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 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 durch Schmieden; 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; Auf ^¬ tragen von Puffermaterial auf die Randkante der ersten Bau ^¬ teilkomponente und auf die Randkante der zweiten Bauteilkom ^¬ ponente durch energiereduziertes Lichtbogenschweißen oder Reibschweißen oder Elektronenstrahlbeschichten oder thermisches Beschichten oder Induktionsbeschichten; Anlegen der zweiten Bauteilkomponente mit ihrem Randabschnitt an den Randabschnitt der ersten Bauteilkomponente, so dass die Rand ^¬ kanten mit ihren Puffermaterialien aneinander liegen; Ver- schweißen der Randabschnitte, so dass die von den Randab ^¬ schnitten gebildete Teilfuge verschweißt ist und dadurch die erste und die zweite Bauteilkomponente miteinander befestigt sind, wodurch die erste und die zweite Bauteilkomponente zu ^¬ mindest teilweise das Bauteil bilden, wobei das Puffermate- rial derart gewählt ist, dass beim Verschweißen der Randab ^¬ schnitte eine Strukturveränderung im Sphärogussmaterial der Bauteilkomponenten unterbunden ist.

Als Puffermaterial wird ein Zusatzwerkstoff auf einer Nickel- basis eingesetzt, der einen niedrigen Kohlenstoffgehalt und einen niedrigen Schmelzpunkt verglichen mit dem Sphäroguss aufweist, wie insbesondere SG-NiTi4 oder SG-NiCu30MnTi .

Somit ist das Bauteil aus den mehreren Bauteilkomponenten ge- bildet, 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 in einem Zwei- stufenschweißprozess zusammengefügt, wobei zuerst auf die als Schweißnahtflanken vorbereiteten Randkanten das Puffermaterial aufgetragen wird. Das Puffermaterial ist an den Sphäro ^¬ guss sowie an das gewählte Verfahren zum Verschweißen der Randabschnitte angepasst. Durch den Zweistufenprozess ist eine großflächige Verbindungsschweißung von den Sphäroguss- bauteilen ermöglicht. Diese Schweißverbindung hat mechanische Eigenschaften, die vorteilhaft denen des Sphäroguss ähnlich sind. Dadurch kann das Bauteil groß dimensioniert sein, wobei das Bauteil aus kleinen, gießtechnisch unkritischen Bauteilkomponenten aufgebaut ist. Somit ist die Wahrscheinlichkeit von unakzeptablen Unregelmäßigkeiten und Fehlstellen in dem Bauteil gering und die Baubarkeit von dem groß dimensionier- ten Bauteil ermöglicht.

Das Puffermaterial wird bevorzugt mehrschichtig aufgetragen. Dadurch entsteht ein Anlasseffekt der jeweils vorherig aufge ^¬ tragenen Schicht bzw. der Wärmeeinflusszone im Werkstoff der Bauteilkomponente. Als das Lichtbogenschweißen wird bevorzugt ein MSG-Auftragschweißen mit einem energiereduzierten Kurzlichtbogen verwendet. Besonders bevorzugt wird das MSG-Auf- tragschweißen als ein CMT- oder ein Cold-Arc-Prozess ausgeführt. Das Reibschweißen ist bevorzugt ein Reibrührschweißen. Dabei wird mittels eines verschleißfesten, rotierenden Werkzeugs Wärmeenergie in zwei benachbart aneinanderliegenden Randkanten eingebracht, wobei das Werkzeug zwischen die Rand ^¬ kanten gedrückt wird. Unter Anpressen 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 Randkan ^¬ ten nach ihrem Aushärten eine Schweißnaht aus.

Bevorzugt wird als das Puffermaterial jeweils ein Pufferblech auf jede der Randkanten der Bauteilkomponenten mit dem Reibrührschweißen aufgebracht. Das Pufferblech hat dabei bevorzugt einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Sphäroguss.

Alternativ bevorzugt ist als das Puffermaterial jeweils ein

Pufferblech für jede der Randkanten vorzusehen, an denen zwischen ihnen und den Pufferblechen jeweils eine Schweißfolie angeordnet ist, mittels der mit dem Reibrührschweißen das Pufferblech an seine zugehörige Bauteilkomponente befestigt wird. Die Schmelzfolie hat dabei bevorzugt einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Sphärogussmaterial , wodurch vorteilhaft der Schmelzpunkt des Pufferblechs in diesem Fall auf den des Sphäroguss nicht abgestimmt zu sein braucht. Die Schweißfolie wird beim Reibrührschweißen an die Randkante angebunden, wobei an der Randkante das Sphärogussmaterial vorteilhaft der ^¬ art auflegiert, dass die Grafitkugeln in der Schmelzzone des Sphäroguss nicht zerstört werden.

Das thermische Beschichten erfolgt bevorzugt mittels thermi ^¬ schen Spritzens. Besonders bevorzugt ist dabei ein Hochge- schwindigkeitsflammspritzen . Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wird das Rohmaterial des Puffermaterials mittels eines BrennstoffStrahls in einer Brennkammer auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und auf die Randkante aufge ^¬ spritzt, wodurch eine dichte Spritzschicht für das Puffer ^¬ material gebildet wird. Vorteilhaft kann beim Hochgeschwin ^¬ digkeitsflammspritzen die Temperatur des BrennstoffStrahls dahingehend eingestellt werden, dass die Temperatur des Roh ^¬ materials derart sich ergibt, dass während des Hochgeschwin ^¬ digkeitsflammspritzens beim Ausbilden des Puffermaterials eine thermisch bedingte Strukturveränderung des Sphäroguss vorteilhaft unterbleibt.

Das Puffermaterial wird bevorzugt in Form eines Drahts, eines Bands oder eines Pulvers verwendet und das Auftragen des Puf ^¬ fermaterials erfolgt mittels eines Elektronenstrahls. Das Auftragen des Puffermaterials erfolgt bevorzugt mittels eines Induktionsverfahrens .

Beim Verschweißen der Randabschnitte wird bevorzugt ein

Schweißverfahren mit hoher Einschweißtiefe und schmalem

Schweißbad sowie kleiner Wärmeeinflusszone verwendet. Bevor- zugt ist das Schweißverfahren ein Engspalt- oder ein Nullspaltschweißverfahren. Das Engspalt- oder das Nullspaltschweißverfahren ist besonders bevorzugt Elektronenstrahl- schweißen oder Laserstichlochschweißen oder Lichtbogen- engspaltschweißen . Die Stärke des Puffermaterials und die Pa ^¬ rameter des Engspalt- oder des Nullspaltschweißverfahren sowie des Lichtbogenschweißens oder des Reibschweißens oder des thermischen Beschichtens werden bevorzugt derart gewählt, dass die Wärmeeinflusszone der Verschweißung durch das Eng ^¬ spalt- oder das Nullspaltschweißverfahren in dem Puffermaterial angeordnet ist.

Ferner ist es bevorzugt, dass der Stahlguss der zweiten Bau- teilkomponente niedrig legierter Stahlguss mit insbesondere

0,5 bis 2,5 Cr oder hoch legierter Stahlguss mit insbesondere 8 bis 15 Cr ist. Das Bauteil ist bevorzugt mit mindestens einer Bauteilkomponente aus einem hoch- oder niedrig legierten Stahlguss gebildet. Dabei wird die Stahlgusskomponente, insbesondere aus 0,5 bis 2,5 Cr oder 8 bis 15 Cr, mit einer Sphärogusskomponente verschweißt. Das erfindungsgemäße Ver ^¬ fahren kann insbesondere für eine Reparatur des Bauteils ver ^¬ wendet werden, indem von dem Bauteil ein beschädigter Abschnitt herausgetrennt wird und durch einen neuen Abschnitt ersetzt wird. Der neue Abschnitt wird unter Anwendung des er ^¬ findungsgemäßen Verfahrens in das bestehende Bauteil einge ^¬ schweißt, wobei der neue Abschnitt nicht aus Sphäroguss ge ^¬ bildet sein muss. Es kann vorteilhaft ein Stahlguss- oder ein Schmiedeteil eingefügt werden. Ferner ist das erfindungsge- mäße Verfahren für Konstruktionsschweißungen geeignet.

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 durch einen Randabschnitt einer ersten Bauteilkomponente des Bauteils nach einem ersten Herstellungsschritt, wobei eine Puffer ^¬ schicht mit einem MSG-Auftragschweißverfahren mit einem energiereduzierten Kurzlichtbogen bzw. durch Spritzen aufgetragen ist,

Fig. 3 den Querschnitt aus Figur 2, wobei für die Puffer- schicht ein Pufferblech mit dem Reibrührschweißen angebracht

Fig. 4 den Querschnitt aus Figur 3, wobei zusätzlich zwischen dem Randabschnitt und dem Pufferblech eine

Schweißfolie eingefügt ist, und

Fig. 5 einen Querschnitt der Randabschnitte der ersten

Bauteilkomponente und einer zweiten Bauteilkompo ^¬ nente des Bauteils nach einem zweiten Herstellungs- schritt .

Wie es aus Fig. 1 bis 5 ersichtlich ist, ist ein Bauteil als ein Dampfturbinen-Niederdruck-Innengehäuse 1 gezeigt. Das Ge ^¬ häuse 1 setzt sich zusammen aus mehreren Bauteilkomponenten, insbesondere einer ersten Bauteilkomponente 2 und einer zwei ^¬ ten 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.

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 .

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 ersten Fertigungsschritt wird die erste Bauteilkomponente 2 bereitgestellt (Fig. 2) . Auf ihre Randkante 6 wird eine erste Puffermateri- alschicht 9 über ein MSG-Auftragschweißverfahren mit einem energiereduzierten Kurzlichtbogen aufgebracht. Das MSG-Auf- tragschweißverfahren ist mit einem Cold-Arc-Prozess ausge ^¬ führt, bei dem mittels Veränderung der Stromstärke in Abhän ^¬ gigkeit vom Spannungsverlauf der Prozess derart geführt wird, dass der Energieeintrag in die Bauteilkomponente 2 insbeson ^¬ dere beim Wiederzünden des Kurzlichtbogens minimal ist. Nach dem Aufbringen der ersten Puffermaterialschicht 9 wird eine zweite Puffermaterialschicht durch dasselbe Verfahren aufge ^¬ bracht .

Die Wärmeeinflusszone der ersten Puffermaterialschicht 9 ist in dem Randabschnitt 4 der ersten Bauteilkomponente 2 ange ^¬ ordnet, wohingegen die Wärmeeinflusszone der zweiten Puffer ^¬ materialschicht in der ersten Puffermaterialschicht 9 ange- ordnet ist. Die Randkante 7 des Randabschnitts 5 der zweiten Bauteilkomponente 3 wird ebenfalls wie die Randkante 6 mit einer ersten Puffermaterialschicht 10 und einer zweiten Puf ^¬ fermaterialschicht versehen. Alternativ kann die Puffermate ^¬ rialschicht 9 bzw. 10 durch ein Spritzverfahren hergestellt werden.

Fig. 3 zeigt die Bauteilkomponente 2, bei der mittels Reib ^¬ rührschweißen ein Pufferblech 11 an die Randkante 6 des Randabschnitts 4 geschweißt ist, wobei das Pufferblech 11 einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Sphäroguss hat. Beim Reib ^¬ rührschweißen des Pufferblechs 11 an die Randkante 6 wird das Pufferblech 11 an die Randkante 6 gelegt, wobei zwischen dem Pufferblech 11 und der Randkante 6 ein Fügespalt ausgebildet wird. Ein rotierendes Werkzeug (nicht dargestellt) wird auf das Blech gesetzt und in den von Pfeil 14 gezeigten Richtungen hin- und herbewegt. Pfeile 13 zeigen die Rotationsrichtung des Werkzeugs, Pfeile 12 zeigen die Richtung, in die das Pufferblech 11 auf das Werkzeug gedrückt wird. Beim Heraus- ziehen des Werkzeugs aus dem Fügespalt werden die Randkante 6 und das Pufferblech 11 zusammengeschweißt. Da beim Zusammen ^¬ schweißen der Randkante 6 und des Pufferblechs 11 keine

Schmelze entsteht, unterbleibt eine Strukturveränderung des Sphäroguss der Bauteilkomponente 2. Damit der durch das Rühr ^¬ reibschweißen verursachte Energieeintrag in den Sphäroguss lediglich von diesem und nicht von dem Pufferblechmaterial bestimmt ist, ist das Pufferblechmaterial so gewählt, dass sein Schmelzpunkt niedriger als der des Sphäroguss ist.

Fig. 4 zeigt die Bauteilkomponente 2, die statt wie in Fig. 3 mit einem Pufferblech 15 zusammen rührreibgeschweißt ist. Zwischen der Randkante 6 und dem Pufferblech 15 ist eine Schweißfolie 16 angeordnet, deren Material einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Sphäroguss hat. Dadurch braucht das Material für das Pufferblech 15 bezüglich seines Schmelzpunkts nicht auf den Sphäroguss abgestimmt zu sein. Das Puf ^¬ ferblech 15 ist mittels der Schweißfolie 16 an die Randkante 6 derart rührreibgeschweißt, dass mittels der Schweißfolie 16 der Sphäroguss auflegiert ist, wodurch eine Strukturverände ^¬ rung in der Grafitstruktur des Sphäroguss unterbunden wird.

Fig. 5 zeigt zwei Bauteilkomponenten 2 und 3 nach einem zweiten Fertigungsschritt. Die Bauteilkomponenten 2 und 3 sind mit ihren Randabschnitten 4 und 5 aneinander gelegt worden, so dass die Teilfuge 8 sich ausgebildet hat. Die Teilfuge 8 wurde mit einem Engspalt- oder einem Nullspaltschweißverfahren verschweißt. Dabei kommt ein Elektronenstrahlschweißver- fahren oder ein Laserstichlochschweißverfahren oder ein

Lichtbogenengspaltschweißverfahren zum Einsatz, wobei die Wärmeeinflusszonen der bei dem Schweißverfahren gebildeten Schweißnaht 17 in den Puffermaterialschichten angeordnet ist.