EP3972774A1 - ELEKTRONENSTRAHLSCHWEIßEN VON NICKELBASIS-SUPERLEGIERUNGEN UND VORRICHTUNG - Google Patents

ELEKTRONENSTRAHLSCHWEIßEN VON NICKELBASIS-SUPERLEGIERUNGEN UND VORRICHTUNG

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EP3972774A1
EP3972774A1 EP20739890.0A EP20739890A EP3972774A1 EP 3972774 A1 EP3972774 A1 EP 3972774A1 EP 20739890 A EP20739890 A EP 20739890A EP 3972774 A1 EP3972774 A1 EP 3972774A1
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Stefan Jakobs
Aleksej SENGER
Britta Stöhr
Simon Olschok
Uwe Reisgen
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Definitions

  • the invention relates to electron beam welding and a device for nickel-based alloys.
  • the idea relates to the welding-related joining of components made of nickel-based superalloys with a high g 'content, in particular turbine blades or generally long, thin-walled components. Due to their size, the casting production of hollow blades is becoming more and more difficult. Due to the thin wall thicknesses at the blade tip and the size of the blade cores during manufacture, casting defects can occur and lead to the turbine blade being scrapped.
  • Ni-base or Co-base superalloys that are highly susceptible to hot cracks was previously not possible without the formation of at least small hot cracks.
  • Various phenomena, solidification cracks, remelting cracks, cracks due to a drop in toughness or the so-called phase-wise melting are the reason for extremely complex technologies for joining such materials.
  • a possible alternative is the production of two blade components by casting, which are joined together.
  • a welding process for joining turbine rotor blades made of nickel-based superalloys with a high g′-content has not been used to date.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 11.
  • the idea is to use casting technology to manufacture two blade components that are joined together using electron beam welding.
  • weldable nickel-based superalloys can be joined without cracks at slow travel speeds in particular from 40mm - 80mm / min and with sheet thicknesses of up to 12mm. Such a process can be used to join blade parts to hollow blades.
  • Electron beams are electron beams or a focused beam of electrons.
  • the electron beam welding is carried out with a relatively low travel speed of 12 mm / min - 120 mm / min, thereby avoiding crack initiation
  • FIG. 1 shows schematically a system 1 with a vacuum chamber 3, in which 3 a component 4 to be joined from the components 4 ′ and 4 ′′ is or can be arranged, as well as an electron beam gun 7 which emits electron beams 10.
  • the electron beam gun 7 or the laser can also be arranged outside of the vacuum chamber 3, the beams then being coupled into the vacuum chamber 3.
  • the component 4 to be produced is preferably pressed together at both opposite ends 22 ′, 22 ′′ with a force 19 ′, 19 ′′, so that the joining zone 16 is compressed.
  • a circumferential weld seam or joint is preferably produced, which is achieved in that the component is rotated about an axis 13 by means of a rotating device.
  • the joining zone has a shoulder which has a length of 8 mm to 12 mm.
  • FIG. 2 shows the components 4 ′, 4 ′′ to be joined, the component 4 ′ preferably having a projection or shoulder 30 on an inner side 36.
  • the electron radiation 10 strikes the opposite surface 33.
  • the paragraph 30 is provided on the surface 36 facing away from the electron beam 10. Slipping across the longitudinal direction or the direction of the force 19 ', 19' 'is thus avoided.
  • the principle can also be applied to laser irradiation in a vacuum.
  • the components (4 ', 4' ') can have the same alloy or different alloys.
  • At least one alloying element is more or less present or that at least a proportion of the same alloying element differs by at least 20%.

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Abstract

Durch das Elektronenschweißen mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 40mm/min bis 80mm/min können insbesondere artungleiche Fügezonen von Nickelbasis-Superlegierungen erreicht werden.

Description

Elektronenstrahlschweißen von Nickelbasis-Superlegierungen und Vorrichtung
Die Erfindung betrifft das Schweißen und eine Vorrichtung mittels Elektronenstrahlen von Nickelbasislegierungen.
Die Idee betrifft das schweißtechnische Fügen von Bauteilen aus hoch g'-haltigen Nickelbasis-Superlegierungen, insbeson dere von Turbinenlaufschaufeln oder allgemein von langen, dünnwandigen Bauteilen. Aufgrund der Größe wird die gießtech- nische Herstellung von Hohlschaufeln immer schwieriger. Auf grund der dünnen Wandstärken an der Schaufelspitze und der Größe der Schaufelkerne bei der Herstellung können Gießfehler auftreten und zum Ausschuss der Turbinenschaufel führen.
Das Schweißen von hoch heißrissanfälligen Ni-basis oder Co- basis Superlegierungen war bisher ohne die Entstehung zumin dest kleiner Heißrisse nicht möglich. Verschiedene Phänomene, Erstarrungsrisse, Wiederaufschmelzrisse, Risse aufgrund von Zähigkeitsabfall oder das sog. phasenweise Anschmelzen sind der Grund für äußerst aufwendige Technologien zum Verbinden solcher Werkstoffe.
Bisher werden zahlreiche Methoden zur extremen Reduzierung von Wärmeeinbringung genutzt, z.B. geringvolumiges Laser- Pulver-Schweißen, was zu sehr hohen Abkühlungsgradienten führt, aber eine geringe Aufbaurate zur Folge hat.
Andererseits werden solche Werkstoffe mit minderwertigen, zäheren und/oder oxidationsunbeständigeren Stoffen verbunden, um Spannungen während der Abkühlphase zu vermindern. Eine grundwerkstoffnahe, d.h. in seinen Eigenschaften identische Verbindung konnte bisher nur aufwändig erreicht werden.
Eine mögliche Alternative ist die gießtechnische Herstellung von zwei Schaufelbauteilen, die miteinander gefügt werden. Ein Schweißprozess zur Fügung von Turbinenlaufschaufeln aus hoch g'-haltigen Nickelbasis-Superlegierungen wird bisher nicht eingesetzt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung dieses Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 11.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Idee ist die gießtechnische Herstellung von zwei Schau felbauteilen, die mittels Elektronenstrahl-Schweißen mit einander gefügt werden.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass schweißbare Nickel basis-Superlegierungen bei langsamen Verfahrgeschwindigkeiten insbesondere von 40mm - 80mm/min und bei Blechdicken bis 12mm rissfrei gefügt werden können. Ein solcher Prozess kann zur Fügung von Schaufelteilen an Hohlschaufeln eingesetzt werden.
Vorgeschlagen wird ein Strahlschweißen einer großen Hohl schaufel aus einer Nickelbasis-Superlegierung, also aus Reihe 3 und/oder 4 einer Gasturbine, mit Elektronenstrahlung in einer Prozesskammer. Mit Elektronenstrahlung sind Elektronen strahlen oder ein gebündelter Strahl aus Elektronen gemeint.
Die bevorzugte Vorgehensweise gliedert sich in folgende Un terpunkte :
- Gießtechnische Fertigung von zwei Turbinenschaufelteilen oder Turbinenschaufel und Schaufelspitze
- Beide Bauteile werden an der Fügezone insbesondere mit
einem Absatz rundum bearbeitet oder gefertigt
- Verklemmung beider Teilkomponenten in Vakuumkammer, damit eine Verschiebung beider Bauteile während des Schweißpro- zesses vermieden wird (alternativ: Vorfixierung mittels Hochtemperaturlöten)
- Fügung der beiden Bauteile in Vakuumkammer mittels Elekt ronenstrahl-Schweißen
- Das Elektronenstrahl-Schweißen wird mit relativ kleiner Verfahrgeschwindigkeit von 12 mm/min - 120 mm/min durchge führt, dadurch Vermeidung einer Rissinitiierung
- Artungleiche Fügezonen können ebenfalls realisiert werden, insbesondere von DS-Werkstoffen an SX-Werkstoffen, damit ist Schaufelspitzfertigung / Schaufelspitzreparatur an Turbinenschaufeln mit verbesserter Oxidationsbeständigkeit möglich
Vorteile :
—» Fügung von Heißgaskomponente aus einfacher gießbaren Teil bauteilen
—» Verkleinerung der Ausschussraten bei der gießtechnischen Herstellung von großen Turbinenschaufeln
—» Einsparung von Kosten und Material
Das hier beschriebene Verfahren basiert auf eine erhöhte Wär meeinbringung, die aber nicht mittels Vorwärmtechnik, wie In duktion, erreicht wird, sondern aus dem flüssigen Anteil der Schweißung entsteht.
In Kombination mit der extrem langsamen Verfahrgeschwindig keit von vorzugsweise 30mm/min bis 60mm/min führt dies zu Ab kühlungsbedingungen, die eine Heißrissbildung verhindern / extrem minimieren. Rein rechnerisch ergibt sich hier eine sehr hohe Streckenenergie, welche im Stand der Technik bei Schweißsystemen als Referenz angegeben wird. Jedoch ist hier, aufgrund der ungleichmäßigen geometrischen Verteilung, dieser Wert eher störend.
Die Figuren zeigen schematisch die Vorrichtung und die Vorge hensweise der Erfindung. Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungs beispiele der Erfindung dar.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine Anlage 1 mit einer Vakuum kammer 3, in der 3 ein zu fügendes Bauteil 4 aus den Kompo nenten 4 ' und 4 ' ' angeordnet ist oder angeordnet werden kann sowie eine Elektronenstrahlkanone 7, die Elektronenstrahlen 10 aussendet.
Die Elektronenstrahlkanone 7 oder der Laser kann auch außer halb der Vakuumkammer 3 angeordnet sein, wobei die Strahlen dann in die Vakuumkammer 3 eingekoppelt werden.
Das herzustellende Bauteil 4 wird vorzugsweise an beiden gegenüberliegenden Enden 22', 22'' mit einer Kraft 19', 19'' zusammengedrückt, so dass die Fügezone 16 zusammengedrückt ist .
Es wird vorzugsweise eine umlaufende Schweißnaht oder Fügung erzeugt, die dadurch erzielt wird, dass die Komponente mit tels einer Drehvorrichtung um eine Achse 13 gedreht wird.
Die Fügezone weist einen Absatz auf, der eine Länge von 8mm bis 12mm aufweist.
Vorteilhafterweise werden folgende Parameter verwendet: Schweißen mit Streckenenergie höher als 600 J/mm oder Verfahrgeschwindigkeit 0,2 ... 0,5 ... 1,0 ... 2,0mm/sec.
Beschleunigungsspannung 80 ... 120 ... 160 kV
Strahlstrom 8 ... 14 ... 20 mA
Fokuslage Oberflächenfokus ± 3mm
Vakuum 103 ... 105 mbar
Verwendung von Ein- und Auslaufvorrichtungen erforderlich
Vorgeschlagen wird ein Strahlschweißen eines hohlen Bauteils, insbesondere einer Hohlschaufel aus einer Nickelbasis-Super legierung mit Elektronenstrahlung in einer Prozesskammer mit optionaler interner Badstütze nach vorliegender schematischer Darstellung . Figur 2 zeigt die zu fügenden Komponenten 4', 4'', wobei die Komponente 4 ' vorzugsweise einen Vorsprung oder Absatz 30 auf einer Innenseite 36 aufweist.
Die Elektronenstrahlung 10 trifft auf die gegenüberliegende Oberfläche 33.
Der Absatz 30 ist auf der der Elektronenstrahlung 10 abge wandten Oberfläche 36 vorhanden. So wird ein Verrutschen quer zur Längsrichtung oder Richtung der Kraft 19', 19'' vermieden.
Das Prinzip lässt sich auch auf Laserbestrahlung im Vakuum anwenden .
Die Komponenten (4', 4'') können dieselbe Legierung oder ver schiedene Legierungen aufweisen.
Verschieden bedeutet, dass zumindest ein Legierungselement (keine Verunreinigung) mehr oder weniger vorhanden ist oder dass sich zumindest ein Anteil desselben Legierungselementes um mindestens 20% unterscheidet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren
zum Fügen zweier Komponenten (4', 4'') eines herzu
stellenden Bauteils (4)
aus Nickelbasis-Superlegierungen
mittels Elektronenstrahlung (10),
bei dem die Elektronenstrahlung (10)
mit einer Verfahrgeschwindigkeit von
12mm/min bis 120mm/min,
insbesondere von 40mm/min bis 80mm/min,
über eine Fügezone (16) der zwei Komponenten (4', 4'') ge führt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die zu fügenden Komponenten (4', 4'') während des Fügens mittels einer Kraft (19', 19'') zusammengedrückt werden.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die zu fügenden Komponenten (4', 4'') mittels einer Drehvorrichtung (13) während des Fügens gedreht werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
mit folgenden Parametern:
Streckenenergie höher als 600J/mm
und/oder
Verfahrgeschwindigkeit 0,2mm/s oder 0,5mm/s oder l,0mm/s oder 2 , 0mm/ s
und/oder
Beschleunigungsspannung 80KV bis 260KV,
insbesondere 80KV, 120KV, 160KV
und/oder
Strahlstrom 8mA - 20mA,
insbesondere 8mA, 14mA, 20mA
und/oder
Fokuslage Oberflächenfokus ± 3mm
und/oder
ein Vakuum bei 1030Pa - 1050Pa.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4,
bei dem Badstütze in einem Hohlraum (5) oder hohlen Kompo nenten (4) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
wobei eine Komponente (4'') einen Absatz (30) aufweist, und die andere Komponente (4') komplementär dazu ausgebil det ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei der Absatz (30) auf der der Elektronenstrahlung (10) abgewandten Oberfläche (36) vorhanden ist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 oder 5 bis 7,
bei dem anstelle der Elektronenstrahlung ein Laserstrahl im Vakuum verwendet wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
8,
bei dem die Komponenten (4', 4'') dieselbe Legierung auf weisen.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
8,
bei dem die Komponenten (4', 4'') verschiedene Legierungen aufweisen .
11. Vorrichtung
zum Elektronenstrahlschweißen von zwei Komponenten (4',
4'') zu einer Komponente (4)
aus Nickelbasislegierungen,
die zumindest aufweist:
eine Vakuumkammer (3),
in der (3) eine Elektronenstrahlung (10) oder Laserstrah lung erzeugt werden kann und
auf eine Fügezone (16) zweier zu fügender Komponenten (4', 4'') gerichtet werden kann.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
die eine Drehvorrichtung zum Drehen der Komponenten (4',
4 ' ' ) aufweist .
13. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 11 oder
12,
die Mittel aufweist,
um die Komponenten (4', 4'') mittels einer Kraft (19',
19'') während der Fügung zusammenzudrücken.
EP20739890.0A 2019-07-15 2020-06-29 ELEKTRONENSTRAHLSCHWEIßEN VON NICKELBASIS-SUPERLEGIERUNGEN UND VORRICHTUNG Withdrawn EP3972774A1 (de)

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