WO2007110037A1 - Verfahren zum induktiven hochfrequenzpressschweissverbinden von metallischen bauelementen unter verwendung mindestens zweier unterschiedlichen frequenzen; damit hergestelltes bauteil - Google Patents

Verfahren zum induktiven hochfrequenzpressschweissverbinden von metallischen bauelementen unter verwendung mindestens zweier unterschiedlichen frequenzen; damit hergestelltes bauteil Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for connecting metallic components, in particular components of a gas turbine, wherein the connecting of corresponding connection surfaces of the components by means of an inductive high frequency pressure welding takes place.
  • the invention further relates to a component produced by the method.
  • inductive high-frequency pressure welding does not define the method or the component in the present case to a specific frequency range. Rather, frequencies in the low kHz range up to the high MHz range are used, so that the new term inductive pressure welding (IPS) could be introduced.
  • IPS inductive pressure welding
  • a method according to the invention for connecting metallic components, in particular components of a gas turbine uses an inductive high-frequency pressure welding with heating of at least one connecting surface for connecting corresponding connecting surfaces of the components.
  • at least two different frequencies induced by at least one inductor are used to heat the at least one connecting surface.
  • optimum heating of the entire connection surface or the entire joint cross-section for larger cross sections, in particular from about 200 mm 2 ensured. This in turn ensures a secure and permanent connection between the individual components.
  • the edge regions of the connection surface can be heated with a higher frequency and the inner regions of the connection surface with a lower frequency.
  • the frequencies are selected depending on the nature and geometry of the connecting surfaces.
  • the inventive method to securely and permanently connect components with significantly different geometries of the connecting surfaces with each other, since a homogeneous and simultaneous heating of the connecting surfaces to be joined together is ensured.
  • the simultaneous and homogeneous heating also ensures that there is a uniform upsetting of the joint area, so that an error-free welded connection can be achieved.
  • the different frequencies used can be induced by an inductor or by two or more.
  • the lower frequency is selected from a range between 7 kHz to 1.0 MHz and the higher frequency is selected from a range between 1.0 to 2.5 MHz.
  • the different frequencies act simultaneously or successively on the at least one connecting surface.
  • the multi-frequency technique according to the invention can thus be matched to different textures and geometries of the metallic components to be connected.
  • the first and the second component may consist of different or similar metallic materials. Also, components of similar metallic materials, which have been produced by different manufacturing processes, can be safely and permanently connected.
  • the first component is a blade of a rotor in a gas turbine and the second component is a ring or a disk of the rotor.
  • These components are so-called bladed rings or blisks of gas turbine engines.
  • An inventive component in particular a component of a gas turbine, consists of a first component and of a second component, wherein the first and the second component are welded by means of an inductive high frequency pressure welding.
  • at least two different frequencies induced by at least one inductor are used during the process of inductive high-frequency compression welding for heating at least one connecting surface of the components.
  • the first and the second component may consist of different or similar metallic materials. But it is also possible lent that the first and the second component consist of similar metallic materials and are produced by different manufacturing processes. This applies, for example, to forged components, components produced by casting, components consisting of single crystals and directionally solidified components.
  • the first component is a blade of a rotor in a gas turbine and the second component is a ring or a disk of the rotor.
  • These components are so-called bladed rings or blisks of gas turbine engines.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungs flächen der Bauelemente mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens unter Erwärmung von mindestens einer Verbindungsfläche erfolgt. Erfindungsgemäß werden zur Erwärmung der mindestens einen Verbindungsfläche mindestens zwei durch mindestens einen Induktor induzierte unterschiedliche Frequenzen verwendet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil, insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine, bestehend aus einem ersten Bauelement und einem zweiten Bauelement, wobei das erste und das zweite Bauelement mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens verschweißt sind. Erfindungsgemäß werden während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens zur Erwärmung von mindestens einer Verbindungsfläche der Bauelemente mindestens zwei durch mindestens einen Induktor induzierte unterschiedliche Frequenzen verwendet.

Description

VERFAHREN ZUM INDUKTIVEN HOCHFREQUENZPRESSSCHWEISSVERBINDEN VON METALLISCHEN BAUELEMENTEN UNTER VERWENDUNG MINDESTENS ZWEIER UNTERSCHIEDLICHEN FREQUENZEN DAMIT HERGESTELLTES BAUTEIL
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen der Bauelemente mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mittels des Verfahrens hergestelltes Bauteil.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen mittels induktivem Hochfrequenzpressschweißens bekannt. So beschreibt zum Beispiel die DE 198 58 702 Al ein Verfahren zum Verbinden von Schaufelteilen einer Gasturbine, wobei ein Schaufelblattabschnitt und wenigstens ein weiteres Schaufelteil bereitgestellt werden. Dabei werden entsprechende Verbindungsflächen dieser Elemente im Wesentlichen fluchtend beabstandet zueinander positioniert und anschließend durch Erregen eines Induktors mit hochfrequentem Strom und durch Zusammenfahren unter Berührung ihrer Verbindungsflächen miteinander verschweißt. Dabei wird der Induktor mit einer konstanten Frequenz, die im Allgemeinen über 0,75 MHz liegt, erregt. Die Frequenz wird zudem in Abhängigkeit von der Geometrie der Verbindungsflächen gewählt. Bei dem induktiven Hochfrequenzpressschweißen ist die genügend große und homogene Erwärmung der beiden Schweißpartner für die Qualität der Fügestelle von entscheidender Bedeutung. Nachteilig an den bekannten Verfahren ist jedoch, dass damit nur Bauelemente mit Querschnitten kleiner als 200 mm miteinander verschweißt werden können, da bei größeren Bauteilquerschnitten keine genügend große Erwärmung der zentralen bzw. mittleren Querschnittsbereiche und damit keine homogene Erwärmung der Fügestellen erfolgt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen bereitzustellen, bei dem eine sichere und dauerhafte Verbindung von Bauelementen mit größeren Querschnitten gewährleistet ist.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Bauteil, insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine, bereitzustellen, wo- bei eine sichere und dauerhafte Verbindung zwischen den einzelnen Bauelementen gewährleistet ist.
Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8.
Zur Klarstellung sei hier ausdrücklich erwähnt, dass die Bezeichnung induktives Hochfrequenzpressschweißen das Verfahren bzw. das Bauteil im vorliegenden Fall nicht auf einen bestimmten Frequenzbereich festlegt. Vielmehr finden Frequenzen im niederen kHz-Bereich bis hin zum hohen MHz- Bereich Anwendung, so dass auch die neue Bezeichnung induktives Pressschweißen (IPS) eingeführt werden könnte.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, verwendet zum Verbinden entsprechender Verbindungsflächen der Bauelemente ein induktives Hochfrequenzpressschweißen unter Erwärmung von mindestens einer Verbindungsfläche. Während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens werden zur Erwärmung der mindestens einen Verbindungsfläche mindestens zwei durch mindestens einen Induktor induzierte unterschiedliche Frequenzen verwendet . Durch die Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen ist eine optimale Durchwärmung der gesamten Verbindungsfläche bzw. des gesamten Fügequerschnitts bei größeren Querschnitten, insbesondere ab etwa 200 mm2, sichergestellt. Damit ist wiederum eine sichere und dauerhafte Verbindung zwischen den einzelnen Bauelementen gewährleistet. Dabei können die Randbereiche der Verbindungsfläche mit einer höheren und die innen liegenden Bereiche der Verbindungsfläche mit einer niedrigeren Frequenz erwärmt werden. Die Frequenzen werden dabei in Abhängigkeit der Beschaffenheit und Geometrie der Verbindungsflächen gewählt. Zudem ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, Bauelemente mit deutlich unterschiedlichen Geometrien der Verbindungsflächen miteinander sicher und dauerhaft zu verbinden, da eine homogene und gleichzeitige Erwärmung der miteinander zu verbindenden Verbindungsflächen gewährleistet ist. Die gleichzeitige und homogene Erwärmung sorgt zudem dafür, dass es zu einer gleichmäßigen Aufstauchung des Fügebereichs kommt, so dass eine fehlerfreie Schweißverbindung erreicht werden kann. Die verwendeten unterschiedlichen Frequenzen können dabei durch einen Induktor oder auch durch zwei oder mehrere induziert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die niedrigere Frequenz aus einem Bereich zwischen 7 kHz bis 1,0 MHz und die höhere Frequenz aus einem Bereich zwischen 1,0 bis 2,5 MHz gewählt. Damit ist es zum Beispiel möglich, den dünnen Randbereich einer so genannten Bliskschaufel mit einer Frequenz von ungefähr 2 MHz und gleichzeitig den maximalen Querschnitt in der Mitte der Schaufel mit einer niedrigeren Frequenz im Bereich von 0,8 MHz zu erwärmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wirken die unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig oder nacheinander auf die mindestens eine Verbindungsfläche ein. Die erfindungsgemäße Multifrequenztechnik kann damit auf unterschiedliche Beschaffenheiten und Geometrien der zu verbindenden metallischen Bauelemente abgestimmt werden. Dabei können das erste und das zweite Bauelement aus unterschiedlichen oder ähnlichen metallischen Werkstoffen bestehen. Auch Bauelemente aus ähnlichen metallischen Werkstoffen, die jedoch durch unterschiedliche Herstellungsverfahren hergestellt worden sind, können sicher und dauerhaft verbunden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das erste Bauelement eine Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine und das zweite Bauelement ein Ring oder eine Scheibe des Rotors. Bei diesen Bauteilen handelt es sich um so genannte Blinks („bladed ring") oder Blisks („bladed disc") von Gasturbinentriebwerken.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil, insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine, besteht aus einem ersten Bauelement und aus einem zweiten Bauelement, wobei das erste und das zweite Bauelement mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens verschweißt sind. Dabei werden während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens zur Erwärmung von mindestens einer Verbindungsfläche der Bauelemente mindestens zwei durch mindestens einen Induktor induzierte unterschiedliche Frequenzen verwendet. Dadurch ist es möglich ein Bauteil herzustellen, bei dem eine sichere und dauerhafte Verbindung der einzelnen Bauelemente zueinander gewährleistet ist. Insbesondere weisen die zu verbindenden Bauelemente relativ große Querschnittsflächen, insbesondere größer 200 mm2, auf. Auch deutlich unterschiedliche Querschnittsflächen des ersten und zweiten Bauelements sind durch die gleichzeitige und homogene Erwärmung der Fügequerschnitte der Verbindungsflächen der Bauelemente problemlos verbindbar.
Das erste und das zweite Bauelement können dabei aus unterschiedlichen oder ähnlichen metallischen Werkstoffen bestehen. Es ist aber auch mög- lieh, dass das erste und das zweite Bauelement aus ähnlichen metallischen Werkstoffen bestehen und durch unterschiedliche Herstellungsverfahren hergestellt sind. Dies betrifft zum Beispiel geschmiedete Bauelemente, durch Gussverfahren hergestellte Bauelemente, Bauelemente bestehend aus Einkristallen sowie gerichtet erstarrte Bauelemente.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Bauelement eine Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine und das zweite Bauelement ein Ring oder eine Scheibe des Rotors. Bei diesen Bauteilen handelt es sich um so genannte Blinks („bladed ring") oder Blisks („bla- ded disc") von Gasturbinentriebwerken.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen der Bauelemente mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens unter Erwärmung von mindestens einer Verbindungsfläche erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung der mindestens einen Verbindungsfläche mindestens zwei durch mindestens einen Induktor induzierte unterschiedliche Frequenzen verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Randbereiche der Verbindungsfläche mit einer höheren und innen liegende Bereiche der Verbindungsfläche mit einer niedrigeren Frequenz erwärmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen in Abhängigkeit der Beschaffenheit und Geometrie der Verbindungsflächen gewählt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrigere Frequenz aus einem Bereich zwischen 7 kHz - 1,0 MHz und die höhere Frequenz aus einem Bereich zwischen 1,0 - 2,5 MHz gewählt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig oder nacheinander auf die mindestens eine Verbindungsfläche einwirken.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bauelement aus unterschiedlichen oder ähnlichen metallischen Werkstoffen bestehen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauelement eine Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine ist und das zweite Bauelement ein Ring oder eine Scheibe des Rotors ist.
8. Bauteil, insbesondere Bauteil einer Gasturbine, bestehend aus einem ersten Bauelement und einem zweiten Bauelement, wobei das erste und das zweite Bauelement mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens zur Erwärmung von mindestens einer Verbindungsfläche der Bauelemente mindestens zwei durch mindestens einen Induktor induzierte unterschiedliche Frequenzen verwendet werden.
9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bauelement (12, 14) aus unterschiedlichen oder ähnlichen metallischen Werkstoffen bestehen.
10. Bauteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauelement eine Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine ist und das zweite Bauelement ein Ring oder eine Scheibe des Rotors ist.
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