KERN, Torsten-Ulf (Wackenbrucher Str. 38, Wesel, 46485, DE)
NIEPOLD, Karsten (Lindenhof 56, Mülheim, 45481, DE)
SHENG, Shilun (Bachstr. 71c, Oberhausen, 46149, DE)
BRUSSK, Stefan (Ritterstraße 3, Mülheim an der Ruhr, 45479, DE)
KERN, Torsten-Ulf (Wackenbrucher Str. 38, Wesel, 46485, DE)
NIEPOLD, Karsten (Lindenhof 56, Mülheim, 45481, DE)
SHENG, Shilun (Bachstr. 71c, Oberhausen, 46149, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Sphäroguss, mit den Schritten: Konstruktion des Bauteils (1) derart, dass das Bauteil (1) aus einer Mehrzahl an Bauteilkomponenten ( 2 , 3) zusammengesetzt ist, die unter Ausbilden von Teilfugen (8) aneinandergelegt sind sowie so dimensioniert und gestaltet sind, dass sie ohne kritische Fehlstellen in ihrem Material aus Sphäro- guss gießbar sind; Herstellen der ersten Bauteilkomponente (2) aus Sphäroguss und der zweiten Bauteilkomponente (3) aus Sphäroguss, Stahl- guss oder Schmiedestahl; paarweises Bereitstellen der Bauteilkomponenten (2, 3), wobei eine erste der Bauteilkomponenten (2) und eine zweite der Bauteilkomponenten (3) zum benachbarten Aneinanderliegen vorgesehen sind, bei dem von einer Randkante (6) eines Rand¬ abschnitts (4) der ersten Bauteilkomponente (2) und einer Randkante (7) eines Randabschnitts (5) der zweiten Bauteil- komponente (3) eine der Teilfugen (8) gebildet wird; Anlegen der zweiten Bauteilkomponente (3) mit ihrem Randab¬ schnitt (5) an den Randabschnitt (4) der ersten Bauteilkomponente (2), so dass die Randkanten (6, 7) aneinander liegen; Verschweißen der Randabschnitte (4, 5), so dass die von den Randabschnitten (4, 5) gebildete Teilfuge (8) verschweißt ist und dadurch die erste und die zweite Bauteilkomponente (2, 3) miteinander befestigt sind, wodurch die erste und die zweite Bauteilkomponente (2, 3) zumindest teilweise das Bau- teil (1) bilden, wobei beim Verschweißen ein MSG-Schweiß- verfahren mit einem energiereduzierten Kurzlichtbogen, der mittels einer beim Schweißen abschmelzenden Elektrode erzeugt wird und die Schmelze der Elektrode den Sphäroguss der Randkanten (6, 7) auflegiert, oder ein Reibrührschweißver- fahren verwendet wird, mit dem die Randabschnitte (4, 5) bei minimalem Energieeintrag verschweißt werden, so dass ein Strukturzerfall des Sphäroguss beim Verschweißen der Randab¬ schnitte (4, 5) unterbleibt, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verschweißen der Randabschnitte (4, 5) ein Schweißzu¬ satzwerkstoff auf einer Nickelbasis verwendet wird, insbe¬ sondere SG-NiTi4 oder SG-NiCu30MnTi . 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Stahlguss und/oder der Schmiedestahl eine 0,5 bis 2,5 Cr oder 8 bis 15 Cr Zusammensetzung mit mindestens einem weiteren Legierungselement aufweisen, so dass eine Aufhärtung im Sphäroguss beim Verschweißen der Randabschnitte (4, 5) unterbleibt. 3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei beim Verschweißen der Randabschnitte (4, 5) mit dem energiereduzierten Kurzlichtbogen ein Schweißprozess mit einem schmalen Schweißbad eingesetzt wird, um eine kleine Wärmeeinflusszone zu erreichen. 4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Schweißprozess ein CMT- oder ein Cold-Arc-Prozess ist . 5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Teilfuge ein Engspalt ist. 6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei während des Schweißprozesses der energiereduzierte Kurzlichtbogen quer zu einer Schweißrichtung pendelt und in Abhängigkeit von seiner Auslenkposition des pendelnden Kurzlichtbogens, dieser mittels Verwendung mindestens einer Kennlinie einer zugehörigen Stromquelle hinsichtlich seiner Einbrandtiefe und/oder Abschmelzleistung optimiert wird. 7. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Reibrührschweißen beidseitig der beiden Bauteilkomponenten (2, 3) erfolgt. |
Verfahren zur Herstellung eines groß dimensionierten Bauteils aus Sphäroguss
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines groß dimensionierten Bauteils aus Sphäroguss. Sphäroguss ist ein Gusseisen mit Kugelgraphit, mit dem kos ¬ tengünstig serienmäßig groß dimensionierte Bauteile herge ¬ stellt werden können. Beispielsweise ist herkömmlich das Ge ¬ häuse einer Dampfturbine in einem bestimmten Temperaturbe ¬ reich und je nach Bauart aus Sphäroguss gefertigt. Die geo- metrischen Ausmaße einer Dampfturbine im oberen Leistungsbe ¬ reich, wie sie beispielsweise in Dampfkraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt werden, sind jedoch so groß, dass beim Gießen des Sphäroguss Probleme auftreten können. So ist bei ¬ spielsweise die Wahrscheinlichkeit hoch, dass in einem derar- tigen Dampfturbinengehäuse Unregelmäßigkeiten und Fehlstellen auftreten, die die Festigkeit des Dampfturbinengehäuses be ¬ einträchtigen. Diese Unregelmäßigkeiten und Fehlstellen können je nach Lage in dem Bauteil und Funktion der betroffenen Stellen nicht tolerabel sein. Dadurch ist die maximal zuläs- sige Größe der Gehäusebauteile aus Sphäroguss nach oben be ¬ grenzt. Abhilfe würde ein Gehäusebauteil schaffen, das aus mehreren kleinen, gießtechnisch unkritischen Teilen zusammengesetzt ist. Voraussetzung hierfür wäre allerdings, dass diese Teile miteinander verschweißt ein Gehäuse bilden kön- nen. Die Teile wären über großflächige Schweißverbindungen miteinander zu verbinden, wofür ein geeignetes Schweißverfahren notwendig wäre. Allerdings ist kein Fertigungsverfahren bekannt, mit dem derart großflächige Schweißverbindungen von Sphäroguss hergestellt werden können, ohne die Eigenschaften in der Schweißnaht wesentlich zu verschlechtern gegenüber dem Grundmaterial . In aus Sphäroguss hergestellten Gussbauteilen treten in der Regel immer Unregelmäßigkeiten und Fehlstellen auf. Von der Größe und der Lage der Unregelmäßigkeiten und Fehlstellen hängt es ab, ob das betroffene Gussbauteil als Ausschuss ver ¬ worfen werden muss. Für kleine lokale Fehlstellen sind Repa ¬ raturschweißverfahren bekannt. Ein derartiges Reparaturschweißverfahren ist beispielsweise Kaltschweißen mit einer Eisen-Nickel-Legierung. Bei dem konventionellen Kaltschweißverfahren wird jedoch eine Schweißverbindung hergestellt, deren Festigkeit unterhalb der Festigkeit des Sphäroguss liegt. Allein dadurch ist das Kaltschweißverfahren für großflächige Verbindungsschweißungen nicht geeignet. Ein anderes Verfahren ist Warmschweißen, das jedoch nur bei einer Bau- teilvorwärmung im Bereich von 500°C bis 600°C und eine daran anschließende Wärmenachbehandlung durchführbar ist. Das Warmschweißen ist daher sehr aufwändig und erzeugt einen Verzug des Bauteils, so dass das Warmschweißen für eine großflächige Verbindungsschweißung von Sphäroguss nicht geeignet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Sphäroguss zu schaffen, wobei das Bauteil große Ausmaße und dennoch eine hohe Festigkeit in allen Be ¬ reichen hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Sphäroguss weist die Schritte auf: Konstruktion des Bau ¬ teils derart, dass das Bauteil aus einer Mehrzahl an Bauteil ¬ komponenten zusammengesetzt ist, die unter Ausbilden von Teilfugen aneinandergelegt sind sowie so dimensioniert und gestaltet sind, dass sie ohne kritische Fehlstellen in ihrem Material aus Sphäroguss gießbar sind; Herstellen der ersten Bauteilkomponente aus Sphäroguss und der zweiten Bauteilkom ¬ ponente aus Sphäroguss, Stahlguss oder Schmiedestahl; paar ¬ weises Bereitstellen der Bauteilkomponenten, wobei eine erste der Bauteilkomponenten und eine zweite der Bauteilkomponenten zum benachbarten Aneinanderliegen vorgesehen sind, bei dem von einer Randkante eines Randabschnitts der ersten Bauteil ¬ komponente und einer Randkante eines Randabschnitts der zwei- ten Bauteilkomponente eine der Teilfugen gebildet wird;
Anlegen der zweiten Bauteilkomponente mit ihrem Randabschnitt an den Randabschnitt der ersten Bauteilkomponente, so dass die Randkanten aneinander liegen; Verschweißen der Randab- schnitte, so dass die von den Randabschnitten gebildete Teil ¬ fuge verschweißt ist und dadurch die erste und die zweite Bauteilkomponente miteinander befestigt sind, wodurch die erste und die zweite Bauteilkomponente zumindest teilweise das Bauteil bilden, wobei beim Verschweißen ein MSG-Schweiß- verfahren mit einem energiereduzierten Kurzlichtbogen, der mittels einer beim Schweißen abschmelzenden Elektrode erzeugt wird und die Schmelze der Elektrode den Sphäroguss der Rand ¬ kanten auflegiert, oder ein Reibrührschweißverfahren verwendet wird, mit dem die Randabschnitte bei minimalem Energie- eintrag verschweißt werden, so dass ein Strukturzerfall des Sphäroguss beim Verschweißen der Randabschnitte unterbleibt.
Der beim Verschweißen der Randabschnitte verwendete Schweiß ¬ zusatzwerkstoff ist auf einer Nickelbasis gebildet, insbeson ¬ dere mit SG-NiTi4 oder SG-NiCu30MnTi . Durch ein Auflegieren des durch den Schweißvorgang geschmolzenen Sphäroguss mit dem Schweißzusatzwerkstoff lassen sich gezielt die Härte, die Zähigkeit und die Duktilität der Schweißnaht erhöhen. Zudem weist der Nickelbasis-Werkstoff einen niedrigeren Schmelzpunkt und eine höhere Korrosionsbeständigkeit als der Sphäro ¬ guss auf. Einem Zerfall der radialsymmetrischen Kristallaggregate (der sog. Sphärolite) des Sphäroguss und der damit einhergehenden Beeinträchtigung der Materialeigenschaften ist somit entgegengewirkt. Das Reibrührschweißverfahren ist be ¬ vorzugt beidseitig der Teilfuge durchzuführen wobei dies bei größeren Wanddicken besonders vorteilhaft ist.
Somit ist das Bauteil aus den mehreren Bauteilkomponenten gebildet, wobei in den Bauteilkomponenten unakzeptable Unregel- mäßigkeiten und Fehlstellen im Sphäroguss unterbunden sind. Dadurch ist bei der Konstruktion des Bauteils prinzipiell aufgrund der Verwendung des Sphäroguss keine Obergrenze hin ¬ sichtlich der Festigkeit des Bauteils und der finalen Größe gesetzt. Als Strukturveränderung sind insbesondere Aufhärtungen in der Wärmeeinflusszone sowie die Zerstörung der Grund- werkstoffmatrix durch hohe Wärmeeinbringung zu verstehen.
Erfindungsgemäß werden die Bauteilkomponenten mittels eines MSG-Schweißverfahrens mit einem energiereduzierten Kurzlicht ¬ bogens zusammengefügt, wobei eine beim Schweißen abschmel ¬ zende Elektrode verwendet wird und die Schmelze der Elektrode den Sphäroguss der Randkanten auflegiert. Durch das derart durchgeführte Schweißverfahren ist eine großflächige Verbin- dungsschweißung von den Sphärogussbauteilen ermöglicht. Diese Schweißverbindung hat mechanische Eigenschaften, die vorteilhaft denen des Sphäroguss ähnlich sind. Dadurch kann das Bau ¬ teil groß dimensioniert sein, wobei das Bauteil aus kleinen, gießtechnisch unkritischen Bauteilkomponenten aufgebaut ist. Somit ist die Wahrscheinlichkeit von unakzeptablen Unregel ¬ mäßigkeiten und Fehlstellen in dem Bauteil gering und die Baubarkeit von dem groß dimensionierten Bauteil ermöglicht.
Beim alternativen Reibrührschweißen wird mittels eines verschleißfesten, rotierenden Werkzeugs Wärmeenergie in zwei be ¬ nachbart aneinanderliegende Randkanten eingebracht, wobei das Werkzeug zwischen die Randkanten gedrückt wird. Unter Anpres ¬ sen der Randkanten an das Werkzeug erwärmen sich die Randkanten bis kurz unterhalb ihres Schmelzpunkts und werden damit plastisch verformbar. Beim Herausziehen des Werkzeugs aus den Randkanten werden ihre Materialien durch die ständige Rotation des Werkzeugs verwirbelt und vermischt. Dadurch bildet sich an den Randkanten nach ihrem Aushärten eine Schweißnaht aus .
Bevorzugt weisen der Stahlguss und/oder der Schmiedestahl eine 0,5 bis 2,5 Cr oder 8 bis 15 Cr Zusammensetzung mit mindestens einem weiteren Legierungselement auf, so dass eine Aufhärtung im Sphäroguss beim Verschweißen der Randabschnitte unterbleibt. Der Stahlguss und/oder der Schmiedestahl hat ge ¬ mäß dieser Weiterbildung einen Chromanteil von 0,5% bis 2,5% bzw. 8% bis 15% und weist insbesondere mehrere Legierungsele- mente auf, deren Zusammensetzung eine Aufhärtung im Sphäro- guss infolge der Vermischung von Stahl und Sphäroguss in der beim Verschweißen entstehenden Schmelze gering hält.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere dadurch für eine Reparatur des Bauteils verwendet werden, indem von dem Bauteil ein beschädigter Abschnitt herausgetrennt wird und durch einen neuen Abschnitt ersetzt wird. Der neue Abschnitt wird unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in das bestehende Bauteil eingeschweißt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind vorteilhaft weitere Werkstoffe, wie beispiels ¬ weise Stahlguss oder Schmiedeteile, mit dem Sphäroguss verschweißbar. Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren für Konstruktionsschweißen geeignet.
Beim Verschweißen der Randabschnitte mit dem energiereduzierten Kurzlichtbogen wird bevorzugt ein Schweißprozess mit einem schmalen Schweißbad eingesetzt, um eine kleine Wärme ¬ einflusszone zu erreichen. Der Schweißprozess ist bevorzugt ein CMT-, ein Cold-Arc-Prozess oder ein dazu vergleichbarer Prozess. Beim Cold-Arc-Prozess folgt der Verlauf der elektri ¬ schen Spannung demselben Verlauf, dem die elektrische Spannung beim herkömmlichen Kurzlichtbogenprozess folgt, jedoch dient beim Cold-Arc-Prozess die elektrische Spannung als Füh ¬ rungsgröße für eine Steuerung der Stromstärke. Durch die Nut ¬ zung des Verlaufs der elektrischen Spannung als Führungsgröße ist die Stromstärke an den Prozess angepasst steuerbar, wo ¬ durch die in den Sphäroguss eingebrachte Energiemenge steuer ¬ bar ist. Durch Absenken der Energiemenge unmittelbar vor dem Wiederzünden des Kurzlichtbogens ist das Cold-Arc-Verfahren sanft, wodurch eine sonst thermisch bedingte Strukturverände ¬ rung im Sphäroguss vermieden ist. Zudem kann durch ein gezieltes Hochpegeln der Stromstärke nach dem Wiederzünden eine immer gleich große schmelzflüßige Kuppe an der Elektrode er ¬ zeugt werden, wodurch der Prozessablauf gleichmäßig und mate ¬ rialschonend verlaufen kann. Die Teilfuge ist bevorzugt als ein Engspalt ausgebildet. Dies erhöht vorteilhaft die Produk- tivität des Schweißvorgangs und senkt so die Herstellkosten eines derart geschaffenen Bauteils.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren pendelt der energieredu- zierte Kurzlichtbogen während des Schweißprozesses quer zu einer Schweißrichtung, wobei der pendelnde Kurzlichtbogen bevorzugt in Abhängigkeit von seiner Auslenkposition, mittels Verwendung mindestens einer Kennlinie einer zugehörigen
Stromquelle hinsichtlich seiner Einbrandtiefe und/oder Ab- Schmelzleistung optimiert wird.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Aus führungs form eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteils anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zei- gen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemä ¬ ßen Aus führungs form des Bauteils, Fig. 2 einen Querschnitt der Randabschnitte einer ersten
Bauteilkomponente und einer zweiten Bauteilkompo ¬ nente des Bauteils nach einem Herstellungsschritt mit einem Cold-Arc-Prozess und Fig. 3 einen Querschnitt gemäß Fig. 2 nach dem Herstel ¬ lungsschritt, wobei das Verschweißen mit einem Reibrührschweißverfahren erfolgt ist.
Wie es aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, ist ein Bauteil als ein Dampfturbinen-Niederdruck-Innengehäuse 1 gezeigt. Das Gehäuse 1 setzt sich zusammen aus mehreren Bauteilkomponenten, insbesondere einer ersten Bauteilkomponente 2 und einer zweiten Bauteilkomponente 3. Die Bauteilkomponenten 2, 3 sind aneinander gelegt und bilden eine Teilfuge 8 aus. Ferner sind die Bauteilkomponenten 2, 3 so dimensioniert und gestaltet, dass sie ohne kritische Fehlstellen in ihrem Material aus Sphäroguss herstellbar sind. Alternativ kann eines der Bauteile 2 oder 3 aus einem Stahlwerkstoff mit einer 0,5 bis 2,5 Cr oder 8 bis 15 Cr Zusammensetzung mit mindestens einem weiteren Legierungselement gebildet sein.
Die erste Bauteilkomponente 2 weist einen Randabschnitt 4 auf, der unmittelbar benachbart neben einem Randabschnitt 5 der zweiten Bauteilkomponente 3 angeordnet ist. Der Randab ¬ schnitt 4 der ersten Bauteilkomponente 2 ist von einer Rand ¬ kante 6 begrenzt, die stumpf an einer Randkante 7 anliegt, die den Randabschnitt 5 der zweiten Bauteilkomponente 3 be- grenzt. Dadurch ist die Teilfuge 8 von den Randkanten 6, 7 gebildet. Die Teilfuge 8 ist vorliegend als Engspalt-Fuge ge ¬ bildet .
Beim Herstellen des Gehäuses 1 werden die erste Bauteilkompo- nente 2 und die zweite Bauteilkomponente 3 separat in einem
Sphärogussverfahren aus Sphäroguss hergestellt. Dabei ist die Gefahr gering, dass sich in den Bauteilkomponenten 2, 3 kritische Fehlstellen ausbilden. In einem Fertigungsschritt werden die Bauteilkomponenten 2 und 3 mit ihren Randabschnitten 4 und 5 aneinander gelegt, so dass die Teilfuge 8 sich aus ¬ bildet. Gemäß Fig. 2 wird die Teilfuge 8 mittels eines Cold- Arc-Prozesses bearbeitet, so dass sich an der Teilfuge 8 eine Schweißnaht 9 ausbildet. Beim Cold-Arc-Prozess wird eine ab ¬ schmelzende Elektrode mit einem Schweißzusatzwerkstoff auf einer Nickelbasis ( SG-NiCu3 OMnTi oder SG-NiTi4) verwendet.
Durch diesen Schweißzusatzwerkstoff werden die verflüssigten Randabschnitte 4 und 5 derart auflegiert, dass eine Struktur ¬ veränderung durch einen Zerfall der radialsymmetrischen Kristallaggregate (sog. Sphärolite) des Sphäroguss unterbleibt. Dabei wird das Schweißverfahren so abgestimmt durchgeführt, dass eine hohe Einschweißtiefe, ein schmales Schweißbad sowie eine kleine Wärmeeinflusszone verwendet werden.
Bei einem alternativen Schweißverfahren werden gemäß Fig. 3 die beiden Bauteilkomponenten 2 und 3 mittels eines Reibrühr- schweißverfahrens zusammengefügt. Dabei wird mittels eines verschleißfesten, rotierenden Werkzeugs (nicht dargestellt) Wärmeenergie in zwei benachbart aneinanderliegende Randkanten 6, 7 eingebracht, wobei das Werkzeug in Richtung des Pfeils 10 zwischen die Randkanten 6, 7 gedrückt wird. Unter Anpressen der Randkanten 6, 7 an das Werkzeug erwärmen sich die Randkanten 6, 7 bis kurz unterhalb ihres Schmelzpunkts und werden damit plastisch verformbar. Beim Herausziehen des Werkzeugs aus den Randkanten 6, 7 werden ihre Materialien durch die ständige Rotation des Werkzeugs verwirbelt und ver ¬ mischt. Dadurch bildet sich an den Randkanten 6, 7 nach ihrem Aushärten eine Schweißnaht 9 aus. Alternativ dazu erfolgt das Reibrührschweißen beidseitig der Teilfuge 8, wobei zwei Werkzeuge zugleich, eines in Richtung des Pfeils 10 und das an ¬ dere in Richtung des Pfeils 11, zwischen die Randkanten 6, 7 gedrückt werden. Pfeile 12 und 13 zeigen die jeweilige Rota ¬ tionsrichtung der beiden Werkzeuge. Pfeil 14 zeigt die Rich- tungen, in denen die Werkzeuge in dem Teilspalt 8 hin- und herbewegt werden.
Sowohl beim Verschweißen mit dem Cold-Arc-Prozess als auch dem Reibrührschweißverfahren ist ein Zusammenfügen einer Bau- teilkomponente aus Sphäroguss mit einer Bauteilkomponente aus einem Stahlwerkstoff, insbesondere einem Guss- oder Schmiede ¬ stahl, der Zusammensetzung 0,5 bis 2,5 Cr bzw. 8 bis 15 Cr und weiteren Legierungselementen im Stahlwerkstoff möglich.
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