EP2943310A1 - Laser method with different laser beam areas within a beam and devices - Google Patents

Laser method with different laser beam areas within a beam and devices

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EP2943310A1
EP2943310A1 EP14705323.5A EP14705323A EP2943310A1 EP 2943310 A1 EP2943310 A1 EP 2943310A1 EP 14705323 A EP14705323 A EP 14705323A EP 2943310 A1 EP2943310 A1 EP 2943310A1
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area
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    • C22B9/221—Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation by electromagnetic waves, e.g. by gas discharge lamps

Definitions

  • the invention relates to a laser method in which a
  • the invention simplifies the operational and procedural preheating during welding and the generation of larger temperature gradients. Show it:
  • Laser beam regions 7, 4 has.
  • an inner laser beam region 7 having a higher intensity or power, preferably from 200W to 300W, and a crack in the substrate 20
  • the inner laser beam area 7 is, preferably
  • an outer laser beam region 4 which has a larger cross-section, in particular a larger diameter and has a lower intensity or a lower power, so that the outer
  • Laser beam area 4 the area in front of and behind the inner laser beam area 7 only preheated and reheated when the
  • Laser beam 1 is moved over the substrate 20.
  • Laser beam range 4 is at least 3.5mm, in particular at least 4mm, most preferably 4mm.
  • the inner region 7 is preferably arranged concentrically in the outer region 4.
  • Such a laser beam 1 can preferably be generated by a bifocal lens 10, in which a laser beam 13 with a single wavelength ⁇ through the bifocal lens 10 correspondingly in an inner 7 and outer 4
  • Material can be supplied by the laser beam 1, in particular by the inner laser beam area 7,
  • Laser beam 1 ⁇ consists according to Figure 2 in that an incoming laser beam 14 has two different wavelengths ⁇ , ⁇ 2 , which are different strongly refracted by a single lens 11 and so the different
  • the temperature gradient is increased perpendicular to the substrate 20 and such a laser beam 1, 1 ⁇ can preferably be used during the
  • monocrystalline remelting or build-up welding can be used.
  • An example of a substrate having a directionally solidified structure is PWA 1483SX, which gives a monocrystalline structure.
  • the ratio of the intensities or the powers of the laser beam regions 4, 7 to one another is at least 1.2, in particular at least 1.5.
  • the area of the inner laser beam area 7 is the area of the inner laser beam area 7 .
  • FIG. 3 shows an intensity distribution according to the invention.
  • the inner laser beam region 7 is arranged concentrically within the outer laser beam region 4.

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Abstract

The use of a laser beam (1) which has one external and one internal laser beam area (4, 7) with different intensities enables a higher temperature gradient to be produced in the z-direction.

Description

Laserverfahren mit unterschiedlichen Laserstrahlbereichen innerhalb eines Strahls und Vorrichtungen  Laser process with different laser beam areas within a beam and devices
Die Erfindung betrifft ein Laserverfahren, bei dem ein The invention relates to a laser method in which a
Laserstrahl verwendet wird, der zwei verschiedene Laser beam is used, the two different
Laserstrahlbereiche aufweist und Vorrichtungen dafür. Has laser beam areas and devices for it.
Laserschweißverfahren zum Umschmelzen von Rissen oder zum Auftragsschweißen auf ein Substrat sind Stand der Technik. Laser welding processes for remelting cracks or build-up welding on a substrate are state of the art.
Generell besteht das Problem beim Schweißen darin, dass Risse zwischen Umschmelzgut oder Auftragsschweißung entstehen können . In general, the problem with welding is that cracks can occur between remelted or build-up weld.
Bisher wird dies dadurch gelöst, dass das gesamte Bauteil vorgeheizt wird. So far, this is achieved by preheating the entire component.
Beim einkristallinen Umschweißen oder einkristallinen In monocrystalline welding or monocrystalline
Auftragsschweißen ist es die Aufgabe einen großen Build-up welding, it is the task of a large
Temperaturgradienten zu erzeugen. To generate temperature gradients.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und It is therefore an object of the invention a method and
Vorrichtungen aufzuzeigen, mit dem dies einfacher gestaltet werden kann. To show devices with which this can be made simpler.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. The object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 12 or 13. In the subclaims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.
Durch die Erfindung vereinfacht sich die operative und prozessuale Vorwärmung beim Schweißen und die Erzeugung größerer Temperaturgradienten. Es zeigen: The invention simplifies the operational and procedural preheating during welding and the generation of larger temperature gradients. Show it:
Figur 1, 2, 3 schematisch die Erfindung. Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Figure 1, 2, 3 schematically the invention. The figures and the description only represent
Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Embodiments of the invention.
In der Figur 1 ist ein Laserstrahl 1 gezeigt, der beim In the figure 1, a laser beam 1 is shown in the
Auftreffen auf ein Substrat 20 zwei verschiedene Impact on a substrate 20 two different
Laserstrahlbereiche 7, 4 aufweist. Laser beam regions 7, 4 has.
Im Inneren ist ein innerer Laserstrahlbereich 7 vorhanden, der eine höhere Intensität oder Leistung vorzugsweise von 200W bis 300W aufweist und einen Riss im Substrat 20  Inside, there is an inner laser beam region 7 having a higher intensity or power, preferably from 200W to 300W, and a crack in the substrate 20
umschmelzen kann oder Material für einen Auftragsprozess (nicht dargestellt) aufschmelzen kann. can remelt or melt material for a job process (not shown).
Der innere Laserstrahlbereich 7 ist, vorzugsweise The inner laser beam area 7 is, preferably
vollständig, umgeben von einem äußeren Laserstrahlbereich 4, der einen größeren Querschnitt, insbesondere einen größeren Durchmesser aufweist und eine geringere Intensität oder eine geringere Leistung aufweist, so dass der äußere complete, surrounded by an outer laser beam region 4, which has a larger cross-section, in particular a larger diameter and has a lower intensity or a lower power, so that the outer
Laserstrahlbereich 4 den Bereich vor und hinter dem inneren Laserstrahlbereich 7 nur vor- und nachwärmt, wenn der Laser beam area 4, the area in front of and behind the inner laser beam area 7 only preheated and reheated when the
Laserstrahl 1 über das Substrat 20 verfahren wird. Laser beam 1 is moved over the substrate 20.
Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des inneren Preferably, the diameter of the inner
Laserstrahlbereichs 7 3mm und der des äußeren Laser beam range 7 3mm and that of the outer
Laserstrahlbereichs 4 beträgt mindestens 3,5mm, insbesondere mindestens 4mm, ganz insbesondere 4mm.  Laser beam range 4 is at least 3.5mm, in particular at least 4mm, most preferably 4mm.
Der innere Bereich 7 ist vorzugsweise konzentrisch im äußeren Bereich 4 angeordnet. The inner region 7 is preferably arranged concentrically in the outer region 4.
Ein solcher Laserstrahl 1 kann vorzugsweise durch eine bifokale Linse 10 erzeugt werden, bei dem ein Laserstrahl 13 mit einer einzigen Wellenlänge λ durch die bifokale Linse 10 entsprechend in einem inneren 7 und äußeren 4 Such a laser beam 1 can preferably be generated by a bifocal lens 10, in which a laser beam 13 with a single wavelength λ through the bifocal lens 10 correspondingly in an inner 7 and outer 4
Laserstrahlbereich separiert wird. Mit dem Pfeil 16 ist angedeutet, dass an dieser Stelle Laser beam area is separated. With the arrow 16 is indicated that at this point
Material zugeführt werden kann, das durch den Laserstrahl 1, insbesondere durch den inneren Laserstrahlbereich 7, Material can be supplied by the laser beam 1, in particular by the inner laser beam area 7,
aufgeschmolzen wird und zur Auftragsschweißung führt. is melted and leads to hardfacing.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung eines solchen Another way to create one
Laserstrahls 1 λ besteht gemäß Figur 2 darin, dass ein ankommender Laserstrahl 14 zwei verschiedene Wellenlängen λι, λ2 aufweist, die durch eine einzige Linse 11 unterschiedliche stark gebrochen werden und so die unterschiedlichen Laser beam 1 λ consists according to Figure 2 in that an incoming laser beam 14 has two different wavelengths λι, λ 2 , which are different strongly refracted by a single lens 11 and so the different
Laserstrahlbereiche 7, 4 erzeugt. Laser beam areas 7, 4 generated.
Durch diese Intensitätsverteilung gemäß Figur 1, 2 wird der Temperaturgradient senkrecht zum Substrat 20 erhöht und ein solcher Laserstrahl 1, 1λ kann vorzugsweise beim As a result of this intensity distribution according to FIGS. 1, 2, the temperature gradient is increased perpendicular to the substrate 20 and such a laser beam 1, 1 λ can preferably be used during the
einkristallinen Umschmelzen oder Auftragsschweißen verwendet werden . monocrystalline remelting or build-up welding can be used.
Ein Beispiel für ein Substrat, das eine gerichtet erstarrte Struktur aufweisen, ist PWA 1483SX, das eine einkristalline Struktur ergibt. An example of a substrate having a directionally solidified structure is PWA 1483SX, which gives a monocrystalline structure.
Das Verhältnis der Intensitäten oder der Leistungen der Laserstrahlbereiche 4, 7 zueinander beträgt mindestens 1,2, insbesondere mindestens 1,5. The ratio of the intensities or the powers of the laser beam regions 4, 7 to one another is at least 1.2, in particular at least 1.5.
Die Fläche des inneren Laserstrahlbereichs 7 beträgt The area of the inner laser beam area 7 is
vorzugsweise maximal 80% des inneren 7 und äußeren preferably at most 80% of the inner 7 and outer
Laserstrahlbereich 4. Laser beam area 4.
Durch diesen Aufbau gemäß Figur 1 oder 2 ist eine sehr einfache Handhabung möglich und es entsteht auch keine By this structure according to Figure 1 or 2, a very simple handling is possible and there is no
Richtungsabhängigkeit durch die Verwendung einer Optik. In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Intensitätsverteilung gezeigt . Directional dependence through the use of optics. FIG. 3 shows an intensity distribution according to the invention.
Der innere Laserstrahlbereich 7 ist konzentrisch innerhalb des äußeren Laserstrahlbereichs 4 angeordnet.  The inner laser beam region 7 is arranged concentrically within the outer laser beam region 4.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren 1. Procedure
zur Laserbearbeitung eines Substrats (20),  for laser processing a substrate (20),
insbesondere Schweißen eines Substrat (20),  in particular welding a substrate (20),
bei dem ein Riss umgeschmolzen oder  in which a crack remelted or
Material aufgetragen wird,  Material is applied
dadurch kennzeichnet, dass  characterized in that
ein Laserstrahl (1, 1λ) verwendet wird, a laser beam (1, 1 λ ) is used,
der in sich zwei verschiedene Laserstrahlbereiche (4, 7) aufweist,  which has two different laser beam areas (4, 7) in it,
wobei sich die verschiedenen Laserstrahlbereiche (4, 7) zumindest in der Leistung der Laserstrahlbereiche (4, 7) und/oder der Wellenlängen der Laserstrahlbereiche (4, 7) unterscheiden .  wherein the different laser beam areas (4, 7) differ at least in the power of the laser beam areas (4, 7) and / or the wavelengths of the laser beam areas (4, 7).
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
bei dem der Laserstrahl (1, 1λ) einen inneren in which the laser beam (1, 1 λ ) an inner
Laserstrahlbereich (7) aufweist,  Laser beam region (7),
der umgeben ist von einem äußeren Laserstrahlbereich (4), insbesondere vollständig umgeben ist vom äußeren  which is surrounded by an outer laser beam region (4), in particular is completely surrounded by the outer
Laserstrahlbereich (4).  Laser beam area (4).
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der äußere Laserstrahlbereich (7) nicht zur 3. The method according to one or both of claims 1 or 2, wherein the outer laser beam region (7) not for
AufSchmelzung des Substrats (20) oder aus zugeführtem  On fusion of the substrate (20) or supplied from
Material führt.  Material leads.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, oder 3, Method according to one or more of claims 1 or 3,
bei dem ein metallisches Substrat (20) behandelt wird. in which a metallic substrate (20) is treated.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, 5. The method according to one or more of claims 1, 2, 3 or 4,
bei dem ein Riss umgeschmolzen wird.  in which a crack is remelted.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, oder 4, 6. The method according to one or more of claims 1, 2, or 4,
bei dem eine Auftragsschweißung stattfindet.  in which a hardfacing takes place.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, 7. The method according to one or more of claims 2 to 6,
bei dem der innere Laserstrahlbereich (4) innerhalb des äußeren Laserstrahlbereichs (4) konzentrisch angeordnet ist .  in which the inner laser beam region (4) is arranged concentrically within the outer laser beam region (4).
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, 8. The method according to one or more of claims 1 to 7,
bei dem eine Intensität oder eine Leistung des inneren where an intensity or a power of the inner
Laserstrahlbereichs (7) mindestens 20% größer ist, Laser beam area (7) is at least 20% larger,
insbesondere mindestens 50% größer ist,  especially at least 50% larger,
als eine Intensität oder eine Leistung des äußeren  as an intensity or a performance of the outside
Laserstrahlbereichs (4)  Laser beam area (4)
und zu einer stärkeren Erwärmung des Substrats (20)  and to a greater heating of the substrate (20)
oder zur AufSchmelzung von Material oder des Substrats (20) führt .  or to the fusion of material or substrate (20).
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, 9. The method according to one or more of claims 1 to 8,
bei dem der innere Laserstrahlbereich (7) eine Leistung von 200W bis 300W aufweist,  wherein the inner laser beam region (7) has a power of 200W to 300W,
insbesondere bei einem Durchmesser von 3mm. especially with a diameter of 3mm.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, 10. The method according to one or more of claims 1 to 9,
bei dem der Durchmesser des äußeren Laserstrahlbereichs (4) mindestens 3,5mm,  in which the diameter of the outer laser beam region (4) is at least 3.5 mm,
insbesondere mindestens 4mm,  in particular at least 4mm,
ganz insbesondere 4mm  especially 4mm
beträgt .  is.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, 11. The method according to one or more of claims 1 to 10,
bei dem der innere Laserstrahlbereich (7) auf dem Substrat (20) maximal 80% der Fläche des äußeren Laserstrahlbereichs (4) auf dem Substrat (20) beträgt.  in which the inner laser beam area (7) on the substrate (20) is at most 80% of the area of the outer laser beam area (4) on the substrate (20).
12. Vorrichtung (1) 12. Device (1)
zur Erzeugung eines Laserstrahls (1, 1λ) mit zwei for generating a laser beam (1, 1 λ ) with two
Laserstrahlbereichen (4, 7) zum Umschmelzen oder  Laser beam areas (4, 7) for remelting or
Auftragsschweißen,  Hardfacing,
insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,  in particular for carrying out a method according to one or more of claims 1 to 11,
die (1) eine bifokale Linse (10) aufweist,  which (1) has a bifocal lens (10),
die (10) einen Laserstrahl (13) mit einer Wellenlänge (λ) in zwei Laserstrahlbereiche (7, 4) separieren kann,  the (10) can separate a laser beam (13) having one wavelength (λ) into two laser beam areas (7, 4),
insbesondere in einem inneren Laserstrahlbereich (7) und einem äußeren Laserstrahlbereich (4). in particular in an inner laser beam region (7) and an outer laser beam region (4).
13. Vorrichtung (1) 13. Device (1)
zur Erzeugung eines Laserstrahls (1) mit zwei  for generating a laser beam (1) with two
Laserstrahlbereichen (4, 7) zum Umschmelzen oder  Laser beam areas (4, 7) for remelting or
Auftragsschweißen,  Hardfacing,
insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,  in particular for carrying out a method according to one or more of claims 1 to 11,
die (1) einen Laserstrahl (14) mit zwei Wellenlängen (λι, λ2) erzeugen kann, which (1) can generate a laser beam (14) with two wavelengths (λι, λ 2 ),
die (1) eine einzige Linse (11) aufweist,  which (1) has a single lens (11),
die den auf die Linse (11) auftreffenden Laserstrahl (14) mit zwei verschiedene Wellenlängen (λι, λ2) aufspalten kann in zwei Laserstrahlbereiche (7, 4), which can split the laser beam (14) impinging on the lens (11) with two different wavelengths (λι, λ 2 ) into two laser beam areas (7, 4),
insbesondere in einem inneren Laserstrahlbereich (7) und einem äußeren Laserstrahlbereich (4).  in particular in an inner laser beam region (7) and an outer laser beam region (4).
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