EP2485863A1 - Verfahren zum schmelzschweissen eines einkristallinen werkstücks mit einem polykristallinen werkstück und rotor - Google Patents

Verfahren zum schmelzschweissen eines einkristallinen werkstücks mit einem polykristallinen werkstück und rotor

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Publication number
EP2485863A1
EP2485863A1 EP10784666A EP10784666A EP2485863A1 EP 2485863 A1 EP2485863 A1 EP 2485863A1 EP 10784666 A EP10784666 A EP 10784666A EP 10784666 A EP10784666 A EP 10784666A EP 2485863 A1 EP2485863 A1 EP 2485863A1
Authority
EP
European Patent Office
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workpieces
rotor
shrouds
welding
polycrystalline
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10784666A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marcus Klemm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2485863A1 publication Critical patent/EP2485863A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/26—Seam welding of rectilinear seams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
    • F01D11/006—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor
    • F01D11/008—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor by spacer elements between the blades, e.g. independent interblade platforms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F01D5/063—Welded rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3061—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers by welding, brazing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/001—Turbines

Definitions

  • the invention relates to a method for materially joining a single-crystal workpiece with a polycrystalline workpiece and a rotor of a turbomachine having at least one row of blades produced by such a method.
  • Single-crystal structures and polycrystalline, directionally solidified microstructures for example of a superalloy with a high nickel or cobalt content such as Inconel 718, are regarded as non-melt-weldable due to their high y 'content.
  • Workpieces with such structures are therefore often interconnected by cohesive methods in which no molten phase is formed, which could lead to recrystallization and thus to the formation of harmful risein consideringden grain boundaries.
  • German patent application DE 10 2005 019 356 A1 of the Applicant proposes to connect a monocrystalline blade by means of a friction welding process with a rotor disk for the production of a turbine blisk.
  • German patent application DE 10 2007 050 142 AI of the applicant is proposed for the production of a turbine blisk, to provide a single-crystal blade with a melt-weldable blade root.
  • DE 10 2005 021 642 B4 it is proposed to produce a monocrystalline turbine blade from a multiplicity of polycrystalline shaped bodies, wherein exact solidification conditions are to be maintained. It is also known to solder such materials together, but soldering does not guarantee high temperature strength.
  • the invention has for its object to provide a method for cohesive bonding of monocrystalline workpieces with polycrystalline workpieces, which eliminates the aforementioned disadvantages in particular with respect.
  • a method for materially joining a single-crystal workpiece with a polycrystalline workpiece provides for producing the workpieces from a superalloy, in particular a nickel-based alloy. Then the workpieces are butt-jointed. Subsequently, the workpieces are fusion-welded together using a fiber laser.
  • the fiber laser in combination with the butt joint and a forming I-seam allows the fusion of the two workpieces without the formation of damaging and risk-inducing grain boundaries, whereby over the I-seam, welding residual stresses are better distributed.
  • the workpieces are connected directly to each other so that welding consumables are not necessary and the fusion welding process is easy to control.
  • the method according to the invention makes it possible to provide the fabric-bonded integral connection of the workpieces, which thus can absorb the highest mechanical, chemical and physical stresses, as may occur, for example, in the hot gas path of gas turbines or turbomachines. For example, a reduced fatigue strength or a limited high temperature resistance as in solder joints of the joined workpieces is not to be feared when using the method according to the invention.
  • a preferred material for the single-crystal workpiece is the lightweight single-crystal alloy LEK 94 and for the polycrystalline material Inconel 718. Such materials are particularly well established in gas turbines and aircraft engines, so that the inventive method can be used there targeted. However, other nickel-based alloys such as Inconel 713 are also conceivable.
  • the butt joint is formed to a thickness within the limits of about 1 mm to 2 mm.
  • the workpieces are uniformly heated over their cross section in the butt joint area and large temperature differences or temperature stresses can not arise or be initiated.
  • a pulsed fiber laser is used.
  • such lasers have a high beam quality and high efficiency.
  • the fiber laser is set to a welding power of about 800 W to 1300 W.
  • a high welding quality can be achieved if the laser beam with a welding speed of about 2 m / min to 6 m / min, in particular 4m / min, is moved relative to the workpieces along the butt joint.
  • the laser beam is preferably moved orthogonal to the butt joint.
  • the laser beam is overfocused, underfocused, or sharply focused. For example, overfocussing and underfocusing by about 5 mm each are conceivable.
  • a protective gas helium is conceivable. This allows a high quality welding and is relatively easy to use.
  • An inventive rotor of a turbomachine has at least one row of blades, which has a plurality of monocrystalline blades, each with a shroud made of a superalloy. Between adjacent shrouds each polycrystalline intermediate piece is arranged from a superalloy, which is connected by a method according to the invention cohesively with the shrouds.
  • the fusion-welded joint according to the invention has the advantage that the intermediate pieces are firmly positioned between the shrouds, even at high temperatures and high mechanical loads.
  • the contour of the intermediate pieces can be optimally adapted to the shrouds so that flow and leakage losses in the shroud area of the blades are prevented.
  • the shrouds and the intermediate pieces are made of a nickel-based alloy. Examples for the shroud are the lightweight single-crystal alloy LEK 94 and for the intermediate piece Inconel 718. These materials are optimally adapted to the conditions within a gas turbine.
  • Other advantageous embodiments of the invention are the subject of further subclaims.
  • FIG. 1 shows a side view of two workpieces to be joined according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows the workpieces from FIG. 1 after the fusion welding according to the invention
  • 3 shows a side view of two workpieces to be joined according to a second exemplary embodiment of the invention
  • Figure 4 is a partial view of a rotor according to the invention prior to carrying out a fusion welding according to the invention
  • FIG. 5 shows the rotor from FIG. 4 after fusion welding.
  • FIG. 1 shows a metallic workpiece 2 with a monocrystalline microstructure and a metallic workpiece 4 with a polycrystalline microstructure which are to be welded together using the method according to the invention.
  • the workpieces 2, 4 consist of a nickel-based alloy, the single-crystal workpiece 2 having the material LEK 94 and the polycrystalline workpiece 4 the material Inconel 718.
  • the two workpieces 2, 4 are positioned on a workbench 6 and form a butt joint, so that their Joining surfaces 8, 10 lie flat against each other. They are each clamped on a clamping device 12, 14 with a spindle drive 16, 18 on the workbench 6, which engage at their remote from the butt joint edge portions.
  • the fiber laser 20 is designed as a pulsed laser with a maximum power of 2 kW.
  • the laser beam 22 is moved at a feed rate of about 4 m / min relatively along the butt joint.
  • His preferred welding power is about 40% to 60%, ie 800 W to 1300 W, its maximum power of 2 kW.
  • the welding power at the beginning and at the end of the welding process can be variably increased or reduced.
  • its welding angles in the feed direction and in the transverse direction of the butt joint are each 90 degrees.
  • the laser beam 22 is directed orthogonally to the butt joint.
  • Its focus position is adapted to the different heights h1, h2 of the workpieces 2, 4 and can be overfocused by about 5 mm or less. be focused.
  • the workpieces 2, 4 are firmly connected to one another via the crack-free I-seam 24. According to the illustration in FIG.
  • FIG. 4 shows a partial view of a rotor 26 according to the invention of a turbomachine.
  • the rotor 26 is a so-called turbine blisk, on the outer circumference 28 of which a multiplicity of vanes 30, 32 which are arranged next to one another in the circumferential direction are integrally connected or formed.
  • the term rotor 26 is also understood to mean an integrally bladed rotor ring (bling).
  • the blades 30, 32 are the foot side via a friction welding method attached to the outer periphery 28, but may also be formed in the manufacture of the rotor 26 already on this. They consist of a nickel-based alloy, preferably LE 94 and have a monocrystalline structure. They each have an integrally formed and radially outboard shroud 34, 36. Adjacent shrouds 34, 36 are each spaced from each other via a metallic intermediate piece 38.
  • the intermediate piece 38 has a polycrystalline structure and consists of the nickel-based alloy Inconel 718. It has a T-shaped cross section with two oppositely extending step surfaces 40, 42, by means of which it with opposite side surfaces 44, 46 of the shrouds 34, 36 via the invention Fusion welding process is connected.
  • the step surfaces 40, 42 and the opposing side surfaces 44, 46 are butt-jointed and grooved together using a fiber laser (not shown) such that the crack-free I-seams 48, 50 shown in Figure 5 form between them.
  • the intermediate piece 38 has a greater wall thickness sl than the shrouds 34, 36 with s2. to simplified positioning is the intermediate piece 38 with its shoulder surfaces 52, 54 in contact with the outer periphery 28 facing shroud surfaces 56, 58 of the shrouds 34, 36. It should be noted that the method described here is not limited to thin sheets, but that using the also described herein teaching thicker monocrystalline workpieces 2 with polycrystalline workpieces 4 can be fusion-welded together.

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Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Schmelzschweissen eines metallischen Werkstücks 2, das ein einkristallines Gefüge aufweist, mit einem metallischen Werkstück 4, das ein polykristallines Gefüge hat, unter Verwendung eines Faserlasers 20 und unter Ausbildung einer I-Naht 24, sowie ein nach einem derartigen Verfahren hergestellter Rotor 26.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Schmelzschweißen eines einkristallinen Werkstücks mit einem polykristallinen Werkstück und Rotor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines einkristallinen Werkstücks mit einem polykristallinen Werkstück und einen Rotor einer Strömungsmaschine mit zumindest einer Schaufelreihe hergestellt nach einem derartigen Verfahren.
Einkristalline Gefüge und polykristalline, gerichtet erstarrte Gefüge, beispielsweise aus einer Superlegierung mit einem hohen Nickel- oder Kobaltgehalt wie Inconel 718, gelten aufgrund ihres hohen y' -Anteils als nicht schmelzschweißbar. Werkstücke mit derartigen Gefügen werden daher häufig über stoffschlüssige Verfahren miteinander verbunden, bei denen keine schmelzflüssige Phase entsteht, die zur Rekristallisation und somit zur Bildung von schädlichen risseinleitenden Korngrenzen führen könnte. So wird beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 019 356 A1 der Anmelderin vorgeschlagen, zur Herstellung eines Turbinenblisk eine einkristalline Laufschaufel mittels eines Reibschweißverfahrens mit einer Rotorscheibe zu verbinden. In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 050 142 AI der Anmelderin wird zur Herstellung eines Turbinenblisk vorgeschlagen, eine einkristalline Laufschaufel mit einem schmelzschweißgeeigneten Schaufelfuß zu versehen. In der DE 10 2005 021 642 B4 wird vorge- schlagen,-eine einkristalline Turbinenschaufel aus einer Vielzahl von polykristallinen Formkörpern herzustellen, wobei exakte Erstarrungsbedingungen einzuhalten sind. Ebenso ist es bekannt, derartige Werkstoffe miteinander zu verlöten, jedoch garantiert das Löten keine Hochtemperaturfestigkeit.
In jüngster Vergangenheit hat sich jedoch im Bereich Auftragsschweißen das Schmelzschweißen auch bei einkristallinen Superlegierungen etabliert. So wird in der DE 60 2004 002 203 T2 vor- geschlagen, Ausbrüche in beschädigten Deckbändern mittels eines YAG-Lasers und eines
Schweißpulvers aus dem Material des Deckbandes, hier Inconel 713, zu füllen. In der EP 1 808 572 AI wird zum Beispiel zum Schließen von Rissen in Turbinenschaufeln vorgeschlagen, einen Schweißzusatzwerkstoff mit nicht optimalen mechanischen Eigenschaften zu verwenden, der anschließend durch einen Diffusionsprozess auf eine optimale Materialzusammensetzung einge- stellt wird. Die Verwendung von Schweißzusatzstoffen ist jedoch aufgrund der genauen Zusammensetzung und Dosierung aufwendig und fehlerbehaftet. Ferner erlauben diese Schmelzschweißverfahren nicht das stoffschlüssige und rissfreie Fügen von einkristallinen Werkstoffen mit zum Beispiel polykristallinen Werkstoffen.
In der DE 10 2006 048 580 wird zum rissfreien Verschweißen metallischer Bauteile vorgeschlagen, eine örtliche Temperaturbeaufschlagung durch zwei parallele oder nahezu parallel zur Schweißrichtung verlaufende und sich zur Schweißrichtung längs erstreckende elektromagnetisch im Innern der Bauteile erzeugte Temperaturfelder durchzuführen.
Der Vollständigkeit halber sei noch die EP 1 512 838 A2 erwähnt, die zwar keinen Beitrag zur Schmelzschweißbarkeit von einkristallinen Gefügen leistet, die jedoch zeigt, dass die in der vorgenannten DE 60 2004 002 203 T2 erwähnten Ausbrüche durch Zwischenstücke vermeidbar sind, die lose in Seitentaschen zwischen den Deckbändern angeordnet sind, so dass die Deck- bänder nicht gegeneinander reiben bzw. schlagen können.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von einkristallinen Werkstücken mit polykristallinen Werkstücken, das die vorgenannten Nachteile insbesondere bzgl. der Hochtemperaturfestigkeit und bzgl. den Schweißzu- satzstoffen beseitigt und keine Risseinleitung begründet, sowie einen derartig hergestellten Rotor einer Strömungsmaschine zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 1 und durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen eines einkristallinen Werkstücks mit einem polykristallinen Werkstück sieht vor, die Werkstücke aus einer Superlegierung, insbesondere einer Nickelbasislegierung, herzustellen. Dann werden die Werkstücke im Stumpfstoß zueinander positioniert. Anschließend werden die Werkstücke unter Verwendung eines Faserla- sers miteinander schmelzverschweißt. Der Faserlaser in Kombination mit dem Stumpfstoß und einer sich dabei ausbildenden I-Naht ermöglicht die Schmelzverschweißung der beiden Werkstücke ohne die Bildung schädlicher und risseinleitender Korngrenzen, wobei über die I-Naht Schweißeigenspannungen besser verteilt werden. Die Werkstücke werden direkt miteinander verbunden, so dass Schweißzusatzstoffe nicht notwendig sind und der Schmelzschweißprozess einfach zu steuern bzw. zu regeln ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die gefügeschonende stoffschlüssige Verbindung der Werkstücke, die somit höchste mechanische, chemische und physikalische Belastungen aufnehmen können, wie sie beispielsweise im Heißgaspfad von Gasturbinen bzw. Strömungsmaschinen auftreten können. Eine zum Beispiel reduzierte Schwingfestigkeit oder eine begrenzte Hochtem- peraturfestigkeit wie bei Lötverbindungen der gefügten Werkstücke ist bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zu befürchten.
Ein bevorzugter Werkstoff für das einkristalline Werkstück ist die Leichte Einkristalllegierung LEK 94 und für den polykristallinen Werkstoff Inconel 718. Derartige Werkstoffe sind insbe- sondere bei Gasturbinen bzw. bei Flugzeugtriebwerken etabliert, so dass das erfindungsgemäße Verfahren dort gezielt eingesetzt werden kann. Es sind jedoch auch andere Nickelbasislegierungen wie zum Beispiel Inconel 713 vorstellbar.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Stumpfstoß mit einer Dicke in den Grenzen von etwa 1 mm bis 2 mm ausgebildet. Hierdurch werden die Werkstücke über ihren Querschnitt im Stumpfstoßbereich gleichmäßig erwärmt und große Temperaturunterschiede bzw. Temperaturspannungen können nicht entstehen bzw. eingeleitet werden.
Vorzugsweise wird ein gepulster Faserlaser verwendet. Derartige Laser haben insbesondere eine hohe Strahlqualität und einen hohen Wirkungsgrad. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Faserlaser auf eine Schweißleistung von etwa 800 W bis 1300 W eingestellt. Dabei ist eine hohe Schweißqualität erreichbar, wenn der Laserstrahl mit einer Schweißgeschwindigkeit von etwa 2 m/min bis 6 m/min, insbesondere 4m/min, relativ zu den Werkstücken entlang des Stumpfstoßes bewegt wird.
Zur Vermeidung einer nicht akzeptablen Laserstrahlauffächerung wird der Laserstrahl vorzugsweise orthogonal zum Stumpfstoß bewegt. In Abhängigkeit von den Prozessparametern wie Werkstoffe, Werkstoffdicke und Schweißleistung ist der Laserstrahl überfokussiert, unterfokus- siert, oder scharf fokussiert. Beispielsweise sind eine Überfokussierung und eine Unterfokussie- rung um jeweils etwa 5 mm vorstellbar. Als Schutzgas ist Helium vorstellbar. Dies erlaubt eine hohe Schweißqualität und ist verhältnismäßig einfach in der Handhabung.
Ein erfindungsgemäßer Rotor einer Strömungsmaschine hat zumindest eine Schaufelreihe, die eine Vielzahl von einkristallinen Schaufeln mit jeweils einem Deckband aus einer Superlegie- rung aufweist. Zwischen benachbarten Deckbändern ist jeweils ein polykristallines Zwischenstück aus einer Superlegierung angeordnet, das über eine erfindungsgemäßes Verfahren stoffschlüssig mit den Deckbändern verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Schmelzschweißverbindung hat den Vorteil, dass die Zwischenstücke auch bei hohen Temperaturen und hohen mechanischen Belastungen fest zwischen den Deckbändern positioniert sind. Die Kontur der Zwischenstücke kann den Deckbändern optimal ange- passt werden, so dass Strömungs- und Leckageverluste im Deckbandbereich der Schaufeln verhindert werden. Bevorzugterweise bestehen die Deckbänder und die Zwischenstücke aus einer einer Nickelbasislegierung. Beispiele sind für das Deckband die Leichte Einkristalllegierung LEK 94 und für das Zwischenstück Inconel 718. Diese Werkstoffe sind bestens an die Bedingungen innerhalb einer Gasturbine angepasst. Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine Seitenansicht von zwei zu fügenden Werkstücken nach einem ersten erfindungsgemäßen Ausfuhrungsbeispiel,
Figur 2 die Werkstücke aus Figur 1 nach der erfindungsgemäßen Schmelzschweißung, Figur 3 eine Seitenansicht von zwei zu fügenden Werkstücken nach einem zweiten erfindungsgemäßen Ausfuhrungsbeispiel,
Figur 4 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Rotors vor Durchführung einer erfindungsgemäßen Schmelzschweißung, und
Figur 5 den Rotor aus Figur 4 nach der Schmelzschweißung.
Figur 1 zeigt ein metallisches Werkstück 2 mit einem einkristallinen Gefüge und ein metallisches Werkstück 4 mit einem polykristallinen Gefüge, die über das erfindungsgemäße Verfahren miteinander zu verschweißen sind. Die Werkstücke 2, 4 sind als rechteckige Dünnbleche mit einer ungefähren Höhe hl = 1,27 mm bzw. h2 = 1,59 mm ausgeführt. Entsprechend bildet sich eine in Figur 2 gezeigte I-Naht 24 mit einer Dicke d zwischen 1 mm bis 2 mm aus. Die Werkstücke 2, 4 bestehen aus einer Nickelbasislegierung, wobei das einkristalline Werkstück 2 den Werkstoff LEK 94 aufweist und das polykristalline Werkstück 4 den Werkstoff Inconel 718. Die beiden Werkstücke 2, 4 sind auf einer Werkbank 6 positioniert und bilden einen Stumpfstoß, so dass ihre Fügeflächen 8, 10 plan aneinander anliegen. Sie sind über jeweils eine Einspanneinrichtung 12, 14 mit einem Spindelantrieb 16, 18 auf der Werkbank 6 eingespannt, die an ihren von dem Stumpfstoß entfernten Randabschnitten angreifen. Die Schmelzverschweißung der beiden Werkstücke 2, 4 erfolgt über einen Faserlaser 20, der einen auf den Stumpfstoß gerichteten Laserstrahl 22 emittiert. Der Faserlaser 20 ist als ein gepulster Laser mit einer maximalen Leistung von 2 kW ausgeführt.
Beim erfindungsgemäßen Schmelzverschweißen der beiden Werkstücke 2, 4 wird der Laser- strahl 22 mit einem Vorschub von etwa 4m/min relativ entlang des Stumpfstoßes bewegt. Seine bevorzugte Schweißleistung beträgt dabei etwa 40% bis 60%, also 800 W bis 1300 W, seiner maximalen Leistung von 2 kW. Dabei kann zur Vermeidung von Nahtfehlern, beispielsweise Anfangskratern und Endkratern, die Schweißleistung zu Beginn und zum Ende des Schweißvorgangs variabel erhöht bzw. reduziert werden. Vorzugsweise betragen seine Schweißwinkel in Vorschubrichtung und in Querrichtung des Stumpfstoßes jeweils 90 Grad. Somit ist der Laserstrahl 22 orthogonal auf den Stumpfstoß gerichtet. Seine Fokuslage ist den unterschiedlichen Höhen hl, h2 der Werkstücke 2, 4 angepasst und kann um etwa 5 mm überfokussiert bzw. unter- fokussiert werden. Als Schutzgas wird Helium mit einem Durchsatz von etwa 41/min verwendet. Wie in Figur 2 gezeigt ist, sind die Werkstücke 2, 4 nach dem Schmelzschweißen über die rissfreie I-Naht 24 fest miteinander verbunden. Gemäß der Darstellung in Figur 3 ist es erfindungsgemäß ebenfalls möglich, metallische einkristalline Werkstücke 2 und metallische polykristalline Werkstücke 4 mit gleicher Höhe hl = h2 im Stumpfstoß unter Verwendung eines Faserlasers (nicht gezeigt) schmelzschweißend miteinander zu verbinden, wobei je nach den Werkstoffen und den Höhen hl , h2 eine Anpassung der vorgenannten Schweißparameter zur Ausbildung einer die Schweißspannungen reduzierenden I- Naht 24 zu erfolgen hat.
Figur 4 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Rotors 26 einer Strömungsmaschine. Der Rotor 26 ist ein sogenannter Turbinenblisk, an dessen Außenumfang 28 eine Vielzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Schaufeln 30, 32 integral angebunden bzw. aus- gebildet sind. In der Anmeldung wird jedoch unter dem Begriff Rotor 26 auch ein integral be- schaufelter Rotorring (Bling) verstanden.
Die Schaufeln 30, 32 sind fußseitig über ein Reibschweiß verfahren an dem Außenumfang 28 befestigt, können jedoch auch bei der Herstellung des Rotors 26 bereits an diesem ausgebildet sein. Sie bestehen aus einer Nickelbasislegierung, vorzugsweise LE 94 und weisen ein einkristallines Gefüge auf. Sie haben jeweils ein integral ausgebildetes und radial außenliegendes Deckband 34, 36. Benachbarte Deckbänder 34 ,36 sind über jeweils ein metallisches Zwischenstück 38 von einander beabstandet. Das Zwischenstück 38 weist ein polykristallines Gefüge aus und besteht aus der Nickelbasislegierung Inconel 718. Es hat einen T-förmigen Querschnitt mit zwei entgegengesetzt zueinander verlaufenden Stufenflächen 40, 42, mittels derer es mit gegenüberliegenden Seitenflächen 44, 46 der Deckbänder 34, 36 über das erfindungsgemäße Schmelzschweißverfahren verbunden ist. D.h., die Stufenflächen 40, 42 und die gegenüberliegenden Seitenflächen 44, 46 werden im Stumpfstoß positioniert und unter Verwendung eines Faserlasers (nicht gezeigt) miteinander gefugt, so dass sich die in Figur 5 gezeigten rissfreien I-Nähte 48, 50 zwischen ihnen ausbilden. Das Zwischenstück 38 hat eine größere Wandstärke sl als die Deckbänder 34, 36 mit s2. Zur vereinfachten Positionierung befindet sich das Zwischenstück 38 mit seinen Schulterflächen 52, 54 in Anlage mit dem Außenumfang 28 zugewandten Deckbandflächen 56, 58 der Deckbänder 34, 36. Es sei erwähnt, dass das hier beschriebene Verfahren nicht auf Dünnbleche beschränkt ist, sondern dass unter Anwendung der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Lehre auch dickwandigere einkristalline Werkstücke 2 mit polykristallinen Werkstücken 4 schmelzschweißend miteinander verbunden werden können. Offenbart ist ein Verfahren zum Schmelzschweißen eines metallischen Werkstücks 2, das ein einkristallines Gefüge aufweist, mit einem metallischen Werkstück 4, das ein polykristallines Gefüge hat, unter Verwendung eines Faserlasers 20 und unter Ausbildung einer I-Naht 24, sowie ein nach einem derartigen Verfahren hergestellter Rotor 26.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines metallischen Werkstücks (2), das ein einkristallines Gefüge aufweist, mit einem metallischen Werkstück (4), das ein polykristallines Gefüge hat, mit den Schritten:
- Herstellen der Werkstücke (2, 4) aus einer Superlegierung,
- Positionieren der beiden Werkstücke (2, 4) im Stumpfstoß zueinander,
- Schmelzschweißen der beiden Werkstücke (2, 4) durch einen Faserlaser (20).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Werkstoffe für das einkristalline Gefüge LEK 94 und für das polykristalline Gefüge Inconel 718 verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stumpfstoß mit einer Dicke (d) in den Grenzen von 1 mm bis 2 mm ausgebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Faserlaser (20) gepulst wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Faserlaser (20) auf eine Schweißleistung von etwa 800 W bis 1300 W eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Laserstrahl (22) mit einer Schweißgeschwindigkeit von etwa 2 m/min bis 6 m/min relativ zu den Werkstücke (2, 4) entlang des Stumpfstoßes bewegt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl (22) orthogonal zum Stumpfstoß bewegt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl (22) überfokus- siert ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Laserstrahl (22) unterfokussiertist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Laserstrahl (22) scharf fokussiert ist..
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei ein heliumartiges Schutzgas verwendet wird.
12. Rotor (26) für eine Strömungsmaschine mit zumindest einer Schaufelreihe, die einer Vielzahl von einkristallinen Schaufeln (30, 32) mit Deckbändern (34, 36) aus einer Superlegierung aufweist, wobei zwischen benachbarten Deckbändern (34, 36) polykristalline Zwischenstücke (38) aus einer Superlegierung angeordnet sind, die über ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche stoffschlüssig mit den Deckbändern (34, 36) verbunden sind.
13. Rotor nach Anspruch 12, wobei die Deckbänder (34, 36) und die Zwischenstücke (38) aus einer Nickelbasislegierung bestehen.
14. Rotor nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Deckbänder (34, 36) aus LEK 94 und die Zwischenstücke (38) aus Inconel 718 ausgeführt sind.
EP10784666A 2009-10-10 2010-10-02 Verfahren zum schmelzschweissen eines einkristallinen werkstücks mit einem polykristallinen werkstück und rotor Withdrawn EP2485863A1 (de)

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