DE102009048957B4 - Verfahren zum Schmelzschweißen eines einkristallinen Werkstücks mit einem polykristallinen Werkstück und Rotor - Google Patents

Verfahren zum Schmelzschweißen eines einkristallinen Werkstücks mit einem polykristallinen Werkstück und Rotor Download PDF

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Abstract

Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines metallischen Werkstücks (2), das ein einkristallines Gefüge aufweist, mit einem metallischen Werkstück (4), das ein polykristallines Gefüge hat, mit den Schritten: – Herstellen der Werkstücke (2, 4) aus einer Superlegierung, – Positionieren der beiden Werkstücke (2, 4) im Stumpfstoß zueinander, – Schmelzschweißen der beiden Werkstücke (2, 4) durch einen Faserlaser (20).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines einkristallinen Werkstücks mit einem polykristallinen Werkstück und einen Rotor einer Strömungsmaschine mit zumindest einer Schaufelreihe hergestellt nach einem derartigen Verfahren.
  • Einkristalline Gefüge und polykristalline, gerichtet erstarrte Gefüge, beispielsweise aus einer Superlegierung mit einem hohen Nickel- oder Kobaltgehalt wie Inconel 718, gelten aufgrund ihres hohen y'-Anteils als nicht schmelzschweißbar. Werkstücke mit derartigen Gefügen werden daher häufig über stoffschlüssige Verfahren miteinander verbunden, bei denen keine schmelzflüssige Phase entsteht, die zur Rekristallisation und somit zur Bildung von schädlichen risseinleitenden Korngrenzen führen könnte. So wird beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 019 356 A1 der Anmelderin vorgeschlagen, zur Herstellung eines Turbinenblisk eine einkristalline Laufschaufel mittels eines Reibschweißverfahrens mit einer Rotorscheibe zu verbinden. In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 050 142 A1 der Anmelderin wird zur Herstellung eines Turbinenblisk vorgeschlagen, eine einkristalline Laufschaufel mit einem schmelzschweißgeeigneten Schaufelfuß zu versehen. In der DE 10 2005 021 642 B4 wird vorgeschlagen, eine einkristalline Turbinenschaufel aus einer Vielzahl von polykristallinen Formkörpern herzustellen, wobei exakte Erstarrungsbedingungen einzuhalten sind. Ebenso ist es bekannt, derartige Werkstoffe miteinander zu verlöten, jedoch garantiert das Löten keine Hochtemperaturfestigkeit.
  • In jüngster Vergangenheit hat sich jedoch im Bereich Auftragsschweißen das Schmelzschweißen auch bei einkristallinen Superlegierungen etabliert. So wird in der DE 60 2004 002 203 T2 vorgeschlagen, Ausbrüche in beschädigten Deckbändern mittels eines YAG-Lasers und eines Schweißpulvers aus dem Material des Deckbandes, hier Inconel 713, zu füllen. In der EP 1 808 572 A1 wird zum Beispiel zum Schließen von Rissen in Turbinenschaufeln vorgeschlagen, einen Schweißzusatzwerkstoff mit nicht optimalen mechanischen Eigenschaften zu verwenden, der anschließend durch einen Diffusionsprozess auf eine optimale Materialzusammensetzung eingestellt wird. Die Verwendung von Schweißzusatzstoffen ist jedoch aufgrund der genauen Zusammensetzung und Dosierung aufwendig und fehlerbehaftet. Ferner erlauben diese Schmelzschweißverfahren nicht das stoffschlüssige und rissfreie Fügen von einkristallinen Werkstoffen mit zum Beispiel polykristallinen Werkstoffen.
  • In der DE 10 2006 048 580 wird zum rissfreien Verschweißen metallischer Bauteile vorgeschlagen, eine örtliche Temperaturbeaufschlagung durch zwei parallele oder nahezu parallel zur Schweißrichtung verlaufende und sich zur Schweißrichtung längs erstreckende elektromagnetisch im Innern der Bauteile erzeugte Temperaturfelder durchzuführen.
  • Der Vollständigkeit halber sei noch die EP 1 512 838 A2 erwähnt, die zwar keinen Beitrag zur Schmelzschweißbarkeit von einkristallinen Gefügen leistet, die jedoch zeigt, dass die in der vorgenannten DE 60 2004 002 203 T2 erwähnten Ausbrüche durch Zwischenstücke vermeidbar sind, die lose in Seitentaschen zwischen den Deckbändern angeordnet sind, so dass die Deckbänder nicht gegeneinander reiben bzw. schlagen können.
  • Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von einkristallinen Werkstücken mit polykristallinen Werkstücken, das die vorgenannten Nachteile insbesondere bzgl. der Hochtemperaturfestigkeit und bzgl. den Schweißzusatzstoffen beseitigt und keine Risseinleitung begründet, sowie einen derartig hergestellten Rotor einer Strömungsmaschine zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 1 und durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen eines einkristallinen Werkstücks mit einem polykristallinen Werkstück sieht vor, die Werkstücke aus einer Superlegierung, insbesondere einer Nickelbasislegierung, herzustellen. Dann werden die Werkstücke im Stumpfstoß zueinander positioniert. Anschließend werden die Werkstücke unter Verwendung eines Faserlasers miteinander schmelzverschweißt.
  • Der Faserlaser in Kombination mit dem Stumpfstoß und einer sich dabei ausbildenden I-Naht ermöglicht die Schmelzverschweißung der beiden Werkstücke ohne die Bildung schädlicher und risseinleitender Korngrenzen, wobei über die I-Naht Schweißeigenspannungen besser verteilt werden. Die Werkstücke werden direkt miteinander verbunden, so dass Schweißzusatzstoffe nicht notwendig sind und der Schmelzschweißprozess einfach zu steuern bzw. zu regeln ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die gefügeschonende stoffschlüssige Verbindung der Werkstücke, die somit höchste mechanische, chemische und physikalische Belastungen aufnehmen können, wie sie beispielsweise im Heißgaspfad von Gasturbinen bzw. Strömungsmaschinen auftreten können. Eine zum Beispiel reduzierte Schwingfestigkeit oder eine begrenzte Hochtemperaturfestigkeit wie bei Lötverbindungen der gefügten Werkstücke ist bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zu befürchten.
  • Ein bevorzugter Werkstoff für das einkristalline Werkstück ist die Leichte Einkristalllegierung LEK 94 und für den polykristallinen Werkstoff Inconel 718. Derartige Werkstoffe sind insbesondere bei Gasturbinen bzw. bei Flugzeugtriebwerken etabliert, so dass das erfindungsgemäße Verfahren dort gezielt eingesetzt werden kann. Es sind jedoch auch andere Nickelbasislegierungen wie zum Beispiel Inconel 713 vorstellbar.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Stumpfstoß mit einer Dicke in den Grenzen von etwa 1 mm bis 2 mm ausgebildet. Hierdurch werden die Werkstücke über ihren Querschnitt im Stumpfstoßbereich gleichmäßig erwärmt und große Temperaturunterschiede bzw. Temperaturspannungen können nicht entstehen bzw. eingeleitet werden.
  • Vorzugsweise wird ein gepulster Faserlaser verwendet. Derartige Laser haben insbesondere eine hohe Strahlqualität und einen hohen Wirkungsgrad. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Faserlaser auf eine Schweißleistung von etwa 800 W bis 1300 W eingestellt. Dabei ist eine hohe Schweißqualität erreichbar, wenn der Laserstrahl mit einer Schweißgeschwindigkeit von etwa 2 m/min bis 6 m/min, insbesondere 4 m/min, relativ zu den Werkstücken entlang des Stumpfstoßes bewegt wird.
  • Zur Vermeidung einer nicht akzeptablen Laserstrahlauffächerung wird der Laserstrahl vorzugsweise orthogonal zum Stumpfstoß bewegt. In Abhängigkeit von den Prozessparametern wie Werkstoffe, Werkstoffdicke und Schweißleistung ist der Laserstrahl überfokussiert, unterfokussiert, oder scharf fokussiert. Beispielsweise sind eine Überfokussierung und eine Unterfokussierung um jeweils etwa 5 mm vorstellbar.
  • Als Schutzgas ist Helium vorstellbar. Dies erlaubt eine hohe Schweißqualität und ist verhältnismäßig einfach in der Handhabung.
  • Ein erfindungsgemäßer Rotor einer Strömungsmaschine hat zumindest eine Schaufelreihe, die eine Vielzahl von einkristallinen Schaufeln mit jeweils einem Deckband aus einer Superlegierung aufweist. Zwischen benachbarten Deckbändern ist jeweils ein polykristallines Zwischenstück aus einer Superlegierung angeordnet, das über eine erfindungsgemäßes Verfahren stoffschlüssig mit den Deckbändern verbunden ist.
  • Die erfindungsgemäße Schmelzschweißverbindung hat den Vorteil, dass die Zwischenstücke auch bei hohen Temperaturen und hohen mechanischen Belastungen fest zwischen den Deckbändern positioniert sind. Die Kontur der Zwischenstücke kann den Deckbändern optimal angepasst werden, so dass Strömungs- und Leckageverluste im Deckbandbereich der Schaufeln verhindert werden.
  • Bevorzugterweise bestehen die Deckbänder und die Zwischenstücke aus einer einer Nickelbasislegierung. Beispiele sind für das Deckband die Leichte Einkristalllegierung LEK 94 und für das Zwischenstück Inconel 718. Diese Werkstoffe sind bestens an die Bedingungen innerhalb einer Gasturbine angepasst.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine Seitenansicht von zwei zu fügenden Werkstücken nach einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
  • 2 die Werkstücke aus 1 nach der erfindungsgemäßen Schmelzschweißung,
  • 3 eine Seitenansicht von zwei zu fügenden Werkstücken nach einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
  • 4 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Rotors vor Durchführung einer erfindungsgemäßen Schmelzschweißung, und
  • 5 den Rotor aus 4 nach der Schmelzschweißung.
  • 1 zeigt ein metallisches Werkstück 2 mit einem einkristallinen Gefüge und ein metallisches Werkstück 4 mit einem polykristallinen Gefüge, die über das erfindungsgemäße Verfahren miteinander zu verschweißen sind. Die Werkstücke 2, 4 sind als rechteckige Dünnbleche mit einer ungefähren Höhe h1 = 1,27 mm bzw. h2 = 1,59 mm ausgeführt. Entsprechend bildet sich eine in 2 gezeigte I-Naht 24 mit einer Dicke d zwischen 1 mm bis 2 mm aus. Die Werkstücke 2, 4 bestehen aus einer Nickelbasislegierung, wobei das einkristalline Werkstück 2 den Werkstoff LEK 94 aufweist und das polykristalline Werkstück 4 den Werkstoff Inconel 718.
  • Die beiden Werkstücke 2, 4 sind auf einer Werkbank 6 positioniert und bilden einen Stumpfstoß, so dass ihre Fügeflächen 8, 10 plan aneinander anliegen. Sie sind über jeweils eine Einspanneinrichtung 12, 14 mit einem Spindelantrieb 16, 18 auf der Werkbank 6 eingespannt, die an ihren von dem Stumpfstoß entfernten Randabschnitten angreifen.
  • Die Schmelzverschweißung der beiden Werkstücke 2, 4 erfolgt über einen Faserlaser 20, der einen auf den Stumpfstoß gerichteten Laserstrahl 22 emittiert. Der Faserlaser 20 ist als ein gepulster Laser mit einer maximalen Leistung von 2 kW ausgeführt.
  • Beim erfindungsgemäßen Schmelzverschweißen der beiden Werkstücke 2, 4 wird der Laserstrahl 22 mit einem Vorschub von etwa 4 m/min relativ entlang des Stumpfstoßes bewegt. Seine bevorzugte Schweißleistung beträgt dabei etwa 40% bis 60%, also 800 W bis 1300 W, seiner maximalen Leistung von 2 kW. Dabei kann zur Vermeidung von Nahtfehlern, beispielsweise Anfangskratern und Endkratern, die Schweißleistung zu Beginn und zum Ende des Schweißvorgangs variabel erhöht bzw. reduziert werden. Vorzugsweise betragen seine Schweißwinkel in Vorschubrichtung und in Querrichtung des Stumpfstoßes jeweils 90 Grad. Somit ist der Laserstrahl 22 orthogonal auf den Stumpfstoß gerichtet. Seine Fokuslage ist den unterschiedlichen Höhen h1, h2 der Werkstücke 2, 4 angepasst und kann um etwa 5 mm überfokussiert bzw. unterfokussiert werden. Als Schutzgas wird Helium mit einem Durchsatz von etwa 4 l/min verwendet. Wie in 2 gezeigt ist, sind die Werkstücke 2, 4 nach dem Schmelzschweißen über die rissfreie I-Naht 24 fest miteinander verbunden.
  • Gemäß der Darstellung in 3 ist es erfindungsgemäß ebenfalls möglich, metallische einkristalline Werkstücke 2 und metallische polykristalline Werkstücke 4 mit gleicher Höhe h1 = h2 im Stumpfstoß unter Verwendung eines Faserlasers (nicht gezeigt) schmelzschweißend miteinander zu verbinden, wobei je nach den Werkstoffen und den Höhen h1, h2 eine Anpassung der vorgenannten Schweißparameter zur Ausbildung einer die Schweißspannungen reduzierenden I Naht 24 zu erfolgen hat.
  • 4 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Rotors 26 einer Strömungsmaschine. Der Rotor 26 ist ein sogenannter Turbinenblisk, an dessen Außenumfang 28 eine Vielzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Schaufeln 30, 32 integral angebunden bzw. ausgebildet sind. In der Anmeldung wird jedoch unter dem Begriff Rotor 26 auch ein integral beschaufelter Rotorring (Bling) verstanden.
  • Die Schaufeln 30, 32 sind fußseitig über ein Reibschweißverfahren an dem Außenumfang 28 befestigt, können jedoch auch bei der Herstellung des Rotors 26 bereits an diesem ausgebildet sein. Sie bestehen aus einer Nickelbasislegierung, vorzugsweise LEK 94 und weisen ein einkristallines Gefüge auf. Sie haben jeweils ein integral ausgebildetes und radial außenliegendes Deckband 34, 36. Benachbarte Deckbänder 34, 36 sind über jeweils ein metallisches Zwischenstück 38 von einander beabstandet.
  • Das Zwischenstück 38 weist ein polykristallines Gefüge aus und besteht aus der Nickelbasislegierung Inconel 718. Es hat einen T-förmigen Querschnitt mit zwei entgegengesetzt zueinander verlaufenden Stufenflächen 40, 42, mittels derer es mit gegenüberliegenden Seitenflächen 44, 46 der Deckbänder 34, 36 über das erfindungsgemäße Schmelzschweißverfahren verbunden ist. D. h., die Stufenflächen 40, 42 und die gegenüberliegenden Seitenflächen 44, 46 werden im Stumpfstoß positioniert und unter Verwendung eines Faserlasers (nicht gezeigt) miteinander gefügt, so dass sich die in 5 gezeigten rissfreien I-Nähte 48, 50 zwischen ihnen ausbilden. Das Zwischenstück 38 hat eine größere Wandstärke s1 als die Deckbänder 34, 36 mit s2. Zur vereinfachten Positionierung befindet sich das Zwischenstück 38 mit seinen Schulterflächen 52, 54 in Anlage mit dem Außenumfang 28 zugewandten Deckbandflächen 56, 58 der Deckbänder 34, 36.
  • Es sei erwähnt, dass das hier beschriebene Verfahren nicht auf Dünnbleche beschränkt ist, sondern dass unter Anwendung der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Lehre auch dickwandigere einkristalline Werkstücke 2 mit polykristallinen Werkstücken 4 schmelzschweißend miteinander verbunden werden können.
  • Offenbart ist ein Verfahren zum Schmelzschweißen eines metallischen Werkstücks 2, das ein einkristallines Gefüge aufweist, mit einem metallischen Werkstück 4, das ein polykristallines Gefüge hat, unter Verwendung eines Faserlasers 20 und unter Ausbildung einer I-Naht 24, sowie ein nach einem derartigen Verfahren hergestellter Rotor 26.
  • Bezugszeichenliste
  • 2
    einkristallines Werkstück
    4
    polykristallines Werkstück
    6
    Werkbank
    8
    Fügefläche
    10
    Fügefläche
    12
    Einspanneinrichtung
    14
    Einspanneinrichtung
    16
    Spindelantrieb
    18
    Spindelantrieb
    20
    Faserlaser
    22
    Laserstrahl
    24
    I-Naht
    26
    Rotor
    28
    Außenumfang
    30
    Schaufel
    32
    Schaufel
    34
    Deckband
    36
    Deckband
    38
    Zwischenstück
    40
    Stufenfläche
    42
    Stufenfläche
    44
    Seitenfläche
    46
    Seitenfläche
    48
    I-Naht
    50
    I-Naht
    52
    Schulterfläche
    54
    Schulterfläche
    56
    Deckbandfläche
    58
    Deckbandfläche
    h1
    Höhe einkristallines Werkstück
    h2
    Höhe polykristallines Werkstück
    d
    Dicke Schweißnaht
    s1
    Wandstärke Zwischenstück
    s2
    Wandstärke Deckband

Claims (14)

  1. Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines metallischen Werkstücks (2), das ein einkristallines Gefüge aufweist, mit einem metallischen Werkstück (4), das ein polykristallines Gefüge hat, mit den Schritten: – Herstellen der Werkstücke (2, 4) aus einer Superlegierung, – Positionieren der beiden Werkstücke (2, 4) im Stumpfstoß zueinander, – Schmelzschweißen der beiden Werkstücke (2, 4) durch einen Faserlaser (20).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Werkstoffe für das einkristalline Gefüge LEK 94 und für das polykristalline Gefüge Inconel 718 verwendet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stumpfstoß mit einer Dicke (d) in den Grenzen von 1 mm bis 2 mm ausgebildet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Faserlaser (20) gepulst wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Faserlaser (20) auf eine Schweißleistung von etwa 800 W bis 1300 W eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Laserstrahl (22) mit einer Schweißgeschwindigkeit von etwa 2 m/min bis 6 m/min relativ zu den Werkstücken (2, 4) entlang des Stumpfstoßes bewegt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl (22) orthogonal zum Stumpfstoß bewegt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl (22) überfokussiert ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Laserstrahl (22) unterfokussiert ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Laserstrahl (22) scharf fokussiert ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein heliumartiges Schutzgas verwendet wird.
  12. Rotor (26) für eine Strömungsmaschine mit zumindest einer Schaufelreihe, die eine Vielzahl von einkristallinen Schaufeln (30, 32) mit Deckbändern (34, 36) aus einer Superlegierung aufweist, wobei zwischen benachbarten Deckbändern (34, 36) polykristalline Zwischenstücke (38) aus einer Superlegierung angeordnet sind, die über ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche stoffschlüssig mit den Deckbändern (34, 36) verbunden sind.
  13. Rotor nach Anspruch 12, wobei die Deckbänder (34, 36) und die Zwischenstücke (38) aus einer Nickelbasislegierung bestehen.
  14. Rotor nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Deckbänder (34, 36) aus LEK 94 und die Zwischenstücke (38) aus Inconel 718 ausgeführt sind.
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