-
Die
Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen und Verfahren zum Schweißen von
Superlegierungskomponenten. Insbesondere ist die Erfindung auf einen
reflektierenden Überzug
gerichtet zum Vergrößern des
Reflexionsvermögens
von einem Reflektor neben einer Lampe, die dazu verwendet wird,
eine Superlegierungskomponente vorzuwärmen und während eines Schweißvorganges
auf einer erhöhten Temperatur
zu halten.
-
Hochtemperatur-Kobalt-
und Nickelbasis-Superlegierungen werden in weitem Umfang verwendet,
um gewisse Komponenten von Gasturbinentriebwerken, einschließlich Brennern
und Turbinenleit- und -laufschaufeln, zu bilden. Zwar werden Hochtemperatur-Superlegierungskomponenten
häufig
durch Gießen
geformt, aber es gibt Umstände,
wo Superlegierungskomponenten vorzugsweise oder notwendigerweise
durch Schweißen
gefertigt werden. Beispielsweise können Komponenten mit komplexen
Konfigurationen, wie beispielsweise Turbinenmittelrahmen und Mantelstützringe,
einfacher dadurch gefertigt werden, dass getrennte Gussstücke miteinander
verschweißt
werden. Deshalb ist es häufig
praktikabler und kosteneffektiver, komplexe Komponenten durch Schweißen zu fertigen,
anstatt dass die Komponente als ein einheitliches Teil gegossen wird.
-
Zusätzlich zu
den vorgenannten Umständen wird
Schweißen
im breiten Umfang als Verfahren zum Wiederherstellen von Schaufelspitzen
und zum Reparieren von Rissen und anderen Oberflächendiskontinuitäten in Superlegierungskomponenten
verwendet, die durch thermische Zyklusbewegungen und Fremdkörperaufprall
verursacht werden. Da die Kosten von Komponenten, die aus Hochtemperatur-Kobalt- und -Nickelbasis-Superlegierungen
gebildet sind, relativ hoch sind, ist Wiederherstellen/Reparieren
dieser Komponenten üblicherweise
wünschenswerter
als sie zu ersetzen, wenn sie abgenutzt oder beschädigt werden.
-
Superlegierungskomponenten
sind vor dem Schweißen
vorgewärmt
und dann während
des Schweißens
kontinuierlich erwärmt
worden, um Schweißausbeu ten
zu verbessern. Zu diesem Zweck sind Vorwärmtemperaturen von mehr als
etwa 1500°F
(etwa 815°C)
und häufig über 1700°F (925°C) verwendet
worden. Erwärmen
und Schweißen
von Superlegierungskomponenten in dieser Weise sind häufig in
einem Mantel ausgeführt
worden, der eine gesteuerte Atmosphäre (z. B. ein Inertgas) enthält, wobei
Schweißtechniken
verwendet werden, wie beispielsweise Wolfram-Inertgas-(TIG) und Laserschweißverfahren.
Vorwärmen
wird üblicherweise durch
Induktion oder mit der Verwendung von Lampen, insbesondere Quarz-Halogenlampen,
ausgeführt.
Lampen erwärmen
ihre als Ziel dienenden Superlegierungskomponenten durch thermische
Strahlung und sind deshalb häufig
mit einem polierten Aluminiumreflektor ausgerüstet, der thermische Strahlung
in den Mantel hinein in Richtung auf die zu schweißende Komponente
reflektiert. Wenn sie als die Wärmequelle
verwendet wird, wird die Lampe gelegentlich mit einer höheren Eingangsspannung
betrieben als der Nennspannung der Lampe, z. B. eine Lampe mit einer
Nennspannung von 90 bis 100 Volt könnte bei 105 bis 110 Volt betrieben
werden. Das Ergebnis ist eine dramatische Verkürzung der Lampenlebensdauer
und eine weniger als optimale Temperatursteuerung der Komponente.
-
Deshalb
würde es
wünschenswert
sein, wenn ein verbesserter Heiz-Wirkungsgrad
für eine Schweißeinrichtung
erreicht werden könnte,
die dazu verwendet wird, Schweißvorgänge in Superlegierungs-Gegenständen auszuführen. Insbesondere würde es wünschenswert
sein, wenn Superlegierungs-Gegenstände schneller und effizienter
mit einer derartigen Einrichtung erwärmt werden könnten, während die
Temperatursteuerung beibehalten und die Lebensdauer der zum Erwärmen der
Gegenstände
verwendeten Vorrichtung verlängert
wird.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt eine Heizeinrichtung und ein Verfahren
zum Schweißen
eines Superlegierungs-Gegenstandes bereit. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
erreichen die Einrichtung und das Verfahren ein Schweißen eines
Superlegierungs-Gegenstandes in einem Mantel, der mit einer thermische
Strahlung erzeugenden Vorrichtung ausgerüstet ist, die den Gegenstand
auf eine Temperatur von wenigstens 816°C (1500°F) vor dem Schweißen vorwärmt. Die
Erfindung stellt insbesondere einen thermisch reflektierenden Überzug auf
einem Reflektorteil bereit, das neben der thermische Strahlung erzeugende
Vorrichtung zu dem Zweck angeordnet ist, dass von der Vorrichtung
emittierte thermische Strahlung in den Mantel hinein reflektiert
wird. Die Vorrichtung wird dann betätigt, um den Superlegierungs-Gegenstand
auf eine geeignete Temperatur, z. B. 816°C (1500°F) oder mehr, zu erwärmen, wonach
ein Schweißvorgang
an dem Superlegierungs-Gegenstand ausgeführt wird.
-
Gemäß der Erfindung
weist der thermisch reflektierende Überzug wenigstens zwei reflektierende Schichten
auf, wobei jede Schicht aus einem Material gebildet ist, das für elektromagnetische
Wellenlängen
zwischen 500 und 3000 Nanometer (nm) im wesentlichen durchlässig ist.
Zusätzlich
hat das Material der äußersten
Schicht des Paares einen höheren Brechungsindex
als das Material von der anderen Schicht des Paares. Überzüge gemäß der Erfindung haben
gezeigt, dass sie das Reflexionsvermögen von einem üblichen
Aluminiumreflektor auf mehr als 90% für elektromagnetische Wellenlängen von
etwa 700 bis 1250 nm vergrößern, was
innerhalb des Spektrums für
thermische Strahlung (nahe Infrarot) ist, die durch thermische Strahlung
erzeugende Lampen, wie beispielsweise Quarz-Halogenlampen, erzeugt
wird. Dementsprechend kann eine Quarz-Halogenlampe bei relativ kleineren
Eingangsleistungen betrieben werden und trotzdem den Superlegierungs-Gegenstand ausreichend
erwärmen,
um einen gewünschten
Schweißvorgang
an dem Gegenstand, wie beispielsweise TIG oder Laserschweißen, auszuführen, um
den Gegenstand zusammenzubauen oder zu reparieren. Infolgedessen
ist die Einrichtung gemäß der Erfindung
in der Lage, einen zu schweißenden
Superlegierungs-Gegenstand
für eine
gegebene Eingangsleistung schneller und effizienter zu erwärmen. Die
Einrichtung kann auch in einer Art und Weise betätigt werden, die die Lebensdauer
der Lampe verlängert,
indem die erforderliche Leistung gesenkt wird, um eine gewünschte Temperatur
zu erreichen, wenn der Gegenstand vorgewärmt und geschweißt wird.
Schließlich
fördert
die Erfindung die Fähigkeit,
die Temperatur des Gegenstandes durch Einstellung der Eingabe in
die Lampe zu steuern.
-
Die
Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 ein
Kurvenbild ist, das die Kurve des Reflexionsvermögens über der Wellenlänge für einen bekannten
Aluminiumreflektor zeigt;
-
2 einen
Querschnitt von einem Abschnitt von einem Quarz-Halogenlampenreflektor mit einem reflektierenden Überzug gemäß der Erfindung zeigt;
-
3 ein
Kurvenbild ist, das die Kurve des Reflexionsvermögens über der Wellenlänge für einen beschichteten
Aluminiumreflektor gemäß 2 zeigt;
-
4 ein
Kurvenbild ist, das die Kurve der Energieabsorption über der
Wellenlänge
für einen bekannten
Aluminiumreflektor und den beschichteten Aluminiumreflektor gemäß 2 vergleicht.
-
Die
Erfindung ist allgemein auf Superlegierungs-Gegenstände gerichtet,
die einen Schweißvorgang
während
ihrer Fertigung und/oder Reparatur durchlaufen müssen. Die Vorteile der Erfindung
werden zwar unter Bezugnahme auf Komponenten von Gasturbinentriebwerken
beschrieben, die Erfindung ist aber auch auf eine Vielfalt von Anwendungen
anwendbar, in denen ein Gegenstand durch eine Vorrichtung erwärmt werden
soll, die thermische Strahlung emittiert.
-
Mäntel zum
Ausführen
eines Schweißvorganges,
wie beispielsweise TIG oder Laserschweißen in einer gesteuerten Atmosphäre sind
bekannt, wie auch mit thermischer Strahlung arbeitende Heizvorrichtungen,
die eine Vielfalt von Lampenkonstruktionen enthalten. In der Vergangenheit
sind Lampen, wie beispielsweise Quarz-Halogenlampen, mit polierten
Aluminiumreflektoren ausgerüstet
worden, um die Reflexion von Wärme
(thermische Strahlung) in Richtung auf das beabsichtigte Superlegierungsziel zu
fördern.
Aluminiumreflektoren, die in der Technik bekannt sind, können aus
Aluminium geformt oder mit einer Aluminiumbeschichtung versehen
sein. Beispiele für
die Letztere sind zerstäubte
Aluminiumbeschichtungen, die mit einem korrosionsbeständigen Überzug geschützt sein
können,
um die Bildung von Aluminiumoxid zu hemmen, die das Reflexionsvermögen von
dem Aluminium verschlechtern würden.
-
Während einer
Untersuchung, die zu dieser Erfindung führte, wurden die thermischen
Strahlungscharakteristiken von einem polierten Aluminiumreflektor
analysiert, wobei das Ergebnis in 1 dargestellt
ist. Gemäß den Daten
von 1 fällt
das Reflexionsvermögen
von poliertem Aluminium bei Wellenlängen zwischen etwa 500 bis
etwa 1000 nm beträchtlich
ab, wobei dieser Bereich die kürzeren Wel lenlängen der
Infrarotstrahlung enthält,
die durch eine übliche
Quarz-Halogenlampe emittiert wird. Thermische Strahlung ist im Allgemeinen
im Infrarotbereich von etwa 780 bis etwa 1 × 106 nm,
während elektromagnetische
Strahlung, die durch Quarz-Halogenlampen
emittiert wird, sichtbare Strahlung (etwa 380 bis etwa 780 nm) und
thermische Strahlung enthält.
Als eine Folge ist das Reflexionsvermögen von poliertem Aluminium
relativ niedrig für
thermische Strahlung nahe dem unteren Ende des Infrarotspektrums,
was die Menge an Strahlungserwärmung
verringert, die auftritt, wenn man eine Superlegierungsprobe mit
einer Halogenlampe zu erwärmen
versucht.
-
In 2 ist
ein Querschnitt von einem Reflektor 10 dargestellt, der
von dieser Erfindung verwendet wird, um das Reflexionsvermögen von
Infrarotstrahlung zu fördern,
die durch eine thermische Strahlungswärmequelle, wie beispielsweise
eine Quarz-Halogenlampe (nicht gezeigt), emittiert wird. Der Reflektor 10 enthält ein Aluminiumsubstrat 12, das
die gesamte Basisstruktur von dem Reflektor 10 bilden kann,
oder es kann auf eine Beschichtung auf dem Reflektor 10 begrenzt
sein. Ein keramisches Beschichtungssystem 14 ist in der
Weise dargestellt, dass es auf der Oberfläche von dem Aluminiumsubstrat 12 abgeschieden
ist. Das Beschichtungssystem 14 (nicht in einem bestimmten
Maßstab
gezeigt) ist so gezeigt, dass es vier Schichten 16, 18, 20 und 22 von
keramischen Materialien aufweist, die nachfolgend als paarige Schichten 16/18 und 20/22 erläutert werden.
Im Rahmen dieser Erfindung könnte
jede Anzahl von Schichtenpaaren verwendet werden. Die Signifikanz
der Verwendung von Schichtenpaaren basiert auf dem Interferenzeffekt
der optischen Konstruktion von zwei Materialien, die gegenüber den
interessierenden Wellenlänge
durchlässig
sind, aber unterschiedliche Brechungsindices haben, um eine Phasenverstärkung der
Wellenlängen
zu erreichen, die von dem Reflektor 10 reflektiert werden
sollen. Für
den Fachmann wird deutlich, dass Phasenverstärkung erfordert, dass jedes
Paar der Schichten 16/18 und 20/22 unterschiedliche
Brechungsindices haben, wobei die der Strahlungsquelle nächstgelegene
Schicht (z. B. Schicht 18 der paarigen Schichten 16/18 und
Schicht 22 der paarigen Schichten 20/22) den
höheren
Index hat. Zusätzlich
haben die Schichten von einem gegebenen Paar vorzugsweise unterschiedliche
Dicken auf der Basis der zu reflektierenden Wellenlänge und
ihrer entsprechenden Brechungsindices gemäß der Viertelwellen-Gleichung: t = λ/4n wobei
t die erforderliche Dicke von einer Überzugsschicht in Nanometern
ist, λ (Lambda)
die interessierende Wellenlänge
in Nanometern ist und n der Brechungsindex des Materials der Überzugsschicht
ist.
-
Das
in 2 gezeigte vierschichtige Überzugssystem 14 ist
bevorzugt, weil es für
ein Gleichgewicht zwischen Leistungsvermögen (Reflexionsvermögen) und
Bearbeitungs- und Kostenüberlegungen
sorgt, obwohl der gewünschte
optische Effekt mit zusätzlichen
paarigen Schichten verstärkt
sein kann. Geeignete keramische Materialien für die Schichten, 16, 18, 20 und 22 umfassen
hochwarmfeste Fluoride und Metalloxide, wie beispielsweise Siliziumoxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Titanoxid (TiO2),
Tantaloxid (Ta2O5),
Zirkonoxid (ZrO2), Thoriumoxid (ThO2) und Nioboxid (Nb2O5), obwohl auch andere Oxide verwendet werden
könnten.
Diese Materialien können
für die
Zwecke dieser Erfindung dahingehend kategorisiert werden, dass sie
Materialien mit entweder einem hohen oder einem niedrigen Index sind.
Beispielsweise haben zerstäubte
hochwarmfeste Fluoride, Siliziumoxid und Aluminiumoxid relativ niedrige
Brechungsindices, im Allgemeinen in dem Bereich von etwa 1,25 bis
etwa 1,7, während
Titanoxid, Tantaloxid, Zirkonoxid und Nioboxid höhere Brechungsindices haben,
im Allgemeinen in dem Bereich von etwa 2 bis etwa 2,3. Während Oxide
bevorzugte Materialien für
die Schichten 16, 18, 20 und 22 des Überzugssystems 14 wegen
ihres Hochtemperaturvermögens
sind, ist es möglich,
dass andere Materialien verwendet werden könnten, wenn sie die Erfordernisse
für die
thermische Stabilität
bei Temperaturen über
etwa 1500°F,
die Transparenz gegenüber Wellenlängen von
Interesse erfüllen
und für
Brechungsindices sorgen, die mit dem Reflexionsvermögen kompatibel
sind, das für
das Überzugssystem 14 gesucht
wird.
-
Auf
der Basis der oben angegebenen Viertelwellen-Gleichung hängen geeignete
Dicken für
das Überzugssystem 14 von
den verwendeten Materialien und der Anzahl von Schichten ab, die
das Überzugssystem 14 bilden.
Wie weiterhin aus der obigen Gleichung hervorgeht, sind die Überzugsschichten mit
den kleineren Brechungsindices (z. B. 16 und 20) dicker
als die Schichten mit den höheren
Brechungsindices (z. B. 18 und 22). Genauer gesagt,
für eine gegebene
Wellenlänge
von Interesse sind die einen niedrigen Index aufweisenden Schichten
(z. B. 16 und 20) dicker als die einen hohen Index
aufweisenden Schichten um einen Faktor, der umgekehrt proportional
zu ihren Brechungsindices ist. In einem Beispiel sind die Schichten 16 und 20 Siliziumoxid,
während
die Schichten 18 und 22 Titanoxid sind. Auf der Basis
der Brechungsindices von etwa 1,5 und 2,2 für Siliziumoxid bzw. Titanoxid
beträgt,
wenn Strahlung mit einer Wellenlänge
zwischen etwa 700 und 1300 nm reflektiert werden soll, eine geeignete
Dicke für die
Siliziumoxidschichten 16 und 20 etwa 117 bis 217 nm,
und eine geeignete Dicke für
die Titanoxidschichten 18 und 22 beträgt etwa
80 bis 148 nm. Die Gesamtdicke für
dieses Überzugssystem 14 würde in dem
Bereich von etwa 394 bis 734 nm liegen. Allgemeiner gesprochen,
ein Überzugssystem 14 gemäß der Erfindung
hat eine Gesamtdicke von etwa 100 bis etwa 5000 nm, wobei eine bevorzugte
Dicke bei etwa 480 nm liegt.
-
In
der Praxis sind Überzugssysteme,
die dem in 2 gezeigten ähnlich sind, erfolgreich zerstäubt worden
auf polierten zerstäubten
Aluminiumüberzügen von üblichen
Reflektoren. Während
der Untersuchung, die zu dieser Erfindung führte, wurde ein Test, der identisch
zu demjenigen war, der zur Erzeugung der Daten von 1 verwendet
wurde, mit einem Reflektor ausgeführt, der eine polierte zerstäubte Aluminiumoberfläche hatte
und mit vier Keramikschichten beschichtet war, wobei die ersten
und dritten (Schichten 16 bzw. 18 in 2)
Siliziumdioxid waren, während
die zweiten und vierten (Schichten 20 bzw. 22 in 2)
Titanoxid waren. Die Dicken der ersten und dritten (Siliziumdioxid-)
Schichten betrugen etwa 141 nm bzw. 156 nm, während die Dicken der zweiten
und vierten (Titandioxid-) Schichten etwa 97 nm bzw. 87 nm betrugen,
was zu einer Gesamtdicke des Überzuges
von etwa 481 nm führte.
Wie in 3 gezeigt ist, wies der beschichtete Reflektor
gemäß der Erfindung
ein Reflexionsvermögen
von mehr als 90% für
elektromagnetische Wellenlängen von
etwa 700 bis etwa 1250 nm auf, wenn er dem weißen Licht einer Quarz-Halogenlampe
ausgesetzt wurde, und von mehr als 95% für Wellenlängen von etwa 750 bis etwa
1200 nm. Über
dem Bereich von etwa 700 bis etwa 1300 nm wies der Reflektor ein durchschnittliches
Reflexionsvermögen
von etwa 95,7% auf. Ein Vergleich von 3 mit 1 stellt die
vorteilhafte Verbesserung im Reflexionsvermögen des beschichteten Reflektors
gemäß der Erfindung
gegenüber
den unbeschichteten Reflektoren des Standes der Technik dar, wenn
sie unter identischen Bedingungen bewertet wurden. In der Wirkung kompensierte
das Überzugssystem
gemäß der Erfindung
das relativ schlechte Reflexionsvermögen von poliertem Aluminium
zwischen Wellenlängen
von etwa 500 und 1000 nm.
-
Ein
weiterer Vergleich von beschichteten Reflektoren gemäß der Erfindung
mit unbeschichteten Reflektoren des Standes der Technik kann in 4 gesehen
werden, die die Energieabsorption (in Kilowatt/(m2hg)
(BTU/ft2hrgm)) von einem üblichen
unbeschichteten polierten Aluminiumreflektor und den polierten Aluminiumreflektor
vergleicht, der mit dem oben beschriebenen vierschichtigen Keramiküberzugssystem
beschichtet ist. Unter identischen Testbedingungen zeigte der beschichtete
Reflektor gemäß der Erfindung
einen markanten Abfall in der Energieabsorption zwischen Spitzenwerten
bei Wellenlängen
von etwa 0,6 und 1,4 Mikrometer (600 und 1400 nm). Im Gegensatz
dazu wies der unbeschichtete Reflektor gemäß dem Stand der Technik eine Spitzenabsorption
bei etwa 1,0 Mikrometer (etwa 1000 nm) auf, was etwa neun Mal größer als
das Absorptionsvermögen
des beschichteten Reflektors bei der gleichen Wellenlänge ist. Über den
getesteten Wellenlängen
absorbierte der unbeschichtete Reflektor etwa 2,62 Kilowatt/(m2h) (96,600 BTU/(ft2hr)) mehr
als der beschichtete Reflektor gemäß der Erfindung.
-
Auf
der Basis des verbesserten Reflexionsvermögens von Reflektoren, die gemäß der Erfindung
beschichtet sind, ist es möglich,
Quarz-Halogenlampen (oder eine andere geeignete thermische Strahlung
erzeugende Lampe) bei niedrigeren Eingangsspannungen zu verwenden,
um den gleichen Erwärmungseffekt
zu erzielen, wie die gleiche Lampe mit einem unbeschichteten Aluminiumreflektor
gemäß dem Stand
der Technik. Dementsprechend ist es ein besonderer Vorteil der Erfindung,
dass ein verbessertes Leistungsvermögen des Reflektors eine verbesserte
Erwärmung
eines Superlegierungs-Gegenstandes vor dem Schweißen zur
Folge hat, was gestattet, dass eine Superlegierungskomponente schneller
erwärmt
wird und/oder auf eine höhere Temperatur
erwärmt
wird. Ein anderer Vorteil von beschichteten Reflektoren gemäß der Erfindung
besteht darin, dass verringerte Eingangsspannungen verwendet werden
können,
um eine gewünschte Heizrate
zu erzielen, was zu einer verlängerten
Lebensdauer der Lampe führt
im Vergleich zum Stand der Technik, in dem die Verwendung von überhöhten Spannungswerten
eine verkürzte
Lebensdauer der Lampe zur Folge hatte. Schließlich fördert das Beschichtungssystem 14 gemäß der Erfindung
die Fähigkeit,
die Temperatur des Gegenstandes durch Einstellung der Eingangsgröße in die
Lampe zu steuern. Wenn beispielsweise eine Rotation des Gegenstandes
zur Folge hat, dass eine kleinere Oberfläche ge genüber der Lampe ausgesetzt wird,
während
die Lampe bei nahezu voller Leistung arbeitet, würde Kühlung auftreten, weil zusätzliche
Energie nicht zur Verfügung
stehen würde,
um die Ausgangsgröße der Lampe
zu erhöhen
und die Temperatur des Gegenstandes beizubehalten. Erfindungsgemäß kann jedoch
die Lampe gut unter der vollen Leistung betrieben werden, um eine
vergleichbare Temperatur zu erzielen, so dass zusätzliche
Energie zur Verfügung steht,
um eine Rotation des Gegenstandes zu kompensieren.
-
Die
Erfindung wurde zwar in Bezug auf einen Überzug bzw. eine Beschichtung
für einen
Reflektor von einer thermischen Strahlungsheizquelle erläutert, aber
das Überzugssystem 14 gemäß der Erfindung
könnte
auch auf das Innere des Mantels angewendet werden, in dem eine Superlegierung
gespeist werden soll. Ein zusätzlicher
Vorteil des Überzugssystems 14 besteht
darin, dass es als ein Anti-Anhaftungsüberzug wirkt,
was es einfacher macht, Abscheidungen zu beseitigen, die sich auf
dem Reflektor und dem Mantel während
des Schweißens
bilden.