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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Schwungradreibschweißen und
insbesondere das Schwungradreibverschweißen eines ersten Superlegierungswerkstücks mit
einem zweiten Superlegierungswerkstück eines Stators eines Hochtemperaturbereichs
einer Gasturbine (siehe Anspruch 1).
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Es
sind Superlegierungen zur Verwendung in Gasturbinentriebwerken von
Flugzeugen entwickelt worden, damit sie der darin befindlichen schädlichen,
eine hohe Temperatur aufweisenden Umgebung widerstehen und gleichzeitig
eine geeignete Nutzungsdauer während
des Betriebs haben. Eine typische Superlegierung für Turbinentriebwerke
ist eine auf Nickel basierende Legierung mit hoher Festigkeit und
Hitzebeständigkeit,
die unter verschiedenen kommerziellen Bezeichnungen, einschließlich Inconel,
Waspaloy, Hastelloy und Rene mit verschiedenen alphanumerischen
Angaben bekannt ist. Diese Superlegierungen weisen ferner entsprechende industrielle
Bezeichnungen gemäß den AMS-Spezifikationen
auf.
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Diese
Superlegierungen weisen spezifische Mikrostrukturen auf, die mit
der Erzielung einer sehr hohen Materialfestigkeit bei den gesteigerten,
hohen Temperaturen in Gasturbinentriebwerken verbunden und der darin
befindlichen heißen
Verbrennungsgasströmung
unterworfen sind. Sowohl Rotor- als auch Statorkomponenten in dem
Triebwerk sind den heißen
Verbrennungsgasen unter einer starken Belastung und hohen Beanspruchungsniveaus
während eines
Triebwerksbetriebs ausgesetzt. Die Verwendung von Superlegierungen
in diesen Teilen trägt
der schädlichen
Umgebung Rechnung und ermöglicht die
Erzielung einer passenden Nutzungsdauer von diesen.
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Verhältnismäßig große Superlegierungskomponenten
in einem Triebwerk sind gewöhnlich die
Statorkomponenten, zu denen beispielsweise eine Brennkammer, eine
Turbine und Strukturgehäuse
eines Verdichters sowie Druckgefäße gehören, die
Außendurchmesser
in dem beispielhaften Bereich von 25,5–203,2 cm (10–80 Zoll)
aufweisen können.
Rotorkomponenten, wie beispielsweise Laufschaufeln und tragende
Laufradscheiben, weisen einen entsprechend kleineren Durchmesser
auf.
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Die
Superlegierungskomponenten vom Rotor und Stator müssen in
ihrer spezifischen Größe und ihren
speziellen Gestaltungen unter Aufrechterhaltung der Integrität des Superlegierungsmaterials selbst
ohne Einführung
von Defekten oder Verlust der Festigkeit in diesen hergestellt sein.
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Außerdem müssen verschiedene
Komponenten des Triebwerks, beispielsweise durch Schweißen, fest
miteinander verbunden werden. Typische Schweißarten schmelzen das Ausgangsmaterial
lokal an und sind zum Verschweißen
von Superlegierungen angesichts der damit verbundenen Veränderung
ihrer Mikrostruktur, die ihr Hochtemperaturfestigkeitsvermögen deutlich
reduziert, nicht nutzbar. Superlegierungskomponenten werden folglich
unter Verwendung von Schwungradreibschweißen miteinander verschweißt, bei
dem der Ausgangsstoff nicht angeschmolzen wird.
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Beim
Schwungradreibverschweißen
wird ein erstes Werkstück
auf eine spezielle Drehzahl in Drehung versetzt, während anschließend ein
zweites Werkstück
in Reibschlussverbindung mit dem ersten Werkstück gedrückt wird, wobei Reibungswärme erzeugt
wird, um die beiden Komponenten mitein ander zu verschweißen, ohne
sie in dem Kontaktbereich anzuschmelzen. Schwungradschweißen ist
ein Schmiedeprozess, der erhöhte
Schmiedetemperaturen für
den spezifischen Werkstoff erfordert. Eine obere Schmiedetemperatur
ist gewöhnlich
die Schmelztemperatur für
den Werkstoff, die beim Schwungradreibverschweißen von Superlegierungen angesichts
der daraus resultierenden Veränderung
ihrer Mikrostruktur nicht erreicht werden darf. Eine untere Schmiedetemperatur
ist die minimale Temperatur, bei der ein Schwungradreibverschweißen tatsächlich bewerkstelligt
wird.
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Viele
herkömmliche
Werkstoffe weisen weite Schmiedetemperaturbereiche auf und lassen
sich ohne weiteres durch Schwungradreibschweißen unter Verwendung herkömmlicher
Schwungradreibschweißmaschinen
miteinander verschweißen.
Jedoch ist der verfügbare
Schwungradreibschweißbereich
bei Superlegierungen verhältnismäßig klein
und beträgt
beispielsweise etwa 93,3°C
(ungefähr
200°F) oder
weniger bei Superlegierungen, die auf Nickel basieren, was beim
Verschweißen
von Superlegierungen eine entscheidende Schwierigkeit darstellt, da,
sofern das Schwungradreibverschweißen nicht genau bewerkstelligt
wird, eine daraus resultierende Beschädigung an den verschweißten Komponenten im
Endeffekt als Folge hiervon diese unbrauchbar macht. Da Triebwerkskomponenten
aus einer Superlegierung sehr teuer sind, ist der Fehlschlag beim richtigen
Schwungradreibverschweißen
selbst nur bei einer einzelnen Komponente ziemlich kostspielig.
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Demgemäß sind weniger
kostspielige und verhältnismäßig kleine
Triebwerksrotorkomponenten erfolgreich schwungradreibverschweißt worden, nachdem
die spezifischen Prozesspa rameter hierfür in Eignungstests mit einem
entsprechenden Aufwand bestimmt worden sind.
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Eine
typische Schwungradreibschweißmaschine
enthält
einen ersten und einen zweiten gegenüberliegenden Kopf, an denen
das erste und das zweite Werkstück
einander gegenüberliegend
fest angebracht werden können.
Der erste Kopf ist drehbar angeordet und wird durch einen geeigneten
Motor zur Drehung des Kopfes und des ersten Werkstücks bis
zu einer genauen Drehzahl angetrieben. Der zweite Kopf ist nicht
drehbar angeordnet und trägt
einfach das zweite Werkstück.
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Der
erste Kopf enthält
eine oder mehrere Schwungräder
zur Bereitstellung der rotierenden Trägheitsmaße, um die Verschweißung der
beiden Werkstücke
zu bewerkstelligen. Der zweite Kopf ist durch einen angetriebenen
Kolben axial verschiebbar, der das erste und das zweite Werkstück unter
einer im Wesentlichen drückenden
Schweißlast
oder -kraft miteinander in Eingriff bringt. Das zweite Werkstück kommt
folglich mit dem rotierenden ersten Werkstück reibschlüssig in Eingriff und bremst
dieses ab, wodurch Reibungswärme
in dem Kontaktbereich zwischen diesen erzeugt wird, die die Temperatur von
diesen steigert, um eine Reibschweißverbindung ohne Anschmelzen
zu bewirken.
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Es
gibt lediglich vier Steuervariablen beim Schwungradreibschweißen. Diese
umfassen die Werkstückgeometrie,
wie beispielsweise die Größe und Gestaltung;
die ausgeübte
Schweißlast
und den entsprechenden Schweißdruck
in dem Kontaktbereich der beiden miteinander in Eingriff befindlichen Werkstücke; die
anfängliche
Kontaktdrehzahl der beiden Werkstücke, die gewöhnlich als
die Umfangsgeschwindigkeit in dem Kontaktbereich dargestellt ist,
die auf der Drehzahl und dem Radius in dem Kontaktbereich basiert;
und schließlich
der Energieeintrag pro Flächeneinheit
in dem Kontaktbereich, der auf dem Massenträgheitsmoment des Schwungrads basiert,
das gewöhnlich
durch eine Schwungradfunktion dargestellt ist, die durch das Produkt
aus der Schwungradmasse und dem Quadrat des Trägheitsradius gebildet ist.
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Die
genauen Schwungradreibschweißprozessparameter
für verschiedene
Turbinenlegierungen hoher Festigkeit sind über Jahre hinweg mit beträchtlichen
Kosten entwickelt worden. Da Turbinenrotorkomponenten für die gesamte
Leistungsfähigkeit,
Zuverlässigkeit
und Nutzungsdauer eines Triebwerks von entscheidender Bedeutung
sind, ist eine uneingeschränkte
Einhaltung der erprobten bzw. bewährten Prozessparameter erforderlich,
um eine effektive Schwungradreibverschweißung ohne ein einsetzendes
Anschmelzen sicherzustellen, das die erforderliche Mikrostruktur
der Werkstoffe verändern und
entsprechend ihre Festigkeit verringern würde, was sie für das Triebwerk
unbrauchbar machen würde.
Beispielsweise gehören
zu typischen kritischen umlaufenden Triebwerkskomponenten ein Bläser, ein Verdichter,
eine Turbine und Wellenkomponenten, die aus Nickel basierten Superlegierungen,
wie beispielsweise Inconel 718, Rene 95 und Rene 88, ausgebildet
sind.
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Die
in der Vergangenheit bewährten
Prozessparameter für
diese Superlegierungen umfassen einen Schweißdruck in dem Bereich von 172,4–482,6 MPa
(25.000–70.000
Psi), einen Energieeintrag pro Flächeneinheit in dem Bereich
von 52.631,58–189.473,7
kJ/m2 (25.000–90.000 Fußpfund/Quadratzoll) und eine
Anfangskontaktdrehzahl, gemessen in Umfangsmeter pro Minute UMM (Umfangsfuß pro Minute,
UFM) in dem bevorzugten Bereich von 122–168 UMM (400–550 UFM)
und nicht über
229 UMM (750 UFM), um Schweißfehler,
einschließlich
eines einsetzenden Anschmelzens, zu vermeiden.
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Eine
typische Schwungradreibschweißmaschine
weist eine begrenzte Größe auf und
kann folglich viele der großen
Komponenten nicht aufnehmen, wie sie in Gasturbinentriebwerken vorkommen.
Die Betriebsgrenzgröße kann
mit einem oder mehreren der verschiedenen Prozessparameter, wie
beispielsweise der Energie (einschl. Schwungradbeschränkungen),
den physikalischen Außenabmessungen der
Werkstücke,
die verschweißt
werden, der Querschnittsfläche
der verschweißten
Flächen,
der Maschinengeschwindigkeit (in Form der Drehzahl und/oder Umfangsgeschwindigkeit),
dem Kontaktdruck und anderen, in Beziehung stehen.
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Demgemäß werden
Schwungradreibschweißmaschinen
gewöhnlich
zum Anschweißen der
verhältnismäßig kleineren
Rotorkomponenten und hingegen nicht für die größeren Statorkomponenten verwendet.
Die Statorkomponenten müssen folglich
in sonstiger Weise miteinander verbunden werden, was gewöhnlich unter
Einsatz anderer Herstellungsprozesse, wie beispielsweise einstückiger Modellausschmelzverfahren
oder Präzisionsgießverfahren
mit großem
Durchmesser, nahtloser einstückiger
Walzschmiedeverfahren mit großem
Durchmesser oder Fertigungsverfahren, die andere Arten von Schweißprozessen
verwenden, bewerkstelligt wird.
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Jedoch
haben diese Herstellungsprozesse einen oder mehrere Nachteile, wenn
sie dazu verwendet werden, große
Statorkomponenten eines Gasturbinentriebwerks zu erzeugen, wozu
die aufgebrachte Zeit, der Aufwand, höhere Fehlergrade und die Schwierigkeit
bei der genauen Steuerung der Schwungradreibschweißparameter
gehören.
Außerdem
können
ei nige Werkstoffe hoher Festigkeit für große Turbinenstatorkomponenten
nicht mit herkömmlichen
Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann die Nickel basierte
Superlegierung, die als Waspaloy bezeichnet wird, nicht mit dem
Modellausschmelzverfahren gegossen werden und lässt sich nicht so einfach mit
den Qualitätsniveaus
und der Integrität
schweißen,
die für
einen Gasturbineneinsatz erforderlich sind.
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US-A-5 188 279 beschreibt
ein Schwungradreibverschweißen
von Rotorteilen einer Gasturbine.
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Demgemäß ist es
erwünscht,
ein verbessertes Schwungradreibschweißverfahren für die Herstellung
großer
Superlegierungskomponenten eines Stators eines Gasturbinentriebwerks
unter Verwendung einer kommerziell erhältlichen Schwungradreibschweißausrüstung zu
schaffen.
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Die
vorliegende Erfindung ist im Patentanspruch 1 definiert.
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Die
Erfindung ist nachstehend in größeren Einzelheiten
zu Beispielszwecken mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in
denen zeigen:
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1 eine
schematisierte Darstellung einer herkömmlichen Schwungradreibschweißmaschine, die
entsprechend einem neuen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
betrieben wird;
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2 eine
Flussdiagrammdarstellung eines verbesserten Verfahrens zur Schwungradreibverschweißung von
Superle gierungskomponenten gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist
eine Schwungradreibschweißmaschine 10 zur
Schwungradreibverschweißung
eines ersten mit einem zweiten Werkstück oder Teil 12, 14 veranschaulicht,
wobei die Werkstücke
eine beliebige geeignete Gestaltung aufweisen können. Die Werkstücke sind
koaxial zueinander ausgerichtet und weisen einander gegenüberliegende
Schweißvorbereitungen
oder Kontaktflächen 16 auf,
an denen die Schwungradreibverschweißung bewerkstelligt wird. Die
Schweißvorbereitungen 16 weisen
einen mittleren Durchmesser D und eine Schweißvorbereitungsdicke T auf.
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Die
Maschine 10 enthält
einen ersten Drehkopf 18, an dem in geeigneter Weise das
erste Werkstück 12 fest
angebracht ist, und einen zweiten Kopf 20, an dem das zweite
Werkstück 20 in
geeigneter Weise fest angebracht ist. Der erste Kopf 18 ist
betriebsmäßig mit
einem geeigneten Motor 22, beispielsweise einem Hydraulikmotor,
verbunden, um im Betrieb mit einer geeigneten Drehzahl in Drehung versetzt
zu werden, die in Umdrehungen pro Minute (U/Min) ausgedrückt wird.
An dem ersten Kopf sind eine oder mehrere kreisringförmige Schwungräder 24 geeignet
angebracht, die wahlweise dazu verwendet werden, das Trägheitsmoment
der rotierenden Masse des ersten Kopfes zu steuern, um eine Schwungradreibschweißenergie
zu erbringen.
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Der
Motor und der erste Kopf sind an einem Tragrahmen 26 an
einem Ende von diesem geeignet angebracht, während der zweite Kopf 20 von
einem geeigneten Fahrgestell oder Schlitten 28 an dem entgegengesetzten
Ende des Rahmens 26 getragen ist. Der zweite Kopf 20 ist
an dem Fahrgestell 28 nicht drehbar angeordnet, und das
Fahrgestell 28 ist mit einem Hydraulikkolben 30 betriebsmäßig verbunden, der
konfiguriert ist, um das Fahrgestell 28 in horizontaler
Richtung über
dem Rahmen 26 zu verschieben oder zu verfahren, um das
erste und das zweite Werkstück
an den Schweißvorbereitungen 16 unter einer
spezifischen Schweißlast
oder -kraft F, die beispielsweise in Pfund ausgedrückt wird,
miteinander in Eingriff zu bringen.
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Die
Schwungradreibschweißmaschine 10, wie
sie in 1 veranschaulicht ist, weist einen herkömmlichen
Aufbau und eine herkömmliche
Grundarbeitsweise auf und ist in einer beispielhaften Ausführungsform
von der Fa. Manufacturing Technology Inc. (MTI) aus South Bend,
Indiana, unter dem Modell 800 kommerziell erhältlich.
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Beim
Schwungradreibverschweißen
werden der erste Kopf 18 und das befestigte erste Werkstück 12 bis
auf eine vorbestimmte Drehzahl beschleunigt, während anschließend der
Kolben 30 betätigt
wird, um das Fahrgestell 28 und das befestigte zweite Werkstück 14 mit
dem ersten Teil an der Schweißvorbereitung 16 unter
einer vorbestimmten Schweißlast F
miteinander in Reibverbindung zu bringen. Beim Aufbringen der Schweißlast wird
der Motor 12 von dem ersten Kopf 18 getrennt,
was in dem Fall eines Hydraulikmotors bewerkstelligt wird, in dem
einfach der Hydraulikdruck unterbrochen wird, wobei die Trägheit der
Schwungräder 24 Energie
an den in Eingriff befindlichen Schweißvorbereitungen 16 einleitet, die
eine durch Reibung bedingte Erwärmung
erfahren, wenn das zweite Werkstück 14 durch
Reibschluss das umlaufende erste Werkstück 12 abbremst.
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Die
an den Schweißvorbereitungen 16 erzeugte
Reibung erhöht
die Temperatur der beiden Werkstücke
lokal bis auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der
Werkstücke,
wobei diese Temperatur jedoch ausreichend hoch ist, um eine geschmiedete
Reibschweißverbindung 32 zwischen diesen
zu schaffen, wie dies in dem beispielhaften Flussdiagramm nach 2 veranschaulicht
ist.
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2 zeigt
ferner die Grundprozessschritte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die dazu dienen, das Schwungradreibverschweißen der
beiden Werkstücke
unter Verwendung der in 1 veranschaulichten Maschine 10 zu
bewerkstelligen.
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Es
gibt vier Steuerparameter zur Vornahme einer Schwungradreibverschweißung. Im
Grunde stellt die Geometrie, einschließlich der Größe und der Gestaltung,
der Werkstücke 12, 14 einen
Parameter dar, da die Schwungradreibschweißverbindung an den entsprechenden
kreisringförmigen
Schweißvorbereitungen 16 erzielt
wird. Wie oben angedeutet, stellt die Bauteilabmessung sowohl einen
Faktor dafür,
was physikalisch in einer gegebenen Art einer Schwungradreibschweißmaschine
unterstützt
werden muss, als auch für
die Energiemenge dar, die erforderlich ist, um deren Schwungradreibverschweißen zu bewerkstelligen,
was von der verfügbaren Schwungradmassenträgheit abhängig ist.
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Ein
zweiter Steuerparameter ist die Schweißlast oder -kraft F, die an
den Schweißvorbereitungen 16 ausgeübt wird,
um einen jeweiligen Schweißdruck
oder eine jeweilige Schweißlast
pro Flächeneinheit
zu erzielen, die gewöhnlich
in Newton pro Quadratmillimeter (MPa) (Pfund pro Quadratzoll (Psi))
dargestellt wird.
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Ein
dritter Steuerparameter ist der an den Schweißvorbereitungen zur Schwungradreibschweißverbindung
an diesen hervorgebrachte Energieeintrag pro Flächeneinheit, der gewöhnlich durch Kilojoule über der
Kontaktfläche
in Quadratmetern (Fußpfund über der
Kontaktfläche
in Quadtratzoll) dargestellt ist. Die Energie pro Flächeneinheit
wird durch das Massenträgheitsmoment
des umlaufenden ersten Kopfes 18 und der aufgebrachten Schwungräder 24 erbracht,
das durch die Hinzunahme oder Wegnahme einzelner Schwungräder 24 in einer
endlichen Anzahl von Abstufungen eingestellt werden kann.
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Ferner
ist der vierte Steuerparameter die Anfangskontaktdrehzahl des umlaufenden
ersten Werkstücks 12 an
seiner Schweißvorbereitung 16,
die gewöhnlich
in Umfangsmeter pro Minute (UMM) (Umfangsfuß pro Minute (UFM)) ausgedrückt und
durch das Produkt aus der Umfangslänge an der Schweißvorbereitung 16 und
der in U/Min ausgedrückten Drehzahl
gebildet ist.
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In
der beispielhaften Ausführungsform,
wie sie in 1 und 2 veranschaulicht
ist, sind die beiden Werkstücke 12, 14 aus
einem hochfesten, hitzebeständigen
Superlegierungswerkstoff ausgebildet. Eine typische Turbinensuperlegierung
basiert auf Nickel und weist einen extremen Schmiedetemperaturbereich
von etwa 93,3°C
(200°F)
unterhalb ihrer Schmelztemperatur auf.
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Beispielsweise
kann das Superlegierungsmaterial der Werkstücke 12, 14 ein
Nickel basierter Werkstoff sein und diejenigen enthalten, die unter den
Handelsmarken Inconel, Waspaloy, Hastelloy und Rene kommerziell
erhältlich
sind und die unterschiedliche Legierungsbezeichnungen, wie beispielsweise
Inconel 718, Rene 95 und Rene 88, aufweisen, wobei sie alle entsprechende
AMS-Angaben haben, die herkömmlich
bekannt sind.
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Wie
vorstehend angedeutet, ist die Schwungradreibschweißmaschine 10 in
diesem Land über
viele Jahre hinweg zur Schwungradreibverschweißung verhältnismäßig kleiner Gasturbinentriebwerksrotorkomponenten,
die aus Nickel basierten Superlegierungen ausgebildet sind, kommerziell eingesetzt
worden. Jedoch ist ein Schwungradreibverschweißen von aus Nickel basierten
Legierungen ausgebildeten großen
Statorkomponenten eines Hochtemperaturbereichs eines Gasturbinentriebwerks
aufgrund der Betriebsgrößenbeschränkung der
Schwungradreibschweißmaschine
zur Erteilung einer ausreichenden Energie, um eine geeignete Schwungradreibschweißverbindung
zu erzielen, nicht möglich
gewesen. Die Konstruktion und Herstellung von größeren Schwungradreibschweißmaschinen
zur Überwindung
der Betriebsgrößenbeschränkung ist
momentan durch verschiedene technologische Beschränkungen
eingeschränkt,
so dass infolgedessen die vorliegende Erfindung geschaffen worden
ist.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
nun die Verwendung einer herkömmlichen
Schwungradreibschweißmaschine
zur Schwungradreibverschweißung
verhältnismäßig großer Statorkomponenten
eines Hochtemperaturbereichs eines Gasturbinentriebwerks, wie beispielsweise
der beiden Werkstücke 12, 14,
die aus Nickel basierten Superlegierungen hergestellt sind. Die
Statorkomponenten, die durch die Werkstücke 12, 14 repräsentiert
sind, weisen einen mittleren Durchmesser D an den Schweißvorbereitungen
in einem Bereich von 25,5 cm bis 230,2 cm (10 Zoll bis 80 Zoll)
auf.
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In
einem Beispiel stellen die Werkstücke 12, 14 Abschnitte
entweder eines Brennkammergehäuses
oder eines Gehäuses
einer Niederdruckturbine dar, die durch Schwungradreibverschweißung gemäß der vorliegenden
Erfindung miteinander verbunden werden. In einer beispielhaften
Brennkammergehäusegröße weisen
die Werkstücke
einen mittleren Durchmesser an den Schweißvorbereitungen von etwa 107
cm (42 Zoll) auf, während
das beispielhafte Niederdruckturbinengehäuse einen mittleren Durchmesser
an den Schweißvorbereitungen
von ungefähr 183
cm (72 Zoll) aufweist. Die spezifische Nickel basierte Superlegierung
für diese
beispielhaften Gehäuse
ist Waspaloy.
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Angesichts
des verhältnismäßig großen Durchmessers
der Statorkomponenten ist eine geeignet große Schwungradreibschweißmaschine
für deren
Schwungradreibverschweißung
erforderlich. Die oben angegebene Schwungradreibschweißmaschine
Modell 800 hat das physikalische Größenvermögen, weist jedoch keine ausreichende
Schwungradmasse auf, um eine Schwungradreibverschweißung unter
den in der Vergangenheit bewährten
Prozessparametern zu bewirken. Da die großen Statorwerkstücke eine
andere Ausgestaltung und eine größere Energieanforderung
aufweisen als diejenigen, die in der Maschine früher verschweißt worden
sind, werden entsprechende Schwungradreibschweißparameter benötigt. Obwohl
die Größe der Komponenten
nun gegeben ist, müssen
die restlichen drei Schwungradreibschweißparameter, zu denen die Schweißlast, die
Anfangskontaktdrehzahl und der Energieeintrag pro Flächeneinheit
gehören,
bestimmt werden.
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Die
Schweißlast
ist von den anderen beiden Parametern unabhängig und wird durch Berechnung der
Kontaktfläche
zu Beginn des Schweißzyklus
festgelegt. Für
die größere der
beiden Statorkomponenten, d.h. das Niederdruckturbinengehäuse mit
einem mittleren Durchmesser an der Schweißvorbereitung 16 von
etwa 183 cm (72 Zoll) und einer Schweißvorbereitungsdicke T von etwa
0,762 cm (300 Mills) beträgt
die Kontaktfläche
nach einer herkömmlichen Bestimmung
438 cm2 (67,9 Quadratzoll (Zoll2)).
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Der
in der Vergangenheit bewährte
Schweißdruck
für Nickel
basierte Superlegierungen, wie er früher für Turbinenrotoren verwendet
worden ist, liegt in dem Bereich von 172,4–482,6 MPa (25.000–70.000
Psi). Der Schweißdruck
variiert erfahrungsbasiert in Abhängigkeit von der Wanddicke und
der speziellen Superlegierung, die geschweißt wird.
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Unter
der Annahme eines akzeptablen Schweißdrucks bei dem Minimalwert
des Bereiches wird eine erforderliche Schweißlast von 7,55 × 106 N (1.698.000 Pfund) als das Produkt aus
dem Druck und der Kontaktfläche
berechnet. Die Schwungradreibschweißmaschine Modell 800 weist
eine Schweißlastfähigkeit
von 2,0 × 107 N (4.500.000 Pfund) auf, so dass die berechnete
Schweißlast
gut innerhalb dieses Leistungsvermögens liegt.
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Die
Anfangskontaktdrehzahl und der Energieeintrag pro Flächeneinheit
sind, wie es sich in der Vergangenheit erwiesen hat, Funktionen
der speziellen Legierung, die geschweißt wird, und der Kontaktfläche der
Schweißvorbereitung.
Sie stehen in der folgenden Weise miteinander in Beziehung: E = WK2 (U/Min)2/5873 A Gleichung
(1) (U/Min)
= 12 UFM/π D Gleichung (2)
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Dabei
ist E der Energieeintrag pro Flächeneinheit,
wie er in kJ/m2 (Fußpfund/Quadratzoll) gemessen
wird; und WK2 stellt eine Schwungradfunktion
oder ein Schwungradparameter dar, wobei W die Schwungradmasse ist
und K der Trägheitsradius
ist. Die Anfangskontaktdrehzahl wird in Umdrehungen pro Minute (U/Min)
gemessen; die Anfangskontaktdrehzahl in Umfangsrichtung wird in
Umfangsmeter pro Minute (UMM) (Umfangsfuß pro Minute (UFM)) bei dem
mittleren Durchmesser D gemessen; und die Kontaktfläche A der
Schweißvorbereitung
ist vorstehend bestimmt worden.
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In
der Vergangenheit haben die Anfangskontaktdrehzahl und der Energieeintrag
die Größe der Teile
eingeschränkt,
die unter Verwendung von Schwungradreibschweißen bearbeitet werden konnten.
Bei Superlegierungen ist der Energieeintrag pro Flächeneinheit
auf den herkömmlichen
Bereich von 52.631,58 bis 189.473,7 kJ/m2 (25.000
bis 90.000 Fußpfund/Quadratzoll)
begrenzt.
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Außerdem ist
die Anfangskontaktdrehzahl UMM (UFM) für Superlegierungen auf den
herkömmlichen
Bereich von 122–168
UMM (400–550
UFM) begrenzt worden und war nicht größer als 229 UMM (750 UFM),
um Schwungradreibschweißverbindungen
schlechter Qualität
zu vermeiden, die beispielsweise auf einsetzendes mikroskopisches
Anschmelzen entlang der Korngrenzen der Superlegierung in der Schweißverbindung
zurückzuführen sind.
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Da
das Schwungradreibverschweißen
größerer Werkstücke notwendigerweise
eine entsprechend erhöhte
Energie zur Be werkstelligung der Schwungradreibverschweißung erfordert,
kann die Energie erhöht
werden, indem die Anfangskontaktdrehzahl und das Schwungradträgheitsmoment
vergrößert werden.
Jedoch kann dies angesichts der Wechselbeziehung zwischen den Schwungradreibschweißsteuerungsparametern
nicht willkürlich
vorgenommen werden, da eine unerwünschte Schwungradreibschweißverbindung
die Werkstücke dauerhaft
beschädigt
und dadurch viel Geld verschwendet wird.
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Die
Gleichung (1) kann zur Bestimmung der erforderlichen Schwungradgröße in der
folgenden Weise umgeschrieben werden: WK2 = E 5873 A/(U/Min)2 Gleichung (3)
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Für das spezielle
Beispiel, wie es oben angegeben ist, das die maximale Anfangskontaktdrehzahl von
229 UMM (750 UFM) und einen beispielhaften Energieeintrag pro Flächeneinheit
von 105.263,16 kJ/m2 (50.000 Fußpfund/Quadratzoll)
verwendet, setzt Gleichung (3) 6,03 × 102 MPa
(12.587,000 Fußpfund2) voraus. Der maximale Schwungradparameter
oder das maximale Schwungradmassenträgheitsmoment, wie vonder Maschine
Modell 800 verfügbar,
beträgt
1.000.000 für
die Basismaschine und 2.000.000 für eine speziell konfigurierte
größere Version
von dieser. In jedem Fall weisen die Maschinen nicht das Leistungsvermögen auf,
um eine ausreichende Größe des Schwungradträgheitsmomentes zur
Erzielung einer Schwungradreibverschweißung nach der herkömmlichen Übung bereitzustellen. Durch
Anpassung der verschiedenen Parameter in der Gleichung (3) gemäß der herkömmlichen Übung kann
das Schwungradmassenträgheitsmoment
reduziert werden, wobei es weiterhin deutlich größer ist als das Leistungsvermögen der
Maschine Modell 800.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Energiegleichung (1) in der folgenden Weise umgeordnet
werden: (U/Min)2 =
E 5873 A/WK2 Gleichung (4).
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Und
die Drehzahlgleichung (2) kann in der folgenden Weise umgeschrieben
werden: UFM = (U/Min) π D/12 Gleichung (5).
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Für einen
beispielhaften Energieeintrag pro Flächeneinheit E von 105.263,16
kJ/m2 (50.000 Fußpfund/Quadratzoll) und die
Kontaktfläche
von 438 cm2 (67,9 Quadratzoll) gemäß dem obigen
Beispiel wird eine erforderliche Drehzahl aus der Gleichung (4)
zu 99,8 U/Min berechnet, die innerhalb der Betriebsgrenzen der speziellen
Schweißmaschine
liegt, wenn sämtliche
der Schwungräder 24 an
dieser eingebaut sind, um das maximale Schwungradmassenträgheitsmoment
von 2.000.000 WK2 zu erhalten. Demgemäß setzt
die Anfangskontaktdrehzahlgleichung (5) eine Umfangsdrehzahl von
573 UMM (1880 UFM) voraus, die deutlich größer ist als der Bereich von
122–229
UMM (400–750
UFM) gemäß der herkömmlichen Übung.
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Bei
einer anderen Gestaltung der Werkstücke 12, 14,
die eine größere Dicke
T von etwa 12,7 mm (500 Mils) aufweisen, und unter Verwendung des minimalen
Energieeintrags pro Flächeneinheit
und des maximalen Schwungradmassenträgheitsmomentes kann eine Drehzahl
von etwa 128,9 U/Min be rechnet werden, die einer Anfangskontaktdrehzahl von
732 UMM (2400 UFM) entspricht, die sogar noch größer als der herkömmliche
Grenzwert ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist auf der Basis der Erkenntnis, die aus den Gleichungen (4)
und (5) gewonnen und durch Entwicklungstests in kleinerem Maßstab bestätigt worden
ist, ein verbessertes Verfahren zur Schwungradreibverschweißung des
ersten mit dem zweiten Superlegierungswerkstück 12, 14 aufgefunden
worden, bei dem das erste Werkstück 12 bis
zu einer Anfangskontaktdrehzahl, die größer ist als 229 UMM (750 UFM),
in Drehung versetzt werden kann und anschließend das zweite Werkstück 14 mit
dem rotierenden ersten Werkstück unter
einer Schweißlast
reibschlüssig
in Eingriff kommt, um die Schwungradreibschweißverbindung 32 zwischen
diesen zu schaffen. Diese Supergeschwindigkeits- oder Suprageschwindigkeits-Schwungradreibverschweißung von
Superlegierungen ist durch entsprechende Anpassung des Schwungradparameters
möglich.
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Diese
Entdeckung erweitert die Betriebsparameter zum Schwungradreibschweißen zu einer neuen
Kombination, die nun, was bisher nicht möglich war, ein Schwungradreibschweißen von
deutlich größeren Superlegierungswerkstücken ohne
einsetzendes Anschmelzen oder sonstige Schweißdefekte ermöglicht.
Die herkömmliche
Schweißmaschine 10 kann
dazu verwendet werden, einen Energieeintrag pro Flächeneinheit
an der Schwungradreibschweißverbindung
in dem bewährten
Bereich von 52.631,58 bis 198.473,7 kJ/m2 (25.000
bis 90.000 Fußpfund/Quadratzoll)
zu erbringen, und es kann eine Schweißlast F innerhalb des Leistungsvermögens der
herkömmlichen
Maschine verwendet werden, wie sie durch das Produkt aus der Kontaktfläche der Werkstücke an den
Schweißvorbe reitungen 16 und einem
Schweißdruck
innerhalb des bewährten
Bereiches von 172,4 bis 482,6 MPa (25.000 bis 70.000 Psi) definiert
ist.
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Das
erste Werkstück 12 wird
auf eine Anfangskontaktdrehzahl UFM in Drehung versetzt, die eine
Funktion eines Produktes aus dem Energieeintrag pro Flächeneinheit
E und der Kontaktfläche
A dividiert durch den Schwungradparameter WK2,
wie durch die Gleichung (4) dargestellt, einschließlich der darin
enthaltenen Konstante 5873, ist.
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In
verkleinertem Maßstab
durchgeführte
Entwicklungstests des verbesserten Schwungradreibschweißprozesses
haben gezeigt, dass die Anfangskontaktdrehzahl so hoch wie 914 UMM
(2.000 UFM) sein kann, um akzeptable Schweißverbindungen in Nickel basierten
Superlegierungen zu bewirken. Diese deutliche Verbesserung bei der
Schwungradreibverschweißung
von Superlegierungen ermöglicht nun
das Schwungradreibverschweißen
von großen Statorkomponenten
eines Gasturbinentriebwerks, was früher in einer herkömmlichen
Schwungradreibschweißmaschine
nicht möglich
war. Nun können Komponenten
des Hochtemperaturbereichs einer Turbine, die mittlere Durchmesser
an den Schweißvorbereitungen 16 in
einem Bereich von 25,5 cm (10 Zoll) bis zu 203,2 cm (80 Zoll) aufweisen,
erfolgreich geschweißt
werden.
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Der
verbesserte Schwungradreibschweißprozess erweitert die Fähigkeiten
von herkömmlichen
Schwungradreibschweißmaschinen über ihr Schwungradträgheitsvermögen hinaus,
indem stattdessen vorzugsweise die Anfangskontaktdrehzahl gesteigert
wird, um den erforderlichen Energieeintrag pro Flächeneinheit
an der Schwungradreibschweißverbindung
zu erzielen. Der verbesserte Prozess ist genau gesteuert, um durchwegs
Schwungradreibschweißverbindungen
in Superlegierungen mit hoher Qualität und hoher Integrität zu schaffen,
was zuvor nicht möglich
war. Der verbesserte Prozess wird nun auf große Turbinenstatorkomponenten
aus einer Superlegierung angewandt, um eine deutliche Reduktion
von Kosten und Herstellungszykluszeiten für diese zu erzielen.