DE102014202835A1

DE102014202835A1 - Verfahren zum Laserschweißen von Kavitäten aufweisenden Bauteilen

Info

Publication number: DE102014202835A1
Application number: DE102014202835.3A
Authority: DE
Inventors: Bernd Burbaum; Andreas Kreutzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2015-08-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von Kavitäten aufweisenden Bauteilen (3, 4) aus metallischen, insbesondere aus austenitischen Werkstoffen, bei dem die zu schweißenden Bauteile (3, 4) in einem Vorwärmprozess vorgewärmt und anschließend durch einen Tiefschweißprozess mittels Laserstrahlung miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zu schweißenden Bauteile (3, 4) in dem Vorwärmprozess im Bereich der herzustellenden Schweißnähte (9, 10) durch Laserstrahlung vorgewärmt werden und/oder dass die tiefgeschweißten Schweißnähte (9, 10) in einem Wärmeleitungsschweißprozess durch Laserstrahlung nachbehandelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen von Kavitäten aufweisenden Bauteilen aus metallischen, insbesondere aus austenitischen Werkstoffen, bei dem die zu schweißenden Bauteile in einem Vorwärmprozess vorgewärmt und anschließend durch einen Tiefschweißprozess mittels Laserstrahlung miteinander verbunden werden. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Laserstrahleinrichtung, die eine Laserstrahlquelle und eine im Strahlengang der Laserstrahlquelle positionierte Zoom-Optik aufweist, einer Antriebseinrichtung, die mit der Laserstrahleinrichtung gekoppelt ist, um diese zu verfahren, und einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Laserstrahleinrichtung und der Antriebseinrichtung aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung automatisch die Laserstrahleinrichtung durch Betätigung der Antriebseinrichtung verfährt und die Zoom-Optik einstellt, um zwei Bauteile durch einen Tiefschweißprozess miteinander zu verbinden.
Das Laserstrahlschweißen oder Laserschweißen wird in erster Linie zum Verschweißen von metallischen Bauteilen eingesetzt, die mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und mit geringem thermischem Verzug gefügt werden müssen. Daher kommt das Laserstrahlschweißen bevorzugt zum Einsatz, um die Bauteile von Gasturbinen miteinander zu verbinden. Speziell werden durch Laserstrahlschweißen Brennerkomponenten gefügt, die aus austenitischem Werkstoff bestehen und mit Kavitäten versehen sind, durch die im Betrieb flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff geführt wird. Beispielsweise werden Drallkörper (swirler hub) von Brennern aus einem Nabenkörper und einem aufgesetzten Deckel durch einen Laserschweißprozess hergestellt. Da durch die Kavitäten einer solchen Nabe im Betrieb flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff geführt wird, dürfen durch den Laserschweißprozess keine kerbebehafteten Wurzeldurchhänge nach dem Schweißprozess verbleiben, weil an solchen Wurzeldurchhängen durch den Brennstoff Korrosionsvorgänge ausgelöst werden können, die zum Versagen der Brennerkomponente führen können. Untersuchungen zum Laserstrahlschweißen an Brennerkomponenten haben gezeigt, dass unter Einsatz eines geschmolzenen Kalzium-Silikat-Schweißpulvers für die Wurzelformierung eine geeigneten Nahtqualität speziell im Wurzelbereich erzielt werden kann. Problematisch ist allerdings, dass sich beim Ausschalten der Laserstrahlung noch kritische Wurzeldurchhänge bilden können.
Untersuchungen zeigen, dass eine Verbesserung der Nahtoberfläche durch eine Vorwärmung der zu verschweißenden Komponenten verbessert werden kann. Erste Schweißversuche wurden an im Ofen vorgewärmten Bauteilen durchgeführt. Nachteilig hieran ist, dass eine solche Ofenvorwärmung und anschließende Schweißung für eine industrielle Anwendung schwierig umzusetzen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserschweißen von Kavitäten aufweisenden Bauteilen der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass die Entstehung von Wurzeldurchhängen auch nach dem Ausschalten der Laserstrahlung vermieden wird.
Ferner soll das Verfahren zur Automatisierung geeignet sein, um kurze Prozesszeiten zu erreichen.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die zu schweißenden Bauteile in dem Vorwärmprozess im Bereich der herzustellenden Schweißnähte durch Laserstrahlung vorgewärmt werden und/oder dass die tiefgeschweißten Schweißnähte in einem Wärmeleitungsschweißprozess durch Laserstrahlung nachbehandelt werden. Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ist die Aufgabe ferner dadurch gelöst, dass die Steuerungseinrichtung automatisch die Zoom-Optik einstellt und die Laserstrahleinrichtung durch Betätigung der Antriebseinrichtung verfährt, um die zu schweißenden Bauteile vor der Durchführung des Tiefschweißprozesses einem Vorwärmprozess zu unterwerfen, in welchem die zu schweißenden Bauteile im Bereich der herzustellenden Schweißnähte vorgewärmt werden und/oder um die während des Tiefschweißprozesses hergestellten Schweißnähte in einem Wärmeleitungsschweißprozess durch Laserstrahlung nachzubehandeln.
Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, nicht nur den eigentlichen Fügeprozess, d.h. den Tiefschweißprozess, mittels Laserstrahlung durchzuführen, sondern auch den Vorwärmprozess und/oder die Nachbehandlung durch einen Wärmeleitungsschweißprozess. Hierdurch wird es möglich, alle zum Schweißen erforderlichen Prozessschritte mittels einer einzigen Laserschweißeinrichtung auszuführen, wodurch einerseits der apparatetechnische Aufwand gering gehalten wird und andererseits kurze Prozesszeiten erreicht werden können.
Gerätetechnisch wird hierzu eine Laserstrahleinrichtung eingesetzt, die eine Laserstrahlquelle und eine im Strahlengang der Laserstrahlquelle positionierte Zoom-Optik aufweist. Diese wird durch die Steuerungseinrichtung der Laserschweißvorrichtung für den durchzuführenden Schweißprozessschritt (Vorwärmen, Tiefschweißen, Wärmeleitungsschweißen) jeweils in geeigneter Weise eingestellt. Für den Tiefschweißprozess empfiehlt sich die Bearbeitung mit einem Laserstrahl, der eine sogenannte Top Hat-Intensitätsverteilung aufweist. Entsprechend stellt die Steuerungseinrichtung die Laserstrahleinrichtung und insbesondere die Zoom-Optik automatisch ein, um den Tiefschweißprozess mit der Top Hat-Intensitätsverteilung durchzuführen. Für den Vorwärmprozess und den Wärmeleitungsschweißprozess sind geringere Laserintensitäten, dafür jedoch größere Einstrahlungsflächen (Brennpunkte) an den zu bearbeitenden Bauteilen gewünscht. Entsprechend wird die Zoom-Optik für diese Prozesse jeweils so eingestellt, dass sie für den durchzuführenden Prozess den Laserstrahl geeignet fokussieren und auf diese Weise die Größe des Brennpunktes und damit auch die Intensität der durch den Laserstrahl eingebrachten Energie eingestellt wird.
Es hat sich gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Schweißnähte keiner oder nur noch einer geringfügigen Nachbearbeitung bedürfen und eine hohe Schweißnahtqualität ohne Zusatzwerkstoffe erreicht werden kann.
Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt
1 schematisch eine Laserschweißvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, eingesetzt zum Schweißen der Nabe eines Drallkörpers (swirler hub),
2 die Fokussierung des Laserstrahls beim Tiefschweißprozess und
3 die Fokussierung des Laserstrahls beim Vorwärmen und beim Wärmeleitungsschweißen.
Die 1 zeigt eine Laserschweißvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eingesetzt wird, um Bauteile aus metallischen und insbesondere austenitischen Werkstoffen zu verschweißen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Laserschweißvorrichtung 1 konkret eingesetzt, um die Nabe 2 eines Drallkörpers (swirler hub) aus einem Nabenkörper 3 und einem aufgesetzten Deckel 4 herzustellen. Derartige Naben 2 für Drallkörper sind typische Bauteile von Brennerkomponenten, die ihren Einsatz in der Gasturbinentechnologie finden. Sie weisen in ihrem Inneren Kavitäten in Form von ringförmig um eine Nabenachse N verlaufenden Kanälen 5, 6 auf, von denen ausgehend sich durch die Außenwandung der Nabe 2 Bohrungen (7, 8) nach außen erstrecken, durch welche im Betrieb Drallschaufeln mit Brennstoff versorgt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Kavität 5 in der vorderen Stirnfläche des Nabenkörpers 3 ausgebildet, die unter Bildung eines Ringkanals durch den Deckel 4 verschlossen wird, der auf die vordere Stirnfläche des Nabenkörpers 3 aufgesetzt ist und mit diesem verschweißt wird.
Erfindungsgemäß werden die beiden Bauteile 3, 4 in einem dreistufigen Prozess mittels der Laserschweißeinrichtung 1 miteinander verbunden, bei dem sie zunächst in einem Vorwärmprozess im Bereich der herzustellenden Schweißnähte 9, 10 durch Laserstrahlung vorgewärmt werden, anschließend durch einen Tiefschweißprozess mittels Laserstrahlung miteinander verbunden werden und abschließend die tiefgeschweißten Schweißnähte in einem Wärmeleitungsschweißprozess durch Laserstrahlung nachbehandelt werden.
Zur Durchführung dieses dreistufigen Fügeprozesses wird eine Laserschweißvorrichtung 1 mit an sich bekannter Ausgestaltung verwendet. Die Laserschweißvorrichtung 1 umfasst eine Laserstrahleinrichtung 11, die eine Laserstrahlquelle 12, von der in der Zeichnung nur die Faser gezeigt ist, und eine im Strahlengang Z der Laserstrahlquelle 12 positionierte Zoom-Optik 13 aufweist. Ferner umfasst die Laserschweißvorrichtung eine nicht dargestellte Antriebseinrichtung, die mit der Laserstrahleinrichtung gekoppelt ist, um diese zu verfahren und auf diese Weise an der gewünschten Position gegenüber der herzustellenden Schweißnaht zu positionieren und entlang dieser zu verfahren. Schließlich ist eine Steuerungseinrichtung 14 zur Steuerung der Laserstrahleinrichtung 11 und der Antriebseinrichtung vorgesehen. Die Steuerungseinrichtung 14 ist ausgebildet, die Laserstrahleinrichtung 11 durch Betätigung der Antriebseinrichtung automatisch zu verfahren und die Zoom-Optik einzustellen.
Die Zoom-Optik 13 umfasst in an sich bekannter Weise mehrere Linsen, nämlich eine Kollimationslinse 15, eine Linse 16 zur Aufweitung des Laserstrahls und eine Fokussierlinse 17, die in dieser Reihenfolge in dem Strahlengang Z ausgehend von der Laserstrahlquelle 12 in Richtung der zu bearbeitenden Werkstücke hintereinander angeordnet sind. Dabei ist eine Linse – hier die Linse 16 zur Aufweitung des Laserstrahls – in der Richtung des Strahlengangs Z verstellbar, um eine Verstellung des Brennpunktes eines erzeugten Laserstrahls zu ermöglichen.
In dem Tiefschweißprozess ist die Einbringung einer hohen Energiedichte bis in eine Tiefe von mehreren Millimetern in die zu fügenden Bauteile erforderlich. Entsprechend wird die Linse 16 zur Aufweitung des Laserstrahls für den Tiefschweißprozess automatisch so eingestellt, dass ein kleiner Brennpunkt entsteht und die Intensitätsverteilung des Laserstrahls eine Top Hat-Qualität besitzt, wie dies in der 2 angedeutet ist.
Zur Ausführung des Vorwärmprozesses, der vor dem Schweißprozess stattfindet, und des Wärmeleitungsschweißprozesses, in welchem die tiefgeschweißten Nähte nachbehandelt werden, ist der Eintrag von Laserstrahlung gegenüber dem Tiefschweißvorgang auf einer größeren Fläche und mit einer geringeren Intensität gewünscht. Entsprechend wird hier die verstellbare Linse 16 so positioniert, dass der Brennpunkt an der Werkstückoberfläche entsprechend groß ist. Mit anderen Worten wird die verstellbare Linse 16 so positioniert, dass eine stärkere Aufweitung des Laserstrahls im Vergleich zu dem Tiefschweißprozess stattfindet.
Zur Herstellung einer Schweißverbindung wird die Laserschweißeinrichtung 11 gegenüber den zu fügenden Bauteilen 3, 4 positioniert und eingestellt, um den Vorwärmprozess auszuführen. Entsprechend wird die Linse 16 zur Aufweitung des Laserstrahls in Z-Richtung so verstellt, dass der in 3 dargestellte und zuvor erläuterte Brennpunkt entsteht. Anschließend wird die Laserstrahleinrichtung 11 automatisch mittels der Antriebseinrichtung entlang der herzustellenden Schweißnaht 9 verfahren, um den Nabenkörper 3 und den Deckel 4 im Bereich der herzustellenden Schweißnaht 9 vorzuwärmen.
Nach Durchführung des Vorwärmprozesses wird die Linse 16 zur Aufweitung des Laserstrahls verstellt, um im Bereich der herzustellenden Schweißnähte eine Top Hat-Intensitätsverteilung mit einem gegenüber dem Vorwärmprozess kleinen Brennpunkt, jedoch einer hohen Intensität, die über die Brennfläche im Wesentlichen gleichbleibend ist, zu erhalten. Anschließend wird die Laserstrahleinrichtung wieder entlang der herzustellenden Schweißnaht 9 verfahren, um den Nabenkörper 3 und den Deckel 4 in einem Tiefschweißprozess miteinander zu verbinden.
Nach Beendigung des Tiefschweißprozesses wird die Linse 16 zur Aufweitung des Laserstrahls wiederum verstellt, um den Laserstrahl aufzuweiten und damit den Brennpunkt zur Durchführung eines Wärmeleitungsschweißprozesses zu vergrößern. Schließlich wird die Schweißeinrichtung 11 wiederum entlang der Schweißnaht 9 verfahren, um die tiefgeschweißte Naht einem Wärmeleitungsschweißprozess zu unterziehen.
Die vorgenannten Vorgänge laufen automatisch ab, da die Kontur der herzustellenden Schweißnaht 9 und die Position der verstellbaren Linse 16 zur Aufweitung des Laserstrahls für die jeweiligen Prozessschritte in der Steuerungseinrichtung abgelegt sind. Somit kann die Verbindung der zu fügenden Bauteile vollautomatisch und in kurzer Zeit mittels einer Schweißvorrichtung erfolgen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Laserschweißen von Kavitäten aufweisenden Bauteilen (3, 4) aus metallischen, insbesondere aus austenitischen Werkstoffen, bei dem die zu schweißenden Bauteile (3, 4) in einem Vorwärmprozess vorgewärmt und anschließend durch einen Tiefschweißprozess mittels Laserstrahlung miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zu schweißenden Bauteile (3, 4) in dem Vorwärmprozess im Bereich der herzustellenden Schweißnähte (9, 10) durch Laserstrahlung vorgewärmt werden und/oder dass die tiefgeschweißten Schweißnähte (9, 10) in einem Wärmeleitungsschweißprozess durch Laserstrahlung nachbehandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefschweißprozess mit einem Laserstrahl durchgeführt wird, der eine Top Hat-Intensitätsverteilung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmprozess und/oder der Wärmeleitungsschweißprozess mittels der gleichen Laserschweißeinrichtung (11) ausgeführt wird, die auch für den Tiefschweißprozess eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserschweißeinrichtung (11) mit einer Laserstrahlquelle (12) und einer Zoom-Optik (13), die wenigstens eine entlang des Strahlengangs (Z) der Laserstrahlquelle verstellbare Linse (16) aufweist, verwendet wird, und dass die Zoom-Optik (13) eingestellt wird, um den erzeugten Laserstrahl für den jeweils durchzuführenden Prozess geeignet zu fokussieren und auf diese Weise die Größe des Brennpunkts (B) festzulegen.
Laserschweißvorrichtung zum Laserschweißen von Kavitäten aufweisenden Bauteilen aus metallischen, insbesondere austenitischen Werkstoffen, mit einer Laserstrahleinrichtung (11), die eine Laserstrahlquelle (12) und eine im Strahlengang der Laserstrahlquelle (12) positionierte Zoom-Optik (13) aufweist, einer Antriebseinrichtung, die mit der Laserstrahleinrichtung (11) gekoppelt ist, um diese zu verfahren, und einer Steuerungseinrichtung (14) zur Steuerung der Laserstrahleinrichtung (11) und der Antriebseinrichtung aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung (14) automatisch die Laserstrahleinrichtung (11) durch Betätigung der Antriebseinrichtung verfährt und die Zoom-Optik (13) einstellt, um zwei Bauteile (3, 4) durch einen Tiefschweißprozess miteinander zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (14) automatisch die Zoom-Optik (13) einstellt und die Laserstrahleinrichtung (11) durch Betätigung der Antriebseinrichtung verfährt, um die zu schweißenden Bauteile (3, 4) vor der Durchführung des Tiefschweißprozesses einem Vorwärmprozess zu unterwerfen, in welchem die zu schweißenden Bauteile (3, 4) im Bereich der herzustellenden Schweißnähte (9, 10) vorgewärmt werden und/oder um die während des Tiefschweißprozesses hergestellten Schweißnähte (9, 10) in einem Wärmeleitungsschweißprozess durch Laserstrahlung nachzubehandeln.
Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahleinrichtung (11) ausgebildet ist, einen Laserstrahl mit einer Top Hat-Intensitätsverteilung zu erzeugen und dass die Steuerungseinrichtung (14) die Laserstrahleinrichtung (11) und insbesondere die Zoom-Optik (13) einstellt, um den Tiefschweißprozess mit der Top Hat-Intensitätsverteilung durchzuführen.