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Title:
METHOD AND DEVICE FOR WELDING A SUBSTRATE SURFACE REGION BY LASER METAL DEPOSITION AND COMPONENT WELDED BY LASER METAL DEPOSITION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/211441
Kind Code:
A1
Abstract:
A method is disclosed for welding by laser metal deposition a surface region (1) of a substrate (2), the method involving the emission of at least two laser beams (3, 4) of different wavelengths, the melting of the surface region (1) of the substrate (2) by the laser beams (3, 4) and the supply of a welding material (5) to the molten surface region (1) of the substrate (2). Also disclosed are a component welded by metal deposition using this method and a laser metal deposition device comprising at least two laser sources (7, 8) for emitting at least two laser beams (3, 4) of different wavelengths for melting a surface region (1) of a substrate (2).

Inventors:
BURBAUM, Bernd (Jenaer Str. 23, Falkensee, 14612, DE)
JOKISCH, Torsten (Körnerstraße 9, Neuenhagen bei Berlin, 15366, DE)
Application Number:
EP2019/061383
Publication Date:
November 07, 2019
Filing Date:
May 03, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
B23K26/342
Domestic Patent References:
WO2017170890A12017-10-05
WO2005030429A22005-04-07
WO2018093504A12018-05-24
Foreign References:
US20140263209A12014-09-18
DE102014210652A12015-12-17
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Laserstrahlauftragschweißen eines

Oberflächenbereichs (1) eines Substrats (2), aufweisend:

- Emittieren von mindestens zwei Laserstrahlungen (3, 4) unterschiedlicher Wellenlänge,

- Aufschmelzen des Oberflächenbereichs (1) des Substrats (2) mittels der Laserstrahlungen (3, 4) und

- Zuführen eines Schweißmaterials (5) zu dem

aufgeschmolzenen Oberflächenbereich (1) des Substrats (2) .

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Laserstrahlungen (3, 4) unterschiedlicher Wellenlänge

abwechselnd emittiert werden.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine erste Laserstrahlung (3) eine Wellenlänge im Bereich von 380 nm bis 780 nm, bevorzugt eine Wellenlänge im Bereich von 400 nm bis 540 nm, besonders bevorzugt eine Wellenlänge von 515 nm, und/oder eine zweite Laserstrahlung (4) eine

Wellenlänge im Bereich von 1030 nm bis 1070 nm aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Laserstrahlung (3, 4), bevorzugt die erste und die zweite Laserstrahlung (3, 4), gepulst wird bzw.

werden .

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Pulsdauer

mindestens einer gepulsten Laserstrahlung (3, 4) im Bereich von 200 ms bis 1000 ms liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei sich Pulse der ersten Laserstrahlung (3) und der zweiten Laserstrahlung (4) überlappen und/oder abwechseln.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Laserstrahlungen (3, 4) mittels einer optischen Einrichtung, bevorzugt mittels eines dichroitischen Spiegels, in den Oberflächenbereich (1) eingekoppelt werden.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest der Oberflächenbereich (1) des Substrats (2) und das Schweißmaterial (5) dieselbe Zusammensetzung aufweisen.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest der Oberflächenbereich (1) des Substrats (2) und/oder das Schweißmaterial (5) eine

Nickelbasissuperlegierung aufweisen oder aus eine

NickeIbasissuperlegierung bestehen .

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (2) eine Turbinenkomponente, insbesondere eine Turbinenschaufel, ist.

11. Vorrichtung (6) zum Laserstrahlauftragschweißen,

aufweisend mindestens zwei Laserquellen (7, 8) zum Emittieren von mindestens zwei Laserstrahlungen (3, 4) unterschiedlicher Wellenlänge zum Aufschmelzen eines Oberflächenbereichs (1) eines Substrats (2).

12. Vorrichtung (6) nach Anspruch 11, wobei eine erste

Laserstrahlung (3) eine Wellenlänge im Bereich von 380 nm bis 780 nm, bevorzugt eine Wellenlänge von 515 nm, und/oder eine zweite Laserstrahlung (4) eine Wellenlänge im Bereich von 1030 nm bis 1070 nm aufweist.

13. Vorrichtung (6) nach Anspruch 11 oder 12, wobei

mindestens eine Laserstrahlung (3, 4), bevorzugt die erste und die zweite Laserstrahlung (3, 4), gepulst ist bzw. sind.

14. Vorrichtung (6) nach Anspruch 13, wobei eine Pulsdauer mindestens einer gepulsten Laserstrahlung (3, 4) im Bereich von 200 ms bis 1000 ms liegt.

15. Vorrichtung (6) nach Anspruch 13 oder 14, wobei sich Pulse der ersten Laserstrahlung (3) und der zweiten

Laserstrahlung (4) überlappen und/oder abwechseln. 16. Vorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, aufweisend eine optische Einrichtung, bevorzugt einen dichroitischen Spiegel, zum Einkoppeln der Laserstrahlungen (3, 4) in den Oberflächenbereich (1) des Substrats (2) . 17. Auftraggeschweißtes Bauteil, insbesondere

Turbinenbauteil, auftraggeschweißt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

Description:
Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Laserstrahlauftragschweißen eines Oberflächenbereichs eines Substrats sowie

auftraggeschweißtes Bauteil

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlauftrag schweißen eines Oberflächenbereichs eines Substrats, eine Vorrichtung zum Laserstrahlauftragschweißen sowie ein

auftraggeschweißtes Bauteil.

Laserstrahlauftragschweißen, auch als Laser Metal Deposition (LMD) bezeichnet, gehört zu den Verfahren des Auftrag

schweißens, bei denen auf ein Werkstück (Substrat) ein

Oberflächenauftrag mittels Aufbringen eines zusätzlichen Materials (Schweißmaterial) unter gleichzeitigem Aufschmelzen erfolgt .

Als Energiequelle dient ein Laser, der geeignet ist, das Material des Substrats lokal in einem Oberflächenbereich zu erwärmen und unter Ausbildung eines Schmelzbads aufzu

schmelzen. Synchron zum Aufschmelzen des Materials des

Substrats wird das Schweißmaterial zu dem Oberflächenbereich zugeführt und ebenfalls aufgeschmolzen, wobei es sich mit dem Material des Substrats verbindet. Das Schweißmaterial wird häufig in Pulverform, z. B. als Metallpulver, oder in Form eines Drahts zugeführt.

Laserstrahlauftragschweißen ist ein geeignetes Verfahren, Werkstücke wie Bauteile von Gas- oder Dampfturbinen, z. B. Turbinenschaufeln, die während ihrer Verwendung erheblichen thermischen, mechanischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind, zu reparieren. U. a. daher ist das

Laserstrahlauftragschweißen von großem ökonomischem

Interesse. Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum

Laserstrahlauftragschweißen von Turbinenbauteilen ist beispielsweise aus der DE 10 2014 210 652 Al bekannt. Als problematisch hat sich jedoch die Heißrissanfälligkeit von auftraggeschweißten Werkstücken herausgestellt. Dies trifft verstärkt auf Werkstücke aus Nickelbasissuper

legierungen zu, insbesondere auf Werkstücke aus

Nickelbasissuperlegierungen mit einem großen Anteil an intermetallischer Phase, wie z. B. Alloy 247 oder Rene 80. Heißrisse führen zu schadhaften Werkstücken und erhöhen die Ausschussrate .

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zum Laserauftragschweißen anzugeben, mit denen die genannten Nachteile zumindest verringert oder sogar ganz behoben werden können .

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der

unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Grundgedanke der Erfindung ist es, Laserstrahlungen unter schiedlicher Wellenlänge zum Aufschmelzen des auftrag

zuschweißenden Oberflächenbereichs des Substrats zu

verwenden. Hierdurch kann die Bildung eines feinkörnigen Gefüges begünstigt werden, wodurch die Bildung von Heißrissen verringert werden kann. Insgesamt resultiert eine

Verbesserung der Schweißbarkeit von schwer schweißbaren

NickeIbasissuperlegierungen .

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Laserstrahlauftrag schweißen eines Oberflächenbereichs eines Substrats weist ein Emittieren von mindestens zwei Laserstrahlungen unterschied licher Wellenlänge, z. B. einer ersten und einer zweiten Laserstrahlung, ein Aufschmelzen des Oberflächenbereichs des Substrats mittels der Laserstrahlungen und ein Zuführen eines Schweißmaterials zu dem aufgeschmolzenen Oberflächenbereich des Substrats auf. Das Emittieren der Laserstrahlungen kann gleichzeitig oder abwechselnd, bevorzugt lückenlos abwechselnd, erfolgen.

Beispielsweise können die zugehörigen Laserquellen

abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, so dass jeweils nur eine Laserstrahlung den Oberflächenbereich des Substrats erreicht .

Mit anderen Worten wird in demjenigen Oberflächenbereich des Substrats, auf den das Schweißmaterial aufgetragen werden soll, durch Bestrahlung mit mindestens zwei Laserstrahlungen unterschiedlicher Wellenlänge ein Schmelzbad ausgebildet, in welches das Schweißmaterial eingebracht wird.

Das Schweißmaterial kann bevorzugt in Pulverform zugeführt werden. Beispielsweise können das Schweißmaterial und die Laserstrahlungen gemeinsam mittels einer Düse bzw. eines Beschichtungskopfs zum Oberflächenbereich des Substrats zugeführt werden, wobei Schweißmaterial und die

Laserstrahlungen koaxial geleitet werden. Optional kann eine Hülle aus Schutzgas, z. B. Helium, Argon und/oder Stickstoff, um das Schweißmaterial und/oder den aufgeschmolzenen

Oberflächenbereich des Substrats gelegt werden. Das Schutzgas kann ebenfalls mittels der Düse zugeführt werden.

Durch die Kombination der unterschiedlichen Wellenlängen können verschiedene Schmelzbadgeometrien generiert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Absorptions- und

Wärmeleitungsverhältnisse an der Schmelzbadoberfläche für die verschiedenen Wellenlängen bildet sich die Fest-Flüssig- Phasengrenze (Erstarrungsfront bzw. Schmelzfront) in

Abhängigkeit der Wellenlänge geometrisch unterschiedlich aus.

Dieser Effekt kann zur Beeinflussung der Keimbildung und/oder Erstarrung an der Fest-Flüssig-Phasengrenze des Schmelzbades genutzt werden, so dass ein feinkörniges Gefüge erhalten werden kann, welches eine geringere Heißrissbildungsneigung aufweist und daher weitgehend rissfrei erstarren kann. Dadurch lassen sich verbesserte Materialeigenschaften der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auftraggeschweißten Bauteile im Vergleich zu konventionell geschweißten Bauteile erzielen. Material kann eingespart und die Ausschussrate kann verringert werden.

Das Verfahren kann insbesondere zur artgleichen

Beschichtungsreparatur von Turbinenschaufeln aus eine

Nickelbasissuperlegierung mit einem großen Anteil an

intermetallischer Phase genutzt werden. Das Verfahren ist für Bauteile mit großen Abmessungen besonders geeignet, weil diese materialsparend und mit hoher Qualität durch das

Verfahren repariert werden können.

Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann eine erste Laserstrahlung eine Wellenlänge im sichtbaren

Spektralbereich, d. h. im Bereich von 380 nm bis 780 nm aufweisen, wobei eine Wellenlänge im grün-blauen

Spektralbereich von 400 nm bis 540 nm bevorzugt und eine Wellenlänge von 515 nm besonders bevorzugt ist.

Eine zweite Laserstrahlung kann eine Wellenlänge im nahen infraroten Spektralbereich, d. h. im Bereich von 1030 nm bis 1070 nm aufweisen.

Besonders bevorzugt kann eine erste Laserstrahlung eine

Wellenlänge im Bereich von 380 nm bis 780 nm, insbesondere 515 nm, und eine zweite Laserstrahlung eine Wellenlänge im Bereich von 1030 nm bis 1070 nm aufweisen.

Die Kombination von Laserstrahlung der genannten

Spektralbereiche ermöglicht eine besonders gute Beeinflussung der Schmelzbadgeometrie sowie die Erzielung eines besonders feinkörnigen Gefüges an der Fest-Flüssig-Phasengrenze . Zudem kann Laserstrahlung im grün-blauen Spektralbereich von hochreflektierenden Materialien, wie z. B. Kupfer, besonders gut absorbiert werden, so dass sich auch Substrate aus solchen Materialien sowie Schweißmaterialien aus solchen Materialien gut auftragschweißen lassen.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann mindestens eine Laserstrahlung gepulst werden. Bevorzugt kann sowohl die erste als auch die zweite Laserstrahlung gepulst werden. Die Pulsdauer kann jeweils im Bereich von 200 ms bis 1000 ms liegen. Zudem können sich die Pulse der ersten und zweiten Laserstrahlung in zeitlicher Hinsicht ganz oder teilweise überlappen und/oder abwechseln.

Mittels der Pulsung kann die Fest-Flüssigphasengrenze und damit die Erstarrungsbedingungen zusätzlich beeinflusst werden. Durch eine Wechselschaltung der ersten und zweiten Laserstrahlung kann eine quasi-kontinuierliche (cw,

continouos wave) -Laserstrahlung entstehen, so dass auch die Energieeinbringung kontinuierlich erfolgen kann. Mit anderen Worten können die Pulse können so aufeinander abgestimmt sein oder werden, dass sie sich gegenseitig ergänzen bzw.

lückenlos abwechseln, d. h. dass zu einem bestimmten

Zeitpunkt jeweils nur die erste Laserstrahlung oder die zweite Laserstrahlung emittiert wird und eine quasi cw- Laserstrahlung resultiert.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten können die Laser

strahlungen mittels einer optischen Einrichtung in den

Oberflächenbereich eingekoppelt werden. Eine bevorzugte optische Einrichtung ist ein Spiegel, besonders bevorzugt ein dichroitischer Spiegel. Ein dichroitischer Spiegel dient dazu, verschiedene Wellenlängenbereiche zu transmittieren oder zu reflektieren. Hierdurch kann auch bei einem

gleichzeitigen Emittieren der Laserstrahlungen unterschied licher Wellenlänge ein abwechselndes Auftreffen der

Laserstrahlungen auf den Oberflächenbereich des Substrats ermöglicht werden.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten können zumindest der Oberflächenbereich des Substrats und das Schweißmaterial dieselbe Zusammensetzung aufweisen. Es kann also beispielsweise eine artgleiche Beschichtungsreparatur durchgeführt werden. Aufgrund derselben Zusammensetzung resultieren ähnliche Absorptions- und Wärmeleitungs

verhältnisse, so dass eine verbesserte Schweißverbindung erhältlich ist.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann zumindest der

Oberflächenbereich des Substrats eine Nickelbasis

superlegierung aufweisen oder aus eine Nickelbasis

superlegierung bestehen. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Schweißmaterial eine Nickelbasissuperlegierung aufweisen oder aus eine Nickelbasissuperlegierung bestehen. Bei der Nickelbasissuperlegierung kann es sich insbesondere um eine Nickelbasissuperlegierung mit einem großen Anteil an einer intermetallischen Phase, z. B. Alloy 247 oder Rene 80, handeln .

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Substrat eine Turbinenkomponente, z. B. eine Gas- oder Dampfturbinen komponente, beispielsweise eine Turbinenschaufel, z. B. eine Turbinenleit- oder Turbinenlaufschaufel sein.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserstrahl

auftragschweißen weist mindestens zwei Laserquellen zum

Emittieren von mindestens zwei Laserstrahlungen unterschied licher Wellenlänge, z. B. einer ersten und einer zweiten Laserstrahlung, zum Aufschmelzen eines Oberflächenbereichs eines Substrats auf. Die mindestens zwei Laserquellen können zum gleichzeitigen und/oder abwechselnden Emittieren der Laserstrahlungen ausgebildet sein.

Mit anderen Worten sind die Laserquellen so angeordnet, dass die beiden Laserstrahlungen in Richtung des auftragzu

schweißenden Oberflächenbereichs des Substrats emittiert werden . Darüber hinaus kann die Vorrichtung eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Schweißmaterials zu dem Oberflächenbereich des Substrats aufweisen. Die Zuführeinrichtung dient also zum Zuführen eines zusätzlichen Materials (Schweißmaterial) , das beim Auftragschweißen aufgeschmolzen und auf den

Oberflächenbereich des Substrats aufgetragen wird. Das

Schweißmaterial, welches vorteilhafterweise in Pulverform vorliegt, kann in einem dafür vorgesehenen Behälter, der auf ein Fördersystem montiert ist, bereitgestellt und durch eine Leitung an die Zuführeinrichtung geliefert werden.

Vorzugsweise kann die Zuführeinrichtung als Düse, z. B. als Schlitzdüse oder Runddüse, ausgebildet sein. Mittels der Düse können zudem die Laserstrahlungen zu dem Oberflächenbereich des Substrats geleitet werden. Mit anderen Worten kann eine Düse verwendet werden, aus der sowohl das Schweißmaterial als auch die Laserstrahlungen ausgegeben bzw. ausgesandt werden. Vorzugsweise können das Schweißmaterial und die

Laserstrahlungen koaxial zueinander ausgegeben bzw.

ausgesandt werden.

Optional kann die Vorrichtung eine Einrichtung zur Zufuhr eines Schutzgases aufweisen. Beispielsweise kann das

Schutzgas ebenfalls über die Düse zugeführt werden. Das

Schutzgas kann so zugeführt werden, dass sich eine

Schutzgashülle um das Schweißmaterial und die

Laserstrahlungen herum ausbildet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhafterweise zum Laserstrahlauftragschweißen einer Nickelbasissuperlegierung ausgelegt. Bevorzugt weisen sowohl der Oberflächenbereich des Substrats sowie das Schweißmaterial eine

Nickelbasissuperlegierung auf, d. h. es handelt sich um ein artgleiches Laserstrahlauftragschweißen .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist u. a. zur Herstellung, Reparatur oder Wiederaufarbeitung von Turbinenbauteilen, z.

B. Gas oder Dampfturbinenbauteilen, geeignet. Dabei kann es sich beispielsweise um Turbinenleit- oder Turbinenlauf schaufeln handeln.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise zur Ausführung des oben stehend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sein. Daher dienen die obigen Ausfüh rungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die

Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen entsprechender Ausführungsvarianten .

Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann eine erste Laserstrahlung eine Wellenlänge im Bereich von 380 nm bis 780 nm, bevorzugt eine Wellenlänge von 515 nm, und/oder eine zweite Laserstrahlung eine Wellenlänge im Bereich von 1030 bis 1070 nm aufweisen.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann mindestens eine Laserstrahlung, bevorzugt die erste und die zweite Laser strahlung, gepulst sein. Die Pulsdauer mindestens einer gepulsten Laserstrahlung, bevorzugt aller gepulsten Laser strahlungen, kann im Bereich von 200 ms bis 1000 ms liegen. Die Pulse können so ausgebildet sein, dass sich Pulse der ersten Laserstrahlung und Pulse der zweiten Laserstrahlung in zeitlicher Hinsicht ganz oder teilweise überlappen und/oder sich abwechseln.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Vorrichtung eine optische Einrichtung, bevorzugt einen dichroitischen Spiegel, zum Einkoppeln der Laserstrahlungen in den Oberflächenbereich des Substrats aufweisen.

Ein erfindungsgemäßes auftraggeschweißtes Bauteil,

insbesondere ein Turbinenbauteil, wie z. B. eine

Turbinenleitschaufel oder Turbinenlaufschaufel, ist nach einem der oben stehend beschriebenen Verfahren

auftraggeschweißt . Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Erzielung der Erstarrung eines feinkörnigen Gefüges an der Fest- Flüssig-Phasengrenze und damit einhergehend eine Verbesserung der Schweißbarkeit, insbesondere bei schwer schweißbaren Nickelbasissuperlegierungen wie Alloy 247 oder Rene 80.

Darüber hinaus werden verbesserte Materialeigenschaften des Bauteils im Vergleich zu einem konventionell geschweißten Bauteil erzielt, es kann Material eingespart werden und die Ausschusszahlen bei Service-Bauteilen können verkleinert werden .

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von

Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Alle bisher und im Folgenden

beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.

Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert

dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten.

Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als

anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.

Der hier verwendete Ausdruck „und/oder", wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird,

bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, dass sie die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die

Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften

Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer ersten Laserquelle;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften

Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer zweiten Laserquelle;

Figur 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 4 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 5 eine schematische Darstellung des sich ausbildenden

Schmelzbades und der Fest-Flüssig-Phasengrenze bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und

Figur 6 eine schematische Detaildarstellung der Fest- Flüssig-Phasengrenze bei Durchführung eines

erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Figur 1 ist eine Vorrichtung 6 zum Laserauftragschweißen nach dem Stand der Technik dargestellt, mittels der ein

Schweißmaterial 5 auf einen Oberflächenbereich 1 eines

Substrats 2 aufgetragen und Stoffschlüssig verbunden werden kann . Die Vorrichtung 6 weist eine erste Laserquelle 7 auf, die zum Emittieren einer ersten Laserstrahlung 3 mit einer ersten Wellenlänge ausgebildet ist. Die erste Laserstrahlung 3 wird mittels einer Düse 13 in Richtung des Oberflächenbereichs 1 des Substrats 2 geleitet, so dass im Oberflächenbereich 1 das Material des Substrats 2 aufgeschmolzen wird und sich ein Schmelzbad 10 ausbildet. Das Schmelzbad 10 wird von einer Fest-Flüssig-Phasengrenze 12 begrenzt.

Die Düse ist mit einem Vorratsbehälter 9 zur Bevorratung des pulverförmigen Schweißmaterials 5 verbunden. Zum Auftrag schweißen wird das pulverförmige Schweißmaterial 5 vom

Vorratsbehälter 9 zur Düse 13 geleitet und zusammen mit der ersten Laserstrahlung 3 zum Oberflächenbereich 1 des

Substrats 2 geleitet, wobei das Schweißmaterial 5 ebenfalls aufgeschmolzen wird. Das Schweißmaterial 5 und die erste Laserstrahlung 3 werden bevorzugt koaxial ausgesandt.

Die Düse 13 kann während des Auftragschweißens über den

Oberflächenbereich 1 des Substrats 2 bewegt werden, so dass auch der Bereich des Schmelzbads 10 wandert und sich eine Fest-Flüssig-Phasengrenze 12 zwischen dem bereits

aufgetragenen Schweißmaterial 11 und dem Schmelzbad 10 ausbildet .

Figur 2 zeigt eine weitere Vorrichtung 6 zum Laserauftrag schweißen nach dem Stand der Technik. Im Unterschied zur Vorrichtung 6 gemäß Figur 1 wird anstelle der ersten

Laserquelle 7 eine zweite Laserquelle 8 eingesetzt, so dass anstelle der ersten Laserstrahlung 3 eine zweite Laser strahlung 4 mit einer von der ersten Laserstrahlung 3

abweichenden Wellenlänge emittiert und zur Ausbildung des Schmelzbades 10 sowie zum Aufschmelzen des Schweißmaterials 5 genutzt wird.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 6. Die Erfinder haben erkannt, dass die Absorption der Laserstrahlung 3, 4 sowie die Wärmeleitung und damit auch die Ausbildung des Schmelzbades 10 sowie die Lage der Fest- Flüssig-Phasengrenze 12 u. a. von der Wellenlänge der

eingesetzten Laserstrahlung 3, 4 abhängig ist.

Durch Kombination einer ersten Laserstrahlung 3 und einer zweiten Laserstrahlung 4 mit voneinander abweichenden

Wellenlängen kann die Ausbildung des Schmelzbades 10 und der Fest-Flüssig-Phasengrenze 12 positiv beeinflusst werden, so dass ein feinkörniges Gefüge im aufgetragenen Schweißmaterial 11 erzielt werden kann, welches eine deutlich geringere

Neigung zur Heißrissbildung aufweist. Das Auftragsschweißen kann dadurch mit hoher Qualität durchgeführt werden, so dass Ausschussbauteile vermieden werden können.

Die beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung 6 gemäß Figur 3 weist eine erste Laserquelle 7 und eine zweite Laserquelle 8 auf, so dass eine erste Laserstrahlung 3 mit einer ersten Wellenlänge und eine zweite Laserstrahlung 4 mit einer zweiten Wellenlänge emittiert werden können. Beide

Laserstrahlungen 3, 4 werden zur Ausbildung des Schmelzbades und zum Aufschmelzen des Schweißmaterials 5 wie zu den

Figuren 1 und 2 beschrieben genutzt.

Im Ausführungsbeispiel weist die erste Laserstrahlung 3 eine Wellenlänge im Bereich von 380 nm bis 780 nm, bevorzugt eine Wellenlänge von 515 nm, d. h. einer Wellenlänge im grün blauen Spektralbereich, auf. Die Wellenlänge der zweiten Laserstrahlung 4 liegt im Bereich von 1030 nm bis 1070 nm, d. h. im nahen Infrarotbereich. Sowohl die erste Laserstrahlung 3 als auch die zweite Laserstrahlung 4 sind gepulst, wobei die Pulsdauer im Bereich zwischen 200 ms und 1000 ms liegen kann. Die Pulse können so aufeinander abgestimmt sein oder werden, dass sie sich gegenseitig ergänzen bzw. abwechseln, d. h. dass zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils nur die erste Laserstrahlung 3 oder die zweite Laserstrahlung 4 emittiert wird und eine quasi cw-Laserstrahlung resultiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 6 kann in einer Kammer

(nicht dargestellt) angeordnet sein, welche eine Stickstoff oder Edelgasatmosphäre enthält, um Lufteinschlüssen in dem aufgetragenen Schweißmaterial 11 entgegenzuwirken. Zur

Einkopplung der ersten und zweiten Laserstrahlungen 3, 4 in den Oberflächenbereich 1 des Substrats 2 kann eine optische Einrichtung, beispielsweise ein dichroitischer Spiegel, vorhanden sein. Darüber hinaus kann die Vorrichtung 6 dem Fachmann bekannte Bauteile wie z. B. Glasfaserkabel und

Umlenkspiegel aufweisen zur Beeinflussung der Laserstrahlung 3, 4 aufweisen.

In Figur 4 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bauteils als Fließdiagramm dargestellt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Bauteil um eine Turbinenschaufel einer

Gasturbine, die zumindest im Oberflächenbereich 1 aus einer Nickelbasissuperlegierung besteht. Auf den Oberflächenbereich 1 der Turbinenschaufel soll ein Schweißmaterial 5, das ebenfalls aus einer Nickelbasissuperlegierung besteht, zu Reparaturzwecken auftraggeschweißt werden. Es wird also eine artgleiche Beschichtungsreparatur mittels

Laserauftragschweißen durchgeführt .

In einem ersten Schritt S1 wird die zu reparierende

Turbinenschaufel 1 bereitgestellt und so bezüglich der

Vorrichtung 6 positioniert, dass die Laserstrahlungen 3, 4 auf den zu reparierenden Oberflächenbereich 1 der

Turbinenschaufel einwirken und das Schweißmaterial 5

auftraggeschweißt werden kann. In einem zweiten Schritt S2 wird das pulverförmige Schweißmaterial aus dem

Vorratsbehälter 9 zur Düse 13 befördert und auf den

Oberflächenbereich 1 der Turbinenschaufel aufgetragen.

In einem dritten Schritt S3 wird im Oberflächenbereich 1 ein Schmelzbad 10 ausgebildet, das Schweißmaterial 5

aufgeschmolzen und mit dem Material des Oberflächenbereichs 1 verschmolzen. Hierfür werden mittels der ersten und zweiten Laserquelle 7, 8 die erste und zweite Laserstrahlung 3, 4 abwechselnd emittiert. Zu den Eigenschaften der ersten und zweiten Laserstrahlung 3, 4 wird auf die vorstehenden

Ausführungen verwiesen.

Die Schritte S2 und S3 können gleichzeitig durchgeführt werden, da die erste und zweite Laserstrahlung 3, 4 ebenso wie das Schweißmaterial 5 durch die Düse 13 hindurchgeführt werden und das Schweißmaterial 5 bereits im Moment des

Aufbringens auf den Oberflächenbereich 1 aufschmilzt.

In einem vierten Schritt S4 wird die auftraggeschweißte

Turbinenschaufel entnommen. Die Schritte S2 und S3 können wiederholt werden, z. B. um eine Dicke des aufgetragenen Schweißmaterials 11 zu erhöhen. Optional kann die Düse 13 bezüglich des Oberflächenbereichs 1 bewegt werden. Hierdurch kann ein flächiger Auftrag des Schweißmaterials 5 ermöglicht werden .

Zur Veranschaulichung der mittels der erfindungsgemäßen

Vorrichtung 6 sowie mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielbaren Vorteile zeigt Figur 5 eine schematische

Darstellung des sich ausbildenden Schmelzbades 10 und der Fest-Flüssig-Phasengrenze 12 bei Durchführung eines

erfindungsgemäßen Verfahrens. In Figur 6 ist die Fest- Flüssig-Phasengrenze 12 vergrößert dargestellt (Bereich A aus Figur 5) .

Durch Verwendung von zwei Laserstrahlungen 3, 4 mit

unterschiedlicher Wellenlänge werden quasi zwei Schmelzbäder ausgebildet, die sich zu einem gemeinsamen Schmelzbad 10 überlagern. Die sich ausbildende Fest-Flüssig-Phasengrenze 12 ist daher nicht mehr als scharfe Grenze wie bei der

alleinigen Verwendung einer Laserstrahlung mit einer

Wellenlänge anzusehen, sondern es bildet sich vielmehr ein Fest-Flüssig-Grenzbereich aus (schraffierte Fläche in den Figuren 5 und 6) . Ein abwechselndes Aus- und Einschalten beider Laserstrahlungen 3, 4 führt zu einer gezielten Beeinflussung der Fest-Flüssig-Phasengrenze und damit der Erstarrungsbedingungen. Durch die Beeinflussung der Fest- Flüssig-Phasengrenze 12 kann die Keimbildung gezielt

beeinflusst werden, so dass ein feinkörniges Gefüge erstarrt und verbesserte Materialeigenschaften des Bauteils im

Vergleich zu konventionell geschweißten Bauteilen erreicht werden können.