KR20140121349A - 동력 발생용 회전자의 용접 방법 - Google Patents

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베르너 마르틴 발바흐
클라우스 파울 게르데스
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Abstract

본 발명은 회전자 축(34)을 따라 배열된 복수의 회전자 디스크들(26,27)을 포함하는, 동력 발생용(가스 터빈들, 증기 터빈들, 발전기들) 회전자들(30)의 용접 방법에 관한 것으로서:
상기 디스크들(26)에 용접 이음부 표본을 제공하는 단계로서, 상기 용접 이음부 표본은 뿌리부(33), 상기 뿌리부(33)와 반경방향으로 인접한 제 1 간극형 용접 섹션(32), 및 상기 제 1 간극형 용접 섹션(32)과 반경방향으로 인접한 제 2 간극형 용접 섹션(31)을 포함하는, 상기 제공 단계;
제 1 용접 공정에 의해서 상기 뿌리부(33)를 용융시키는 단계;
제 2 용접 공정에 의해서 상기 제 1 간극형 용접 섹션(32) 내에 용접부를 만드는 단계; 그리고
제 3 용접 공정에 의해서 상기 제 2 간극형 용접 섹션(31)을 채우는 단계를 포함한다.
상기 제조 방법의 단순성 및 융통성은 상기 제 1 용접 공정을 레이저 용접(LW), 전자 빔 용접(EB), 마찰 용접 및 레이저 하이브리드 용접 중 하나로 선택하고 그리고/또는 상기 제 2 용접 공정을 레이저 용접 또는 레이저 하이브리드 용접 중 하나로 선택함으로써 달성된다.

Description

동력 발생용 회전자의 용접 방법{METHOD FOR WELDING ROTORS FOR POWER GENERATION}
본 발명은 터보머신의 기술에 관한 것이다. 이는 청구항 1의 전제부에 따른 동력 발생용 회전자의 용접 방법에 관한 것이다.
종래 기술에서, 단조 및 NDT(비파괴 시험) 시험된 디스크들은 용접 이음부 표본을 위하여 가공된다. 상기 디스크들은 서로의 상단에서 스테이플(staple)되고 서로에 대해서 런-아웃(run-out)되며 전체적으로 검사되고 필요하다면 조정된다. 이제, 디스크들이 수직 위치에 있는 상태에서 용접의 뿌리는 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접을 사용하여 용접 충전재 없이 용융된다. 이후에, 반경방향으로의 용접 높이는 페어런트(parent) 금속 용접 충전재(회전자의 기울기를 허용하는 보강층들)를 갖는 매우 좁은 간극 TIG를 사용하여 회전자의 기울기가 수평 위치에 있게 하도록 증가된다. 회전자를 수평 위치로 기울이게 한 후에, 용접은 마무리되고, 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding;SAW)을 행하여 용접부를 채운다. 마지막으로, 회전자의 용접부들은 US(초음파) 시험을 이용해 NDT 검사된다.
동력 발생 설비를 위한 회전자들의 종래 기술의 용접은 문헌 EP 0 665 079 A1 및 EP 2 215 329 A1에 더욱 상세하게 기술되어 있다.
문헌 EP 0 665 079 A1 및 EP 2 215 329 A1(WO 2009/065739 A1)은 동력 발생용(가스 터빈들, 증기 터빈들, 발전기들) 회전자들의 용접 원리에 대해서 기술하며, 상기 회전자들은 회전자 축을 따라 배열된 복수의 회전자 디스크들을 포함하고, 그에 의해서 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접, 특히 용접 결합부의 뿌리 영역(root area)에 대한 매우 좁은 간극 TIG 용접을 사용하고, 그후 서브머지드 아크 용접(SAW)을 행하여 용접 이음부를 채운다.
도 1(EP 0 665 079 A1와 유사함)은 용접된 회전자(10)의 2개의 인접 회전자 디스크들(11,12) 사이의 용접 이음부(13)를 갖는 종래 기술의 용접 결합부를 도시하고 있다. 용접 전에 2개의 디스크들(11,12)은 높이(h)의 중심설정 스텝 결합부(20)와 접대하고, 그에 의해서 디스크들(11,12)의 매우 좁은 간극 구성요소 면들(23,24)에 의해서 형성되는 매우 좁은 간극(19)과, 디스크들(11,12)의 좁은 간극 구성요소 면들(15,16)에 의해서 형성되는 좁은 간극(14)을 생성한다.
매우 좁은 간극(19)은 TIG 용접 이음부(25)로 채워지고, 각각의 용접 이음부는 전체 매우 좁은 간극 폭(b)에 걸쳐 연장된다. 좁은 간극(14)은 SAW 용접 이음부들(17,18)로 채워지고, 상기 SAW 용접 이음부들은 좁은 간극 폭(a)보다 작고 대향하는 좁은 간극 구성요소 면들(15,16)에 대해서 교대로 부딪치고, 좁은 간극(14)의 중간부에서 중첩된다. TIG 용접 중에 용접 결합부의 뿌리부에서 융합 영역(22)은 융합된다. 또한, 용접 결합부의 뿌리부에는, 경감 리지(relieving ridge) 폭(c) 및 높이(d) 및 경감 리지 각도(α)를 갖는 경감 리지(21)가 제공된다.
매우 좁은 간극 TIG 용접(용접 이음부;25)은 통상적으로 회전자 디스크들의 수직 축적부에서 용접되고(예로서 WO 2009/065739 A1의 도 2 참조) 차후 채워진 SAW 용접(SAW 용접 이음부;17,18)은 수평 위치에서 채워진다(예로서 WO 2009/065739 A1의 도 3 참조). TIG-SAW 변이부는 SAW 영역에 대한 U형 용접 결합부 표본이 제시된다.
이러한 종래 기술의 용접 결합부의 전형적인 치수는 다음과 같다:
TIG 매우 좁은 간극의 전형적인 폭: b = 10mm
SAW 좁은 간극의 전형적인 폭: a = 17mm
문헌 EP 0 665 079 A1은 아크 융합 용접에 의한 금속 구성요소의 결합과 관련된 방법을 개시하고 있으며, 상기 아크 융합 용접은 DE 26 33 829 A1에 명시된 공정에 따라 구성요소 측면에 교대로 적용된 용접 비드로 구성된 작은 체적의 이음부를 제조한다. 일반적인 간극 이외에, 구성요소들에는 인접 단부 간극과 중심설정 인서트가 제공된다. 구성요소들은 상기 인서트를 이용하여 배치되고, 경감 팽윤부(relief swelling)가 이음부 저부의 영역에 형성되고, 상기 용접 공정에 의해서 필요한 관통 융합 위치가 얻어진다. 결과적으로 구성요소 측면은 완전 자동 TIG 용접에 의해서 결합되거나 또는 MPG 용접은 그 폭이 단부 간극의 전체 폭(b)을 덮는 다층 용접 비드를 생성한다.
문헌 EP 2 215 329 A1 또는 WO 2009/065739 A1은 각각 디스크 및/또는 드럼형 요소들, 특히 디스크들을 용접함으로써 제조된 회전자의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 디스크들은 장치에 의해서 길이방향 축을 따라 연속적으로 조립되고 2 단계 용접 공정에서 용접된다. 상기 디스크들은 조립중에 수직 방향으로 축방향으로 축적된다. 제 1 용접 공정은 축적된 디스크들의 수직 배향으로 진행되고, 그후 축적된 디스크들의 수평 방향으로 제 2 용접 공정이 따른다.
오늘날, 터보머신용 용접 회전자의 분야에는, 다른 이용가능한 강력한 용접 절차가 있으며, 이 용접 절차는 뿌리부의 용융 및 보강층들의 충전에 대한 텅스텐 불활성 가스(TIG)를 고품질 및 저비용으로 대체할 수 있다.
금속 활성 가스(MAG) 완전 자동 공정은 뿌리부 용융 후의 용접 및 보강층의 용접을 채우기 위한 서브머지드 아크 용접(SAW)을 대체하는 강력한 공정이다. MAG 용접은 또한 필요하다면 수직 위치로 적용될 수 있다. 이 경우에, SAW 용접 전에 기울기를 허용하기 위해 보강층들이 필요하지 않지만, 뿌리부 영역의 용융 직후에, 용접부는 MAG에 의해서 수직 위치로 채워질 수 있다.
본 발명의 목적은 더욱 융통성이 있고 실행하기 용이한 용접된 회전자의 제조 방법을 개시하는 것이다.
이 목적은 청구항 1에 따른 방법에 의해서 달성된다.
본 발명에 따른 방법은 회전자 축을 따라 배열된 복수의 회전자 디스크들을 포함하는, 동력 발생용(가스 터빈들, 증기 터빈들, 발전기들) 회전자들의 용접 방법으로서:
상기 디스크들에 용접 이음부 표본(preparation)을 제공하는 단계로서, 상기 용접 이음부 표본은 뿌리부, 상기 뿌리부와 반경방향으로 인접한 제 1 간극형 용접 섹션, 및 상기 제 1 간극형 용접 섹션과 반경방향으로 인접한 제 2 간극형 용접 섹션을 포함하는, 상기 제공 단계;
제 1 용접 공정에 의해서 상기 뿌리부를 용융시키는 단계;
제 2 용접 공정에 의해서 상기 제 1 간극형 용접 섹션 내에 보강 용접부를 만드는 단계; 그리고
제 3 용접 공정에 의해서 상기 제 2 간극형 용접 섹션을 채우는 단계를 포함한다.
본 방법은 상기 제 1 용접 공정이 레이저 용접(LW), 전자 빔 용접(EB), 마찰 용접 및 레이저 하이브리드 용접 중 하나이고 그리고/또는 상기 제 2 용접 공정은 레이저 용접 및 레이저 하이브리드 용접 중 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 상기 제 1 용접 공정은 레이저 용접(LW), 전자 빔 용접(EB), 마찰 용접 및 레이저 하이브리드 용접 중 하나이고, 그리고 상기 제 2 용접 공정은 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG)이다. 본 발명의 다른 실시예에 따라서, 상기 제 2 용접 공정은 레이저 용접 및 레이저 하이브리드 용접 중 하나이고 상기 제 1 용접 공정은 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG)이다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 상기 제 3 용접 공정은 완전 자동 금속 활성 가스 용접(MAG)이다.
본 발명의 또다른 실시예에 따라서, 상기 제 3 용접 공정은 냉간 금속 전달 용접(CMT)이다.
본 발명의 추가 실시예에 따라서, 상기 제 3 용접 공정은 레이저 하이브리드 용접이다.
본 발명의 또다른 실시예에 따라서, 상기 제 2 용접 공정은 레이저 용접(LW)이고, 이 공정은 분말 또는 와이어 충전재 금속으로 행해진다.
본 발명은 상이한 실시예들에 의해서 그리고 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 회전자 디스크들 사이의 용접 결합부를 도시한다.
도 2는 도 1에 사용된 용접 결합부 구성 및 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 결합부 구성 사이의 비교를 도시한다.
본 발명의 일반적인 사상은 절차를 단순화하고 그리고/또는 절차를 더욱 융통성이 있게 하기 위하여 터보머신의 용접 회전자의 종래 기술의 제조 공정에서 TIG 용접 공정 및/또는 SAW 용접 공정을 하나 이상의 유리한 용접 공정들에 의해서 적어도 부분적으로 대체하는 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 회전자 축(34)을 갖는 회전자(30)의 2개의 인접 디스크들(26,27) 사이의 용접 결합부 구성은 상이한 섹션들, 즉 뿌리부(33), 제 1 간극형 용접 섹션(32)[종래 기술의 TIG 용접 영역(29)을 대체함] 및 제 2 간극형 용접 섹션(31)[종래 기술의 SAW 용접 영역(28)을 대체함]을 포함한다.
본 발명의 제 1 실시예는 SAW를 사용하여 [용접 섹션(31)에서] 이음부를 채우기 전에 [용접 섹션(32)에서] 뿌리부(33) 및 보강을 위한 TIG 용접을 다음 것으로 즉,:
● [용접 섹션(32)에서] 뿌리부(33)를 용융시키고 보강층들을 분말 또는 와이어 충전재 재료로 제조하기 위한 레이저 용접(LW)으로;
● [용접 섹션(32)에서] 뿌리부(33) 및 보강층들을 용융시키기 위한 전자 빔 용접(EB)으로;
● [용접 섹션(32)에서] 뿌리부(33)를 용융시키고 보강층들을 채우는 것을 대신하는, 마찰 용접, 선형 용접 또는 회전 용접으로;
● [용접 섹션(32)에서] 뿌리부(33)를 용융시키고 보강층들을 채우기 위한 레이저 하이브리드 용접으로;
● 서로에 대한 절차 및/또는 [용접 섹션(32)에서] 뿌리부(33) 및 보강층들을 용융시키기 위한 TIG 용접의 조합으로 대체하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 제 2 실시예는 완전 자동 금속 활성 가스 용접(MAG) 공정을 사용함으로써 [용접 섹션(31)에서] 용접부를 채우기 위한 SAW 용접을 대체하는 것에 관한 것이다.
따라서, [용접 섹션(32)에서] 뿌리부(33)의 TIG 용융 및 보강층들의 충전재 금속으로의 추가 용접은 오늘날 다른 사용가능한 것으로 행해질 수 있고 다음과 같은 용접 절차로서 입증될 수 있다:
● 레이저 용접(LW);
● 전자 빔 용접(EB);
● 마찰 용접, 특히 선형 마찰 용접;
● 레이저 하이브리드 용접;
● 상술한 용접 및 TIG의 조합.
사용된 충전재 금속은 와이어 또는 분말일 수 있다.
종래 기술의 회전자 상세구성에 따라서 최대 4개의 TIG 버너들이 용접을 위해 병렬로 사용된다. 상술한 대안 용접 절차들에 대해서, 회전자의 기하학적 형태에 따라서 다중의 버너들이 동일 방식으로 병렬로 사용될 수 있다.
MAG 용접은 뿌리부 용융 및 보강층의 용접 후에 회전자의 수평 위치에서 [용접 섹션(31)에서] 용접부의 SAW 충전을 대체할 수 있지만, SAW 용접을 위하여 수직 위치에서 수평 위치로 안전하게 회전자를 기울이는데 필요한 [용접 섹션(32)에서] 보강층 없이 그리고 SAW 용접 대신에 회전자의 수직 위치에서 또한 사용될 수 있다. 수직 위치에서의 SAW 용접이 가능하지만, 복잡하고 따라서 통상적으로 사용되지 않는다.
따라서, 개별 적용에 따라서, 현재 동력 발생용 회전자의 용접을 위한 SAW 용접과 조합하여 사용된 TIG 용접은 상술한 대안 용접 절차들, 그들의 조합들 및 용융을 위한 또는 보강층들에 대한 TIG와 조합으로 대체될 수 있다.
따라서, MAG 용접은 보강층들을 도포하지 않을 가능성과 함께, SAW에 대해서 공통적으로 사용되는 수평 위치에서, 그러나 또한 수직 위치에서 회전자 용접부들을 마무리하기 위하여 SAW 용접 대신에 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 [용접 섹션(31)에서] 용접부를 채우기 위한 SAW 용접을 냉간 금속 전달(CMT) 용접 공정을 사용하여 대체하는 것에 관한 것이다.
수직 위치에서 [용접 섹션(32)에서] 뿌리부(33) 및 보강 용접을 위한 레이저 용접(LW)의 장점들은 다음과 같다:
● TIG 용접 대신에 LW는 제 2 보강 용접을 대체하기에 충분한 용접 두께를 허용하기 때문에, 보강 용접이 필요하지 않다;
● 뿌리부 용접(TIG 대체)을 위해 용접 충전재가 필요없다;
● 매우 좁은 간극 TIG 용접(도 1 참조)이 더이상 필요하지 않기 때문에, 뿌리부 용접 영역 준비가 덜 복잡하다
● 레이저 용접(LW)이 TIG 용접보다 용이하다;
● 레이저 용접(LW)이 TIG 또는 EB 용접 보다 자기장에 덜 민감하다;
● 레이저 용접(LW)은 [EB 용접과 비교할 때] 진공을 필요로 하지 않는다.
수직 위치에서 뿌리부(33)를 위한 전자 빔 용접(EB)의 장점들은 다음과 같다:
● TIG 용접 대신에 EB는 보강 용접을 대체하기에 충분한 용접 두께를 허용하기 때문에, 보강 용접이 필요하지 않다;
● 뿌리부 용접(TIG 대체)을 위해 용접 충전재가 필요없다;
수직 위치에서 [용접 섹션(32)에서] 뿌리부(33) 및 용접을 위한 레이저 하이브리드 용접의 장점들은 다음과 같다:
● TIG 용접 대신에 레이저 하이브리드 용접은 TIG 뿌리부 및 TIG 보강 용접을 대체하기에 충분한 용접 두께를 허용하기 때문에, 보강 용접이 필요하지 않다;
● 레이저 하이브리드 용접이 용접 섹션(31)에서 SAW 대신에 사용될 수 있기 때문에, 용접부를 채우기 위해 용접 공정의 변화가 필요없다.
SAW 용접을 [용접 섹션(31)에서] 용접 이음부를 채우기 위한 다른 용접 공정으로 대체하는 장점들은 다음과 같다:
● SAW 용접과는 다르게, 수평 위치의 용접에 대한 필요성이 없다;
● 용접용 용제(welding flux)에 대한 필요성이 없다.
SAW 용접을 [용접 섹션(31)에서] 용접 이음부를 채우기 위한 레이저 하이브리드 용접 공정으로 대체하는 장점들은 다음과 같다:
● 수평 용접 설비에 대한 회전자(30)의 변위가 필요없다;
● 용접용 용제에 대한 필요성이 없다;
● SAW 용접과 비교할 때 (특히 큰 용접 깊이에 대하여) 가능한 용접 폭의 감소;
● 용접 충전재가 (체적에서) 적게 필요하고, 용접 수축이 적다;
● [용접 섹션(31)에서] 뿌리부 용접 및 용접 이음부를 채우기 위해 동일 공정이 사용가능하다.
SAW 용접을 [용접 섹션(31)에서] 용접 이음부를 채우기 위한 MAG 용접 공정으로 대체하는 장점들은 다음과 같다:
● 수평 용접 설비에 대한 회전자(30)의 변위가 필요없다;
● 용접용 용제에 대한 필요성이 없다;
● SAW 용접에 대해서 용제 코어 와이어에 의한 동일하거나 또는 더욱 양호한 용융 속도;
● SAW 용접과 비교할 때 (특히 큰 용접 깊이에 대하여) 가능한 용접 폭의 감소.
SAW 용접을 [용접 섹션(31)에서] 용접 이음부를 채우기 위한 냉간 금속 전달(CMT) 용접 공정으로 대체하는 장점들은 다음과 같다:
● 수평 용접 설비에 대한 회전자(30)의 변위가 필요없다;
● 용접용 용제에 대한 필요성이 없다;
● SAW 용접과 비교할 때 (특히 큰 용접 깊이에 대하여) 가능한 용접 폭의 감소;
● MAG 용접과 비교할 때 기본 재료 안으로의 열 입력의 감소.
10,30 회전자
11,12 회전자 디스크
13 용접 이음부
14 좁은 간극
15,16 구성요소 면(좁은 간극)
17,18 SAW 용접 이음부
19 매우 좁은 간극
20 중심설정 계단 결합부
21 경감 리지
22 융합 영역
23,24 구성요소 면(매우 좁은 간극)
25 TIG 용접 이음부
26,27 회전자 디스크
28 SAW 용접 영역
29 TIG 용접 영역
31,32 용접 섹션
33 뿌리부

Claims (7)

  1. 회전자 축(34)을 따라 배열된 복수의 회전자 디스크들(26,27)을 포함하는, 동력 발생용(가스 터빈들, 증기 터빈들, 발전기들) 회전자들(30)의 용접 방법으로서,
    상기 디스크들(26)에 용접 이음부 표본(preparation)을 제공하는 단계로서, 상기 용접 이음부 표본은 뿌리부(33), 상기 뿌리부(33)와 반경방향으로 인접한 제 1 간극형 용접 섹션(32), 및 상기 제 1 간극형 용접 섹션(32)과 반경방향으로 인접한 제 2 간극형 용접 섹션(31)을 포함하는, 상기 제공 단계;
    제 1 용접 공정에 의해서 상기 뿌리부(33)를 용융시키는 단계;
    제 2 용접 공정에 의해서 상기 제 1 간극형 용접 섹션(32) 내에 용접부를 만드는 단계; 그리고
    제 3 용접 공정에 의해서 상기 제 2 간극형 용접 섹션(31)을 채우는 단계를 포함하는, 상기 용접 방법에 있어서,
    상기 제 1 용접 공정은 레이저 용접(LW), 전자 빔 용접(EB), 마찰 용접 및 레이저 하이브리드 용접 중 하나이고 그리고/또는
    상기 제 2 용접 공정은 레이저 용접(LW) 및 레이저 하이브리드 용접 중 하나인 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 용접 공정은 레이저 용접(LW), 전자 빔 용접(EB), 마찰 용접 및 레이저 하이브리드 용접 중 하나이고, 그리고 상기 제 2 용접 공정은 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG)인 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 용접 공정은 레이저 용접 및 레이저 하이브리드 용접 중 하나이고 상기 제 1 용접 공정은 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG)인 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 용접 공정은 완전 자동 금속 활성 가스 용접(MAG)인 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 용접 공정은 냉간 금속 전달 용접(CMT)인 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 용접 공정은 레이저 하이브리드 용접인 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 용접 공정은 레이저 용접(LW)이고, 이 공정은 분말 또는 와이어 충전재 금속으로 행해지는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
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