als Draht zugeführt werden. Diese Laserstrahlung 15 ist insbesondere gepulst. Die zu schweißende Fläche wird aus mehreren nebeneinander und ggf. übereinanderliegenden Schweißraupen aufgebaut und weist vorzugsweise in zumindest einer Richtung eine Länge größer gleich 4mm auf.
In den Figuren 2, 3, 4 ist die beispielsweise dreieckförmige 44; 31, 34; 43, 49, 55 Pendelbewegung der Laserstrahlung 15 dargestellt . Die Pendelbewegung erfolgt vorzugsweise nur in einer Ebene.
Die Dreiecksform 44; 31, 34; 43, 49, 55 ist vorzugsweise ein spitzwinkliges Dreieck und wobei vorzugsweise eine Höhe (in Verfahrrichtung 2) der Dreiecksform 44 mindestens zweimal so groß ist wie der Boden 24.
Eine pendelnde Bewegung läuft vorzugsweise wie folgt ab:
Von einem ersten Startpunkt 21 (Fig. 2) aus bewegt sich die Laserstrahlung 15 entgegen der Verfahrrichtung 2 unter einem Winkel zur Verfahrrichtung 2 bis zu einem ersten Umlenkpunkt 22, wo die Laserstrahlung 15 dann senkrecht zur Verfahrrichtung 2 in einer Richtung 24 bis zu einem zweiten Umlenkpunkt 23 verfahren wird. Damit die Laserstrahlung 15 sich insgesamt in Verfahrrichtung 2 weiter fortbewegt, bewegt sie sich dann schräg zur Verfahr¬ richtung 2 in Verfahrrichtung 2 in einer ersten schrägen Richtung 30 (Fig. 3) zu einem zweiten Startpunkt 31, der in der Verfahrrichtung 2 hinter dem ersten Umlenkpunkt 22 liegt. Der zweite Startpunkt 31 liegt auf der Höhe des ersten Um¬ lenkpunkts 22 um einen Abstand 4 verschoben.
Von dort aus bewegt sich die Laserstrahlung 15 dann wieder vorwärts bis zu einem dritten Umlenkpunkt 33. Der dritte Um- lenkpunkt 33 liegt in Verfahrrichtung 2 hinter dem ersten
Startpunkt 21. Eine Verbindungslinie zwischen den Punkten 21, 33 ist parallel zur Verfahrrichtung 2. Von dort aus pendelt die Laserstrahlung 15 wieder unter einem Winkel zur Verfahr- richtung 2 entgegen der Verfahrrichtung 2 bis zu einem vierten Umlenkpunkt 34.
Der vierte Umlenkpunkt 34 liegt in senkrechter Richtung zur Verfahrrichtung 2 auf einer Höhe mit dem zweiten Startpunkt 31 und in Verfahrrichtung 2 auf einer Höhe mit dem zweiten Umlenkpunkt 23.
In einer zweiten senkrechten Verfahrrichtung 36 senkrecht zur Verfahrrichtung 2 bewegt sich die Laserstrahlung 15 zum zwei- ten Startpunkt 31 der dreieckförmigen Pendelbewegung zurück (Figur 3) .
In Figur 4 ist dann die weitere dreiecksförmige Pendelbewe- gung ausgehend von Figur 3 zu erkennen, bei dem die Laserstrahlung 15 in einer zweiten schrägen Richtung 40 zur Verfahrrichtung 2 in Verfahrrichtung 2 zum siebten Umlenkpunkt 55 pendelt. Der siebte Umlenkpunkt 55 liegt auf einer Höhe mit dem Punkt 34. Von dort aus bewegt sich die Laserstrahlung 15 dann in Richtung des dritten Umlenkpunkts 33 zu einem fünften Umlenkpunkt 43, der hinter dem Umlenkpunkt 33 gemäß Figur 3 liegt.
Vom fünften Umlenkpunkt 43 aus bewegt sich die Laserstrahlung 15 schräg zur Verfahrrichtung 2 entgegen der Verfahrrichtung 2 in einer dritten Rückwärtsbewegung 46 bis zu einem sechsten Umlenkpunkt 49. Vom sechsten Umlenkpunkt 49 aus pendelt die Laserstrahlung 15 senkrecht zur Verfahrrichtung 2 zum siebten Umlenkpunkt 55.
Quasi wird für den Verlauf der Laserstrahlung 15 immer eine Dreiecksform in Verfahrrichtung 2 verschoben, so dass eine Überlappung der Dreiecksformen erfolgt. Dies stellt nur eine Vorgehensweise beim vorzugsweise drei¬ eckförmigen Pendeln dar. Durch diese Vorgehensweise werden aufgrund der Erfindung ver¬ besserte Materialeigenschaften erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schweißen eines Substrats (3),
bei dem eine Energiequelle (13) und/oder
eine Materialzufuhr (14)
pendelnd gegenüber der Oberfläche (5) des Substrats (3) be¬ wegt wird oder werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem eine Umschmelzschweißung stattfindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem eine Auftragsschweißung stattfindet.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Energiequelle (13) pendelnd zumindest einmal zumindest teilweise in einer Dreiecksform (22) zur Oberflä¬ che (5) bewegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem die Energiequelle (13) pendelnd zumindest einmal in einer Dreiecksform (22) zur Oberfläche (5) bewegt wird.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüchen 1 oder
3,
bei dem die Energiequelle (13) und die Materialzufuhr (14) zumindest einmal pendelnd zumindest teilweise in einer Dreiecksform (22) zur Oberfläche (5) bewegt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 3 oder 6,
bei dem die Energiequelle (13) und die Materialzufuhr (14) zumindest einmal pendelnd in einer Dreiecksform (22) zur Oberfläche (5) bewegt wird
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 An- sprüche 1, 3 bis 8,
bei dem Pulver (8) über die Materialzufuhr (14) zugeführt wird .
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen als Substrat (3) verwendet werden.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche,
bei dem eine Schweißdüse (10) verwendet wird,
die die Materialzufuhr (14),
insbesondere Pulverzufuhr (14) und
eine Erzeugung und Zufuhr der Energie (13),
insbesondere der Laserstrahlung (13),
aufweist .
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche,
bei dem die pendelnde Auslenkung bis zu 2mm,
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 Ausrich¬ tung > 4mm beträgt.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche,
bei dem die Energiequelle (13) und /oder Materialzufuhr (14) mehrmals quer,
insbesondere senkrecht zur Verfahrrichtung (2) bewegt wird
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche,
bei dem die Pendelbewegung nur zweidimensional erfolgt.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche,
bei dem die Dreiecksform in eine Verfahrrichtung (2) verschoben wird.
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