EP3793766A1 - VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES SCHWEIßDRAHTES, SCHWEIßDRAHT ZUR BEARBEITUNG EINES BAUTEILS UND BAUTEIL - Google Patents

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES SCHWEIßDRAHTES, SCHWEIßDRAHT ZUR BEARBEITUNG EINES BAUTEILS UND BAUTEIL

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EP3793766A1
EP3793766A1 EP19728859.0A EP19728859A EP3793766A1 EP 3793766 A1 EP3793766 A1 EP 3793766A1 EP 19728859 A EP19728859 A EP 19728859A EP 3793766 A1 EP3793766 A1 EP 3793766A1
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EP
European Patent Office
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welding
wire
component
cavity
welding wire
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19728859.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karl-Hermann Richter
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23P6/007—Repairing turbine components, e.g. moving or stationary blades, rotors using only additive methods, e.g. build-up welding

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a welding wire. Further aspects of the invention relate to a welding wire for machining a component and a component.
  • EP 0 227 634 A1 discloses a method for producing a filler metal in the form of a welding wire.
  • a wrapping wound on a reel is filled with a metal powder, whereupon the casing filled with the metal powder is reduced by pulling in cross section, whereby air present in the interior of the casing can escape.
  • the metal powder may be formed, for example, from alloys such as nickel or cobalt base alloys.
  • the tube can be constructed, for example, of iron, cobalt and / or nickel.
  • US 2007/0193228 A1 describes a method for producing a welded metal tube which contains filling elements.
  • a long narrow metal sheet with two longitudinal edges is provided and at least a part of the metal sheet is produced in the form of a channel by bringing one of the longitudinal edges close to the other longitudinal edge.
  • the Golfelemen te are then introduced into the channel and the metal sheet is then prepared in the form of a tube by the two longitudinal edges are brought closer to each other until the longitudinal edges are in contact.
  • a method for producing a metal core welding wire is known.
  • a seamless tube made of aluminum or an aluminum alloy is formed and this tube filled with a powder containing a metal or a metal alloy.
  • the powder of the metal or metal alloy is made of a homogeneous, molten metal or a metal alloy, which is ground after solidification to a predetermined grain size.
  • the tube filled with the powder is drawn to a predetermined diameter, wherein the pulling compresses the powder so that gas filled with the powder is completely removed from the tube.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing a welding wire, which enables the production of particularly strong welded joints by means of build-up welding on a component.
  • Another object of the invention is to provide a corresponding welding wire and a corresponding component.
  • a first aspect of the invention relates to a method for producing a welding wire, comprising at least the steps:
  • the hollow wire is formed of nickel.
  • the advantage here is that by the vacuuming or filling of the cavity with inert gas, the occurrence of any, weld weakening oxidation processes of the welding material when using the welding wire for welding largely prevented or at least greatly reduced.
  • the protective gas or vacuum thus protects the welding material liquefied during welding in other words against oxidation.
  • Particularly suitable shielding gases include, for example, argon (Ar) or helium (He).
  • Ar argon
  • He helium
  • Metallic welding wires of particularly strong materials such as titanium aluminide or the at least one Nickel-base superalloy, whose production by wire drawing or by other forming process difficult or even impossible.
  • Such hard-to-form materials such as titanium aluminide or the at least one nickel-base superalloy can also have low melt weldability, that is not applied or only with great effort by fusion welding during processing of a component and thereby processed.
  • Nickel, especially pure nickel has good melt weldability and is therefore suitable for fusion welding.
  • the weld material includes the at least one nickel-base superalloy and the hollow wire is nickel, especially pure nickel, the weld wire may be used despite the low melt weldability of the at least one nickel-based superalloy for fusion welding, for example, on-job welding.
  • the hollow wire can be formed, for example, from titanium, in particular pure titanium, or from aluminum, in particular pure aluminum. Titanium and aluminum also have good melt weldability, so are melt-weldable.
  • the invention is based on the finding that nickel or titanium or aluminum has a positive influence on process stability in fusion welding, in particular if the hollow wire is formed from nickel or titanium or aluminum, ie the nickel or titanium or aluminum not powdery, but wire (as the hollow wire) are provided.
  • the improved process stability leads, for example, to a lower porosity of a weld formed from the welding wire.
  • coaxial wire feed of the welding wire for example, during build-up welding (wire-overlay welding), has particularly few restrictions on the construction of 3D contours during machining of the component.
  • the inert gas may before, during and additionally or alternatively after the filling of the
  • Welding material are introduced into the cavity.
  • the introduction of the welding material can be carried out, for example, in a protective gas chamber (glove box) or in a vacuum chamber (with a suitable lock system).
  • the filling with protective gas, or the vacuuming prior to filling the welding material is advantageous, since an existing in the cavity oxygen amount is already reduced at the beginning of filling, so that any inclusion of oxygen-containing gas pores in the hollow in the hollow Space filled welding material can be particularly effectively prevented from the beginning.
  • Filling with protective gas, or vacuuming during filling of the welding material is advantageous, as it allows any oxygen contained in the welding material to be filled in to be at least partially displaced from the cavity during filling.
  • the filling with inert gas, or the vacuuming after filling the welding material is advantageous, since this way a residual oxygen amount can be removed from the cavity.
  • the amount of oxygen in the cavity can be kept particularly low overall.
  • the welding wire may be generally used for and used with a high energy beam welding method such as a laser welding method or an electron beam welding method.
  • a high energy beam welding method such as a laser welding method or an electron beam welding method.
  • the welding wire can also be used for further possible welding methods, for example inert gas welding methods or plasma welding methods.
  • the closure of the cavity takes place by at least one, the cavity communicating with the environment opening of the welding wire is closed at least one welding wire end of the welding wire.
  • the environment can be protected and the welding wire is ready for use particularly quickly, especially since unpacking the welding wire from a packaging (for example, the vacuum film) is unnecessary. If necessary, the welding wire can be subsequently cleaned, whereby external contamination can be eliminated.
  • a packaging for example, the vacuum film
  • the opening may be a passage opening, which may extend as the hollow space through the hollow wire or welding wire. If the opening is formed as a passage opening, opposite welding wire ends of the welding wire can be closed in order to prevent penetration of oxygen or moisture at opposite welding wire ends.
  • the at least one end of the welding wire may preferably be under vacuum or under protective gas when closing the opening.
  • the opening can generally be closed by a thermal joining method, for example a welding method, whereby a particularly gas-tight closure of the cavity is made possible.
  • a spot weld may be placed at the weld wire end to close the opening.
  • the hollow wire is provided by a sheet metal element is bent to form the cavity, wherein respective sheet metal element edges of the sheet metal element are arranged adjacent to each other and then connected together.
  • a sheet metal element is bent to form the cavity, wherein respective sheet metal element edges of the sheet metal element are arranged adjacent to each other and then connected together.
  • the sheet metal element edges are connected to each other by a thermal joining process, in particular welding process.
  • a thermal joining process in particular welding process.
  • the thermal joining method may be, for example, a high energy beam welding method such as a laser beam welding method.
  • the sheet metal element is acted upon at least during the thermal joining process by a vacuum atmosphere or by a protective gas atmosphere. This is advantageous since in this way a particularly high connection quality with a low oxygen content can be achieved at a connection region of the sheet-metal element edges.
  • sheet metal element edges can be carried out, for example, in a protective gas chamber or a vacuum chamber.
  • the sheet metal element is formed by forming a hollow cylindrical cross-section to the hollow wire.
  • the sheet metal element is reshaped in such a way that the hollow wire forms the hollow cylinder Cross section has. This is advantageous because, in contrast to a polygonal cross-section, a particularly low-compression rolling of the welding wire produced from the sheet metal element can take place due to the hollow cylindrical cross section.
  • the welding material is in its powdered state when it is filled into the cavity. This is advantageous because this can be done with a particularly low-cost filling of the welding material.
  • the welding material can be present, for example, as a TiAl powder (titanium aluminide powder).
  • the hollow wire made of titanium or aluminum is formed when the welding material includes titanium aluminide.
  • titanium or aluminum can be used as a material for the hollow wire when the welding material includes titanium aluminide.
  • the hollow wire can accordingly be formed completely and therefore exclusively from titanium or aluminum. This is advantageous since titanium and aluminum have a low weight and high strength at the same time.
  • the welding material is formed from titanium aluminide or from the at least one nickel-base superalloy.
  • titanium aluminide or only the at least one nickel-base superalloy can be used exclusively as the welding material.
  • Titanium aluminide and the at least one nickel-base superalloy are distinguished by their particularly low weight and high strength.
  • the welding material comprises Nb and / or Mo, if the welding material includes titanium aluminide.
  • a powder mixture of Ti and Al as well as Nb (niobium) and additionally or alternatively Mo (molybdenum) can be advantageously used as the welding material, which can be produced with little effort and cost.
  • so-called TiAl-TNM can be used as the welding material.
  • an expensive production of pure TiAl powder can be dispensed with and an evaporation of the light aluminum (during the production of the welding wire and in the case of any thermal joining process) can be easily compensated. by a higher proportion of Al powder is used for the production of the welding wire from the one hand.
  • a second aspect of the invention relates to a welding wire for machining a component, in particular for a turbomachine, by means of build-up welding, wherein the welding wire is obtained by a method according to the first aspect of the invention.
  • the machining of the component may, for example, be a component production of the component and / or a component repair of the component.
  • a third aspect of the invention relates to a component, in particular for a turbomachine, comprising at least one component region, which is obtained by build-up welding using at least one welding wire according to the second aspect of the invention.
  • the component area contains at least parts of the welding wire, ie parts of the hollow wire and of the welding material.
  • the component may, for example, be a component of a turbomachine formed at least partially or completely from titanium aluminide.
  • the component can be, for example, a guide ring, a housing part in a compressor or a turbine, an outlet guide wheel, a stator segment or a sealing ring, to name just a few examples.
  • the welding wire for machining the component By using the welding wire for machining the component, at least the component region formed, for example, as a welded seam or spot weld, with a particularly high welding region quality can be formed on the component.
  • the component area has a particularly low content of oxidation components.
  • At least one region of the component that is different from the component region is formed entirely from titanium aluminide or completely from the at least one nickel-base superalloy. This gives the component a particularly high strength and at the same time very low weight.
  • the region other than the component region can be an area adjoining the component region and can be materially bonded to the component region by build-up welding using the welding wire.
  • Fig. 1 is a sectional view of a portion of a welding wire
  • Fig. 2 is a side view of the portion of the welding wire
  • FIG 3 shows a schematic perspective view of a component of a turbomachine, wherein a component region of the component is formed by build-up welding using the welding wire and regions of the component that are different from the component region are formed completely from titanium aluminide.
  • FIG. 1 and FIG. 2 each show method steps for producing a welding wire 10, which is shown only in sections in FIGS. 1 and 2.
  • the hollow wire 12 is provided by bending a sheet metal element 26 formed as a titanium sheet or nickel sheet, ie formed from pure titanium or pure nickel, to form the hollow space 14 until the sheet metal element 26 forms a hollow cylindrical cross section 32 is formed into the hollow wire 12, as shown in Fig. 1.
  • Respective sheet metal element edges 28, 30 of the sheet metal element 26 are arranged adjacent to one another (see FIG. 1) and then connected to one another by a thermal joining process in the form of a welding process to form a weld seam 36.
  • the hollow wire 12 is thus complete in summary and thus formed exclusively of titanium or alternatively exclusively of nickel.
  • the sheet metal element 26 is acted upon by a protective gas atmosphere during the thermal joining process.
  • the sheet metal element 26 is located in a chamber 20, which in the present example is filled with argon and / or helium as protective gas 18 and through which the protective gas atmosphere is created.
  • the chamber 20 can also be vacuumed so that a vacuum atmosphere can be created in the chamber 20.
  • the welding wire 10 is produced by filling in a welding material comprising a mixture of Ti, Al, Nb and Mo or alternatively formed entirely of titanium aluminide or, when the hollow wire 12 is made of pure nickel, alternatively of at least one nickel-base superalloy 16 via a presently designed as a passage opening opening 22 into the cavity 14, wherein the cavity 14 before, during and after the filling of the welding material with the protective gas 18 is filled.
  • the welding material 16 is present when it is filled into the cavity 14 in a powdered state. In other words, when it is filled in, the welding material 16 is present in the cavity 14 as a TiAl powder or as a nickel-base superalloy powder.
  • Both the inert gas atmosphere filling the cavity 14 with the protective gas 18 and the vacuum atmosphere cause an oxygen content within the cavity 14 to be kept at a reduced level before, during and after the filling in, compared to the ambient air. This can cause unwanted oxidation processes in a late- Use of the welding wire 10 for a build-up welding are at least largely suppressed.
  • a closure of the cavity 14 whereby a fluid flow between the cavity 14 and an environment of the welding wire 10 is prevented.
  • the inert gas atmosphere can be released and thus an exposure to the protective gas 18 can be terminated.
  • the closing of the cavity 14 is carried out by respective, the cavity 14 connecting to the environment, each other at respective welding wire ends of the welding wire 10 openings are closed, in Fig. 2 by way of example only one of the openings, namely an opening 22 of the welding wire 10 at a the Sch Strukturdrahten-, namely at a welding wire end 24 of the welding wire 10 is shown.
  • the opening 22 is closed at the, for example, folded welding wire end 24 by a spot weld 34.
  • the welding wire 10 produced by the method described can be used for machining a component 50, for example a turbomachine, by means of build-up welding.
  • the machining may be a manufacture or a repair of the component 50.
  • FIG. 3 shows the component 50 for the turbomachine not shown here.
  • the component 50 is designed in the present variant as a blade.
  • the component 50 comprises a component region 52 in the form of a weld, which is obtained by build-up welding using the welding wire 10.
  • Respective regions 54, 56 of the component 50 which are different from the component region 52 are formed here from the titanium aluminide Ti-48Al-2Cr-2Nb.
  • the regions 54, 56 each represent partial segments (here: blade segments) of the component 50, which are connected to one another in a material-locking manner via the component region 52 by build-up welding using the welding wire 10.
  • the region 56 can be connected to the region 54 as part of a repair through the weld seam (component region 52).
  • the regions 54, 56 may be expedient to apply the regions 54, 56 at least to a common connection zone which the connection of the regions 54, 56 should take place via the component region 52, for example to preheat to a temperature of 750-800 ° C.
  • the welding wire 10 which can also be referred to as flux-cored wire, offers the advantage that a chemical composition of the welding material 16 (here: TiAl powder) can be selected such that the component region 52 formed by build-up welding meets a nominal value of a corresponding chemical composition the respective regions 54, 56, which are likewise formed of TiAl, may correspond.
  • a wall thickness of the hollow wire 12 and thus a proportion of pure titanium on the component region 52 (here: weld seam of the component 50) can be taken into account.
  • a melt formed from the hollow wire 12 and the welding material 16 may also correspond to the composition of the respective regions 54, 56, so that the melt may accordingly have the composition Ti-48Al-2Cr-2Nb. This results in the connection of the regions 54, 56 with the component region 52 a particularly homogeneous and loadable material structure.
  • the welding wire 10 flux-cored wire
  • any moisture absorption exit of moisture into the cavity 14
  • contamination of the welding material 16 or the component region 52 can be effectively prevented.
  • the method described enables a reproducible production of the welding wire 10, whereby reproducible welding properties can be achieved with high welding quality.
  • the described method makes it possible to provide particularly brittle titanium aluminide (TiAl) in the cavity 14 of the welding wire 10 as a welding filler.
  • the welding wire 10 can also be used generally for the generative production of the component 50, in other words for the layered construction of the component 50, which is not shown here, however. Furthermore, the production of hybrid TiAl components by build-up welding using the welding wire 10 is possible.
  • the invention is based on the general knowledge that welding wires formed from titanium aluminide or from the at least one nickel-base superalloy do not form part of a conventional tional drawing process can be produced, especially since titanium aluminide or nickel-based superalloys are too brittle for such drawing processes.
  • Another advantage is that the welding wire 10 before the welding process
  • the preheated weld wire 10 welding process may also be referred to as hot wire welding.
  • a power of a welding power source used for the welding process can be reduced.
  • the hot-wire welding can be carried out under particularly low heat input into the component 50 and does not lead, or only to a slight extent, to a thermal distortion of the component 50.
  • the present method describes the manufacture of the welding wire 10 which can be used as filler wire in build-up welding (wire-hard welding), wherein the hollow wire 12 can form a cylindrical shell of pure titanium or pure nickel with a predetermined wall thickness w (see Fig. 1) and wherein the welding material 16 may be formed from pure, powdered TiAl (TiAl powder) or from the at least one, pure, powdery nickel-base superalloy.
  • TiAl powder powdered TiAl
  • the powdered TiAl or the at least one powdered nickel-base superalloy can also be referred to as powder or powder mixture in a simplified manner below.
  • the welding material 16 can be present, for example, as a powder mixture whose chemical composition is calculated on the assumption that the wall thickness w of the hollow wire 12, which is also referred to below as the sheath, is made of pure titanium or pure nickel be as exemplified below.
  • Respective weight proportions of the welding wire 10 may be identical to the weight proportions of the welding material 16, hereinafter also referred to as the base material G.
  • Respective dimensions of the hollow wire 12 in FIG. 1 are defined as follows: d: diameter of the hollow wire 12 (see FIG. 1) w: wall thickness of the hollow wire 12 (see Fig. 1)
  • the chemical composition of the powdery welding material 16 can be calculated under the above assumption (shell of pure titanium or pure aluminum or of pure nickel) with the aid of FIG. 1, wherein the welding material 16 (base material) are also referred to below as material G. can:
  • the filler wire has a total of the weight fractions g of the material G (welding material 16, titanium aluminide or nickel-based superalloy). This results in n linear equations (7) and (8), with which the nominal weight proportions g 'of all n elements of the welding wire 10 can be easily calculated.
  • the chemical composition of the welding material 16, which corresponds to a filling of the welding wire 10, can be adjusted such that the additively structured component region 52 has a chemical composition which corresponds to the chemical composition of the titanium aluminide or the weld metal chemical composition of the at least one nickel-base superalloy.
  • process-related evaporation of aluminum components in the welding process can be taken into account and kept in advance.
  • the hollow wire 12 can be filled as required with titanium aluminide or with the at least one nickel-base superalloy, for example in the form of one or more nickel-based cast materials.
  • the hollow wire 12 (outer sheath of the welding wire 10) is formed of pure nickel, while the welding material 16 (filling) is adjusted so that the entire welding wire 10 of the composition of the nickel-base superalloy (or nickel-base casting alloy) equivalent.
  • the evaporation of light alloying elements can also be compensated for here by the weight fraction of these light alloying elements in the welding wire 10 is increased from the outset, as already described in the process-related evaporation of the above-mentioned aluminum content.
  • the abovementioned nickel-base cast materials can be used in particular as blade materials in the field of an aircraft engine turbine and stationary gas turbines.
  • Typical representatives of the nickel-base cast materials are polycrystalline materials, such as For example, ENCONEL 100, INCONEL 713 or MAR-M 247 and monocrystalline materials, such as Rene N5, PW1484 or LEK94 dar.
  • These polycrystalline or einkristalli- nen materials are particularly suitable as welding material 16 of the welding wire 10th
  • the component 50 and, additionally or alternatively, the welding wire 10 can be locally heated to a temperature of, for example, more than 1000 ° C.
  • a temperature of, for example, more than 1000 ° C Such local heating of the welding wire 10 almost to its melting temperature may also be referred to as hot wire welding (hot wire deposition welding).
  • hot wire welding hot wire deposition welding
  • the possibility of such preheating to avoid cracking represents a particular advantage of the welding wire 10 over a purely powdered welding filler.
  • the welding of the welding material 16 can be carried out under the protective gas atmosphere (atmosphere formed by the protective gas 18).
  • the weld wire ends can be closed by the respective weld point 34.
  • the welding wire 10 filled with the nickel-base superalloy as the welding material 16 is particularly suitable for repairing damaged components, as explained with reference to the component 50. Independently of this, the welding method using the welding wire 10 can also be used for the production of welded constructions.
  • the welding wire 10 can also be used as an additional material for the connection welding of identical or hybrid welded structures. List of reference numbers:

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schweißdrahtes (10), umfassend zumindest die Schritte: - Bereitstellen eines Hohldrahtes (12), durch welchen sich zumindest bereichsweise wenigstens ein Hohlraum (14) erstreckt; - Herstellen des Schweißdrahtes (10), durch Einfullen eines Titanaluminid oder wenigstens eine Nickelbasis-Superlegierung beinhaltenden Schweißwerkstoffes (16) in den wenigstens einen Hohlraum (14), wobei der wenigstens eine Hohlraum (14) vor, während und/oder nach dem Einfullen des Schweißwerkstoffes vakuumiert wird oder mit Schutzgas (18) befullt wird und wobei dann, wenn der Schweißwerkstoff (16) die wenigstens eine Nickelbasis-Superlegierung beinhaltet, der Hohldraht (12) aus Nickel gebildet ist. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen einen Schweißdraht (10) sowie ein Bauteil (50) mit wenigstens einem Bauteilbereich (52), welcher durch Auftragsschweißen unter Verwendung wenigstens eines solchen Schweißdrahtes (10) erhalten ist.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Schweißdrahtes, Schweißdraht zur Bearbeitung eines Bauteils und Bauteil
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schweißdrahtes. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen einen Schweißdraht zur Bearbeitung eines Bauteils sowie ein Bauteil.
Aus der EP 0 227 634 Al ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schweißzusatzwerkstoffs in Form eines Schweißdrahtes bekannt. Hierbei wird eine, auf einer Haspel aufgewickelte Umhül- lung mit einem Metallpulver gefüllt, worauf die mit dem Metallpulver gefüllte Umhüllung durch Ziehen im Querschnitt reduziert wird, wodurch im Inneren der Umhüllung vorhandene Luft ent- weichen kann. Das Metallpulver kann beispielsweise aus Legierungen wie Nickel- oder Kobalt- Basis-Legierungen gebildet sein. Das Rohr kann beispielsweise aus Eisen, Kobalt und/oder Ni- ckel aufgebaut sein.
Die US 2007/0193228 Al beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines geschweißten Metall- rohres, welches Füllelemente enthält. Hierbei wird ein langes schmales Metallblech mit zwei Längskanten bereitgestellt und zumindest ein Teil des Metallblechs in Form einer Rinne herge- stellt, indem eine der Längskanten nahe an die andere Längskante gebracht wird. Die Füllelemen te werden anschließend in die Rinne eingebracht und das Metallblech anschließend in Form eines Rohres hergestellt, indem die beiden Längskanten näher aneinander herangeführt werden bis die Längskanten in Kontakt stehen.
Aus der EP 2 913 141 Al ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metallkem-Schweißdrahtes bekannt. Hierbei wird ein nahtloses Rohr aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet und dieses Rohr mit einem Pulver gefüllt, welches ein Metall oder eine Metalllegierung enthält. Das Pulver aus dem Metall oder der Metalllegierung wird aus einem homogenen, geschmolzenen Metall oder einer Metalllegierung hergestellt, die nach erfolgtem Erstarren auf eine vorbestimmte Korngröße gemahlen wird. Das mit dem Pulver gefüllte Rohr wird auf einen vorbestimmten Durchmesser gezogen, wobei durch das Ziehen das Pulver derart komprimiert wird, dass zusammen mit dem Pulver eingefülltes Gas vollständig aus dem Rohr entfernt wird.
Bestätigungskopie Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Schweißdrahtes, welcher die Herstellung besonders belastbarer Schweißverbindungen mittels Auftragsschweißen an einem Bauteil ermöglicht, zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ei- nen entsprechenden Schweißdraht sowie ein entsprechendes Bauteil bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden erfmdungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentan- spruchs 1, durch einen Schweißdraht mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angege- ben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltun- gen der jeweils anderen Erfmdungsaspekte anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schweißdrahtes, um- fassend zumindest die Schritte:
- Bereitstellen eines Hohldrahtes, durch welchen sich zumindest bereichsweise wenigstens ein Hohlraum erstreckt;
- Herstellen des Schweißdrahtes, durch Einfullen eines Titanaluminid oder wenigstens eine Nickelbasis-Superlegierung beinhaltenden Schweißwerkstoffes in den wenigstens einen Hohlraum, wobei der wenigstens eine Hohlraum vor, während und/oder nach dem Einfül- len des Schweißwerkstoffes vakuumiert wird oder mit Schutzgas befüllt wird und wobei dann, wenn der Schweißwerkstoff die wenigstens eine Nickelbasis-Superlegierung bein- haltet, der Hohldraht aus Nickel gebildet ist.
Von Vorteil ist hierbei, dass durch das Vakuumieren oder Befüllen des Hohlraums mit Schutzgas das Auftreten etwaiger, schweißnahtschwächender Oxidationsprozesse des Schweißwerkstoffs bei Verwendung des Schweißdrahtes zum Schweißen weitgehend unterbunden oder zumindest stark vermindert werden kann. Das Schutzgas bzw. Vakuum schützt den beim Schweißen ver- flüssigten Schweißwerkstoff also mit anderen Worte vor Oxidation. Zu den besonders geeigneten Schutzgasen zählen beispielsweise Argon (Ar) oder Helium (He). Insgesamt kann durch das Schutzgas bzw. Vakuum eine Kontamination des Schweißwerkstoffes mit Sauerstoff wirksam unterbunden oder zumindest verringert werden. Durch das Verfahren können metallische Schweißdrähte aus besonders festen Werkstoffen, wie Titanaluminid oder der wenigstens einen Nickelbasis-Superlegierung, hergestellt werden, deren Herstellung durch Drahtziehen oder durch ein anderes Umformverfahren Schwierigkeiten bereiten oder sogar unmöglich sein kann. Derart schwer umformbare Werkstoffe, wie Titanaluminid oder die wenigstens eine Nickelbasis- Superlegierung können auch eine geringe Schmelzschweißeignung aufweisen, also nicht oder nur mit großem Aufwand durch Schmelzschweißen bei einer Bearbeitung eines Bauteils aufgetragen und dadurch verarbeitet werden. Nickel, insbesondere reines Nickel, weist eine gute Schmelzschweißeignung auf, ist also schmelzschweißgeeignet. So kann der Schweißdraht, wenn der Schweißwerkstoff die wenigstens eine Nickelbasis-Superlegierung beinhaltet, und der Hohldraht aus Nickel, insbesondere reinem Nickel, gebildet ist, trotz der geringen Schmelzschweißeignung der wenigstens einen Nickelbasis-Superlegierung zum Schmelzschweißen, beispielsweise Auf- tragsschweißen, verwendet werden. Wenn der Schweißwerkstoff (statt der wenigstens einen Ni- ckelbasis- Superlegierung) Titanaluminid beinhaltet, so kann der Hohldraht beispielsweise aus Titan, insbesondere reinem Titan, oder aus Aluminium, insbesondere reinem Aluminium, gebildet sein. Titan und Aluminium weisen ebenfalls eine gute Schmelzschweißeignung auf, sind also schmelzschweißgeeignet. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Nickel bzw. Titan oder Aluminium einen positiven Einfluss auf eine Prozessstabilität beim Schmelzschweißen ha- ben, insbesondere wenn der Hohldraht aus Nickel bzw. Titan oder Aluminium gebildet ist, also das Nickel bzw. das Titan oder das Aluminium nicht pulverformig, sondern drahtförmig (als der Hohldraht) bereitgestellt werden. Die verbesserte Prozessstabilität fuhrt beispielsweise zu einer geringeren Porosität einer aus dem Schweißdraht gebildeten Schweißnaht. So bestehen durch ei- ne koaxiale Drahtzufuhr des Schweißdrahtes, beispielsweise beim Auftragsschweißen (Draht- Auftragsschweißen), besonders wenige Einschränkungen zum Aufbau von 3D-Konturen bei der Bearbeitung des Bauteils.
Das Schutzgas kann vor, während und zusätzlich oder alternativ nach dem Einfullen des
Schweißwerkstoffes in den Hohlraum eingefiihrt werden. Um dies zu ermöglichen, kann das Ein- fiillen des Schweißwerkstoffes beispielsweise in einer Schutzgaskammer (Glove Box) bzw. in einer Vakuumkammer (mit einem geeigneten Schleusensystem) durchgeführt werden.
Das Befüllen mit Schutzgas, bzw. das Vakuumieren vor dem Einfüllen des Schweißwerkstoffs ist von Vorteil, da eine im Hohlraum vorhandene Sauerstoffinenge bereits bei Beginn des Einfül- lens reduziert ist, sodass ein etwaiges Einschließen sauerstoffhaltiger Gasporen im in den Hohl- raum eingefüllten Schweißwerkstoff von Anfang an besonders wirksam unterbunden werden kann.
Das Befüllen mit Schutzgas, bzw. das Vakuumieren während des Einfüllens des Schweißwerk- stoffs ist von Vorteil, da hierdurch etwaiger, in dem einzufüllenden Schweißwerkstoff enthalte- ner Sauerstoff beim Einfüllen zumindest teilweise aus dem Hohlraum verdrängt werden kann.
Das Befüllen mit Schutzgas, bzw. das Vakuumieren nach dem Einfüllen des Schweißwerkstoffs ist von Vorteil, da hierdurch eine Restsauerstoffinenge aus dem Hohlraum entfernt werden kann.
Wird der Hohlraum vor, während und zusätzlich nach dem Einfüllen des Schweißwerkstoffes vakuumiert bzw. mit Schutzgas beaufschlagt, so kann die Sauerstoffinenge im Hohlraum insge- samt besonders gering gehalten werden.
Der Schweißdraht kann allgemein für ein Hochenergiestrahl-Schweißverfahren beispielsweise ein Laser-Schweißverfahren oder ein Elektronenstrahl-Schweißverfahren, eingesetzt und damit verwendet werden. Der Schweißdraht kann neben den genannten Hochenergiestrahl- Schweißverfahren auch für weitere mögliche Schweißverfahren, beispielsweise Schutzgas- schweißverfahren oder Plasmaschweißverfahren, eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt ein weiterer Schritt:
- Verschließen des Hohlraums nach dem Einfüllen des Schweiß Werkstoffes in den Hohl- raum, wodurch ein Fluidstrom zwischen dem Hohlraum und einer Umgebung des Schweißdrahtes unterbunden wird.
Dies ist von Vorteil, da durch das Verschließen des Hohlraums nicht nur ein Diffundieren des Fluidstroms von Sauerstoff bzw. Luft in den Hohlraum und damit in den Schweißwerkstoff un- terbunden, sondern auch in besonders vorteilhafter Weise ein etwaiges Eindringen von Feuchtig- keit (Fluidstrom von Wasser) in den Hohlraum vermieden werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Verschließen des Hohlraums, indem wenigstens eine, den Hohlraum mit der Umgebung verbindende Öffnung des Schweißdrahtes an zumindest einem Schweißdrahtende des Schweißdrahtes verschlossen wird. Dies ist von Vorteil, da durch das Verschließen der Öffnung an dem Schweißdrahtende ein Ein- dringen von Sauerstoff bzw. Feuchtigkeit auch ohne separate Verschlussmittel, beispielsweise eine Vakuumfolie, in welche der Schweißdraht unter Vakuum (vakuumiert) eingeschweißt wer- den kann, vermieden werden kann. Der Schweißdraht kann dementsprechend auch unverpackt transportiert werden, ohne dass Sauerstoff bzw. Feuchtigkeit in den Hohlraum eindringt.
Dadurch kann die Umwelt geschont werden und der Schweißdraht ist besonders schnell einsatz- bereit, zumal ein Auspacken des Schweißdrahtes aus einer Verpackung (beispielsweise der Va- kuumfolie) unnötig ist. Der Schweißdraht kann gegebenenfalls bedarfsgerecht nachträglich gereinigt werden, wobei äußere Verunreinigungen beseitigt werden können.
Bei der Öffnung kann es sich um eine Durchgangsöffnung handeln, welche sich als der Hohl- raum durch den Hohldraht bzw. Schweißdraht erstrecken kann. Sofern die Öffnung als Durch- gangsöffnung ausgebildet ist, können einander gegenüberliegende Schweißdrahtenden des Schweißdrahtes verschlossen werden, um ein Eindringen von Sauerstoff bzw. Feuchtigkeit an ei- nander gegenüberliegenden Schweißdrahtenden zu vermeiden.
Bevorzugt kann das zumindest eine Schweißdrahtende beim Verschließen der Öffnung unter ei- ner Vakuumbeaufschlagung oder unter Schutzgasbeaufschlagung stehen. Dadurch kann bis zum Verschließen ein Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit in den Hohlraum wirksam unter- bunden werden. Die Öffnung kann allgemein durch ein thermisches Fügeverfahren, beispielswei- se ein Schweißverfahren verschlossen werden, wodurch ein besonders gasdichtes Verschließen des Hohlraums ermöglicht ist. So kann beispielsweise ein Schweißpunkt am Schweißdrahtende gesetzt werden, um die Öffnung zu verschließen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Hohldraht bereitgestellt, indem ein Blechelement unter Ausbildung des Hohlraums gebogen wird, wobei jeweilige Blechelementkanten des Blechelements aneinander angrenzend angeordnet und anschließend miteinander verbunden werden. Dadurch besteht eine besonders hohe Gestaltungsfreiheit bei der Verformung des Blechelements zu dem Hohldraht. Durch dieses Vorgehen kann der Hohldraht auf besonders günstige Weise aus dem Blechelement gebildet werden. Das Blechelement kann als Bandmaterial bereitgestellt werden, welches gebogen werden kann, um beispielsweise eine Hohlzylinderform zu erhalten.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Blechelementkanten durch ein thermisches Fügeverfahren, insbesondere Schweißverfahren, miteinander verbunden. Dies ist von Vorteil, da hierdurch der Hohldraht als nahtloser Hohldraht ausgebildet und ein ge- meinsamer Verbindungsbereich der Blechelementkanten besonders gasdicht verschlossen werden kann. Ein Eindringen von Sauerstoff bzw. Feuchtigkeit an den Blechelementkanten wird dadurch wirksam vermieden. Bei dem thermischen Fügeverfahren kann es sich beispielsweise um ein Hochenergiestrahl-Schweißverfahren, wie beispielsweise ein Laserstrahl-Schweißverfahren, handeln. Durch ein Ausbilden als nahtloser Hohldraht mittels Verbinden der Blechelementkanten durch das thermische Fügeverfahrens ist gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Falz- erfahren, bei welchen gefalzte Hohldrähte hergestellt werden, eine insgesamt besonders gasdichte Verbindung der Blechelementkanten ermöglicht.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Blechelement zumindest während des thermischen Fügeverfahrens durch eine Vakuumatmosphäre oder durch eine Schutzgasatmosphäre beaufschlagt. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders hohe Ver- bindungsgüte mit geringem Sauerstoffgehalt an einem Verbindungsbereich der Blechelementkan- ten erzielt werden kann.
Bei dem thermischen Fügeverfahren kann beispielsweise ein Nahtschweißen der Blechelement- kanten durch einen Hochenergiestrahl (beispielsweise Laserstrahl) erfolgen, wobei durch die Schutzgasatmosphäre eine lokale Schutzgasabschirmung der miteinander zu verbindenden Blechelementkanten durch Beaufschlagung mit Argon oder Helium bzw. durch die Vakuumat- mosphäre ein Vakuumieren der Blechelementkanten erfolgen kann. Das Verbinden der
Blechelementkanten kann dementsprechend beispielsweise in einer Schutzgaskammer oder einer Vakuumkammer durchgefiihrt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Blechelement unter Aus- bildung eines hohlzylinderformigen Querschnitts zu dem Hohldraht umgeformt. Mit anderen Worten wird das Blechelement derart umgeformt, dass der Hohldraht den hohlzylinderformigen Querschnitt aufweist. Dies ist von Vorteil, da durch den hohlzylinderförmigen Querschnitt im Gegensatz zu einem vieleckigen Querschnitt ein besonders stauchungsarmes Aufrollen des aus dem Blechelement hergestellten Schweißdrahtes erfolgen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt der Schweißwerkstoff bei des- sen Einfullen in den Hohlraum in einem pulverförmigem Zustand vor. Dies ist von Vorteil, da hierdurch ein besonders aufwandsarmes Einfüllen des Schweißwerkstoffes erfolgen kann. Der Schweißwerkstoff kann beim Einfullen beispielsweise als TiAl-Pulver (Titanaluminid-Pulver) vorliegen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Hohldraht aus Titan oder aus Aluminium gebildet, wenn der Schweißwerkstoff Titanaluminid beinhaltet. Mit anderen Worten kann also Titan oder Aluminium als Werkstoff für den Hohldraht verwendet werden, wenn der Schweißwerkstoff Titanaluminid beinhaltet. Der Hohldraht kann dementsprechend vollständig und damit ausschließlich aus Titan oder Aluminium gebildet sein. Dies ist von Vorteil, da Titan sowie Aluminium ein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Schweißwerkstoff aus Ti- tanaluminid oder aus der wenigstens einen Nickelbasis-Superlegierung gebildet. Mit anderen Worten kann also ausschließlich Titanaluminid oder ausschließlich die wenigstens eine Nickelbasis-Superlegierung als der Schweißwerkstoff verwendet werden. Titanaluminid sowie die we- nigstens eine Nickelbasis-Superlegierung zeichnen sich durch ein besonders geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit aus.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der Schweiß Werkstoff Nb und/oder Mo, wenn der Schweißwerkstoff Titanaluminid beinhaltet. Anstatt reinen Titanalumi- nids kann somit in vorteilhafter Weise ein Pulvergemisch aus Ti und Al sowie Nb (Niob) und zu- sätzlich oder alternativ Mo (Molybdän) als der Schweißwerkstoff verwendet werden, welches aufwandsarm und kostengünstig hergestellt werden kann. Dabei kann sogenanntes TiAl-TNM als der Schweißwerkstoff verwendet werden. Dadurch kann eine aufwändige Herstellung von reinem TiAl-Pulver entfallen und ein Abdampfen des leichten Aluminiums (bei der Herstellung des Schweißdrahtes sowie bei etwaigen, thermischen Füge verfahren) einfach kompensiert werden, indem von vomeherein ein höherer Anteil an Al-Pulver zur Herstellung des Schweißdrahtes verwendet wird.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Schweißdraht zur Bearbeitung eines Bauteils, insbesondere für eine Strömungsmaschine, mittels Auftragsschweißen, wobei der Schweißdraht durch ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erhalten ist. Bei der Bearbeitung des Bauteils kann es sich beispielsweise um eine Bauteilherstellung des Bauteils und/oder um ei- ne Bauteilreparatur des Bauteils handeln. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vor- teile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts (erster Aspekt der Erfindung) zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts (zweiter Aspekt der Erfindung) und umgekehrt anzusehen sind.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere für eine Strömungsmaschine, umfassend wenigstens einen Bauteilbereich, welcher durch Auftragsschweißen unter Verwen- dung wenigstens eines Schweißdrahtes gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erhalten ist. Dadurch enthält der Bauteilbereich zumindest Teile des Schweißdrahtes, also Teile des Hohl- drahtes und des Schweißwerkstoffes. Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um ein zumin- dest bereichsweise oder vollständig aus Titanaluminid gebildetes Bauteil einer Strömungsma- schine handeln. Das Bauteil kann beispielsweise ein Leitkranz, ein Gehäuseteil in einem Ver- dichter oder einer Turbine, ein Austrittsleitrad ein Statorsegment oder ein Dichtungsring sein, um nur einige Beispiele zu nennen. Durch die Verwendung des Schweißdrahtes zur Bearbeitung des Bauteils kann wenigstens der, beispielsweise als Schweißnaht oder Schweißpunkt ausgebildete, Bauteilbereich mit besonders hoher Schweißbereichsgüte am Bauteil gebildet werden. Durch die Verwendung des Schweißdrahtes gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist der Bauteilbe- reich einen besonders geringen Anteil an Oxidationsbestandteilen auf.
Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und des zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts (dritter Aspekt der Erfindung) und umgekehrt anzusehen sind. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein, von dem Bauteilbereich verschiedener Bereich des Bauteils vollständig aus Titanaluminid oder vollständig aus der we- nigstens einen Nickelbasis-Superlegierung gebildet. Dies verleiht dem Bauteil eine besonders hohe Festigkeit bei gleichzeitig besonders geringem Gewicht. Bei dem von dem Bauteilbereich verschiedenen Bereich kann es sich um einen, an den Bauteilbereich angrenzenden Bereich handeln, welcher durch Auftragsschweißen unter Verwendung des Schweißdrahtes stoffschlüssig mit dem Bauteilbereich verbunden sein kann.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figu- renbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskom- binationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figu- ren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils ange- gebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch se- parierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die so- mit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Teilbereichs eines Schweißdrahtes;
Fig. 2 eine Seitenansicht des Teilbereichs des Schweißdrahtes; und
Fig. 3 eine schematische Perspektivansicht auf ein Bauteil einer Strömungsmaschine, wobei ein Bauteilbereich des Bauteils durch Auftragsschweißen unter Verwendung des Schweiß- drahtes gebildet ist und von dem Bauteilbereich verschiedene Bereiche des Bauteils voll- ständig aus Titanaluminid gebildet sind.
FIG. 1 und FIG. 2 zeigen jeweils Verfahrensschritte zur Herstellung eines Schweißdrahtes 10, welcher in Fig. 1 und Fig. 2 jeweils nur abschnittsweise gezeigt ist. Zur Herstellung des Schweißdrahtes 10 erfolgt zunächst ein Bereitstellen eines Hohldrahtes 12, durch welchen sich ein Hohlraum 14 erstreckt. Der Hohldraht 12 wird bereitgestellt, indem ein als Titan-Blech oder Nickel-Blech ausgebildetes, also aus reinem Titan oder reinem Nickel ge- bildetes, Blechelement 26 unter Ausbildung des Hohlraums 14 gebogen wird, bis das Blechele- ment 26 unter Ausbildung eines hohlzylinderformigen Querschnitts 32 zu dem Hohldraht 12 um- geformt ist, wie in Fig. 1 dargestellt. Jeweilige Blechelementkanten 28, 30 des Blechelements 26 werden dabei aneinander angrenzend angeordnet (siehe Fig. 1) und anschließend durch ein ther- misches Fügeverfahren in Form eines Schweißverfahrens unter Ausbildung einer Schweißnaht 36 miteinander verbunden. Der Hohldraht 12 ist also zusammenfassend vollständig und damit ausschließlich aus Titan oder alternativ dazu ausschließlich aus Nickel gebildet.
Das Blechelement 26 wird während des thermischen Füge Verfahrens durch eine Schutzgasat- mosphäre beaufschlagt. Hierzu befindet sich das Blechelement 26 in einer Kammer 20, welche im vorliegenden Beispiel mit Argon und/oder Helium als Schutzgas 18 befullt ist und durch wel- ches die Schutzgasatmosphäre geschaffen ist. Alternativ dazu kann die Kammer 20 auch vakuu- miert werden, sodass in der Kammer 20 eine Vakuumatmosphäre geschaffen werden kann.
Das Herstellen des Schweißdrahtes 10 erfolgt durch Einfullen eines, ein Gemisch aus Ti, Al, Nb und Mo umfassenden oder alternativ vollständig aus Titanaluminid gebildeten oder, bei Ausge- staltung des Hohldrahtes 12 aus reinem Nickel, alternativ dazu aus wenigstens einer Nickelbasis- Superlegierung gebildeten Schweißwerkstoffes 16 über eine vorliegend als Durchgangsöffhung ausgebildete Öffnung 22 in den Hohlraum 14, wobei der Hohlraum 14 vor, während und nach dem Einfullen des Schweißwerkstoffes mit dem Schutzgas 18 befullt wird. Der Schweißwerk- stoff 16 liegt bei dessen Einfullen in den Hohlraum 14 in einem pulverförmigem Zustand vor. Mit anderen Worten liegt der Schweißwerkstoff 16 bei dessen Einfullen in den Hohlraum 14 als TiAl-Pulver bzw. als Nickelbasis-Superlegierung-Pulver vor.
Sowohl die Schutzgasatmosphäre, welche den Hohlraum 14 mit dem Schutzgas 18 befullt, als auch die Vakuumatmosphäre bewirkt, dass ein Sauerstoffanteil innerhalb des Hohlraums 14 vor, während sowie nach dem Einfullen auf einem, im Vergleich zur Umgebungsluft, reduzierten Ni- veau gehalten werden kann. Dadurch können unerwünschte Oxidationsprozesse bei einem späte- ren Verwenden des Schweißdrahtes 10 für ein Auftragsschweißen zumindest weitgehend unter- bunden werden.
Nach dem Einfüllen des Schweißwerkstoffes 16 in den Hohlraum 14 erfolgt ein Verschließen des Hohlraums 14, wodurch ein Fluidstrom zwischen dem Hohlraum 14 und einer Umgebung des Schweißdrahtes 10 unterbunden wird. Spätestens nach dem Verschließen des Hohlraums kann die Schutzgasatmosphäre aufgehoben und damit ein Beaufschlagen mit dem Schutzgas 18 been- det werden. Das Verschließen des Hohlraums 14 erfolgt, indem jeweilige, den Hohlraum 14 mit der Umgebung verbindende, einander an jeweiligen Schweißdrahtenden des Schweißdrahtes 10 gegenüberliegende Öffnungen verschlossen werden, wobei in Fig. 2 exemplarisch lediglich eine der Öffnungen, nämlich eine Öffnung 22 des Schweißdrahtes 10 an einem der Schweißdrahten- den, nämlich an einem Schweißdrahtende 24 des Schweißdrahtes 10 gezeigt ist. In der vorliegen- den Variante wird die Öffnung 22 an dem beispielsweise gefalzten Schweißdrahtende 24 durch einen Schweißpunkt 34 verschlossen.
Der durch das beschriebene Verfahren hergestellte Schweißdraht 10 kann zur Bearbeitung eines Bauteils 50, beispielsweise einer Strömungsmaschine, mittels Auftragsschweißen verwendet werden. Bei der Bearbeitung kann es sich um eine Herstellung oder eine Reparatur des Bauteils 50 handeln.
FIG. 3 zeigt das Bauteil 50 für die vorliegend nicht weiter dargestellte Strömungsmaschine. Das Bauteil 50 ist in der vorliegenden Variante als Schaufel ausgestaltet. Das Bauteil 50 umfasst ei- nen Bauteilbereich 52 in Form einer Schweißnaht, welche durch Auftragsschweißen unter Ver- wendung des Schweißdrahtes 10 erhalten ist. Jeweilige, von dem Bauteilbereich 52 verschiedene Bereiche 54, 56 des Bauteils 50 sind vorliegend aus dem Titanaluminid Ti-48Al-2Cr-2Nb gebil- det. Die Bereiche 54, 56 stellen jeweils Teilsegmente (hier: Schaufelsegmente) des Bauteils 50 dar, welche stoffschlüssig über den Bauteilbereich 52 durch Auftragsschweißen unter Verwen- dung des Schweißdrahtes 10 miteinander verbunden sind. So kann beispielsweise der Bereich 56 im Rahmen einer Reparatur durch die Schweißnaht (Bauteilbereich 52) mit dem Bereich 54 ver- bunden werden. Um eine etwaige Rissbildung infolge des Auftragsschweißens zu vermeiden, kann es sinnvoll sein die Bereiche 54, 56 zumindest an einer gemeinsamen Verbindungszone, an welcher die Verbindung der Bereiche 54, 56 über den Bauteilbereich 52 erfolgen soll, beispiels- weise auf eine Temperatur von 750-800 °C vorzuwärmen.
Der Schweißdraht 10, welcher auch als Fülldraht bezeichnet werden kann, bietet den Vorteil, dass eine chemische Zusammensetzung des Schweißwerkstoffs 16 (hier: TiAl-Pulver) so gewählt werden kann, dass der durch Auftragsschweißen gebildete Bauteilbereich 52 einem Sollwert ei- ner entsprechenden chemischen Zusammensetzung der jeweiligen Bereiche 54, 56, welche eben- falls aus TiAl gebildet sind, entsprechen kann. Hierbei kann eine Wandstärke des Hohldrahtes 12 und damit ein Anteil an reinem Titan an dem Bauteilbereich 52 (hier: Schweißnaht des Bauteils 50) berücksichtigt werden. Beim Auftragsschweißen unter Verwendung des Schweißdrahtes 10 kann eine aus dem Hohldraht 12 und dem Schweißwerkstoff 16 gebildete Schmelze ebenfalls der Zusammensetzung der jeweiligen Bereiche 54, 56 entsprechen, sodass die Schmelze dementspre- chend die Zusammensetzung Ti-48Al-2Cr-2Nb aufweisen kann. Dadurch entsteht bei der Ver- bindung der Bereiche 54, 56 mit dem Bauteilbereich 52 ein besonders homogenes und belastba- res Werkstoffgefüge.
Durch die Verwendung des Schweißdrahtes 10 (Fülldraht) beim Auftragsschweißen mittels Hochenergiestrahl (Laserstrahl bzw. Elektronenstrahl) können sowohl eine etwaige Feuchtig- keitsaufnahme (Eintritt von Feuchtigkeit in den Hohlraum 14) als auch Verunreinigungen des Schweißwerkstoffs 16 bzw. des Bauteilbereichs 52 wirksam verhindert werden. Das beschriebe- ne Verfahren ermöglicht eine reproduzierbare Herstellung des Schweißdrahtes 10, wodurch re- produzierbare Schweißeigenschaften bei hoher Schweißqualität erzielt werden können. Das be- schriebene Verfahren ermöglicht es, besonders sprödes Titanaluminid (TiAl) im Hohlraum 14 des Schweißdrahtes 10 als Schweißzusatz bereitzustellen.
Der Schweißdraht 10 kann auch allgemein zur generativen Herstellung des Bauteils 50, also mit anderen Worten zum schichtweisen Aufbau des Bauteils 50 verwendet werden, was vorliegend jedoch nicht weiter gezeigt ist. Des Weiteren ist die Herstellung von hybriden TiAl-Bauteilen durch Auftragsschweißen unter Verwendung des Schweißdrahtes 10 möglich.
Der Erfindung liegt die allgemeine Erkenntnis zugrunde, dass aus Titanaluminid oder aus der wenigstens einen Nickelbasis-Superlegierung gebildete Schweißdrähte nicht durch einen konven- tionellen Ziehprozess herstellbar sind, zumal Titanaluminid bzw. Nickelbasis-Superlegierungen für derartige Ziehprozesse zu spröde sind.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Schweißdraht 10 vor dem Schweißverfahren
(Schmelzschweißen, bzw. Auftragsschweißen) auf eine sehr hohe Temperatur vorgewärmt werden kann, so dass auf eine lokale Vorwärmung des Bauteils 50 zur Vermeidung von Schweißris- sen verzichtet werden kann. Das Schweißverfahren mit vorgewärmtem Schweißdraht 10 kann auch als Heißdraht-Schweißen bezeichnet werden. Durch die Vorwärmung des Schweißdrahtes 10 kann beispielsweise eine Leistung einer für das Schweißverfahren verwendeten Schweiß- stromquelle reduziert werden. Das Heißdraht-Schweißen kann unter besonders geringerem Wär- meeintrag in das Bauteil 50 durchgefuhrt werden und fuhrt nicht oder nur in geringem Maße zu einem thermischen Verzug des Bauteils 50.
Zusammenfassend beschreibt das vorliegende Verfahren die Herstellung des Schweißdrahtes 10 welcher als Fülldraht beim Auftragsschweißen (Draht-Auftragsschweißen) verwendet werden kann, wobei der Hohldraht 12 eine zylindrische Hülle aus reinem Titan oder reinem Nickel mit einer vorgegebenen Wandstärke w (siehe Fig. 1) bilden kann und wobei der Schweißwerkstoff 16 aus reinem, pulverförmigem TiAl (TiAl-Pulver) oder aus der wenigstens einen, reinen, pul- verförmigen Nickelbasis-Superlegierung gebildet sein kann. Das pulverförmige TiAl bzw. die wenigstens eine pulverförmige Nickelbasis-Superlegierung können nachfolgend vereinfacht auch als Pulver oder als Pulvergemenge bezeichnet werden.
Der Schweißwerkstoff 16 kann beim Einfullen beispielsweise als Pulvergemenge vorliegen, des- sen chemische Zusammensetzung unter der Annahme, dass die Wandstärke w des Hohldrahtes 12, welcher nachfolgend auch als Hülle bezeichnet wird, aus reinem Titan bzw. aus reinem Ni- ckel gebildet ist, berechnet werden, wie nachfolgend exemplarisch gezeigt wird. Jeweilige Ge- wichtsanteile des Schweißdrahtes 10 können identisch zu Gewichtsanteilen des Schweißwerk- stoffs 16, nachfolgend auch als Grundwerkstoff G bezeichnet, sein.
Jeweilige Abmessungen des Hohldrahtes 12 in Fig. 1 sind dabei definiert zu: d : Durchmesser des Hohldrahtes 12 (siehe Fig. 1) w : Wandstärke des Hohldrahtes 12 (siehe Fig. 1)
1 : Länge eines betrachteten Drahtsegments des Hohldrahtes 12 (siehe Fig. 1)
Des Weiteren gilt:
Fp: Querschnittsfläche des gefüllten Pulvers
FH : Ringquerschnittsfläche des Fülldrahts
mH' Masse der Hülle mit der Länge 1
mp,H'. Masse des Pulvers H aus Element wie die Hülle im Fülldraht mit der Länge 1
mr. Masse des Pulvers i aus Element i im Fülldraht mit der Länge 1
PH'· Dichte des Werkstoffs der Hülle
p‘H'. Schüttdichte des Pulvers aus Element wie die Hülle im Fülldraht
p Schüttdichte des Pulvers i aus Element i im Fülldraht
gH'. nomineller Gewichtsanteil des Elementes H im Grundwerkstoff G
gi nomineller Gewichtsanteil des Elementes i im Grundwerkstoff G
g‘H: nomineller Gewichtsanteil des Elementes H im Fülldraht
g‘\ nomineller Gewichtsanteil des Elementes i im Fülldraht
Die chemische Zusammensetzung des pulverförmigen Schweißwerkstoffs 16 kann unter der oben genannten Annahme (Hülle aus reinem Titan oder reinem Aluminium bzw. aus reinem Nickel) unter Zuhilfenahme von Fig. 1 berechnet werden, wobei der Schweißwerkstoff 16 (Grundwerkstoff) nachfolgend auch als Werkstoff G bezeichnet werden kann:
(3) mH = FH * l PH
(4) mp,H - Fp x / x P’H X g’n
(5) mp = Fp x / x p’i x g mit i = 2, 3, ... n
Der Fülldraht weist insgesamt die Gewichtsanteile g des Werkstoffes G (Schweißwerkstoff 16; Titanaluminid oder Nickelbasis-Superlegierung) auf. Daraus ergeben sich n lineare Gleichungen (7) und (8), mit denen die nominellen Gewichtsanteile g‘ aller n Elemente des Schweißdrahtes 10 einfach berechnet werden können.
Die chemische Zusammensetzung des Schweißwerkstoff 16, welcher einer Füllung des Schweiß- drahtes 10 entspricht, kann derart eingestellt werden, dass der additiv aufgebaute Bauteilbereich 52 nach dem Schweißverfahren (Draht-Auftragsschweißen) eine chemische Zusammensetzung aufweist, welche der chemischen Zusammensetzung des Titanaluminids bzw. der chemischen Zusammensetzung der wenigstens einen Nickelbasis-Superlegierung entspricht. Dadurch kann prozessbedingtes Abdampfen von Aluminiumanteilen beim Schweißverfahren von vornherein be- rücksichtigt und vorgehalten werden.
Durch das vorliegende Verfahren kann ein Befüllen des Hohldrahtes 12 bedarfsgerecht mit Titan- aluminid oder mit der wenigstens einen Nickelbasis-Superlegierung, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Nickelbasis-Gusswerkstoffen, erfolgen. In letzterem Fall ist der Hohldraht 12 (äußere Hülle des Schweißdrahtes 10) aus reinem Nickel gebildet, während des Schweißwerk-stoff 16 (Füllung) so eingestellt wird, dass der gesamte Schweißdraht 10 der Zusammensetzung der Nickelbasis-Superlegierung (bzw. Nickelbasis-Gusslegierung) entspricht. Gegebenenfalls kann auch hier das Abdampfen leichter Legierungselemente kompensiert werden, indem der Gewichtsanteil dieser leichten Legierungselemente im Schweißdrahtes 10 von vornherein erhöht ist, wie bereits am prozessbedingten Abdampfen der oben genannten Aluminiumanteile beschrieben wurde.
Die oben genannten Nickelbasis-Gusswerkstoffe können insbesondere als Schaufelwerkstoffe im Bereich einer Turbine eines Flugtriebwerks und stationären Gasturbinen eingesetzt werden. Typi- sche Vertreter der Nickelbasis-Gusswerkstoffe stellen polykristalline Werkstoffe, wie bei- spielsweise ENCONEL 100, INCONEL 713 oder MAR-M 247 sowie einkristalline Werkstoffe, wie beispielsweise Rene N5, PW1484 oder LEK94 dar. Diese polykristallinen bzw. einkristalli- nen Werkstoffe eignen sich besonders als Schweißwerkstoff 16 des Schweißdrahtes 10.
Um eine etwaige Rissbildung im Bereich des durch das Schweißverfahren gebildeten Bauteilbe- reichs 52 zu vermeiden, kann das Bauteil 50 und zusätzlich oder alternativ der Schweißdraht 10 lokal auf eine Temperatur von beispielsweise mehr als 1000 °C erwärmt werden. Eine derartige lokale Erwärmung des Schweißdrahtes 10 nahezu bis zu dessen Schmelztemperatur kann auch als Heißdraht-Schweißen (Heißdraht-Auftragsschweißen) bezeichnet werden. Die Möglichkeit einer derartigen Vorwärmung zur Vermeidung von Rissbildung stellt einen besonderen Vorteil des Schweißdrahtes 10 gegenüber einem rein pulverformigen Schweißzusatz dar.
Während des Schweißverfahrens stark erwärmte und damit heiße Bereiche, wie beispielsweise der Bauteilbereich 52 können entweder durch das Schutzgas 18 lokal abgeschirmt werden, oder in besonders vorteilhafter Weise in der Kammer 20 mit dem Schutzgas 18 bzw. dem Vakuum beaufschlagt werden.
Um eine Kontamination des Schweißwerkstoffs 16 zu verhindern, kann das Einfullen des Schweißwerkstoffs 16 unter der Schutzgasatmosphäre (aus dem Schutzgas 18 gebildete Atmo- sphäre) erfolgen. Um das Eindringen von Feuchtigkeit zu vermeiden, können die der Schweiß- drahtenden durch den jeweiligen Schweißpunkt 34 verschlossen werden.
Der mit der Nickelbasis-Superlegierung als Schweißwerkstoff 16 befullte Schweißdraht 10 ist besonders geeignet zur Reparatur von beschädigten Bauteilen, wie anhand des Bauteils 50 erläu- tert. Unabhängig davon kann das Schweißverfahren unter Verwendung des Schweißdrahtes 10 auch zur Fertigung von Schweißkonstruktionen zum Einsatz kommen.
Zusätzlich zum Auftragsschweißen kann der Schweißdraht 10 auch als Zusatzwerkstoff zum Verbindungschweißen von artgleichen oder hybriden Schweißkonstruktionen eingesetzt werden. Bezugszeichenliste :
10 Schweißdraht
12 Hohldraht 14 Hohlraum
16 Schweißwerkstoff
18 Schutzgas
20 Kammer
22 Öffnung
24 Schweißdrahtende
26 Blechelement
28 Blechelementkante
30 Blechelementkante
32 Querschnitt 34 Schweißpunkt
36 Schweißnaht
50 Bauteil
52 Bauteilbereich
54 Bereich
56 Bereich d Durchmesser 1 Länge
w Wandstärke

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Schweißdrahtes (10), umfassend zumindest die Schritte:
- Bereitstellen eines Hohldrahtes (12), durch welchen sich zumindest bereichsweise we- nigstens ein Hohlraum (14) erstreckt;
- Herstellen des Schweißdrahtes (10), durch Einfüllen eines Titanaluminid oder wenigstens eine Nickelbasis-Superlegierung beinhaltenden Schweißwerkstoffes (16) in den wenigs- tens einen Hohlraum (14), wobei der wenigstens eine Hohlraum (14) vor, während und/oder nach dem Einfullen des Schweißwerkstoffes vakuumiert wird oder mit Schutz- gas (18) befüllt wird und wobei dann, wenn der Schweißwerkstoff (16) die wenigstens eine Nickelbasis-Superlegierung beinhaltet, der Hohldraht (12) aus Nickel gebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
- Verschließen des Hohlraums (14) nach dem Einfüllen des Schweißwerkstoffes (16) in den Hohlraum (14), wodurch ein Fluidstrom zwischen dem Hohlraum (14) und einer Umgebung des Schweißdrahtes (10) unterbunden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verschließen des Hohlraums (14) erfolgt, indem wenigstens eine, den Hohlraum (14) mit der Umgebung verbindende Öffnung (22) des Schweißdrahtes (10) an zumindest einem Schweiß- drahtende (24) des Schweißdrahtes (10) verschlossen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohldraht (12) bereitgestellt wird, indem ein Blechelement (26) unter Ausbildung des Hohl- raums (14) gebogen wird, wobei jeweilige Blechelementkanten (28, 30) des Blechelements (26) aneinander angrenzend angeordnet und anschließend miteinander verbunden werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Blechelementkanten (28, 30) durch ein thermisches Fügeverfahren, insbesondere Schweiß- verfahren, miteinander verbunden werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Blechelement (26) zumindest während des thermischen Fügeverfahrens durch eine Vakuu- matmosphäre oder durch eine Schutzgasatmosphäre beaufschlagt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Blechelement (26) unter Ausbildung eines hohlzylinderformigen Querschnitts (32) zu dem Hohldraht (12) umgeformt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schweißwerkstoff (16) bei dessen Einfüllen in den Hohlraum (14) in einem pulverformigem Zustand vorliegt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohldraht (12) aus Titan oder aus Aluminium gebildet ist, wenn der Schweißwerkstoff (16) Titanaluminid beinhaltet.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schweißwerkstoff (16) aus Titanaluminid oder aus der wenigstens einen Nickelbasis- Superlegierung gebildet ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißwerkstoff (16) Nb und/oder Mo umfasst, wenn der Schweißwerkstoff (16) Titanalu- minid beinhaltet.
12. Schweißdraht (10) zur Bearbeitung eines Bauteils (50), insbesondere für eine Strömungsma- schine, mittels Auftragsschweißen, wobei der Schweißdraht (10) durch ein Verfahren gemäß ei- nem der Ansprüche 1 bis 11 erhalten ist.
13. Bauteil (50), insbesondere für eine Strömungsmaschine, umfassend wenigstens einen Bau- teilbereich (52), welcher durch Auftragsschweißen unter Verwendung wenigstens eines
Schweißdrahtes (10) nach Anspruch 12 erhalten ist.
14. Bauteil (50) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein, von dem Bauteilbereich (52) verschiedener Bereich (54, 56) des Bauteils (50) vollständig aus Titanaluminid oder vollständig aus der wenigstens einen Nickelbasis- Superlegierung gebildet ist.
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