DE60319948T2

DE60319948T2 - Verfahren zum Auftragsschweissen dünnwandiger Teile

Info

Publication number: DE60319948T2
Application number: DE60319948T
Authority: DE
Inventors: Akihiro Sato; Kiyofumi Ishikawa; Hiroyuki Miyazawa; Hiroto Yamaoka; Yasuhiro Aoki
Original assignee: IHI Corp; Ishikawajima Inspection and Instrumentation Co Ltd
Current assignee: IHI Corp; Ishikawajima Inspection and Instrumentation Co Ltd
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2023-08-30
Also published as: JP4229734B2; US6991150B2; EP1459829B1; EP1459829A1; US20050173496A1; DE60319948D1; JP2004283852A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragschweißen an einen dünnwandigen Abschnitt, wie in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definiert.
Beschreibung der verwandten Technik
Ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist nach dem Stand der Technik aus US 4.841.117 bekannt. Gemäß dem Verfahren, das nach diesem Stand der Technik bekannt ist, wird die Position, die an dem Ende einer Tragfläche zu schweißen ist, von einer Metallform umgeben. Die Form weist eine Verbindung auf, bei der ein Pol des Schweißkreises verbunden ist. Letztendlich wird das Ende des Blattflügels durch Anwenden von Schweißdurchgängen verlängert oder repariert.
1 ist eine allgemeine Außenansicht, die eine Laufschaufel einer Turbine zeigt. Die Laufschaufel besteht aus einem Schaufelabschnitt 1, einem Schwalbenschwanzabschnitt 2 und einem Spitzenabschnitt 3. Der Schaufelabschnitt 1 weist einen schaufelförmigen Schnitt auf und erzeugt Drehkraft aus Verbrennungsgas. Der Schwalbenschwanzabschnitt 2 befindet sich an einem Ende des Schaufelabschnitts 1, ist an einer nicht dargestellten Turbinenscheibe befestigt und überträgt Drehkraft auf die Turbinenscheibe. Der Spitzenabschnitt 3 weist einen dünnwandigen Abschnitt 3a auf, der sich in der Drehrichtung erstreckt. Die Spitze des Spitzenabschnitts 3 verringert Leckage von Gas, da sie eng auf die innere Fläche des Gehäuses weist.
Die Laufschaufel einer Gasturbine, mit der Verbrennungsgas hoher Temperatur und hohen Drucks zusammentrifft, arbeitet unter sehr schweren Bedingungen. Folglich kann der dickwandige Abschnitt 3a an der Spitze der Laufschaufel Erosion der Wand oder Rissbildung auf Grund von Abrasion und Oxidation hoher Temperatur während des Be triebs unterliegen. In einem solchen Fall wird der dünnwandige Abschnitt durch Auftragschweißen repariert.
Herkömmliche Einrichtungen zum Auftragschweißen werden bereits in den Patentbezügen 1 und 2 offengelegt.
[Patentbezug 1]
Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 171682, 1995
[Patentbezug 2]
Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 180442, 1998
„Method of build up welding surface corner and build up welding jig" (Verfahren zum Auftragschweißen einer Oberflächenecke und Auftragschweißvorrichtung) von Patentbezug 1 wird in 2 gezeigt; vor Beginn der Auftragschweißbehandlung wird eine Auftragschweißvorrichtung 51 zum Abkühlen in engem Kontakt mit der Eckoberflächenseite 53a eines Schweißwerkstücks 53 platziert, dann wird Auftragschweißen an der Eckoberflächenseite 53b durchgeführt und nach dem Verfestigen von Schweißraupen 54 wird die Auftragschweißvorrichtung 51 von dem Schweißwerkstück 53 abgenommen.
„Method of repairing gas turbine blade" (Verfahren zum Reparieren einer Gasturbinenschaufel) von Patentbezug 2 wird in 3 gezeigt; wenn die Spitze einer Gasturbinenschaufel durch Auftragschweißen repariert wird, wird während des Reparaturvorgangs Gas oder Fluid durch ein Belüftungsloch in der Laufschaufel hindurchgeleitet. In 3 stellt 61 die Laufschaufel einer Gasturbine, 63 einen Auftragschweißabschnitt, 64 die Düse eines Schweißbrenners, 65 eine Schweißelektrode, 66 einen Lichtbogen, 68 eine Einspritzöffnung des Gases oder Fluids und 69 das Gas oder Fluid dar.
Herkömmlicherweise wird eine Gasturbinenlaufschaufel hauptsächlich aus einer auf Ni basierenden Legierung hergestellt. Eine solche auf Ni basierende Legierung weist eine hohe Zugfestigkeit und Streckbarkeit auf, so dass einer ihrer Vorteile darin besteht, dass Mängel als Folge des vorgenannten Auftragschweißens selten erzeugt werden.
Andererseits haben in jüngster Zeit Untersuchungen und die Praxis dazu geführt, dass ein Metall mit einer relativen Dichte, die geringer ist als diejenige der auf Ni basierenden Legierung (zum Beispiel TiAl-Legierung), für Gasturbinenlaufschaufeln verwendet wird, um die Leistung der Gasturbine zu verbessern. Die relative Dichte der TiAl-Legierung beträgt ungefähr die Hälfte von derjenigen der auf Ni basierenden Legierung und sie ist mit höherer Zähigkeit ausgestattet, so dass, wenn eine TiAl-Legierung für Gasturbinenlaufschaufeln verwendet wird, die Zentrifugalkraft, die durch die installierten Laufschaufeln auf die Turbinenscheibe ausgeübt wird, deutlich verringert werden kann und die Gasturbine mit einer höheren Geschwindigkeit drehen kann, wobei dies Vorteile sind.

Tabelle 1 vergleicht die Eigenschaften der auf Ni basierenden Legierung und der TiAl-Legierung. Tabelle 1

Legierung	Codename	Zusammensetzung (Gew.-%)	Relative Dichte (g/cm³)	Zugfestigkeit (MPa)	Spezifische Zähigkeit (10E3m)	Streckbarkeit (%)
Legierung auf Ni-Basis	IN100	Ni-9,5 Cr-15 Co-3 Mo-4,8 Ti-5,5 Al-0,015 B-0,95 V-0,06 Zr	7,75	1014	13	5
TiAl-Legierung	K5C	Ti-31,2 Al-7,0 Nb-2,6 Cr-1,4 W-0,27 B-0,06 C	4	683	17	0,9

Wenn jedoch Auftragschweißen für einen dünnwandigen Abschnitt auf die gleiche Weise wie herkömmliche Verfahren bei Laufschaufeln aus TiAl-Legierung für die Gasturbine, wie in den 4A und 4B gezeigt, angewendet werden, gibt es Probleme wie geschmolzenes Metall, das von einem Eckabschnitt des dünnwandigen Abschnitts 3a tropft, und einen stumpfen Eckabschnitt.
Um diese Probleme zu lösen, wenn eine abgekühlte Vorrichtung auf der Eckoberflächenseite installiert wird, wie in Patentbezug 1 gezeigt, besteht auf Grund des kleinen Betrags von Streckbarkeit und der geringen Zugfestigkeit von TiAl-Legierung insofern ein Problem, als durch thermische Beanspruchung an dem Auftragschweißmetall 5 ein Schweißriss erzeugt wird.
In den 4A und 4B zeigen a und b einen stumpfen Abschnitt bzw. einen Schweißrissabschnitt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung verfolgt das Ziel, diese Probleme zu lösen. Deutlicher ausgedrückt besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Auftragschweißen an einem dünnwandigen Abschnitt bereitzustellen, wobei der dünnwandige Abschnitt aus einem Material mit einem kleinen Betrag von Streckbarkeit und einer geringen Zugfestigkeit besteht, und ohne Tropfen geschmolzenen Metalls und ohne eine stumpfe Ecke mit dem bevorzugten Ergebnis oberflächengeschweißt werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Auftragschweißen an den dünnwandigen Abschnitt eines Werkstücks, wie in Anspruch 1 definiert, bereit, um die Aufgabe zu erfüllen. Bevorzugte Ausführungen des erfinderischen Verfahrens werden in den Ansprüchen 2 bzw. 3 definiert.
Gemäß dem vorgenannten Verfahren der vorliegenden Erfindung spielt, da die Wärmebeständigkeitstemperatur der Vorrichtung, die aus einem keramischen Material mit einem zufriedenstellend großen Wärmeaufnahmevermögen hergestellt ist, höher ist als die Wärmebeständigkeitstemperatur des geschmolzenen Metalls und die Vertiefung eng an dem dünnwandigen Abschnitt des Werkstücks ausgebildet ist, um das geschmolzene Metall zu speichern, die Vertiefung die Rolle einer Gießform für das geschmolzene Metall, so dass das Erzeugen von Tropfen geschmolzenen Metalls und stumpfen Ecken verhindert werden kann und eine bevorzugte Form des geschmolzenen Metalls erzeugt werden kann.
Zusätzlich stellt die keramische Vorrichtung eine hohe Wärme haltende Wirkung bereit, da die Vorrichtung ein zufriedenstellend großes Wärmeaufnahmevermögen aufweist und eng an den dünnwandigen Abschnitt des Werkstücks passt.
Außerdem kann, da das Werkstück und die Vorrichtung auf eine vorgegebene Temperatur in einem Zustand, in dem die Vorrichtung installiert ist, vorgewärmt werden und die Vorrichtung entfernt wird, nachdem sich Schweißraupen vollständig verfestigt haben, die Abkühlgeschwindigkeit an dem dünnwandigen Abschnitt nach dem Auftragschweißen verringert werden und erzeugte Wärmespannungen können gesenkt werden, so dass selbst dann, wenn das Material ansonsten nach dem Schweißen leicht gesprengt werden kann, das Material oberflächenbearbeitet werden kann, ohne tatsächlich gesprengt zu werden.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach der folgenden Beschreibung mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen offengelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Skizze einer Laufschaufel einer Turbine.
2 zeigt eine herkömmliche Auftragschweißeinrichtung.
3 ist eine andere herkömmliche Auftragschweißeinrichtung.
4A und 4B zeigen die Ergebnisse herkömmlichen Auftragschweißens.
5 ist eine Strukturansicht einer keramischen Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Skizze des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
7A und 7B zeigen die Ergebnisse von Auftragschweißen nach der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Gemeinsame Abschnitte in jeder Zeichnung werden mit denselben Nummern gekennzeichnet, ohne Beschreibungen zu duplizieren.
5 ist eine Strukturansicht einer keramischen Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Wie in der 5 gezeigt wird, besteht die keramische Vorrichtung 4 aus einer Vielzahl (5 in diesem Beispiel) enganliegender Segmente 4a bis 4e und einem Außenrahmensegment 4f.
Jedes enganliegende Segment 4a bis 4e ist so geformt, dass es eng an dünnwandigen Abschnitten 3a (schraffierte Abschnitte) eines Werkstücks anliegt (in diesem Beispiel der Spitzenabschnitt einer Turbinenschaufel). Außerdem umschließt die Innenfläche des Außenrahmensegments 4f eine Vielzahl der enganliegenden Segmente 4a bis 4e und hält die Segmente fest verbunden.
Die keramische Vorrichtung 4 ist aus einer Keramik mit einer höheren Wärmebeständigkeitstemperatur als die Wärmebeständigkeitstemperatur des geschmolzenen Metalls hergestellt. Jedes enganliegende Segment ist plan und dicker als der dünnwandige Abschnitt und bildet eine Vertiefung, die geschmolzenes Metall an einem Oberflächenabschnitt speichert. Darüber hinaus ist die keramische Vorrichtung 4 so entworfen, dass sie in ihrer Gesamtheit ein zufriedenstellend großes Wärmeaufnahmevermögen aufweist, um die Temperatur-Abkühlgeschwindigkeit des dünnwandigen Abschnitts nach Abschluss des Auftragschweißens zu verringern.
6 ist eine typische Ansicht, die das Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.
Das Auftragschweißverfahren nach der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Schritt (A) des Anbringens einer Vorrichtung, einem Schritt (B) des Vorwärmens, einem Schritt (C) des Auftragschweißens und einem Schritt (D) des Entfernens der Vorrichtung.
Wie in 6 gezeigt wird, wird in dem Schritt (A) des Anbringens einer Vorrichtung eine keramische Vorrichtung 4 eng an den dünnwandigen Abschnitt 3a des Werkstücks ge passt und wird so installiert, dass eine Vertiefung besteht, die geschmolzenes Metall in einem Abschnitt, dessen Oberfläche zu behandeln ist, speichert.
In dem Schritt (B) des Vorwärmens werden das Werkstück und die keramische Vorrichtung auf eine vorgegebene Temperatur in dem Zustand, in dem die keramische Vorrichtung 4 installiert wurde, vorgewärmt. Diese vorgegebene Temperatur ist eine geeignete Vorwärmtemperatur für das Material des Werkstücks. Zum Beispiel sollte für eine TiAl-Legierung die Temperatur nicht niedriger als 800°C oder höher als 1.000°C sein. Bei einem derartigen Vorwärmprozess sollte das Werkstück unter Verwendung eines Wärmeofens usw. gleichmäßig erwärmt werden.
Nächstfolgend wird in dem Schritt (C) des Auftragschweißens ein dünnwandiger Abschnitt des Werkstücks auftraggeschweißt und es werden Schweißraupen an dem Oberflächenabschnitt ausgebildet. Das bevorzugte Material, das zum Auftragschweißen verwendet wird, ist das gleiche wie das Material des Werkstücks. Jedoch kann außerdem ein unterschiedliches Material verwendet werden, wenn es schweißbar ist. Das bevorzugte Auftragschweißverfahren ist Lichtbogenschweißen, aber es kann außerdem eine andere Schweißeinrichtung, wie WIG-Schweißen, verwendet werden.
In dem nächsten Schritt (D) des Entfernens der Vorrichtung wird die Vorrichtung 4 von dem Werkstück entfernt, nachdem sich die Schweißraupen vollständig verfestigt haben. In diesem Schritt ist, in dem Fall der in 5 gezeigten keramischen Vorrichtung 4, das Außenrahmensegment 4f über die Innenfläche geschoben und wird entfernt, dann wird jedes enganliegende Segment 4a bis 4e von dem dünnwandigen Abschnitt des Werkstücks getrennt, wodurch die Vorrichtung leicht entfernt werden kann.
Die 7A und 7B zeigen Ergebnisse von Auftragschweißen nach der vorliegenden Erfindung. 7A ist eine Ansicht einer Endoberfläche des Spitzenabschnitts 3, während 7B den Spitzenabschnitt 3 stereoskopisch zeigt. Dieses Beispiel betrifft eine Turbinenschaufel, die aus einer TiAl-Legierung hergestellt ist, wobei einer der dünnwandigen Abschnitte an der Spitze durch ein Lichtbogenschweißverfahren unter Verwendung des gleichen Materials wie das des Werkstücks oberflächenbearbeitet wird. Die tatsächliche Vorwärmtemperatur beträgt 900°C.
Wie durch Vergleichen der 7A und 7B mit den 4A und 4B (herkömmliches Beispiel) offensichtlich ist, wurde bei dem Auftragschweißverfahren nach der vorliegenden Erfindung bestätigt, dass es das bevorzugte Auftragschweißen ohne Tropfen geschmolzenen Metalls oder stumpfe Ecken bieten kann.
Wie oben beschrieben wird, spielt nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, da die Wärmebeständigkeitstemperatur der keramischen Vorrichtung 4 höher ist als diejenige des geschmolzenen Metalls und die Vorrichtung in engen Kontakt mit dem dünnwandigen Abschnitt 3a des Werkstücks kommt und eine Vertiefung zum Speichern des geschmolzenen Metalls an einem Oberflächenabschnitt ausgebildet ist, die Vertiefung die Rolle einer Gießform für das geschmolzene Metall, während Tropfen geschmolzenen Metalls und stumpfe Ecken unterdrückt werden, so dass die bevorzugte Form des Werkstücks hergestellt werden kann.
Da die keramische Vorrichtung 4 ein zufriedenstellend großes Wärmeaufnahmevermögen aufweist und eng an den dünnwandigen Abschnitt 3a des Werkstücks passt, wird eine hohe Wärme haltende Wirkung bereitgestellt.
Darüber hinaus kann, da das Werkstück und die keramische Vorrichtung auf eine vorgegebene Temperatur vorgewärmt werden und die Vorrichtung entfernt wird, nachdem sich Schweißraupen in dem Zustand, in dem die keramische Vorrichtung 4 immer noch installiert ist, vollständig verfestigt haben, die Abkühlgeschwindigkeit des dünnwandigen Abschnitts 3a nach Abschluss des Auftragschweißens verringert werden und erzeugte Wärmespannungen werden gesenkt, so dass selbst dann, wenn das Material ansonsten nach dem Schweißen leicht reißen kann, das Material rissfrei oberflächenbearbeitet werden kann.
Wie oben beschrieben wird, stellt das Verfahren zum Auftragschweißen an einem dünnwandigen Abschnitt nach der vorliegenden Erfindung vorteilhafte Wirkungen bereit, wie zum Beispiel dass der dünnwandige Abschnitt, der aus einem Material mit geringer Streckbarkeit und niedriger Zugfestigkeit hergestellt ist, auf vorteilhafte Weise ohne Bildung von Tropfen geschmolzenen Metalls und stumpfen Ecken oberflächenbearbeitet werden kann.
Auch wenn die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf eine Vielzahl bevorzugter Ausführungen beschrieben wird, ist der Umfang der durch die vorliegende Erfindung gedeckten Rechte nicht so zu verstehen, als sei er lediglich auf diese Ausführungen beschränkt. Vielmehr soll der Umfang von Rechten nach der vorliegenden Erfindung alle Modifizierungen, Korrekturen und äquivalenten Objekte enthalten, die in den angehängten Ansprüchen spezifiziert werden.

Claims

Verfahren zum Auftragschweißen an einen dünnwandigen Abschnitt (3a) eines Werkstücks, das umfasst: einen Schritt (A) des Anbringens einer Vorrichtung zum Installieren einer Vorrichtung (4) an dem dünnwandigen Abschnitt (3a) des Werkstücks, um eine Vertiefung auszubilden, einen Schritt (B) des Vorwärmens zum Vorwärmen des Werkstücks und der Vorrichtung (4) auf eine vorgegebene Temperatur in dem Zustand, in dem die Vorrichtung (4) installiert ist, einen Schritt (C) des Auftragschweißens zum kontinuierlichen Auftragschweißen an den dünnwandigen Abschnitt (3a) des Werkstücks und zum Ausbilden von Schweißraupen auf einem Oberflächenabschnitt, und einen Schritt (D) des Entfernens der Vorrichtung zum Entfernen der Vorrichtung (4), nachdem sich die Schweißraupen vollständig verfestigt haben, wobei der Schritt (A) des Anbringens einer Vorrichtung Installieren einer Vorrichtung (4) umfasst, die eine Vielzahl enganliegender Segmente (4a, 4b, 4c, 4d, 4e), die so geformt sind, dass sie in engem Kontakt mit dem dünnwandigen Abschnitt (3a) des Werkstücks kommen, sowie ein Außenrahmensegment (4f) umfasst, das die Vielzahl enganliegender Segmente (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) umschließt und fest verbunden hält, wobei die enganliegenden Segmente (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) plan sind und dicker als der dünnwandige Abschnitt (3a) des Werkstücks, der Auftragschweißen zu unterziehen ist, so dass eine Vertiefung zum Speichern des geschmolzenen Metalls in einem Oberflächenabschnitt in der Nähe des dünnwandigen Abschnitts des Werkstücks ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einem keramischen Material hergestellt ist, das der Temperatur des geschmolzenen Materials widersteht und ein Wärmeaufnahmevermögen hat, das groß genug ist, um die Abkühlgeschwindigkeit des dünnwandigen Abschnitts (3a) nach dem Auftragschweißen zu reduzieren.
Verfahren zum Auftragschweißen an den dünnwandigen Abschnitt eines Werkstücks nach Anspruch 1, wobei das Material des Werkstücks eine TiAl-Legierung ist.
Verfahren zum Auftragschweißen an den dünnwandigen Abschnitt eines Werkstücks nach Anspruch 1, wobei der dünnwandige Abschnitt (3a) des Werkstücks die Spitze einer Turbinenschaufel ist.