CH697660A2 - Schweiss-Reparaturverfahren, insbesondere für eine Turbinenschaufelspitze. - Google Patents

Abstract

Ein Schweiss-Reparaturverfahren verwendet einen Wolfram-Inertgas- oder Plasma-Lichtbogen-Schweissbrenner und einen passenden Füller. Die an den Schweissbrenner zugeführte Stromstärke und die Vorschubgeschwindigkeit des Schweissbrenners werden gesteuert, um eine Schweissraupe mit einer pilzförmigen Gestalt zu erzeugen. Die Schweissraupe wird von allen Seiten geschliffen, um zumindest die Hälfte der Dicke der Schweissraupe abzutragen, und eine weitere Schweissraupe wird gebildet. Die Technik erzeugt rissfreie Schweissnähte mit gerichtet verfestigtem Schweissmetall, das jenem des Grundmaterials ähnlich ist und somit vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweist.

Description

  Hintergrund der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schweisstechnik zur Reparatur einer Turbinenschaufelspitze und insbesondere eine Pilz-Schweiss-Reparaturtechnik zur Reparatur einer gerichtet verfestigten Schaufelspitze der letzten Stufe unter Verwendung eines Wolfram-Inertgas- (GTAW, gas tungsten arc welding) oder Plasma-Lichtbogen-Schweissverfahrens (PAW, plasma arc welding) und eines Fülldrahts mit passender chemischer Zusammensetzung. Die Schweisstechnik kann auch wirksam bei anderen Schaufeln der letzten Stufe eingesetzt und in einfacher Weise in Schweissreparaturwerkstätten angewandt werden.

[0002] Gerichtet verfestigte Schaufeln aus einer mit GTD-444 gekennzeichneten Superlegierung, sogenannte DS GTD-444-Schaufeln, werden als Schaufeln der letzten Stufe für Motoren mit hohem Wirkungsgrad, wie etwa die FB- und H-Motormodelle von General Electric, verwendet.

   Die gerichtet verfestigten GTD-444-Schaufeln weisen typischerweise bessere Kriechfestigkeitseigenschaften auf. In vielen Fällen müssen diese Schaufeln an ihrer Spitze durch Schweissen repariert werden. Bei neu gefertigten Teilen kann dies auf Grund von schlechter/falscher Schleifbearbeitung oder schlechter/falscher maschineller Bearbeitung erforderlich sein, und bei Schaufeln im Betrieb auf Grund von Spitzenverschleiss oder Streifen der Spitzen an der Wabendichtung während des Motorbetriebs.

[0003] Es ist bekannt, dass die Schweissbarkeit der Superlegierung GTD-444 extrem problematisch ist, da diese Legierung einen höheren Gamma-Strich-Anteil (ca. 60%) in der Matrix enthält.

[0004] Daher entsteht durch Schweissen eine nicht annehmbare Rissbildung in den von Hitze betroffenen Zonen des Grundmetalls und im Schweissmetall.

   Einige frühere Versuche der Schweissreparatur unter Verwendung von Füllern mit passender chemischer Zusammensetzung haben zu starker Rissbildung in der Schweissnaht und in der von der Hitze betroffenen Zone des Grundmetalls (HAZ - heat affected zone) geführt. Wartungswerkstätten von General Electric verwenden ein GTAW-Verfahren für Schaufeln, die aus der Legierung 738 und gleichachsigem GTD-111 gegossen wurden. Derzeit ist kein Schweiss-Reparaturverfahren bekannt, um Schaufelspitzen des Typs GTD-444 zu reparieren.

[0005] Die Systementwicklung macht es erforderlich, dass für eine bessere Leistung die Reparaturschweissung mechanische Eigenschaften schafft, die zu jenen des Grundmaterials passen. Passende Eigenschaften können nur durch Verwendung von passendem Füllmaterial wie etwa Rene 142 oder Rene 108 erzielt werden.

   Die Anfälligkeit für Rissbildung wird jedoch erhöht, wenn diese passenden Füllmaterialien verwendet werden. In vielen Fällen erzeugt ein duktiler Füller wie etwa IN 617 oder IN 625 rissfreie Schweissnähte, hat jedoch signifikant schlechtere Eigenschaften, und ist deshalb unerwünscht. In allen Fällen besteht das Schweissmetall aus gleichachsigen verfestigten Dendriten innerhalb des Schweissmetalls, was zu schlechteren Eigenschaften der Schweissung im Vergleich mit dem Grundmaterialsubstrat führt.

[0006] Es wäre wünschenswert, eine Reparaturtechnik bzw. ein Reparaturverfahren für DS GTD-444-Schaufelspitzen der letzten Stufe zu entwickeln, die bzw.

   das rissfreie Schweissungen mit zum Grundmaterial passenden Eigenschaften unter Verwendung eines GTAW-Verfahrens erzeugen würde.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0007] In einer beispielhaften Ausführungsform verwendet ein Schweiss-Reparaturverfahren einen Wolfram-Inertgas- (GTAW, gas tungsten arc welding) oder Plasma-Lichtbogen-Schweissbrenner (PAW, plasma arc welding) und einen passenden Füller.

   Das Verfahren schliesst die Schritte ein, dass
(a) :  die an den Schweissbrenner zugeführte Stromstärke und die Vorschubgeschwindigkeit des Schweissbrenners gesteuert werden, um eine Schweissraupe mit einer pilzförmigen Gestalt zu erzeugen;
(b) :  die Schweissraupe von allen Seiten geschliffen wird, um zumindest die Hälfte der Dicke der Schweissraupe abzutragen;
(c) :  der Schritt (a) wiederholt wird; und
(d) :

    der Schritt (b) wiederholt wird.

[0008] In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform schliesst das Verfahren die Schritte ein, dass
(a) : mit dem Schweissbrenner eine Erstarrungsfront, die parallel zu dem Grundmaterial ist, und eine geformte Schweissraupe erzeugt wird, wobei die geformte Schweissraupe gerichtet verfestigtes Schweissmetall an einem Mittelpunkt umgeben von gleichachsiger Struktur einschliesst;
(b) : im Wesentlichen die gesamte gleichachsige Struktur abgetragen wird;
(c) : der Schritt (a) wiederholt wird; und
(d) : der Schritt (b) wiederholt wird und das Grundmaterial im Wesentlichen in seinen ursprünglichen Dimensionen wiederhergestellt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0009] 
<tb>Fig. 1<sep>ist eine Prinzipskizze des Schweisstechnik-Reparaturverfahrens; und


  <tb>Fig. 2<sep>veranschaulicht das Konzept der Schweiss-Reparaturtechnik.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0010] Das Schweisstechnik-Reparaturverfahren einer beispielhaften Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Eine DS GTD-444-Schaufelspitze wird zuerst in einer Wrap-Box unter Inertgasatmosphäre, wie etwa Argon, Helium oder dergleichen, auf 1000  F vorgeheizt. Typische Aufheizraten in einer Wrap-Box sind 50  F/Min. von Raumtemperatur auf 1500  F, oder 25F/Min. auf eine maximale Temperatur von 1900  F. Auch die Erwärmung durch Induktion kann verwendet werden. Für die Reparatur der Spitze kann ein Rene 142-Hf-Fülldraht ausgewählt werden, da dessen chemische Zusammensetzung dem Grundmaterial der Superlegierung GTD-444 ähnlich ist. Es ist anzumerken, dass derzeit kein GTD-444-Fülldraht verfügbar ist.

   Andere geeignete Schweissfüllermaterialien mit passender hoher Festigkeit können GTD 111, Rene 80, Rene 80 108 und dergleichen, einschliessen. Für die Schweissreparaturtechnik wird ein GTAW-Verfahren oder ein PAW-Verfahren verwendet.

[0011] Die folgende Tabelle beschreibt sechs in Fig. 1 gezeigte Diagramme:

[0012] 
<tb>Diagramm<sep>Beschreibung<sep>Diagramm<sep>Beschreibung


  <tb>1<sep>Erster Durchgang:
Schweissung mit hohem Hitzeeintrag und geringer Geschwindigkeit, um eine pilzförmige Gestalt der Schweissung zu erzielen<sep>4<sep>2. Durchgang: Gleiches Verfahren, Beibehaltung der Pilzform


  <tb>2<sep>Hälfte der Schweissraupe abschleifen<sep>5<sep>Hälfte der Schweissung abschleifen (gleiches Verfahren)


  <tb>3<sep>Reparaturschweissung nach dem Abschleifen<sep>6<sep>Schweissreparatur abgeschlossen

[0013] In einem ersten Schritt werden die Stromstärke und die Vorschubgeschwindigkeit des GTAW-Schweissbrenners manuell so gesteuert, dass eine Schweissraupe mit einer "pilzförmigen" Gestalt erzeugt wird. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Pilzform breiter und höher als die Abmessungen der Schaufelspitze, mit Seiten und einem abgerundeten oberen Abschnitt.

[0014] Nach der Schweissung wird die Schweissraupe auf allen Seiten beschliffen. Die Menge des abgetragenen Materials entspricht ungefähr einer Hälfte der auf allen Seiten aufgeschweissten Schweissraupe.

   Auf die oben abgeschliffene Oberfläche wird ein folgender Durchgang unter Verwendung derselben Schweissparameter aufgeschweisst, und wieder so, dass eine wie ein "Pilz" geformte Schweissraupe erzeugt wird.

[0015] Nach Aufschweissung des zweiten Durchgangs wird erneut der Schleifvorgang ausgeführt, wobei die Spitze in ihren ursprünglichen Abmessungen wiederhergestellt wird. Die fertige Reparaturschweissung ist in Fig. 1 dargestellt.

[0016] Der Gedanke hinter der Beibehaltung der pilzförmigen Schweissnahtform ist, eine Erstarrungsfront zu erzeugen, die parallel zur Schaufelspitze ist. Dadurch werden gerichtet verfestigte Körner erzeugt, mit an der Spitze liegenden Keimen, die sich in die Oberfläche der Schweissraupe fortsetzen. Es ist schwierig, die Erstarrungsfront in dem Schweissmetall zu steuern, da Schweissen ein Nichtgleichgewichts-Prozess ist.

   Daher nimmt nach einem gewissen anfänglichen Wachstum gerichtet verfestigter Körner im ersten Schweissdurchgang der Temperaturgradient des Schweissbades mit zunehmendem Abstand von der Schweisschmelzlinie ab, was in der Keimbildung gleichachsiger Körner inneralb der äusseren Lage des Schweissmetalls resultiert. Die fertige Struktur schliesst gerichtet verfestigtes Schweissmetall im Zentrum umgeben von gleichachsiger Struktur ein. Dies ist aus einer makroskopischen Querschnittsdarstellung der Schweissung ersichtlich.

[0017] Es wird angemerkt, dass das Auftreten von Rissen meist mit einer gleichachsigen Struktur in dem Schweissmetall in Verbindung steht, und dieses daher äusserst schädlich ist, was die Schweissbarkeit angeht.

   Das Abtragen der Hälfte der Schweissraupe durch Schleifen vor jedem folgenden Durchgang entfernt beinahe alle gleichachsigen Körner, die durch den Schweissvorgang erzeugt werden. Dasselbe Verfahren wird für die Schweissung in mehreren Durchgängen wiederholt. Daher erzeugt diese Technik Schweissmetall mit gerichtet verfestigter Struktur, das frei von Rissen ist.

[0018] Beispielhafte Schweissparameter, die zum Testschweissen der Schaufel verwendet wurden, sind unten angeführt:
<tb>Strom:<sep>22-30 Ampere


  <tb>Spannung:<sep>10-12 Volt je nach Bedarf, um die Schmelzraupenfront aufrecht zu erhalten


  <tb>Ar-Strömungsrate (Wrap):<sep>250-300 SCFH je nach Bedarf, um die Oxidation der Schweissraupe zu verhindern


  <tb>Fülldraht-Durchmesser:<sep>0,045 ¾ ¾-0,062 ¾ ¾Vorsichtsmassnahmen: Der Aufbau der "Pilz"-Schweissraupe zu Beginn des Durchgangs muss langsam oder unter Verwendung einer Ansatzlasche erfolgen, um ein übermässiges Aufschmelzen des Grundmaterials zu vermeiden. Zusätzliches Füllermaterial oder eine Endlasche könnten verwendet werden, um Kraterrisse am Ende der Schweissraupe zu verhindern.

[0019] Mit der hierin beschriebenen Schweisstechnik kann die DS GTD-444 Superlegierungs-Schaufelspitze der letzten Stufe unter Verwendung eines GTAW- oder PAW-Schweiss-Verfahrens repariert werden. Das Verfahren erzeugt eine Schweissnaht, die in der Schweissung selbst, im Grundmaterial und in der von der Wärme betroffenen Zone frei von Rissen ist.

   Zusätzlich verwendet die Technik einen Füller mit passender chemischer Zusammensetzung, der im Grundmaterial ähnliche mechanische Eigenschaften aufweist. Die resultierende Schweissnaht schliesst gerichtet verfestigtes Schweissmetall ein, das dem gerichtet verfestigten Grundmaterial ähnlich ist, was zu einer sicheren Schweissnaht führt, die weniger anfällig für Risse ist. Die Schweisstechnik kann auch wirksam bei anderen Schaufeln der letzten Stufe eingesetzt und in einfacher Weise in Schweissreparaturwerkstätten angewandt werden.

[0020] Theoretische chemische Zusammensetzungen der genannten Superlegierungen auf Ni-Basis sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

[0021] 
<tb><sep>GTD 111<sep>GTD 444<sep>Rene 108<sep>Rene 80<sep>Rene 142-Hf


  <tb><sep>Legierung A<sep>Legierung B<sep>Legierung C<sep>Legierung D<sep>Legierung E


  <tb><sep>Durchschnitt<sep>Durchschnitt<sep>Durchschnitt<sep>Durchschnitt<sep>Durchschnitt


  <tb>Co<sep>9,50<sep>7,50<sep>9,50<sep>9,50<sep>12,00


  <tb>Cr<sep>14,00<sep>9,75<sep>8,35<sep>14,00<sep>6,80


  <tb>Al<sep>3,00<sep>4,20<sep>5,50<sep>3,00<sep>6,10


  <tb>Ti<sep>4,90<sep>3,50<sep>0,75<sep>5,00<sep>


  <tb>Mo<sep>1,55<sep>1,50<sep>0,50<sep>4,00<sep>1,50


  <tb>Ta<sep>2,75<sep>4,80<sep>3,05<sep><sep>6,30


  <tb>W<sep>3,80<sep>6,00<sep>9,50<sep>4,00<sep>4,90


  <tb>Nb<sep><sep>0,50<sep><sep><sep>


  <tb>Re<sep><sep><sep><sep><sep>2,80


  <tb>Hf<sep><sep>0,15<sep>1,50<sep><sep>


  <tb>C<sep>0,100<sep>0,08<sep>0,085<sep>0,17<sep>0,12


  <tb>B<sep>0,013<sep>0,00925<sep>0,015<sep>0,015<sep>0,015


  <tb>Zr<sep><sep><sep>0,0125<sep><sep>


  <tb>Ni<sep>60,4<sep>62,01<sep>61,24<sep>60,32<sep>57,97

[0022] Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den zur Zeit als die praktischsten und bevorzugten geltenden Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dennoch klar, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen einzuschränken ist, sondern im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen, die in das Wesen und den Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche fallen, abdecken soll.

Claims (10)

1. Schweiss-Reparaturverfahren unter Verwendung eines Wolfram-Inertgas- (GTAW, gas tungsten arc welding) oder Plasma-Lichtbogen-Schweissbrenners (PAW, plasma arc welding) und eines passenden Füllers, wobei das Verfahren umfasst: (a) die an den Schweissbrenner zugeführte Stromstärke und die Vorschubgeschwindigkeit des Schweissbrenners gesteuert werden, um eine Schweissraupe mit einer pilzförmigen Gestalt zu erzeugen; (b) die Schweissraupe von allen Seiten geschliffen wird, um zumindest die Hälfte der Dicke der Schweissraupe abzutragen; (c) der Schritt (a) wiederholt wird; und (d) der Schritt (b) wiederholt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend das Wiederholen von Schritt (a) und das Wiederholen von Schritt (b) vor dem Schritt (c).

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schweiss-Reparaturverfahren für eine Turbinenschaufelspitze ausgelegt ist, und wobei das Verfahren des Weiteren vor dem Schritt (a) das Vorheizen der Schaufelspitze umfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Vorheizschritt in einer Atmosphäre aus Inertgas durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Inertgas entweder Argon oder Helium ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schweiss-Reparaturverfahren für eine Turbinenschaufelspitze ausgelegt ist, wobei die Turbinenschaufelspitze aus einer gerichtet verfestigten Superlegierung gebildet ist, und wobei Schritt (a) unter Verwendung eines geeigneten Fülldrahts durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Fülldraht aus Legierung E gebildeten Fülldraht umfasst.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Fülldraht Legierung A, Legierung C oder Legierung D umfasst.

9. Schweiss-Reparaturverfahren für ein Grundmaterial unter Verwendung eines Wolfram-Inertgas-(GTAW, gas tungsten arc welding) oder Plasma-Lichtbogen-Schweissbrenners (PAW, plasma arc welding) und eines passenden Füllers, wobei das Verfahren umfasst: (a) mit dem Schweissbrenner eine Erstarrungsfront, die parallel zu dem Grundmaterial ist, und eine geformte Schweissraupe erzeugt wird, wobei die geformte Schweissraupe gerichtet verfestigtes Schweissmetall an einem Mittelpunkt umgeben von gleichachsiger Struktur einschliesst; (b) im Wesentlichen die gesamte gleichachsige Struktur abgetragen wird; (c) der Schritt (a) wiederholt wird; und (d) der Schritt (b) wiederholt wird und das Grundmaterial im Wesentlichen in seinen ursprünglichen Dimensionen wiederhergestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei Schritt (a) so durchgeführt wird, dass die geformte Schweissraupe in einer pilzförmigen Gestalt gebildet wird.