ES2218943T3 - Union de piezas de turbina monocristalinas. - Google Patents

Abstract

Uso de la soldadura por haz electrónico para unir piezas metálicas con las siguientes características: a) las piezas metálicas están destinadas al uso de una turbina térmica, b) al menos una de las piezas metálicas que han de unirse se compone de una superaleación basada en Ni y/o CO, b1) dicha pieza metálica presenta al menos en la zona que ha de soldarse una estructura monocristalina o una estructura fabricada por solidificación direccional (directional solidification, DS), caracterizada porque una de las piezas metálicas con estructura monocristalina/de DS presenta en la zona que ha de soldarse un apéndice elevado en comparación con la superficie de la pieza que lo rodea.

Description

Unión de piezas de turbina monocristalinas.

La presente invención se refiere a la unión de piezas metálicas destinadas al uso en una turbina térmica, estando compuesta al menos una de las piezas metálicas que han de unirse por una superaleación basada en níquel y/o cobalto y presentando dicha pieza metálica al menos en la zona que ha de soldarse una estructura monocristalina o una estructura fabricada por solidificación direccional (directional solidification, DS).

En las turbinas térmicas como, por ejemplo, en motores turborreactores de aviones, determinadas piezas, especialmente los álabes, están expuestas a extraordinarios esfuerzos debido a las temperaturas elevadas (de hasta 1100ºC) y/o las solicitaciones mecánicas. Para estas piezas se usan superaleaciones refractarias y resistentes a las temperaturas elevadas, basadas en níquel o cobalto, pudiendo mejorarse las características de resistencia mediante una estructura monocristalina o mediante la solidificación direccional. Al soldar piezas de esta superaleación con estructura monocristal/de DS, la introducción de calor puede causar tensiones térmicas que debido a la dureza del material conllevan un mayor riesgo de formación de grietas. Las alteraciones de la estructura cristalina debido a la soldadura pueden perjudicar la solidez del material y su aptitud para el uso previsto. Generalmente, se considera que las superaleaciones resultan difíciles o imposibles de soldar. Tan sólo se ha propuesto la soldadura por resistencia de puntas de álabe de superaleaciones monocristalinas/de DS al álabe (documento US-A-5,822,852). Otros procedimientos para unir las piezas de superaleaciones con estructura monocristalina/de DS, conocidas por el estado de la técnica, son extraordinariamente complicadas.

Applied Surface Science, tomo 94/95, 1996, páginas 280 a 287 describe el uso de la soldadura por haz electrónico para unir piezas metálicas destinadas al uso de una turbina térmica y que se pueden componer de superaleaciones.

La invención tiene el objetivo de reducir el gasto en la unión de piezas de turbina de una superaleación de níquel/cobalto con una estructura monocristalina/de DS en la zona que ha de soldarse, durante lo cual la estructura monocristalina o de DS no debe verse afectada o debe verse afectada sólo de forma insignificante en la zona de soldadura. La invención consigue este objetivo mediante las características de la reivindicación 1, en la que una de las piezas metálicas con estructura monocristalina/de DS presenta en la zona que ha de soldarse un apéndice más elevado en comparación con la superficie de la pieza que lo rodea. Alternativamente, una de las piezas metálicas con estructura monocristalina/de DS puede presentar en la zona que ha de soldarse una concavidad en la superficie de la pieza.

En primer lugar, para mayor claridad, se describen algunos térmicos esenciales de la invención.

El término turbinas térmicas designa turbomáquinas que transforman la energía térmica de un gas o de vapor de agua en un movimiento de rotación. La temperatura de trabajo de estas turbinas puede variar entre varios cientos de ºC hasta temperaturas superiores a 1000ºC. Un campo de aplicación preferible de la invención son los turborreactores y los grupos turbohélice de aviones, aunque no se limita a ellos. Asimismo, es posible el uso de la invención en turbinas de gas y de vapor industriales, por ejemplo, en la construcción de centrales eléctricas, donde los requisitos de material para alcanzar mayores grados de eficacia aumentan constantemente, por lo que cada vez más se emplean superaleaciones de níquel/ cobalto con estructuras monocristalinas/de DS.

Una pieza metálica está destinada al uso en una turbina térmica, cuando forma parte de dicha turbina o de un grupo secundario necesario para el funcionamiento de la misma (por ejemplo, el compresor de un turborreactor). La invención resulta especialmente ventajosa para uniones por soldadura en piezas movidas y/o expuestas a la corriente de gas caliente como, por ejemplo, los álabes del rotor o del estator. Al procesar un turborreactor, por ejemplo uniendo por soldadura una nueva punta a un álabe de turbina, es posible compensar la erosión de material causada por el desgaste. En el marco de la fabricación de una turbina, como posibilidades de uso cabe mencionar la unión de dos mitades de álabe, así como la fijación de un álabe al rotor o al estator. Otro ejemplo es la fijación de elementos refrigerantes no portadores (por ejemplo, chapas guía para aire refrigerante) que no estén expuestos por sí mismos a elevadas solicitaciones mecánicas y que, por tanto, no presenten ninguna estructura monocristalina/de DS, a álabes monocristalinos. La invención no se limita a los ejemplos mencionados, refiriéndose a cualquier unión posible de piezas metálicas destinadas al uso en turbinas térmicas, siempre que sólo una de las piezas se componga de una superaleación de níquel/cobalto con estructura monocristalina o de DS, en particular, independientemente de que las piezas estén expuestas, en la zona que ha de soldarse, a elevadas solicitaciones o de que tengan una función portadora o de que la unión tenga que resistir solicitaciones elevadas. Una de las piezas metálicas presenta al menos en la zona que ha de soldarse una estructura monocristalina o una estructura fabricada por solidificación direccional (directional solidification, DS). "En la zona que ha de soldarse" no significa necesariamente el punto de soldadura mismo, sino que designa aquella zona en la que en el transcurso del procedimiento de soldadura pueda producirse una merma de la estructura cristalina por el procedimiento de soldadura. Se trata, pues, especialmente de zonas que pueden estar situadas cerca del punto de soldadura o en las que la obtención al menos en mayor parte de la estructura monocristalina o de DS es importante para mantener la resistencia térmica y/o mecánica de la pieza metálica que ha de soldarse. Como aún se describirá más adelante haciendo referencia a las reivindicaciones subordinadas 2 a 8, el punto de soldadura mismo puede disponerse en un apéndice o similar de la pieza metálica que por sí mismo no contribuye a la integridad estructural de la pieza metálica y que, por lo tanto, no tiene que presentar necesariamente una estructura monocristalina o estructura DS. Si la pieza metálica presenta en todo caso cerca de un apéndice de este tipo una estructura monocristalina o estructura DS, cuya obtención es importante para la resistencia mecánica y/o resistencia térmica de la pieza metálica, dicha pieza metálica presenta en la zona del punto de soldadura una estructura monocristalina o estructura DS en el sentido de la característica mencionada en las reivindicaciones.

El término superaleación es conocido por el experto y se describe, por ejemplo, en Ullmann's Encyclopedia Of Industrial Chemistry, 5ª edición, tomo A13, páginas 56 a 64. A continuación, el término se trata por separado para los metales básicos níquel y cobalto. La materia básica de una aleación es aquella materia con la mayor parte en peso.

Las superaleaciones de Ni basadas en aleaciones de Ni-Cr combinan unas características de resistencia extraordinarias con una alta resistencia térmica permanente de hasta más de 1000ºC, por lo que son el material preferible para álabes de turbinas de aviones. La parte en peso de Ni en la superaleación se sitúa generalmente entre 55 y 70%. La parte en peso de Cr oscila generalmente en el intervalo de 5 a 30%. Si no existen requerimientos especiales en cuanto a la resistencia a la oxidación y la resistencia a la corrosión a temperaturas elevadas, basta con un porcentaje de Cr inferior al 15%, preferentemente situado en el intervalo de 5 a 12%.

El mecanismo de endurecimiento más importante para las superaleaciones de Ni es el llamado endurecimiento por precipitación (precipitation hardening), según el que a la sustancia básica \gamma (Ni) se añade una sustancia de precipitación \gamma (Ni_{3}Al) de estructura cristalina similar. La parte en peso del formador de precipitación Al en la superaleación se sitúa en muchos casos en el intervalo de 4 a 7%. Además de aluminio, también son formadores de precipitación el titanio (Ti) y el tántalo (Ta); la parte en peso total de los formadores de precipitación Al, Ti y Ta se sitúa generalmente en el intervalo de 4 a 20%, pudiendo prescindir de Ti y/o de Ta, según la aleación. La adición de Co en el intervalo de 5 a 20% en peso, generalmente entre 5 y 12% en peso, conduce a un aumento de la temperatura de disolución de la segunda fase \gamma, pudiendo contribuir al aumento de la resistencia a la fatiga.

Otro mecanismo de endurecimiento importante es el llamado endurecimiento de solución sólida (solid solution strengthening), durante el que átomos en el cristal del metal básico se sustituyen por átomos de otro metal. En la sustancia básica níquel, por ejemplo, son unos endurecedores de solución sólida eficaces el tántalo, el molibdeno y el wolframio. Por consiguiente, la parte en peso total de los endurecedores de solución sólida Mo, W y Ta es en muchos casos superior al 10%, sobrepasándose raras veces un porcentaje total del 20%.

Otros aditivos de aleación con partes en peso superiores al 0,1%, frecuentemente superiores al 1%, son niobio, renio, vanadio, hafnio, carbono, óxido de itrio (Y_{2}O_{3}) y otros elementos, pudiendo modificarse las características de la aleación en parte mediante la simple adición de trazas.

Además de las superaleaciones de Ni se usan también superaleaciones de Co, especialmente si no existen requisitos elevados en cuanto a la resistencia del material (por ejemplo, álabes de estator). Las superaleaciones de Co tienen generalmente mayores temperaturas de fusión que las superaleaciones de Ni, por lo que son superiores al usarse a temperaturas muy elevadas (superiores a 1000ºC). Es característica una alta parte en peso de Cr (20 a 30%) para mejorar la resistencia a la oxidación. La parte de la sustancia básica Co, igual que en el caso del Ni, es generalmente superior al 40%. En cuanto a las partes del endurecedor de solución sólida Mo, W, Ta, esto es válido correspondientemente para las superaleaciones de Ni.

La invención refuta el prejuicio de que las piezas metálicas de superaleaciones de Ni/Co con estructura monocristalina/de DS son difíciles de soldar y de que hay que contar con una alta tasa de desecho por la formación de grietas y fallos de cristal en la zona de la soldadura. Por la aplicación de la soldadura por haz electrónico, prevista según la invención, un porcentaje extraordinariamente alto de las soldaduras (más del 90%) se puede realizar con un resultado sin fallos de material. Teniendo en cuenta que en los álabes bajo carga máxima, hasta el menor apéndice puede conducir a la formación de grietas, por ejemplo por fallos de crecimiento de cristal, y al desecho del componente soldado de esta forma, queda en evidencia que sólo con la ayuda del procedimiento de soldadura según la invención es posible realizar una unión soldada económica de piezas de turbina de superaleaciones de Ni/Co con estructura monocristalina/de DS. Una causa del asombroso éxito de la invención puede consistir en que por el vacío existente al soldar en la zona que ha de soldarse, que en el caso de la soldadura por haz electrónico generalmente es mejor que 10^{-2} mbares, se evita la impurificación en la zona de soldadura por la oxidación de componentes reactivas de la aleación, tales como Al y Ti; las impurezas causadas por reacciones químicas constituyen un punto de ataque esencial para la formación de grietas y los fallos de crecimiento de cristales.

Mientras que el éxito de la invención se consigue incluso con vacíos relativamente malos, situados en el intervalo de 1 mbar, se aplican preferentemente vacíos en el intervalo de 10^{-3} ó 10^{-4} mbares o superior.

Los valores preferibles de los parámetros de haz electrónico (velocidad de soldadura; tensión de aceleración, posición focal, corriente del haz, distancia de trabajo) resultan de las reivindicaciones subordinadas 9 a 13. El haz electrónico se moduló adicionalmente con una desviación de haz sinusoidal, circular o triangular.

Las piezas metálicas que han de soldarse pueden calentarse antes y/o durante la soldadura, al menos en la zona que ha de soldarse, a una temperatura superior a 400ºC, preferentemente superior a 700ºC, especialmente de 900 a 1000ºC.

Esta medida sirve para reducir el gradiente de temperatura local provocado por la soldadura y, por tanto, para reducir tensiones térmicas. Sin embargo, los experimentos han arrojado que sorprendentemente aquellas muestras que no se calentaron o precalentaron más allá del calentamiento causado por el haz electrónico, no mostraban resultados peores o que incluso tendían a mejores resultados que las soldaduras de muestras fabricadas con precalentamiento.

Según un aspecto de la invención, una de las piezas de turbina de la superaleación con estructura monocristalina/de DS puede presentar en la zona que ha de soldarse un apéndice más elevado en comparación con la superficie de la pieza, que lo rodea. El término "apéndice" abarca una multitud de formaciones posibles. En el caso de una soldadura por puntos, por ejemplo, se puede tratar de una espiga o de un cono, mientras que en el caso de una soldadura alargada, el apéndice está constituido preferentemente por un elemento en forma de alma. Sin embargo, el apéndice puede presentar cualquier otra forma, especialmente aquellas que estén adaptadas a la forma específica de la zona de la superficie de la pieza que ha de soldarse.

La elevación del apéndice respecto a la superficie de la pieza, que lo rodea, se refiere sólo a la parte de la superficie de la pieza, inmediatamente contigua al apéndice. Es decir, que el apéndice también puede estar hundido en la pieza, tal como sucede por ejemplo en la forma de realización, en la que el apéndice está formado por el alma que se extiende entre dos ranuras paralelas en la superficie de la pieza. La elevación de un alma de este tipo se refiere, pues, al fondo de las ranuras adyacentes lateralmente.

Por el apéndice en la pieza de trabajo, por una parte se crea una zona que sirve para unir por soldadura la otra parte de turbina. El alma puede colarse parcialmente e incorporarse al material que ha de unirse por soldadura, mejorando la resistencia de la unión. El apéndice puede realizarse con la ayuda de una soldadura de recargue, por ejemplo de materiales en forma de alambre, con la ayuda del procedimiento de soldadura según la invención. De manera ventajosa, sin embargo, el apéndice se une por moldeo o colada en una sola pieza con la pieza de trabajo durante o a continuación de la fabricación del componente de turbina con estructura monocristalina/de DS, lo que no precisa grandes gastos a nivel de fabricación siendo, en particular, inofensivo para la estructura cristalina del componente monocristalino/de DS en la zona del apéndice unido por colada. Al intercalar un apéndice que se puede unir por colada de modo sencillo y sin causar daños, la zona calentada por la soldadura se elimina de manera efectiva del espacio de la superficie monocristalina de la pieza, de modo que la parte del apéndice dispuesta entre la superficie de la pieza y la zona que ha de soldarse actúa como barrera térmica que reduce el calentamiento local de la zona monocristalina de la pieza. Si la otra pieza de turbina que ha de unirse por soldadura no posee ninguna función portante especial (como en el caso de una chapa de refrigeración) y si, por tanto, no existen requisitos mecánicos elevados en cuanto a la unión por soldadura, el apéndice puede ser de un material policristalino menos susceptible a las grietas debido a su menor dureza. Preferentemente, las dimensiones del apéndice en el plano de la superficie de la pieza (por ejemplo, el ancho del alma), son de 0,5 a 1,5 mm, ya que la soldadura de componentes de pared fina resulta, notoriamente, mucho menos problemática. Esto es de especial importancia, si las dos piezas metálicas que han de soldarse presentan en la zona que ha de soldarse una estructura monocristalina/de DS y si se precisa una unión soldada altamente resistente con la menor perturbación posible de la estructura cristalina, y por tanto, si el apéndice presenta asimismo una estructura monocristalina/de DS. Como ejemplo se mencionará aquí la soldadura entre dos mitades de álabe de turbina. En estos casos, puede ser conveniente prever apéndices en ambas piezas metálicas, en la zona que ha de soldarse, para seguir reduciendo la posibilidad de formación de grietas al crear zonas de pared fina.

Bajo el punto de vista de la creación de una barrera térmica están comprendidas también aquellas formas de realización, según las que el apéndice queda formado por una prolongación de la pieza de trabajo en sí, por ejemplo la prolongación del álabe por la punta del álabe. La elevación del apéndice con respecto a la superficie de la pieza de trabajo que lo rodea significa entonces la prolongación más allá de la parte contigua de la pieza. Entonces, se puede hablar también de una prolongación en lugar de un apéndice. La idea en que se basa la invención, es decir, la eliminación espacial del punto de soldadura de la estructura monocristalina/de DS susceptible a las grietas, para crear zonas de pared fina, es válida de igual manera para un apéndice prolongado de la pieza de trabajo, como por ejemplo una elevación en forma de alma.

Según otra forma de realización de la invención, en lugar de un apéndice elevado, también puede resultar ventajosa una concavidad en la superficie de la pieza de trabajo, en la zona que ha de soldarse. En el caso de soldaduras por puntos, por ejemplo, se puede tratar de un taladro, y en el caso de una soldadura alargada se puede tratar de una ranura integrada en la superficie de la pieza. La unión por soldadura se realiza convenientemente en la cara interior o en la zona del canto exterior de la concavidad. La creación de una concavidad significa sustancialmente la generación de un espacio libre de material, en el que el material con estructura monocristalina/de DS, calentado por la soldadura, se pueda dilatar, pudiendo reducirse las tensiones térmicas sin que se produzcan grietas. Mientras que, por ejemplo, en el caso de una superficie plana de la pieza, una tal reducción de tensión puede realizarse únicamente mediante la dilatación o la contracción perpendicularmente respecto a la superficie de la pieza, por la concavidad es posible una dilatación o una contracción también en el plano de la superficie de la pieza; se consigue un grado de libertad de movimiento adicional para el material que se contrae o se dilata debido al calentamiento.

De forma ventajosa, los cantos y/o las esquinas originadas por la creación de la prolongación o del apéndice descrito anteriormente, están configurados de forma redondeada, ya que, como se sabe, por ejemplo los cantos interiores afilados de las ranuras conllevan una mayor susceptibilidad a las grietas.

A continuación, la invención se describe detalladamente con la ayuda de ejemplos de realización ventajosos, haciendo referencia a los dibujos. Muestran:

las figuras 1 y 2 una foto metalográfica transversal de la soldadura de una chapa policristalina a una pieza maciza monocristalina;

la figura 3 una foto metalográfica transversal de la soldadura de una chapa policristalina a un alma unida con una pieza monocristalina;

la figura 4 análoga a la figura 3, con un alma unida por colada e incorporada en la chapa,

la figura 5 una foto metalográfica transversal de la soldadura de una chapa policristalina a una pieza maciza monocristalina en la zona de una ranura incorporada en la superficie de la pieza.

Ejemplo 1

Se refiere a la unión por soldadura por haz electrónico de dos piezas de turbina que presentan, sustancialmente una estructura monocristalina (o una estructura de DS). Se puede tratar, por ejemplo, de la unión por soldadura de dos mitades de álabe de turbina. Los valores para los parámetros de soldadura aplicados de manera ventajosa en los experimentos realizados corresponden sustancialmente a los que se indican en las reivindicaciones 8 a 12; se aplicaron unas corrientes de haz relativamente bajos, del intervalo de 1 a 5 mA, y unas tensiones de aceleración relativamente altos, del intervalo de 100 a 150 kV (igual que en los demás ejemplos). De ello resulta una capacidad de soldadura en el intervalo de 0,1 a 1 kV. Alternativamente, pueden aplicarse unas tensiones de aceleración en el intervalo de 20 a 40 kV y unas intensidades de haz en el intervalo de 20 a 40 mA. También pueden resultar apropiados otros valores para la tensión de aceleración y la intensidad del haz, generándose preferentemente una capacidad de soldadura situada en el intervalo de 0,1 a varios kW. La desviación del haz superpuesta al movimiento de soldadura es, preferentemente, sinusoidal o circular.

Ejemplo 2

Se refiere a la unión por soldadura de una pieza de turbina maciza, monocristalina en la zona que ha de soldarse, por ejemplo un álabe de turbina, con una pieza de turbina policristalina, por ejemplo un elemento de refrigeración de chapa. Otra aplicación consiste en la fijación de álabes monocristalinas al rotor o al estator.

Las figuras 1 y 2 muestran una pieza maciza 1 de un monocristal. Antes de la soldadura, la superficie de la pieza estaba sustancialmente plana en la zona a soldar, siendo el grosor de la pieza claramente superior a 3 mm. Por lo tanto, se trata de una geometría especialmente susceptible a las grietas, ya que la zona de la superficie de la pieza, calentada por la soldadura, posee sólo en una dirección, en las figuras 1 y 2 en la dirección vertical, cierto juego de dilatación y de contracción, mientras que cada dilatación o contracción en el plano de la superficie de la pieza no puede reducirse. En el caso de la figura 1, la pieza 1 se compone de la superaleación N5 (General electric) basada en níquel con los aditivos Cr (parte en peso del 7%), Co (7,5%), Mo (1,5%), W (5%), Ta (6,5%), Al (6,2%), Re (3%), Hf (0,15%). En el caso de la figura 2, la pieza 1 se compone de la superaleación de Ni CMSX-4 (Rolls Royce) con los componentes Cr (6,5%), Co (9%), Mo (0,6%), W (6%), Ta (6,5%), Al (5,6%), Ti (1%), Re (3%), Hf (0,1%).

Tanto en la figura 1 como en la figura 2, una chapa 2 de Inco 625 del grosor de 0,4 mm se unió a la pieza 1 en la zona 3 por soldadura por haz electrónico, con los valores para los parámetros del haz mencionados en la aplicación 1. La actuación del haz electrónico conduce en la zona 3 a la fusión local de la chapa, así como de una zona de la pieza monocristalina 1, situada cerca de la superficie. La solidificación del material mezclado íntimamente por la fusión conduce a la generación de la unión por soldadura 3. Como se puede ver tanto en la figura 1 como en la figura 2, la calidad de la soldadura es impecable y no se puede ver indicio alguno de grietas en la pieza monocristalina. En el amago de grieta en la zona situada a la izquierda extrema de la soldadura en la transición hacia la chapa en la figura 2 no se trata de un fallo causado por la soldadura.

El ancho de la zona fundida en la pieza monocristalina 1, directamente en la superficie de la pieza, es determinado especialmente por el ancho del haz electrónico en la superficie de la pieza, que puede variarse modificando la posición focal. La profundidad de la fusión de la pieza monocristalina 1 depende entre otras cosas del valor de la tensión de aceleración del haz electrónico, así como del tiempo de exposición. En las presentes soldaduras (figuras 1 y 2), el ancho de la zona fundida de la pieza monocristalina 1 es mayor que la profundidad, situándose la relación entre el ancho y la profundidad en el intervalo de 1 a 2. Sorprendentemente, con estos valores se consiguieren generalmente mayores resultados que en los experimentos, en los que la profundidad de fusión era mayor que el ancho; teóricamente, más bien cabría esperar una menor susceptibilidad a las grietas en el caso de fusiones relativamente profundas.

Ejemplo 3

El ejemplo 3 (así como el siguiente ejemplo 4) se refiere a la variante ventajosa antes descrita de la invención, que dado el caso merece protección propia. En las soldaduras representadas en las figuras 3 y 4, la pieza 1 asimismo es una superaleación de Ni maciza, monocristalina. Se trata igualmente de una pieza gruesa (es decir, más gruesa de 2 ó 3 mm) y, por tanto, de una geometría susceptible a las grietas. A la superficie de la pieza, en la zona a la que ha de unirse por soldadura la chapa 2, se ha unido por colada un alma 4 que originalmente poseía una sección transversal sustancialmente rectangular, estando redondeados los cantos interiores 5 para reducir la concentración de la tensión. Ahora, la chapa no se une por soldadura directamente a la pieza 1, sino al alma 4. Los valores de los parámetros de soldadura correspondían a aquellos del ejemplo anterior. Tanto en este como en los demás ejemplos, puede resultar ventajoso un tratamiento preparatorio del punto de soldadura, por ejemplo una limpieza de las superficies mediante lijado y/o limpieza con trapos impregnados en alcohol.

En el caso de la figura 3, la chapa se ha colocado con el canto que ha de soldarse sobre el lado superior del alma, y la soldadura se ha realizado de tal forma que el alma en la zona de la esquina superior, opuesta a la chapa, se había aplicado en gran parte por fusión, quedando intacta, sin embargo, la esquina superior enfrentada a la chapa 2. Por la solidificación de las sustancias mezcladas de chapa 2 fundida y el alma 4 fundida se genera una sólida unión por soldadura en la zona 3. La colocación de la chapa 2 en la parte intacta del lado superior del alma 4 constituye una distancia definida, correspondiente a la altura del alma, entre la chapa 2 y la cara superior de la pieza 1.

En el caso de la figura 4, el alma tenía originalmente la misma altura como en el caso de la figura 3. Entonces, el alma se ha fundido en gran parte desde arriba mediante soldadura, garantizando la gran cantidad del material fundido una unión soldada especialmente sólida. Al contrario de la figura 3, la chapa 2 no yace sobre un canto del alma, sino que está incorporada al alma por fusión sin transición y sin punto de costura, por lo que aumenta especialmente la resistencia a la vibración (el canto de alma superior en la figura 3 puede llevar, en caso de una carga por vibración de la chapa 2, fácilmente al pandeo o a la rotura de la chapa en dicha zona).

En ambos casos (figuras 3 y 4), la unión de soldadura de la chapa 2 al alma 4 elevado respecto a la superficie de la pieza, conduce en comparación con los ejemplos de las figuras 1 y 2, a una clara distancia del punto de soldadura 3 (y, por tanto, de la zona de solicitación térmica) de la superficie de la pieza. En ambos casos, al menos la base no fundida del alma 3 constituye una barrera térmica que protege la pieza 1 de un calentamiento excesivo y la consecuencia de tensiones mecánicas y formaciones de grietas. La solicitación térmica del alma es, en cualquier caso, menos crítica, porque las tensiones pueden reducirse por la contracción o la dilatación del material calentado, por el movimiento en el plano paralelo a la superficie de la pieza.

En lugar de la unión por colada, el alma 4 puede aplicarse también por soldadura de recargue, por ejemplo de un alambre en la superficie de la pieza. Los experimentos correspondientes mediante un
sistema de suministro de alambre, asimismo tenía éxito, para lo que a diferencia de los demás ejemplos se usaron corrientes de haces del intervalo de 2 a 6 mA y una distancia de trabajo en la zona más limitada de 500 a 1200 mm (en comparación con la distancia de trabajo de 200 a 1500 mm de los demás ejemplos). Adicionalmente a la desviación del haz, sinusoidal y circular, superpuesta al movimiento de soldadura, se empleó también una desviación triangular del haz.

Ejemplo 4

Se refiere a la fijación de una pieza de turbina a una concavidad incorporada en la superficie de una pieza de turbina monocristalina. En la figura 5, la chapa 2 que yacía sobre la superficie de la pieza se tenía que soldar con la pieza 1. Para ello, en la zona del punto de soldadura previsto, a la superficie de la pieza 1 se incorporó una ranura de sección inicialmente aproximadamente rectangular, pero con cantos interiores 5 redondeados. Con la ayuda del haz electrónico se fundieron tanto el canto de la chapa 2, que tenía que fijarse, como la pieza 1, en la zona de una de los cantos exteriores de la ranura 6. También aquí, la unión por soldadura se realiza por la solidificación del material fundido, mezclado íntimamente, de la chapa 2 y la pieza 1, en la zona del canto exterior de la ranura. La fusión se realizó a través de todo el lado interior de la ranura, hasta el fondo de la ranura.

La unión por soldadura de la chapa a la superficie lateral de una ranura incorporada a la superficie de la pieza, en lugar de la unión por soldadura directamente a la superficie de la pieza (figuras 1 y 2), tiene la ventaja de que la parte de la pieza 1 monocristalina, calentada por soldadura, es decir, en el ejemplo de la figura 5, la zona de la pieza que se ve a la izquierda de la ranura, se puede mover también en el plano de la superficie de la pieza para reducir concentraciones de tensión, es decir, hacia la derecha (dilatación) o hacia la izquierda (contracción) en el ejemplo de la figura 5.

Claims (19)

1. Uso de la soldadura por haz electrónico para unir piezas metálicas con las siguientes características:

a)

las piezas metálicas están destinadas al uso de una turbina térmica,

b)

al menos una de las piezas metálicas que han de unirse se compone de una superaleación basada en Ni y/o CO,

b1)

dicha pieza metálica presenta al menos en la zona que ha de soldarse una estructura monocristalina o una estructura fabricada por solidificación direccional (directional solidification, DS),

caracterizada porque una de las piezas metálicas con estructura monocristalina/de DS presenta en la zona que ha de soldarse un apéndice elevado en comparación con la superficie de la pieza que lo rodea.

2. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1, caracterizado porque el apéndice está formado por un alma que se extiende entre dos ranuras paralelas en la superficie de la pieza.

3. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1, caracterizado porque el apéndice está formado por un alma aplicada en la pieza.

4. Uso de la soldadura por haz electrónico para unir piezas metálicas con las siguientes características:

a)

las piezas metálicas están destinadas al uso de una turbina térmica,

b)

al menos una de las piezas metálicas que han de unirse se compone de una superaleación basada en Ni y/o CO,

b1)

dicha pieza metálica presenta al menos en la zona que ha de soldarse una estructura monocristalina o una estructura fabricada por solidificación direccional (directional solidification, DS),

caracterizada porque una de las piezas metálicas con estructura monocristalina/de DS presenta en la zona que ha de soldarse una concavidad en la superficie de la pieza.

5. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 4, caracterizado porque la concavidad está formada por una ranura en la superficie del material.

6. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los cantos y/o las esquinas del apéndice o de la concavidad están redondeados.

7. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque las dimensiones del apéndice o de la concavidad en el plano de la superficie de la pieza se sitúan en el intervalo de 0,5 a 1,5 mm.

8. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la velocidad de soldadura se sitúa en el intervalo de 4 a 20 mm/seg., preferentemente de 5 a 10 mm/seg.

9. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la tensión de aceleración del haz electrónico se sitúa en la zona de 30 a 150 kV, preferentemente de 100 a 150 kV.

10. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el foco del haz se encuentra a una distancia de 0 a 40 mm delante o detrás de la superficie de contacto que ha de soldarse.

11. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la intensidad del haz electrónico se sitúa en el intervalo de 1 a 40 mA, preferentemente de 1 a 5 mA.

12. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la distancia de la lente de enfoque del haz electrónico respecto a la superficie de contacto que ha de soldarse se sitúa en el intervalo de 200 a 1500 mm, preferentemente de 500 a 1200 mm.

13. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque las piezas metálicas que han de soldarse no experimentan ningún calentamiento más allá del calentamiento causado por el haz electrónico, ni antes ni durante la soldadura.

14. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque se lleva a cabo en un vacío mejor que 10^{-2} mbares, preferentemente mejor que 10^{-3} mbares, particularmente mejor que 10^{-4} mbares en el punto de soldadura.

15. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la parte en peso de la sustancia básica Ni o Co en la superaleación es superior al 40%, preferentemente superior al 50%, particularmente superior al 60%.

16. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque la parte en peso del aditivo Cr en la superaleación se sitúa en un intervalo de 5 a 30%.

17. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque la parte en peso del aditivo Al en la superaleación se sitúa en el intervalo de 0,5 a 10%, preferentemente de 3 a 8%, particularmente de 4,5 a 6,5%.

18. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque la parte en peso total de los aditivos Al, Ti y Ta en la superaleación se sitúa en un intervalo de 4 a 20%, preferentemente de 4 a 8%.

19. Procedimiento de soldadura según una de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque la parte en peso total de los aditivos Mo, W y Ta en la superaleación se sitúa en el intervalo de 2 a 20%, preferentemente de 9 a 17%, particularmente de 11 a 15%.