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Sulzer Innotec
1
Workshop Faserlaser
Dr.-Ing. Thomas Peters
Sulzer InnotecLaser Surface Engineering
■ Sulzer Innotec
■ Warum ein Faserlaser?
■ Konzeption einer multifunktionalen Laserschweissanlage
■ Beispiele für das Laserauftrag-schweissen
Auftragschweissen mit dem Faserlaser
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2
Sulzer – Produkte und Dienstleistungen
Sulzer Pumps
Pumpen und zugehörigeDienstleistungen
Sulzer Metco
Oberflächentechnologienund -dienstleistungen
Sulzer Chemtech
Komponenten und Services für Trennkolonnen und statisches Mischen
Sulzer Turbo Services
Services und Reparaturen für thermische Turbomaschinen
Sulzer Innotec
Auftragsforschung und technische Dienstleistungen
� 1834 in Winterthur,Schweiz, gegründet
� heute mit ca 11.000 Mitarbeitern global an rund 120 Standortentätig
� Kerntechnologien sindMaterialtechnologie und Strömungstechnik
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Laser bei Innotec
■ Kompetenz-Zentrum für Laserschweissenbei Sulzer ab 1988: Entwicklung von■ Anlagenkomponenten(Pulverdüsen, …)■ Geschäftsmodellen (Ventilpanzerung, …)■ Schweissprozessen (Einkristall-
schweissen, …)
■ Langjährige Erfahrung mit einer Vielzahl vonMaterialkombinationen
■ Heute betätigt sich die Gruppe Laser SurfaceEngineering LSE als Laser-Servicedienstleisterin verschiedensten Märkten – von derMedizinaltechnik über denFormenbau bis zu Gas-turbinenkomponenten
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4
Dienstleistungen und Anlagen
2 kW CO2-Laser 150 W Nd:YAG-Laser 1.5 kW Faser-Laser
■ Laserschweissen
■ Laserbeschichten
■ Laserauftragschweissen■ Laser-Pulver-
Auftragschweissen
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5
Pulverauftragschweissen – Wie das geht
■ Laserstrahl mit definierten Strahldurchmesser aufdem Werkstück fokussiert
■ pulverförmiger Auftragwerkstoff wird in inertenTrägergas transportiert und über Pulverdüse inSchmelzpunkt eingeblasen
■ Relativbewegung zwischen Laser- und Pulverstrahleinerseits sowie Bauteil andererseits ergibt den Schweissauftrag
Auftrag
Grundmaterial
Pul
ver
Wärmeeinflusszone
Laserstrahl
Schmelze
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Warum Laserschweissen?
Laserschweissen bedeutet
■ Hohe Leistungsdichte durcheinen kleinen Strahlfokus
■ Lokal begrenzter Wärme-eintrag, geringe Bauteil-erwärmung
Das bedeutet
■ Wenig bis keinen Verzug
Wichtig für hochpräzise Bauteile wie Formwerkzeuge oder Blechkonstruktionen
■ Geringe thermische Beeinträchtigung von temperatur-empfindlichen Werkstoffenz.B. hochwarmfeste Nickelbasislegierungen in Industriegasturbinen
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Laser-Pflichtenheft
Quelle:
www.eierlegendewollmilchsau.com
gesucht: die „eierlegende Wollmilchsau“■ Sehr gute Strahlqualität (Fokussierung),
damit gleichermassen für fügendesSchweissen und Auftragschweissengeeignet
■ Glasfasergekoppelte Strahlführung fürhohe Prozess-Stabilität
■ Weiter Leistungsregelbereich von 50 W bis1.5 kW (später 3 kW)
■ Möglichst klein und kompakt für mobilen Einsatz
■ Hoher elektrischer Wirkungsgrad fürSteckdosenbetrieb
■ Geringer Wartungsaufwand
■ Niedrige Investitionskosten
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Vergleich der Wellenlängen
+~ 60%geringe Reflektionen⇒ niedrigere Leistung
notwendig-
~ 30%starke Reflektionen⇒ höhere Leistung
notwendig
Absorbtion beimAuftragschweissen
-Passiert Hornhaut undwird auf der Netzhaut fokussiert !
oAbsorbtion in der Hornhaut
Gefährdung des Auges
+Glasfaser-Kupferspiegelsystem(CO2 schneidet Glas)
Strahlführung
~1065 nmnahes Infrarot
10600 nmmittleres Infrarot
Wellenlänge
Dioden, Nd:YAG, FaserCO2Lasertyp
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Auswahl der Strahlquelle nach Pflichtenheft
Aber: Neue Technologie! Trotz exzellenter Referenzen aus der akademischenWelt bislang wenig Erfahrung aus dem industriellen Einsatz verfügbar.
1.5 kW Faserlasero-++
geringer Wartungs-aufwand
o- o++elektr. Wirkungsgrad
-o++Bauvolumen, mobiler Einsatz möglich
-- o++weiter Leistungsregel-bereich
-+++FasergekoppelterLaserstrahl
+o-+hohe Strahlqualität
CO2Nd:YAGDiodeFaserLasertyp
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■ Mindestens 5 Achsen für optimale Strahl-ausrichtung im Raum und auf das Werkstück
■ Modulares Anlagenkonzept für stationären undmobilen Einsatz
■ Alle Anschlüsse und Steuerleitungen steckbar
■ CNC-Steuerung Industriestandard
■ 5-Achsentransformation für simultaneAchsbewegung in der Schweissbearbeitung
■ Ansteuerung aller relevanten Laserparameter, Schutzgas-einstellungen, Peripheriegeräte
■ Netzwerkanbindung, Tele-Wartung
Anlagen-Pflichtenheft
gesucht: die „Legeschermelkwurstmaschine“
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Faserlaser-Anlage im stationären Betrieb
Faser-Laseranlage 1.5 kW Faser-Laser mit Kühlerund CNC-Bedienpult
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Faserlaser-Anlage im stationären Betrieb
Dreh-/Schwenktisch und Pulverförderer
Laserkopf mit 2 manuellen Achsen,Kühlwasseranschlüsse, Prozessgas-anschlüsse
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Lasersicherheit
■ Vollständige Einhausung notwendig
■ Technische Absicherung des Verschluss-Betriebs(Türkontakt mit Quittierung)
■ Schutzbrillen-Obligatorium innerhalbder Einhausung!
Das gilt auch für den mobilen Einsatz!
■ Die eingesetzten Hochleistungs-Laser sindKlasse IV-Geräte!
■ Der Gesetzgeber (und der gesunde Menschenverstand) fordern Klasse I ausserhalb der Anlage!
■ Auch wichtig: Für die Maschine ist eine Konformitätserklärung vorhanden, die auf die EU „Maschinenrichtlinie“ Bezug nimmt
gesucht: der passende Stall !
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Lasersicherheit
Faser-Laseranlage stationär in ihrer Sicherheits-Einhausung
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IGT: Wohl bekannt – Aufbau der Schaufelkrone
Schweissaufbau 6 mm
Kontur-Scan
Schweissprozess
Auftragschweissen – Beispiele
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Mechanisch Vorbearbeitet - Auftraggeschweisst
IGT: Etwas besonderes – Deckband-Modifikation
10 mm
Änderung des Kontaktflächenwinkels an Schaufeln mit Deckband
Auftragschweissen – Beispiele
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Auftragschweissen – Beispiele
EU-Projekt FANTASIA
■ Auftragschweissen auf der Bohrungs-innenseite, ~0.8 mm Aufbau, Ø 12 mm
■ Werkstoffkombination IN718 / IN718
Fluggasturbinen
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Auftragschweissen – Beispiele
■ Grundwerkstoff:1.2343 (X38 CrMoV5 1)
■ Aufbauwerkstoff:1.2083 (X42 Cr13)
Aufbau eines Formstegs 200 x 10 mm,10 mm hoch
Formwerkzeug
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Auftragschweissen – Beispiele
Formwerkzeug
Schweissaufbau 27 mm hoch,~ 1 mm dick (3+1 Lage)
■ Grundwerkstoff: 1.2344 (X40 CrMoV5 1)■ Aufbauwerkstoff: 1.2083 (X42 Cr13)
~ 50
0 m
m
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Auftragschweissen – Beispiele
Formwerkzeug
■ Schweissaufbau auf Konus 0.25 hoch
■ Innen-Ø 25 mm
■ max. Verzug 1.5/100 auf den Innen-Ø !
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Beschichten – Beispiele
Stellitieren eines Ventilkörpers
Beschichtung mit Stellite™ 6, 0.7 mm
■ Minimale Durchmischung mit dem Grundmaterial
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Zusammenfassung
■ Der Faserlaser ist im Kilowattbereich eine neue Strahlquelle, die mittelfristig den Nd:YAG-Laser in vielen Anwendungen ablösen wird und bezüglich Strahlqualität eine ernstzunehmende Konkurrenz zum Industriestandart CO2-Laser darstellt.
■ Der Faserlaser ist gleichermassen für Schweissen und Auftragschweissen wie auch Schneiden geeignet.
■ Die kleine, kompakte und wartungsfreie Bauweise macht einenmobilen Einsatz möglich.
■ Um die breiten Einsatzmöglichkeiten des Faserlasers abdecken zu können, wurde eine multifunktionale Laseranlage konzipiert.
■ Sulzer Innotec deckt mit einem stationären 2kW CO2-Laser, einem mobil einsetzbaren 1.5kW Faserlaser und einem gepulsten 150W Nd:YAG-Laser das Spektrum möglicher Laser(auftrag)schweiss-anwendungen bestmöglich ab.
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Backup – mobiler Betrieb
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Anlagenkonzept I – stationärer Betrieb
X
Z
A
B
DC
Y
5 CNC-AchsenX-Y-Z = 700 x 700 x 500 mmA, B = 360°, 360°
2 Klemm-AchsenC, D = 360°, ±100°
■ Dreh-/Schwenktischverschiebbar und demontierbar
■ Brücke in der Höhe verstellbar
■ 5-Achsentransformation fürsimultane Achsbewegung inder Schweissbearbeitung
■ Eingebunden in stationäresSicherheitskonzept
Brücke
Dreh-/
Schwenk-
tisch
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Anlagenkonzept II – mobiler Betrieb
3 CNC-AchsenX-Y-Z = 700 x 700 x 500 mm
2 Klemm-AchsenC, D = 360°, ±100°
Brücke
X
Z
DC
Y
■ Brücke vor Ort an geeigneterTrägerkonstruktion montierbar
■ Eingebunden in mobilesSicherheitskonzept
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Anlagenkonzept III und IV – mobiler Betrieb
1 bzw keine CNC-AchseZ = 500 mm
2 Klemm-AchsenC, D = 360°, ±100°
■ Z-Achskörper mit Bearbeitungskopf
■ Wahlweise mit oder ohne eigenenZ-Achsantrieb
■ Integration in Handhabungssystemvor Ort z.B. Drehmaschine
■ Eingebunden in mobilesSicherheitskonzept
Z
Z-Achsantrieb
mit Flansch