Schweißverfahren mit geregeltem Temperaturverlauf und eine

Vorrichtung dafür

Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren eines Bauteils und eine Vorrichtung dafür.

Schweißverfahren werden oft eingesetzt, um Bauteile miteinander zu verbinden oder Risse umzuschmelzen bzw. um Material aufzutragen.

So werden auch Bauteile von Gasturbinen, wie z.B. Turbinenschaufeln, mittels Schweißverfahren, insbesondere Laserverfahren repariert, wobei die Bauteile sogar eine gerichtet erstarrte Struktur (DS, SX) aufweisen können. Dabei wird Material des Substrats oder Material des Substrats und hinzugeführtes Schweißgut aufgeschmolzen. Jedoch kommt es immer zu Rissen in der Schweißnaht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu überwinden.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Leistung in Abhängigkeit von der Temperatur geregelt wird und eine Vorrichtung nach Anspruch 12.

In den Unteransprüchen werden weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erreichen.

Es zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Figur 2 einen Verlauf der Temperatur und der Leistung,

Figur 3 eine Gasturbine,

Figur 4 perspektivisch eine Turbinenschaufel, Figur 5 perspektivisch eine Brennkammer und

Figur 6 eine Liste von Superlegierungen .

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur

Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

Figur 1 zeigt ein Bauteil 4, das insbesondere ein Bauteil 120, 130, 155 (Fig. 4, 5) einer Gasturbine 100 (Fig. 3) darstellt .

Vorzugsweise weist das Bauteil 4, 120, 130, 155 eine Superlegierung gemäß Figur 6 auf.

Das Bauteil 4, 120, 130, 155 ist in einer Aufnahme 31 einer Vorrichtung 30 angeordnet, wobei die Vorrichtung 30 ein Schweißgerät 33 sowie ein Temperaturmessgerät 35 aufweist. Die Vorrichtung 30 weist bevorzugt einen Laser 33 oder eine Elektronenstrahlkanone auf, mittels der das Bauteil 4, 120, 130, 155 lokal in einem Bereich 41 bestrahlt wird, um es zu schweißen .

Das Bauteil 4 und/oder das Schweißgerät 33 werden gegeneinander verfahren, um eine Schweißnaht 43 zu erzeugen. Das Schweißgerät 33 bestrahlt den Bereich 41 des Bauteils 4, 120, 130, 155 und erzeugt dort einen Schmelzfleck. Der bestrahlte Bereich 41 wird über das Bauteil 4, 120, 130, 155 verfahren, so dass entlang dieser Verfahrrichtung immer wieder ein Schmelzfleck erzeugt bzw. verschoben wird, der am Ende des Verfahrens eine Schweißnaht 43 (gestrichelt angedeutet) ergibt.

Die Temperatur T des zu schweißenden, also des bestrahlten Bereichs 41 wird durch ein Temperaturmessgerät 35 gemessen und wird durch entsprechende Mittel 38, wie elektronische Verbindungen, Computer, Steuerung an das Schweißgerät 33 weitergeleitet.

Figur 2 zeigt den Temperaturverlauf während eines Schweißverfahrens . Es sind aufgetragen die Temperatur T [K] des bestrahlten Bereichs 41 und die Leistung P[W] des Schweißgeräts 33.

Die Temperatur T des zu schweißenden Bereichs 41 wird anfangs von null hochgefahren, in dem die Leistung P des Schweißgeräts 33 erhöht wird. Dabei wird das Bauteil oder das Schweißgerät vorzugsweise schon direkt beim Hochfahren der Leistung P gegeneinander verfahren. Die Temperatur T wird am Anfang des Verfahrens vorzugsweise geregelt, insbesondere konstant erhöht.

Nachdem vorzugsweise eine konstante Temperatur, insbesondere eine maximale Temperatur T _max , erreicht ist, wird die Leistung P des Schweißgeräts 33 vorzugsweise weiterhin so geregelt, dass sich vorzugsweise eine konstante Temperatur während der Verfahrzeit δt einstellt. Während der Verfahrzeit δt entsteht die Schweißnaht 43.

Am Ende des Verfahrens, wenn die Schweißnaht 43 aufgebracht ist oder das Material des Bauteils 4 umgeschmolzen wurde, wird die Temperatur T insbesondere durch eine Abregelung der Leistung P heruntergefahren. Insbesondere wird die Temperatur T geregelt erniedrigt, insbesondere konstant erniedrigt, um Risse zu vermeiden.

Vorzugsweise wird die Laserleistung P dabei auf 0 Watt reduziert. Während der Reduzierung der Leistung P werden Bauteil und Laser vorzugsweise weiter gegeneinander verfahren, vorzugsweise bis P = OW.

In Figur 2 ist die Temperatur T des bestrahlten Flecks 41 des Bauteils 4 mit einer durchgezogenen Linie und die dazu geregelte Laserleistung P mit einer gestrichelten Linie dargestellt .

Die Temperatur T wird auf eine bestimmte Temperatur, insbesondere T _max hochgefahren, konstant gehalten und nach einer bestimmten Zeit δt wieder runter gefahren. Die

Temperatur T _max wird für die bestimmte Zeitdauer δt gehalten, während das Bauteil 4 und/oder das Schweißgerät 33 verfahren wird. Die Laserleistung P wird so geregelt, dass eine

konstante Temperatur T während der Zeitdauer δt erreicht wird, so dass die Leistung P des Lasers 33 am Anfang stark ansteigt, wieder abfällt, aber auch während der Zeit δt vorzugsweise noch abfällt. Während die Temperatur T konstant ist, ändert sich die Leistung P, vorzugsweise fällt sie etwas ab, insbesondere zumindest bis zu der Hälfte der Verfahrenszeit δt.

Am Beginn des Verfahrens ist die Leistung (P) des Schweißgerätes (33) vorzugsweise am höchsten während des geregelten Temperaturverlauf T (t) , so dass Thermospannungen innerhalb der Schweißnaht 43 bzw. dem erstarrenden Schweißgut und dem kalten und festen Substrat des Bauteils 4 reduziert werden, so dass das Bauteil 4, 120, 130, 155 und die Schweißnaht 43 keine Risse mehr nach der Schweißung aufweisen .

Mittels eines Temperaturmessgeräts 35, insbesondere eines Pyrometers, wird die Leistung des Lasers 33 gesteuert.

Insbesondere handelt es sich um ein Schweißverfahren ohne Schweißzusatzwerkstoffe, kann aber auch mit Schweiß zusatzwerkstoffen arbeiten .

Die Vorrichtung 30 kann eine Prozesskammer (nicht dargestellt) aufweisen, so dass ein Vakuum oder eine Inertgasatmosphäre in der Prozesskammer eingestellt werden kann .

Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .

Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.

Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren

koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.

Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.

Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.

Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.

An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .

Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine .

Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die

Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.

Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.

Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .

Die Figur 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt .

Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.

Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf- einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.

Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .

Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwal- benschwanzfuß sind möglich.

Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.

Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet . Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedever- fahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.

Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.

Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline

Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be- steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.

Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Rich- tung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) . Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zu- mindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) ,

Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte . Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .

Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10Al-0,4Y-l,5Re.

Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht .

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der

Wärmedämmschicht erzeugt.

Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die

Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die

Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die

MCrAlX-Schicht.

Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.

Die Figur 5 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.

Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000 ⁰ C bis 1600 ⁰ C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebs- parametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.

Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer

110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.

Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt .

Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.

Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrC>2, Y2ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.

Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.