Werkwijze voor het aan elkaar lassen van componenten
Technisch gebied 5 De uitvinding heeft betrekking op het gebied van de materiaaltechniek. Ze heeft betrekking op een werkwijze voor het aan elkaar lassen van twee componenten uit hooggelegeerde warmvaste martensitisch/ferritische staalsoorten, austenitische staalsoorten en superlegeringen op nikkel, nikkel-ijzer- en kobaltbasis. Dergelijke lasver-bindingen zijn bijvoorbeeld noodzakelijk voor het samenvoegen van schijven of andere 10 delen voor rotoren van turbomachines.
Stand van de techniek
Het is bekend uit de stand van de techniek dat warmvaste martensitisch/ferriti-15 sche staalsoorten, in het bijzonder de klasse van de 12%-chroomstalen, slechts zeer slecht met austenistische staalsoorten of superlegeringen op nikkel-, nikkelijzer- en kobaltbasis aan elkaar gelast kunnen worden. Afhankelijk van de toegepaste laswerk-wijze kunnen scheuren in het basismateriaal, de warmte-invloedzone of in het Iasmate-riaal optreden (J. Tösch en E. Perteneder: Beeinflussung des Ferritgehaltes im austeniti-20 schen Schweissgut, sowie Einsatzgebiete verschiedener umhüllter, hochlegierter Stab-elektroden. Voordracht, Schweisstechnische Tagung Böhler Schweisstechnik Austria GmbH, Kapfenberg 1996). Deze scheuren zijn ongewenst, aangezien aan lasnaden met betrekking tot foutloosheid zeer hoge eisen worden gesteld. Dit geldt op grond van de hoge mechanische en thermische eisen in het bijzonder voor aan elkaar gelaste rotor-25 delen.
Uit US 4.962.586 is een werkwijze voor het aan elkaar lassen van rotorsegmenten uit twee verschillende laaggelegeerde staalsoorten bekend, waarbij een geplatteerde laag op het eerste rotorsegment wordt gelast, deze laag mechanisch wordt bewerkt en met warmte wordt behandeld en aansluitend een verbindinglasbewerking tussen de 30 beide rotorsegmenten wordt uitgevoerd. Het toeslagmateriaal voor het platteren en het verbindingslassen is eveneens laaggelegeerd. Nadat het lassen is beëindigd, wordt de verbindingsnaad met warmte behandeld en mechanisch verwerkt. Als laswerkwijzen worden metaal-inert-gas-werkwijzen, bij voorkeur een wolfraam-inert-gas-lasbewer-
_. ' ''iT
2 king (WIG) toegepast. Nadelig aan deze werkwijze is de noodzakelijke warmtebehandeling van de plattering en de verbindingslasnaad. In het bijzonder de warmtebehandeling na het verbindingslassen is tijdrovend en wegens de grootte van de samengevoegde roiordelen complex. Bovendien is het overeenkomstig US 4.962.586 gebruikte toe-5 slagmateriaal voor het aan elkaar lassen van martensitisch/ferritische warmtevaste staalsoorten met austenistische staalsoorten respectievelijk superlegeringen niet geschikt.
Beschrijving van de uitvinding 10
Aan de uitvinding ligt de doelstelling ten grondslag een werkwijze voor het aan elkaar lassen van componenten uit hooggelegeerde warmtevaste martensitisch/ferritische staalsoorten, in het bijzonder staalsoorten met 12% Cr, austenitische staalsoorten en superlegeringen op nikkel-, nikkel-ijzer- en kobaltbasis te ontwikkelen, die met een 15 zo gering mogelijk aantal warmtebehandelingsstappen uitgevoerd kan worden en die tot lasnaden leidt, die praktisch vrij van macroscheuren zijn.
Overeenkomstig de uitvinding wordt dit door de volgende werkwij zestappen bereikt: - platteren van de eerste component en naar keuze ook van de tweede component, 20 waarbij als toeslagmaterialen voor het platteren nikkelbasis-materialen met de volgende samenstelling (aanduidingen in gew.-%) worden gebruikt: 16-22 Cr; <0,02-0,06 C; <0,2-0,4 Si; tenminste vier van de elementen Nb, Fe, Mn, Mo, Co, Al waarbij geldt: 2-4 Nb; 0,8-6 Fe; 0-3 Mn; 1-9 Mo; 0-11 Co; 0-1 Al; rest nikkel en fabricage-gerela-teerde verontreinigingen 25 - Uitvoeren van een kwaliteitswarmtebehandeling van het geplatteerde basismateriaal, indien noodzakelijk - Verbindingslassen van de geplatteerde eerste component met de geplatteerde of niet geplatteerde tweede component, waarbij als toeslagmateriaal voor het verbindingslassen wederom de genoemde nikkelbasis-materialen worden gebruikt 30 - spanningsarm-gloeien.
De aan elkaar gelaste componenten kunnen ofwel uit hetzelfde basismateriaal, bijvoorbeeld een warmvast martensitisch/ferritisch staal, bestaan of de eerste component en de tweede component bestaan telkens uit een verschillend basismateriaal, bij- 3 voorbeeld bestaat de eerste component uit een warmtevast martensitisch/ferritisch staal en de tweede component uit een austenitisch staal.
De voordelen van de uitvinding bestaan eruit, dat de bovengenoemde materiaal-combinaties vrij van macroscheuren aan elkaar vastgelast kunnen worden. Daardoor 5 wordt aan de hoge kwaliteitseisen, die bijvoorbeeld op grond van de hoge thermische en mechanische belasting aan gelaste rotoren van turbomachines worden gesteld, voldaan. Een verder voordeel bestaat eruit, dat voor de genoemde toeslagmaterialen geen warmtebehandeling noodzakelijk is, zodat het voldoende is, na het verbindingslassen een op het basismateriaal afgestemde spanningsarmgloeiing na te schakelen. Een tijd-10 rovende en dure kwaliteitswarmtebehandeling na het verbindingslassen is dan niet meer noodzakelijk. Bovendien kunnen met de werkwijze overeenkomstig de uitvinding ook materialen met verschillende warmtebehandelingsparameters onder behoud van de mechanische waarden van het basismateriaal aan elkaar worden gelast.
Het is doelmatig wanneer het toeslagmateriaal voor het platteren en voor het na-15 volgende verbindingslassen een van de volgende samenstellingen heeft (aanduidingen in gew.-%): - <0,02 C; <0,2 Si; 3 Mn; 20 Cr; 0,8 Fe; 2,7 Nb, rest Ni en fabricage-gerelateerde verontreinigingen - <0,04 C; < 0,4 Si; 3 Mn; 16 Cr; 1,5 Mo; 6 Fe; 2,2 Nb, rest Ni en fabricage-gerelateer-20 de verontreinigingen - <0,02 C; < 0,2 Si; 22 Cr; 9 Mo; 1 Fe; 3,5 Nb, rest Ni en fabricage-gerelateerde verontreinigingen - <0,06 C; < 0,3 Si; 0,5 Mn; 22 Cr; 1 Fe; 8,5 Mo, 11 Co; 1 Al, 0,4 Ti; rest Ni en fabricage-gerelateerde verontreinigingen.
25 Deze toeslagmaterialen op nikkelbasis zijn bijzonder goed geschikt, omdat ze geen voorverwarming voor het aan elkaar lassen en ook geen warmtebehandeling na het lassen vereisen. Bovendien hebben ze een hoge ductiliteit, bedekken ze een bepaald sterktegebied en zijn ze minder gevoelig voor hetescheur-vorming dan andere mogelijke toeslagmaterialen. Tot slot hebben ze ook geen hardheidspieken (geen omzetting). 30 Het is voordelig wanneer voor het platteren een lassen-onder-poederdek-werk- wijze ((Unterpulver(UP)-Schweissverfahren)) met band of met draad of een elektro-slak-laswerkwijze ((Elektroschlacke(ES)-Schweissverfahren)) met band of met draad wordt gebruikt. De keuze van de lasparameters en van de toegepaste las werkwijze ’ ' 'k*·' 4 beïnvloedt de opmenging van het nikkelbasislasmateriaal met ijzer uit het staal. Dit wederom beslist de hetescheurbetrouwbaarheid van het lasmateriaal.
Verder is het van voordeel wanneer bij het verbindingslassen eerst een wortellaag /^λλι· *-va 1/-1 λ 1 irrtM ί 1 τλ 1 Α·η η μλ γτοπ/W1Τ (~W 1 π on ravl/xi η ι 'Taw frv+ ο+λ μ sA ^ίγλ«·/1+ rr uwui uiiuuta van vvumtttuiriiivirgao^ ττ ίο^“ïaovvk/uwvij^wa ιυι oiaiiu ννυιαι gvuiuvui via 5 aansluitend een lassen-onder-poederdek-werkwijze wordt toegepast of slechts een WIG-lasbewerking wordt toegepast. Bij de mechanische controle van de overeenkomstig de uitvinding geplatteerde en aansluitend aan elkaar gelaste materialen vindt de breuk op voordelige wijze steeds met een overeenkomstige uitrekking in de zachtere plattering of in het zachte verbindingslasmateriaal plaats.
10
Korte beschrijving van de tekening
In de tekening zijn uitvoeringsvoorbeelden van de uitvinding weergegeven.
Figuur 1 toont lijnanalyses van een UP-bandplattering; 15 Figuur 2 toont lijnanalyses van een UP-draadplattering;
Figuur 3 toont lijnanalyses van een ES-bandplattering;
Figuur 4 toont een macroslijping van de met de werkwijze overeenkomstig de uitvinding aan elkaar gelaste basismaterialen.
20 Wijze voor het uitvoeren van de uitvinding
Flieronder wordt de uitvinding aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden en de figuren 1 tot en met 4 nader uiteengezet.
In de figuren 1 tot en met 3 zijn voor verschillende las werkwijzen (poederdek-25 plattering met band en met draad, elektroslak-plattering met band) de resultaten van lijnanalyses voor de elementen Cr, Ni en Fe aangegeven, waarbij telkens de concentratie van de elementen afhankelijk van de afstand tot het oppervlak werd aangegeven. Als basismateriaal werd het hooggelegeerde martensitisch/ferritische staal Stl3TNiEL met de volgende chemische samenstelling (aanduidingen in gew.-%) gebruikt: 5 0,10-0,14 C <0,15 Si <0,25 Mn 11-12 Cr 5 2-2,6 Ni 1,3-1,8 Mo 0,2-0,35 V 0,02-0,05 N rest Fe.
10 Een eerste component uit dit staal werd door middel van de bovengenoemde las- werkwijzen geplatteerd, waarbij als toeslagmateriaal voor het platteren het nikkelbasis-materiaal SG-NiCr20Nb met de volgende chemische samenstelling (aanduidingen in gew.-%) werd gebruikt: <0,02 C; <0,2 Si; 3 Mn; 20 Cr, 0,8 Fe; 2,7 Nb, rest Ni. De keuze van het lastoeslagmateriaal hangt ervan af, welke belasting telkens op de lasnaad 15 inwerkt.
Het platteren met band heeft ten opzichte van het platteren met draad het voordeel, dat in dezelfde tijdseenheid meer materiaal aangebracht kan worden.
De opmenging van het nikkelbasis-lasmateriaal met ijzer uit het staal beslist over de hetescheurbetrouwbaarheid van het lasmateriaal. Bij het elektroslak-lassen is de op-20 menging geringer dan bij het poederdek-lassen.
Bij het lassen van een eerste laag van het nagenoeg ijzervrije lasmateriaal op het staal wordt, afhankelijk van de gebruikte laswerkwijze, een deel van het staal opgesmolten en met het aangebrachte lasmateriaal gemengd. Dit geeft de opmenging van de eerste laag. Wordt een tweede laag lasmateriaal aangebracht, dan wordt, weer afhanke-25 lijk van de laswerkwijze, een deel van de eerste laag opgesmolten en met het ingebrachte lasmateriaal gemengd. De ijzeropmenging loopt daarbij terug.
In de navolgende tabel 1 zijn de mechanische waarden van het toeslagmateriaal SG-NiCr20Nb bij verschillende laswerkwijzen weergegeven: 6
Monster Strekgrens Treksterkte Breukrek in % Contractie in MPa in MPa in % UP-band, langs 435 658 38,1 47,7 UP-band, dwars 386 612 26,8 75,1 UP-band, dwars 395 613 26,4 67,1 UP-draad, dwars 435 631 24,5 72,4 ES-band, langs 441 656 40,0 47,7 ES-band, dwars 382 592 36,3 73,0 ES-band, dwars 367 557 27,5 47,6 WIG, dwars 364 577 43^3 75^1 WIG, dwars 438 641 26,5 56,8 ________ — _
Tabel 1
Daarbij betekenen: langs = monster ligt in het lasmateriaal 5 dwars = monster ligt dwars ten opzichte van het lasmateriaal
De breuk vond steeds in de plattering of in het lasmateriaal plaats. Alle in de tabel aangegeven waarden gelden voor geplatteerde en samengelaste componenten van het staal Stl3TNiEL, dat wil zeggen bij dit uitvoeringsvoorbeeld werd voor beide compo-10 nenten hetzelfde basismateriaal benut. De kwaliteitswarmtebehandeling van het Stl3TNiEL vondt vóór het platteren plaats, na het lassen vond slechts een spannings-armgloeiing bij 610°C plaats.
Figuur 4 toont als voorbeeld een macroslijpbewerking van een met ES-bandplat-tering en aansluitende UP-draadlasbewerking verbonden 12% Cr-rotorstaal na het 15 spanningsarmgloeien bij 600°C, 10 uur. Als toeslagmateriaal voor de plattering en voor het verbindingsassen van de beide componenten uit 12% Cr-rotorstaal werd SG-NiCr20Nb gebruikt. Na het platteren werd geen kwaliteitswarmtebehandeling uitgevoerd. Aansluitend werd de wortellaag van de verbindingslasbewerking door middel van WIG-werkwijzen gelast, de verbindingslasbewerking vond plaats door middel van 20 UP-draadlasbewerking. Daarna was slechts nog de hierboven beschreven spannings-armgloeiing en geen kwaliteitswarmtebehandeling meer noodzakelijk. Wegens de hoge 7 kwaliteitseisen aan dergelijke platteringen en verbindingslasbewerkingen werd tijdens het lassen een vemielingsvrije foutbewaking, bijvoorbeeld door middel van een online-wervelstroomcontrole of visuele bewaking uitgevoerd.
In een verder uitvoeringsvoorbeeld werd het staal Stl3TNiEL met de superlege-5 ring op nikkel-ijzer-basis IN706 (hoofdlegeringselementen in gew.%: 15-18 Cr; 40-43 Ni; 1,5-1,8 Ti; 2,8-3,2 Nb, rest Fe) aan elkaar gelast. Een eerste component uit IN706, bijvoorbeeld een schijf van een rotor, werd in oplossingsgegloeide toestand met SG-NiCr20Nb door middel van UP-lasbewerking met draad geplatteerd. Aansluitend werd de geplatteerde IN706-schijf aan een warmtebehandeling, die voor de kwaliteit nood-10 zakelijk is, onderworpen (10 uur stabiliseringsgloeiing bij 820 +/- 15 °C met afkoeling aan lucht op ruimtetemperatuur en 10 uur uitscheidingsharding bij 730 +/- 15°C met afkoeling, op ruimtetemperatuur). De geplatteerde IN706-schijf werd dan met een verdere geplatteerde schijf uit Stl3TNiEL (of in een ander uitvoeringsvoorbeeld uit IN706) vastgelast, waarbij de wortellaag door middel van WIG-lassen en de verster-15 kingslagen door middel van UP-draadlassen werden aangebracht. Tot slot werd de totale aan elkaar gelaste component tien uur lang bij 610 +/- 15° C spanningsarmge-gloeid. De mechanische eigenschappen van de grondplaat en het opbouwlasmateriaal zijn in tabel 2 weergegeven: 8
Materiaal Monster Strekgrens Trek- Breukrek Contractie Kerfslag--nr. in MPa sterkte in in % in % werk in J
MPa kerf kerf horiz verti IN706 G 835 ÏÏ3Ö ÜÜ) 3^2 48/49/47 (na volledige warmtebehandeling) ~SG- ï 3ÏÖ 6Ö6 45~8 130 1147
NiCr20Nb ~SG- 2 336 620 3^6 35A 123 142
NiCr20Nb ~SG- 3 345 617 4Ï/7 5^5 122 178
NiCr20Nb
Tabel 2
Vanzelfsprekend is de uitvinding niet tot de beschreven uitvoeringsvoorbeelden 5 beperkt. Zo komen als lastoeslagmaterialen bij voorkeur ook - SG-NiCrl6FeMn met de volgende chemische samenstelling (aanduidingen in gew-%) <0,02 C; <0,2 Si; 3 Mn; 20 Cr; 0,8 Fe; 2,7 Nb, rest Ni en fabricage-gerelateerde verontreinigingen, - SG-NiCr21Mo9Nb met de volgende chemische samenstelling (aanduidingen in gew.- 10 %) <0,02 C; <0,2 Si; 22 Cr; 9 Mo; 1 Fe; 3,5 Nb, rest Ni en fabricage-gerelateerde ver ontreinigingen en - SG-NiCr22Col2Mo met de volgende chemische samenstelling (aanduidingen in gew.-%) 0,06 C; <0,3 Si; <0,5 Mn; 22 Cr; 1 Fe; 8,5 Mo, 11 Co; 1 Al, 0,4 Ti; rest Ni en fabricage-gerelateerde verontreinigingen 15 in aanmerking.
Naast het platteren van de eerste component, bijvoorbeeld uit warmvast marten-sitisch/ferritisch staal, kan ook de tweede component, bijvoorbeeld uit austenitisch staal of een superlegering, vóór het verbindingslassen worden geplatteerd.
De beschreven werkwijze is in het bijzonder geschikt voor het verbinden van ' 9 schijven en andere rotordelen voor rotoren van turbomachines, bijvoorbeeld gasturbines.