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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen und eine Verwendung des Verfahrens zum Verschweißen von Rotorscheiben. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, hergestellt durch ein Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen.
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Bei rotierenden kritischen Bauteilen, wie z. B. Kompressor- oder Turbinenscheiben in axialen Strömungsmaschinen, ist es sehr wichtig, die Materialeigenschaften genau zu kennen, um die Lebensdauer richtig abschätzen zu können. Das gilt auch dann, wenn verschiedene Scheibenmaterialien durch Schweißen mit einander verbunden werden. Das Verschweißen von Kompressor- oder Turbinenscheiben oder Wellen ist eine Platz sparende konstruktive Lösung.
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Bei Mischkomponenten, die aus Bauteilen mit verschiedenen Materialien bestehen, wird gewöhnlich eine Verschraubung der Bauteile bei der Montage vorgenommen, da im Fall des Verschweißens wegen der unterschiedlichen Scheibenmaterialien verschiedene Wärmebehandlungsprozesse erforderlich sind. Die Wärmebehandlung beeinträchtigt jedoch die Materialeigenschaften der Komponenten. Folglich führt dies zu einem negativen Einfluss auf die Komponentenlebensdauer.
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Bei der Zulassung von neuen Scheibenwerkstoffen, wie z. B. Allvac 718plus, müssen mit mehreren teuren Schleuderversuchen die relevanten Eigenschaften validiert und die Lebensdauer nachgewiesen werden.
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Bei einer neuen Materialzulassung, wie z. B. für Allvac 718plus, sind die folgenden relevanten Anforderungen zu beachten:
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Neue Triebwerksprojekte:
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- 1. Neben der Schweißvalidierung von gleichen Materialpaaren (z. B. Allvac 718plus mit Allvac 718plus) muss zusätzlich die Validierung von Mischmaterialpaarungen (z. B. Inco718 mit Allvac 718plus) aufwändig auf Komponentenebene nachgewiesen werden. Das beinhaltet mindestens einen zusätzlichen Schleuderversuch pro Scheibenmaterialpaarung.
- 2. Zudem muss für beide Materialien eine optimierte Wärmebehandlungsroute definiert und validiert werden, um die lokalen Spannungen entsprechend zu verkleinern und möglichst geringe Lebensdauereinbußen zu erzielen.
- 3. Das zurzeit verwendete Elektronenstrahlschweißen von Scheiben benötigt einen besonders großen Sicherheitsabstand wegen der vorhandenen Wärmeeinflusszone.
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Laufende Triebwerke – Kostensenkungsalternativen:
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- 4. Ohne eine validierte Schweißung für Mischmaterialpaarungen müssen ganze Komponentengruppen wie z. B. die hintere Hochdruckkompressortrommel ganz aus Allvac 718plus gefertigt werden. Dadurch entstehen zusätzliche Schleuderversuchsanforderungen, um die Lebensdauer von relevanten Merkmalen für jedes Projekt mit neuem Material nachzuweisen.
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Aus der
WO 2008/017800 A1 ist ein Verfahren zum Anschweißen von Fanschaufeln an eine Fanscheibe mittels Reibschweißen bekannt. Das Verfahren bezieht sich auf Titanlegierungen und zielt darauf ab, spannungsinduzierte Porositäten an den Kanten der Schweißebene zu vermeiden. Dazu weisen das Anschlussstück der Fanscheibe und/oder der Fanschaufel eine Verjüngung auf, durch die die Menge an Schweißaustriebsmaterial verringert werden soll.
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Dieses Verfahren lässt sich jedoch bei Rotorscheiben aufgrund von Größe, Form und Gewicht der Scheiben nicht anwenden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Bauteile aus unterschiedlichen Materialen kostengünstig und ohne aufwendige nachträgliche Prüfungsverfahren mit einander verschweißt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen nach Anspruch 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung, hergestellt durch ein Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen, nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Erfindungsgemäß besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen, wobei ein erstes Bauteil aus einem ersten Material und ein zweites Bauteil aus einem zweiten Material gebildet sind, mit den Schritten:
- – Bereitstellen eines ersten Zwischenelements aus dem ersten Material und eines zweiten Zwischenelements aus dem zweiten Material,
- – Verbinden des ersten Zwischenelements mit dem zweiten Zwischenelement durch Reibschweißen,
- – Überprüfen der Qualität der Reibschweißverbindung,
- – Verschweißen des ersten Zwischenelements mit dem ersten Bauteil und des zweiten Zwischenelements mit dem zweiten Bauteil und
- – Überprüfen der Qualität der Verschweißung des ersten Zwischenelements mit dem ersten Bauteil und der Verschweißung des zweiten Zwischenelements mit dem zweiten Bauteil.
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Das Verfahren gewährleistet, dass zwischen den unterschiedlichen Materialien eine sichere Schweißverbindung entsteht. Durch den Verfahrensschritt des Reibschweißens der Zwischenelemente wird eine separate Qualitätskontrolle der Schweißung an der Stelle des Aufeinandertreffens der unterschiedlichen Materialen ermöglicht.
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Diese Qualitätskontrolle wird extern durchgeführt, d. h. bevor die Zwischenelemente mit den Bauteilen verschweißt werden. Dadurch wird eine auf das Endprodukt bezogene Qualitätskontrolle der Schweißung zwischen den unterschiedlichen Materialien, die oft schwierig durchzuführen ist, vermieden.
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Beim Reibschweißen entsteht außerdem keine Schweißnaht und keine Gefügeänderung (nur Plastifizierung). Dies hat einen positiven Effekt auf die Schweißnahtlebensdauer.
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Dieses Verfahren trägt auch zu einer Gewichtsreduktion und zu einer Bauraumverkürzung bei, da keine Verschraubungen notwendig sind.
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Vorzugsweise wird für das erste Zwischenelement und das zweite Zwischenelement im Vergleich zum ersten Bauteil und zum zweiten Bauteil eine bessere Handhabbarkeit gewählt. Dadurch können die Reibschweißung und die externe Qualitätskontrolle gut durchgeführt werden.
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Insbesondere werden das erste Zwischenelement und das zweite Zwischenelement zusammen vor dem Verschweißen mit dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil nachbearbeitet. Die Nachbearbeitung bietet den Vorteil, dass präzise Maße eingestellt und spezielle Konturen, Bohrungen oder Ähnliches in die Zwischenelemente eingearbeitet werden können.
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In einer besonderen Ausführungsform erfolgt das Verschweißen des ersten Zwischenelements mit dem ersten Bauteil und des zweiten Zwischenelements mit dem zweiten Bauteil durch Elektronenstrahlschweißen. Das Elektronenstrahlschweißen ist ein bewährtes Verfahren zum Verschweißen von gleichartigen Materialien mit einander, wobei die Qualität der Schweißnähte gut prüfbar ist.
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Vorzugsweise wird nach dem Verschweißen des ersten Zwischenelements mit dem ersten Bauteil und des zweiten Zwischenelements mit dem zweiten Bauteil eine Wärmebehandlung durchgeführt. Die Wärmebehandlung kann ein Spannungsarmglühen umfassen.
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Die Wärmebehandlung bzw. das Spannungsarmglühen kann durchgeführt werden, ohne dass eine spezielle Rücksicht auf die Reibschweißstelle, an der die unterschiedlichen Materialien auf einander treffen, genommen werden muss.
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Insbesondere ist das Verfahren für eine Verwendung zum Verschweißen von Rotorscheiben in einer axialen Strömungsmaschine geeignet. Das Verfahren kann sowohl bei Rotoren mit neuen Rotorscheiben während des Herstellungsprozesses als auch bei Rotoren mit gebrauchten Rotorscheiben im Zuge einer Reparatur angewandt werden.
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Eine kombinierte Wärmebehandlung wird dann nicht mehr benötigt, und somit entfallen auch die Validierungsanforderung sowie die Nachrüstungskosten. Das Verfahren öffnet also den Weg für ein Kostenreduktion in existierenden Triebwerken bei minimalem Validierungsaufwand und verringerten Schleuderversuchen.
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Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einer Vorrichtung, hergestellt durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen, wobei das erste Zwischenelement in den Abmessungen an das erste Bauteil und das zweite Zwischenelement in den Abmessungen an das zweite Bauteil angepasst sind, das erste Zwischenelement mit dem zweiten Zwischenelement durch eine Reibschweißverbindung verbunden ist, das erste Bauteil mit dem ersten Zwischenelement verschweißt ist und das zweite Bauteil mit dem zweiten Zwischenelement verschweißt ist.
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Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Bauteile aus verschiedenen Materialien sicher mit einander verschweißt sind. Die Verschweißung der gleichen Materialien untereinander ist unproblematisch. Die Vorrichtung besitzt gute mechanische Eigenschaften an den Schweißstellen, insbesondere eine hohe Festigkeit.
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In einer besonderen Ausführungsform sind das erste Zwischenelement und das zweite Zwischenelement besser handhabbar als das erste Bauteil und das zweite Bauteil. Die bessere Handhabbarkeit ermöglicht einen guten Transport zwischen der Reibschweißmaschine, der Qualitätsprüfung und der Montagestation für die Vorrichtung.
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In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung ein Rotor für eine axiale Strömungsmaschine, sind das erste Bauteil aus einer ersten Rotorscheibe und das zweite Bauteil aus einer zweiten Rotorscheibe gebildet und das erste Zwischenelement und das zweite Zwischenelement ringförmig. Die Zwischenelemente in Ringform eignen sich besonders gut zum Einbau zwischen die Rotorscheiben.
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Der Aufbau einer Komponente aus Rotorscheiben mit verschiedenen Materialien kann ohne zusätzliche Schleuderversuche für konstruktionsrelevante Merkmale durchgeführt werden.
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Vorzugsweise sind aus dem ersten ringförmigen Zwischenelement und dem zweiten ringförmigen Zwischenelement durch das Nachbearbeiten Dichtlippen herausgebildet. Aufgrund der Reibschweißverbindung können die Dichtlippen näher an einander angeordnet sein als bei einer herkömmlichen Schweißverbindung mittels Elektronenstrahlschweißen.
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Insbesondere weist das erste Material eine niedrigere Temperaturfestigkeit als das zweite Material auf. Bei Hochdruckkompressoren ist es vorteilhaft, für die letzte Stufe ein höher temperaturfestes Material zu wählen als für die übrigen Stufen. Beim Aufeinandertreffen dieser unterschiedlichen Materialien entstanden bisher besondere Probleme beim Schweißen, bei der Wärmebehandlung und bei der Prüfung der Schweißverbindung.
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In einer weiteren speziellen Ausführungsform sind das erste Material und das zweite Material Nickel-Basis-Legierungen. Für diese Legierungen ist die Anordnung von reibgeschweißten Zwischenelementen besonders vorteilhaft.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Rotor, hergestellt durch ein Verfahren nach dem Stand der Technik,
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2 zwei Zwischenelemente und
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3 einen Rotor, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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1 zeigt einen Rotor 1 für eine nicht dargestellte Gasturbine als Beispiel für eine axiale Strömungsmaschine. Der Rotor 1 umfasst eine erste Rotorscheibe 2, eine zweite Rotorscheibe 4 und eine Verschweißung 6.
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Die erste Rotorscheibe 2 und die zweite Rotorscheibe 4 sind Rotorscheiben eines nicht dargestellten Hochdruckkompressors der Gasturbine. Die zweite Rotorscheibe 4 gehört zur letzten Stufe des Hochdruckkompressors.
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Die erste Rotorscheibe 2 stößt an der Verschweißung 6 mit der zweiten Rotorscheibe 4 zusammen. Auf beiden Seiten neben der Verschweißung 6 befindet sich auf der ersten Rotorscheibe 2 und der zweiten Rotorscheibe 4 jeweils eine Dichtlippe 10. Zwischen den beiden Dichtlippen 10 wird ein Dichtlippenabstand s gebildet, dessen Größe von der Breite der Schweißnaht beeinflusst wird.
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Die erste Rotorscheibe 2 und die zweite Rotorscheibe sind aus demselben Material gebildet, z. B. einer Nickel-Basislegierung mit der Bezeichnung Allvac 718plus. Die Verschweißung 6 ist durch Elektronenstrahlschweißen hergestellt.
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2 zeigt einen Rotor 1 für eine nicht dargestellte Gasturbine als Beispiel für eine axiale Strömungsmaschine. Der Rotor 1 umfasst eine erste Rotorscheibe 2, eine zweite Rotorscheibe 4, ein erstes Zwischenelement 8 und ein zweites Zwischenelement 9.
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Die einem ersten Bauteil entsprechende erste Rotorscheibe 2 und die einem zweiten Bauteil entsprechende zweite Rotorscheibe 4 sind Bestandteile eines nicht dargestellten Hochdruckkompressors der Gasturbine. Die zweite Rotorscheibe 4 gehört zur letzten Stufe des Hochdruckkompressors.
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Zwischen der ersten Rotorscheibe 2 und der zweiten Rotorscheibe 4 befinden sich das ringförmige erste Zwischenelement 8 und das ebenfalls ringförmige zweite Zwischenelement 9. Das erste Zwischenelement 8 und das zweite Zwischenelement 9 sind in ihren Abmessungen, d. h. mit ihren Innen- und Außendurchmessern, an die erste Rotorscheibe 2 und die zweite Rotorscheibe 4 angepasst.
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Das erste Zwischenelement 8 ist aus demselben Material gebildet wie die erste Rotorscheibe 2, z. B. aus einer Nickel-Basislegierung mit der Bezeichnung Inco 718. Das zweite Zwischenelement 9 und die zweite Rotorscheibe 4 sind beide aus einem anderen Material gebildet, z. B. aus einer Nickel-Basislegierung mit der Bezeichnung Allvac 718plus.
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Das erste Zwischenelement 8 ist mit dem zweiten Zwischenelement 9 mittels einer Reibschweißverbindung 7 verschweißt. Außerdem ist das erste Zwischenelement 8 mittels einer bisher üblichen Schweißart, z. B. Elektronenstrahlschweißen, an einer ersten Schweißstelle 3 mit der ersten Rotorscheibe 2 verbunden. Das zweite Zwischenelement 9 ist ebenfalls mittels einer bisher üblichen Schweißart, wie z. B. Elektronenstrahlschweißen, an einer zweiten Schweißstelle 5 mit der zweiten Rotorscheibe 4 verbunden.
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Auf dem ersten Zwischenelement 8 und dem zweiten Zwischenelement 9 ist jeweils eine Dichtlippe 10 angeordnet. Die beiden Dichtlippen 10 sind in dem Dichtlippenabstand s von einander beabstandet. Der Dichtlippenabstand kann kleiner sein als beim Stand der Technik, da aufgrund der Reibschweißverbindung 7 keine Schweißnaht vorhanden ist. Ein geringer Abstand der Dichtlippen 10 bewirkt eine stärkere Verwirbelung der vorbeiströmenden Luft, so dass eine bessere Abdichtung erzielt wird.
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3 zeigt das ringförmige erste Zwischenelement 8 und das ebenfalls ringförmige zweite Zwischenelement 9 in einer perspektivischen Ansicht und einer Schnittansicht. Die beiden Zwischenelemente 8, 9 sind mittels der Reibschweißverbindung 7 aneinander befestigt. Jedes Zwischenelement 8, 9 weist eine Dichtlippe 10 auf. Zwischen den beiden Dichtlippen 10 befindet sich der Dichtlippenabstand 10.
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Bei der Herstellung des Rotors 1 gemäß 2 werden zunächst die beiden Zwischenelemente 8, 9 aus den verschiedenen Materialien separat hergestellt und anschließend in einer Reibschweißmaschine mit einander verbunden. Die Reibschweißverbindung 7 wird dann einer Qualitätskontrolle unterzogen. Danach können die beiden Zwischenelemente 8, 9 nachbearbeitet werden. Z. B. können im Zuge der Nachbearbeitung die Dichtlippen 10 herausgearbeitet werden.
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Als nächstes wird das erste Zwischenelement 8 an der ersten Schweißstelle 3 mit der ersten Rotorscheibe 2 verbunden, z. B. durch Elektronenstrahlschweißen. Das zweite Zwischenelement 9 wird dann an der zweiten Schweißstelle 5 mit der zweiten Rotorscheibe 4 verbunden. Auch hier ist ein Elektronenstrahlschweißen möglich. Die Reihenfolge der Verschweißung der beiden Zwischenelemente 8, 9 mit den Rotorscheiben 2, 4 kann auch umgekehrt sein.
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Zum Schluss erfolgt eine weitere Qualitätskontrolle, die sich auf die Verschweißungen an der ersten Schweißstelle 3 und der zweiten Schweißstelle 5 bezieht.
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Für die erste Rotorscheibe
2, das erste Zwischenelement
8, die zweite Rotorscheibe
4 und das zweite Zwischenelement
9 sind folgende Materialpaarungen möglich:
| Erste Rotorscheibe 2 und Erstes Zwischenelement 8: | Zweite Rotorscheibe 4 und zweites Zwischenelement 9: |
| Nickel-Basis-Legierung mit niedrigerer Temperaturfestigkeit | Nickel-Basis-Legierung mit höherer Temperaturfestigkeit |
| Inco 718 | Allvac 718plus |
| Inco 718 | Udimet 720 |
| Allvac 718plus | Udimet 720 |
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Erste Rotorscheibe
- 3
- Erste Schweißstelle
- 4
- Zweite Rotorscheibe
- 5
- Zweite Schweißstelle
- 6
- Verschweißung
- 7
- Reibschweißverbindung
- 8
- Erstes Zwischenelement
- 9
- Zweites Zwischenelement
- 10
- Dichtlippe
- s
- Dichtlippenabstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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