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DE19953079A1 - Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen - Google Patents

Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen

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DE19953079A1
DE19953079A1 DE19953079A DE19953079A DE19953079A1 DE 19953079 A1 DE19953079 A1 DE 19953079A1 DE 19953079 A DE19953079 A DE 19953079A DE 19953079 A DE19953079 A DE 19953079A DE 19953079 A1 DE19953079 A1 DE 19953079A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von zwei Bauteilen aus hochlegierten warmfesten matensitisch/ferritischen Stählen, austenitischen Stählen und Superlegierungen auf Nickel-, Nickel-Eisen- und Kobaltbasis, welches durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: DOLLAR A - Plattieren des ersten Bauteiles und wahlweise auch des zweiten Bauteiles, wobei als Zusatzwerkstoffe für das Plattieren Nickelbasis-Werkstoffe mit folgender Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%) verwendet werden: 16-22 Cr; < 0,02-0,06 C; < 0,2-0,4 Si; mindestens vier der Elemente Nb, Fe, Mn, Mo, Co, Al, wobei gilt: 2-4 Nb; 0,8-6 Fe; 0-3 Mn; 1-9 Mo; 0-11 Co; 0-1 Al; Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen, DOLLAR A - falls erforderlich, Qualitätswärmebehandeln des plattierten Grundmaterials, DOLLAR A - Verbindungsschweißen des plattierten ersten Bauteiles mit dem plattierten oder nicht plattierten zweiten Bauteil, wobei als Zusatzwerkstoff für die Verbindungsschweißung wiederum die genannten Nickelbasis-Werkstoffe verwendet werden, DOLLAR A - Spannungsarmglühen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Verschweissen von zwei Bauteilen aus hochlegierten warmfesten martensitisch/ferritischen Stählen, austenitischen Stählen und Superlegierungen auf Nickel-, Nickel-Eisen- und Kobaltbasis. Derartige Schweissverbindungen sind z. B. notwendig zum Zusammenfügen von Scheiben oder anderen Teilen für Rotoren von Turbomaschinen.
Stand der Technik
Es ist bekannter Stand der Technik, dass sich warmfeste martensitisch/ferritische Stähle, insbesondere die Klasse der 12%-Chromstähle, nur sehr schlecht mit austenistischen Stählen oder Superlegierungen auf Nickel-, Nickel-Eisen- und Kobaltbasis verschweissen lassen. Abhängig vom angewandten Schweissverfahren können Risse im Grundmaterial, der Wärmeeinflusszone oder im Schweissgut auftreten (J. Tösch und E. Perteneder: Beeinflussung des Ferritgehaltes im austenitischen Schweissgut, sowie Einsatzgebiete verschiedener umhüllter, hochlegierter Stabelektroden. Vortrag, Schweisstechnische Tagung Böhler Schweisstechnik Austria GmbH, Kapfenberg 1996). Diese Risse sind unerwünscht, da an Schweissnähte hinsichtlich Fehlerfreiheit sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Dies gilt auf Grund der hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen besonders für zusammengeschweisste Rotorteile.
Aus US 4,962,586 ist ein Verfahren zum Zusammenschweissen von Rotorsegmenten aus zwei unterschiedlichen niedriglegierten Stählen bekannt, bei denen eine plattierte Schicht auf das erste Rotorsegment aufgeschweisst wird, diese Schicht mechanisch bearbeitet und wärmebehandelt wird und anschliessend eine Verbindungsschweissung zwischen den beiden Rotorsegmenten durchgeführt wird. Der Zusatzwerkstoff für das Plattieren und die Verbindungsschweissung ist ebenfalls niedriglegiert. Nachdem das Schweissen beendet ist, wird die Verbindungsnaht wärmebehandelt und mechanisch bearbeitet. Als Schweissverfahren werden Metall-Inert-Gas- Verfahren, bevorzugt eine Wolfram-Inert-Gas-Schweissung (WIG) angewendet. Nachteilig an diesem Verfahren ist die notwendige Wärmebehandlung der Plattierung und der Verbindungsschweissnaht. Insbesondere die Wärmebehandlung nach dem Verbindungsschweissen ist zeitraubend und wegen der Grösse der zusammengefügten Rotorteile aufwendig. Ausserdem ist der gemäss US 4,962,586 verwendete Zusatzwerkstoff für das Zusammenschweissen von martensitisch/ferritischen warmfesten Stählen mit austenistischen Stählen bzw. Superlegierungen nicht geeignet.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweissen von Bauteilen aus hochlegierten warmfesten martensitisch/ferritischen Stählen, insbesondere Stählen mit 12% Cr, austenitischen Stählen und Superlegierungen auf Nickel-, Nickel-Eisen- und Kobaltbasis zu entwickeln, welches mit einer möglichst geringen Anzahl von Wärmebehandlungschritten durchführbar ist und welches zu Schweissnähten führt, die praktisch makrorissfrei sind.
Erfindungsgemäss wird dies durch folgende Verfahrensschritte erreicht:
  • - Plattieren des ersten Bauteiles und wahlweise auch des zweiten Bauteiles, wobei als Zusatzwerkstoffe für das Plattieren Nickelbasis-Werkstoffe mit folgender Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%) verwendet werden: 16-22 Cr; <0,02-0,06 C; <0.2-0,4 Si; mindestens vier der Elemente Nb, Fe, Mn, Mo, Co, Al, wobei gilt: 2-4 Nb; 0,8-6 Fe; 0-3 Mn; 1-9 Mo; 0-11 Co; 0-1 Al; Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
  • - Durchführung einer Qualitätswärmebehandlung des plattierten Grundmaterials, falls erforderlich,
  • - Verbindungsschweissen des plattierten ersten Bauteiles mit dem plattierten oder nicht plattierten zweiten Bauteil, wobei als Zusatzwerkstoff für die Verbindungsschweissung wiederum die genannten Nickelbasis-Werkstoffe verwendet werden,
  • - Spannungsarmglühen.
Die miteinander verschweissten Bauteile können entweder aus dem gleichen Grundmaterial, beispielsweise einem warmfesten martensitisch/ferritischen Stahl, bestehen oder das erste Bauteil und das zweite Bauteil bestehen jeweils aus einem verschiedenen Grundmaterial, beispielsweise besteht das erste Bauteil aus einem warmfesten martensitisch/ferritischen Stahl und das zweite Bauteil aus einem austenitischen Stahl.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die o.a. Werkstoffkombinationen makrorissfrei miteinander verschweisst werden können. Dadurch werden die hohen Qualitätsanforderungen, die beispielsweise aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Beanspruchung an geschweisste Rotoren von Turbomaschinen gestellt werden, erfüllt. Ein weitere Vorteil besteht darin, dass für die genannten Zusatzwerkstoffe keine Wärmebehandlung erforderlich ist, so dass es ausreichend ist, nach dem Verbindungsschweissen eine auf das Grundmaterial abgestimmte Spannungsarmglühung nachzuschalten. Eine zeitaufwendige und kostenintensive Qualitätswärmebehandlung nach dem Verbindungsschweissen ist dann nicht mehr erforderlich. Ausserdem können mit dem erfindungsgemässen Verfahren auch Materialien mit unterschiedlichen Wärmbehandlungsparametern unter Beibehaltung der mechanischen Werte des Grundmaterials miteinander verschweisst werden.
Es ist zweckmässig, wenn der Zusatzwerkstoff für das Plattieren und für die nachfolgende Verbindungsschweissung eine der folgenden Zusammensetzungen aufweist (Angaben in Gew.-%):
  • - <0,02 C; <0,2 Si; 3 Mn; 20 Cr; 0,8 Fe; 2,7 Nb, Rest Ni und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
  • - 0,04 C; 0,4 Si; 3 Mn; 16 Cr; 1,5 Mo; 6 Fe; 2,2 Nb, Rest Ni und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
  • - <0,02 C; <0,2 Si; 22 Cr; 9 Mo; 1 Fe; 3,5 Nb, Rest Ni und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
  • - 0,06 C; <0,3 Si; <0,5 Mn; 22 Cr; 1 Fe; 8,5 Mo, 11 Co; 1 Al, 0,4 Ti; Rest Ni und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Diese Zusatzwerkstoffe auf Nickelbasis eignen sich besonders gut, weil sie keine Vorwärmung zum Verschweissen und auch keine Wärmebehandlung nach dem Verschweissen erfordern. Ausserdem weisen sie eine hohe Duktilität auf, decken einen bestimmten Festigkeitsbereich ab und sind weniger anfällig auf Heissrissbildung als andere mögliche Zusatzwerkstoffe. Schliesslich weisen sie auch keine Härtespitzen (keine Umwandlung) auf.
Es ist vorteilhaft, wenn zum Plattieren ein Unterpulver(UP)-Schweissverfahren mit Band oder mit Draht oder ein Elektroschlacke(ES)-Schweissverfahren mit Band oder mit Draht verwendet wird. Die Wahl der Schweissparameter und des angewandten Schweissverfahrens beeinflusst die Aufmischung des Nickelbasisschweissgutes mit Eisen aus dem Stahl. Dies wiederum entscheidet über die Heissrisssicherheit des Schweissgutes.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn beim Verbindungsschweissen zunächst eine Wurzellage mittels Wolfram-Inertgas(WIG)-Schweissverfahren erzeugt und anschliessend ein UP-Schweissverfahren angewendet wird oder nur eine WIG- Schweissung angewendet wird. Bei der mechanischen Prüfung der erfindungsgemäss plattierten und anschliessend verschweissten Materialien erfolgt vorteilhaft der Bruch immer mit einer entsprechenden Dehnung in der weicheren Plattierung oder im weichen Verbindungsschweissgut.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen.
Fig. 1 Linienanalysen einer UP-Bandplattierung;
Fig. 2 Linienanalysen einer UP-Drahtplattierung;
Fig. 3 Linienanalysen einer Es-Bandplattierung;
Fig. 4 einen Makroschliff der mit dem erfindungsgemässen Verfahren verschweissten Grundmaterialien.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.
In den Fig. 1 bis 3 sind für unterschiedliche Schweissverfahren (UP-Plattierung mit Band und mit Draht, ES-Plattierung mit Band) die Ergebnisse von Linienanalysen für die Elemente Cr, Ni und Fe angegeben, wobei jeweils die Konzentration der Elemente in Abhängigkeit vom Abstand von der Oberfläche aufgetragen wurde. Als Grundwerkstoff wurde der hochlegierte martensitisch/ferritische Stahl St13TNiEL mit folgender chemischen Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%) verwendet:
0,10-0,14 C
≦0,15 Si
≦0,25 Mn
11-12 Cr
2-2,6 Ni
1,3-1,8 Mo
0,2-0,35 V
0,02-0,05 N
Rest Fe.
Ein erstes Bauteil aus diesem Stahl wurde mittels der o. g. Schweissverfahren plattiert, wobei als Zusatzmaterial für das Plattieren der Nickelbasis-Werkstoff SG- NiCr20Nb mit folgender chemischen Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%) verwendet wurde: <0,02 C; <0,2 Si; 3 Mn; 20 Cr; 0,8 Fe; 2,7 Nb, Rest Ni. Die Wahl des Schweisszusatzmaterials hängt davon ab, welche Beanspruchung jeweils auf die Schweissnaht einwirkt.
Das Plattieren mit Band hat gegenüber dem Plattieren mit Draht den Vorteil, dass in der gleichen Zeiteinheit mehr Material eingebracht werden kann.
Die Aufmischung des Nickelbasis-Schweissgutes mit Eisen aus dem Stahl entscheidet über die Heissrisssicherheit des Schweissgutes. Bei der Es- Schweissung ist die Aufmischung geringer als bei den UP-Schweissungen.
Beim Schweissen einer ersten Lage des nahezu eisenfreien Schweissgutes auf den Stahl wird, abhängig vom verwendeten Schweissverfahren, ein Teil des Stahles aufgeschmolzen und mit dem aufgebrachten Schweissgut vermischt. Dies ergibt die Aufmischung der ersten Lage. Wird eine zweite Lage Schweissgut aufgebracht, so wird, wieder abhängig vom Schweissverfahren, ein Teil der ersten Lage aufgeschmolzen und mit dem eingebrachten Schweissgut vermischt. Die Eisenaufmischung geht dabei zurück.
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die mechanischen Werte des Zusatzwerkstoffes SG-NiCr20Nb bei unterschiedlichen Schweissverfahren dargestellt:
Tabelle 1
Dabei bedeuten:
längs = Probe liegt im Schweissgut
quer = Probe liegt quer zum Schweissgut
Der Bruch erfolgte immer in der Plattierung oder im Schweissgut. Alle in der Tabelle angegebenen Werte gelten für plattierte und zusammengeschweisste Bauteile des Stahles St13TNiEL, d. h. bei diesem Ausführungsbeispiel wurde für beide Bauteile der gleiche Grundwerkstoff benutzt. Die Qualitätswärmebehandlung des St13TNiEL erfolgte vor dem Plattieren, nach dem Schweissen erfolgte lediglich eine Spannungsarmglühung bei 610°C.
Fig. 4 zeigt als Beispiel einen Makroschliff eines mit Es-Bandplattierung und anschliessender UP-Drahtschweissung verbundenen 12%Cr-Rotorstahles nach dem Spannungsarmglühen bei 600°C, 10 Stunden. Als Zusatzwerkstoff für die Plattierung und für die Verbindungsschweissung der beiden Bauteile aus 12%Cr- Rotorstahles wurde SG-NiCr20Nb verwendet. Nach dem Plattieren wurde keine Qualitätswärmebehandlung durchgeführt. Anschliessend wurde die Wurzellage der Verbindungsschweissung mittels WIG-Verfahren geschweisst, die Verbindungsschweissung erfolgte mittels UP-Drahtschweissung. Danach war nur noch die oben beschriebene Spannungsarmglühung und keine Qualitätswärmebehandlung mehr notwendig. Wegen der hohen Qualitätsanforderungen an derartige Plattierungen und Verbindungsschweissungen wurde während der Schweissung eine zerstörungsfreie Fehlerüberwachung, beispielsweise mittels einer online Wirbelstromprüfung oder visuellen Überwachung durchgeführt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde der Stahl St13TNiEL mit der Superlegierung auf Nickel-Eisen-Basis IN706 (Hauptlegierungselemente in Gew.-%: 15-18 Cr; 40-43 Ni; 1,5-1,8 Ti; 2,8-3,2 Nb, Rest Fe) verschweisst. Ein erstes Bauteil aus IN706, beispielsweise eine Scheibe eines Rotors, wurde im lösungsgeglühten Zustand mit SG-NiCr20Nb mittels UP-Schweissung mit Draht plattiert. Anschliessend wurde die plattierte IN706-Scheibe einer Wärmebehandlung, welche für die Qualität notwendig ist, unterzogen (10 Stunden Stabilisierungsglühung bei 820 +/- 15°C mit Abkühlung an Luft auf Raumtemperatur und 10 Stunden Ausscheidungshärtung bei 730 +/- 15°C mit Abkühlung auf Raumtemperatur). Die plattierte IN706-Scheibe wurde dann mit einer weiteren plattierten Scheibe aus St13TNiEL (oder in einem anderen Ausführungsbeispiel aus IN706) verschweisst, wobei die Wurzellage mittels WIG- Schweissung und die Verstärkungslagen mittels UP-Drahtschweissung aufgebracht wurden. Abschliessend wurde das gesamte verschweisste Bauteil 10 Stunden lang bei 610 +/- 15°C spannungsarmgeglüht. Die mechanischen Eigenschaften der Grundplatte und des Aufbauschweissgutes sind in Tabelle 2 dargestellt:
Tabelle 2
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So kommen als Schweisszusatzwerkstoffe vorzugsweise auch
  • - SG-NiCr16FeMn mit folgender chemischer Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%) <0,02 C; <0,2 Si; 3 Mn; 20 Cr; 0,8 Fe; 2,7 Nb, Rest Ni und herstellungsbedingte Verunreinigungen,
  • - SG-NiCr21Mo9Nb mit folgender chemischer Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%) <0,02 C; <0,2 Si; 22 Cr; 9 Mo; 1 Fe; 3,5 Nb, Rest Ni und herstellungsbedingte Verunreinigungen und
  • - SG-NiCr22Co12Mo mit folgender chemischer Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%) 0,06 C; <0,3 Si; <0,5 Mn; 22 Cr; 1 Fe; 8,5 Mo, 11 Co; 1 Al, 0,4 Ti; Rest Ni und herstellungsbedingte Verunreinigungen in Frage.
Neben dem Plattieren des ersten Bauteiles, beispielsweise aus warmfestem martensitisch/ferritischen Stahl, kann auch das zweite Bauteil, beispielsweise aus austenitischem Stahl oder einer Superlegierung, vor der Verbindungsschweissung plattiert werden.
Das beschriebene Verfahren eignet sich besonders zum Verbinden von Scheiben und anderen Rotorteilen für Rotoren von Turbomaschinen, beispielsweise Gasturbinen.

Claims (14)

1. Verfahren zum Verschweissen von zwei Bauteilen aus hochlegierten warmfesten martensitisch/ferritischen Stählen, austenitischen Stählen oder Superlegierungen auf Nickel-, Nickel-Eisen- und Kobaltbasis, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • a) Plattieren des ersten Bauteiles und wahlweise auch des zweiten Bauteiles, wobei als Zusatzwerkstoffe für das Plattieren Nickelbasis- Werkstoffe mit folgender Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%) verwendet werden:
    16-22 Cr
    <0,02-0,06 C
    <0.2-0,4 Si
    mindestens vier der Elemente Nb, Fe, Mn, Mo, Co, Al, wobei gilt:
    2-4 Nb
    0,8-6 Fe
    0-3 Mn
    1-9 Mo
    0-11 Co
    0-1 Al
    Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen
  • b) Falls erforderlich, Qualitätswärmebehandeln des plattierten Grundmaterials,
  • c) Verbindungsschweissen des plattierten ersten Bauteiles mit dem plattierten oder nicht plattierten zweiten Bauteil, wobei als Zusatzwerkstoff für die Verbindungsschweissung wiederum die genannten Nickelbasis-Werkstoffe verwendet werden,
  • d) Spannungsarmglühen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bauteile miteinander verschweisst werden, welche jeweils aus dem gleichen Grundmaterial bestehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bauteile miteinander verschweisst werden, wobei das erste Bauteil und das zweite Bauteil jeweils aus einem verschiedenen Grundmaterial bestehen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil aus hochlegiertem warmfesten martensitisch/ferritischen Stahl und das zweite Bauteil aus austenitischem Stahl bestehen.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil aus hochlegiertem martensitischen/ferritischen Stahl und das zweite Bauteil aus einer Superlegierung auf Nickel-, Nickel-Eisen- oder Kobaltbasis bestehen.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzwerkstoff ein Werkstoff mit folgender Zusammensetzung verwendet wird (Angaben in Gew.-%):
<0,02 C; <0,2 Si; 3 Mn; 20 Cr; 0,8 Fe; 2,7 Nb, Rest Ni und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzwerkstoff ein Werkstoff mit folgender Zusammensetzung verwendet wird (Angaben in Gew.-%):
0,04 C; 0,4 Si; 3 Mn; 16 Cr; 1,5 Mo; 6 Fe; 2,2 Nb, Rest Ni und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzwerkstoff ein Werkstoff mit folgender Zusammensetzung verwendet wird (Angaben in Gew.-%):
<0,02 C; <0,2 Si; 22 Cr; 9 Mo; 1 Fe; 3,5 Nb, Rest Ni und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzwerkstoff ein Werkstoff mit folgender Zusammensetzung verwendet wird (Angaben in Gew.-%):
0,06 C; <0,3 Si; <0,5 Mn; 22 Cr; 1 Fe; 8,5 Mo, 11 Co; 1 Al, 0,4 Ti; Rest Ni und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Plattieren ein Unterpulver(UP)-Schweissverfahren mit Band oder mit Draht verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Plattieren ein Elektroschlacke(ES)-Schweissverfahren mit Band oder mit Draht verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verbindungsschweissen zunächst eine Wurzellage mittels Wolfram- Inertgas(WIG)-Schweissverfahren erzeugt und anschliessend ein UP- Schweissverfahren angewendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbindungsschweissen ein Wolfram-Inertgas(WIG)-Schweissverfahren verwendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Herstellung eines Rotors für Turbomaschinen aus Scheiben oder anderen Teilen verwendet wird.
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