Bauteil mit Schweißnaht und Verfahren zur Herstellung einer
Schweißnaht
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Schweißnaht und ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht.
Schweißverfahren werden oft eingesetzt, um Risse umzuschmel- zen oder um Material aufzutragen. Dabei wird eine bestimmte Leistung verwendet, um das Material aufzuschmelzen .
Dabei kann es jedoch immer wieder zu Rissen im Bereich des Endes der Schweißnaht und dem Substrat des Bauteils kommen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Entstehung von Rissen zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht gemäß Anspruch 10.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
Figur 1, 2 eine Schweißnaht nach dem Stand der Technik,
Figur 3, 4, 5 eine Schweißnaht eines Bauteils, Figur 6, 7 einen Verlauf einer Laserleistung P Figur 8 eine Gasturbine
Figur 9 perspektivisch eine Turbinenschaufel Figur 10 perspektivisch eine Brennkammer und Figur 11 eine Liste von Superlegierungen .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
In Figur 1 ist ein Querschnitt durch ein Substrat 4 eines Bauteils 1, 120, 130, 155 (Fig. 8, 9, 10) mit einer Schweißnaht 10' nach dem Stand der Technik gezeigt.
Das Substrat 4 weist eine Schweißnaht 10' auf, die durch eine Länge 1 und eine Dicke d gegeben ist. Die Länge 1 ist die längste Ausdehnung der Schweißnaht 10, 10'.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt längs der Länge 1 der Schweiß- naht 10' aus Figur 1.
Die Schweißnaht 10' ist in diesem Querschnitt rechteckförmig.
Insbesondere in dem Bereich am Ende 53 der Schweißnaht 10 und dem ungeschweißten Bereich des Substrats 4 kommt es oft zu
Rissen .
Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Schweißnaht 10.
Das Substrat 4 weist insbesondere bei Bauteilen 1, 120, 130,
155 für Gasturbinen 100 (Fig. 8) oder Dampfturbinen eine Superlegierung gemäß Figur 11 auf.
Das Substrat 4 des Bauteils 1, 120, 130 weist eine gerichtet erstarrte Struktur auf, also eine einkristalline Struktur (SX) oder weist kolumnare Körner (DS) auf. Die Dicke der Schweißnaht 10 verjüngt sich am Ende 53 der Schweißnaht 10. Am Ende 53 der Schweißnaht 10 verläuft die
Schweißnaht 10 also in Form einer Rampe 44, die vorzugsweise gebogen ausgebildet ist, wobei die Schweißnaht 10 ebenfalls eine gerichtet erstarrte Struktur (DS, SX) aufweist, insbesondere ohne Fehlorientierungen. Dabei ist die Orientierung der gerichtet erstarrten Struktur (DS, SX) der Schweißnaht 10 vorzugsweise dieselbe wie die der gerichtet erstarrten Struktur (DS, SX) des Substrats 4.
Die Schweißnaht 10 weist vorzugsweise dasselbe Material wie das Substrat 4 auf. Dies ist beim Laserumschmelzen der Fall. Wenn Material für die Schweißnaht 10 hinzugefügt wurde, kann das Material der Schweißnaht 10 verschieden sein.
Die Rampe 44 weist in Richtung der Länge 1 eine Länge ΔX auf, die deutlich kleiner ist, als die Gesamtlänge 1 der Schweißnaht 10: ΔX < 1, insbesondere ΔX/1 ≤ 33%, ganz insbesondere ≤ 25%. Vorzugsweise beträgt ΔX = 3mm - 7mm, insbesondere 5mm. Dies ist vorzugsweise unabhängig von der Länge 1 der Schweißnaht 10.
Die Rampe 44 kann bis zur Oberfläche 59 verlaufen (Fig. 3, 4) oder unterhalb (Fig. 5) der Oberfläche 59 verbleiben, so dass eine Tiefe d' (d' < d) mit senkrechten Verlauf zur Oberfläche 59 vorhanden ist, verbleibt.
Ebenso kann am Anfang 56 der Schweißnaht 10 eine Rampe 44' erzeugt werden (Fig. 4, 5) . Die Ausführungen für die Rampe 44 gelten entsprechend für die Rampe 44' .
Der rampenförmige Verlauf 44, 44' der Schweißnaht 10 am Ende 53, 56 der Schweißnaht 10 wird dadurch erreicht, dass die Leistung P des Schweißgeräts ab einem Abstand ΔX vor dem Ende 53 der Schweißnaht 10 oder über eine Länge ΔX reduziert wird und ebenfalls einen rampenförmigen Verlauf 62 aufweist (Fig. 6, 7) . Vorzugsweise liegt der Wert für ΔX bei 5mm.
Während der Reduzierung der Laserleistung - vorzugsweise erläutert für ein Schweißgerät - findet weiterhin eine
Relativbewegung zwischen Substrat 4 und Schweißgerät oder
Laser statt.
Die Schmelzfront bleibt also weiter in Vorwärtsbewegung obwohl die Schmelztiefe kontinuierlich reduziert wird. So können die gewünschten Erstarrungsbedingungen (SX, DS) bis zum Ende 53, 56 der Schweißnaht 10 aufrecht erhalten, mit dem
Ergebnis einem von Fehlstellen freien Ende 53, 56 der
Schweißnaht 10. Die Verfahrgeschwindigkeit
(Relativgeschwindigkeit) bei der Erzeugung der Rampe 44, 44' bleibt vorzugsweise konstant.
Vorzugsweise wird die Leistung P am Ende 53 der Schweißnaht 10 auf null reduziert (Fig. 7) . Dabei entspricht der Abstand ΔX einer bestimmten Zeit einer Verfahrzeit von Substrat 4 und Schweißgerät zueinander, die vorzugsweise zwischen 4s und 8s, ganz vorzugsweise 6s beträgt. Vorzugsweise wird die Leistung des Schweißgeräts oder des Lasers linear reduziert (bzw. am Anfang linear erhöht) .
Laserleistung und Verfahrgeschwindigkeit werden so einge- stellt, dass die Größe (Tiefe) der Schmelze kontinuierlich reduziert wird, aber so dass die Schmelzfront erhalten bleibt, wenn auch mit einer reduzierten Schmelzrate.
Für die Rampe 44' am Anfang der Schweißnaht 10 gilt vorzugs- weise entsprechend, dass die Leistung P des Schweißgeräts von OW hochgefahren wird.
Die Laserleistung und die anderen Parameter werden so eingestellt, dass eine gerichtet erstarrte Struktur (SX, DS) in der Schweißnaht 10 erzielt wird, die vorzugsweise die gleiche Struktur (SX, DS) wie das Substrat aufweist.
Somit werden die Anzahl der Risse am Ende 53, 56 der Schweißnaht 10 deutlich reduziert oder vermieden.
Eine Vorheiztemperatur des Substrats 4 beträgt vorzugsweise 4000C bis 6000C, ganz vorzugsweise 5000C, die vorzugsweise während des Verfahrens kontrolliert wird. Die Leistung des Lasers beträgt vorzugsweise 400W bis 600W, ganz vorzugsweise 500W, wobei der Durchmesser des Laserstrahls vorzugsweise 4mm beträgt.
Die Verfahrgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise 40mm/min - 60mm/min, insbesondere 50mm/min.
Die Figur 8 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 Super- legierungen 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 9 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 aufeinander 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 Schwalbenschwanzfuß 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 Berei- chen 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 Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus ge- fertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastun- gen 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 besteht 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 Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen 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 Erstar- rungsverfahrens Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (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 Zusammenset- zung 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, teil- weise 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 10 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung 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 Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög- liehen, 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 arbeits- mediumsseitig 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 vollsten-
dig 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.