DE102006016205B4 - Method for connecting metallic components and component produced therewith - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen einer Gasturbine, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen der Bauelemente mittels isostatischem Heißpressen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem isostatischen Heißpressen der Bauelemente mindestens eine Verbindungsfläche von Oxiden befreit wird und im Vakuum ein induktives Niederfrequenzpressschweißen von mindestens einer Verbindungsfläche erfolgt, derart, dass die mindestens eine Verbindungsfläche in einem teigigen und/oder aufgeschmolzenen Zustand zur Beseitigung von Oberflächenunebenheiten auf der mindestens einen Verbindungsfläche vorliegt und keine Wärmeeinflusszone an der oder den Verbindungsflächen ausgebildet wird, wobei ein erstes Bauelement eine Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine ist und ein zweites Bauelement ein Ring oder eine Scheibe des Rotors ist.Method for connecting metallic components of a gas turbine, wherein the connecting of corresponding connecting surfaces of the components takes place by means of hot isostatic pressing, characterized in that before the hot isostatic pressing of the components at least one connection surface is freed of oxides and takes place in a vacuum low-frequency vacuum welding of at least one connection surface, such that the at least one bonding surface is in a doughy and / or molten state for removing asperities on the at least one bonding surface and no heat affected zone is formed at the bonding surface (s), wherein a first element is a blade of a rotor in a gas turbine second component is a ring or a disc of the rotor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelemente einer Gasturbine, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen der Bauelemente mittels isostatischem Heißpressen (HIP) erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mittels des Verfahrens hergestelltes Bauteil.The present invention relates to a method for connecting metallic components of a gas turbine, wherein the connection of corresponding connecting surfaces of the components takes place by means of hot isostatic pressing (HIP). The invention further relates to a component produced by the method.

Aus dem Stand der Technik gemäß der DE 28 24 369 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Turbinenrads bekannt, bei dem man eine innere Umfangsfläche eines Schaufelkranzes und eine äußere Umfangsfläche einer Tragscheibe jeweils mit eng tolerierter Passungsgüte maschinell bearbeitet, um im Presssitz zwischen den Stoßkanten eine Übergangszone und ohne Unterbrechungen zu erzielen, wobei nach einem die Übergangszone abdichtenden Verschweißen von Schaufelkranz und Tragscheibe ein isostatisches Heißpressen erfolgt, um eine metallurgische Diffusionsverbindung zwischen den Umfangsflächen herzustellen.From the prior art according to the DE 28 24 369 C2 a method for producing a hybrid turbine wheel is known, in which one machined an inner peripheral surface of a blade ring and an outer peripheral surface of a support plate each with a tight tolerances fit to achieve a transition zone and without interruptions in an interference fit between the abutting edges, wherein after the transition zone sealing welding of the blade ring and the support disk isostatic hot pressing takes place to produce a metallurgical diffusion bond between the peripheral surfaces.

Die US4,445,259 A offenbart zum Auffüllen eines Fügespalts in einer Rotormaschine die Verwendung eines Schweisspulvers, dann erfolgt ein isostatischer Heisspressschritt.The US4,445,259 A discloses the use of a welding powder for filling a joining gap in a rotor machine, then an isostatic hot pressing step.

Die DE 103 40 520 A1 offenbart ein Fügeverfahren mittels LRS, Diffusionsschweissen oder induktivem Pressschweissen für die Herstellung von Gasturbinenrotoren mit integraler Beschaufelung.The DE 103 40 520 A1 discloses a joining method by LRS, diffusion bonding or inductive pressure welding for the manufacture of gas turbine rotors with integral blading.

Die DE 37 25 132 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorbaugruppe für Gasturbinentriebwerke unter Verwendung eines isostatischen Heisspressverfahrens, wobei eine Hartlötfalle beim Fugenverlöten verwendet wird.The DE 37 25 132 A1 discloses a method of manufacturing a rotor assembly for gas turbine engines using an isostatic hot press method wherein a braze joint is used in joint soldering.

Die DE 30 20 580 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers unter Verwendung eines isostatischen Heisspressverfahrens.The DE 30 20 580 A1 discloses a method of manufacturing a turbine runner using a hot isostatic press method.

Die DE 198 31 736 A1 offenbart ein Verfahren zur Reparatur und Herstellung eines integral beschaufelten Rotors für eine Strömungsmaschine. Es erfolgt ein Hochfrequenzpressschweissschritt unter Schutzgas.The DE 198 31 736 A1 discloses a method for repairing and manufacturing an integrally bladed rotor for a turbomachine. There is a Hochfrequenzpressschweissschritt under inert gas.

Die US2,794,108 A offenbart allgemein Oberflächenreinigungsverfahren vor Schweissverfahren.The US2,794,108 A generally discloses surface cleaning methods prior to welding.

Nachteilig an den bekannten Verfahren ist, dass weiterhin eine Oxidbildung und ein Gaseintritt an den Verbindungsflächen der Bauelemente möglich sind. Zudem entstehen im Bereich der Verbindungsflächen bzw. Fügezonen so genannte Wärmeeinflusszonen, d. h. Bereiche, in denen durch die Wärmeeinwirkung beim Schweißen oder Verbinden Gefügeänderungen im Material der Bauelemente erfolgen. Beide Faktoren wirken sich äußerst negativ auf die Qualität der resultierenden Verbindung aus.A disadvantage of the known method is that further oxide formation and gas entry at the bonding surfaces of the components are possible. In addition, so-called heat affected zones arise in the area of the connecting surfaces or joining zones, ie. H. Areas in which structural changes in the material of the components occur due to the effect of heat during welding or joining. Both factors have a very negative effect on the quality of the resulting compound.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen bereitzustellen, bei dem eine sichere und dauerhafte Verbindung von Bauelementen gewährleistet ist.It is therefore an object of the present invention to provide a generic method for connecting metallic components, in which a secure and permanent connection of components is ensured.

Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Bauteil, insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine, bereitzustellen, wobei eine sichere und dauerhafte Verbindung zwischen den einzelnen Bauelementen gewährleistet ist.It is a further object of the present invention to provide a generic component, in particular a component of a gas turbine, wherein a secure and permanent connection between the individual components is ensured.

Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4.These objects are achieved by a method according to the features of claim 1 and a component according to the features of claim 4.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.Advantageous embodiments of the invention are described in the respective subclaims.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen einer Gasturbine, verwendet zum Verbinden entsprechender Verbindungsflächen der Bauelemente ein isostatisches Heißpressverfahren (HIP). Erfindungsgemäß erfolgt vor dem isostatischen Heißpressen der Bauelemente ein induktives Niederfrequenzpressschweißen von mindestens einer Verbindungsfläche zur Beseitigung von Oberflächenunebenheiten auf der mindestens einen Verbindungsfläche. Es ist natürlich auch möglich, dass beide Verbindungsflächen der verbindenden Bauelemente vor dem isostatischen Heißpressen der Bauelemente einem induktiven Niederfrequenzpressschweißen unterzogen werden. Durch die erfindungsgemäße Vorbehandlung der Verbindungsfläche bzw. der Verbindungsflächen mittels des induktiven Niedefrequenzpressschweißens werden Letztere aufgeschmolzen und in einen teigigen Zustand überführt, durch den Oberflächenunebenheiten der Verbindungsflächen sowohl im Mikro- wie auch im Makrobereich aufgehoben bzw. ausgeglichen werden. Damit können die zu verbindenden Bindungsflächen bzw. deren Oberflächen ohne jeglichen Spalt aufeinander liegen, so dass einerseits die Entstehung von Oxiden wie auch ein Gaseintritt an den Verbindungsflächen vermieden wird. Dadurch ergeben sich hochfeste sichere und dauerhafte Verbindungen zwischen den Bauelementen. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren einen Einsatz des isostatischen Heißpressverfahrens auch bei hohlen Strukturen, bei denen kein gasdichtes Verbinden möglich ist.A method according to the invention for connecting metallic components of a gas turbine, used for connecting corresponding connection surfaces of the components, uses an isostatic hot pressing method (HIP). According to the invention, before the hot isostatic pressing of the components, an inductive low-frequency pressure welding of at least one connecting surface for the removal of surface irregularities on the at least one connecting surface takes place. Of course, it is also possible that both connecting surfaces of the connecting components are subjected to an inductive low-frequency pressure welding before the hot isostatic pressing of the components. The pre-treatment according to the invention of the connecting surface or of the connecting surfaces by means of inductive low-frequency compression welding melts the latter and converts them into a doughy state by which surface irregularities of the connecting surfaces are canceled or compensated both in the micro and in the macro region. Thus, the binding surfaces to be joined or their surfaces can lie on each other without any gap, so that on the one hand the formation of oxides as well as a gas inlet at the connecting surfaces is avoided. This results in high-strength secure and durable connections between the components. In addition, the inventive method allows use of the isostatic hot pressing process even in hollow structures in which no gas-tight connection is possible.

Erfindungsgemäß erfolgt das induktive Niederfrequenzpressschweißen im Vakuum. Vorteilhafterweise trägt dies dazu bei, dass keine Gase in der Verbindungsfläche bzw. den Verbindungsflächen verbleiben können. Das wirkt sich außerdem positiv auf die Qualität der resultierenden Verbindung aus.According to the invention, the low-frequency inductive pressure welding takes place in a vacuum. Advantageously, this contributes to the fact that no gases can remain in the connection surface or the connection surfaces. This also has a positive effect on the quality of the resulting compound.

Erfindungsgemäß erfolgt das induktive Niederfrequenzpressschweißen derart, dass keine Wärmeeinflusszone an der oder den Verbindungsflächen ausgebildet wird. Auch dieses Merkmal trägt zur Erhöhung der Qualität der resultierenden Verbindung bei, da die so genannten Wärmeeinflusszonen, in denen Gefügeänderungen des Materials der Bauelemente erfolgen, eine Schwachstelle der resultierenden Verbindungen darstellt. Dadurch, dass keine Wärmeeinflusszone gebildet wird, wird diese Schwachstelle ausgeschlossen.According to the invention, the low-frequency inductive pressure welding takes place such that no heat-affected zone is formed on the connecting surface or surfaces. This feature also contributes to increasing the quality of the resulting compound, since the so-called heat affected zones, in which structural changes of the material of the components take place, is a weak point of the resulting compounds. The fact that no heat affected zone is formed, this vulnerability is excluded.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die beim induktiven Niederfrequenzpressschweißen verwendeten Frequenzen aus einem Bereich zwischen 0,05 MHz und kleiner als 0,25 MHz gewählt. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass neben den bekannten Hochfrequenzen auch Frequenzen im Bereich kleiner als 0,25 MHz ausreichen, um im Rahmen des Frequenzpressschweißens eine genügende Erwärmung und damit verbundene Aufschmelzung der Verbindungsfläche bzw. der Verbindungsflächen zu erreichen. Des Weiteren ist es möglich, dass unterschiedliche Frequenzen gleichzeitig oder nacheinander auf die mindestens eine Verbindungsfläche einwirken. Mit dieser Multifrequenztechnik ist es möglich auf unterschiedliche Beschaffenheiten und Geometrien der zu verbindenden metallischen Bauelemente einzugehen und eine möglichst homogene Erwärmung bzw. Aufschmelzung der Verbindungsfläche bzw. der Verbindungsflächen zu erreichen.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the frequencies used in the inductive low-frequency pressure welding selected from a range between 0.05 MHz and less than 0.25 MHz. It has surprisingly been found that in addition to the known high frequencies and frequencies in the range smaller than 0.25 MHz are sufficient to achieve in the context of frequency pressure welding sufficient heating and associated melting of the connecting surface and the connecting surfaces. Furthermore, it is possible for different frequencies to act simultaneously or successively on the at least one connection surface. With this multi-frequency technique, it is possible to respond to different textures and geometries of the metallic components to be joined and to achieve the most homogeneous possible heating or melting of the connecting surface or the connecting surfaces.

Erfindungsgemäß wird vor dem induktiven Niederfrequenzpressschweißen die mindestens eine Verbindungsfläche von Oxiden befreit. Dies kann zum Beispiel durch eine mechanische Bearbeitung der Verbindungsfläche erfolgen. Auch dieser Verfahrensschritt trägt zur Erhöhung der Qualität der resultierenden Verbindung bei.According to the invention, the at least one connecting surface is freed of oxides before the inductive low-frequency pressure welding. This can be done for example by a mechanical processing of the connection surface. This process step also contributes to increasing the quality of the resulting compound.

Erfindungsgemäß ist das erste Bauelement eine Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine und das zweite Bauelement ein Ring oder eine Scheibe des Rotors. Bei diesen Bauteilen handelt es sich um so genannte Blinks („bladed ring”) oder Blisks („bladed disc”) von Gasturbinentriebwerken.According to the invention, the first component is a blade of a rotor in a gas turbine and the second component is a ring or a disk of the rotor. These components are so-called bladed rings or blisks of gas turbine engines.

Ein erfindungsgemäßes Bauteil, insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine, besteht aus einem ersten Bauelement und aus einem zweiten Bauelement, wobei das erste und das zweite Bauelement mittels eines isostatischen Heißpressverfahrens verbunden sind. Dabei wird vor dem isostatischen Heißpressen der Bauelemente ein induktives Niederfrequenzpressschweißen von mindestens einer Verbindungsfläche durchgeführt, derart, dass die mindestens eine Verbindungsfläche in einem teigigen und/oder aufgeschmolzenen Zustand zur Beseitigung von Oberflächenunebenheiten auf der Verbindungsfläche vorliegt. Dadurch ist gewährleistet, dass die zu verbindenden Verbindungsflächen ohne jeglichen Spalt aufeinander liegen und es zu keiner Oxidbildung oder einem Gaseintritt in die Verbindungsflächen kommen kann. Damit ergibt sich eine sichere und dauerhafte, insbesondere hochfeste Verbindung zwischen den Bauelementen. In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt dabei das induktive Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißen derart, dass keine Wärmeeinflusszone an der oder den Verbindungsflächen ausgebildet wird. Damit ist gewährleistet, dass es zu keiner Gefügeänderung an den Verbindungsflächen kommt, so dass wiederum die Qualität der resultierenden Verbindung deutlich verbessert wird. Die beim induktiven Niederfrequenzpressschweißen verwendeten Frequenzen werden aus einem Bereich zwischen 0,05 MHz und kleiner als 0,25 MHz gewählt. Zudem ist es erfindungsgemäß, dass vor dem induktiven Niederfrequenzpressschweißen die mindestens eine Verbindungsfläche von Oxiden befreit wird.An inventive component, in particular a component of a gas turbine, consists of a first component and of a second component, wherein the first and the second component are connected by means of an isostatic hot pressing process. In this case, prior to the hot isostatic pressing of the components, an inductive low-frequency pressure welding of at least one bonding surface is carried out, such that the at least one bonding surface is present in a doughy and / or molten state for the removal of surface irregularities on the bonding surface. This ensures that the connecting surfaces to be joined lie on each other without any gap and that no oxide formation or gas entry into the connecting surfaces can occur. This results in a secure and durable, in particular high-strength connection between the components. In one embodiment of the invention, the inductive low-frequency or high-frequency pressure welding takes place in such a way that no heat-affected zone is formed on the connecting surface or surfaces. This ensures that there is no change in structure at the joint surfaces, so that in turn the quality of the resulting compound is significantly improved. The frequencies used in low frequency inductive pressure welding are selected from a range between 0.05 MHz and less than 0.25 MHz. In addition, it is according to the invention that before the inductive low-frequency pressure welding, the at least one connection surface is freed of oxides.

Erfindungsgemäß ist das erste Bauelement eine Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine und das zweite Bauelement ein Ring oder eine Scheibe des Rotors. Bei diesen Bauteilen handelt es sich um so genannte Blinks („bladed ring”) oder Blisks („bladed disc”) von GasturbinentriebwerkenAccording to the invention, the first component is a blade of a rotor in a gas turbine and the second component is a ring or a disk of the rotor. These components are so-called bladed rings or blisks of gas turbine engines

Claims (4)

Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen einer Gasturbine, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen der Bauelemente mittels isostatischem Heißpressen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem isostatischen Heißpressen der Bauelemente mindestens eine Verbindungsfläche von Oxiden befreit wird und im Vakuum ein induktives Niederfrequenzpressschweißen von mindestens einer Verbindungsfläche erfolgt, derart, dass die mindestens eine Verbindungsfläche in einem teigigen und/oder aufgeschmolzenen Zustand zur Beseitigung von Oberflächenunebenheiten auf der mindestens einen Verbindungsfläche vorliegt und keine Wärmeeinflusszone an der oder den Verbindungsflächen ausgebildet wird, wobei ein erstes Bauelement eine Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine ist und ein zweites Bauelement ein Ring oder eine Scheibe des Rotors ist.Method for connecting metallic components of a gas turbine, wherein the connecting of corresponding connecting surfaces of the components takes place by means of hot isostatic pressing, characterized in that before hot isostatic pressing of the components at least one connection surface is freed of oxides and takes place in a vacuum low frequency vacuum welding of at least one connecting surface, such that the at least one bonding surface is in a doughy and / or molten state for removing asperities on the at least one bonding surface and no heat affected zone is formed on the bonding surface (s), wherein a first element is a blade of a rotor in a gas turbine second component is a ring or a disc of the rotor. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Verbindungsflächen der zu verbindenden Bauelemente vor dem isostatischen Heißpressen der Bauelemente einem induktiven Niederfrequenzpressschweißen unterzogen werden.A method according to claim 1, characterized in that both connecting surfaces of the components to be connected before the isostatic Hot pressing of the components are subjected to a low-frequency inductive pressure welding. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beim induktiven Niederfrequenzpressschweißen verwendeten Frequenzen aus einem Bereich zwischen 0,05 MHz und kleiner als 0,25 MHz gewählt werden.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the frequencies used in the inductive low-frequency pressure welding are selected from a range between 0.05 MHz and less than 0.25 MHz. Bauteil für eine Gasturbine, hergestellt über ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.Component for a gas turbine, produced by a method according to one of claims 1 to 3.