DE7439134U

DE7439134U - Rotorscheibe für den Turbomaschinenbau

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Publication number: DE7439134U
Application number: DE7439134U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-10-28
Filing date: 1974-11-23
Publication date: 1977-03-24
Also published as: GB1525638A; DE2455600A1; US4063062A; NL183501B; NL183501C; JPS6039475B2; JPS5165048A; CA1049618A; CH563833A5; NL7512459A; FR2289289B1; DE2455600C2; SE408146B; IT1043611B; SE7511751L; FR2289289A1

Description

39 134.7

13 O / 7 ^

Ke/Ca 21.12.76

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

':-:otorscheibe für den Turbomaschinenbau

Die Neuerung betrifft eine Rotorscheibe für den Turbomaschinenbau, welche als rotationssymmetrischer Hohlkörper ausgebildet ist und mit einer zv/eiten Rotorscheibe mittels Elektronenstrahlsehweissen verbindbar ist, so dass beide Rotorscheiben nach dem Verscbweissen einen geschlossenen Hohlraum aufweisen.

Das Schweissen mit Elektronenstrahlen bietet die Möglichkeit, V/erkstoffe grosser Wanddicken, wie sie beispielsweise bei aus Scheiben und Trommeln zusammengesetzten Rotoren von Turbo»uaschinen zur Verwendung gelangen, in einem Schuss zu verbinden.

Die Ausbildung der Unterraupe bei derartigen Tiefschweissungen ist allerdings problembehaftet, Versuche ergaben, dass selbst

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bei korr.bir.ierterr. Quer- und Längspendeln des Elektronenstrahles bei vollständigem Durchdringen des zu ve rechweis sender. Werkstückquerschnittes die Unterraupe zahlreiche, unterschiedlich lange, gratförrr.ige Schrr.elzgutdurchhänge aufweist. In der später beschriebenen Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung ist ein solcher Schrreizgutdurchhang ersichtlich- Er ist seitlich begrenzt durch ausgeprägte Kerben, welche wegen der hohen HMrtewerte in diesem Bereich Ausgangspunkt von Rissen sein können. Um solche Unterraupen zu vermeiden, wird oftmals auf eine vollständige Durchschweissur.g des Werk Stückquerschnitts 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 wä'rmebeeinflusste Zone des Grundwerkstoffes fortplanzt. Begünstigt wird dies durch die hohe Härte im Nahtbereich als Folge der extrerr.en Abkühlgeschwindigkeiten von Slektror.enstrahlschwe issungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkstücke zum Elektronenstrahlschweissen an der Stossstelle und irr. Bereich der Stossstelle derart auszubilden, dass bei einer vclist'-'r.diren

Purchschweissur.g eine kerben freie Unterraure erzielt wir

Erfindur.gsgem'-iss w^rd die Aufgabe cacurcr. reibst, ca^s ar. mindestens einem der Werkstücke an der stelle, ^r. .itr :-ic:\ beim rurchschweissen die Unterrau?e bildet, eine fch.relzlippe vorgesehen ist.

Besonders zwc-ckm^ssig ist, wenn die Γ ;-.- ■- Ir.l 1 ;'_: e an ;:·:.· :>_■:· zu verschwe issenden Stcssf l^wche ab gev.-^n :t - :. Feite ein·:: £.:.-nähernde Vierte Ik reis form aufv:eist ur.'i an der ?!Lekt rcnons tr?.n Austrittsstelle eine 3tärke von mindestens ein~al de- Hlndeldurchmessers des Elektrcnenstrahles auf>.·:■ ist.

Neben der erzielbaren kerbfreien U terraupe erciot sich zuiem der weitere Vorteil, dass die Abkühlung vcn Schmelzet vr.u Vs'ärr.eeinflusszone im Bereich der erfindungscemlissen ,rchmelzlippe weniger schroff erfolgt und damit dcrt kleinere Härtewerte als in der restlichen Naht auftreten.

Bei rotationssymmetrischen Werkstücken, beispielsweise Scheibi oder Trommeln, weiche rr.it den .vtirnfl'r-chi η zu verbinden sind, empfiehlt es sich, die Schmelzlippe ringförmig an der radial innenliesenden "Kontur der zu ve rs chwe issenden Stcssstelle anzubringen, wobei zwecks vc?.lsf"!ndiger £i:rchschweissur.g eine Werkstückzentrierung vorzugsweise ausserhalb der Gchweissnahtebene vorzusehen ist-

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Wire eine Aussenzer.trierung in-; Bereich der unerlässlicher. Werks te:" fzugabe vorgesehen, so hat dies den Verteil, dass die veils t rind ire rurchschweissur.g der Werkst-eke nicht beeinträchtigt' wird. Zudem ergibt sich die y.crl i chkei t, die Werkstückeinzelteile schon vor der Ziektrcr.er.strahlsehweissen ausse-rhalb der Vakuumkammer zusarrrr.er.zufügen, wobei zurr. Transport an der Zentrierung Hef tschweissur.ger. vorgesehen werden können, die sich zweckm^ssicerweise nur teilweise über den Werkstück- ·■:.:* :'ur.ζ c rs t re cken.

Harielt es sicr. urr. rotationssyrr.rr.etrische Hchlkcrper, so bietet eine Ir.r.er.zertrierur.g derselben die gleichen o'oen angeführten Verteile. Hierbei kennen die Werkstücke rr.it einer, radial nach ir.r.tr. vorspringenden, eine Lippenzentrierung bildenden Wulst versehen sein. Es wird rr.it einer derartigen Zentrierung eine cressere nützbare Schweissnahttiefe dadurch erzielt, dass rr.an rr.it einer wesentlich geringeren Werkstoff zugabe arr äusseren

Für der. unbedingt erforderlichen Druckausgleich beim Ver-Echweisser. von Hohlkörpern sind Druckausgleichöffnungen vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung, bei der eine der zu verschweissenden Flächen Schlitze aufweist, deren Tiefe senkrecht zur Stcssebene geringer ist, als der halbe 3ur.deIdurchrr.esser des Elektronenstrahls, und die derart ange-

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ordnet sind, dass beim Schweissen der Kohlraum bis kurz vor Schweisser.de mit derr. Innerer, der Vakuumkammer verbunden ist.

Werden die Werkstücke irr Betrieb einer grossen alternierenden Belastung ausgesetzt, wie dies beispielsweise bei Rctorseheiben für Turbomaschine^ der Fall ist, so können sie vorzugsweise rr.it einer, ringförmigen Wulst ausgestattet werden, der sich irr. Bereich der Stossstelle 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 Schv.-eissgutes irr. Bereich der Unterraupe, so kann dies durch Einlegen einer entsprechend legierten Folie in die Schmelzlippe geschehen. Vorzugsweise entspricht die Folienstärke derr, Bündeldurchmesser des Elektronenstrahles.

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

Fig. 1 eine erste bekannte Schweissverbindeng

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

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Fig. 3 eine erfindungsgerr.Hsse Schweissnahtvorbereitung &n einerr. Teilschnitt eines Turbinenrotors,

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

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

In allen Figuren sind mit 1 und^;1' die beiden zu verschweissen- aen Werkstücke bezeichnet. Im übrigen gelten gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die in der Beschreibungseinleitung erwähnten, zur. Stande der Technik zahlenden Schweissverbindur.gen. In Fig. 1 wird die Unterraupe durch einen gratförmigen Schmelzgutdurchhang gebildet, welche durch ausgeprägte Kerben seitlich begrenzt ist. Der Teilschnitt in Fig. 2 zeigt zwei an den Stirnflächen verschweisste Turbinenscheiben ir.it Inntnzentrierung, 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, querschnittsschw'ächend wirken und zudem spater verschlossen werden müssen.

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Zum besseren Verständnis der Erfindung sei folgende, an sich bekannte Problematik des Elektronenstrahlschv:eissens anhand von dickwandigen, aus Scheiben und Trommeln zusammengesetzten Turbcrr.aschinenrotoren kurz rekapituliert.

- Angestrebt werden poren- und rissfreie Nähte mit gleichrr.ässig ausgebildeter Nahtwurzel und überhöhter Cberraupe. Bei Tiefschweissungen bedarf es deshalb eines hochfrequenten, abgelenkten Elektronenstrahles, wofür ein erheblicher Leistungsüberschuss erforderlich ist.

- Bei geringen Schweissgeschwindigkeiten führen in vertikaler Strahllage geschweisste Durchgangsr.shte leicht zum Einfallen des Schmelzbade^.

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

- Als besonders kritische Zonen sind Ueberlappungsbereiche bei Ringnähten anzusehen. Die Ueberlappungslangen 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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τ τ r. / -L _j <j I

- Maximale Spaltbreiten von 0,2-0,;; rr.m sind zulässig. Schon kleinste Spaltbreiten sind nur überbrUckbar, wenn durch Querpendelv.ng des Elektronenstrahles ein bestimmtes Mindestvolurr.en aufgeschmolzen v.'ird. Dieses erforderliche Quercendeln reduziert die Vorsehubgeschwir.cigkeit.

- Um die erforderliche Nahtgeometrie und insbesondere die minirr.en Spaltbreiten zu realisieren, ist eine äi-.ser-t genaue Zentrierung der zu verschweissenden Teile erforderlich.

Erfindungswesentlich in diesem Zusammenhange ist, dass die Zentrierung keinesfalls in der neuerungsgemassen Schmelzlippe vorgenommen wird, weswegen eine Zentrierung wie jene in ?ig. im vorliegenden Fall nicht in Betracht zu ziehen ist.

In Fig. ? sind die beiden zu verschweissenden Werkstücke 1 und I¹ mit je einer Schm^-lzlippe 2 resp. 2' versehen. Im gezeigten Beispiel entspricht die Tiefe t der Lippen dem nadius r der Viertelkreisform. Die Breite b der Schmelz lippe entspricht etwa dem Bündeldurchmesser des verwendeten Elektronenstrahls. Selbstverständlich sind dies nur Richtwerte, ca die Abmessungen der Schmelzlippe insbesondere abhängig sind vom Strahldurchmesser, der Querpendelamplitude des Strahles und der Energiezufuhr an der Strahl-Austrittsstelle. Tie beiden Werkstücke, welche Rotorscheiben darstellen, sind mit einer Aussenzen-

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trierung 3 verseher, und mit einer Hefts^hv.-eissung 4 verzugsfrei verbunder.. Diese Hef tschweissur.g 4 kar.n rr.it einen: konventioneller. Sehweissverfahren hergestellt warden und muss sich nicht über den ganzen Umfang der Werkstücke erstrecken. Es genügen einzelne, gleichmässig verteilte Nähte bestimmter Länge, urr. den beim Schv:eisser, der Verbindungsr.aht mit nur einer Strahl/, ar. cn j entstehenden Verzug entgegenzuwirken. Diese Heftnähte ermöglichen es zudem, die beiden Scheiben schon ausserhalb der Vakuumkammer zusammenzufügen. Hierdurch erübrigen si:h die zumeist komplizierten und aufwendigen Mcrtagevorr: cr.ζ'Jr.rer. in der Vakuumkammer, wodurch cie;e dann ausschliess- li.z'r. zum eventuell nctv;_cndigen Vcr.-:^#"'rmen und Sc::weis£en belegt wird. Ia zudem, mit dieser r-'.ässr.ahme der kieinstmcgliche Verzug des Rotors während des Schweisser.s erreicht wird, ist es r.ich" mehr notwendig, mit mehreren gleichzeitig air. Urr.-'ang der ~ 2hweissr.aht verteilten 2~rahlkar.or.en zu arbeiten. Zurr. Justieren des Elektrcr.er.strahles genau über dem Schweissstoss ist die Zer.-rierur.g 3 mit einer i-'arkie rungs rille 5 versehen. Uir, den unerlässlichen Druckausgleich zwischen Verkstückinnenraum und Atmosphäre, irr. vorlieger.cer. Fall selbstverständlich Vakuumkammer, zu ermöglichen, sind die Werkstücke 1 und I¹ mit Druckausgleichbchrunger. 7 resp. Druckausgleichschlitzen 6 versehen. Diese müssen derart ausgebildet sein, dass sie schmäler sind als die spätere Schweissnaht und während des Schweisser.s vollständig mitverschmolzen werden. Als Richtwert kann hier dienen,

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dass ciie Tiefe cer Druckausgieichschlitze 6 senkrecht zur Stcssetene rerir.^er ist als der halbe Bür.d^ldurchmesser des Elektronen- trahles. Sowohl die Zentrierung 5» 2.1ε auch die Heftnähte 4, die Markierungsrille 5 und die Druckausgleichbohrur.gen 7 liegen im Bereich der Werkstof f zugabe, welche angedeutet ist durch die gestrichelte Linie 8, die spätere Fertigkontur der verschweissten Scheiben.

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

Eine gleichrrassige Oberraupe 10 ohne starke Schuppung wird erzielt. Dies aufgrund der grosser. Umfangsgeschwindigkeit am äusseren Scheibendurchmesser, welche eine leicht kontrollierbare, dünne schrr.elzflüssige 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 3ereich 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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^1/τ;

einflusszone 11 im Bereich der Schrr.eIzlippe weniger schroff, wodurch dort kleinere H^'rtewerte auftreter, als in der übriger. Naht.

Oemäss der Figur 3 sind die zu verschweisser.der. Werkstücke 1 und l^f irit einer Aussenzentrierung 5 versehen. Ir. Abweichung hierzu lässt sich die Anordnung gerr.äss Fi.?. 5 gestalten. Tie Rotorscheiben sind im Bereich der 2tcs^stellü an der raiial inneren Kontur rrit einem ringförmiger. Wulst 12, 12' versehen. Mit einer solchen Anordnung, bei welcher der Wulst 12, 12' eine Lippenzentrierung 14 bildet, hat τεη ein Mittel in der Hand, rr.it geringerer Werkstoffzugabe am äusseren WerkstückdurchjT.esser auszukommen.

In Fig. β sind die Werkstücke 1 und I¹ rr.it je einerr. ringförmigen, radial nach innen vorspringenden Wulst Yl, IJ¹ versehen, an den sich die Schmelzlippe ? 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 te las tur.gs freien oder spannungsfreien Zone, und eventuelle Schweissunregelmässigkeiten können nicht mehr Ausgangspunkt für eine mögliche Rissbildung sein. In Abweichung der gezeigten Anordnung kennten die Schmelzlippen 2, 2' selbstverständlich aus dem Wulst I3, 13' hervorragen.

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Ir. der rle icher. Fig. β ist die Stossstelle der zu verschweisser.cen Ec torscheiber. irr. Bereich der Schrr.elziir;.:e 2, 2' ir.it einer Ringnut versehen, in weiche eine ring fertige Metallfolie

15 eingelegt ist. Diese weis- vorzugsweise eine St^yrke^or. einmal derr Stahlcurchrresser und eine Höhe t, von etwa 1-? mal der Hohe t der Sehmelzlipce auf. Zweck dieser Metallfolie, welche eine gegenüber derr. Grur.Gwerk.-toff der Rotorscheiben abweichende Analyse aufweist, ist eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, darunter insbesondere der Zähigkeit des Schweissrutes. Im verlierenden Beispiel seien die zu verschweissenden Werkstücke aus ein err. legierten vergüteten Stahl rr.it einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,2-0,25?£. Tie verv.-er.dete Metallfolie weist einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,02-0,05% auf.

Die Wirkungsweise ist nun die, dass beirr. Schweissen der Kohlenstoffgehalt des Schweissgutes sowie andere kritische Elemente, ie nach Legierung der Metalifolie, 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 der, 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 N'ahtvorbereitung stets

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vorhandenen Spuren von Sauerstoff sowie sauerstoffhaltige Oxydeinflüsse irr. Stahl reagieren beim Elektronenstrahlschweissen irr. Vakuum rr.it der Kehle des Stahles unter Bildung von Kohlenrr.cnoxyä-C-ss. Irr. Vakuum nimmt dieses Gas ein sehr grosses Volur.en ein, was besonders bei grosser. Elektronenstrahl-Nahttiefen zu starker Porenbildung irr. geschmolzenen Material führt. Aus dieser. Grund ist es zweckrr.^ssig, die Metallfolie mit einer genügenden Menge starker Desoxidationsmittel zu legieren, welche eine CO-Bildung durch Sauerstoffreste mindestens teilweise unterbinden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Folie rr.it etwa 0,05 % Aluminium oder einem anderen Desoxidationsmittel legiert wird.

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

Desgleichen können statt der bevorzugt viertelkreisfcrmigen Schmelz lippen auch· solche anderer Former., beispielsweise trapezförmige verwendet werden.

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Claims

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Schut zansprüche

1. Rotorscheibe für den Turbomaschinenbau, welche als rotationssymmetrischer Hohlkörper ausgebildet ist und mit einer zweiten Rotorscheibe mittels Elektronenstrahlschweissen verbindbar ist, so dass beide Rotorscheiben nach dem Verschweissen einen geschlossenen Hohlraum aufweisen_} dadurch gekennzeichnet j dass die Rotorscheibe (1, 1') an der Stelle, an der sich beim Durchschweissen eine Unterraupe (9) bildet, eine Schmelzlippe (2, 2') aufweist, welche ringförmig an der radial inn-'nliegenden Kontur der zu verschweissenden Stossstelle angebracht ist.

2. Rotorscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzlippe (2, 2') an der der zu verschweissenden Stossfläche abgewandten Seite im Querschnitt eine annä-

herde Viertelkreisform aufweist. ]

3. Rotorscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die Zentrierung (3) an der radial innenliegenden Kontur der zu verschweissenden Rotorscheibe durch mindestens einen ringförmigen, eine Lippenzentrierung (14) bildenden Wulst (12, 12') erfolgt.

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H. Rotorscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Kontur der zu verschweissenden Stossstellen der Rotorscheibe einen ringförmigen Entlastungswulst (13, 13') aufweist, an welchem die Schmelzlippe (2, 2') anschliesst.

5. Rotorscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Schmelzlippe (2, 2') versehene Stossfläche Druckausgleichschlitze (6) aufweist.

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