EP2259892A1 - Schweissverfahren mit geregeltem temperaturverlauf und eine vorrichtung dafür - Google Patents

Schweissverfahren mit geregeltem temperaturverlauf und eine vorrichtung dafür

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EP2259892A1
EP2259892A1 EP09729551A EP09729551A EP2259892A1 EP 2259892 A1 EP2259892 A1 EP 2259892A1 EP 09729551 A EP09729551 A EP 09729551A EP 09729551 A EP09729551 A EP 09729551A EP 2259892 A1 EP2259892 A1 EP 2259892A1
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EP
European Patent Office
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welding device
temperature
power
welding
component
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09729551A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Burbaum
Selim Mokadem
Norbert Pirch
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Siemens AG
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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    • F05D2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding

Definitions

  • the invention relates to a welding method of a component and a device therefor.
  • Welding processes are often used to join components together or to remelt cracks or to apply material.
  • components of gas turbines such as e.g. Turbine blades repaired by welding, in particular laser process
  • the components may even have a directionally solidified structure (DS, SX).
  • DS, SX directionally solidified structure
  • material of the substrate or material of the substrate and added weld metal is melted.
  • the object is achieved by a method according to claim 1, wherein the power is regulated as a function of the temperature and an apparatus according to claim 12.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a profile of the temperature and the power
  • FIG. 3 shows a gas turbine
  • FIG. 4 shows in perspective a turbine blade
  • FIG. 5 shows in perspective a combustion chamber
  • Figure 6 is a list of superalloys.
  • FIG. 1 shows a component 4, which in particular represents a component 120, 130, 155 (FIGS. 4, 5) of a gas turbine 100 (FIG. 3).
  • the component 4, 120, 130, 155 preferably has a superalloy according to FIG.
  • the component 4, 120, 130, 155 is arranged in a receptacle 31 of a device 30, the device 30 having a welding device 33 and a temperature measuring device 35.
  • the device 30 preferably has a laser 33 or an electron beam gun, by means of which the component 4, 120, 130, 155 is locally irradiated in a region 41 in order to weld it.
  • the component 4 and / or the welding device 33 are moved against each other to produce a weld 43.
  • the welding device 33 irradiates the region 41 of the component 4, 120, 130, 155 and generates a melting spot there.
  • the irradiated area 41 is moved over the component 4, 120, 130, 155, so that a melting spot is repeatedly generated or shifted along this direction of travel, which at the end of the method results in a weld seam 43 (indicated by dashed lines).
  • the temperature T of the area to be welded is measured by a temperature measuring device 35 and is transmitted to the welding device 33 by appropriate means 38, such as electronic connections, computer, control.
  • FIG. 2 shows the temperature profile during a welding process.
  • the temperature T [K] of the irradiated area 41 and the power P [W] of the welding apparatus 33 are plotted.
  • the temperature T of the region 41 to be welded is initially raised from zero, in which the power P of the welding device 33 is increased.
  • the component or the welding device is preferably already moved directly against each other when starting up the power P.
  • the temperature T is preferably regulated at the beginning of the process, in particular constantly increased.
  • the power P of the welding device 33 is preferably further controlled so that preferably a constant temperature during the travel time .DELTA.t is established. During the travel time .DELTA.t, the weld 43 is formed.
  • the temperature T is lowered, in particular by a reduction of the power P.
  • the temperature T is controlled lowered, in particular constantly reduced to avoid cracks.
  • the laser power P is thereby reduced to 0 watts.
  • the temperature T of the irradiated spot 41 of the component 4 is shown by a solid line and the laser power P regulated thereto by a dashed line.
  • the temperature T is raised to a certain temperature, in particular T max , kept constant and driven down again after a certain time ⁇ t.
  • Temperature T max is maintained for the specific period of time ⁇ t while the component 4 and / or the welding apparatus 33 are being moved.
  • the laser power P is controlled so that a constant temperature T is reached during the period .DELTA.t, so that the power P of the laser 33 at the beginning rises sharply, drops again, but preferably during the time .DELTA.t still drops. While the temperature T is constant, the power P changes, preferably decreasing somewhat, in particular at least halfway through the process time ⁇ t.
  • the power (P) of the welding device (33) is preferably highest during the controlled temperature profile T (t), so that thermal stresses within the weld 43 or the solidifying weld metal and the cold and solid substrate of the component 4 are reduced so that the component 4, 120, 130, 155 and the weld 43 no longer have cracks after welding.
  • a temperature measuring device 35 in particular a pyrometer, the power of the laser 33 is controlled.
  • the device 30 may include a process chamber (not shown) so that a vacuum or inert gas atmosphere in the process chamber may be adjusted.
  • FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality Coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality Coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and blades 120 of the first turbine stage 112 seen in the flow direction of the working medium 113 are in addition to the Annular combustion chamber 110 lining heat shield elements most thermally stressed.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • SX structure monocrystalline
  • DS structure longitudinal grains
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloys.
  • the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has, along the longitudinal axis 121, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403 and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as fir tree or Schissebwschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • blades 120, 130 for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy.
  • the blade 120, 130 can hereby be produced by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • directionally solidified structures generally refers to single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, as well as stem crystal structures that have grain boundaries running in the longitudinal direction but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures. Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1; these writings are part of the revelation regarding the solidification process.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co),
  • Nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • a protective aluminum oxide layer (TGO thermal grown oxide layer) is formed on the MCrAlX layer (as an intermediate layer or as the outermost layer).
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1 are also preferably used , 5RE.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2Ü3-Zr ⁇ 2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • Electron beam evaporation EB-PVD
  • EB-PVD Electron beam evaporation
  • Thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Thermal insulation layer is therefore preferably more porous than the
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 5 shows a combustion chamber 110 of the gas turbine 100.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged circumferentially about a rotation axis 102 open into a common combustion chamber space 154, which generate flames 156.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed of heat shield elements 155.
  • the 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • a ceramic thermal barrier coating consists for example of ZrC> 2, Y2Ü3-Zr ⁇ 2, ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may need to be deprotected (e.g., by sandblasting) after use. This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of the turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren bei dem die Leistung (P) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) der Schweißstelle geregelt wird.

Description

Schweißverfahren mit geregeltem Temperaturverlauf und eine
Vorrichtung dafür
Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren eines Bauteils und eine Vorrichtung dafür.
Schweißverfahren werden oft eingesetzt, um Bauteile miteinander zu verbinden oder Risse umzuschmelzen bzw. um Material aufzutragen.
So werden auch Bauteile von Gasturbinen, wie z.B. Turbinenschaufeln, mittels Schweißverfahren, insbesondere Laserverfahren repariert, wobei die Bauteile sogar eine gerichtet erstarrte Struktur (DS, SX) aufweisen können. Dabei wird Material des Substrats oder Material des Substrats und hinzugeführtes Schweißgut aufgeschmolzen. Jedoch kommt es immer zu Rissen in der Schweißnaht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu überwinden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Leistung in Abhängigkeit von der Temperatur geregelt wird und eine Vorrichtung nach Anspruch 12.
In den Unteransprüchen werden weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erreichen.
Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
Figur 2 einen Verlauf der Temperatur und der Leistung,
Figur 3 eine Gasturbine,
Figur 4 perspektivisch eine Turbinenschaufel, Figur 5 perspektivisch eine Brennkammer und
Figur 6 eine Liste von Superlegierungen .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur
Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Figur 1 zeigt ein Bauteil 4, das insbesondere ein Bauteil 120, 130, 155 (Fig. 4, 5) einer Gasturbine 100 (Fig. 3) darstellt .
Vorzugsweise weist das Bauteil 4, 120, 130, 155 eine Superlegierung gemäß Figur 6 auf.
Das Bauteil 4, 120, 130, 155 ist in einer Aufnahme 31 einer Vorrichtung 30 angeordnet, wobei die Vorrichtung 30 ein Schweißgerät 33 sowie ein Temperaturmessgerät 35 aufweist. Die Vorrichtung 30 weist bevorzugt einen Laser 33 oder eine Elektronenstrahlkanone auf, mittels der das Bauteil 4, 120, 130, 155 lokal in einem Bereich 41 bestrahlt wird, um es zu schweißen .
Das Bauteil 4 und/oder das Schweißgerät 33 werden gegeneinander verfahren, um eine Schweißnaht 43 zu erzeugen. Das Schweißgerät 33 bestrahlt den Bereich 41 des Bauteils 4, 120, 130, 155 und erzeugt dort einen Schmelzfleck. Der bestrahlte Bereich 41 wird über das Bauteil 4, 120, 130, 155 verfahren, so dass entlang dieser Verfahrrichtung immer wieder ein Schmelzfleck erzeugt bzw. verschoben wird, der am Ende des Verfahrens eine Schweißnaht 43 (gestrichelt angedeutet) ergibt.
Die Temperatur T des zu schweißenden, also des bestrahlten Bereichs 41 wird durch ein Temperaturmessgerät 35 gemessen und wird durch entsprechende Mittel 38, wie elektronische Verbindungen, Computer, Steuerung an das Schweißgerät 33 weitergeleitet.
Figur 2 zeigt den Temperaturverlauf während eines Schweißverfahrens . Es sind aufgetragen die Temperatur T [K] des bestrahlten Bereichs 41 und die Leistung P[W] des Schweißgeräts 33. Die Temperatur T des zu schweißenden Bereichs 41 wird anfangs von null hochgefahren, in dem die Leistung P des Schweißgeräts 33 erhöht wird. Dabei wird das Bauteil oder das Schweißgerät vorzugsweise schon direkt beim Hochfahren der Leistung P gegeneinander verfahren. Die Temperatur T wird am Anfang des Verfahrens vorzugsweise geregelt, insbesondere konstant erhöht.
Nachdem vorzugsweise eine konstante Temperatur, insbesondere eine maximale Temperatur Tmax, erreicht ist, wird die Leistung P des Schweißgeräts 33 vorzugsweise weiterhin so geregelt, dass sich vorzugsweise eine konstante Temperatur während der Verfahrzeit Δt einstellt. Während der Verfahrzeit Δt entsteht die Schweißnaht 43.
Am Ende des Verfahrens, wenn die Schweißnaht 43 aufgebracht ist oder das Material des Bauteils 4 umgeschmolzen wurde, wird die Temperatur T insbesondere durch eine Abregelung der Leistung P heruntergefahren. Insbesondere wird die Temperatur T geregelt erniedrigt, insbesondere konstant erniedrigt, um Risse zu vermeiden.
Vorzugsweise wird die Laserleistung P dabei auf 0 Watt reduziert. Während der Reduzierung der Leistung P werden Bauteil und Laser vorzugsweise weiter gegeneinander verfahren, vorzugsweise bis P = OW.
In Figur 2 ist die Temperatur T des bestrahlten Flecks 41 des Bauteils 4 mit einer durchgezogenen Linie und die dazu geregelte Laserleistung P mit einer gestrichelten Linie dargestellt .
Die Temperatur T wird auf eine bestimmte Temperatur, insbesondere Tmax hochgefahren, konstant gehalten und nach einer bestimmten Zeit Δt wieder runter gefahren. Die
Temperatur Tmax wird für die bestimmte Zeitdauer Δt gehalten, während das Bauteil 4 und/oder das Schweißgerät 33 verfahren wird. Die Laserleistung P wird so geregelt, dass eine konstante Temperatur T während der Zeitdauer Δt erreicht wird, so dass die Leistung P des Lasers 33 am Anfang stark ansteigt, wieder abfällt, aber auch während der Zeit Δt vorzugsweise noch abfällt. Während die Temperatur T konstant ist, ändert sich die Leistung P, vorzugsweise fällt sie etwas ab, insbesondere zumindest bis zu der Hälfte der Verfahrenszeit Δt.
Am Beginn des Verfahrens ist die Leistung (P) des Schweißgerätes (33) vorzugsweise am höchsten während des geregelten Temperaturverlauf T (t) , so dass Thermospannungen innerhalb der Schweißnaht 43 bzw. dem erstarrenden Schweißgut und dem kalten und festen Substrat des Bauteils 4 reduziert werden, so dass das Bauteil 4, 120, 130, 155 und die Schweißnaht 43 keine Risse mehr nach der Schweißung aufweisen .
Mittels eines Temperaturmessgeräts 35, insbesondere eines Pyrometers, wird die Leistung des Lasers 33 gesteuert.
Insbesondere handelt es sich um ein Schweißverfahren ohne Schweißzusatzwerkstoffe, kann aber auch mit Schweiß zusatzwerkstoffen arbeiten .
Die Vorrichtung 30 kann eine Prozesskammer (nicht dargestellt) aufweisen, so dass ein Vakuum oder eine Inertgasatmosphäre in der Prozesskammer eingestellt werden kann .
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine .
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .
Die Figur 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt .
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf- einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwal- benschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet . Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedever- fahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be- steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Rich- tung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) . Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zu- mindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) ,
Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte . Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) . Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10Al-0,4Y-l,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht .
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der
Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die
Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die
Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die
MCrAlX-Schicht.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
Die Figur 5 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist. Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebs- parametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer
110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt .
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrC>2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schweißen eines Bauteils (4, 120, 130, 155) mittels eines Schweißgeräts (33) , das einen Bereich (41) des Bauteils (4, 120, 130, 155) bestrahlt, bei dem die Leistung (P) des Schweißgeräts (33) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) des bestrahlten Bereichs (41) des Bauteils (4, 120, 130, 155) geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur (T) des bestrahlten Bereichs (41] zu Beginn des Schweißens geregelt erhöht wird, insbesondere konstant erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Schweißgerät (33) und das Bauteil (4, 120, 130, 155) gegeneinander verfahren werden, bei dem nach einer Anfangsphase die Leistung (P) des Schweißgeräts (33) auf eine konstante Temperatur (T) des bestrahlten Bereichs (41) beim Verfahren, insbesondere auf eine Maximaltemperatur (Tmax) , des bestrahlten Bereiches (41) geregelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die konstante Temperatur für eine Verfahrzeit (Δt) gehalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem die Temperatur (T) des bestrahlten Bereichs (41) am Ende des Verfahrens zum Schweißen geregelt erniedrigt wird, insbesondere konstant erniedrigt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, bei dem die Leistung (P) des Schweißgeräts (33) am Ende des Verfahrens zum Schweißen auf null reduziert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 3 oder 6, bei dem ein Laserschweißgerät (33) verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, bei dem ein Temperaturmessgerät (35) verwendet wird, um die Temperatur des zu bestrahlten Bereichs (41) zu messen, wodurch die Leistung (P) des Schweißgeräts (33) geregelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der bestrahlte Bereich (41) ein aufgeschmolzener Bereich ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, bei dem die Leistung des Schweißgerätes (33) zu Beginn des Verfahrens am höchsten ist.
11. Verfahren nach Anspruch 4 oder 10, bei dem die Leistung (P) des Schweißgerätes (33) zumindest bis zur Hälfte der Verfahrzeit (Δt) stetig abnimmt .
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Bauteil (4) oder das Schweißgerät (33) schon direkt beim Hochfahren der Leistung (P) gegeneinander verfahren werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Bauteil (4) oder das Schweißgerät (33) auch noch beim Runterfahren der Leistung (P) gegeneinander verfahren werden.
14. Vorrichtung (30), insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die ein Schweißgerät (33) mit Leistungsregelung, eine Aufnahme für das zu schweißende Bauteil (4, 120, 130, 155) ein Temperaturmessgerät (35) , sowie ein Regler, der eine Temperatur (T) des vom Schweißgerät (33) bestrahlten Bereichs (41) als Einflussgröße zur Leistungsregelung des Schweißgerätes (33) verwendet, aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, die ein Laserschweißgerät (33) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei dem Mittel (38) vorgesehen sind, die die Information des Temperaturmessgeräts (35) verarbeiten bzw. an das Schweißgerät (33) weiterleiten können .
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