EP1622738A1 - Method for welding together structural components and rotor produced according to said method - Google Patents
Method for welding together structural components and rotor produced according to said methodInfo
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- EP1622738A1 EP1622738A1 EP03732593A EP03732593A EP1622738A1 EP 1622738 A1 EP1622738 A1 EP 1622738A1 EP 03732593 A EP03732593 A EP 03732593A EP 03732593 A EP03732593 A EP 03732593A EP 1622738 A1 EP1622738 A1 EP 1622738A1
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- welding
- intermediate piece
- heat
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- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
- B23K20/129—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding specially adapted for particular articles or workpieces
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
- B23K2101/04—Tubular or hollow articles
Definitions
- the invention relates to the field of materials technology. It relates to a method for welding a first component, which consists of a superalloy based on nickel, nickel-iron or cobalt, with a second component, which consists of a high-alloy heat-resistant steel. These components are in particular disks, drums and shaft end pieces for the manufacture of rotors for turbomachinery. The invention also relates to a rotor produced by such a method.
- thermal turbomachinery can be improved by increasing the working temperature.
- rotors of thermal turbomachinery should therefore advantageously be made from a superalloy, for example a nickel-based superalloy.
- superalloys have excellent properties at high temperatures on the one hand, but they are essential on the other more expensive than conventional heat-resistant steels.
- This requires a connection of the parts made of the heat-resistant steel with the parts made of the superalloy.
- Such a connection can e.g. B. mechanically by screwing or by welding the discs.
- Buffering with ferritic / martensitic steels also shows hot sensitivity in the transition zone to the superalloy. reduced
- Hot crack sensitivity can be achieved with the use of less solid additional materials, which usually do not meet the strength requirements of the connection and can have a negative effect on the bending behavior of the rotors.
- the invention is based on the object of a method for welding a first component, which consists of a superalloy based on nickel, nickel-iron or cobalt, with a second component, which consists of a high-alloy, heat-resistant steel, said components in particular disks , Drums and shaft end pieces of rotors for thermal turbomachinery are to be developed in which the welded joints meet the high strength and testability requirements that are necessary in practice.
- this is achieved in a method according to the preamble of claim 1 by the following method steps:
- the advantages of the invention are that large and heavy components made of o. Material combinations can now be welded together very well. As a result, the high quality requirements, which are placed on welded rotors of turbomachinery due to the high thermal and mechanical stress, are met. The welded joints can be easily checked using ultrasound methods.
- the intermediate piece and the first component, to which the intermediate piece is to be applied by means of friction welding rotate in the opposite direction, because this creates a particularly well-designed friction welding connection. However, this is not necessary, it may be sufficient to rotate the lighter intermediate piece and keep the heavier component still.
- first and second components are disks or drums or shaft end pieces of rotors for thermal turbomachinery and the intermediate piece is a ring. It is also advantageous if the processes known for rotor welding, such as TIG and / or UP welding processes, are used as the fusion welding process. These processes have been used successfully by the applicant for decades and represent a reliable technology.
- Fig. 1 in a schematic representation in longitudinal section rotor disks
- Fig. 3 in a further detail from Fig. 1, the assembly of the rotor from super alloy disks and disks made of heat-resistant steel.
- the first component 1 shows a schematic representation in longitudinal section of rotor disks or drums made of a superalloy and shaft end pieces made of a high-alloy heat-resistant steel.
- the rotor disks made of the superalloy form the first component 1 and the shaft end pieces the second component 2.
- the first component 1 can be made, for example, from the known superalloy IN706 (nickel-iron base with the following main alloy elements in% by weight: 15-18 Cr ; 40-43 Ni; 1, 5-1, 8 Ti; 2.8-3.2 Nb, balance Fe).
- other superalloys based on nickel, nickel-iron or cobalt are also suitable.
- the second component 2 consists of St13TNiEL with the following chemical composition (data in% by weight): 0.10-0.14 C, ⁇ 0.15 Si, ⁇ 0.25 Mn, 1 1-12 Cr, 2-2.6 Ni, 1.3-1.8 Mo, 0.2-0.35 V, 0.02-0.05 N, balance Fe.
- Components 1 and 2 i.e. the rotor disks or drum and the shaft end pieces are to be welded together to form a rotor 4 of a turbomachine which is rotatably mounted about a rotor axis 3 by the method according to the invention.
- the first component 1 can either be immovable, ie z. B. be a standing disc, or it rotates, as shown in Fig. 2 by the arrow.
- a rotation of component 1 and intermediate piece 5 to be welded on in the opposite direction is advantageous because this creates a particularly well-designed, stable friction welded connection.
- parts 1 and 5 can also rotate at different speeds Ni or N 2 .
- the intermediate piece 5, here the ring, can also be pre-processed. In particular, the seam preparation for the subsequent fusion welding on the intermediate piece can already have been carried out before the friction welding.
- the first component 1 provided with the intermediate piece 5 is joined to the second component 2 made of heat-resistant steel by means of known fusion welding methods, such as, for example, B like TIG and / or UP welding processes, welded.
- fusion welding methods such as, for example, B like TIG and / or UP welding processes, welded.
- Such methods developed by the applicant for welding rotors for turbomachinery are described, for example, in documents DE 26 33 829 and EP 665 079 B1, so that there is no need to go into them here.
- the intermediate piece 5 is connected to the shaft end piece (component 2) via this conventional weld connection (weld seam) 7.
- an intermediate piece 5 can also be applied to the first component 1 on both sides by means of friction welding, so that the component 1 consisting of a super base alloy can be welded to components 2 made of heat-resistant steel at both ends.
- these components 2 do not necessarily have to be shaft end pieces, but can also be rotor disks, for example.
- the advantages of the invention are that large and heavy components made of the above material combinations (super alloys and heat-resistant steels) can now be welded together very well.
- the hot crack sensitivity is very low.
- the high quality requirements which are placed on welded rotors of turbomachinery due to the high thermal and mechanical stress, are met.
- the welded joints can be easily checked using ultrasound methods.
- the described method according to the invention is particularly suitable for connecting disks and other rotor parts for rotors of turbomachinery, for example gas turbines or steam turbines.
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Abstract
The invention relates to a method for welding together a first structural component (1), consisting of a nickel, nickel/iron or cobalt base superalloy, with a second structural component (2), consisting of a high-alloy, high-temperature steel. The method is characterized by applying, by way of friction welding, a high-temperature steel intermediary (5) to the connecting surface (6) of the first structural component (1) designated for welding, by welding the intermediary (5) onto the first structural component (1) under the effect of a compressive force (F) and simultaneously rotating the intermediary (5). The first component (1) that is provided with the intermediary (5) is then welded together with the second high-temperature steel component (2) by known welding methods.
Description
Verfahren zum Verschweissen von Bauteilen sowie ein nach einem solchen Process for welding components and one after such
Verfahren hergestellter RotorProcessed rotor
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Verschweissen eines ersten Bauteiles, welches aus einer Superlegierung auf Nickel-, Nickel-Eisen- oder Kobaltbasis besteht, mit einem zweiten Bauteil, welches aus einem hochlegierten warmfesten Stahl besteht. Diese Bauteile sind insbesondere Scheiben, Trommeln und Wellenendstücke zur Herstellung von Rotoren für Turbomaschinen. Die Erfindung betrifft auch einen nach einem solchen Verfahren hergestellten Rotor.The invention relates to the field of materials technology. It relates to a method for welding a first component, which consists of a superalloy based on nickel, nickel-iron or cobalt, with a second component, which consists of a high-alloy heat-resistant steel. These components are in particular disks, drums and shaft end pieces for the manufacture of rotors for turbomachinery. The invention also relates to a rotor produced by such a method.
Stand der TechnikState of the art
Der Wirkungsgrad von thermischen Turbomaschinen kann durch eine Erhöhung der Arbeitstemperatur verbessert werden. Bei Arbeitstemperaturen oberhalb von ca. 600 °C sollten daher Rotoren von thermischen Turbomaschinen in vorteilhafter Weise aus einer Superlegierung, beispielsweise einer Nickelbasis-Superlegierung, hergestellt sein. Derartige Superlegierungen weisen zwar einerseits hervorragende Eigenschaften bei hohen Temperaturen auf, sie sind aber andererseits wesentlich
teurer als herkömmliche warmfeste Stähle. Da es bei Rotoren aber Abschnitte gibt, die thermisch unterschiedlich stark belastet sind, ist es bekannter Stand der Technik, zur Kostenminimierung lediglich die Hochtemperaturteile aus Superlegierungen herzustellen und die thermisch weniger beanspruchten Teile aus warmfestem Stahl herzustellen. Dazu ist eine Verbindung der Teile, welche aus dem warmfesten Stahl bestehen, mit den Teilen, welche aus der Superlegierung bestehen, notwendig. Eine solche Verbindung kann z. B. mechanisch durch Verschrauben erfolgen oder durch ein Verschweissen der Scheiben.The efficiency of thermal turbomachinery can be improved by increasing the working temperature. At working temperatures above approximately 600 ° C., rotors of thermal turbomachinery should therefore advantageously be made from a superalloy, for example a nickel-based superalloy. Such superalloys have excellent properties at high temperatures on the one hand, but they are essential on the other more expensive than conventional heat-resistant steels. However, since there are sections in rotors that are subjected to different thermal loads, it is known in the prior art to only produce the high-temperature parts from superalloys and to produce the thermally less stressed parts from heat-resistant steel in order to minimize costs. This requires a connection of the parts made of the heat-resistant steel with the parts made of the superalloy. Such a connection can e.g. B. mechanically by screwing or by welding the discs.
Die Herstellung eines Rotors aus einzelnen miteinander verschweissten Scheiben, welche allerdings aus artgleichem Material bestehen, ist beispielsweise in US-A- 4,086,690 beschrieben. Als Schweissverfahren zum Verschweissen der Rotorscheiben sind das bekannte Wolfram-Inertgas-Verfahren (WIG-Verfahren) und/oder das Unterpulver-Verfahren (UP-Verfahren) gleichermassen geeignet.The production of a rotor from individual disks welded to one another, which, however, consist of the same type of material, is described for example in US Pat. No. 4,086,690. The known tungsten inert gas process (TIG process) and / or the submerged powder process (UP process) are equally suitable as welding processes for welding the rotor disks.
Es ist bekannt, dass sich warmfeste martensitisch/ferritische Stähle, insbesondere die Klasse der 12%-Chromstähle, nur sehr schlecht mit Superlegierungen auf Nickel-, Nickel-Eisen- oder Kobaltbasis verschweissen lassen. Abhängig vom angewandten Schweissverfahren können Risse im Grundmaterial, der Wärmeeinflusszone oder im Schweissgut auftreten (J. Tösch und E. Perteneder: Beeinflussung des Ferritgehaltes im austenitischen Schweissgut, sowie Einsatzgebiete verschiedener umhϋllter, hochlegierter Stabelektroden. Vortrag, Schweisstechnische Tagung Böhler Schweisstechnik Austria GmbH, Kapfenberg 1996). Diese Risse sind unerwünscht, da an Schweissnähte hinsichtlich Fehlerfreiheit sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Dies gilt auf Grund der hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen besonders für zusammengeschweisste Rotorteile. Schmelzschweissen zwischen Superlegierungsscheiben und Scheiben aus warmfestem Stahl wird daher wegen der Heissrissempfindlichkeit der Superlegierung in der Praxis für stationäre Turbomaschinen nicht durchgeführt.
Pufferungen mit Superlegierungswerkstoffen, wie beispielsweise aus DE 101 12 062 A1 bekannt, sind nachteilig mit Ultraschall schlecht prüfbar und ausserdem wie die entsprechenden Grundmaterialien auch rissanfällig.It is known that heat-resistant martensitic / ferritic steels, in particular the class of 12% chromium steels, can only be welded very poorly with superalloys based on nickel, nickel-iron or cobalt. Depending on the welding process used, cracks can occur in the base material, the heat affected zone or in the weld metal (J. Tösch and E. Perteneder: Influencing the ferrite content in the austenitic weld metal, as well as areas of application of various coated, high-alloyed rod electrodes. Lecture, welding technology conference Böhler Schweisstechnik Austria GmbH, Kapfenberg 1996 ). These cracks are undesirable because very high demands are placed on weld seams with regard to freedom from defects. Due to the high mechanical and thermal loads, this applies particularly to welded rotor parts. Fusion welding between superalloy disks and disks made of heat-resistant steel is therefore not carried out in practice for stationary turbomachinery due to the hot crack sensitivity of the superalloy. Buffering with superalloy materials, as known for example from DE 101 12 062 A1, is disadvantageously difficult to test using ultrasound and, like the corresponding base materials, is also susceptible to cracking.
Pufferungen mit ferritisch/martensitischen Stählen zeigen in der Übergangszone zur Superlegierung ebenfalls Heiss ssempfindlichkeit. ReduzierteBuffering with ferritic / martensitic steels also shows hot sensitivity in the transition zone to the superalloy. reduced
Heissrissempfindlichkeit lässt sich mit der Verwendung weniger fester Zusatzmaterialien erzielen, welche aber meist nicht die Festigkeitsanforderungen der Verbindung erfüllen und sich nachteilig auf das Biegeverhalten der Rotoren auswirken können.Hot crack sensitivity can be achieved with the use of less solid additional materials, which usually do not meet the strength requirements of the connection and can have a negative effect on the bending behavior of the rotors.
Es ist bekannt, dass für kleinere Gewichte und/oder dünne Wandstärken eine Verbindung zwischen Superlegierung und warmfestem Stahl auch durch Reibschweissen erfolgen kann. Für stationäre Turbomaschinen, welche ein Rotorgewicht von bis zu 100 Tonnen und eine entsprechend grosse Wandstärke an der Verbindungsstelle (Schweissnahttiefe > 200 mm) aufweisen, ist ein derartiges Reibschweissen allerdings nicht möglich.It is known that for smaller weights and / or thin wall thicknesses, a connection between superalloy and heat-resistant steel can also be made by friction welding. For stationary turbo machines, which have a rotor weight of up to 100 tons and a correspondingly large wall thickness at the connection point (weld seam depth> 200 mm), such a friction welding is not possible.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweissen eines ersten Bauteiles, welches aus einer Superlegierung auf Nickel-, Nickel-Eisen- oder Kobaltbasis besteht, mit einem zweiten Bauteil, welches aus einem hochlegierten warmfesten Stahl besteht, wobei die genannten Bauteile insbesondere Scheiben, Trommeln und Wellenendstücke von Rotoren für thermische Turbomaschinen sind, zu entwickeln, bei dem die Schweissverbindungen die hohen Festigkeits- und Prüfbarkeitsanforderungen, die in der Praxis nötig sind, erfüllen.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 durch folgende Verfahrensschritte erreicht:The invention is based on the object of a method for welding a first component, which consists of a superalloy based on nickel, nickel-iron or cobalt, with a second component, which consists of a high-alloy, heat-resistant steel, said components in particular disks , Drums and shaft end pieces of rotors for thermal turbomachinery are to be developed in which the welded joints meet the high strength and testability requirements that are necessary in practice. According to the invention, this is achieved in a method according to the preamble of claim 1 by the following method steps:
- Aufbringen eines Zwischenstückes aus warmfestem Stahl auf die für das Verschweissen vorgesehene Verbindungsfläche des ersten Bauteils mittels Reibschweissen, indem das Zwischenstück unter Einwirkung einer Druckkraft bei gleichzeitiger Drehbewegung des Zwischenstückes auf das erste Bauteil aufgeschweisst wird und- Applying an intermediate piece made of heat-resistant steel to the connection surface of the first component provided for welding by means of friction welding, by welding the intermediate piece onto the first component under the action of a compressive force with simultaneous rotary movement of the intermediate piece and
- anschliessende Verbindungsschweissung des mit dem aufgeschweissten Zwischenstück versehenen ersten Bauteiles mit dem zweiten aus warmfestem Stahl bestehenden Bauteil mittels bekannter Schmelzschweissverfahren.- Subsequent connection welding of the first component provided with the welded-on intermediate piece to the second component consisting of heat-resistant steel by means of known fusion welding processes.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass grosse und schwere Bauteile aus o. a. Werkstoffkombinationen nunmehr sehr gut miteinander verschweisst werden können. Dadurch werden die hohen Qualitätsanforderungen, die beispielsweise aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Beanspruchung an geschweisste Rotoren von Turbomaschinen gestellt werden, erfüllt. Die Schweissverbindungen lassen sich gut mittels Ultraschallverfahren prüfen.The advantages of the invention are that large and heavy components made of o. Material combinations can now be welded together very well. As a result, the high quality requirements, which are placed on welded rotors of turbomachinery due to the high thermal and mechanical stress, are met. The welded joints can be easily checked using ultrasound methods.
Es ist zweckmässig, wenn das Zwischenstück und das erste Bauteil, auf welches das Zwischenstück mittels Reibschweissung aufgebracht werden soll, in entgegengesetzter Richtung rotieren, weil dadurch eine besonders gut ausgebildete Reibschweissverbindung entsteht. Notwendig ist dies aber nicht, sondern es kann ausreichend sein, das leichtere Zwischenstück zu rotieren und das schwerere Bauteil stillzuhalten.It is expedient if the intermediate piece and the first component, to which the intermediate piece is to be applied by means of friction welding, rotate in the opposite direction, because this creates a particularly well-designed friction welding connection. However, this is not necessary, it may be sufficient to rotate the lighter intermediate piece and keep the heavier component still.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das erste und zweite Bauteil Scheiben bzw. Trommeln bzw. Wellenendstücke von Rotoren für thermische Turbomaschinen sind und das Zwischenstück ein Ring ist.
Es ist ausserdem von Vorteil, wenn als Schmelzschweissverfahren die für Rotorenschweissungen bekannten Verfahren, wie WIG- und/oder UP- Schweissverfahren, eingesetzt werden. Diese Verfahren werden seit Jahrzehnten von der Anmelderin erfolgreich eingesetzt und stellen eine zuverlässige Technologie dar.Furthermore, it is advantageous if the first and second components are disks or drums or shaft end pieces of rotors for thermal turbomachinery and the intermediate piece is a ring. It is also advantageous if the processes known for rotor welding, such as TIG and / or UP welding processes, are used as the fusion welding process. These processes have been used successfully by the applicant for decades and represent a reliable technology.
Schliesslich ist es zweckmässig, wenn bei einer aus einer Superlegierung bestehenden Mittelscheibe beidseitig entsprechende Ringe aus warmfestem Stahl mittels Reibschweissung aufgebracht werden.Finally, it is expedient if corresponding rings made of heat-resistant steel are applied to both sides of a center disk made of a superalloy by means of friction welding.
Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:In the drawing, an embodiment of the invention is shown. Show it:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung im Längsschnitt Rotorscheiben undFig. 1 in a schematic representation in longitudinal section rotor disks and
Wellenendstücke, die zur Bildung eines Rotors einer Turbomaschine nach dem erfindungsgemässen Verfahren zusammengeschweisst werden;Shaft end pieces which are welded together to form a rotor of a turbomachine using the method according to the invention;
Fig.2 in einem Ausschnitt aus Fig. 1 den Verfahrensschritt des2 in a detail from FIG. 1, the method step of
Reibschweissens des Zwischenstückes undFriction welding of the intermediate piece and
Fig. 3 in einem weiteren Ausschnitt aus Fig. 1 den Zusammenbau des Rotors aus Superlegierungsscheiben und Scheiben aus warmfestem Stahl.Fig. 3 in a further detail from Fig. 1, the assembly of the rotor from super alloy disks and disks made of heat-resistant steel.
In den Figuren sind gleiche Positionen mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Bewegungsrichtung der Teile ist mit Pfeilen gekennzeichnet.In the figures, the same positions are provided with the same reference symbols. The direction of movement of the parts is marked with arrows.
feg z.uτ Ausführuiπg der Erfind yng
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.feg z.uτ execution of the invention yng The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and FIGS. 1 to 3.
In Fig. 1. sind in einer schematisierten Darstellung im Längsschnitt Rotorscheiben bzw. -trommeln aus einer Superlegierung und Wellenendstücke aus einem hochlegierten warmfesten Stahl dargestellt. Die aus der Superlegierung bestehenden Rotorscheiben bilden dabei das erste Bauteil 1 und die Wellenendstücke das zweite Bauteil 2. Das erste Bauteil 1 kann beispielsweise aus der bekannten Superlegierung IN706 (Nickel-Eiseπ-Basis mit folgenden Hauptlegierungselemeπten in Gew.- %: 15-18 Cr; 40-43 Ni; 1 ,5-1 ,8 Ti; 2,8-3,2 Nb, Rest Fe ) bestehen. Es sind aber auch andere Superlegierungen auf Nickel-, Nickel-Eisen- oder Kobaltbasis geeignet. Das zweite Bauteil 2 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus St13TNiEL mit folgender chemischer Zusammensetzung (Angaben in Gew.- %): 0.10-0.14 C, < 0.15 Si, < 0.25 Mn, 1 1-12 Cr, 2-2.6 Ni, 1.3-1.8 Mo, 0.2-0.35 V, 0.02- 0.05 N, Rest Fe.1 shows a schematic representation in longitudinal section of rotor disks or drums made of a superalloy and shaft end pieces made of a high-alloy heat-resistant steel. The rotor disks made of the superalloy form the first component 1 and the shaft end pieces the second component 2. The first component 1 can be made, for example, from the known superalloy IN706 (nickel-iron base with the following main alloy elements in% by weight: 15-18 Cr ; 40-43 Ni; 1, 5-1, 8 Ti; 2.8-3.2 Nb, balance Fe). However, other superalloys based on nickel, nickel-iron or cobalt are also suitable. In this exemplary embodiment, the second component 2 consists of St13TNiEL with the following chemical composition (data in% by weight): 0.10-0.14 C, <0.15 Si, <0.25 Mn, 1 1-12 Cr, 2-2.6 Ni, 1.3-1.8 Mo, 0.2-0.35 V, 0.02-0.05 N, balance Fe.
Die Bauteile 1 und 2, d.h. die Rotorscheiben bzw. -trommel und die Wellenendstücke, sollen zur Bildung eines um eine Rotorachse 3 drehbar gelagerten Rotors 4 einer Turbomaschine nach dem erfindungsgemässen Verfahren miteinander verschweisst werden.Components 1 and 2, i.e. the rotor disks or drum and the shaft end pieces are to be welded together to form a rotor 4 of a turbomachine which is rotatably mounted about a rotor axis 3 by the method according to the invention.
Dazu werden die in den Figuren 2 und 3 verdeutlichten Verfahrensschritte durchgeführt.For this purpose, the method steps illustrated in FIGS. 2 and 3 are carried out.
Gemäss Fig. 2 wird zunächst ein dünnes Zwischenstück 5, welches in diesem Ausführungsbeispiel ein Ring aus warmfestem Stahl ist, auf die für das Verschweissen vorgesehene Verbindungsfläche 6 des ersten Bauteils 1 mittels Reibschweissen aufgebracht, indem das Zwischenstück 5 unter Einwirkung einer Druckkraft F bei gleichzeitiger Drehbewegung des Zwischenstückes 5 auf das erste Bauteil 1 aufgeschweisst wird. Es entsteht dabei eine Reibschweissverbindung 8.
Das erste Bauteil 1 kann dabei entweder unbeweglich sein, also z. B. eine stehende Scheibe sein, oder es rotiert, wie in Fig. 2 durch den Pfeil dargestellt ist. Vorteilhaft ist dabei eine Rotation von Bauteil 1 und aufzuschweissendem Zwischenstück 5 in entgegengesetzter Richtung, weil dadurch eine besonders gut ausgebildete stabile Reibschweissverbindung entsteht. Selbstverständlich können die Teile 1 und 5 auch mit unterschiedlichen Drehzahlen Ni bzw. N2 rotieren. Das mittels Reibschweissverfahren auf das aus einer Superlegierung bestehende Bauteil 1 , und zwar auf die kreisringförmige Verbindungsfläche 6 aufgebrachte Zwischenstück 5 aus warmfestem Stahl dient dazu, den nächstfolgenden Verfahrensschritt, d.h. das Zusammenfügen mittels Schmelzschweissen von Bauteil 1 und Bauteil 2 problemlos zu ermöglichen. Das Zwischenstück 5, hier der Ring, kann auch vorbearbeitet sein. Insbesondere kann die Nahtvorbereitung für das folgende Schmelzschweissen am Zwischenstück bereits vor dem Reibschweissen erfolgt sein.According to FIG. 2, a thin intermediate piece 5, which in this exemplary embodiment is a ring made of heat-resistant steel, is first applied to the connecting surface 6 of the first component 1 intended for welding by means of friction welding, by the intermediate piece 5 under the action of a compressive force F with a simultaneous rotary movement of the intermediate piece 5 is welded onto the first component 1. This creates a friction weld connection 8. The first component 1 can either be immovable, ie z. B. be a standing disc, or it rotates, as shown in Fig. 2 by the arrow. A rotation of component 1 and intermediate piece 5 to be welded on in the opposite direction is advantageous because this creates a particularly well-designed, stable friction welded connection. Of course, parts 1 and 5 can also rotate at different speeds Ni or N 2 . The intermediate piece 5 made of heat-resistant steel, which is applied by means of the friction welding process to the component 1 made of a superalloy, namely to the annular connecting surface 6, serves to enable the next process step, ie the joining by means of fusion welding of component 1 and component 2, without any problems. The intermediate piece 5, here the ring, can also be pre-processed. In particular, the seam preparation for the subsequent fusion welding on the intermediate piece can already have been carried out before the friction welding.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie der Zusammenbau des Rotors 3 aus den Bauteilen 1 und 2 erfolgt. Im Anschluss an den ersten Verfahrensschritt, d. h. den oben beschriebenen Reibschweissvorgang, wird das mit dem Zwischenstück 5 versehene erste Bauteil 1 mit dem zweiten aus warmfesten Stahl bestehenden Bauteil 2 mittels bekannter Schmelzschweissverfahren, wie z. B wie WIG- und/oder UP-Schweissverfahren, verschweisst. Derartige von der Anmelderin entwickelte Verfahren zum Verschweissen von Rotoren für Turbomaschinen sind beispielsweise in Druckschriften DE 26 33 829 und EP 665 079 B1 beschrieben, so dass hier nicht näher darauf einzugehen ist. Das Zwischenstück 5 ist über diese herkömmliche Schweissverbindung (Schweissnaht) 7 mit dem Wellenendstück (Bauteil 2) verbunden. Aus Fig. 3 geht zusätzlich hervor, dass auf das erste Bauteil 1 auch beidseitig je ein Zwischenstück 5 mittels Reibschweissung aufgebracht werden kann, so dass das aus einer Superbasislegierung bestehende Bauteil 1 an seinen beiden Enden mit Bauteilen 2 aus warmfesten Stahl verschweisst werden kann. Diese Bauteile 2 müssen selbstverständlich nicht zwingend Wellenendstücke sein, sondern es können beispielsweise auch Rotorscheiben sein.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass grosse und schwere Bauteile aus o. a. Werkstoffkombinationen (Superlegierungen und warmfeste Stähle) nunmehr sehr gut miteinander verschweisst werden können. Die Heissrissempfindlichkeit ist sehr gering. Dadurch werden die hohen Qualitätsanforderungen, die beispielsweise aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Beanspruchung an geschweisste Rotoren von Turbomaschinen gestellt werden, erfüllt. Die Schweissverbindungen lassen sich gut mittels Ultraschallverfahren prüfen.3 shows how the rotor 3 is assembled from the components 1 and 2. Following the first method step, ie the friction welding process described above, the first component 1 provided with the intermediate piece 5 is joined to the second component 2 made of heat-resistant steel by means of known fusion welding methods, such as, for example, B like TIG and / or UP welding processes, welded. Such methods developed by the applicant for welding rotors for turbomachinery are described, for example, in documents DE 26 33 829 and EP 665 079 B1, so that there is no need to go into them here. The intermediate piece 5 is connected to the shaft end piece (component 2) via this conventional weld connection (weld seam) 7. 3 additionally shows that an intermediate piece 5 can also be applied to the first component 1 on both sides by means of friction welding, so that the component 1 consisting of a super base alloy can be welded to components 2 made of heat-resistant steel at both ends. Of course, these components 2 do not necessarily have to be shaft end pieces, but can also be rotor disks, for example. The advantages of the invention are that large and heavy components made of the above material combinations (super alloys and heat-resistant steels) can now be welded together very well. The hot crack sensitivity is very low. As a result, the high quality requirements, which are placed on welded rotors of turbomachinery due to the high thermal and mechanical stress, are met. The welded joints can be easily checked using ultrasound methods.
Das beschriebene erfindungsgemässe Verfahren eignet sich besonders zum Verbinden von Scheiben und anderen Rotorteilen für Rotoren von Turbomaschinen, beispielsweise Gasturbinen oder Dampfturbinen.The described method according to the invention is particularly suitable for connecting disks and other rotor parts for rotors of turbomachinery, for example gas turbines or steam turbines.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 erstes Bauteil1 first component
2 zweites Bauteil2 second component
3 Rotorachse3 rotor axis
4 Rotor4 rotor
5 Zwischenstück5 intermediate piece
6 Verbindungsfläche6 connecting surface
7 Herkömmliche Schweissverbindung7 Conventional welded connection
8 Reibschweissverbindung8 Friction welding connection
Ni Drehzahl des ersten BauteilesNi speed of the first component
N2 Drehzahl des Zwischenstückes
N 2 speed of the intermediate piece
Claims
1. Verfahren zum Verschweissen eines ersten Bauteiles (1), welches aus einer Superlegierung auf Nickel-, Nickel-Eisen- oder Kobaltbasis besteht, mit einem zweiten Bauteil (2), welches aus einem hochlegierten warmfesten Stahl besteht, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Zwischenstück (5) aus warmfestem Stahl auf die für das Verschweissen vorgesehene Verbindungsfläche (6) des ersten Bauteils (1) mittels Reibschweissen aufgebracht wird, indem das Zwischenstück (5) unter Einwirkung einer Druckkraft (F) bei gleichzeitiger Drehbewegung des Zwischenstückes (5) auf das erste Bauteil (1 ) aufgeschweisst wird, und dass anschliessend das mit dem Zwischenstück (5) versehene erste Bauteil (1 ) mit dem zweiten aus warmfesten Stahl bestehenden Bauteil (2) mittels bekannter Schmelzschweissverfahren verschweisst wird.1. A method for welding a first component (1), which consists of a superalloy based on nickel, nickel-iron or cobalt, with a second component (2), which consists of a high-alloy heat-resistant steel, characterized in that initially a Intermediate piece (5) made of heat-resistant steel is applied to the connecting surface (6) of the first component (1) intended for welding by means of friction welding, by applying the intermediate piece (5) under the action of a compressive force (F) while simultaneously rotating the intermediate piece (5) the first component (1) is welded on, and then the first component (1) provided with the intermediate piece (5) is welded to the second component (2) consisting of heat-resistant steel by means of known fusion welding processes.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (5) und das erste Bauteil (1 ), auf welches das Zwischenstück (5) mittels Reibschweissung aufgebracht werden soll, während des Reibschweissvorganges in entgegengesetzter Richtung rotieren.2. The method according to claim 1, characterized in that the intermediate piece (5) and the first component (1), to which the intermediate piece (5) is to be applied by means of friction welding, rotate in the opposite direction during the friction welding process.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Bauteil (1 , 2) Scheiben bzw. Trommeln und Wellenendstücke von Rotoren (4) für thermische Turbomaschinen sind und das Zwischenstück (5) ein Ring ist. 3. The method according to claim 1, characterized in that the first and second component (1, 2) disks or drums and shaft end pieces of rotors (4) for thermal turbomachinery and the intermediate piece (5) is a ring.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmelzschweissverfahren die für Rotorenschweissungen bekannten Verfahren, wie WIG- und/oder UP-Schweissverfahren, eingesetzt werden.4. The method according to claim 3, characterized in that the methods known for rotor welding, such as TIG and / or UP welding methods, are used as the fusion welding method.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) eine Mittelscheibe des Rotors (4) ist und beidseitig entsprechende Zwischenstücke (5), insbesondere Ringe, aus warmfestem Stahl mittels Reibschweissung auf die Verbindungsfläche (6) aufgebracht werden.5. The method according to claim 3, characterized in that the first component (1) is a central disc of the rotor (4) and on both sides corresponding intermediate pieces (5), in particular rings, made of heat-resistant steel are applied to the connecting surface (6) by means of friction welding.
6. Rotor (4) einer thermischen Turbomaschine, bestehend aus ersten Bauteilen (1) aus einer Superlegierung und aus zweiten Bauteilen (2) aus einem warmfesten Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1) und (2) durch eine Schweissnaht (7) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei zwischen der Schweissnaht (7) und dem Bauteil (1) ein Zwischenstück (5) aus warmfesten Stahl, welches mittels Reibschweissverfahren auf einer Verbindungsfläche (6) des Bauteiles (1) aufgebracht ist, angeordnet ist. 6. rotor (4) of a thermal turbo machine, consisting of first components (1) made of a superalloy and second components (2) made of a heat-resistant steel, characterized in that the components (1) and (2) by a weld seam (7 ) are integrally connected to one another, an intermediate piece (5) made of heat-resistant steel, which is applied to a connecting surface (6) of the component (1) by means of friction welding, being arranged between the weld seam (7) and the component (1).
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