DE69915575T2

DE69915575T2 - Heizeinrichtung zum Schweissen und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE69915575T2
Application number: DE69915575T
Authority: DE
Inventors: Thomas Froats Springboro Broderick; Richard Roy Jr. Cincinnati Worthing; Lawrence Joseph West Chester Roedl; John Matthew Independence Powers; Warren Davis Jr. West Chester Grossklaus
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-12-31
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2019-12-23
Also published as: TR199903314A2; EP1016487A2; EP1016487A3; EP1016487B1; JP4698788B2; US6124568A; BR9906035A; DE69915575D1; JP2000218387A; SG82054A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schweißeinrichtungen und -verfahren. Insbesondere ist die Erfindung auf eine Einrichtung gerichtet, die zum Ausführen sowohl eines Schweißbetriebes als auch von Vorschweiß- und Nachschweiß-Wärmebehandlungen an einem Superlegierungs-Gegenstand konfiguriert ist.
Hochtemperatur-Kobalt- und Nickelbasis-Superlegierungen werden auf breiter Basis verwendet, um gewisse Komponenten von Gasturbinentriebwerken zu bilden, zu denen Brenner und Turbinenlauf- und -leitschaufeln gehören. Während Hochtemperatur-Superlegierungs-Komponenten häufig durch Gießen hergestellt werden, gibt es Umstände, wo Superlegierungs-Gegenstände vorzugsweise oder notwendigerweise durch Schweißen gefertigt werden. Beispielsweise können Komponenten mit komplexen Konfigurationen, wie beispielsweise Turbinen-Mittelrahmen und Mantelstützringe, einfacher gefertigt werden, indem getrennte Gussstücke miteinander verschweißt werden. Schweißen wird auch weit verbreitet verwendet als ein Verfahren zum Wiederherstellen von Schaufelspitzen und zum Reparieren von Rissen oder anderen Oberflächen-Diskontinuitäten in Superlegierungs-Komponenten, die durch thermische Zyklusbewegungen oder Fremdstoffaufprall verursacht werden. Da die Kosten von Komponenten, die aus Hochtemperatur-Kobalt- und Nickelbasis-Superlegierungen geformt sind, relativ hoch sind, ist Wiederherstellen/Reparieren dieser Komponenten üblicherweise wünschenswerter als sie auszutauschen, wenn sie abgenutzt oder beschädigt sind.
Superlegierungs-Komponenten von Gasturbinentriebwerken müssen im Allgemeinen thermisch entspannt werden vor dem Schweißen, um sie von Restbeanspruchungen zu entspannen, die aus dem Triebwerksbetrieb vorhanden sind, und dann müssen sie nach dem Schweißen entspannt werden, um sie von Restbeanspruchungen zu entspannen, die während des Abkühlens von dem Schweißbetrieb hervorgerufen sind. Wärmebehandlung sorgt auch für eine Ent spannung durch Lösung von einem Teil des härtenden Gamma-Strich (γ') in γ'-verstärkten Nickelbasis-Superlegierungen. Im Allgemeinen variieren die Parameter der Wärmebehandlung in Abhängigkeit von der interessierenden Legierung, der Größe der Entspannung von restlichen Beanspruchungen und der erforderlichen Lösung, Ofendesign, Komponentengeometrie und vielen anderen Faktoren. Die Anstiegsgeschwindigkeit, Ausgleichstemperaturen, Haltezeiten und Abkühlraten für Entspannungs- und Lösungs-Wärmebehandlungen sind kritisch, um die gewünschte Entspannung zu erhalten, ohne die Superlegierung und ihre Eigenschaften nachteilig zu beeinflussen.
In der Vergangenheit sind Vorschweiß- und Nachschweiß-Wärmebehandlungen in großräumigen Wärmebehandlungsöfen ausgeführt worden, um eine Gruppe von Komponenten aufzuheizen und an einer geeigneten Wärmebehandlungstemperatur zu halten. Nach einer Satz- bzw. Batch-Wärmebehandlung werden einzelne Komponenten geschweißt, während sie auf einer erhöhten Temperatur (z. B. mehr als etwa 1.500°F (etwa 815°C)) gehalten werden, um die Schweißausbeute zu verbessern. Schweißen wird häufig in einem Gehäuse bzw. einer Ummantelung vorgenommen, die eine gesteuerte Atmosphäre (z. B. ein Inertgas) enthält, wobei Schweißtechniken wie Wolfram-Inertgas (TIG)- und Laser-Schweißverfahren verwendet werden. Die Erhitzung wird üblicherweise durch Induktion oder mit der Verwendung von Lampen, wie beispielsweise Quarz-Halogenlampen, ausgeführt.
Zwar haben sie gewisse Vorteile, aber zu den Nachteilen der Verwendung von Satz-Wärmebehandlungverfahren gehören lange Wärmebehandlungszeiten, teilweise aufgrund der Masse des großen Ofens für satzweisen Einsatz und die Masse der üblicherweise großen Anzahl von Komponenten, die wärmebehandelt werden. Zusätzlich treten lange Wartezeiten auf, während Sätze zusammengesetzt werden, wenn einzelne Komponenten repariert werden. Deshalb stellt die Verwendung von Vorschweiß- und Nachschweiß-Entspannungs-Wärmebehandlungen in einem Ofen für einen satzwei sen Einsatz (Batch-Ofen) eine Zeitverzögerung für den Fluss von Komponenten durch eine Schweißlinie dar, und sie ist eine ineffiziente Methode, Komponenten metallurgisch für das Schweißen zu konditionieren.
In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen würde es wünschenswert sein, wenn eine verbesserte Verarbeitungseffizienz für Superlegierungs-Gegenstände erzielt werden könnte, die durch Schweißen gefertigt, wiederhergestellt oder repariert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt allgemein eine Heizeinrichtung und ein Verfahren zum Schweißen eines Superlegierungs-Gegenstandes bereit. Insbesondere sorgen die Einrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung für Vorschweiß- und Nachschweiß-Wärmebehandlungen, die an einem Gegenstand innerhalb der gleichen Einrichtung ausgeführt werden sollen, in der der Schweißvorgang ausgeführt wird.
In Anbetracht der kritischen Vorgänge der Vorschweiß- und Nachschweiß-Wärmebehandlungen erfordert die Erfindung, dass die Schweißeinrichtung in geeigneter Weise konfiguriert ist, um die Temperatur der Komponente, die geschweißt wird, genau zu regeln. Aus diesem Grund stellt die erfindungsgemäße Einrichtung allgemein einen Mantel, der einen Superlegierungs-Gegenstand einschließen kann, Mittel zum Schweißen des Gegenstandes, Mittel zum Erhitzen des Gegenstandes innerhalb des Mantels bzw. Gehäuses und Mittel bereit zum Abtasten der Temperatur des Gegenstandes innerhalb des Mantels. Die Einrichtung arbeitet auch in Verbindung mit einer Speichervorrichtung, die geeignete Vorschweiß- und Nachschweiß-Wärmebehandlungs-Temperaturprofile und ein Schweißtemperaturprofil für den Gegenstand speichert. Schließlich enthält die Einrichtung eine Regelung, durch die die Ausgangsgröße der Heizeinrichtung eingestellt wird auf der Basis der Gegenstandstemperatur und gemäß der im Voraus festgelegten Vorschweiß- und Nachschweiß-Wärmebehandlungstemperatur und dem Schweißtemperaturprofil.
Das durch die oben beschriebene Einrichtung ermöglichte Verfahren sorgt dafür, dass die gewünschten Vorschweiß- und Nachschweiß-Wärmebehandlungs-Temperaturprofile und das Schweißtemperaturprofil für den in Rede stehenden Superlegierungs-Gegenstand im Voraus festgelegt werden, der Gegenstand in dem Mantel angeordnet wird und dann die Heiz-, Abtast- und Regeleinrichtungen so betrieben werden, dass der Superlegierungsgegenstand gemäß dem Vorschweiß-Wärmebehandlungs-Temperaturprofil genau erhitzt wird. Wenn er richtig wärmebehandelt ist, um Restspannungen zu entspannen, und ohne den Gegenstand aus dem Mantel herauszunehmen, werden die Heiz-, Abtast- und Regeleinrichtungen betrieben, um den Gegenstand direkt von dem Vorschweiß-Wärmebehandlungs-Temperaturprofil auf das Schweißtemperaturprofil zu erhitzen, während dem der Gegenstand geschweißt wird. Danach und wiederum, ohne den Gegenstand aus dem Mantel herauszunehmen, werden die Heiz-, Abtast- und Regeleinrichtungen betrieben, um den Gegenstand direkt von dem Schweißtemperaturprofil auf das Nachschweiß-Wärmebehandlungs-Temperaturprofil zu erhitzen.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, dass die vorliegende Erfindung die Bearbeitungsnachteile von bekannten satzartigen Vorschweiß- und Nachschweiß-Wärmebehandlungen von Superlegierungs-Gegenständen eliminiert, die durch Schweißen gefertigt, wiederhergestellt oder repariert werden. Anstatt eine Anzahl von Gegenständen zu sammeln, um sie gleichzeitig einer einzelnen Wärmebehandlung auszusetzen, gestattet die vorliegende Erfindung einen mehr stromlinienförmigen Durchsatz von Komponenten, indem die erforderlichen Wärmebehandlungen mit dem Schweißbetrieb innerhalb einer einzigen Einrichtung kombiniert werden. Die Erfindung verkürzt auch die erforderlichen Wärmebehandlungszeiten, indem die thermische Masse verkleinert wird, die während jedes Wärmebehandlungszyklus erwärmt und abgekühlt wird.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung von einer Kombination von Wärmebehandlungs- und Schweißeinrichtung gemäß der Erfindung ist, und
2 und 3 Kurven sind, die thermische Zyklen zeigen, die zum Wärmebehandeln und Schweißen eines Superlegierungs-Gegenstandes gemäß dem Stand der Technik bzw. dieser Erfindung erforderlich sind.
Die vorliegende Erfindung ist auf Superlegierungs-Gegenstände gerichtet, die einen Schweißvorgang während ihrer Fertigung, Wiederherstellung oder Reparatur durchlaufen. Die Vorteile der Erfindung werden zwar unter Bezugnahme auf Komponenten von Gasturbinentriebwerken beschrieben, aber die Erfindung ist auch auf eine Vielfalt von Anwendungen anwendbar, in der ein Gegenstand vor und nach dem Schweißen in einer Art und Weise wärmebehandelt werden muss, die die Eigenschaften des Gegenstandes nicht verschlechtern.
Eine Einrichtung 10 zum Ausführen der Wärmebehandlungen und des Schweißvorganges gemäß der Erfindung ist schematisch in 1 gezeigt. Die Einrichtung 10 enthält ein Gehäuse 12 des allgemein bekannten Typs zum Ausführen eines Schweißvorganges, wie beispielsweise TIG- oder Laser-Schweißen, in einer gesteuerten Atmosphäre. Die Einrichtung 10 enthält auch eine Heizeinrichtung 14 eines bekannten Typs zum Heizen des Innenraumes des Gehäuses 12 während des Schweißens. Geeignete Einrichtungen enthalten Induktionsspulen, Quarz-Halogenlampen und Siliciumkarbidelemente und können mit Kühlelementen 16 ausgerüstet sein, wie es gezeigt ist. Das Gehäuse 12 enthält auch einen Einlass 18, durch den ein Inertgas, wie beispielsweise Argon, zum Innenraum des Gehäuses 12 zugeführt wird, um eine Oxidation des Superlegierungs-Gegenstandes zu verhindern, während er auf den erhöhten Bearbeitungstemperaturen gemäß der Erfindung ist. Ebenfalls vorzugsweise enthalten ist eine extern gekühlte Wärmeabschirmung 20, die das Gehäuse 12 umgibt, und eine Abzugshaube 22 zum Abführen von Dämpfen, die während des Schweißvorganges erzeugt werden.
In der Vergangenheit würde ein Superlegierungs-Gegenstand, bevor er ein Schweißen in einem Gehäuse des in 1 gezeigten Typs durchläuft, zunächst in einem Satz bzw. Batch wärmebehandelt, um Restspannungen zu entspannen, die als eine Folge des Betriebs des Gegenstandes vorhanden sind, und, wenn der Gegenstand aus einer γ'-verstärkten Nickelbasis-Superlegierung hergestellt ist, für eine Legierungserweichung durch Lösen von einem Teil der härtenden γ'-Phase zu sorgen. Eine zweite Wärmebehandlung im Satz würde dann nach dem Schweißen ausgeführt, um restliche Spannungen zu entspannen, die während des Abkühlens von den Schweißtemperaturen erzeugt worden sind. Diese diskreten Wärmebehandlungszyklen sind in 2 als Kurven „A" und „C" dargestellt. Kurve „B" in 2 stellt einen Schweißzyklus dar, in dem der Gegenstand auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird, im Allgemeinen über etwa 1.500°F (etwa 815°C). Die Erwärmungs- und Abkühl-Anstiegsraten, die Ausgleichstemperaturen und Haltezeiten für Entspannungs- und Lösungs-Wärmebehandlungen sind kritisch, um die gewünschte Entspannung zu erhalten, ohne die Superlegierung und ihre Eigenschaften nachteilig zu beeinflussen. Die Wärmebehandlungskurven A und C enthalten Ausgleichstemperaturen, an denen der Gegenstand für eine ausreichende Dauer gehalten wird, um Spannungen in dem Gegenstand zu entspannen, z. B. etwa zwanzig oder dreißig Minuten. Da eine Nachschweiß-Wärmebehandlung ausgeführt werden soll, ist das Temperatur- und Zeitprofil der Schweißvorgänge nicht so kritisch, solange der Gegenstand vor dem Schweißen auf eine akzeptable Temperatur erwärmt wird. Wie durch drei diskrete Temperaturprofile gemäß 2 gezeigt ist, wird der Gegenstand üblicherweise zwischen den Zyklen auf Raumtemperatur abgekühlt, und während dieser Zeit wird der Gegenstand zur Seite gesetzt, bis sich genügend Gegenstände angesammelt haben, um eine Satz-Wärmebehandlung auszuführen.
Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Verfahren ermöglicht die Schweißeinrichtung 10 gemäß der Erfindung eine Steuerung des Temperatur- und Zeitprofils innerhalb des Gehäuses 12 und bietet deshalb die Möglichkeit, Vorschweiß- und Nachschweiß-Entspannungs-Wärmebehandlungen und Schweißvorgänge innerhalb eines einzelnen Ofens unter Verwendung einer thermischen Aussetzung bei variabler Temperatur ausgeführt wird, anstatt in getrennten Satz- und Schweißöfen, die in der Vergangenheit erforderlich waren. Es ist wichtig, dass das in der Schweißeinrichtung 10 ausgeführte bevorzugte Verfahren keine Abkühlung des Gegenstandes zwischen Temperaturzyklen enthält, wie es in 2 gezeigt ist, sondern stattdessen den Gegenstand direkt von einem Vorschweiß-Temperaturprofil „D" auf ein Schweißprofil „E" abkühlt und dann den Gegenstand direkt von dem Schweißprofil E auf ein Nachschweiß-Temperaturprofil „F" erwärmt, wie es in 3 gezeigt ist. Ein Vergleich der 2 und 3 zeigt, dass die Vorschweiß- und Nachschweiß-Profile D und F in 3 keine Ausgleichscharakteristik bei konstanter Temperatur entsprechend den Profilen A bzw. C in 2 enthalten. Weiterhin übersteigen die Spitzentemperaturen für die Vorschweiß- und Nachschweiß-Profile D und F in 3 die entsprechenden Ausgleichstemperaturen für die Profile A bzw. C in 2. Das Ergebnis ist nicht nur eine verkürzte Zykluszeit, indem Abkühlungen auf Raumtemperatur eliminiert werden, sondern auch kürzere Wärmebehandlungszyklen (D und F) vor und nach dem Schweißen. Jedoch könnten die Profile D und F in 3 und gemäß der Erfindung Ausgleichsvorgänge enthalten, wie es in 2 gezeigt ist; beispielsweise indem die in 2 gezeigten Ausgleichsvorgänge bei etwa 1.038°C (1.900°F) für die in 3 gezeigten Ausgleichsvorgänge bei etwa 1.121°C (2.050°F) ersetzt werden.
Die oben beschriebenen Betriebseigenschaften werden erreicht, indem die Temperatur des Gegenstandes in dem Gehäuse 12 mit einem geeigneten Temperatursensor 24 detektiert wird, wie beispielsweise einem optischen Pyrometer oder einem Standard K Thermoelement. Das Temperatursignal von dem Sensor 24 wird als eine Eingabe in eine programmierbare Temperaturregelung 26 verwendet, die das Signal aus dem Sensor 24 mit den gewünschten Profilen D, E und F vergleicht, die in dem Speicher 28 für den Gegenstand gespeichert sind. Das Steuersignal für die Heizeinrichtung 14 wird dann geregelt auf der Basis der Differenz zwischen dem gewünschten Temperaturprofil und der Temperatur des Gegenstandes. Auf diese Weise kann im Wesentlichen jedes Temperaturprofil, das für einen gegebenen Superlegierungs-Gegenstand erforderlich ist, programmiert und genau geregelt werden, um die Aufgaben dieser Erfindung zu lösen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung für die Integration von Wärmebehandlungs- und Schweißzyklen innerhalb einer einzigen Einrichtung sorgt, mit dem Ergebnis, dass das, das bisher drei diskrete Temperaturprofile waren, zu einer einzigen thermischen Behandlung zusammengefasst wird. Die Vorteile umfassen die Eliminierung von Batch- bzw. Satz-Wärmebehandlungen, die Eliminierung von Abkühlungen auf Raumtemperatur zwischen Behandlungen und die Verkürzung der einzelnen Behandlungsprofile. Die erfindungsgemäße Einrichtung 10 wurde zwar in Bezug auf bestimmtes Gerät zum Bearbeiten von Superlegierungs-Gegenständen erläutert, aber sie könnte auch für die Behandlung und das Schweißen von anderen Materialien und Gegenständen verwendet werden, deren Bearbeitung eine genaue Regelung bei erhöhten Temperaturen erfordert, um eine Verschlechterung der Eigenschaften des Gegenstandes zu vermeiden.

Claims

Verfahren zum Schweißen eines Superlegierungs-Gegenstandes, wobei das Verfahren die Schritte enthält: Ausbilden eines Wärmebahndlungs-Temperaturprofils vor dem Schweißen, eines Schweißtemperaturprofils und eines Wärmebehandlungs-Temperaturprofils nach dem Schweißen für einen Superlegierungs-Gegenstand, Anordnen des Superlegierungs-Gegenstandes mit einem Gehäuse (12) mit einer Einrichtung (14) zum Heizen des Gegenstandes, einer Einrichtung (24) zum Abtasten einer Temperatur in dem Gegenstand und einer Einrichtung zum Steuern der Heizeinrichtung (14) auf der Basis der Temperatur des Gegenstandes und gemäß dem Wärmebahndlungs-Temperaturprofil vor dem Schweißen, dem Schweißtemperaturprofil und dem Wärmebehandlungs-Temperaturprofil nach dem Schweißen, Betreiben der Heizeinrichtung (14), der Abtasteinrichtung (24) und der Steuereinrichtung (26), um den Superlegierungs-Gegenstand gemäß dem Wärmebahndlungs-Temperaturprofil vor dem Schweißen zu erwärmen, ohne Entfernen des Gegenstandes aus dem Gehäuse (12), Betreiben der Heizeinrichtung (14), der Abtasteinrichtung (24) und der Steuereinrichtung (26), um den Superlegierungs-Gegenstand direkt von dem Wärmebahndlungs-Temperaturprofil vor dem Schweißen auf das Schweißtemperaturprofil zu erwärmen, Schweißen des Gegenstandes, während die Temperatur des Gegenstandes gemäß dem Schweißtemperaturprofil beibehalten wird, und dann ohne Entfernen des Gegenstandes aus dem Gehäuse (12), Betreiben der Heizeinrichtung (14), der Abtasteinrichtung (24) und der Steuereinrichtung (26), um den Superlegierungs-Gegenstand direkt von dem Schweißtemperaturprofil auf das Wärmebehandlungs-Temperaturprofil nach dem Schweißen zu erwärmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schweißtemperaturprofil aus Temperaturen unter dem Wärmebehandlungs-Temperaturprofil vor dem Schweißen besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schweißtemperaturprofil aus Temperaturen unter dem Wärmebehandlungs-Temperaturprofil nach dem Schweißen besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schweißtemperaturprofil aus Temperaturen unter den Wärmebehandlungs-Temperaturprofilen vor und nach dem Schweißen besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärmebahndlungs-Temperaturprofile vor und nach dem Schweißen durch das Fehlen einer konstanten Temperatursenke ausgezeichnet sind.
Schweißeinrichtung (10) enthaltend: ein Gehäuse (12), das einen Superlegierungs-Gegenstand einschließen kann, ein Einrichtung (14) zum Erwärmen des Gegenstand in dem Gehäuse (12), eine Einrichtung (24) zum Abtasten der Temperatur des Gegenstandes, während er sich in dem Gehäuse (12) befindet, eine Speichereinrichtung (28) zum Speichern eines Wärmebehandlungs-Temperaturprofils vor dem Schweißen, eines Schweißtemperaturprofils und eines Wärmebehandlungs-Temperaturprofils nach dem Schweißen, eine Einrichtung (26) zum Steuern der Heizeinrichtung (14) auf der Basis der Temperatur des Gegenstandes gemäß dem Wärmebahndlungs-Temperaturprofil vor dem Schweißen, dem Schweißtemperaturprofil und dem Wärmebehandlungs-Temperaturprofil nach dem Schweißen, und eine Einrichtung zum Schweißen des Gegenstandes, während der Gegenstand auf dem Schweißtemperaturprofil ist.
Schweißeinrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei das Schweißtemperaturprofil aus Temperaturen unter dem Wärmebehandlungs-Temperaturprofil vor dem Schweißen besteht.
Schweißeinrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei das Schweißtemperaturprofil aus Temperaturen unter dem Wärmebehandlungs-Temperaturprofil nach dem Schweißen besteht.
Schweißeinrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei Schweißtemperaturprofil aus Temperaturen unter den Wärmebehahndlungs-Temperaturprofilen vor und nach dem Schweißen besteht.