Dipl.-Ing. Benjamin Graf Additive Verarbeitung von Titanlegierungen mittels Auftragschweißen

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1 Dipl.-Ing. Benjamin Graf Additive Verarbeitung von Titanlegierungen mittels Auftragschweißen Additive Fertigung mit flexiblen Prozessketten

2 Inhalt Laser-Pulver-Auftragschweißen Anwendung für Titanlegierungen Schutzgasabdeckung Einfluss der Schweißparameter Zusammenfassung 2

3 Anwendungen von Titanlegierungen Hüftimplantat Bild: Amplitude Anwendungen: Medizintechnik Leichtbau Luftfahrt, Triebwerksbau Vorteilhafte Eigenschaften am Beispiel von Ti-6Al-4V: Niedrige Dichte (4,43 g/cm³) Hohe Zugfestigkeit (950 N/mm²) Gute Korrosionsbeständigkeit Fahrradrahmen Bild: Litespeed Turbinenschaufel Bild: Starrag 3

4 Laser-Pulver-Auftragschweißen: Verfahren Aufschweißen eines Zusatzwerkstoffes mittels Laser: Laserstrahl erzeugt Schmelzbad Pulverförmiger Zusatzwerkstoff wird mittels Trägergas zugeführt Zusatzwerkstoff wird durch Laserstrahl erwärmt, Aufschmelzung erfolgt im Schmelzbad Aufgeschweißtes Material erstarrt zu einzelnen Raupen Laser-Pulver-Auftragschweißen Bildquelle: Trumpf 4

5 Laser-Pulver-Auftragschweißen: TRUMPF TruLaser Cell 7020 Technische Daten IPK Bauraum (X x Y x Z): 2000 x 1260 x 650 mm³ Laser (cw): 2000 W Strahlqualität: 8 mm x mrad Korngröße: µm Baugeschwindigkeit: bis zu 250 cm³/h Oberflächengüte: Rz = µm Positionierung: Dreh-Kipp-Tisch Werkstoffe: Edel- und Werkzeugstahl, Titan-, Aluminium-,Kobalt-Basis und Nickel-Basis-Legierungen Laserzelle mit 5-Achs-Maschine und Dreh-Kipp-Tisch 5

6 Herausforderungen beim Auftragschweißen Zugprobe: Sprödbruch in der Schweißzone Titanlegierungen: Hohe Affinität zu atmosphärischen Gasen Versprödung beim mangelnder Schutzgasabdeckung Auffüllen gefräster Nuten Bild 6

7 Schutzgasdüsen Standard 3-Strahl Düse Bild: Trumpf 3-Strahl Düse: Pulverzufuhr und Schutzgasabdeckung Lokale Schutzgas-Abdeckung Schutzgasatmosphäre: O 2 < 50 ppm Gute 3D-Fähigkeit, gute Zugänglichkeit Trägergas: Helium Schutzgas: Argon Zusätzliche Schutzgasvorrichtung: Verbesserte Abdeckung Eingeschränkte Zugänglichkeit und 3D-Fähigkeit Zusätzliche Düse nur für ebene Oberflächen Schleppdüse Bild 7

8 Schlierenmessung Lichtquelle Blende Düse Schlierenmessung Linsen zur Erzeugung eines parallelen Strahlenganges Brechungsindex in transparenten Medien abhängig von Dichte Blende zum Einstellen von Kontrast und Schärfe Linsen Kamera Sichtbarkeit von Dichte abhängig: Luft: 1,20 kg / m 3 CO 2 : 1,98 kg / m 3 Helium: 0,18 kg / m 3 Versuchsaufbau IPK 8

9 Schlierenmessung 5 mm Bewertung der Schutzgasabdeckung Schutzgasfilm auf Werkstückoberfläche Turbulenz durch Trägergas Ausdehnung der Schutzgasabdeckung» Schutzgasstrahl ca. 4 mm» Schutzgasfilm ca. 15 mm Düsengas: 10 l/min CO 2 4 mm 5 mm 15 mm 5 mm Trägergas: 4 l/min Helium Schweißprozess: Träger- und Düsengas 9

10 Auswahl passender Fertigungsparameter: Statistische Versuchsplanung Zusammenhang zwischen Schweißparametern und Spurgeometrie 5-stufiger Versuchsplan Zielgrößen» Spurbreite» Spurhöhe Titanlegierung Ti6Al4V Faktoren Minimal Maximal Schweißgeschwindigkeit 200 mm/min 2000 mm/min Leistung 500 W 2000 W Einflüsse auf Spurgeometrie Pulvermassenstrom 1 g/min 10 g/min Spotdurchmesser 0,6 mm 2,2 mm Bild 10

11 Auswahl passender Fertigungsparameter: Statistische Versuchsplanung Einflüsse auf Spurbreite: Einflüsse auf Spurhöhe: Einflussfaktoren Spurbreite» Leistung» Geschwindigkeit Spurhöhe» Geschwindigkeit» Pulvermassenstrom Unterschiedliche Haupteinflussgrößen Regressfunktionen liefern Spurgeometrie Bild 11

12 Parameterstudie Ti-6Al-4V: Einfluss der Schutzgasabdeckung Hohe Streckenenergie Mittlere Streckenenergie Geringe Streckenenergie Geschwindigkeit 0,5 m/min 1,0 m/min 1,0 m/min Leistung 2,0 kw 2,0 kw 1,0 kw Pulvermassenstrom Schutzgas Zusatzdüse 9,4 g/min 5,6 g/min 3,8 g/min Schleppdüse - - Einfluss der Schutzgaszufuhr: Schutzgasatomsphäre durch Schleppdüse und 3-Strahl Düse Werkstoff Ti-6Al-4V Mehrlagige Schichten Zielkonflikt: Hohe Produktivität und Aufbaurate erfordert hohe Streckenenergie Anforderungen an Schutzgasabdeckung steigen mit Streckenenergie 12

13 Parameterstudie: Anlauffarben 8 mm 8 mm 12 mm Hohe Streckenenergie Schleppdüse Mittlere Streckenenergie Geringe Streckenenergie Blanke Oberfläche mit Schleppdüse Ohne Schleppdüse : Anlauffarben von Streckenenergie abhängig 13

14 Schutzgasabdeckung Mittlere Streckenergie Anlauffarben, Ti-6Al-4V, v s = 1,0 m/min, P = 2000 W Geringe Streckenenergie Blanke Oberfläche, Ti-6Al-4V, v s = 1,0 m/min, P = 1000 W Verringerung der Streckenenergie führt zu blanker Oberfläche Lokale Schutzgasabdeckung ausreichend bei angepassten Schweißparametern 14

15 Härte HV1 Schutzgasabdeckung Hoher Energieeintrag Geringer niedrige Energieeintrag Schleppdüse Ti-6Al-4V, v s = 0,5 m/min, P = 2000 W Ohne Schleppdüse Ti-6Al-4V, v s = 1,0 m/min, P = 1000 W Verzicht auf Schleppdüse führt nicht zu Härtesteigerung Lokale Schutzgasatmosphäre ausreichend bei angepassten Schweißparametern 15

16 Reparatur: Füllen von Nuten Rissreparatur Füllen einer Nut mit mehreren Schweißlagen Schrägstellung der Düse für Flankenanbindung Schutzgasabdeckung erschwert durch Verwirbelungen innerhalb der Nut und Düsenschrägstellung 10 mm 15 mm Aufbau mit mehreren Schichten 16

17 Auffüllen von Nuten 175 Spuren 143 Spuren Titanlegierung Ti-Al3-V2.5, Parameterset für geringen Energieeintrag: v s = 1,0 m/min, P = 1000 W, m = 3,8 g/min Gute Flankenanbindung, Keine sichtbaren Risse und Poren Kürzere Schweißzeiten bei kleineren Nutvolumen 17

18 HV 1 Härtemessung: Ti-Al3-V Messpunkte Hardness Härte topoben Härte hardness Mitte middle Härte hardness unten bottom 18

19 Zugprobenfertigung Ausgefräste Nut Nut mit Schweißraupen gefüllt Zuschnitt für Zugprobenfertigung Zugprobenfertigung Zugprobe 19

20 Zugversuch Ti-3Al-2,5V Schweißzone geätzt Probe Bruchdehnung 13 % 14 % 15 % Zugfestigkeit 602 MPa 612 MPa 595 MPa Schutzgasatmosphäre: Lokale Abdeckung durch 3-Strahl-Düse Schweißparameter mit geringer Streckenenergie Ergebnisse Zugversuch: Deutliche Bruchdehnung sichtbar Schweißnaht fester als Grundwerkstoff Zugversuche Bruch im Grundwerkstoff 20

21 Materialauftrag auf SLM-gefertigte Gitterstrukturen Auswirkungen der Substratgeometrie auf LPA- Materialauftrag LPA Schweißprozess Aufbauraten: Abhängig von Wärmeleitung im Substrat Vermeidung von Wärmestau Titanlegierungen auf SLM- Strukturen: Aufbaurate bis zu 75 cm³/h Einsatzgebiet Verfahrenskombination: Kleinserienproduktion 21

22 120 mm Auslegung der Aufbaustrategie SA S2 SI Ausgleichslage (alle 8 Lagen) Standardlage Sln+1 Aufbaustrategie für Zylinder aus Startpunktverdrehung: Titanlegierungen Sl n+1 = Sl n + 95 Startpunkt Variation Kreis 1: von S1 Start- und Endpunkt einer Startpunkt Kreis 2: S2 Lage Startpunkt Innenfläche: SI Startpunkt Drehung Innenfläche: der Pendelrichtung SA je Lage Randkontur für hohe Endformnähe Auffüllen mittig durch Ausgleichslagen S2 S1 SI Standardlage Sln Aufbaustrategie für Zylinder 22

23 Zusammenfassung Aufschweißen eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffes Titanlegierungen beim Laser-Pulver-Auftragschweißen Zusätzliche Schutzgasdüsen verwendbar Höchste Flexibilität mit 3-Strahl-Düse Anpassung der Schweißparameter für kurze Abkühlzeiten IPK Titanlegierungen: Forschungsthemen am Fraunhofer IPK Anpassung der Schutzgasdüse Auslegung der Baustrategie Mechanische Eigenschaften unterschiedlicher Legierungen und Aufbauten 23

24 Kontakt Dipl.-Ing. Benjamin Graf Wissenschaftlicher Mitarbeiter Füge- und Beschichtungstechnik Laser-Pulver-Auftragschweißen Telefon: +49 (0)30 / Telefax: +49 (0)30 / benjamin.graf@ipk.fraunhofer.de