DE2455600A1

DE2455600A1 - Zum elektronenstrahlschweissen vorbereitete ebene oder gekruemmte werkstuecke

Info

Publication number: DE2455600A1
Application number: DE19742455600
Authority: DE
Inventors: Gottfried Kuhnen
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-10-28
Filing date: 1974-11-23
Publication date: 1976-04-29
Also published as: DE2455600C2; SE408146B; NL183501B; FR2289289B1; GB1525638A; US4063062A; NL183501C; DE7439134U; SE7511751L; JPS6039475B2; JPS5165048A; CH563833A5; NL7512459A; IT1043611B; FR2289289A1; CA1049618A

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Zum Elektronenstrahlschweissen vorbereitete ebene oder gekrümmte Werkstücke

Die Erfindung betrifft zum Elektronenstrahlschweissen vorbereitete ebene oder gekrümmte Werkstücke, wobei die Schweissung als Durchgangsnaht ausgeführt wird.

Das Schweissen mit Elektronenstrahlen bietet die Möglichkeit, Werkstoffe grosser Wanddicken, wie sie beispielsweise bei aus Scheiben und Trommeln zusammengesetzten Rotoren von Turbomaschinen zur Verwendung gelangen, in einem Schuss zu verbinden.

Die' Ausbildung der Unterraupe bei, derartigen Tie fs chwe issungen ist allerdings problembehaftet. Versuche ergaben, dass selbst

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bei kombiniertem Quer- und Längspendeln des Elektronenstrahles bei vollständigem Durchdringen des zu verschweissenden Werkstückquerschnittes die Unterraupe zahlreiche, unterschiedlich lange gratförmige Schmelzgutdurchhänge aufweist. In der später beschriebenen Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung ist ein solcher Schmelzgutdurchhang ersichtlich. Er ist seitlich begrenzt durch ausgeprägte Kerben, welche wegen der hohen Härtewerte in diesem Bereich Ausgangspunkt von Rissen sein können. Um solche Unterraupen zu vermeiden, wird oftmals auf eine vollständige Durchschweissung des Werkstückquerschnitts verzichtet. Man lässt den Elektronenstrahl bzw. die Schmelzzone in eine Unterlage auslaufen, wie dies in der später beschriebenen Fig. 2 veranschaulicht ist. Der Nachteil dieser Lösung besteht allerdings in der Gefahr, dass schon beim Erstarren der Schmelzzone oder beispielsweise bei späterer Biegewechselbeanspruchung des Werkstückes der verbleibende auf die Schweissung gerichtete Spalt, der durch die Unterlage entsteht, sich als Riss in das Schweissgut oder in die wärmebeeinflusste Zone des Grundwerkstoffes fortplanzt. Begünstigt wird dies durch die hohe Härte im Nahtbereich als Folge der extremen Abkühlgeschwindigkeiten von Elektronens t rahls chwe is sungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkstücke zum Elektronenstrahlschweissen an der Stossstelle und im Bereich der Stossstelle derart auszubilden, dass bei einer vollständigen

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Durchschweissung eine kerbenfreie Unterraupe erzielt wird.

Erfindungsgemriss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass an mindestens einem der.Werkstücke an der Stelle, an der sich beim Durchschweissen die Unterraupe bildet, eine Schmelzlippe vorgesehen ist.

Besonders zweckmässig ist, wenn die Schmelzlippe an der der zu verschweissenden Stossfläche abgewandten Seite eine annähernde Viertelkreisform aufweist und an der Elektronenstrahl-Austrittsstelle eine Stärke von mindestens einmal des Bündeldurchmessers des Elektronenstrahles aufweist.

Neben der erzielbaren kerbfreien Unterraupe ergibt sich zudem der v/eitere Vorteil, dass die Abkühlung von Schmelzgut und Wärmeeinflusszone im Bereich der erfindungsgemässen Schmelzlippe weniger schroff erfolgt und damit dort kleinere Härtewerte als in der restlichen Naht auftreten.

Bei rotationssymmetrischen Werkstücken, beispielsweise Scheiben oder Trommeln, welche mit den Stirnflächen zu verbinden sind, empfiehlt es sich, die Schmelzlippe ringförmig an der radial innenliegenden Kontur der zu verschweissenden Stossstelle anzubringen, wobei zwecks vollständiger Durchschweissung eine Werkstückzentrierung vorzugsweise ausserhalb der Schweissnahtebene vorzusehen ist.

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Wird eine Aussenzentrierung im Bereich der unerlässlichen Werkstoffzugabe vorgesehen, so hat dies den Vorteil, dass die vollständige Durchschweissung der Werkstücke nicht beeinträchtigt' wird. Zudem ergibt sich die Möglichkeit, die Werkstückeinzelteile schon vor dem Elektronenstrahlschweissen ausserhalb der Vakuumkammer zusammenzufügen, wobei zum Transport an der Zentrierung Heftschweissungen vorgesehen werden können, die sich zweckmässigerweise nur teilweise über den Werkstückumfang erstrecken.

Handelt es sich um rotationssymmetrische Hohlkörper, so bietet eine Innenzentrierung derselben die gleichen oben angeführten ■ Vorteile. Hierbei können die Werkstücke mit einem radial nach innen vorspringenden, eine Lippenzentrierung bildenden Wulst versehen sein. Es wird mit einer derartigen Zentrierung eine grössere nützbare Schweissnahttiefe dadurch erzielt, dass man mit einer wesentlich geringeren Werkstoffzugabe am äusseren Umfang auskommt.

Für den unbedingt erforderlichen Druckausgleich beim Verschweissen von Hohlkörpern sind Druckausgleichöffnungen vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung, bei der eine der zu verschweissenden Flächen Schlitze aufweist, deren Tiefe senkrecht zur Stossebene geringer ist, als der halbe Bündeldurchmesser des Elektronenstrahls, und die derart ange-

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ordnet sind, dass beim Schweissen der Hohlraum bis kurz vor Schweissende mit dem Inneren der Vakuumkammer verbunden ist.

Werden die Werkstücke im Betrieb einer grossen alternierenden Belastung ausgesetzt, wie dies beispielsweise bei Rotorscheiben für Turbomaschinen der Fall ist, so können sie vorzugsweise mit einem ringförmigen Wulst ausgestattet werden, der sich im Bereich der Stosssteile radial nach innen erstreckt und in der Schmelzlippe fortsetzt. Je nach dem zu erwartenden Spannungsbild kann die Schmelzlippe in den Wulst eingezogen sein oder darauf hervorstehen.

Besteht die Forderung nach besonders hoher Zähigkeit des Schweissgutes im Bereich der Unterraupe, so kann dies durch Einlegen einer entsprechend legierten Folie in die Schmelzlippe geschehen. Vorzugsweise entspricht die Folienstärke dem Bündeldurchmesser des Elektronenstrahles.

Im folgenden ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand beiliegender Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine erste bekannte Schweissverbindung

Fig.. 2 eine zweite bekannte Schweissverbindung, dargestellt an einem Teilschnitt eines Turbinenrotors,

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Fig. 3 eine erfindungsgem^ysse Schweissnahtvorbereitung &n einem Teilschnitt eines Turbinenrotors,

Fig. 4 eine fertige Schweissverbindung der Anordnung geir.äss Pig- 3,

Fig. 5 eine erste Abwandlung der Anordnung gernäss Fig. 3» Fig. 6 eine zweite Abwandlung der Anordnung gemäss Fig. 3-

In allen Figuren sind mit 1 und'I¹ die beiden zu verschweissenden Werkstücke bezeichnet. Im übrigen gelten gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die in der Beschreibungseinleitung erwähnten, zum Stande der Technik zahlenden Schweissverbindungen. In Fig. 1 wird die Unterraupe durch einen gratfö'rmigen Schmelzgutdurchhang gebildet, welche durch ausgeprägte Kerben seitlich begrenzt ist. Der Teilschnitt in Fig. 2 zeigt zwei an den Stirnflächen verschweisste Turbinenscheiben mit Innenzentrierung, wobei der Zentrierversatz von Werkstück 1 als Schweissunterlage dient. Bei dieser Konfiguration ist es nicht möglich, die unerlässlichen Druckausgleichbohrungen in der Schweissnahtebene anzuordnen, weswegen sie seitlich davon verlegt sind, querschnittsschwächend wirken und zudem später verschlossen werden müssen.

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Zum besseren Verständnis der Erfindung sei folgende, an sich bekannte Problematik des Elektronenstrahlschweissens anhand von dickwandigen, aus Scheiben und Trommeln zusammengesetzten Turbomasehinenrotoren kurz rekapitulier!:.

- Angestrebt werden poren- und rissfreie Nähte ir.it gleichmassig ausgebildeter Nahtwurzel und überhöhter Oberraupe. Bei Tiefschweissungen bedarf es deshalb eines hochfrequenten, abgelenkten Elektronenstrahles, wofür ein erheblicher Leistungsüberschuss erforderlich ist.

- Bei geringen Schweissgeschwindigkeiten führen in vertikaler Srrahllage gesehweisste Durchgangsnähte leicht zum Einfallen des Schmelzbades.

- Dickwandige, drehsymmetrische Hohlkörper mit kleinem Aussendurchmesser weisen bei konstanter Winkelgeschwindigkeit zwischen Werkstückinnen- und aussenseite grcsse Schweissgeschwindigkeitsdifferenzen auf, welche eine beim Schweissen unterschiedliche Wärmeführung bedingt.

- Als besonders kritische Zonen sind Ueberlappungsbereiche bei Ringnähten anzusehen. Die Ueberlappungslängen sollten möglichst klein gehalten werden, da ein zweimaliges Aufschmelzen unerwünscht ist. Dies spricht gegen'eine gleichzeitige Verwendung von mehreren Strahlen am Werkstückumfang.

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- Maximale Spaltbreiten von 0,2-0,3 mm sind zulässig. Schon kleinste Spaltbreiten sind nur überbrückbar, wenn durch Querpendelung des Elektronenstrahles ein bestimmtes Mindestvolurr.en aufgeschmolzen wird. Dieses erforderliche Querpendeln reduziert die Vorschubgeschwindigkeit.

- Um die erforderliche Nahtgeometrie und insbesondere die minimen Spaltbreiten zu realisieren, ist eine äusserst genaue Zentrierung der zu verschweissenden Teile erforderlich.

Erfindungswesentlich in diesem Zusammenhange ist, dass die Zentrierung keinesfalls in der neuerungsgemä'ssen Schmelzlippe vorgenommen wird, weswegen eine Zentrierung wie jene in Fig. im vorliegenden Fall nicht in Betracht zu ziehen ist.

In Fig. 3 sind die beiden zu verschweissenden Werkstücke 1 und I¹ mit je einer Schmelzlippe 2 resp. 2' versehen. Im gezeigten Beispiel entspricht die Tiefe t der Lippen dem Radius r der Viertelkreisform. Die Breite b der Schmelzlippe entspricht etwa dem Bündeldurchmesser des verwendeten Elektronenstrahls. Selbstverständlich sind dies nur Richtwerte, da die Abmessungen der Schmelzlippe insbesondere abhängig sind vom Strahldurchmesser, der Querpendelamplitude des Strahles und der Energie,- · zufuhr an der Strahl-Austrittsstelle. Die beiden Werkstücke, welche Rotorscheiben darstellen, sind mit einer Aussenzen-

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trierung 3 versehen und mit einer Heftschweissung 4 verzugsfrei verbunden. Diese Heftschweissung 4 kann mit einem konventionellen Sehweissverfahren hergestellt werden und muss sich nicht über den ganzen Umfang der Werkstücke erstrecken. Es genügen einzelne, gleichmässig verteilte Nähte bestimmter Länge, um den beim Schweissen der Verbindungsnaht mit nur einer Strahlkanone entstehenden Verzug entgegenzuwirken. Diese Heftnähte ermöglichen es zudem, die beiden Scheiben schon ausserhalb der Vakuumkammer zusammenzufügen. Hierdurch erübrigen sich die zumeist komplizierten und aufwendigen Montagevorrichtungen in der Vakuumkammer, wodurch diese dann ausschliesslich zum eventuell notwendigen Vorwärmen und Schweissen belegt wird. Da zudem mit dieser Massnahme der kleinstmögliche Verzug des Rotors: während des Schweissens erreicht wird, iss es nicht mehr notwendig, mit mehreren gleichzeitig am Umfang der Schweissnaht verteilten Strahlkanonen zu arbeiten. Zum Justieren des Elektronenstrahles genau über dem Schweissstoss ist die Zentrierung 3 mit einer Markierungsrille 5 versehen. Um den unerlässlichen Druckausgleich zwischen Werkstückinnenraum und Atmosphäre, im vorliegenden Fall selbstverständlich Vakuumkammer, zu ermöglichen, sind die Werkstücke 1 und I¹ mit Druckausgleichbohrungen 7 resp. Druckausgleichschlitzen 6 versehen. Diese müssen derart ausgebildet sein, dass sie schmäler sind als die spätere Schweissnaht und während des Schweissens vollständig mitverschmolzen werden. Als Richtwert kann hier dienen,

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dass die Tiefe der Druckausgleichschlitze 6 senkrecht zur Stossebene geringer Ist als der halbe Bündeldurchmesser des Elektronenstrahles. Sowohl die Zentrierung 3* als auch die Heftnähte 4, die Marklerungsrille 5 und die Druckausgleichbohnmgen ? liegen Im Bereich der Werkstoffzugabe, welche angedeutet Ist durch die gestrichelte Linie 8, die spätere Fertigkontür der verschweissten Scheiben.

Die Wirkungsweise der Erfindung wird anhand der fertigen Sehwelssverbindung gemäss Fig. 4 erläutert.

Eine gle lehnt äs si ge Oberraupe 10 ohne starke Schuppung wird erzielt. Dies aufgrund der grossen Umfangsgeschwindigkeit am äusseren Scheibendurchmesser, welche eine leicht kontrollierbare, dünne schmelzflüssige Schicht bedingt, die dem Elektronenstrahl vorläuft.

Ein Einfallen des Schmelzgutes an der Strahl-Austrittsstelle findet nicht statt. Stattdessen bildet sich eine saubere Unterraupe 9, was dadurch erreicht wird, dass sich beim Durchgang des Elektronenstrahles durch die Schmelzlippe in deren Bereich ein Schmelzbad bildet, das breiter ist als die übrige Naht und halbkreisförmig in die seitlichen viertelkreisförmigen Begrenzungsradien der Schmelzlippe ausläuft und dort erstarrt. Desweiteren erfolgt die Abkühlung vom Schmelzgut und der Wärme-

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einflusszone 11 im Bereich der Schmelzlippe weniger schroff, wodurch dort kleinere Härtewerte auftreten als in der übrigen

Gerr.äss der Figur 3 sind die zu verschweissenden Werkstücke 1 und I¹ mit einer Aussenzentrierung J5 versehen. In Abweichung hierzu lässt sich die Anordnung gemäss Fig. 5 gestalten. Die Rotorscheiben sind im Bereich der Stossstelle an der radial inneren Kontur mit einem ringförmigen Wulst 12, 12' versehen. Mit einer solchen Anordnung, bei welcher der Wulst 12, 12' eine Lippenzentrierung 14 bildet, hat man ein Mittel in der Hand, mit geringerer Werkstoffzugabe am äusseren Werkstückdurchir.esser auszukommen.

In Fig. 6 sind die Werkstücke 1 und I¹ mit je einem ringförmigen, radial nach innen vorspringenden Wulst 1J>, 1J5¹ versehen, an den sich die Schmelzlippe 2 anschliesst. Der Wulst ist so ausgelegt, dass er sich in einer Zone befindet, in welcher die alternierenden Biegespannungen des sich im Betrieb befindlichen Rotors nicht auswirken. Dadurch liegen die Schmelzlippen 2, 2¹ gleichfalls in einer nahezu belastungsfreien oder spannungsfreien Zone, und eventuelle Schweissunregelmassigkeiten können nicht mehr Ausgangspunkt für eine mögliche Rissbildung sein. In Abweichung der gezeigten Anordnung könnten die Schmelzlippen 2, 2¹ selbstverständlich aus dem Wulst 13, hervorragen.

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In der gleichen Fig- 6 ist die Stossstelle der zu verschweissenden Rotorscheiben im Bereich der Schmelzlippe 2, 2¹ mit einer Ringnut versehen, in welche eine ringförmige Metallfolie

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15 eingelegt ist. Diese weist vorzugsweise eine Stärke^von

einmal dem Stahldurchmesser und eine Höhe t, von etwa 1-2 ir.al der Höhe t der Schmelzl'ippe auf- Zweck dieser Metallfolie, welche eine gegenüber dem Grundwerkstoff der Rotorscheiben abweichende Analyse aufweist, ist eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, darunter insbesondere der Zähigkeit des Schweissgutes. Im vorliegenden Beispiel seien die zu versehweissenden Werkstücke aus einem legierten vergüteten Stahl mit einer. Kohlenstoffgehalt von etwa 0,2-0,25$. Die verwendete Metallfolie weist einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,02-0,05$ auf.

Die Wirkungsweise ist nun die, dass beim Schweissen der Kohlenstoffgehalt des Schweissgutes sowie andere kritische Elemente, je nach Legierung der Metallfolie, verdünnt werden. Aufgrund der hohen Energiedichte des Elektronenstrahles wird eine geringe Gefügebeeinflussung der Schweisszone erzielt. Durch die Verdünnung tritt eine Aufhärtung in der Schweissnaht nicht auf, wie dies normalerweise durch den hohen Kohlenstoffgehalt allein oder durch Kohlenstoff in Verbindung mit den Legierungselementen wie Mangan,- Molybdän, Chrom, Nickel u.a. stattfindet.

Die auf der blanken Metalloberfläche der Nahtvorbereitung stets

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vorhandenen Spuren von Sauerstoff sowie sauerstoffhaltige Oxydeinflüsse im Stahl reagieren beim Elektronenstrahlschweissen im Vakuum mit der Kohle des Stahles unter Bildung von Kohlen-' monoxyd-Gas. Im Vakuum nimmt dieses Gas ein sehr grosses Volumen ein, was· besonders "bei grossen Elektronenstrahl-Nahttiefen zu starker Porenbildung im geschmolzenen Material führt. Aus diesem Grund ist es zweckmässig, die Metallfolie mit einer genügenden Menge starker Desoxidationsmittel zu legieren, welche eine CO-BiIdung durch Sauerstoffreste mindestens teilweise unterbinden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Folie mit etwa 0,05 1° Aluminium oder einem anderen Desoxidationsmittel legiert wird.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Rotoren. Mittels Elektronenstrahlen zu verschweissende Werkstück nahezu aller Formen und Dimensionen können erfindungsgemäss gestaltet werden, wobei sich die Erfindungsmerkmale insbesondere bei Tiefschweissnähten günstig auswirken, ob horizontal oder vertikal geschweisst.

Desgleichen können statt der bevorzugt viertelkreisförmigen Schmelzlippen auch· solche anderer Formen, beispielsweise trapezförmige verwendet werden.

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Claims

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Patentansprüche

1.1 Zum Elelctronenstrahlschweissen vorbereitete ebene oder gekrümmte Werkstücke, wobei die Schweissung als Durchgangsnaht ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem der Werkstücke (l,l^!) an der Stelle, an der sich beirr, Durchs chwe is sen die Unterraupe (9) bildet, eine Schmelzlippe (2,2*) vorgesehen ist.

2. Werkstücke nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzlippe (2,2') an der der zu verschweissenden Stossflache abgewandten Seite im Querschnitt eine annähernde Viertelkreisform aufweist.

3. Werkstücke nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzlippe (2,2') an der Elektronenstrahl-Austrittsstelle eine Stärke (6) von mindestens einmal dem Bündeldurchmesser des Ε-Strahles aufweist.

K. Werkstücke nach Patentanspruch, insbesondere rotationssymmetrische, dickwandige Hohlkörper, welche nach dem Verschweissen geschlossene Hohlräume bilden, beispielsweise Rotorscheiben für den Turbomaschinenbau, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzlippe (2,2^f) ringförmig an der

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radial innenliegenden Kontur der zu verschweissenden Stossstelle angebracht ist, wobei zwecks vollständiger Durchschweissung. eine Werkstückzentrierung ausserhalb der Schwelssnahtebene vorgesehen ist.

5. Werkstücke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierung (3) an der radial aussenliegenden Kontur der zu verschweissenden Stossstelle vorgesehen ist und mindestens teilweise im Bereich der Werkstoffzugabe liegt.

6. Werkstücke nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, dass zwecks verzugfreier Schweissung mindestens zwei Heftschweissungen (4) an der Zentrierung (3) vorgesehen sind, welche sich teilweise über den Werkstückumfang erstrecken.

7. Werkstücke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierung (3) an der radial innenliegenden Kontur der zu verschweissenden Werkstücke durch mindestens einen ringförmigen, eine Lippenzentrierung (14) bildenden Wulst (12,12') erfolgt.

8. Werkstücke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dassdie radial innere Kontur der zu verschweissenden Stossstellen beider Werkstücke einen ringförmigen Entlastungswulst (13,13') aufweist, an welchen die Schmelzlippe (2,2') anschliesst.

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9. Werkstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zu verschwelssenden und mit der Schmelzlippe (2,2*)· versehenen Stossflächen Druckausgleichschlitze (6) aufweist, welche beim Schweissvorgang den Hohlraum bis kurz vor Schweissende mit dem Inneren der Vakuumkammer verbinden.

10. Werkstücke nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Druckausgleichschlitze (6) senkrecht zur Stossebene geringer ist als der halbe Bündeldurchmesser des Elektronenstrahls.

11. Werkstücke nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Schmelzlippe (2,2') eine Metallfolie (15) eingelegt ist, welche eine gegenüber dem Grundwerkstoff der Werkstücke (1,1') abweichende Analyse aufweist.

12. Werkstücke nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Metallfolie (I5) etwa dem Bündeldurchmesser des Elektronenstrahles entspricht.

13. Werkstücke nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie (15) einen gegenüber dem Grundwerkstoff niedrigeren Kohlenstoffgehalt aufweist.

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Werkstücke nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie (15) mit einem Desoxidationsmittel legiert ist.

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