Additives Laserauftragschweissen mittels koaxialem Direktdiodenlasersystem zur Reparatur von Gasturbinengehausen

摘要

Das Laserauftragschweissen fur die additive Fertigung und Reparaturaufgaben wird im Bereich von Turbinen und Energiemaschinen zumeist mit der Fertigung und Reparatur von Turbinenschaufeln in Verbindung gebracht. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Reparatur von Struktur- und Gehausebauteilen von Turbinen aus Nickel-Basiswerkstoffen oder Stahlguss. Bisher wurden etwaige Fehler, z.B. Lunker oder Porennester, mittels WIG-Handschweissen nachgearbeitet. Der grosse lokale Energieeintrag des Lichtbogenverfahrens fuhrt hierbei sowohl zu hohen lokalen Eigenspannungen und Verzug als auch zu Gefugeeigenschaften, die eine Warmebehandlung des zum Teil mehrere Meter grossen Gehausebauteils erfordern. Inhalt eines von SIEMENS (Power and Gas, Berlin) initiierten Entwicklungsprojektes ist die Substitution des WIG-Schweissens durch einen automatisierten und inline geregelten Laserauftragschweissprozess, der zum einen einen hoheren Automatisierungsgrad und hohere Qualitat ermoglicht und zum anderen durch prazise Energiefuhrung die Warmenachbehandlung uberflussig macht. Im Beitrag wird ein robotergefuhrtes koaxiales Direktdiodenlasersystem vorgestellt, bei dem der Zusatzwerkstoff entweder als (Heiss-)Draht oder als Pulver zentrisch zugefuhrt wird. Die Laserstrahlung wird durch 6 ringformig um die Werkstoffzufuhrung angeordnete Diodenlasermodule im Laserkopf erzeugt, wobei durch Einzelbestromung der Module erstmals die Energieverteilung im ringformigen Laserstrahl entsprechend der Bearbeitungsrichtung und den Prozessanforderungen angepasst wird. Auf Basis der TCP-Geschwindigkeit und Bildauswertung der Schmelzbadgeometrie wurde zusatzlich eine inline-Prozessregelung realisiert. Im zweiten Teil des Beitrages wird die Entwicklung des Schweissprozesses an den Reparaturmulden vorgestellt. Zur Unterstutzung der Prozessentwicklung wurde mittels eines FEM-Modells die Temperaturverteilung beim Auftragschweissen berechnet und die Einbrandtiefe oder mogliche Benetzungsfehler in Abhangigkeit von Vorschub, Drahtausbringung, Laserleistung und -energieverteilung analysiert. Am Beispiel von konkreten Reparaturschweissungen an Standardmulden wird u. a. gezeigt, dass beim Laserdrahtschweissen von IN718 durch Schichtdicken unter 0,3 mm und deren Kreuzversatz kolum-nares Kornwachstum und kritische Werkstoffphasen vermieden werden. Die Schweissergebnisse werden anhand von metallographischen Untersuchungen und Zugproben erlautert.