Laserauftragschweißen (LA) Grundlagen und Anwendungen · © Fraunhofer ILT Pulverdüse Laserstrahl...

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Laserauftragschweißen (LA)

Grundlagen und Anwendungen

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Erforderliche Expertise für das LA

Handhabung PulverProzessmanagement Werkstoffe

Prozesskontrolle und Prozessregelung

Laserquellen Prozessmodellierung

100µm

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PulverdüseLaserstrahl

Schicht

Pulver-Gas-Strom

InnererSchutzgas-Strom

Spur

t

b hÜ

Prinzip des Laserauftragschweißens

b = Breite

h = Höhe

t = Einschmelztiefe

Ü = Überlapp

Laserstrahl

Pulverdüse

Schmelzbad

bWEZ

Hochpräzises Auftragen von Schichtdicken von 0,1 mm bis zu mehreren cm

Geringe Wärmeeinbringung geringer Verzug

Große Vielfalt an Zusatzwerkstoffen

Hohes Potenzial für Automatisierung

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Anwendungen

Reparatur und Modifikation

Turbomaschinenbau

Werkzeug- und Formenbau

Verschleiß- und Korrosionsschutz

Werkzeug- und Formen

Maschinenbau

Kontaktierung

Elektronik

Generative Fertigung

Funktionsprototypen

Serienteile?

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Werkstoffe

Standardprodukte:Preis pro kg Pulver: 20 - 100 €

Sonderwerkstoffe:Preis pro Verdüsung (3-5 kg): 1500 - 2500 €

Typische Förderraten beim Auftragschweißen: 1 - 15 g/min

Pulverwirkungsgrad: 50 -90 %

Kobalt- und Nickelbasislegierungen

Härte: 20 - 63 HRCgute Korrosions- und Verschleißeigenschaftengute Gleiteigenschaftengeeignet für hohe Temperaturenrissanfällig beim Auftragschweißen

Eisenbasislegierungen

Härte: 40 - 70 HRCgute Verschleißeigenschaftengeeignet für niedrige bis mittlere Temperaturengering rissanfällig beim Auftragschweißen

Weitere Werkstoffe

Aluminiumlegierungen

Intermetallische Legierungen (TiAl)

…

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Low Pressure

Compressorhigh pressure

compressor

combus-

tion chamber

high

pressure

turbine

low pressure

turbine

Fan blade

(Titanium)

LPC BLISK

(Titanium)

HPT blades

(DX or SX)

HPT case

(Inconel)

Labyrinth seals

(Nimonic or

Titanium)

LPT blades

(Inconel)

HP front drum

(Titanium)

Beispiel Reparatur : BR 715 Turbine von Rolls-Royce

HPC blades

(Inconel)

HPC blades

(Titanium)

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Front Drum

Reparatur einer Dämpfungsnut (Stufe 4, 5, 6)

Stage 4, Stage 5, Stage 6Jet engine BR715 Stage 1, Stage 2, Stage 3

In Kooperation mit Rolls-Royce Deutschland

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Reparatur der Dämpfungsnut, Werkstoff Ti6246

Beschichtete NutFront Drum

Vor / nach LMD

In Kooperation mit Rolls-Royce Deutschland

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Beispiel Verschleißschutz: Formkern für den Spritzguss

Verfahrenstechnik

• Grafitisierung zur Erhöhung der Absorption

• Anstellung des Beschichtungskopfes, um horizontale und vertikale Flächen in einer Aufspannung zu beschichten

• Verlängerung der Spitze zur aktiven Kühlung

• Auftragschweißen mit Temperaturregelung

Kühlung

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Gradientenschicht Fe33Ni + 1.2083

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Gradientenschicht Fe33Ni + 1.2083

Cu + Gradient

1.2343Cu + Gradient

1.2343

IR –Aufnahme nach Produktionszyklus von 30 min

T 5 °C

Formkerne in der Spritzgießmaschine

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Generative Fertigung: Aufbaustrategie

z. B. alternierend mäanderförmig mit Konturfahrt

1.Lage 2.Lage sV

Schweißraupe

Höhe

Breite

1. Lage

2. Lage

Aufbau von Schichten

3. Lagealternierend

z = Höhenzustellung

z

Anpassung Parameter und Aufbaustrategie

20 mm

Videos/P1000867.MOV

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Prozessüberwachung: Soll-Ist-Vergleich

Micro Epsilon Scan Control 2700

• Rasche Messung (Überfahrt in wenigen Sekunden)• Vermeidung von Abschattungen durch

Mehrfachüberfahrt, Verkippung des Körpers• Genauigkeit um 5 µm• Detailauswertung möglich (z. B. Höhenprofile)

Geometrieerfassung mittels Scanner

Scanner

Messkamera

175

225

200

44

50

mm

mm

0

0,05

0,10

0,15

0,20

0

0,05

0,10

0,15

0,20

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Verfahrensparameter:Laserleistung PL: 300 WLaserstrahlfokus dF: 1100 µmVorschubgeschw. v : 400 mm/minSchichthöhe hSchicht: 300 µmSpurversatz bVersatz: 500 µm

80% A, 20% B

60% a, 40% B

40% A, 60% B

20% A, 80% B

Lagen 8- 10 aufgebautaus Werkstoff A

Lagen 1- 3 aufgebautaus Werkstoff B

Substrat (1.2343)

SubstratmaterialWerkstoff B

Werkstoff A

Au

fbau

rich

tun

g

Gra

die

nt

Gradierte Werkstoffe

Variable Einstellung von Volumeneigenschaften und Randschichteigenschaften

(hoher Aufmischungsgrad erforderlich zur Vermeidung von Eigenschaftssprüngen)

z. B. zäher Kern und verschleißfeste Randschicht

Aufbau gradierter Volumenkörper

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Verbundwerkstoffe

Aufbau von Schichtverbundkörpern

Variable Einstellung von Mischeigenschaften (geringer Aufmischungsgrad

erforderlich zur Vermeidung von Eigenschaftssprüngen)

z. B. zähe Schichten zum Stoppen des Risswachstums

Werkstoff A

Werkstoff B

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Beispiel: Modifizieren eines Werkzeugeinsatzes

Bahnprogrammierung

Auftragschweißen

Fertig geschweißtes Werkzeug

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Beispiel: Reparatur eines Druckgießwerkzeugeinsatzes

Verschlissener Werkzeugeinsatz

Digitalis ierung der Kontur und Erstellung eines CAD-Modells

Bahnprogrammierung

Abdrehen des ver-schlissenen Bereichs

EndbearbeitungGeneratives Auftragschweißen

Diese Folie nur zeigen nicht als Handout

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Laserauftragschweißen als generatives Verfahren

Near-Netshape- Generieren des vollständigen Einsatzes auf einer Preform

Aufbau Hülle-Kern

Kern: duktil aus 1.4404(X 2 CrNiMo 17-12-2), ca. 20 HRC

Hülle: verschleißfest, Metco 42 C(Fe 16Cr 2Ni 0,2C), ca. 50 HRC

Beispiel: Herstellung gradierter Druckgießwerkzeugeinsätze

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Hülle: Metco 42 C Kern: 1.4404 Übergangszone

AustenitMartensit + Ferrit

Querschliff Werkzeugeinsatz:

Kleiner Übergangsbereich Hülle-Kern

Anschneidung des Kerns durch Nacharbeit

Große Dickenunterschiede im Bereich der Hülle

Beispiel: Herstellung gradierter Druckgießwerkzeugeinsätze

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Weiterentwicklung des generativen Laserauftragschweißens

Qualität

Genauigkeit / Verzug

Aufbaustrategie,

Prozessüberwachung/-regelung

Reproduzierbarkeit, Übertragbarkeit

auf andere Bauteile

Prozessüberwachung /–regelung =>

adaptives LMD, Datenbank

Produktivität

Aufbaurate

Parameter anpassen,

Aufbaustrategie, „Lichtbalken“

Materialeffizienz

Wirkungsgrad verbessern, Recycling

Quelle: LENS ™

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Genauigkeit / Verzug

Lösungsansätze

Hülle-Kern-Strategie (Füllen mit großem

Strahldurchmesser, Kontur mit kleinem

Strahldurchmesser => Zoom-Optik)

Geometrieüberwachung (integrierter

Scanner) => Anpassung Parameter,

Aufbaustrategie

Prozessregelung

Vorwärmung (Abbau von thermisch

induzierten Spannungen)

Stand der Technik: 0.3-0.5 mm

Ziel: 0.1 mm

Qu

ell

e: P

&G

Bra

un

Bearbeitungskopf

Scanner

Zoom-Optik


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Reproduzierbarkeit, Übertragbarkeit

Lösungsansätze

Prozessüberwachung (Kamera, Pyrometer)

Prozesskontrolle

Messgrößen: Temperatur, Schmelzbadgröße,

Abstand, Schichthöhe, …

Regelgrößen: Leistung, Pulvermassenstrom,

Strahldurchmesser, …

Stand der Technik: Individuelle Anpassung der Parameter

Ziel:Adaptives LMD

Visualisierung des Schmelzbades mit Fremdbeleuchtung

Schmelzbadgröße, -.form und -temperatur bei konstanten Parametern

Quelle: ILT

Quelle: ILT


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LösungsansätzeAufbaurate und Wirkungsgrad

Lösungsansätze

Prozessführungsstrategien

(z. B. Hülle-Kern-Strategie)

Umsetzung von Laserleistung in Aufbaurate

Auftragschweißen mit

schaltbaren„Lichtbalken“ (z.B. Diodenemitter

in Form von Arrays) -> neue Konzepte für die

Pulverzufuhr erforderlich

Pulvernutzungsgrads durch Düsendesign

verbessern, Pulver-Recycling

Stand der Technik:< 20 mm3/s

Ziel:> 100 mm3/s 90 mm

Große Strahlbreite mit angepasster Intensitäts-verteilung durch Strahlformungsoptiken

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Perspektiven für die Produktion

Herstellung von Funktionsprototypen

Herstellung/Modifikation von (Klein)Serienteilen

Hybride Werkstoffkonzepte für den Leichtbau

Funktionsangepasste Werkstoffe

(z. B. gradierte Werkstoffe)

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Mikro-Laserauftragschweißen

Mikro-LA mit manuellen Systemen

Quelle: Rofin

Makro-LA mit automatisierten Systemen

Quelle: Braun /Reis

Strahldurchmesser : d < 500 µmZusatz: Draht

Anwendungen:• Werkzeug- und Formenbau• Schmuckindustrie

Strahldurchmesser : d > 500 µmZusatz: Pulver (Draht)

Anwendungen:• Werkzeug- und Formenbau• Turbomaschinenbau• Automobiltechnik

Mikro-LA mit automatisierten Systemen

10mm

•Größere Auswahl von Zusatzwerkstoffen (Pulver)

•Größere Prozesssicherheit•Senkung der Kosten•Erschließung neuer Anwendungen: z. B. Elektronikindustrie

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Herausforderungen

Randbedingungen und Herausforderungen für das pulverbasierte Mikro-Laserauftragschweißen

Brillante Laserstrahlquellen

Handhabungssysteme mit hoher Präzision

Förderung kleiner Pulverkornfraktionen (< 20 µm) => Konstanz der Förderrate, kleine „Divergenz“ des Pulver-Gas-Strahls

Angepasste Verfahrensparameter

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Strahlkaustik des SP 100C (SPI)

Grundlagen des Mikro-Laserauftragschweißens

Single Mode Faserlaser

= 1090 nm

SPI: Pmax = 100 W

IPG: Pmax = 200 W

Brennweite:f = 150 mm db 50 µm

cw

gepulst ( 100 ms)Primes Micro Spot Monitor

Brillante Laserstrahlquellen

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Konventionelle Pulverförderer sind ausgelegt für Pulverkornfraktionen > 20 µm

Mikro-LA erfordert Pulverkornfraktionen d < 15 µm

Feine Partikel neigen zur Agglomeration

Fließfähigkeit verschlechtert sich

Konventionelle Pulverförderer sind nicht nutzbar

Stahlpulver: d= 45-63 µm d < 30 µm

Pulverförderung

Pulverförderer mit Abstreifer

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Bürstenförderer: Förderung von Pulver mit d = 0,1 µm - 100 µm

Pulver

Bürste

GasAerosol

Zufuhrkolben

Fördereinheit

Fördereinheit

Pulverförderung

Nachteil: Große Gasvolumenströme erforderlich: 6-8 l/min

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Ergebnisse

Substrat: 1.4403 (Edelstahl)

Pulverwerkstoff 316L: 1.4404

Pulverpartikeldurchmesser: 1 - 9 µm

Ergebnis:

Gleichmäßige Spurgeometrie

Spurbreite: 50 µm

Spurhöhe: 7 µm

Schmelztiefe: 6 µm

Aufmischungsgrad: > 40 %

Querschnitt

Aufsicht

P = 14 Wv = 500 mm/minØL= 60 µm

Substrat

Einzelspuren

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Gitterstrukturen auf Triebwerksbauteilen

Röntgensichtbarkeit von Stents

Kontaktierung elektrischer Schaltkontakte

Kontaktierung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen

(Potentielle) Anwendungen

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Gitterstrukturen sollen Haftfestigkeit der APS-gespritzten TBCs erhöhen

Substitution des Bond Coat

Viele Bauteile in Flugtriebwerken sind hohen Temperaturen(> 800 °C) ausgesetzt und müssen mit Wärmedämmschichten (TBC) geschützt werden.

Brenngas

Kühlluft

Tem

pera

tur

TBC (Keramik, z.B. ZrO2)

Bond Coat (z.B. MCrAlY)

Turbinenteil(z.B. aus Ni-Basis-Legierung)

APS = Atmospheric Plasma Spraying

TBC = Thermal Barrier Coating

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Bauteile

Substrat: Mar M-002 (NGV) und CMSX-4 (HPT)

Gitterstrukturen werden durch Mikro-LA aufgebracht

NGV: Nozzle Guide Vane

Oberfläche auf die die Gitterstrukturen aufgebracht werden

1.5±0.5 mm

Oberfläche auf diedie Gitterstrukturenaufgebracht werden

HPT (High Pressure Turbine) Liner

1.5±0.5 mm

Quelle: Rolls Royce

Quelle: Rolls Royce

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Mikro-LA der Gitterstrukturen auf den Bauteilen HPT Liner und NGV

dL = 280 µm

PL = 80 W

v = 2000 mm/min

4 Lagen

20mm

Quelle: Rolls Royce

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Keine Bindefehler, Risse und Poren in den Gitterstrukturen

Analyse der Gitterstrukturen

Aufsicht auf die erzeugtenGitterstrukturen

Längsschliff der Gitterstrukturen

2 mm

Kreuzungspunkt

Substrat:Liner1 (CMSX-4)

aufgetrag. Werkstoff (Inconel 625)

Quelle:Rolls Royce

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Gitterstrukturen an Zylinderoberflächen der HPT Liner und NGV

HPT Liner mitGitterstrukturen

Nozzle Guide Vane mit Gitterstrukturen (ILT Aachen)und mit TBC Schicht durch APS (FZ Jülich)

Quelle: Rolls Royce

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• Galvanische Beschichtung• großflächiger Stromfluss in die Bipolarplatte

Bipolarplatte mit galva-nischer Goldbeschichtung

Bipolarplatte mit selek-tiver Goldbeschichtung

Goldkontakte i

• lokale/selektive Beschichtung (Punkte oder Linien)

• Reduktion des Goldmaterials• Punktuelle Verbindung zwischen MEA und

Bipolarplatte

i

Motivation

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Ebene Testplatten

45 x 45 mm

Variation desAbstandes derGoldkontakte

0

100

200

300

400

500

0 100 200 300 400 500

Kontaktdruck [N/cm²]

Ko

nta

ktw

ide

rsta

nd

[m

·cm

²] Flexible Graphitfolie

Nickelbasislegierung & GD 6 mm



Nickelbasislegierung

Abstand GD

Kontaktwiderstand in Abhängigkeit vom Kontaktdruck

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GalvanischeBeschichtung

Mikro-LA

@ 1/2011 Goldpreis: 43 USD/g

1000µm

50 µm

100mm

GalvanischeBeschichtung

Werkstoffvolumen:8 mm3 für Schicht-dicke von 0,8 µm

Werkstoffkosten:6,64 $ pro Seite

Mikro-LA

Werkstoffvolumen:0,08 mm3 (für Breite70 µm und Höhe 30 µm)

Werkstoffkosten: 0,0664 $ pro Seite

(Voraussetzung: 100 % Recycling)

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung (nur Werkstoff)

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Kollimator

Zoom

Koaxiale Pulverdüse

Sonderoptiken für das LMD: Zoomoptik

Strahldurchmesser einstellbar von 0.5 – 2.5 mm

Arbeitsebene bleibt fix

Steuerung des Zooms über die Steuerung der Handhabung

20 cm

Motor

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Konventionell: Aufbau durch Überlappung mehrerer Spuren

Zoom: Aufbau mit einzelner Spur durch Variation der Breite

Anwendung: Tip-Repair von Turbinenschaufeln

Tip

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Prinzip

Linearer Anstieg/Abfall von Strahldurchmesser und Laserleistung über die Spurlänge Konstanter Pulvermassenstrom Konstante Geschwindigkeit

1 2

d = 600 µm

d = 2400 µm

d = 600 µmR = 110 mm

0

300

600

900

1200

1500

1800

2100

2400

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Track length [mm]

Lase

r b

eam

dia

mete

r [µ

m]

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Lase

r p

ow

er

[W]

Laser beam diameter

Laser power

1

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Innenbearbeitungsköpfe

Technische Spezifikationen

Laserstrahlquelle Nd:YAG, Diode, Scheibe, Faser

Laserleistung 0.5-3 kW (4-6 kW)

Pulverkornfraktion 20-100 µm

Spurbreite 1.5 - 3 mm (- 5 mm)

Minimum internal diameter of the work piece > 25 mm (Standard: 50 mm)

Maximale Eintauchtiefe 500 mm (1000 mm)

Gewicht 3-30 kg

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Andreas Weisheit

Fraunhofer Institut für Lasertechnik

Steinbachstraße 15

D-52074 Aachen, Deutschland

Phone: +49 (0) 241 89 06 -403

Fax: +49 (0) 241 89 06 -121

Email: [email protected]

Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit!Fraunhofer ILT

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