EP4479564A1 - BAINITISCHES SCHWEIßEN UND KOMPONENTE - Google Patents

BAINITISCHES SCHWEIßEN UND KOMPONENTE

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EP4479564A1
EP4479564A1 EP23717423.0A EP23717423A EP4479564A1 EP 4479564 A1 EP4479564 A1 EP 4479564A1 EP 23717423 A EP23717423 A EP 23717423A EP 4479564 A1 EP4479564 A1 EP 4479564A1
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EP
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welding
component
steel
steels
mod
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Luk MÜHLSTEIN
Karsten Niepold
Torsten-Ulf Kern
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/002—Bainite

Definitions

  • the invention relates to the welding of steels, in which a bainitic structure is set and a component.
  • the conventional way to increase the hardness or strength of steels is hardening and tempering.
  • a second, rarer way is bainitising, which used to be called intermediate tempering.
  • the component is austenitized in the same way as during hardening, i.e. depending on the material, heat treatments are carried out at temperatures of 1073K - 1323K. Quenching then takes place in a warm salt bath.
  • the temperature of the salt warm bath depends on the material and is between 533K and 663K.
  • the conversion can be completed in a few minutes. But sometimes it takes several hours.
  • the component is then cooled in air.
  • This process has the advantage of the best possible toughness while maintaining high hardness.
  • Bainite structures have very special properties such as high notched impact strength (even at lower temperatures), improved fatigue strength, greater elongation, less hardening distortion, increased constriction, better bending behavior.
  • the task is solved by a method according to claim 1 and a component according to claim 6.
  • the transfer of bainitising to welding is the content of this invention with the intention of simplifying and shortening the heat transfer after welding while maintaining the good mechanical properties.
  • the figure shows three curves, the temperature profile for bainitising, the temperature profile of a conventional heat aftertreatment (tempering at T>673K), and the temperature profile according to the invention.
  • the adjustment of the bearing can only take place after the machining process has been completed and therefore takes longer than the solution described.
  • the duration depends on the country-specific logistics/production possibilities of the bearing shells.
  • the time difference for restoring operational readiness is estimated to be at least one to two weeks.
  • Known outage penalties range from 80,000G to 500,000G per day. It is assumed that the assembly costs of both processes (conventional and new) will be equalized, since additional welding services are required with the new process. This procedure can be used on one and the same rotor for safety reasons and the resulting The influence on other components in the system is usually only carried out once.
  • the invention uses steels that can form a bainitic structure within technically sensible times.
  • NiCrMoV14-5 nickel (Ni), chromium (Cr), molybdenum (Mo) and vanadium (V).
  • the material class of 2.5-4% nickel-containing CrMoV steels is particularly preferred, in particular 26NiCrMoV14-5, 26NiCrMoV14-5 mod. , 2 oNiCrMoVll-5 or 26NiCrMoVll-5 mod. , especially according to DIN/EN the steels 1.6957/26NiCrMoV14-5, 1.6963/26NiCrMoV14-5 mod. , 1.6948 /26NiCrMoVll-5 , 1.6962 /26NiCrMoVll-5 mod..
  • a material is used that is different from the material of the component on which the build-up welding takes place.
  • At least one alloying element is present more or less or that the proportion of at least one alloying element differs by at least 10%, in particular by 20%. What is less important is whether the material of the overlay weld can form a bainitic structure.
  • the material for the deposition welding is MnNiCrMo steel with silicon.
  • a wire is used for deposition welding, which is applied under argon protective gas.
  • a welding instruction (WPS) and an annealing protocol for heat treatment are mandatory for every welding process. This makes it possible to check whether the process to be patented here was used.
  • the figure shows several curves of temperature-time progressions.
  • Curve 1 shows the temperature profile for setting a bainitic structure, in which the material is heated to an austenitization temperature of 1073K to 1323K, then cooled and held at a temperature of at least 573K for one to two hours, with subsequent cooling, as it was discussed in the prior art.
  • temperatures of up to 1973K are also reached during welding, in which case the local temperature of the welding point also cools down quickly, but then at a temperature greater than 573K, or generally speaking above the martensite formation temperature, ie at least IOK above, in particular at least 20K above this, so that the welding point is kept between 623K and 673K, especially until a bainitic structure has been established.
  • the holding time at this temperature may take longer than at the first plateau of the commercial heat aftertreatment (curve 4), but as a rule the complete heat aftertreatment time is reduced by at least 50%, since the heat aftertreatment after the particularly controlled cooling according to the invention after the plateau is completed.
  • the new heat management Thanks to the new heat management, the monetary expenditure and time of conventional heat treatment for steels that can form a bainitic structure can be dispensed with while maintaining the same/improved material properties.

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Abstract

Verfahren zum Schweißen einer Komponente aus Stahl, bei dem eine Auftragsschweißung erfolgt, wobei dann die Schweißstelle abgekühlt gelassen wird und auf einer Haltetemperatur oberhalb einer Martensitbildungstemperatur für zwei bis zehn Stunden oder bis zur vollständigen Ausbildung eines bainitischen Gefüges gehalten wird und dann kontrolliert auf Raumtemperatur runtergefahren wird und insbesondere die Wärmebehandlung dadurch abgeschlossen ist.

Description

Beschreibung
Bainitisches Schweißen und Komponente
Die Erfindung betrifft das Schweißen von Stählen, bei dem ein bainitisches Gefüge eingestellt wird und eine Komponente.
Der konventionelle Weg zur Erhöhung von Härte bzw. Festigkeit bei Stählen ist das Härten und Anlassen.
Ein zweiter, seltener Weg ist das Bainitisieren, das früher Zwischenstufenvergüten genannt wurde.
Bei dieser Wärmebehandlung wird das Bauteil in gleicher Weise wie beim Härten austenitisiert , d.h. es erfolgen abhängig vom Werkstoff Wärmebehandlungen bei Temperaturen von 1073K - 1323K. Das Abschrecken erfolgt dann in einem Salzwarmbad.
Die Temperatur des Salzwarmbades richtet sich nach dem Werkstoff und liegt zwischen 533K und 663K. Das Bauteil verweilt im Salzbad bei gleichbleibender Temperatur (isotherm) bis die Gefügeumwandlung von Austenit nach Bainit (= Zwischen-stufe) abgeschlossen ist. Dabei bildet sich kein Martensit!
Je nach Werkstoff kann die Umwandlung in einigen Minuten abgeschlossen sein. Manchmal dauert es aber auch mehrere Stunden .
Anschließend wird das Bauteil an der Luft abgekühlt.
Dieses Verfahren hat den Vorteil bestmöglicher Zähigkeit bei weiterhin hoher Härte.
Bainitgefüge haben sehr spezielle Eigenschaften wie hohe Kerbschlagzähigkeit (auch bei tieferen Temperaturen) , verbesserte Dauerfestigkeit, größere Dehnung, weniger Härteverzug, erhöhte Einschnürung, besseres Biegeverhalten .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeführung nach dem Schweißen zu vereinfachen und zu verkürzen unter Beibehaltung guter mechanischer Eigenschaften.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Komponente nach Anspruch 6. Die Übertragung des Bainitisierens auf das Schweißen ist Inhalt dieser Erfindung mit der Absicht, die Wärmeführung nach dem Schweißen zu vereinfachen und zu verkürzen unter Beibehaltung der guten mechanischen Eigenschaften.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigt die Figur drei Kurven, den Temperaturverlauf zum Bainitisieren, den Temperaturverlauf einer konventionellen Wärmenachbehandlung (Anlassen bei T>673K) , und den Temperaturverlauf gemäß der Erfindung.
Mithilfe dieser Erfindung können drei verschiedene Problemstellungen gelöst werden: a) Bei großen Rotoren von Turbinen, wie insbesondere von Gasturbinen mit mindestens 200MW Leistung, ist eine Wärmenachbehandlung (Anlassen bzw. Spannungsarmglühung) bei 873K nicht möglich, da aus baulichen Gegebenheiten, wie unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Materialien und Komponenten, der Rotor deformiert oder zerstört werden könnte. Weiterhin sprechen sicherheitstechnische Gründe gegen das konventionelle Verfahren. b) Bei Rotoren, bei denen eine Wärmenachbehandlung möglich ist, wie beim Lagersteilen-Schweißen von Rotoren, ist eine Wärmenachbehandlung oft sehr kompliziert, zeitaufwändig und kostenaufwändig und dennoch Industriestandard, da die Eigenspannungen und Werkstoff eigenschaf ten in der Wärmeeinflusszone ansonsten nicht erreicht werden können. c) Die Güte der gezielten Wärmebehandlung des konventionellen Verfahrens (Anlassen bzw. Spannungsarmglühen) ist von den Umgebungsparametern abhängig und stellt eine erhöhte Heraus- forderung dar um die jeweiligen, zum Teil lokalen Temperaturen in Baustellenverhältnissen zu gewährleisten.
Sofern eine Wärmenachbehandlung möglich war, konnten schweißtechnische Reparaturen nur mit dem Ergebnis von reduzierenten mechanischen Werkstoff kennwerten durchgeführt werden. Zusätzlich ist der Kosten- und Zeitaufwand deutlich höher. Wenn eine Wärmenachbehandlung nicht möglich ist, war eine schweißtechnische Reparatur mit den erforderlichen Werkstoffkenndaten nicht realisierbar.
Eine weitere Lösung ist eine zerspanende Bearbeitung einer Reparatur stelle , wobei diese Maßnahme an ein und demselben Rotor aus sicherheitstechnischen Gründen und dem resultierenden Einfluss auf andere Bauteile im System meistens nur einmalig durchführbar ist.
Durch ein spezielles Wärmemanagement nach einer Schweißung von Stählen, insbesondere mit ferritischem Gefüge und mit einer bainitischen Gefügeausbildung, können die oben genannten Probleme umgangen werden.
Die Lebensdauer eines beschädigten Rotors kann verlängert werden. Die alternativen Verfahren wären:
1. ) Abdrehen der Lagerfläche und Anpassen der Lager:
Die Anpassung des Lagers kann erst nach Beendigung der spanabnehmenden Verfahren erfolgen und dauert hierdurch länger als die beschriebene Lösung. Die Dauer hängt von der länderspezifischen Logistik/Produktionsmöglichkeiten der Lagerschalen ab. Die zeitliche Differenz zur Wiederherstellung der Betriebsbereitschaft wird auf mindestens ein bis zwei Wochen geschätzt. Bekannte Ausfallstrafen liegen zwischen 80.000G und 500.000G pro Tag. Es wird von einer Egalisierung der Montagekosten beider Verfahren (herkömmlich und neues) ausgegangen, da beim neuen Verfahren zusätzliche Schweißleistungen benötigt werden. Dieses Verfahren kann an ein und demselben Rotor aus sicherheitstechnischen Gründen und dem resultieren- den Einfluss auf andere Bauteile im System meistens nur einmalig durchgeführt werden.
2. ) Das Austauschen der beschädigten Lagerstellen erfordert folgende Tätigkeiten:
Das Entstapeln eines Gasturbinenrotors, das Bereitstellen und die Anpassung der auszutauschenden Komponenten, und das Neu- Stapeln. Im Anschluss muss dann noch ein finales Abdrehen erfolgen, um die erforderlichen Lagerspieltoleranzen im gestapelten Zustand zu erhalten. Für diesen Zeitraum müssen Monteure und Maschinen vor Ort bereitgestellt werden. Der ganzheitliche Aufwand entspricht einem ökonomischen Totalschaden.
3. ) Einbau und Bereitstellung eines neuen Rotors:
Diese Variante würde den zeitlichen Ablauf nicht beeinflussen, jedoch mit einem höheren Kostenaufwand verbunden sein als jegliche Reparaturverfahren.
Zur Anwendung für die Erfindung kommen Stähle, die ein baini- tisches Gefüge innerhalb technisch sinnvoller Zeiten bilden können .
Dies sind insbesondere Stähle (also Eisen mit Stahl) mit Nickel (Ni) , Chrom (Cr) , Molybdän (Mo) und Vanadium (V) . Besonders bevorzugt ist die Werkstoff klasse der 2,5- 4%Nickelhaltigen CrMoV-Stähle , insbesondere 26NiCrMoV14-5, 26NiCrMoV14-5 mod. , 2 oNiCrMoVll-5 oder 26NiCrMoVll-5 mod. , ganz insbesondere nach DIN/EN die Stähle 1.6957/26NiCrMoV14- 5, 1.6963 /26NiCrMoV14-5 mod. , 1.6948 /26NiCrMoVll-5 , 1.6962 /26NiCrMoVll-5 mod..
In der Regel wird eine Auftragsschweißung durchgeführt.
Für das Zusatzmaterial der Auftragsschweißung wird ein Material verwendet, das verschieden ist von dem Material der Komponente, auf dem die Auftragsschweißung erfolgt.
Verschieden bedeutet hier, dass zumindest ein Legierungselement mehr oder weniger vorhanden ist oder dass der Anteil zumindest eines Legierungselementes sich mindestens um 10%, insbesondere um 20% unterscheidet. Weniger entscheidend ist, ob das Material der Auftragsschweißung ein bainitisches Gefüge ausbilden kann.
Insbesondere ist das Material der Auftragsschweißung ein MnNiCrMo Stahl mit Silizium.
Dabei wird insbesondere ein Draht für die Auftragsschweißung verwendet, der unter Argon Schutzgas aufgetragen wird.
Für jeden Schweißvorgang ist gemäß der gültigen Normen eine Schweißanweisung (WPS) und ein Glühprotokoll bei einer Wärmebehandlung verpflichtend. Hierdurch kann überprüft werden, ob das hier zu patentierende Verfahren verwendet wurde.
Die Figur zeigt mehrere Kurven von Temperatur Zeit-Verläufen.
Die Kurve 1 zeigt den Temperaturverlauf zur Einstellung eines bainitischen Gefüges, bei dem der Werkstoff auf eine Austenitisierungstemperatur von 1073K bis 1323K erwärmt wird, dann abgekühlt wird, und bei einer Temperatur von mindestens 573K für ein bis zwei Stunden gehalten wird, mit anschließender Abkühlung, wie es beim Stand der Technik diskutiert wurde.
Beim konventionellen Schweißen (Kurve 4) werden Temperaturen von bis zu 1973K erreicht, wobei dann die lokale Temperatur der Schweißstelle schnell abkühlt und bei einer Temperatur deutlich unter 573K für ein bis zwei Stunden gehalten wird, dann langsam über mehrere Stunden abgekühlt wird, um dann wieder für mehrere Stunden auf eine Temperatur größer 773K erwärmt zu werden mit anschließender erneuter Abkühlung.
Dies ist ein zeitlich (>40h) aufwändiger Prozess.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Kurve 7 werden beim Schweißen ebenfalls Temperaturen von bis zu 1973K erreicht, wobei dann ebenfalls die lokale Temperatur der Schweißstelle schnell abkühlt, dann aber bei der Temperatur größer 573K, oder allgemein gesagt oberhalb der Martensitbildungstemperatur, d.h. mindestens IOK oberhalb, insbesondere mindestens 20K oberhalb davon, so dass die Schweißstelle insbesondere zwischen 623K und 673K gehalten wird, ganz insbesondere bis sich ein bainitisches Gefüge eingestellt hat.
Die Haltezeit bei dieser Temperatur kann zwar länger dauern als bei dem ersten Plateau der kommerziellen Wärmenachbehandlung (Kurve 4) , aber in der Regel ist die komplette Wärmenachbehandlungszeit um mindestens 50% reduziert, da nach dem insbesondere kontrollierten Abkühlen gemäß der Erfindung nach dem Plateau die Wärmenachbehandlung abgeschlossen ist.
Durch das neue Wärmemanagement kann bei gleichbleibenden/ver- besserten Werkstoff eigenschaf ten auf den monetären Aufwand und die Zeit einer konventionellen Wärmenachbehandlung bei Stählen, die ein bainitisches Gefüge bilden können, verzichtet werden.
Der Mehraufwand einer konventionellen Wärmenachbehandlung vor Ort wird mit zwei bis drei Tagen für zwei bis drei Mitarbeiter pro Komponente geschätzt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schweißen einer Komponente aus Stahl, insbesondere mit ferritischem Gefüge, bei dem eine Auftragsschweißung erfolgt, wobei dann die Schweißstelle abgekühlt gelassen wird und auf einer Haltetemperatur oberhalb, insbesondere mindestens IOK oberhalb, ganz insbesondere mindestens 20K oberhalb, einer Martensitbildungstemperatur für zwei bis zehn Stunden oder bis zur vollständigen Ausbildung eines bainitischen Gefüges gehalten wird und dann insbesondere kontrolliert runtergefahren wird, insbesondere auf Raumtemperatur und insbesondere die Wärmebehandlung dadurch abgeschlossen ist .
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Komponenten aus Stahl mit Nickel (Ni) , Chrom (Gr) , Molybdän (Mo) und Vanadium (V) geschweißt werden, insbesondere die Werkstoff klasse der 2 , 5-4 %NiCrMoV-Stähle , und ganz insbesondere die Stähle 26NiCrMoV14-5 , 26NiCrMoV14-5 mod. , 26NiCrMoVll-5 oder26NiCrMoVl 1-5 mod..
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Haltetemperatur mindestens 573K, insbesondere mindestens 623K bis 673K beträgt, aber höchstens 773K beträgt. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem als Material für die Auftragsschweißung ein Material verwendet wird, das verschieden ist von dem Material der zu schweißenden Komponente , insbesondere ein MnNiCrMo Stahl mit Silizium, verwendet wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem ein Draht für die Auftragsschweißung verwendet wird, der insbesondere unter Argon Schutzgas aufgetragen wird. Komponente aus Stahl mit einer Auftragsschweißung aus Stahl , bei dem die Komponente zumindest im Bereich der Auftragsschweißung ein bainitischen Gefüge aufweist. Komponente nach Anspruch 6, bei dem die Komponente ein Stahl mit Nickel (Ni) , Chrom (Cr) , Molybdän (Mo) und Vanadium (V) aufweist, insbesondere einen Stahl der Werkstoff klasse der 2,5- 4%NiCrMoV-Stähle, und ganz insbesondere die Stähle 26NiCrMoV14-5 , 26NiCrMoV14-5 mod. , 26NiCrMoVll-5 oder26NiCrMoVl 1-5 mod.. Komponente nach einem oder beiden der Ansprüche 6 oder 7, bei dem das Material für die Auftragsschweißung ein Material umfasst, das verschieden ist von dem Material der zu schweißenden Komponente , insbesondere ein MnNiCrMo Stahl mit Silizium umfasst.
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