(19)
(11)EP 1 948 907 B1

(12)EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT

(45)Hinweis auf die Patenterteilung:
09.11.2016  Patentblatt  2016/45

(21)Anmeldenummer: 06793527.0

(22)Anmeldetag:  14.09.2006
(51)Internationale Patentklassifikation (IPC): 
F01D 5/30(2006.01)
B23P 15/00(2006.01)
(86)Internationale Anmeldenummer:
PCT/EP2006/066376
(87)Internationale Veröffentlichungsnummer:
WO 2007/054391 (18.05.2007 Gazette  2007/20)

(54)

WERKSTÜCK, SOWIE SCHWEISSVERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES WERKSTÜCKS

WORKPIECE AND WELDING METHOD FOR THE FABRICATION OF A WORKPIECE

PIÈCE ET PROCÉDÉ DE SOUDAGE POUR LA FABRICATION D'UNE PIÈCE


(84)Benannte Vertragsstaaten:
AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU LV MC NL PL PT RO SE SI SK TR

(30)Priorität: 10.11.2005 EP 05405627

(43)Veröffentlichungstag der Anmeldung:
30.07.2008  Patentblatt  2008/31

(73)Patentinhaber: Sulzer Turbo Services Houston Inc.
La Porte TX 77571 (US)

(72)Erfinder:
  • JAHNEN, Werner
    CH-8474 Welsikon, Dinhard (CH)

(74)Vertreter: Intellectual Property Services GmbH 
Langfeldstrasse 88
8500 Frauenfeld
8500 Frauenfeld (CH)


(56)Entgegenhaltungen: : 
EP-A- 1 239 116
DE-A1- 2 830 037
DE-A1- 10 343 760
DE-A1- 2 130 127
DE-A1- 10 213 914
  
      
    Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen).


    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung betrifft ein Laufrad, Impeller, oder Leitrad für eine Turbine, eine Pumpe oder einen Verdichter, sowie ein Schweissverfahren zur Herstellung eines Werkstücks gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie.

    [0002] Die DE 2130127 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verschweissen eines Schaufelblatts einer Strömungsmaschine mit einem Schaufelfussstück.

    [0003] Die DE 10343760 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Rotors eines Strömungsmaschine.

    [0004] Die DE 2830037 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verschweissen einer Rotorschaufel und einer Rotorscheibe.

    [0005] Die EP 1239116 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Rotorschaufeln, so genannten Blisks.

    [0006] Die DE 10213914 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilatorlaufrads.

    [0007] Es ist bekannt, rotierende Laufräder, Pumpenräder, Impeller, sowie feststehende Leiträder für Pumpen, Verdichter oder Turbinen aus massivem Material durch spanabhebende Bearbeitung herauszuarbeiten Bei geometrisch einfach aufgebauten Laufrädern und Leiträdern, die zu dem keinen all zu hohen Belastungen im Betriebszustand ausgesetzt sind, können die Laufräder auch aus Einzelteilen zusammengesetzt, oder aus einem Stück gefertigt werden. Das trifft insbesondere auf einfach aufgebaute Leiträder zu, die nicht zu grossen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, weil sie selbst nicht bewegt werden und somit auch keine Unwuchten oder Zentrifugalkräfte auftreten. Aber auch verhältnismässig langsam laufende Laufräder können mit verhältnismässig geringem Aufwand aus Einzelteilen zusammengesetzt werden, wobei zum Beispiel geeignete Passungen an den Bauteilen vorgesehen werden können, die dann mittels Schweissen dauerhaft verbunden werden. Diese Schweissungen dienen jedoch im wesentlichen nur der Lagefixierung und sind für die Übertragung grösserer Kräfte und Belastungen nicht geeignet.

    [0008] Besonders problematisch ist in diesem Zusammenhang die Befestigung von Deckscheiben oder Nabenscheiden an den Schaufeln von Impellern. Diese Problematik soll im folgenden beispielhaft anhand von Radial- und Axialverdichtern kuerz erörtert werden, wobei die prinzipielle Problematik auch bei anderen entsprechenden Vorrichtungen relevant sein kann.

    [0009] Der Radialverdichter beispielsweise besteht wie die Kreiselpumpe im wesentlichen aus einem rotierenden Laufrad, auch Schaufelrad genannt, das auf einer Achse montiert ist und sowohl offen, als auch mit einem Deckel versehen sein kann, wobei das Laufrad im Speziellen in einem umschliessenden, feststehenden Leitrad angeordnet sein kann oder von einem spiralförmigen Sammelraum umschlossen sein kann. Das Leitrad hat dabei die Form eines Diffusors, in dem ein Teil der im Rotor erzeugten kinetischen Energie in Druckenergie umgewandelt wird. Das Leitrad besteht in dieser Ausführungsform im wesentlichen aus einer Oberscheibe und einer Unterscheibe, auch als Deckel bzw. Boden bezeichnet, zwischen denen sich Leitschaufeln befinden können.

    [0010] Der Axialverdichter, umfassend einen Rotor und einen Stator, besteht in bekannter Weise aus einem als Laufrad ausgestalteten Rotor mit Antriebswelle und Leitschaufeln, wobei die Laufräder mit oder ohne Aussenring, also mit oder ohne Deckteil ausgestaltet sein können. Der Stator ist als umfassendes Gehäuse ausgebildet, in dem die feststehenden Leiträder untergebracht sind, wobei nicht in jedem Fall, wie zum Beispiel bei bestimmten Ventilatoren, ein Stator vorgesehen sein muss.

    [0011] Es sei an dieser Stelle ausdrücklich klar gestellt, dass im Rahmen dieser Anmeldung unter dem Begriff "Leitschaufel" sowohl die gängige Bezeichnung für die Schaufeln eines Laufrades, als auch die Schaufeln eines Leitrades zu verstehen sind.

    [0012] Die Laufräder sind dabei im Betriebszustand hoch belastet, da sie zum Teil mit enormen Rotationsgeschwindigkeiten von beispielweise bis zu 15.000 U/min bei einem Durchmesser des Laufrades von z.B. 400 mm beträchtlichen Zentrifugalkräften ausgesetzt sind. Dabei sind typischerweise Umfangsgeschwindigkeiten am Aussendurchmesser von bis zu 400 m/s und mehr durchaus erreichbar.

    [0013] Es ist daher bekannt, die Laufräder aus massivem Material, je nach Anwendung z.B. aus hochfesten Edelstählen, Superlegierungen oder anderen geeigneten Metallen oder Metallegierungen zu fertigen und die Leitschaufeln durch spanabhebende Bearbeitung, z.B. durch Fräsen, aus diesem Material herauszuarbeiten. Wenn die Laufräder, wie im Falle eines Impellers, zusätzlich mit einem Deckteil in Form eines Deckels ausgestattet werden müssen, ist es häufig aus rein geometrischen Gründen nicht mehr möglich, das Laufrad insgesamt in einem Stück aus massivem Material zu fräsen, sondern entweder wird ein einteiliger Grundkörper, der auf der Antriebesachse des Verdichters sitzt, mit Leitschaufeln herausgearbeitet, so dass ein Deckteil nachträglich auf die Leitschaufeln aufgesetzt und mit diesen zuverlässig verbunden werden muss. Oder in speziellen Fällen kann es auch möglich sein, dass ein Deckteil mit Leitschaufeln in einem Stück aus massivem Material gearbeitet wird, und der Grundkörper, der mit der Antriebsachse gekoppelt ist, mit dem Deckteil mit Leitschaufeln nachträglich zu einem kompletten Impeller zusammengesetzt und verbunden werden muss.

    [0014] Der problematische Teil ist somit die Verbindung der Leitschaufeln mit einem zugehörigen Deckteil bzw. mit einem Grundkörper. Die DE 102 61 262 A1 gibt dazu ein Verfahren an, mit welchem mittels Laserschweissen oder Elektronenschweissen Leitschaufeln mit Deckscheiben mittels Stumpf oder Durchschweissnähten verbunden werden.

    [0015] Der Nachteil dieses und verwandter, aus dem Stand der Technik bekannter Verfahren besteht unter anderem darin, dass Kerben im Material zu Risskräften führen, so dass unakzeptabel grosse Kerbwirkungsfaktoren auftreten können, die unter der Einwirkung der enormen Zentrifugalkräfte im Betriebszustand dazu führen können, dass Schäden am Laufrad auftreten, die letztlich zur Zerstörung des Laufrads und damit der zugeordneten Maschine, zum Beispiel des Verdichters, der Pumpe oder der Turbine führen können.

    [0016] Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein ein Laufrad, einen Impeller oder ein Leitrad für eine Turbine, eine Pumpe oder einen Verdichter bereitzustellen, bei welchem ein Deckteil und / oder ein Grundkörper zuverlässig mit zugeordneten Leitschaufeln verschweisst ist, so dass ein sicherer Betrieb auch unter extremen Betriebszuständen, wie zum Beispiel bei sehr hohen Rotationsgeschwindigkeit, gewährleistet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein Schweissverfahren zur Herstellung solcher Werkstücke zur Verfügung zu stellen.

    [0017] Die diese Aufgaben in apparativer und verfahrenstechnischer Hinsicht lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie gekennzeichnet.

    [0018] Die jeweiligen abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

    [0019] Die Erfindung betrifft somit ein Laufrad, Impeller, oder Leitrad für eine Turbine, für eine Pumpe oder für einen Verdichter, umfassend einen Grundkörper mit einer Leitschaufel, wobei die Leitschaufel am Grundkörper und / oder an einem Deckteil kerbfrei verschweisst ist.

    [0020] Die Eliminierung von inneren Kerbwirkungen erfolgt dabei bevorzugt durch flächendeckende Verschmelzung von der Leitschaufel mit dem Deckteil und / oder dem Grundkörper durch mehrere überlappende Schweissbahnen. Die Eliminierung äusserer Kerbwirkungen im Winkel zwischen einem Fuss und / oder einer Spitze der Leitschaufel und dem Deckteil und / oder dem Grundkörper wird z.B. mittels Vorfräsen eines Übergangsradius an der Leitschaufel erreicht, der ebenfalls mit dem Deckteil und / oder dem Grundkörper verschweisst wird. Die Eliminierung von Kerbwirkungen durch Oberflächenrauigkeiten wird durch den flächigen Laserschweissprozess als solchem sicher gestellt, da dieser auf der der Strahlzuführung abgewandten Seite beim Durchschmelzen des Auslaufs des vorgeformten Radius der Leitschaufel eine glatte Schmelzoberfläche zurücklässt. Zusätzlich kann bei Überschreiten der durchschweissbaren Schaufeldicke; die abhängig von der Laserstrahlleistung sein kann, das Einfräsen von Nuten in das Deckteil und / oder in den Grundkörper, in einer Tiefe vorgesehen werden, die eine durchschweissbare Restwandstärke am Nutboden zurücklässt. Durch nachheriges Füllen der Nute mit einem geeigneten Verfahren, insbesondere mit einem Schmelzschweissverfahren, kann die Nute wieder aufgefüllt bzw. verschlossen werden.

    [0021] Es ist klar, dass die Verschweissung auch durch Kombination verschiedener Schweissverfahren erfolgen kann. So kann z.B. der flächige Schweissprozess ein Elektronenstrahl Schweissen sein, während die Aussenbereiche mit einem Laserstrahl, oder umgekehrt, geschweisst sind.

    [0022] Es versteht sich, dass die Leitschaufel in speziellen Ausführungsbeispielen entweder am Deckteil oder am Grundkörper oder auch gleichzeitig am Grundkörper und am Deckteil vorgesehen sein kann.

    [0023] Es ist weiter klar, dass die Erfindung insbesondere schnell rotierende Laufräder betrifft und das erfindungsgemässe Schweissverfahren besonders vorteilhaft zur Verschweissung schnell rotierender Werkstücke, wie schnell rotierenden Laufrädern Verwendung findet. Selbstverständlich betrifft die Erfindung aber auch feststehende Leiträder, die zum Beispiel besonders resistent gegen starke thermische Belastungen oder gegen andere mechanische Belastungen, z.B. Strömungsbelastungen sein müssen, die im Betriebszustand, z.B. einer Turbine, einer Pumpe oder eines Verdichters auftreten können, die also nicht nur die durch Zentrifugalkräfte hervorgerufenen Belastungen betrifft.

    [0024] Besonders vorteilhaft, aber nicht notwendig, ist ein erfindungsgemässes Laufrad aus massivem Material, je nach Anwendung z.B. aus hochfestem Edelstahl, aus einer Superlegierung oder aus einem anderen geeigneten Metall oder Metallegierung gefertigt und die Leitschaufeln sind durch spanabhebende Bearbeitung, z.B. durch Fräsen, aus diesem Material herausgearbeitet. Es versteht sich, dass die Schaufelkanäle am Grundkörper und / oder am Deckteil auch durch andere geeignete Verfahren, z.B. durch Erodieren, Schmieden, Schweissen, usw. hergestellt sein können.

    [0025] Wenn die Laufräder, wie im Falle eines Impellers, zusätzlich mit einem Deckteil in Form eines Deckels ausgestattet werden müssen, ist es aus rein geometrischen Gründen nicht mehr möglich, das Laufrad insgesamt in einem Stück aus massivem Material zu fräsen, sondern entweder wird ein einteiliger Grundkörper, der auf der Antriebsachse des Verdichters montierbar ist, mit Leitschaufeln herausgearbeitet, so dass ein Deckteil nachträglich auf die Leitschaufeln aufgesetzt und mit diesen zuverlässig gemäss einem erfindungsgemässen Schweissverfahren verschweisst wird. In speziellen Fällen kann es auch möglich sein, dass das Deckteil mit Leitschaufeln in einem Stück aus massivem Material gearbeitet ist, und der Grundkörper, der mit der Antriebsachse gekoppelt ist, mit dem Deckteil mit Leitschaufeln nachträglich zu einem kompletten Impeller gemäss einem erfindungsgemässen Schweissverfahren verschweisst wird. Es versteht sich, dass die Erfindung darüberhinaus auch Laufräder und Leiträder ohne Deckteil betrifft und das erfindungsgemässe Verfahren auch für die Herstellung solcher Werkstücke vorteilhaft einsetzbar ist.

    [0026] In einem speziellen Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung ein Werkstück, wobei die Leitschaufel am Grundkörper und / oder am Deckteil mit einem Energiestrahl, insbesondere mit einem Laserstrahl, im speziellen mittels Lasertiefschweissen, das auch unter dem englischen Begriff "Key-Hole-Welding" dem Fachmann wohl bekannt ist, verschweisst ist. Dabei ist die Leitschaufel bevorzugt über eine gesamte Breite einer Kontaktfläche zwischen dem Grundköper und / oder dem Deckteil vollständig, d.h. flächig verschweisst. Dadurch werden die gefürchteten Kerbwirkungen vermieden, die bei den aus dem Stand der Technik bekannten geschweissten Werkstücken auftreten.

    [0027] Insbesondere um Kerben bzw. Kerbwirkungen auch am Rand des geschweissten Bereichs zu unterdrücken, ist die Leitschaufel im Bereich der Kontaktfläche besonders vorteilhaft so ausgestaltet, dass sie sich in Richtung zur Kontaktfläche hin erweiternd erstreckt, insbesondere in Form eines ausgefrästen Kreisbogens.

    [0028] Vor allem in Fällen in denen der Grundkörper und / oder das Deckteil eine Dicke aufweist, die so gross ist, dass sie vom Schweissstrahl, insbesondere vom Laserstrahl, nicht durchschweisst werden kann, kann im Grundkörper und / oder im Deckteil auf einer der Kontaktfläche abgewandten Seite der Leitschaufel eine Schweissmulde vorgesehen sein, so dass die zu durchschweissende Dicke verringert ist.

    [0029] Bevorzugt ist die Schweissmulde mit einem Füllwerkstoff ausgefüllt, d.h. die Schweissmulde kann nach erfolgtem Schweissen wieder mit einem Füllwerkstoff, zum Beispiel mittels Auftragsschweissen, wieder aufgefüllt werden.

    [0030] Wie oben bereits erläutert, kann in einem für die Praxis besonders wichtigen Ausführungsbeispiel die Leitschaufel mittels eines zerspanenden Verfahrens, z.B. durch Fräsen, aus dem Grundkörper und / oder aus dem Deckteil herausgearbeitet sein.

    [0031] Als bevorzugte Materialien für den Grundkörper und / oder die Leitschaufel und / oder das Deckteil kommen dabei unter anderem Nickelbasis Legierungen, im Speziellen Inconel, insbesondere Inconel 718, eine Superlegierung, Stahl, Titan Aluminium oder andere geeignete Metalle oder Metallegierungen in Frage.

    [0032] Die Erfindung betrifft weiter ein Schweissverfahren zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere Laufrad, Impeller, oder Leitrad für eine Turbine, eine Pumpe oder einen Verdichter, umfassend einen Grundkörper mit einer Leitschaufel, wobei die Leitschaufel am Grundkörper und / oder an einem Deckteil kerbfrei verschweisst wird.

    [0033] Die Leitschaufel wird dabei bevorzugt am Grundkörper und / oder am Deckteil mit einem Energiestrahl, insbesondere mit einem Laserstrahl, im speziellen mittels Lasertiefschweissen verschweisst, wobei die Leitschaufel besonders vorteilhaft über eine gesamte Breite einer Kontaktfläche zwischen dem Grundkörper und / oder dem Deckteil vollständig, d.h. flächig verschweisst wird. Dabei kann sich die Leitschaufel im Bereich der Kontaktfläche in Richtung zur Kontaktfläche hin erweiternd erstrecken und die Leitschaufel wird auch im Bereich einer Umgrenzungslinie der Kontaktfläche kerbfrei verschweisst.

    [0034] Besonders im Fall eines Grundkörpers und / oder Deckteils von grosser Dicke kann im Grundkörper und / öder im Deckteil auf einer der Kontaktfläche abgewandten Seite der Leitschaufel eine Schweissmulde vorgesehen werden, wobei die Schweissmulde mit einem Füllwerkstoff, insbesondere mittels Auftragsschweissen, nach dem eigentlichen Schweissvorgang wieder ausgefüllt werden kann.

    [0035] In einem für die Praxis besonders wichtigen Ausführungsbeispiel wird die Leitschaufel mittels eines zerspanenden Verfahrens, insbesondere durch Fräsen aus dem Grundkörper und / oder aus dem Deckteil herausgearbeitet. Dabei wird der Grundkörper und / oder die Leitschaufel und / oder das Deckteil vorteilhaft aus einer Nickelbasis Legierung, im Speziellen aus Inconel, insbesondere aus Inconel 718, aus einer Superlegierung, aus Stahl, aus Titan Aluminium oder aus einem anderen geeigneten Metall oder einer Metallegierung gefertigt.

    [0036] Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
    Fig. 1
    Impeller eines Radialverdichters im Schnitt;
    Fig. 2
    Laufrad mit Deckteil, geschweisst mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren;
    Fig. 3
    Laufrad gemäss Fig. 1, geschweisst mit einem erfindungsgemässen Schweissverfahren.


    [0037] In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein Impeller, z.B. eines Radialverdichters, im Schnitt und in der korrespondierenden Draufsicht gezeigt, dessen grundlegende Geometrie an sich wohl bekannt ist. Der erfindungsgemässe Impeller, der im Folgenden gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet wird, umfasst in an sich bekannter Weise einen Grundkörper 2, der rotierbar um eine Achse A an einer Antriebsachse, z.B. in einem Verdichter, angeordnet ist. Aus dem Grundkörper 2 ist mittels eines spanabhebenden Verfahrens, z.B. durch Drehen oder Fräsen eine Vielzahl von Leitschaufeln 3 herausgearbeitet. In im wesentlichen radialer Richtung nach aussen ist der Impeller durch ein Deckteil 4 abgedeckt, das sich entlang einer axialen Richtung radial nach aussen hin erweiternd erstreckt und das mittels eines erfindungsgemässen Schweissverfahrens an die Leitschaufeln 3 geschweisst ist. Die Schweissnaht 41, an der das Deckteil 4 mit den Leitschaufeln 3 sicher und kerbfrei verschweisst ist, ist deutlich in Fig. 1 zu erkennen.

    [0038] Um die Probleme mit den aus dem Stand der Technik bekannten Schweissverfahren nochmals zu verdeutlichen, ist in Fig. 2 teilweise und im Schnitt ein Laufrad 1' mit Deckteil 4' dargestellt, das geometrisch im wesentlichen dem erfindungsgemässen Impeller 1 gemäss Fig. 1 entspricht, welches Laufrad 1' jedoch nicht mittels eines erfindungsgemässen Schweissverfahrens geschweisst wurde, sondern nach einem bekannten Verfahren geschweisst wurde, wie es zum Beispiel in der DE 102 61 262 A1 vorgeschlagen wurde.

    [0039] Zur Abgrenzung der Erfindung zum Stand der Technik sind die Bezugszeichen zu Merkmalen eines bekannten Laufrads 1' mit einem Hochkomma versehen, während die Bezugszeichen, die auf die Merkmale eines erfindungsgemässen Werkstücks 1 hinweisen, nicht mit einem Hochkomma versehen sind.

    [0040] Das Deckteil 4' des Laufrads 1' der Fig. 2 wurde, wie deutlich erkennbar ist, mittels eines Tiefschweissverfahrens, im vorliegenden Fall mittels Lasertiefschweissen, an die Leitschaufel 3' angeschweisst. Ein solches Verfahren ist prinzipiell immer dann anwendbar, wenn die Dicke des zu durchschweissenden Materials, im vorliegenden Fall die Dicke des Deckteils 4' so bemessen ist, dass der Energiestrahl, im vorliegenden Fall der Laserstrahl, das Deckteil 4' bevorzugt bis in den anszuschweissenden Körper 3', also hier bis in die Leitschaufel 3' beim Schweissvorgang durchdringen kann. Im Beispiel der Fig. 2 wurde die Leitschaufel 3' über drei mehr oder weniger separat getrennte Tiefschweissstellen 411', 412' an das Deckteil 4' angeschweisst. Dadurch entstehen an den Verbindungstellen zwischen Deckteil 4' und Leitschaufel 3' Kerben 4100', 4200', die, wie sich gezeigt hat, zu hohen Kerbspannungen und damit zu hohen Kerbwirkungsfaktoren führen, was die Stabilität und Festigkeit der Schweissung, insbesondere unter extremen Betriebszustaänden, wie zum Beispiel bei hohen Umdrehungszahlen des Leitrades 1', massiv negativ beeinflusst. Im schlimmsten Fall kann es dabei zu Rissen im Bereich der Schweissung und unter der Wirkung der sehr hohen Zentrifugalkräfte bei schneller Rotation des Laufrades1', zu dessen Zerstörung mit allen bekannten Konsequenzen kommen.

    [0041] Dabei entstehen die Kerben nicht nur dadurch, dass zwei oder mehrere, mehr oder weniger von einander getrennte Tiefschweissstellen 411', 412' eingebracht wurden. Es hat sich nämlich weiter gezeigt, dass die geometrische Ausgestaltung der Leitschaufeln im Bereich der Schweissung an sich bereits zu einer sehr schädlichen Kerbwirkung führt. Dadurch, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Leitschaufeln mehr oder weniger scharfkantig, im extremen Fall wie im Beispiel der Fig. 2 gezeigt sogar unter einem Winkel von ca. 90° an das Deckteil 4' anstossen, entstehen an der Umgrenzungslinie 61', die die radiale Begrenzung der Leitschaufel 3' in dem Bereich definiert, in dem Leitschaufel 3' an das Deckteil 4' angrenzt, beim Schweissen automatisch Kerben, die die Festigkeit und Qualität der Schweissverbindung massiv negativ beeinflussen.

    [0042] Das heisst, es ist eine wesentliche Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, dass sowohl das Schweissen über mehr oder weniger getrennte Tiefschweissstellen 411', 412', als auch die Geometrie der Leitschaufel im Bereich der Schweissverbindung zu unerwünschten Kerbwirkungen führen kann, die die Festigkeit der Schweissverbindung negativ beeinflussen.

    [0043] In Fig. 3 ist schliesslich ein Laufrad gemäss Fig. 1 schematisch dargestellt, das mit einem erfindungsgemässen Schweissverfahren geschweisst wurde. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Impellers 1, handelt sich dabei um einen Impeller 1, der ein Deckteil 4 hat, das eine solche Dicke D hat, das der Energiestrahl 5, im vorliegenden Beispiel der Laserstrahl 5, nicht in der Lage ist, die komplette Dicke D des Deckteils 4 zu durchdringen. Ein Deckteil 4 von solch grosser Dicke D kann z.B. notwendig sein, wenn sehr grosse Kräfte auf das Deckteil 4 im Betriebszustand wirken, so dass eine besonders hohe Stabilität des Deckteils 4 gewährleistet werden muss.

    [0044] Dass trotz der grossen Dicke D des Deckteils 4 die Leitschaufel 3 an das Deckteil 4 mittels Lasertiefschweissens, das an sich bekannt ist, angeschweisst werden kann, ist im Deckteil 4 auf einer der Kontaktfläche 6 abgewandten Seite der Leitschaufel 3 eine Schweissmulde 7 vorgesehen. Dadurch muss der Laserstahl 5 beim Lasertiefschweissen nur die reduzierte Dicke d am Deckteil 4 durchdringen.

    [0045] Um die oben, insbesondere an Hand der Fig. 3 ausführlich beschriebene schädliche Kerbwirkung bzw. die schädlichen Kerben zu vermeiden, wird der erfindungsgemässe Impeller über eine gesamte Breite B der Kontaktfläche 6 zwischen dem Grundkörper 2 und dem Deckteil 4 gleichmässig und vollständig verschweisst. D.h., es werden nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mehr oder weniger voneinander getrennte Tiefschweissstellen 411', 412' eingebracht, sondern es wird über die gesamte Breite B der Kontaktfläche 6 zwischen dem Grundkörper 2 und dem Deckteil 4 gleichmässig und vollständig flächig geschweisst, so dass die gefürchteten Kerben, die unter anderem durch das lokalisierte Tiefschweissen entstehen, durch das flächige Schweissen gemäss der vorliegenden Erfindung vermieden werden.

    [0046] Dabei werden nicht nur Kerben im Bereich innerhalb der Begrenzungslinie 61, also im Bereich der Kontaktfläche 6 wirksam vermieden. Sondern durch die spezielle geometrische Ausgestaltung der Leitschaufel 3 werden auch Kerben bzw. Kerbwirkungen am Rand 61 der Schweissung, also im Bereich der Umfangslinie 61 wirksam vermieden. Das wird dadurch erreicht, dass sich die Leitschaufel 3 im Bereich der Kontaktfläche 6 in Richtung zur Kontaktfläche 6 hin erweiternd erstreckt, bevorzugt in Form eines z.B. kreisartigen Bogens, d.h. unter einem vorgegebenen konstanten oder nicht konstanten Radius, und somit die Leitschaufel 3 nicht in einem mehr oder weniger scharfkantigen Stoss an das Deckteil 4 anstösst. Durch die sich erweiternde Geometrie der Leitschaufel 3 im Bereich der Kontaktfläche 6, wird somit ein sanfter Übergang zwischen Leitschaufel 3 und Deckteil 4 im Bereich der Umgrenzungslinie 61 geschaffen, so dass auch in den Randbereichen der Schweissung Kerben bzw. eine Kerbwirkung vermieden wird.

    [0047] Es versteht sich, dass in ganz bestimmten Fällen, insbesondere wenn keine extremen Festigkeitswerte gefordert sind, die Erweiterung nicht unbedingt in Form eines Radius, sondern z.B. auch in Form einer schrägen Plattform ausgeführt sein kann.

    [0048] Die Funktion der sich erweiternden Leitschaufel ist nämlich neben der Vermeidung von Kerben auch die Vergrösserung der Verbindungsfläche, so dass grössere Kräfte übertragbar sind.


    Ansprüche

    1. Laufrad, Impeller, oder Leitrad für eine Turbine, für eine Pumpe oder für einen Verdichter, umfassend einen Grundkörper (2) mit einer Leitschaufel (3) und einem Deckteil (4), dadurch gekennzeichnet dass die Leitschaufel (3) kerbfrei verschweisst ist, indem sich die Leitschaufel (3) am Grundkörper (2) und / oder am Deckteil (4) im Bereich einer Kontaktfläche (6) zwischen dem Grundkörper (2) und / oder dem Deckteil (4) in Richtung zur Kontaktfläche (6) hin erweiternd erstreckt.
     
    2. Laufrad, Impeller, oder Leitrad nach Anspruch 1, wobei die Leitschaufel (3) am Grundkörper (2) und / oder am Deckteil (4) mit einem Energiestrahl (5), insbesondere mit einem Laserstrahl (5), im speziellen mittels Lasertiefschweissen verschweisst ist.
     
    3. Laufrad, Impeller, oder Leitrad nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leitschaufel (3) über eine gesamte Breite (B) einer Kontaktfläche (6) zwischen Leitschaufel (3) und dem Grundkörper (2) und / oder zwischen Leitschaufel (3) und dem Deckteil (4) vollständig flächig verschweisst ist.
     
    4. Laufrad, Impeller, oder Leitrad nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Grundkörper (2) und / oder im Deckteil (4) auf einer der Kontaktfläche (6) abgewandten Seite der Leitschaufel (3) eine Schweissmulde (7) vorgesehen ist.
     
    5. Laufrad, Impeller, oder Leitrad nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schweissmulde (7) mit einem Füllwerkstoff ausgefüllt ist.
     
    6. Laufrad, Impeller, oder Leitrad nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitschaufel (3) mittels eines zerspanenden Verfahrens, durch Erodieren, Schmieden oder Schweissen aus dem Grundkörper (2) und / oder aus dem Deckteil (4) herausgearbeitet ist.
     
    7. Laufrad, Impeller, oder Leitrad nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (2) und / oder die Leitschaufel (3) und / oder das Deckteil (4) aus einer Nickelbasis Legierung, im Speziellen aus Inconel, insbesondere aus Inconel 718, einer Superlegierung, aus Stahl oder aus Titan Aluminium ist.
     
    8. Schweissverfahren zur Herstellung eines Werkstücks (1), insbesondere eines Laufrads, Impellers, oder Leitrads für eine Turbine, eine Pumpe oder einen Verdichter, umfassend einen Grundkörper (2) mit einer Leitschaufel (3) und einem Deckteil (4), dadurch gekennzeichnet dass die Leitschaufel (3) am Grundkörper (2) und / oder an einem Deckteil (4) kerbfrei verschweisst wird, indem vor dem Schweissen an der Leitschaufel (3) im Bereich einer Kontaktfläche (6) zwischen dem Grundkörper (2) und / oder dem Deckteil (4) in Richtung zur Kontaktfläche (6) ein sich erweiternder Übergangsradius vorgefräst wird.
     
    9. Schweissverfahren nach Anspruch 8, wobei die Leitschaufel (3) am Grundkörper (2) und / oder am Deckteil (4) mit einem Energiestrahl (5), insbesondere mit einem Laserstrahl (5), im speziellen mittels Lasertiefschweissen verschweisst wird.
     
    10. Schweissverfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Leitschaufel (3) über eine gesamte Breite (B) einer Kontaktfläche (6) zwischen Leitschaufel (3) und dem Grundkörper (2) und / oder zwischen Leitschaufel (3) und dem Deckteil (4) vollständig flächig verschweisst wird.
     
    11. Schweissverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei im Grundkörper (2) und / oder im Deckteil (4) auf einer der Kontaktfläche (6) abgewandten Seite der Leitschaufel (3) eine Schweissmulde (7) vorgesehen wird.
     
    12. Schweissverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Schweissmulde (7) mit einem Füllwerkstoff, insbesondere mittels Auftragsschweissen ausgefüllt wird.
     
    13. Schweissverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Leitschaufel (3) mittels eines zerspanenden Verfahrens, durch Erodieren, Schmieden oder Schweissen aus dem Grundkörper (2) und / oder aus dem Deckteil (4) herausgearbeitet wird.
     
    14. Schweissverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der Grundkörper (2) und / oder die Leitschaufel (3) und / oder das Deckteil (4) aus einer Nickelbasis Legierung, im Speziellen aus Inconel, insbesondere aus Inconel 718, einer Superlegierung, aus Stahl oder aus Titan Aluminium gefertigt wird.
     


    Claims

    1. A rotor disc, impeller or guide wheel for a turbine, for a pump or for a compressor, including a base body (2) with a guide vane (3) and a cover part (4), characterised in that the guide vane (3) is welded in notch-free manner, in such a way that the guide vane (3) extends diverging on the base body (2) and/or the cover piece (4) in the region of a contact surface (6) between the base body (2) and/or the cover piece (4) in the direction towards the contact surface (6).
     
    2. A rotor disc, impeller or guide wheel in accordance with claim 1, wherein the guide vane (3) is welded to the base body (2) and/or to the cover part (4) by an energetic beam (5), in particular by a laser beam (5), especially by means of deep laser welding.
     
    3. A rotor disc, impeller or guide wheel in accordance with claim 1 or claim 2, wherein the guide vane (3) is completely welded two dimensionally over a total width (B) of a contact surface (6) between the guide vane (3) and the base body (2) and/or between the guide vane (3) and the cover part (4).
     
    4. A rotor disc, impeller or guide wheel in accordance with any one of the previous claims, wherein a welding pool trough (7) is provided in the base body (2) and/or in the cover part (4) on a side of the guide vane (3) facing away from the contact surface (6).
     
    5. A rotor disc, impeller or guide wheel in accordance with any one of the previous claims wherein the welding pool trough (7) is filled with a filler material.
     
    6. A rotor disc, impeller or guide wheel in accordance with any one of the previous claims, wherein the guide vane (3) is machined from the base body (2) and/or from the cover part (4) by means of a chip-forming machining process, by eroding, by forging, by welding.
     
    7. A rotor disc, impeller or guide wheel in accordance with any one of the previous claims, wherein the base body (2) and/or the guide vane (3) and/or the cover part (4) is a nickel-based alloy, especially Inconel, in particular Inconel 718, a superalloy, of steel or of titanium aluminium.
     
    8. A welding method for the manufacture of a workpiece (1), in particular of a rotor disc, of an impeller or of a guide wheel for a turbine, a pump or a compressor, including a base body (2) with a guide vane (3) and a cover part (4), characterised in that the guide vane (3) is welded in notch-free manner to the base body (2) and/or to a cover part (4), in such a way that before the beginning of the welding process a diverging transition radius is roughened to the guide vane (3) in the region of a contact surface (6) between the base body (2) and/or the cover part (4) in the direction towards the contact surface (6).
     
    9. A welding method in accordance with claim 8, wherein the guide vane (3) is welded to the base body (2) and/or to the cover part (4) by an energetic beam (5), in particular by a laser beam (5), especially by means of laser deep welding.
     
    10. A welding method in accordance with claim 8 or claim 9, wherein the guide vane (3) is completely welded two-dimensionally over a total width (B) of a contact surface (6) between the guide vane (3) and the base body (2) and/or between the guide vane (3) and the cover part (4).
     
    11. A welding method in accordance with any one of the claims 8 to 10, wherein a welding pool trough (7) is provided in the base body (2) and/or in the cover part (4) at a side of the guide vane (3) facing away from the contact surface (6).
     
    12. A welding method in accordance with any of the claims 8 to 11, wherein the welding pool trough (7) is filled with a filler material, in particular by means of build-up welding.
     
    13. A welding method in accordance with any of the claims 9 to 14, wherein the guide vane (3) is machined from the base body (2) and/or from the cover part (4) by means of a chip-forming machining process, by eroding, by forging, by welding.
     
    14. A welding method in accordance with any one of the claims 8 to 13, wherein the base body (2) and/or the guide vane (3) and/or the cover part (4) is made from an nickel-based alloy, especially of Inconel, in particular of Inconel 718, of a superalloy, of steel or of titanium aluminium.
     


    Revendications

    1. Roue mobile, roue à aubes ou roue directrice destinée à une turbine, une pompe ou un compresseur, comprenant un corps de base (2) ayant une aube directrice (3) et une partie de recouvrement (4), caractérisée en ce que l'aube directrice (3) est soudée sans entaille, où l'aube directrice (3), au niveau du corps de base (2) et/ou de la partie de recouvrement (4), s'étend en s'élargissant dans la zone d'une surface de contact (6) entre le corps de base (2) et/ou la partie de recouvrement (4) en direction de la surface de contact (6).
     
    2. Roue mobile, roue à aubes ou roue directrice selon la revendication 1, dans laquelle l'aube directrice (3) est soudée au corps de base (2) et/ou à la partie de recouvrement (4) avec un faisceau d'énergie (5), en particulier avec un faisceau laser (5), en particulier par soudage au laser en profondeur.
     
    3. Roue mobile, roue à aubes ou roue directrice selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle l'aube directrice (3) est soudée de manière complètement pleine sur toute une largeur (B) d'une surface de contact (6) entre l'aube directrice (3) et le corps de base (2) et/ou entre l'aube directrice (3) et la partie de recouvrement (4).
     
    4. Roue mobile, roue à aubes ou roue directrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une rainure de soudage (7) est prévue dans le corps de base (2) et/ou dans la partie de recouvrement (4), sur un côté opposé à la surface de contact (6) de l'aube directrice (3).
     
    5. Roue mobile, roue à aubes ou roue directrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la rainure de soudage (7) est remplie d'un matériau de remplissage.
     
    6. Roue mobile, roue à aubes ou roue directrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'aube directrice (3) est usinée au moyen d'un procédé d'usinage avec formation de copeaux, par érosion, forgeage ou soudage sur le corps de base (2) et/ou la partie de recouvrement (4).
     
    7. Roue mobile, roue à aubes ou roue directrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps de base (2) et/ou l'aube directrice (3) et/ou la partie de recouvrement (4) sont réalisés en un alliage à base de nickel, en particulier en Inconel, en particulier en Inconel 718, en un superalliage, en acier ou en titane/aluminium.
     
    8. Procédé de soudage pour fabriquer une pièce à usiner (1), en particulier une roue mobile, roue à aubes ou roue directrice destinée à une turbine, une pompe ou un compresseur, comprenant un corps de base (2) ayant une aube directrice (3) et une partie de recouvrement (4), caractérisé en ce que l'aube directrice (3) est soudée sans entaille au corps de base (2) et/ou à la partie de recouvrement (4), où avant de souder l'aube directrice (3), dans la zone d'une surface de contact (6) entre le corps de base (2) et/ou la partie de recouvrement (4) en direction de la surface de contact (6), un congé de raccordement s'élargissant va être pré-fraisé.
     
    9. Procédé de soudage selon la revendication 8, dans lequel l'aube directrice (3) est soudée au corps de base (2) et/ou à la partie de recouvrement (4) avec un faisceau d'énergie (5), en particulier avec un faisceau laser (5), en particulier par soudage au laser en profondeur.
     
    10. Procédé de soudage selon la revendication 8 ou 9, dans lequel l'aube directrice (3) est soudée de manière complètement pleine sur toute une largeur (B) d'une surface de contact (6) entre l'aube directrice (3) et le corps de base (2) et/ou entre l'aube directrice (3) et la partie de recouvrement (4).
     
    11. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel une rainure de soudage (7) est prévue dans le corps de base (2) et/ou dans la partie de recouvrement (4), sur un côté opposé à la surface de contact (6) de l'aube directrice (3).
     
    12. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel la rainure de soudage (7) est remplie d'un matériau de remplissage, en particulier par l'intermédiaire d'un soudage à rechargement.
     
    13. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel l'aube directrice (3) est usinée au moyen d'un procédé d'usinage avec formation de copeaux, par érosion, forgeage ou soudage sur le corps de base (2) et/ou la partie de recouvrement (4).
     
    14. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, dans lequel le corps de base (2) et/ou l'aube directrice (3) et/ou la partie de recouvrement (4) sont réalisés en un alliage à base de nickel, en particulier en Inconel, en particulier en Inconel 718, en un superalliage, en acier ou en titane/aluminium.
     




    Zeichnung














    Angeführte Verweise

    IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



    Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

    In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente