EP2318172A1 - VERFAHREN ZUM VERSCHWEIßEN ZWEIER BAUTEILE - Google Patents
VERFAHREN ZUM VERSCHWEIßEN ZWEIER BAUTEILEInfo
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- EP2318172A1 EP2318172A1 EP10718438A EP10718438A EP2318172A1 EP 2318172 A1 EP2318172 A1 EP 2318172A1 EP 10718438 A EP10718438 A EP 10718438A EP 10718438 A EP10718438 A EP 10718438A EP 2318172 A1 EP2318172 A1 EP 2318172A1
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- F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
Definitions
- the invention relates to a method for welding two components.
- the blade parts Connecting blade parts of a gas turbine known.
- the blade parts have joining surfaces, which by electromagnetic induction through an inductor and through
- Heat input into the components is not defined.
- the object of the invention is to provide a method for welding two components with a defined heat input into the joining zones with minimal demands on the space surrounding the components to be welded.
- the object of the invention is achieved by a method according to the invention for welding two components with joined surfaces to be joined, which comprises the following method steps:
- the two components are positioned so that the joining surfaces are located at a small distance.
- a high-frequency electric current is passed through the two components, whereby the component is heated, at least in the area of the joining surfaces.
- the two components are pressed against each other, so that the two joining surfaces are welded together. Due to the skin effect, the application of a high-frequency electrical current leads to a high current density in the region of the surface of the two components. Due to the small distance between the joining surfaces of the two components, the current density in the area of the joining surfaces is further increased by the proximity effect.
- the components Due to the particularly high current density in the area of the joining surfaces of the components, the components heat up essentially locally in the area of the joining surfaces. In this way, no separate inductor in the region of the joining surfaces is needed. It is only a minimal clearance around the two components needed to initiate the high-frequency electric current in the components can.
- the distance between the joining surfaces is less than or equal to 1 mm, preferably less than or equal to 0.5 mm. Due to the small distance between the joining surfaces, the effect of the proximity effect is enhanced.
- the high-frequency electrical current can be conducted via a conductor element in the components, wherein the conductor element is made of a material having high electrical conductivity, in particular copper. This allows a good introduction of the electrical current into the components with low electrical resistance in the conductor element and thus less heating in the conductor element.
- the conductor element is designed flat, in particular in the form of a conductive mat. In this way, on the one hand the
- Improved conductivity of the conductor element for high-frequency electric current and on the other hand increases the area in which the electrical current is conducted into the components, whereby a selective welding of the conductor element is prevented with the components.
- the components have a lower electrical conductivity than the conductor element. In this way it is ensured that substantially heat the components, while the heating of the conductor element remains as low as possible.
- the components are made of materials with low electrical conductivity, in particular titanium or nickel.
- the high-frequency electric current is preferably introduced into the components in the region of the joining surfaces.
- the heating of other areas of the components is reduced.
- the two components are connected in series for the introduction of the high-frequency electrical current in a circuit. This allows a simple arrangement of the circuit, wherein only one power source is needed.
- the method is used for welding a blade to a rotor base body for producing an integrally bladed rotor, in particular a gas turbine. It is particularly advantageous that also materials can be welded with the method in which no fusion welding can be used, for example, monocrystalline materials. According to a further variant of the method, the method is used for welding a blade or a blade segment to a rotor base body for repairing an integrally bladed rotor, in particular a gas turbine. When repairing an integrally bladed rotor usually only one or only a few blades of the rotor must be replaced. It is particularly advantageous that only a minimal space adjacent to the joining surfaces of the components to be joined is needed.
- Figure 1 shows a first step of a method according to the invention, in which the components are positioned to each other;
- FIG. 2 shows a second step of a method according to the invention, in which a high-frequency electrical current is conducted into the components; and
- FIG. 3 shows a third step of a method according to the invention, in which the
- FIG. 1 shows a first component 10 with a first joining surface 12 and a second component 14 with a second joining surface 16.
- the two components 10, 14 are positioned such that the joining surfaces 12, 16 are located at a small distance 18.
- the distance 18 is 1 mm or less, and preferably 0.5 mm or less.
- conductor elements 20 in the region of the joining surfaces 12, 16 are mounted, wherein the two components 10, 14 are connected in a circuit in series.
- the conductor elements 20 are made of copper mats with a high electrical conductivity, in particular for high-frequency electrical currents.
- a high-frequency electric current I is via the conductor elements 20 in the two
- the high-frequency current I preferably has a frequency in the range of 0.75 MHz to
- the components 10, 14 are made of titanium or nickel and have a lower electrical conductivity than the conductor elements 20. Thus, approximately 100% of the introduced electrical power is converted into heat in the joining surfaces.
- the two components 10, 14 are pressed against one another, so that the two joining surfaces 12, 16 are welded together. This step is shown in FIG. It is possible that the two components 10, 14 are moved against each other or that only one component 10 is moved, while the other component 14 is held stationary.
- the temporal course of the method in particular the duration of the initiation of the high-frequency electrical current I, can be determined empirically by measuring the temperature at the joining surfaces 12, 16 or by measuring the change in the electrical conductivity of the components 10, 14 as a function of the Temperature controlled.
- the method is particularly suitable for the production of integrally bladed
- Rotors in particular for gas turbines, in which a separately produced blade or a separately produced blade is welded to a rotor body. There is little free space between the adjacent blades available, especially in rotors with a high number of blades, so that conventional induction welding methods with a separate inductor or friction welding are not applicable. In particular, in the radially inner region of the blade, in which the welding region is located, only a small clearance between the blades of the adjacent blades is present.
- Fusion welding can be applied, for example, monocrystalline materials.
- the method also allows the repair of an integrally bladed rotor by removing a damaged blade and welding a new blade. It can also be repaired integrally bladed rotors, which were prepared by a different manufacturing process, for example by milling, electrochemical machining or other welding methods.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile (10, 14) mit zu verbindenden Fügeflächen (12, 16) mit folgenden Verfahrensschritten. Die beiden Bauteile (10, 14) werden so positioniert, dass sich die Fügeflächen (12, 16) in geringem Abstand (18) gegenüberliegen. Es wird ein hochfrequenter elektrischer Strom durch die beiden Bauteile (10, 14) geleitet, wodurch sich die Bauteile (10, 14) zumindest im Bereich der Fügeflächen (12, 16) erwärmen. Die beiden Bauteile (10, 14) werden gegeneinander gepresst, sodass die beiden Fügeflächen (12, 16) miteinander verschweißt werden.
Description
Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile.
Aus der DE 198 58 702 B4 ist ein Hochfrequenz-Induktionsschweißverfahren zum
Verbinden von Schaufelteilen einer Gasturbine bekannt. Die Schaufelteile weisen Fügeflächen auf, die durch elektromagnetische Induktion durch einen Induktor und durch
Zusammenfahren unter Berührung der Fügeflächen miteinander verschweißt werden und eine Schweißverbindungsstelle bilden. Der Induktor ist ein separates Werkzeugelement, welches um die Fügeflächen der Schaufelteile herum angeordnet ist. Für das Verfahren ist es daher notwendig, dass benachbart zu den Bauteilen ausreichend Freiraum für den Induktor zur Verfügung steht, insbesondere für eine Bewegung bei der Positionierung des
Induktors an der Schweißverbindungsstelle. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass der
Wärmeeintrag in die Bauteile nicht definiert erfolgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Schweißen zweier Bauteile mit einen definierten Wärmeeintrag in die Fügezonen bei minimalen Anforderungen an den die zu verschweißenden Bauteile umgebenden Freiraum zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Schweißen zweier Bauteile mit zu verbindenden Fügeflächen gelöst, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Die beiden Bauteile werden so positioniert, dass sich die Fügeflächen in geringem Abstand gegenüberliegen. Es wird ein hochfrequenter elektrischer Strom durch die beiden Bauteile geleitet, wodurch sich die Bauteil zumindest im Bereich der Fügeflächen erwärmen. Die beiden Bauteile werden gegeneinander gepresst, sodass die beiden Fügeflächen miteinander verschweißt werden. Die Anwendung eines hochfrequenten elektrischen Stroms führt aufgrund des Skin-Effekts zu einer hohen Stromdichte im Bereich der Oberfläche der beiden Bauteile. Aufgrund des geringen Abstands zwischen den Fügeflächen der beiden Bauteile wird die Stromdichte im Bereich der Fügeflächen durch den Proximity-Effekt weiter erhöht. Durch die besonders hohe Stromdichte im Bereich der Fügeflächen der Bauteile erwärmen sich die Bauteile im Wesentlichen lokal im Bereich der Fügeflächen. Auf diese Weise wird kein separater Induktor im Bereich der Fügeflächen benötigt. Es wird nur ein minimaler Freiraum um die beiden Bauteile benötigt, um den hochfrequenten elektrischen Strom in die Bauteile einleiten zu können.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante ist der Abstand zwischen den Fügeflächen kleiner gleich 1 mm, vorzugsweise kleiner gleich 0,5 mm. Durch den geringen Abstand zwischen den Fügeflächen wird die Wirkung des Proximity-Effekts verstärkt.
Der hochfrequente elektrische Strom kann über ein Leiterelement in die Bauteile geleitet werden, wobei das Leiterelement aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gefertigt ist, insbesondere Kupfer. Dies ermöglicht eine gute Einleitung des elektrischen Stroms in die Bauteile mit geringem elektrischen Widerstand im Leiterelement und somit geringer Erwärmung im Leiterelement.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Leiterelement flächig ausgeführt, insbesondere in Form einer leitenden Matte. Auf diese Weise wird zum einen die
Leitfähigkeit des Leiterelements für hochfrequenten elektrischen Strom verbessert und zum anderen die Fläche vergrößert, in welcher der elektrische Strom in die Bauteile geleitet wird, wodurch ein punktuelles Verschweißen des Leiterelements mit den Bauteilen verhindert wird.
Vorzugsweise weisen die Bauteile eine geringere elektrische Leitfähigkeit auf als das Leiterelement. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich im Wesentlichen die Bauteile erhitzen, während die Erwärmung des Leiterelements möglichst gering bleibt.
Vorteilhafterweise sind die Bauteile aus Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit gefertigt, insbesondere Titan oder Nickel. Auf diese Weise wird nahezu 100 % der eingebrachten elektrischen Leistung in den Fügeflächen in Wärme umgesetzt. Der hochfrequente elektrische Strom wird vorzugsweise im Bereich der Fügeflächen in die Bauteile eingeleitet. Somit wird die Erwärmung anderer Bereiche der Bauteile reduziert.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante werden die beiden Bauteile zur Einleitung des hochfrequenten elektrischen Stroms in einem Stromkreis in Reihe geschaltet. Dies ermöglicht eine einfache Anordnung des Stromkreises, wobei nur eine Stromquelle benötigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante wird das Verfahren zum Schweißen einer Schaufel an einen Rotorgrundkörper zur Herstellung eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere einer Gasturbine, verwendet. Dabei ist insbesondere von Vorteil, dass mit dem Verfahren auch Materialien geschweißt werden können, bei denen keine Schmelzschweißverfahren angewendet werden können, beispielsweise monokristalline Materialien.
Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante wird das Verfahren zum Schweißen einer Schaufel oder eines Schaufelsegments an einen Rotorgrundkörper zur Reparatur eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere einer Gasturbine, verwendet. Bei der Reparatur eines integral beschaufelten Rotors muss in der Regel nur eine oder müssen nur wenige Schaufeln des Rotors ausgetauscht werden. Dabei ist es besonders von Vorteil, dass nur ein minimaler Freiraum benachbart zu den Fügeflächen der zu verbindenden Bauteile benötigt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 einen ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem die Bauteile zueinander positioniert werden;
Figur 2 einen zweiten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem ein hochfrequenter elektrischer Strom in die Bauteile geleitet wird; und - Figur 3 einen dritten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem die
Bauteile gegeneinander gepresst werden.
Figur 1 zeigt ein erstes Bauteil 10 mit einer ersten Fügefläche 12 und ein zweites Bauteil 14 mit einer zweiten Fügefläche 16. Die beiden Bauteile 10, 14 sind so positioniert, dass sich die Fügeflächen 12, 16 in geringem Abstand 18 gegenüberliegen. Der Abstand 18 beträgt 1 mm oder weniger und vorzugsweise 0,5 mm oder weniger.
In einem in Figur 2 dargestellten Verfahrensschritt sind Leiterelemente 20 im Bereich der Fügeflächen 12, 16 angebracht, wobei die beiden Bauteile 10, 14 in einem Stromkreis in Reihe geschaltet werden. Die Leiterelemente 20 bestehen aus Kupfermatten mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, insbesondere für hochfrequente elektrische Ströme. Ein hochfrequenter elektrischer Strom I wird über die Leiterelemente 20 in die beiden
Bauteile 10, 14 eingeleitet. Aufgrund des Skin-Effekts und des Proximity-Effekts konzentriert sich die Stromdichte im Wesentlichen in den Fügeflächen 12, 16 der Bauteile 10, 14. Der Skin-Effekt und der Proximity-Effekt basieren auf einer elektromagnetischen Induktion in den beiden Bauteilen 10, 14 durch den hochfrequenten elektrischen Strom I. Der hochfrequente Strom I hat vorzugsweise eine Frequenz im Bereich von 0,75 MHz bis
1 ,2 MHz.
Die Bauteile 10, 14 sind aus Titan oder Nickel gefertigt und weisen eine geringere elektrische Leitfähigkeit als die Leiterelemente 20 auf. Somit wird annähernd 100 % der eingebrachten elektrischen Leistung in den Fügeflächen in Wärme umgesetzt.
Haben die Bauteile 10, 14 im Bereich der Fügeflächen 12, 16 die gewünschte Tempera- tur erreicht, werden die beiden Bauteile 10, 14 gegeneinander gepresst, sodass die beiden Fügeflächen 12, 16 miteinander verschweißt werden. Dieser Schritt ist in Figur 3 dargestellt. Es ist dabei möglich, dass die beiden Bauteile 10, 14 gegeneinander bewegt werden oder dass nur ein Bauteil 10 bewegt wird, während das andere Bauteil 14 ortsfest gehalten wird. Der zeitliche Verlauf des Verfahrens, insbesondere die Dauer der Einleitung des hochfrequenten elektrischen Stroms I, kann empirisch ermittelt werden, über eine Messung der Temperatur an den Fügeflächen 12, 16 oder eine Messung der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Bauteile 10, 14 in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuert werden. Das Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von integral beschaufelten
Rotoren, insbesondere für Gasturbinen, bei denen eine separat hergestellte Schaufel bzw. ein separat hergestelltes Schaufelblatt an einem Rotorgrundkörper angeschweißt wird. Dabei steht, insbesondere bei Rotoren mit hoher Schaufelzahl, wenig Freiraum zwischen den benachbarten Schaufeln zur Verfügung, sodass herkömmliche Induktionsschweißverfahren mit einem separaten Induktor oder Reibschweißverfahren nicht anwendbar sind. Insbesondere im radial innenliegenden Bereich der Schaufel, in dem sich der Schweißbereich befindet, ist nur ein geringer Freiraum zwischen den Schaufelblättern der benachbarten Schaufeln vorhanden.
Es ist insbesondere für integral beschaufelte Rotoren von Gasturbinen von Vorteil, dass mit dem Verfahren auch Materialien geschweißt werden können, bei denen keine
Schmelzschweißverfahren angewandt werden können, beispielsweise monokristalline Materialien.
Das Verfahren ermöglicht auch die Reparatur eines integral beschaufelten Rotors durch Entfernen einer beschädigten Schaufel und dem Anschweißen einer neuen Schaufel. Es können dabei auch integral beschaufelte Rotoren repariert werden, die nach einem anderen Herstellungsverfahren hergestellt wurden, beispielsweise durch Fräsen, elektrochemisches Bearbeiten oder andere Schweißverfahren.
Claims
1. Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile (10, 14) mit zu verbindenden Fügeflächen (12, 16), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
- die beiden Bauteile (10, 14) werden so positioniert, dass sich die Fügeflächen (12, 16) in geringem Abstand (18) gegenüberliegen;
- es wird ein hochfrequenter elektrischer Strom (I) durch die beiden Bauteile (10, 14) geleitet, wodurch sich die Bauteile( 10, 14) zumindest im Bereich der Fügeflächen (12, 16) erwärmen;
- die beiden Bauteile (10, 14) werden gegeneinander gepresst, so dass die beiden Fügeflächen (12, 16) miteinander verschweißt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (18) zwischen den Fügeflächen (12, 16) kleiner gleich 1 mm, vorzugsweise kleiner gleich 0,5 mm, ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hochfrequente elektrische Strom (I) über ein Leiterelement (20) in die Bauteile (10, 14) geleitet wird, wobei das Leiterelement (20) aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gefertigt ist, insbesondere Kupfer.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (20) flächig ausgeführt ist, insbesondere in Form einer leitenden Matte.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (10, 14) eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweisen als das Leiterelement (20).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (10, 14) aus Materialen mit geringer elektrischer Leitfähigkeit gefertigt sind, insbesondere Titan oder Nickel.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hochfrequente elektrische Strom (I) im Bereich der Fügeflächen (12, 16) in die
Bauteile (10, 14) eingeleitet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bauteile (10, 14) zur Einleitung des hochfrequenten elektrischen Stroms (I) in einen Stromkreis in Reihe geschaltet werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Schweißen einer Schaufel an einen Rotorgrundkörper zur
Herstellung eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere einer Gasturbine, verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Schweißen einer Schaufel an einen Rotorgrundkörper zur Repara- tur eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere einer Gasturbine, verwendet wird.
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