WO2015185310A1 - Anordnung und verfahren zum laserstrahl-auftragsschweissen - Google Patents

Anordnung und verfahren zum laserstrahl-auftragsschweissen Download PDF

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    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement and a method for laser beam deposition welding.
  • the invention relates in particular to laser beam build-up welding with powdered filler material using a pendulum motion (wobble strategy).
  • the arrangement according to the invention has the advantage that a vibration or pendulum movement of the operating point of the laser beam with respect to the workpiece or component can be realized solely by a vibration of the worktop on which the workpiece can be arranged.
  • a Pendelbe ⁇ movement or oscillation of the laser beam or a Vorrich- processing for generating the laser beam is not required.
  • the process parameters necessary for oscillation or oscillation such as, for example, the oscillation frequency of the laser radiation in the molten bath, can be specifically influenced.
  • the process can preferably be carried out using a previously be ⁇ signed inventive device. It basically has the same advantages as the device according to the invention described above.
  • the worktop and the workpiece by means of a motor and an imbalance are set in vibration or excited to vibrate.
  • the motor and / or imbalance can be arranged under the worktop.
  • the system 1 also includes a worktop 5, which is mounted on springs 6, for example, leaf springs).
  • the Ar ⁇ beitsplatte may be configured in the form of a table.
  • the device for laser beam on ⁇ contract welding 2 over the worktop 5 is arranged.

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Abstract

Es wird eine Anordnung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen (1) beschrieben, welche eine Arbeitsplatte (5) zum Auflegen eines zu bearbeitenden Werkstücks während des Laserstrahl-Auftragsschweißens umfasst, wobei die Arbeitsplatte (5) auf Federn (6) gelagert ist und dazu ausgelegt ist zum Schwingen angeregt zu werden.

Description

Anordnung und Verfahren zum Laserstrahl-Auftragsschweißen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Laserstrahl-Auftragsschweißen. Die Erfindung betrifft insbesondere Laserstrahl-Auftragsschweißen mit pul- verförmigem Zusatzwerkstoff unter Verwendung einer Pendelbewegung (Wöbbel-Strategie) .
Durch eine Pendelbewegung (sogenannte Wöbbel-Strategie) des Laserstrahls beim Laserstrahl-Auftragsschweißen kann eine Keimbildung und Kornwachstum in der breiigen Zone (mushy zone) gezielt erzeugt werden, so dass das Wachstum einer kolumnaren Erstarrungsfront unterdrückt bzw. vollständig ver¬ mieden .
Bei der derzeitig eingesetzten kommerziell verfügbaren Anlagentechnik können nur begrenzte Strategien für die Pendel- bewegung beim Auftragsschweißen eingesetzt werden. Aufgrund der benötigten großen Beschleunigungskräfte sind Pendelfre¬ quenzen von bis zu 50 Hz somit nicht zu erzielen.
Zahlreiche Bauteile von Gasturbinen oder Dampfturbinen, ins- besondere Laufschaufeln und Leitschaufeln, sind während des Betriebes der Turbine erheblichen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen ausgesetzt. Daher sind Verfahren zur Reparatur und Wiederaufarbeitung von Turbinenbauteilen, wie beispielsweise Laserstrahl-Auftragsschweißen, von großem ökonomischem Interesse.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine vorteilhafte Anordnung und ein vorteilhaftes Ver¬ fahren zum Laserstrahl-Auftragsschweißen zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zum Laserstrahl-Auf¬ tragsschweißen gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Laserstrahl-Auftragsschweißen gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Aus¬ gestaltungen der Erfindung. Die erfindungsgemäße Anordnung zum Laserstrahl-Auftrags¬ schweißen umfasst eine Arbeitsplatte zum Auflegen eines zu bearbeitenden Werkstücks bzw. Bauteils während des Laser¬ strahl-Auftragsschweißens. Die Arbeitsplatte ist auf Federn, zum Beispiel Blattfedern, gelagert. Zudem ist die Arbeits- platte dazu ausgelegt zum Schwingen angeregt zu werden bzw. in Schwingung versetzt zu werden.
Unter einer Arbeitsplatte wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine Vorrichtung mit einer Arbeitsoberflä- che verstanden. Die Arbeitsoberfläche kann eben ausgestaltet sein, eine ebene Oberfläche ist aber nicht zwingend erforder¬ lich.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass eine Schwingung oder Pendelbewegung des Arbeitspunktes des Laserstrahls in Bezug auf das Werkstück oder Bauteil allein durch eine Schwingung der Arbeitsplatte, auf der das Werkstück angeordnet werden kann, realisiert werden kann. Eine Pendelbe¬ wegung oder Schwingung des Laserstrahls bzw. einer Vorrich- tung zur Erzeugung des Laserstrahls ist nicht erforderlich. Es lassen sich somit gezielt die für die Schwingung bzw. das Oszillieren notwendigen Verfahrensparameter, wie zum Beispiel die Pendelfrequenz der Laserstrahlung im Schmelzbad, beeinflussen .
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst vorzugsweise eine Vor¬ richtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen, wobei die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen ihrerseits eine Laserstrahlquelle, eine Pulverfördereinrichtung und eine Düse zur Pulverzufuhr umfasst. Vorteilhafterweise ist die Vorrich¬ tung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen über der Arbeitsplatte angeordnet . Weiterhin kann die Anordnung einen Motor und eine Unwucht umfassen. Der Motor und die Unwucht können so angeordnet und ausgelegt sind, dass beim Betrieb des Motors die Arbeits¬ platte zum Schwingen angeregt wird. Auf diese Weise kann durch geeignete Einstellung der Drehzahl des Motors die
Schwingungsfrequenz der Arbeitsplatte eingestellt und gegebe¬ nenfalls gesteuert werden. Der Motor und die Unwucht können beispielsweise zur Erzeugung einer Schwingungsfrequenz zwischen 10 Hz und 50 Hz ausgelegt sein.
Prinzipiell kann die Arbeitsplatte in der Form eines Tisches ausgestaltet sein. Sie kann insbesondere eine Anzahl Beine, zum Beispiel 3 oder 4 Tischbeine, umfassen. Die Federn, zum Beispiel Blattfedern, auf denen die Arbeitsplatte gelagert ist, können zwischen der Arbeitsplatte und den Beinen ange¬ ordnet sein. Grundsätzlich können die an der Arbeitsplatte angeordneten Beine aber auch Federn umfassen oder als Federn ausgestaltet sein. Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Anordnung ein Dämp¬ fersystem. Das Dämpfersystem kann zum Beispiel an der Arbeitsplatte angeordnet sein. Mithilfe des Dämpfersystems kann das Schwingungsverhalten der Arbeitsplatte beeinflusst wer¬ den. Das Dämpfersystem ermöglicht insbesondere eine gezielte Einstellung der Schwingungsamplitude.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist unter anderem zur Herstel¬ lung und Reparatur bzw. Wiederaufarbeitung von Turbinenbauteilen, beispielsweise von Turbinenschaufeln geeignet. Dabei kann es sich um eine Gasturbinenschaufel oder eine Dampftur¬ binenschaufel handeln. Weiterhin kann es sich bei der Turbinenschaufel um eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel han¬ deln. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht grundsätzlich den Einsatz der sogenannten Wobbeistrategie beim Laserstrahl- Auftragsschweißen von Nickelbasis-Superlegierungen . Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorteilhafterweise zum Laserstrahl-Auftragsschweißen einer Nickelbasis-Superlegie- rung ausgelegt. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserstrahl-Auftrags¬ schweißen umfasst die folgenden Schritte: Ein zu bearbeitendes Werkstück bzw. Bauteil wird auf einer Arbeitsplatte ange¬ ordnet, bevorzugt befestigt. Die Arbeitsplatte und das Werk¬ stück werden in Schwingung versetzt bzw. zum Schwingen ange- regt. Das Werkstück wird durch Laserstrahl-Auftragsschweißen mittels einer Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen bearbeitet während das Werkstück (gemeinsam mit der Arbeits¬ platte) schwingt. Dabei wird die Vorrichtung zum Laserstrahl- Auftragsschweißen in einer Vorschubrichtung über das Werk- stück geführt.
Das Verfahren kann vorzugsweise mithilfe einer zuvor be¬ schriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden. Es hat grundsätzlich dieselben Vorteile wie die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die Arbeitsplatte und das Werkstück können zum Beispiel in vertikaler und/oder horizontaler Richtung in Schwingung versetzt bzw. zum Schwingen angeregt werden.
Bevorzugt werden die Arbeitsplatte und das Werkstück mit Hilfe eines Motors und einer Unwucht in Schwingung versetzt bzw. zum Schwingen angeregt. Dabei können der Motor und/oder die Unwucht unter der Arbeitsplatte angeordnet sein.
Optional werden die Arbeitsplatte und das Werkstück quer zur Vorschubrichtung in Schwingung versetzt bzw. zum Schwingen angeregt. Auf diese Weise wird eine Pendelbewegung des Ar¬ beitspunktes des Laserstrahls auf dem Werkstück erzeugt.
Die Schwingung der Arbeitsplatte und des Werkstücks kann grundsätzlich gedämpft werden, zum Beispiel durch ein Dämp- fersystem, welches an der Arbeitsplatte angeordnet oder be¬ festigt ist.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere eine Schwingungsfrequenz der Arbeitsplatte und/oder des Werkstücks zwischen 10 Hz und 50 Hz erzeugt werden. Dies stellt eine Erhöhung der Schwingungsfrequenz gegenüber herkömmlichen Verfahren dar und ermöglicht verbesserte, insbesondere homo¬ genere Materialeigenschaften des aufgetragenen Materials. Durch die oszillierende Erstarrungsfront wird ein feinkörni¬ ges Gefüge erzeugt. Damit wird gleichzeitig die Qualität des erzeugten Werkstücks bzw. Bauteils verbessert.
Optional kann das Werkstück bzw. Bauteil eine Nickelbasis- Superlegierung umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine Nickelbasis-Superlegierung durch Laserstrahl-Auftragsschweißen aufgetragen werden. Es kann beispielsweise ein Werkstück oder Bauteil verwendet werden und durch Laserstrahl-Auftragsschweißen mittels einer Vorrichtung zum Laser- strahl-Auftragsschweißen bearbeitet werden, welches eine
Nickelbasis-Superlegierung umfasst. Dabei kann insbesondere Material der Nickelbasis-Superlegierung durch Laserstrahl- Auftragsschweißen aufgetragen werden. Bei dem Werkstück bzw. Bauteil kann es sich um ein Bauelement einer Gasturbine oder einer Dampfturbine handeln, insbesondere um eine Turbinenschaufel, zum Beispiel eine Laufschaufel oder eine Leitschaufel. Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Eingren¬ zung des Parameterfeldes, verbesserte Materialeigenschaften des Bauteils im Vergleich zu konventionell geschweißten Bau¬ teilen, Einsparung von Material und eine Verkleinerung der Ausschusszahlen bei Service-Bauteilen.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher be- schrieben. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsvarianten stellen lediglich Beispiele dar, welche den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht be¬ schränken .
Fig. 1 zeigt schematisch eine Gasturbine. Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anlage in einer Schnittansicht.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine Gasturbine. Eine Gastur¬ bine weist im Inneren einen um eine Rotationsachse drehge- lagerten Rotor mit einer Welle 107 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 109, ein Verdichter 101, eine Brenneranordnung 15, eine Turbine 105 und das Abgasgehäuse 190. Die Brenneranordnung 15 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 105. Jede Turbinen¬ stufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißgaskanal einer Leitschaufelreihe 117 eine aus Laufschaufeln 115 gebildete
Reihe. Die Leitschaufeln 117 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 115 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor angebracht sind. An dem Rotor angekoppelt ist ein Gene- rator oder eine Arbeitsmaschine.
Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 101 durch das Ansauggehäuse 109 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 101 bereitge- stellte verdichtete Luft wird zu den Brenneranordnungen 15 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums in der Brennkammer verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 117 und den Laufschaufeln 115 vorbei. An den Laufschaufeln 115 entspannt sich das Ar¬ beitsmedium impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 115 den Rotor antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Ar- beitsmaschine .
Die Figur 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungs¬ variante einer erfindungsgemäßen Anlage 1 in einer Schnittansicht. Die Anlage 1 umfasst eine Vorrichtung zum Laserstrahl- Auftragsschweißen 2. Die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen 2 umfasst beispielsweise eine Laserstrahlquelle (in der Figur 2 nicht gezeigt) zur Erzeugung von
Laserstrahlung 3, eine Pulverfördereinrichtung (in der Figur 2 nicht gezeigt) und eine Düse 4 zur Pulverzufuhr zu einem Arbeitspunkt 9.
Die Anlage 1 umfasst zudem eine Arbeitsplatte 5, die auf Federn 6, zum Beispiel Blattfedern), gelagert ist. Die Ar¬ beitsplatte kann in der Form eines Tisches ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auf¬ tragsschweißen 2 über der Arbeitsplatte 5 angeordnet.
Weiterhin umfasst die Anlage 1 einen Motor 7 und eine Unwucht 8. Die Arbeitsplatte 5, der Motor 7 und die Unwucht 8 sind so angeordnet, dass die Arbeitsplatte 5 über den Motor 7 und die Unwucht 8 zum Schwingen angeregt werden kann. Vorteilhafterweise sind der Motor 7 und die Unwucht 8 an der Arbeitsplatte 5 befestigt. In der Figur 2 sind der Motor 7 und die Unwucht 8 unter der Arbeitsplatte 5 angeordnet und dort befestigt.
Die in der Figur 2 gezeigte Anlage 1 umfasst zudem ein Dämp¬ fersystem 10. Mittels des Dämpfersystems 10 lässt sich das Schwingungsverhalten, zum Beispiel die Amplitude, beeinflus¬ sen. Das Dämpfersystem 10 ist in der Figur 2 an der Arbeits- platte 5 angeordnet und dort befestigt.
Durch die beschriebene Anlagentechnik lassen sich somit gezielt die für das Oszillieren notwendigen Verfahrensparame- ter, zum Beispiel die Pendelfrequenz der Laserstrahlung im Schmelzbad, beeinflussen.
Bevorzugt ist die Anlage 1 zum Laserstrahl-Auftragsschweißen einer Nickelbasis-Superlegierung ausgelegt. Dies ermöglicht zum Beispiel die Herstellung oder Reparatur von Turbinenbauteilen, zum Beispiel von in der Figur 1 gezeigten Gasturbinenbauteilen. Bei dem Turbinenbauteil handelt es sich vor¬ zugsweise um eine Turbinenschaufel. Dabei kann es sich um eine Gasturbinenschaufel oder eine Dampfturbinenschaufel han¬ deln. Weiterhin kann es sich bei der Turbinenschaufel um eine Leitschaufel oder eine Laufschaufei handeln.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserstrahl- Auftragsschweißen, wird ein zu bearbeitendes Werkstück oder Bauteil, zum Beispiel eines der zuvor genannten Turbinenbau¬ teile, auf der Arbeitsplatte 5 angeordnet und gegebenenfalls befestigt. Die Arbeitsplatte 5 und das Werkstück werden in Schwingung versetzt bzw. zum Schwingen angeregt und das Werk- stück wird durch Laserstrahl-Auftragsschweißen mittels der Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen 2 bearbeitet wird während das Werkstück gemeinsam mit der Arbeitsplatte 5 schwingt. Während der Bearbeitung wird die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen 2 in einer Vorschubrichtung 11 über das Werkstück geführt wird.
Die Arbeitsplatte 5 und das Werkstück können dabei in verti¬ kaler und/oder horizontaler Richtung in Schwingung versetzt werden, beispielweise mit Hilfe des Motors 7 und der Unwucht 8. Vorzugsweise wird die Arbeitsplatte 5 und das Werkstück quer zur Vorschubrichtung 11, also in horizontaler Richtung senkrecht zur Vorschubrichtung 11 in Schwingung versetzt.
Die Schwingung der Arbeitsplatte 5 und des Werkstücks kann gedämpft werden, bevorzugt durch das Dämpfersystem 10, wel¬ ches an der Arbeitsplatte angeordnet und gegebenenfalls be¬ festigt sein kann. Im Rahmen des Verfahrens kann zum Beispiel eine Schwingungs¬ frequenz der Arbeitsplatte 5 zwischen 10 Hz und 50 Hz erzeugt werden . Das Werkstück oder Bauteil kann prinzipiell eine Nickelbasis- Superlegierung umfassen. Bei dem durch Laserstrahl-Auftragsschweißen aufzutragenden Material kann es sich auch um eine Nickelbasis-Superlegierung handeln .

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen (1),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung eine Arbeitsplatte (5) zum Auflegen eines zu bearbeitenden Werkstücks während des Laserstrahl-Auftrags¬ schweißens umfasst,
wobei die Arbeitsplatte (5) auf Federn (6) gelagert ist und dazu ausgelegt ist zum Schwingen angeregt zu werden.
2. Anordnung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung (1) eine Vorrichtung zum Laserstrahl-Auf- tragsschweißen (2) umfasst,
wobei die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen (2) eine Laserstrahlquelle, eine Pulverfördereinrichtung und eine Düse (4) zur Pulverzufuhr umfasst.
3. Anordnung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen (2) über der Arbeitsplatte (5) angeordnet ist.
4. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung (1) einen Motor (7) und eine Unwucht (8) umfasst, die so angeordnet und ausgelegt sind, dass beim Be¬ trieb des Motors (7) die Arbeitsplatte (5) zum Schwingen angeregt wird.
5. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Arbeitsplatte (5) in der Form eines Tisches ausgestal- tet ist.
6. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung ein Dämpfersystem (10) umfasst.
7. Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen einer Nickelbasis-Superlegierung ausgelegt ist.
8. Verfahren zum Laserstrahl-Auftragsschweißen, bei welchem ein zu bearbeitendes Werkstück auf einer Arbeitsplatte
(5) angeordnet wird,
die Arbeitsplatte (5) und das Werkstück in Schwingung versetzt werden, und
das Werkstück durch Laserstrahl-Auftragsschweißen mittels einer Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen (2) bearbeitet wird während das Werkstück schwingt, wobei die Vorrichtung zum Laserstrahl-Auftragsschweißen (2) in einer Vorschubrichtung (11) über das Werkstück geführt wird .
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Arbeitsplatte (5) und das Werkstück in vertikaler und/oder horizontaler Richtung in Schwingung versetzt werden .
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Arbeitsplatte (5) und das Werkstück mit Hilfe eines Motors (7) und einer Unwucht (8) in Schwingung versetzt werden .
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Arbeitsplatte (5) und das Werkstück quer zur Vorschub¬ richtung (11) in Schwingung versetzt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schwingung der Arbeitsplatte (5) und des Werkstücks ge¬ dämpft wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Schwingungsfrequenz der Arbeitsplatte (5) und/oder des Werkstücks zwischen 10 Hz und 50 Hz erzeugt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Werkstück eine Nickelbasis-Superlegierung umfasst und/oder eine Nickelbasis-Superlegierung durch Laserstrahl- Auftragsschweißen aufgetragen wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei dem Werkstück um ein Bauelement einer Gastur- bine (100) handelt.
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