DE102018204316A1 - Plant and method for laser deposition welding with remelting for grain enlargement - Google Patents

Plant and method for laser deposition welding with remelting for grain enlargement Download PDF

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Abstract

Durch die Verwendung einer lokalen Schutzgasatmosphäre für das Auftragschweißen und eine vollständige Schutzgasatmosphäre für ein Umschmelzen wird ein Auftragschweißen mit gröberen Körnern erzeugt.Through the use of a local inert gas atmosphere for build-up welding and a complete inert gas atmosphere for remelting a cladding with coarser grains is produced.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Auftragschweißen, bei dem im Zwischenschritt eine Umschmelzung zur Kornvergrößerung stattfindet.The invention relates to a system and a method for build-up welding, in which takes place in the intermediate step, a remelting for grain enlargement.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Laserstrahl-Auftragschweißen mit pulverförmigen Zusatzwerkstoff unter Verwendung einer Pendelbewegung (Wobbel-Strategie) bzw. Oszillation. Durch die Wobbel-Strategie beim Laserstrahl-Auftragschweißen wird eine Keimbildung und Kornwachstum in der „mushy zone“, der sogenannten „breiigen Zone“, gezielt immer wieder erzeugt, so dass das Wachstum einer kolumnaren Erstarrungsfront unterdrückt bzw. vollständig vermieden wird.The invention further relates to a laser beam cladding with powdery filler material using a pendulum motion (wobble strategy) or oscillation. The sweep strategy during laser cladding welds nucleation and grain growth in the "mushy zone", the so-called "pulpy zone", over and over again, so that the growth of a columnar solidification front is suppressed or completely avoided.

Erste experimentelle Ergebnisse zeigen vielversprechende Ergebnisse mit nahezu rissfreier Gefügestruktur an Nickelbasis-Superlegierungen mit großem Anteil an intermetallischer Phase. Aufgrund der Erstarrungsbedingungen ist jedoch die Kornstruktur im Schweißgut relativ klein verglichen mit gußtechnisch hergestellten Bauteilen aus Nickelbasis-Superlegierungen. Dadurch beiden die mechanischen Eigenschaften unter Hochtemperatur wie Kriechen, LCF mit Haltezeit.First experimental results show promising results with a nearly crack-free microstructure on nickel-base superalloys with a high proportion of intermetallic phase. Due to the solidification conditions, however, the grain structure in the weld metal is relatively small compared to cast components made of nickel-base superalloys. This gives both the mechanical properties under high temperature such as creep, LCF with hold time.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 2.The object is achieved by a system according to claim 1 and a method according to claim 2.

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

Zur Erfindung vorgeschlagen werden eine Anlage und eine Vorgehensweise zum Auftragschweißen, insbesondere mit oszillierender Laserstrahlung, sowie ein Umschmelzprozess mittels Laserstrahlung zur Kornvergrößerung in den geschweißten Bereichen:

  • • Anlage, um auf einem Bauteil in einer Schutzgasatmosphäre (insbesondere Argon, Helium) Material aufzutragen, insbesondere mittels Auftragschweißung;
  • • vorzugsweise Oszillation der Laserstrahlung (Wobbeln), insbesondere innerhalb der Düse und an der Schmelzbadoberfläche, um eine feinkörnige Mikrostruktur beim Laserstrahl-Auftragschweißen von Nickelbasis-Superlegierungen mit großem Anteil an intermetallischer Phase zu erzielen;
  • • optional Mittel zur Erwärmung zwecks Lösungsglühung des aufgetragenen Materials, insbesondere mittels Induktion oder defokussierter Laserstrahlung;
  • • weitere Mittel für das Umschmelzen der Auftragschweißung, insbesondere ein Laser.
The invention proposes a system and a procedure for build-up welding, in particular with oscillating laser radiation, and a remelting process by means of laser radiation for increasing the grain size in the welded areas:
  • Installation for applying material to a component in a protective gas atmosphere (in particular argon, helium), in particular by build-up welding;
  • Preferably oscillation of the laser radiation (wobble), especially within the nozzle and on the molten bath surface, to obtain a fine-grained microstructure in laser beam buildup welding of nickel-based superalloys with a high proportion of intermetallic phase;
  • Optionally heating means for solution annealing of the applied material, in particular by means of induction or defocused laser radiation;
  • • further means for remelting the surfacing, in particular a laser.

Das Verfahren läuft insbesondere wie folgt ab:

  1. 1. Vorbereitetes, insbesondere ausgemuldetes Bauteil, insbesondere eine Leitschaufel, wird in eine Box eingebracht;
  2. 2. Auftragschweißen mit Nickelbasis-Superlegierung, insbesondere mit artgleicher Nickelbasis-Legierung; dabei wird vorzugsweise eine oszillierende Laserstrahlung (Wobbeln) verwendet, um feinkörniges Gefüge zu erzielen;
  3. 3. Wärmebehandlung mittels Lösungsglühung zur Entfernung von kritischen Spannungen nach dem Auftragschweißen: Kritische Eigenspannungen müssen aus der geschweißten Zone entfernt werden (ein direktes Laserstrahl-Umschmelzen würde weitere Spannungen in das Schweißgut einbringen und eine Rissbildung initiieren). Zur Wärmebehandlung können beispielsweise Induktionsspulen eingesetzt werden, die Wärmebehandlung sollte in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden;
  4. 4. Laserstrahl-Umschmelzen der wärmebehandelten Zone zur Erzeugung einer gröberen Kornstruktur; die Umschmelztiefe sollte dabei der aufgebauten Höhe beim Laserstrahl-Auftragschweißen entsprechen.
The process proceeds in particular as follows:
  1. 1. Prepared, in particular tempered component, in particular a vane, is placed in a box;
  2. 2. build-up welding with nickel-based superalloy, in particular with similar nickel-based alloy; In this case, preferably an oscillating laser radiation (wobble) is used to achieve fine-grained structure;
  3. 3. Solution heat treatment to remove critical stresses after buildup welding: Critical residual stresses must be removed from the welded zone (direct laser melt remelting would introduce additional stresses into the weld metal and initiate cracking). For example, induction coils may be used for the heat treatment, the heat treatment should be carried out in a protective gas atmosphere;
  4. 4. laser beam remelting of the heat treated zone to produce a coarser grain structure; the remelting depth should correspond to the built-up height in laser beam buildup welding.

Die 1, 2 zeigen beispielhaft und schematisch eine Anlage und ein Verfahren zur Vorgehensweise.The 1 . 2 show by way of example and schematically a plant and a method for the procedure.

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

Die Anlage 1 (1, 2) weist eine Box 13 oder einen Boden 15 auf, in der 13 oder auf dem 15 ein Bauteil 4 angeordnet werden kann.The attachment 1 ( 1 . 2 ) has a box 13 or a floor 15 on, in the 13 or on the 15 a component 4 can be arranged.

Das Bauteil 4 soll repariert werden, indem fehlendes Material auftraggeschweißt wird. Dies können eine, zwei oder mehrere Schweißlagen sein, wobei eine Schweißlage mehrere Schweißbahnen in einer Ebene aufweist. Insbesondere ist dies ein Turbinenbauteil, eine Lauf- oder Leitschaufel einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine auf der Basis von Nickelbasis-Superlegierungen.The component 4 is to be repaired by welding on missing material. These may be one, two or more weld layers, wherein a weld layer has multiple weld lines in a plane. In particular, this is a turbine component, a rotor or vane of a turbine, in particular a gas turbine based on nickel-based superalloys.

Mittels einer Düse 7 (1) und eines Auftragsmaterials 10, hier insbesondere ein pulverförmiges Material, wird das Material oder Matrixmaterial des Bauteils 4 oder ein artgleiches Material des Bauteils 4 auf die zu reparierende Stelle mit Materialverlust aufgetragen. Dabei wird zumindest eine lokale Schutzgasatmosphäre verwendet. Es können in diesem Schritt mehrere Schweißlagen übereinandergelegt werden, um eine dickere Auftragsschweißung zu erzeugen.By means of a nozzle 7 ( 1 ) and a contract material 10 , here in particular a powdered material, becomes the material or matrix material of the component 4 or a similar material of the component 4 applied to the site to be repaired with material loss. In this case, at least one local inert gas atmosphere is used. Multiple weld layers may be overlaid in this step to create a thicker buildup weld.

Dabei wird eine lokale Schutzgasatmosphäre durch die Düse 7 erzeugt.In this case, a local protective gas atmosphere through the nozzle 7 generated.

Die Stelle, auf der aufgetragen wird, wurde vorher entsprechend vorbereitet, insbesondere ausgemuldet.The place on which was applied was previously prepared accordingly, in particular, tolerated.

Dabei kann auch erst dann eine Abdeckung 14, hier gepunktet angedeutet, um das Bauteil 4 auf einen Boden 15 montiert werden, um die Box 13 zu erzeugen.It also only then a cover 14 , indicated here dotted, around the component 4 on a floor 15 be mounted to the box 13 to create.

Im nächsten Schritt wird die Box 13 (2) mit einem Schutzglas 16 verschlossen und eine Schutzgasatmosphäre 22 wird innerhalb der Box 13 mittels eines ersten Mittels erzeugt oder die Box 13 wird entsprechend stark geflutet, also ohne Schutzglas 16, um eine vollständige Schutzgasatmosphäre 22 um das Bauteil 4 zu erzielen.The next step is the box 13 ( 2 ) with a protective glass 16 closed and a protective gas atmosphere 22 will be inside the box 13 generated by a first means or the box 13 is flooded accordingly strong, so without protective glass 16 to create a complete inert gas atmosphere 22 around the component 4 to achieve.

Insbesondere kann eine Induktionsspule 25 in der Box 13 als zweites Mittel verwendet werden, um das Bauteil 4, insbesondere in dem aufzuarbeitenden Bereich vorzuwärmen und/oder um eine Wärmebehandlung durchzuführen.In particular, an induction coil 25 in the box 13 used as a second means to the component 4 , in particular preheat in the field to be worked up and / or to perform a heat treatment.

Die Wärmebehandlung kann auch durch einen Laser und Laserbestrahlung des Bauteils 4 durchgeführt werden.The heat treatment can also be done by a laser and laser irradiation of the component 4 be performed.

Dann wird durch einen Laserstrahl 19 (2) von außerhalb der Box 13, insbesondere durch das Schutzglas 16 hindurch, die eine Auftragslage oder mehrere Auftragslagen so umgeschmolzen, dass gröbere Körner entstehen.Then by a laser beam 19 ( 2 ) from outside the box 13 , in particular through the protective glass 16 through which one order situation or several order situations are remelted in such a way that coarser grains are produced.

Ebenso kann auch ein zweiter Laser benutzt werden, um das Bauteil 4 in bestimmten Bereichen vorzuwärmen oder um eine Wärmebehandlung durchzuführen.Similarly, a second laser can be used to the component 4 to preheat in certain areas or to perform a heat treatment.

Bei der Wiederholung der Schritte Auftragschweißen und Umschmelzen kann die Abdeckung immer wieder demontiert und montiert werden oder kann ständig auf dem Boden 15 verbleiben.When repeating the cladding and remelting steps, the cover can be disassembled and assembled over and over again or may be constantly on the ground 15 remain.

Claims (5)

Anlage (1) zum Auftragschweißen, die zumindest aufweist: eine Box (13; 15, 14) oder einen Boden (15), in der oder auf dem ein Bauteil (4) angeordnet werden und mittels einer Schutzgasatmosphäre (22) vollkommen umhüllt werden kann, eine Öffnung (8) in der Box (13; 14), insbesondere durch die (8) eine Düse (7) zum Auftragschweißen eingeführt werden kann, um Material auf das Bauteil (4) aufzutragen, und/oder ein Laserstrahl (19) gesendet werden kann, ein erstes Mittel zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre (22) innerhalb der Box (13; 14, 15), insbesondere bei dem die Öffnung (8) der Box (13; 14, 15) durch ein Schutzglas (16) verschlossen werden kann, sowie ein Laser, der von außerhalb der Box (13; 14, 15), insbesondere durch das Schutzglas (16) das Bauteil (4) lokal aufschmelzen kann, optional ein zweites Mittel, insbesondere eine Induktionsspule (25), zur Vorwärmung bei der Wärmebehandlung. Attachment (1) for build-up welding, comprising at least: a box (13; 15, 14) or a floor (15), in or on which a component (4) can be arranged and completely enveloped by means of a protective gas atmosphere (22), an opening (8) in the box (13; 14), in particular by (8) a nozzle (7) for build-up welding can be introduced, to apply material to the component (4), and / or a laser beam (19) can be sent, a first means for generating a protective gas atmosphere (22) within the box (13; 14, 15), in particular in which the opening (8) of the box (13; 14, 15) can be closed by a protective glass (16), as well as a laser, from outside the box (13; 14, 15), in particular through the protective glass (16) the component (4) can melt locally, optionally a second means, in particular an induction coil (25), for preheating during the heat treatment. Verfahren zum Auftragschweißen, insbesondere mittels einer Anlage (1) gemäß Anspruch 1, bei dem zuerst Material (10) lokal auf ein Bauteil (4) aufgetragen wird, bei dem eine lokale Schutzgasatmosphäre bei der Auftragschweißung verwendet wird, insbesondere durch eine Düse (7), bei dem dann nachdem ein, zwei oder mehrere Schweißlagen erzeugt wurden, eine Schutzgasatmosphäre (22) innerhalb einer Box (13; 14, 15) erzeugt wird, in der sich das Bauteil (4) befindet, insbesondere die Box (13; 14, 15) durch ein Schutzglas (16) verschlossen wird, optional dass dann eine Wärmebehandlung, insbesondere Lösungsglühen, durchgeführt wird, dann mittels eines Laserstrahls (19) die zuvor aufgetragenen Schweißlagen umgeschmolzen werden, und optional Wiederholung der Schritte von Auftragschweißen mit zumindest lokaler Schutzgasatmosphäre, optionaler Wärmebehandlung und Umschmelzen in vollständiger Schutzgasatmosphäre.Method for build-up welding, in particular by means of a system (1) according to Claim 1 in which material (10) is first applied locally to a component (4) in which a local protective gas atmosphere is used during build-up welding, in particular by a nozzle (7) in which one, two or more welding layers have been produced, a protective gas atmosphere (22) within a box (13; 14, 15) is produced, in which the component (4) is located, in particular the box (13; 14, 15) is closed by a protective glass (16), optionally then a heat treatment, in particular solution annealing, is performed, then by means of a laser beam (19) the previously applied welding layers are remelted, and optionally repetition of the steps of build-up welding with at least local inert gas atmosphere, optional heat treatment and remelting in a complete inert gas atmosphere. Anlage oder Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, die oder bei dem eine oszillierende Laserstrahlung für das Auftragschweißen erzeugen kann bzw. verwendet wird.Attachment or procedure Claim 1 or 2 , which may or may produce oscillating laser radiation for buildup welding. Anlage oder Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem ein Turbinenbauteil (4) auftraggeschweißt werden kann bzw. wird.Plant or method according to one or more of Claims 1 . 2 or 3 in which a turbine component (4) can be welded on order. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem alle zuvor erzeugten Schweißlagen umgeschmolzen werden. Method according to Claim 2 . 3 or 4 , in which all previously generated welding layers are remelted.
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