DE102014210119A1

DE102014210119A1 - Optic for welding with oscillating solidification front and welding process

Info

Publication number: DE102014210119A1
Application number: DE102014210119.0A
Authority: DE
Inventors: Bernd Burbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2015-12-03

Abstract

Durch eine Optik (1), die zumindest ein kippbares und horizontal verschiebbares Linsenpaket (7, 10) aufweist, kann in einfacher Art und Weise eine oszillierende Erstarrungsfront beim Schweißen erzielt werden.By means of an optical system (1) which has at least one tiltable and horizontally displaceable lens package (7, 10), an oscillating solidification front during welding can be achieved in a simple manner.

Description

Die Erfindung betrifft eine Optik, die beim Schweißen verwendet wird, um eine oszillierende Erstarrungsfront zu erzeugen. The invention relates to optics used in welding to produce an oscillating solidification front.

Die Erfindungsmeldung betrifft das Schweißen, insbesondere Laserstrahl-Auftragschweißen mit pulverförmigem Zusatzwerkstoff unter Verwendung einer Pendelbewegung (Wobbel-Strategie). Durch eine Wobbel-Strategie beim Laserstrahl-Auftragsschweißen kann eine Keimbildung und Kornwachstum in der Mushy Zone (breiige Zone) gezielt erzeugt werden, so dass das Wachstum einer kolumnaren Erstarrungsfront unterdrückt bzw. vollständig vermieden. The invention relates to welding, in particular laser cladding with powdered filler material using a pendulum motion (wobble strategy). Through a sweep strategy in laser deposition welding, nucleation and grain growth in the Mushy Zone (pulpy zone) can be selectively generated so that the growth of a columnar solidification front is suppressed or completely avoided.

Bei der derzeitig eingesetzten kommerziell verfügbaren Anlagentechnik können nur begrenzte Strategien für die Pendelbewegung beim Auftragsschweißen eingesetzt werden. Aufgrund der benötigten großen Beschleunigungskräfte sind daher Pendelfrequenzen von bis zu 50Hz nicht zu erzielen. In the currently used commercially available systems engineering only limited strategies for the pendulum motion in the build-up welding can be used. Due to the large acceleration forces required, pendulum frequencies of up to 50Hz can not be achieved.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Optik und ein Verfahren aufzuzeigen, das die oben genannten Nachteile überwindet. It is therefore an object of the invention to provide an optical system and a method which overcomes the disadvantages mentioned above.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Optik gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6. The object is achieved by an optical system according to claim 1 and a method according to claim 6.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.

Es zeigen: Show it:

1 eine Optik, 1 an optic,

2–4 Ausführungsbeispiele für eine oszillierende Erstarrungsfront. 2 - 4 Exemplary embodiments of an oscillating solidification front.

Zur Erfindung vorgeschlagen wird die Auslegung einer Schweißoptik mit oszillierender Erstarrungsfront. The invention proposes the design of a welding optics with oscillating solidification front.

Dabei werden insbesondere zwei Linsenpakete (Kollimation /Fokussierung) aktiv ansteuerbar in die Optik eingebaut, die sowohl kippbar als auch horizontal verschiebbar sind. Dadurch kann die insbesondere verwendete Laserstrahlung aktiv durch den Pulverfokus der koaxialen Düsentechnologie gedreht werden. In particular, two lens packages (collimation / focusing) are actively controllably incorporated into the optics, which are both tiltable and horizontally displaceable. As a result, the laser radiation used in particular can be actively rotated by the powder focus of the coaxial nozzle technology.

Die erzielbare Pendelweite für das Laserstrahl-Auftragsschweißen mit oszillierender Erstarrungsfront beträgt dabei vorzugsweise etwa 1,5mm–2,0mm. The achievable pendulum distance for the laser beam buildup welding with oscillating solidification front is preferably about 1.5mm-2.0mm.

Durch diese Anlagentechnik lassen sich somit gezielt die für die Oszillation notwendigen Verfahrensparameter wie Pendelfrequenz der Laserstrahlung im Schmelzbad beeinflussen. By means of this system technology, the process parameters necessary for the oscillation, such as the oscillation frequency of the laser radiation in the molten bath, can thus be purposefully influenced.

Der Vorteil liegt in der Eingrenzung des Parameterfeldes und in verbesserten Materialeigenschaften des Bauteils im Vergleich zu konventionell geschweißten Bauteilen sowie Einsparung von Material und Verkleinerung der Ausschusszahlen. The advantage lies in the limitation of the parameter field and in improved material properties of the component in comparison to conventionally welded components as well as saving of material and reduction of scrap rates.

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. The figures and the description represent only embodiments of the invention.

1 zeigt eine Optik 1, die ein statisches Außengehäuse 4 sowie darin zumindest eins, insbesondere mehrere, ganz insbesondere zwei Linsen 7, 10 oder Linsenpakete 7, 10 aufweist. 1 shows an appearance 1 , which is a static outer casing 4 and at least one, in particular several, in particular two lenses 7 . 10 or lens packages 7 . 10 having.

Dies sind vorzugsweise eine Kollimationslinie 7 und eine Fokussierlinse 10. These are preferably a collimation line 7 and a focusing lens 10 ,

Am Ende der Optik 1 und am Ende des statischen Außengehäuses 4 ist eine Vorrichtung 16 vorhanden, aus der der Schweißstrahl 13 austritt. At the end of the optics 1 and at the end of the static outer casing 4 is a device 16 present, from which the welding beam 13 exit.

Dies kann ein Laserstrahl 13 oder ein Elektronenstrahl 13 sein. This can be a laser beam 13 or an electron beam 13 be.

Beim Laserstrahl können optische Linsen verwendet werden, wohingegen beim Elektronenstrahl entsprechende elektromagnetische Manipulatoren verwendet werden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. In the laser beam, optical lenses may be used, whereas the electron beam uses corresponding electromagnetic manipulators known in the art.

Die Erfindung ist also nicht beschränkt auf Laser- oder Elektronenstrahlen. The invention is therefore not limited to laser or electron beams.

Ebenso kann die Vorrichtung 16 als Düse 19 ausgebildet sein, an der Material in Form von Pulver oder eines Drahts zugeführt wird, der vom Laserstrahl 13 aufgeschmolzen wird und auf eine Oberfläche eines Substrats gelangt. Likewise, the device 16 as a nozzle 19 be formed, is supplied to the material in the form of powder or a wire, by the laser beam 13 is melted and reaches a surface of a substrate.

Die Düse 19 ist vorzugsweise fest am statischen Außengehäuse 4 angeordnet. The nozzle 19 is preferably fixed to the static outer housing 4 arranged.

Bei Pulvern erfolgt die Pulverführung vorzugsweise koaxial. For powders, the powder guide is preferably coaxial.

Mit der Optik 1 kann also sowohl ein Umschmelzen mit oszillierender Erstarrungsfront als auch ein Auftragsschweißen mit oszillierender Erstarrungsfront durchgeführt werden. With the optics 1 Thus, both remelting with an oscillating solidification front and build-up welding with an oscillating solidification front can be performed.

Das zumindest eine Linsenpaket 7, 10 weist nicht näher dargestellte Aktoren auf, die eine horizontale Bewegung 22‘, 22‘‘ vorzugsweise senkrecht zu einer Längsachse 30 des Schweißstrahls 13 und/oder eine Rotation, vorzugsweise um eine Achse senkrecht zur Zeichnungsebene, innerhalb des statischen Außengehäuses 4 ermöglichen. The at least one lens package 7 . 10 has not shown actuators, which is a horizontal movement 22 ' . 22 '' preferably perpendicular to a longitudinal axis 30 of the welding beam 13 and / or a rotation, preferably about an axis perpendicular to the plane of the drawing, within the static outer casing 4 enable.

Die Bewegungen der Linsenpakte 7, 10 sind individuell und voneinander separat ansteuerbar und ermöglichen auch eine Verkippung des Laserstrahls 13. The movements of the lens pacts 7 . 10 are individually and separately controlled and also allow tilting of the laser beam 13 ,

In den 2, 3 und 4 sind Beispiele für oszillierende Bewegungen 40, 43, 46 dargestellt, die mit dieser Optik 1 erzielt werden können, wenn eine Relativbewegung zwischen Optik 1 und einem nicht näher dargestellten Substrat stattfindet. In the 2 . 3 and 4 are examples of oscillating movements 40 . 43 . 46 shown with this look 1 can be achieved when a relative movement between optics 1 and a substrate, not shown takes place.

Claims

Optik (1) zum Schweißen, insbesondere zum Laserschweißen, ganz insbesondere zum Laserauftragsschweißen, wobei die Optik (1) ein statisches Außengehäuse (4) aufweist, in dem zumindest ein, insbesondere mehrere, ganz insbesondere zwei, Linsen (7, 10) oder Linsenpakete (7, 10) vorhanden sind, die in horizontaler Richtung (22‘, 22‘‘) und/oder durch eine Rotation (25‘, 25‘‘) bewegt werden können, um eine oszillierende Erstarrungsfront (40, 43, 46) in einem zu schweißenden Substrat zu erzeugen. Optics ( 1 ) for welding, in particular for laser welding, in particular for laser deposition welding, wherein the optics ( 1 ) a static outer casing ( 4 ), in which at least one, in particular several, especially two, lenses ( 7 . 10 ) or lens packages ( 7 . 10 ) are present in the horizontal direction ( 22 ' . 22 '' ) and / or by rotation ( 25 ' . 25 '' ) can be moved to an oscillating solidification front ( 40 . 43 . 46 ) in a substrate to be welded.

Optik nach Anspruch 1, bei dem der Schweißstrahl ein Laserstrahl ist. An optic according to claim 1, wherein the welding beam is a laser beam.

Optik nach einem oder beiden Ansprüche 1 oder 2, bei dem durch eine Düse (19) am Ende des statischen Außengehäuses (4) Material, insbesondere Pulver, anströmen kann, das durch den Schweißstrahl, insbesondere Laserstrahl (13), aufgeschmolzen wird. Optic according to one or both of claims 1 or 2, in which by a nozzle ( 19 ) at the end of the static outer casing ( 4 ) Material, in particular powder, which can flow through the welding beam, in particular laser beam ( 13 ), is melted.

Optik nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die Linsenpakete (7, 10) innerhalb des Außengehäuses (4) separat voneinander ansteuerbar sind. Optic according to one or more of the preceding claims, in which the lens packages ( 7 . 10 ) within the outer housing ( 4 ) can be controlled separately from each other.

Optik nach einem oder beiden der Ansprüche 3 oder 4, bei dem die Düse (19) fest am statischen Außengehäuse (4) angeordnet ist. Optic according to one or both of Claims 3 or 4, in which the nozzle ( 19 ) firmly on the static outer housing ( 4 ) is arranged.

Verfahren zum Schweißen, bei dem eine Optik nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5 verwendet wird. Method for welding, in which an optic according to one or more of the preceding claims 1, 2, 3, 4 or 5 is used.

Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein Laserpulverauftragsschweißen durchgeführt wird. The method of claim 6, wherein a laser powder build-up welding is performed.

Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die Linsenpakete (7, 10) oszillierende Bewegungen eines Strahls (13) erzeugen. Method according to one or both of claims 6 or 7, in which the lens packages ( 7 . 10 ) oscillating movements of a beam ( 13 ) produce.

Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6, 7 oder 8, bei dem die Linsenpakete (7, 10) separat voneinander angesteuert werden. Method according to one or more of claims 6, 7 or 8, in which the lens packages ( 7 . 10 ) are controlled separately from each other.