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Dokumentenidentifikation DE102006012662A1 27.09.2007
Titel Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen und damit hergestelltes Bauteil
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Gindorf, Alexander, 85247 Schwabhausen, DE;
Hanrieder, Herbert, 85411 Hohenkammer, DE
DE-Anmeldedatum 20.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006012662
Offenlegungstag 27.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.09.2007
IPC-Hauptklasse B23K 13/01(2006.01)A, F, I, 20060320, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23K 31/02(2006.01)A, L, I, 20060320, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen (12, 14), insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen (20, 22) der Bauelemente (12, 14) mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens erfolgt und die Bauelemente (12, 14) aus unterschiedlichen oder ähnlichen metallischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Permeabilitäten und/oder Wärmeleitfähigkeiten bestehen. Während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens wird erfindungsgemäß mindestens ein verfahrensspezifischer Parameter derart gesteuert, dass zumindest die Verbindungsflächen (20, 22) im Wesentlichen gleichzeitig jeweils bis mindestens nahe dem jeweiligen Schmelzpunkt der metallischen Werkstoffe erwärmt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil, insbesondere Bauteil einer Gasturbine, bestehend aus einem ersten Bauelement (12) und einem zweiten Bauelement (14), wobei das erste und das zweite Bauelement (12, 14) aus unterschiedlichen oder ähnlichen metallischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Permeabilitäten und/oder Wärmeleitfähigkeiten bestehen und mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens verschweißt sind. Erfindungsgemäß wird während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens mindestens ein verfahrensspezifischer Parameter derart gesteuert, dass zumindest Verbindungsflächen (20, 22) der Bauelemente (12, 14) im Wesentlichen gleichzeitig jeweils bis mindestens ...

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen der Bauelemente mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mittels des Verfahrens hergestelltes Bauteil.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen mittels induktivem Hochfrequenzpressschweißens bekannt. So beschreibt zum Beispiel die DE 198 58 702 A1 ein Verfahren zum Verbinden von Schaufelteilen einer Gasturbine, wobei ein Schaufelblattabschnitt und wenigstens ein weiteres Schaufelteil bereitgestellt werden. Dabei werden entsprechende Verbindungsflächen dieser Elemente im Wesentlichen fluchtend beabstandet zueinander positioniert und anschließend durch Erregen eines Induktors mit hochfrequentem Strom und durch Zusammenfahren unter Berührung ihrer Verbindungsflächen miteinander verschweißt. Dabei wird der Induktor mit einer konstanten Frequenz, die im Allgemeinen über 0,75 MHz liegt, erregt. Die Frequenz wird zudem in Abhängigkeit von der Geometrie der Verbindungsflächen gewählt. Bei dem induktiven Hochfrequenzpressschweißen ist die Erwärmung der beiden Schweißpartner für die Qualität der Fügestelle von entscheidender Bedeutung. Nachteilig an den bekannten Verfahren ist jedoch, dass damit nur Bauelemente aus identischen oder ähnlichen Werkstoffen, die identische oder ähnliche Permeabilitäten, Wärmeleitfähigkeiten oder ähnliche Schmelzpunkte aufweisen, miteinander verschweißt werden können.

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 aus unterschiedlichen oder ähnlichen metallischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten, Permeabilitäten und/oder Wärmeleitfähigkeiten gewährleistet ist.

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.

Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11.

Zur Klarstellung sei hier ausdrücklich erwähnt, dass die Bezeichnung induktives Hochfrequenzpressschweißen das Verfahren bzw. das Bauteil im vorliegenden Fall nicht auf einen bestimmten Frequenzbereich festlegt. Vielmehr finden Frequenzen im niederen kHz-Bereich bis hin zum hohen MHz-Bereich Anwendung, so dass auch die neue Bezeichnung induktives Pressschweißen (IPS) eingeführt werden könnte.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, verwendet zum Verbinden entsprechender Verbindungsflächen der Bauelemente ein induktives Hochfrequenzpressschweißen. Dabei bestehen die Bauelemente aus unterschiedlichen oder ähnlichen metallischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten, Permeabilitäten und/oder Wärmeleitfähigkeiten. Während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens wird mindestens ein verfahrensspezifischer Parameter derart gesteuert, dass zumindest die Verbindungsflächen im wesentlichen gleichzeitig jeweils bis mindestens nahe dem jeweiligen Schmelzpunkt der metallischen Werkstoffe erwärmt werden. Aufgrund der Steuerungsmöglichkeiten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die zu verschweißenden Bauelemente jeweils im Wesentlichen gleichzeitig eine schmelzflüssige Schicht an den Verbindungsflächen ausbilden, die dann durch einfaches Zusammenpressen miteinander verschweißt werden. Dabei ist es möglich, dass eine Verbindungsfläche des ersten Bauelements aufgeschmolzen wird und die Verbindungsfläche des zweiten Bauelements unterhalb der Schmelztemperatur bleibt. Es ist aber auch möglich, dass beide knapp unterhalb der jeweiligen Schmelztemperatur bleiben oder auch beide bis zu einer Temperatur überhalb des Schmelzpunkts des jeweiligen Werkstoffs erhitzt werden. Wesentlich für eine sichere und dauerhafte Verbindung zwischen den einzelnen Bauelementen ist eine fehlerfreie Verbindungszone nach dem Auspressen der Schmelze und der entsprechenden Werkstoffpaarung. Durch das vollständige Ausdrücken der Schmelze aus einem Fügebereich der beiden Bauelemente wird der so genannte Fügequerschnitt warm verschmiedet und damit fest und belastbar. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass für den Schweiß- bzw. Fügeprozess nur geringe Kräfte aufgebracht werden müssen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch Werkstoffkombinationen verbinden, die durch bekannte Schmelzschweißverfahren, durch Rotationsreibschweißen oder auch durch das bisher bekannte induktive Hochfrequenzpressschweißen aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften nicht verbunden werden konnten.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Steuerung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens die Variierung der durch mindestens einen Induktor induzierten Frequenz. Durch die unterschiedlichen Höhen der Frequenzen, die üblicherweise zwischen 7 kHz und 2,5 MHz liegen, wird gewährleistet, dass die Werkstoffe superplastisch umformbar und dadurch miteinander verbindbar sind. Dabei werden die Frequenzen insbesondere auch in Abhängigkeit von der Geometrie der Verbindungsflächen gewählt. Zudem ist es möglich, dass die Induktion mittels eines Induktors, der unterschiedliche Stärken induziert, erfolgt. Es ist aber auch möglich, zwei oder mehrere Induktoren zu verwenden. Des Weiteren ist es denkbar, dass die Verbindungsflächen der Bauelemente unterschiedlich lange den unterschiedlichen Frequenzen ausgesetzt sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Steuerung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens die Variierung der Lage der Bauelemente relativ zum Induktor bzw. zu den Induktoren. Es ist aber auch möglich, dass die Steuerung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens die Variierung des Abstands der jeweiligen Bauelemente relativ zum Induktor umfasst. So kann zum Beispiel eine Verschiebung des Induktors in Richtung des Bauelements bestehend aus dem metallischen Werkstoff mit der höheren Schmelztemperatur erfolgen.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen das erste Bauelement aus Stahl und das zweite Bauelement aus einer TiAl-Legierung. Es ist aber auch möglich, dass das erste und zweite Bauelement aus ähnlichen metallischen Werkstoffen bestehen und durch unterschiedliche Herstellungsverfahren hergestellt sind. Dies betrifft zum Beispiel geschmiedete Bauelemente, durch Gussverfahren hergestellte Bauelemente, Bauelemente bestehend aus Einkristallen sowie gerichtet erstarrte Bauelemente.

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 aus unterschiedlichen oder ähnlichen metallischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Permeabilitäten und/oder Wärmeleitfähigkeiten bestehen. Die Bauelemente sind dabei mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens zusammengefügt. Erfindungsgemäß wird während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens mindestens ein verfahrensspezifischer Parameter derart gesteuert, dass zumindest die Verbindungs- bzw. Fügeflächen der Bauelemente im Wesentlichen gleichzeitig jeweils bis mindestens nahe dem jeweiligen Schmelzpunkt der metallischen Werkstoffe erwärmt werden. Dadurch ist es möglich ein Bauteil herzustellen, bei dem sichere und dauerhafte Verbindungen der einzelnen Bauelemente zueinander gewährleistet sind. Es entsteht eine fehlerfreie Verbindungszone nach dem Auspressen der Schmelze und der Diffusion der unterschiedlichen Werkstoffpaarung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils kann das erste Bauelement aus Stahl und das zweite Bauelement aus einer Titanaluminium-Legierung bestehen. Es ist aber auch möglich, dass das erste und das zweite Bauelement aus ähnlichen metallischen Werkstoffen bestehen und durch unterschiedliche Herstellungsverfahren hergestellt sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung 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 BLINGs („Bladed Ring") oder BLISKs („Bladed Disk") von Gasturbinentriebwerken.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt die Figur einen Schliff durch ein erfindungsgemäß verbundenes und hergestelltes Bauteil 10.

Das Bauteil 10 besteht dabei aus einem ersten Bauelement 12 und einem zweiten Bauelement 14, die mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens miteinander verschweißt worden sind. Während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens wurde dabei mindestens ein verfahrensspezifischer Parameter derart gesteuert, dass zumindest die Verbindungsflächen 20, 22 der Bauelemente 12, 14 im Wesentlichen gleichzeitig jeweils bis mindestens nahe dem jeweiligen Schmelzpunkt der metallischen Werkstoffe erwärmt wurden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das erste Bauelement 12 aus Stahl und das zweite Bauelement aus einer Titanaluminium-Legierung. Zum Verbinden des ersten und zweiten Bauelements 12, 14 wurden diese im Wesentlichen fluchtend und beabstandet zueinander positioniert. Durch Erregen eines Induktors (nicht dargestellt) mit hochfrequentem Strom und durch Zusammenfahren unter Berührung der Verbindungsflächen 20, 24 wurden diese miteinander verschweißt. Das im Wesentliche gleichzeitige Erwärmen der Verbindungsflächen 20, 22 jeweils bis mindestens nahe dem jeweiligen Schmelzpunkt der metallischen Werkstoffe erfolgte bei einer Frequenz von ungefähr 1,0 MHz. Der Koppelabstand, d. h. der relative Abstand zwischen dem Induktor und den Bauelementen 12, 14, betrug 1,5 mm. Um das im Wesentlichen gleichzeitige Aufschmelzen der Werkstoffe Stahl und der Titanaluminium-Legierung zu erzielen, wurde der Induktor in Richtung des höher schmelzenden Materials, nämlich der Titanaluminium-Legierung, verschoben. Die Verschiebung betrug dabei 2 mm. Schließlich wurden das erste und das zweite Bauelement 12, 14 mit einer Kraft von 250 N über einen Stauchweg von 1 mm und einer Schweißzeit von 1,5 s miteinander verbunden.

Des Weiteren erkennt man aus der Figur, dass zwischen den Fügeflächen 20, 22 des ersten und zweiten Bauelements 12, 14 eine Interdiffusionszone entsteht, die aber zu keiner stofflichen Verbindung der an sich nicht mischbaren Werkstoffe führt. An den Rändern der Verbindungsflächen 20, 22 entstehen Materialansammlungen 18, die durch das beim Fügen herausgepresste Material Titanaluminium-Legierung entstehen.


Anspruch[de]
Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen (12, 14), insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen (20, 22) der Bauelemente (12, 14) mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens erfolgt und die Bauelemente (12, 14) aus unterschiedlichen oder ähnlichen metallischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Permeabilitäten und/oder Wärmeleitfähigkeiten bestehen und während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens mindestens ein verfahrensspezifischer Parameter derart gesteuert wird, dass zumindest die Verbindungsflächen (20, 22) im wesentlichen gleichzeitig jeweils bis mindestens nahe dem jeweiligen Schmelzpunkt der metallischen Werkstoffe erwärmt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens die Variierung der durch mindestens einen Induktor induzierten Frequenz umfasst. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz in Abhängigkeit der Beschaffenheit und Geometrie der Verbindungsflächen (20, 22) gewählt wird. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor oder die Induktoren mit Frequenzen zwischen 7 kHz und 2,5 MHz erregt wird bzw. werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens die Variierung der Lage der Bauelemente relativ zum Induktor umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens die Variierung des Abstands der jeweiligen Bauelemente relativ zum Induktor umfasst. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschiebung des Induktors in Richtung des Bauelements (12) bestehend aus dem metallischen Werkstoff mit der höheren Schmelztemperatur erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauelement (12) aus Stahl und das zweite Bauelement aus einer TiAl-Legierung besteht. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bauelement (12, 14) aus ähnlichen metallischen Werkstoffen bestehen und durch unterschiedliche Herstellungsverfahren hergestellt sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauelement (12) eine Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine ist und das zweite Bauelement (14) ein Ring oder eine Scheibe des Rotors ist. Bauteil, insbesondere Bauteil einer Gasturbine, bestehend aus einem ersten Bauelement (12) und einem zweiten Bauelement (14), wobei das erste und das zweite Bauelement (12, 14) aus unterschiedlichen oder ähnlichen metallischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Permeabilitäten und/oder Wärmeleitfähigkeiten bestehen und mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass während des Vorgangs des induktiven Hochfrequenzpressschweißens mindestens ein verfahrensspezifischer Parameter derart gesteuert wird, dass zumindest Verbindungsflächen (20, 22) der Bauelemente (12, 14) im wesentlichen gleichzeitig jeweils bis mindestens nahe dem jeweiligen Schmelzpunkt der metallischen Werkstoffe erwärmt werden. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauelement (12) aus Stahl und das zweite Bauelement aus einer TiAl-Legierung besteht. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bauelement (12, 14) aus ähnlichen metallischen Werkstoffen bestehen und durch unterschiedliche Herstellungsverfahren hergestellt sind. Bauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauelement (12) eine Schaufel eines Rotors in einer Gasturbine ist und das zweite Bauelement (14) ein Ring oder eine Scheibe des Rotors ist.






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