DE102016205930A1

DE102016205930A1 - Umschmelzen mit gleichzeitiger Erzeugung einer Druckringzone

Info

Publication number: DE102016205930A1
Application number: DE102016205930.0A
Authority: DE
Inventors: Bernd Burbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2017-10-12
Also published as: WO2017174293A1

Abstract

Durch die ringförmige Umschließung eines Energiestrahls, der zum Umschmelzen verwendet wird, werden Druckspannungen zwischen dem äußeren Ring (26) und der inneren Zone (20) erzeugt, die dazu führen, dass eine rissfreie Umschmelzung stattfindet.

Description

Die Erfindung betrifft das Umschmelzen von Rissen, insbesondere eines metallischen Substrats, wobei zur Erzeugung einer Druckspannung eine Druckringzone gleichzeitig mit erzeugt wird.
Die Erfindung betrifft die Erweiterung des Anwendungsbereiches des Auftragschweißens zur generativen Fertigung und Reparatur insbesondere von Heißgaskomponenten aus schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen. Beim sogenannten Laser Rastering Process wurden bisher vielversprechende Ergebnisse zum Laserstrahl-Auftragschweißen von schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen mit großem Anteil an intermetallischer Phase erzielt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die bestehende Anlagentechnik könnte für einen Laserstrahl-Umschmelzprozess zur Schließung von Rissen oder zur gezielten Einbringung einer richtungsabhängigen lokalen Kornstruktur zur lokalen Verbesserung der thermo-mechanischen Eigenschaften eingesetzt werden.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Es zeigen
1 eine Vorrichtung,
2 eine erfindungsgemäße Verfahrweise des Laserstrahls zur Druckerzeugung.
Mit vorhandener Scannertechnologie kann aufgrund der sehr schnellen Ablenkung von Laserstrahlung (3 m/s) ein Umschmelzprozess zur Rissschließung an Oberflächen von Turbinenschaufeln oder lokalen Verbesserung der thermo-mechanischen Eigenschaften erzielt werden. Dabei können durch die schnelle Ablenkung zwei verschiedene, insbesondere kreis- oder ringförmige Zonen mit unterschiedlicher Temperaturverteilung nahezu gleichzeitig erzeugt werden. Die Laserstrahlung wird in einer inneren Zone mit großer Laserleistung verfahren, so dass ein schmelzflüssiger Bereich erzielt wird.
Um diese innere Zone wird eine äußere Ringzone abgescannt. Diese äußere Ringzone wird auf eine definierte Temperatur vorgewärmt, so dass schmelzflüssige Phasen vermieden werden. Die beiden abgescannten Zonen sind dabei vorzugsweise viel größer als der Laserstrahldurchmesser auf der Werkstückoberfläche.
Die beiden Zonen (innere Zone und äußere Ringzone) werden dabei vorzugsweise konzentrisch zueinander über die Oberfläche des Bauteils verfahren. Durch die schmelzflüssige innere Zone werden Bereiche mit Rissen umgeschmolzen, so dass die oberflächennahen, nicht durchgehenden Risse verschlossen werden.
Alternativ kann ein solcher Prozess zur gezielten Einbringung einer richtungsabhängigen lokalen Kornstruktur eingesetzt werden. Dadurch werden lokal die thermo-mechanischen Eigenschaften in der Heißgaskomponente verbessert.
Durch den nicht schmelzflüssigen äußere Ring werden Eigenspannungen um das Schmelzbad im Inneren herum induziert, so dass mögliche Heißrisse im Übergangsbereich Schmelzbad und Grundwerkstoff vermieden („zugedrückt“) werden.
Vorteile sind die Ermöglichung zu Reparaturverfahren für Turbinenschaufeln aus schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen, so dass artgleiche, strukturelle Reparaturen möglich sind sowie eine lokale Verbesserung der thermo-mechanischen Eigenschaften.
In 1 ist eine Vorrichtung 1 mit einem Substrat 2 oder einem Bauteil 2 dargestellt, das Defekte 4 oder Risse 4 aufweist. Die Defekte 4 sollen umgeschmolzen werden.
Dies erfolgt mittels eines Energiestrahls 7, insbesondere eines Laserstrahls 7, der dann entsprechend durch einen Scanner-Verfahren 10 erzeugt wird.
Das Verfahren kann insbesondere bei Turbinenschaufeln, Turbinenbauteilen, insbesondere auch bei nickel- oder kobaltbasierten Superlegierungen, angewendet werden.
In 2 ist ein Querschnitt durch eine Laserstrahlverteilung dargestellt. Es ist eine innere Zone 20 vorhanden, die hinreichend stark bestrahlt wird, um eine schmelzflüssige Zone in dem Substrat 2 oder im Bauteil 2 zu erzeugen, um Defekte 4 umzuschmelzen. Der Laserstrahl 7 bzw. der Strahlfleck 5 gemäß 2 wird in einer Verfahrrichtung 23 verfahren und hat schon in einem bestimmten Bereich eine bereits umgeschmolzene Zone 32. Um die innere Zone 20 ist eine äußere Ringzone 26 vorhanden, die ebenfalls durch den Laserstrahl 7 erzeugt wird, die aber mit ihrer Laserleistung nicht hinreichend ist, um eine schmelzflüssige Zone zu erzielen.
Der Unterschied der Laserleistung beträgt vorzugsweise mindestens 20%, insbesondere mindestens 40%. Die äußere Ringzone 26 ist mit einem Abstand bzw. einer inneren Ringzone 29 zur inneren Zone 20 vorhanden. In dem Bereich zwischen äußerem Ring 26 und innerer Zone 20 findet keine Laserbeaufschlagung statt.

Claims

Verfahren zum Umschmelzen von Rissen (4) oder Defekten (4), insbesondere in metallischen Substraten (2), mittels eines Energiestrahls (7), insbesondere mittels eines Laserstrahls (7), wobei ein Strahlfleck (5) mit zwei verschiedenen und voneinander getrennten Zonen (20, 26) erzeugt wird, bei dem eine innere Zone (20) vorhanden ist, die aufgrund höherer Energieleistung zur flüssigen Phase im Substrat (2) und Umschmelzung von Defekten (4) führt, und eine von der inneren Zone (20) beabstandete äußere Ringzone (26) mit geringer Energieleistung, so dass zwischen der äußeren Ringzone (26) und der inneren Zone (20) eine innere Ringzone (29) mit Druckspannungen erzeugt wird, in dem keine Bestrahlung mit einem Energiestrahl (7) erfolgt, wobei in der äußeren Ringzone (26) keine flüssige Phase erzeugt wird.
Vorrichtung (1), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 1, die eine Auflage oder eine Halterung für ein Substrat (2) eines Bauteils (2) aufweist, die einen Energiestrahl (7), insbesondere einen Laserstrahl (7), erzeugen kann, der einen Strahlfleck (5) mit zwei verschiedenen und voneinander getrennte Zonen (20, 26) erzeugen kann, und entsprechende Mittel, insbesondere einen Scanner (10), aufweist, der (10) eine innere Zone (20) mit hoher Energieleistung zur Erzeugung einer flüssigen Phase im Substrat (2) oder im Bauteil (2) und einer davon beabstandeten äußeren Ringzone (26) mit geringerer Energieleistung erzeugen kann.
Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem oder bei der Turbinenteile bearbeitet werden.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem oder bei der nickel- oder kobaltbasierte Legierungen bearbeitet werden.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem die innere Zone (20) und/oder äußere Ringzone (26) kreis- oder ovalförmig ist.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem nur eine innere Zone (20) und nur eine äußere Ringzone (26) vorhanden sind.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem der Unterschied in der Laserleistung für die innere Zone (20) und der äußeren Ringzone (26) mindestens 20%, insbesondere mindestens 40%, beträgt.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem die beiden abgescannten Zonen (20, 26) größer sind als der Laserstrahldurchmesser auf der Oberfläche des Substrats (2), insbesondere mindestens 50% größer.