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WO2018197184A1 - Veränderung der leistung beim wobbeln - Google Patents

Veränderung der leistung beim wobbeln Download PDF

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WO2018197184A1
WO2018197184A1 PCT/EP2018/058884 EP2018058884W WO2018197184A1 WO 2018197184 A1 WO2018197184 A1 WO 2018197184A1 EP 2018058884 W EP2018058884 W EP 2018058884W WO 2018197184 A1 WO2018197184 A1 WO 2018197184A1
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WO
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energy beam
power
max
substrate
laser
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PCT/EP2018/058884
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English (en)
French (fr)
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Nikolai Arjakine
Georg Bostanjoglo
Bernd Burbaum
Andres Gasser
Torsten Jambor
Stefanie Linnenbrink
Frank MENTZEL
Norbert Pirch
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Siemens AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Siemens Corp
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Siemens AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/04—Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding

Definitions

  • the invention relates to an adaptation of the power during the wobble of an order strategy during welding.
  • Welding processes are carried out on metallic components in order to apply missing material or to achieve three-dimensional structures.
  • Laser welding processes in particular powder application processes, in particular laser powder deposition welding processes, are currently frequently used. In these methods, but also in other methods in which powder or the material is supplied in any other way, a Wobbeistrategie is applied, in which the energy beam and substrate oscillate relative to each other.
  • FIGS. 1, 2 show the schematic procedure of the method.
  • a laser beam build-up welding with powdered filler material using a pendulum motion in the form of a sinusoidal or zigzag oscillation is performed.
  • an adjustment of the laser processing Leis ⁇ P to the reciprocal points 16 16 ⁇ ⁇ , in particular with a reduction of the laser power P in particular 90% of P m ax is performed.
  • Nickel-base superalloys avoid epitaxial growth of columnar grains over several layers, so that the risk of formation of critical hot cracks is increased. is reduced during the solidification and / or the subsequent heat treatment.
  • FIG. 1 shows the relative method of operation 13 (FIG. 2) of the energy beam, in particular of a laser beam
  • FIGS. 1 and 2 show the relative method of operation 13 (FIG. 2) of the energy beam, in particular of a laser beam
  • FIG. 2 shows the arrangement of material flow and energy beam 7 (FIG. 2) with respect to a substrate 4.
  • the energy beam in particular the laser beam, is allowed to oscillate.
  • the course of the oscillation ie the deflection or deflection and the simultaneous change of the power P is plotted against the time t in milliseconds.
  • the oscillation 13 has, as is usual with a sine curve, at least one sweeping point 16 16 ⁇ ⁇ , ....
  • the sine curve is only one example of a wave-shaped movement, such as a zigzag movement, which has sweeping points 16 16 ⁇ ⁇ .
  • the energy beam is laser beam 7 such a sweeping point 16 16 ⁇ ⁇ (max / min point)
  • the laser power was in advance in particular continuously reduced and there ⁇ by up again, that is in the range of the sweeping point 16 16 ⁇ ⁇ is the laser power L shut down in advance to a lower laser power and then again in particular continuously ramped up to the original previous value P ma x for a time t max .
  • t m i n and t max give half the oscillation period of the sinusoid and it is preferably t max ⁇ 0.3 t m i n ⁇
  • P max is preferably greatest when the sinusoidal curve or oscillation passes through the zero line 17.

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Abstract

Beim Wobbeln wird die Laserleistung (P) kurzzeitig im Bereich des Kehrpunkts (16`, 16``,...) erniedrigt, so dass sich bessere Schweißergebnisse erzielen lassen.

Description

Veränderung der Leistung beim Wobbein
Die Erfindung betrifft eine Adaptierung der Leistung beim Wobbein einer Auftragsstrategie beim Schweißen.
Schweißverfahren werden bei metallischen Bauteilen durchgeführt, um fehlendes Material aufzutragen oder um dreidimensionale Strukturen zu erzielen. Dabei werden zurzeit oft Laserschweißverfahren, insbesondere Pulverauftragsverfahren, insbesondere Laser-Pulver-Auftragschweißverfahren, verwendet. Bei diesen Verfahren, aber auch bei anderen Verfahren, bei denen Pulver oder das Material in sonstiger Art und Weise zugeführt wird, wird eine Wobbeistrategie angewendet, bei der der Energiestrahl und Substrat relativ zueinander oszillieren .
Dies kann dadurch geschehen, dass der Laserstrahl und/oder Materialstrahl gegenüber dem Substrat oszillieren gelassen wird oder das Substrat durch eine Vibrationsanlage oszilliert oder beides davon. Weitere Möglichkeiten zur Erzeugung der Wobbeistrategie sind ebenfalls möglich.
Durch eine Wöbbel-Strategie beim Laserstrahl-Auftragschweißen können eine Keimbildung und ein Kornwachstum in der breiigen Zone gezielt erzeugt werden, so dass das Wachstum einer ko- lumnaren Erstarrungsfront unterdrückt bzw. vollständig ver¬ mieden wird. Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Verfahren weiterhin zu verbessern.
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. Erste experimentelle Ergebnisse mit oszillierender, insbeson¬ dere sinusförmiger oder zickzackförmiger Laserstrahlung zeigen vielversprechende Ergebnisse mit rissfreier Gefügestruk¬ tur von einer Nickelbasis-Superlegierung .
Dabei kann durch eine Anpassung der Laserleistung an den Umkehrpunkten, insbesondere Verkleinerung der Laserleistung auf
90 -6 θΠ Praax / eine homogene Einschmelztiefe über die Breite der auftraggeschweißten Spur in den Grundwerkstoff erzielt werden. Normalerweise wird bei Verwendung nicht oszillierender Laserstrahlung beim Laserstrahl-Auftragschweißen aufgrund des Wärmestaus eine maximale Aufmischung in der Mitte der Spur generiert. Dies kann bei schwer schweißbaren Nickel- basis-Superlegierungen zur kolumnaren Erstarrung von Körnern über mehrere Lagen hinweg führen und damit die Initiierung von kritischen Heißrissen fördern.
Dadurch soll die Heißrissneigung von schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen beim Laserstrahl-Auftragschwei- ßen vermieden werden.
Es zeigen die Figuren 1, 2 die schematische Vorgehensweise des Verfahrens. Insbesondere ein Laserstrahl-Auftragschweißen mit pulverför- migen Zusatzwerkstoff unter Verwendung einer Pendelbewegung in Form einer sinusförmigen oder zickzackförmigen Oszillation wird durchgeführt. Dabei wird eine Anpassung der Laserleis¬ tung P an den Kehrpunkten 16 16 λ λ, insbesondere mit einer Verkleinerung der Laserleistung P auf insbesondere 90% von Pmax durchgeführt.
Dadurch wird eine kleine (< 150μη) , homogene Einschmelztiefe über die Breite der auftraggeschweißten Spur in den Grund- werkstoff erzielt. Dadurch kann bei schwer schweißbaren
Nickelbasis-Superlegierungen ein epitaktisches Wachstum kolumnarer Körnern über mehrere Lagen hinweg vermieden werden, so dass die Gefahr der Bildung kritischer Heißrisse wäh- rend der Erstarrung und/oder der anschließenden Wärmebehandlung verkleinert wird.
Die Vorteile sind:
· Vermeidung der Heißrissbildung beim Auftragschweißen
schwer schweißbarer Nickelbasis-Superlegierungen mit großem Anteil an intermetallischer Phase.
• Verbesserte Materialeigenschaften des Bauteils im Vergleich zu konventionell geschweißten Bauteilen.
· Einsparung von Material, Verkleinerung der Ausschusszahlen bei Service-Bauteilen.
Die Figur 1 zeigt die relative Verfahrweise 13 (Fig. 2) des Energiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls, und die
Figur 2 die Anordnung von Materialstrom und Energiestrahl 7 (Fig. 2) gegenüber einem Substrat 4. Vorzugsweise wird nur der Energiestrahl, insbesondere der Laserstrahl, oszillieren gelassen .
In Figur 1 ist der Verlauf der Oszillation, also die Auslenkung oder Deflection und die gleichzeitige Veränderung der Leistung P gegenüber der Zeit t in Millisekunden aufgetragen. Die Oszillation 13 hat wie bei einer Sinuskurve üblich zumindest einen Kehrpunkt 16 16 λ λ, .... Die Sinuskurve ist nur ein Beispiel für eine wellenförmige Bewegung, wie z.B. eine Zick- Zack-Bewegung, die Kehrpunkte 16 16 λ λ aufweist. Erreicht der Energiestrahl Laserstrahl 7 einen solchen Kehrpunkt 16 16 λ λ (Max/Min-Punkt) , so wurde die Laserleistung bereits vorab insbesondere kontinuierlich reduziert und da¬ nach wieder hochgefahren, das heißt im Bereich des Kehrpunkts 16 16 λ λ wurde die Laserleistung L vorab heruntergefahren auf eine niedrigere Laserleistung und danach wieder insbesondere kontinuierlich hochgefahren auf den ursprünglichen vorherigen Wert Pmax für eine Zeit tmax . tmin und tmax ergeben die Hälfte der Schwingungsdauer der Sinuskurve und es gilt vorzugsweise tmax ^ 0,3 tmin ·
Nur während einer Zeitspanne tmax wird nahezu Pmax verwendet. Ansonsten ist während tmin die Leistung P reduziert.
Im besten Fall wird in der Hälfte zweier direkt aufeinander folgenden Kehrpunkten 16 16 λ λ, also im Nullpunkt 17 die maximale Leistung P = Pmax angewendet.
Pmax ist vorzugsweise am größten, wenn die Sinuskurve bzw. die Oszillierung die Nulllinie 17 durchschreitet.
Vorzugsweise oszilliert nur der Energiestrahl, insbesondere der Laserstrahl.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren beim Wobbein eines Materialauftragsverfahren, insbesondere eines Auftragsschweißens,
ganz insbesondere eines Pulverauftragschweißens,
bei dem ein Energiestrahl,
insbesondere ein Laserstrahl,
und/oder Materialstrom gegenüber einem Substrat (4) oszillierend (13) verfahren werden,
wobei die Oszillationsbewegung zumindest einen Kehrpunkt (16λ, 16λ λ) aufweist, und
wobei die Leistung (P) des Energiestrahls (7) sich zwischen den Kehrpunkten (16 16 λ λ) verändert,
insbesondere oszilliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die Leistung (P) des Energiestrahls (7) vor Errei- chen des Kehrpunkts (16 16 λ λ) erniedrigt wird,
insbesondere kontinuierlich erniedrigt wird und
nach Überschreiten des Kehrpunkts (16 16 λ λ) diese Leis¬ tung (P) des Energiestrahls (7) wieder,
insbesondere kontinuierlich,
erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem ein Laserauftragschweißen,
insbesondere ein Laserpulverauftragschweißen angewendet wird,
und der Materialstrom Pulver aufweist.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem es eine Maximalleistung Pmax gibt,
und die Leistung (P) immer wieder bis auf Pmax erhöht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
bei dem die Leistung (P) maximal um mindestens 10%, insbesondere maximal um 50% der Maximalleistung (Pmax ) er- niedrigt wird.
6. Verfahren nach einem Anspruch 5,
bei dem die Erniedrigung der Leistung (P) höchstens 30%, insbesondere höchstens 20% der maximalen Leistung (Pmax ) entspricht .
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Oszillation von Energiestrahl und/oder Materialstrom sowie Substrat (4) sinusförmig ist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Oszillation von Energiestrahl und/oder Materialstrom sowie Substrat (4) zickzackförmig ist.
9. Verfahren einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem tmin und tmax eine halbe Schwingungsdauer der Oszil¬ lation darstellen und es gilt tmax ^ 0,3 tmin ,
wobei während tmax die maximale Leistung verwendet wird.
10. Verfahren einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem nur der Energiestrahl gegenüber dem Substrat (4) oszilliert .
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9,
bei dem Energiestrahl und Materialstrom gegenüber dem Substrat (4) oszillieren.
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