Engspaltschweissen großer Wellen

Fortschrittliche Reparaturtechnik für Industrie-Wellen. Zur Senkung der Schweißdauer und des Verbrauchs an Schweißmaterial unter anderem an Turbinen- und Generatorwellen besticht ein neuer...

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Fortschrittliche Reparaturtechnik für Industrie-WellenZur Senkung der Schweißdauer und des Verbrauchs an Schweißmaterial unter anderem an Turbinen- und Generatorwellen besticht ein neuer Schweißprozess: das Rotations-Wolframschweissen mit enger Fuge. Dabei handelt es sich um ein fortschrittliches, automatisiertes Lichtbogenschweißverfahren. Das gebräuchlichste Reparaturschweißverfahren für hoch beanspruchte Wellen ist das Unterpulver-(UP-)Lichtbogenschweißen. Diese Technik wurde bis jetzt erfolgreich zum Auftrag oder Ersatz von Material an Rotoren verwendet. Das Anschweißen von Wellenstümpfen mit diesem Verfahren erfordert jedoch grosse Mengen an Zusatzwerkstoff. Bild 1 zeigt die aufwändige Fugenvorbereitung für eine UP-Schweißung und den hohen Schweißgutverbrauch. Bei einer typischen Wellenstumpf-Reparaturschweißung können zirka 10 bis 60 kg Schweißgut verbraucht werden. Für die mechanische Bearbeitung des Wellenstumpfes und des Rotors zur UP-Schweißung werden etliche Stunden mehr benötigt als zum Engspaltschweißen.Neues Verfahren bringt einige VorteileDas Rotations-Wolframschweißen mit enger Fuge (englisch: Rotating Tungsten Narrow-Groove Welding, RT-NG), ein neu entwickeltes Schweißverfahren für die Reparatur von Turbomaschinenkomponenten, hat einen großen Einfluss auf die Fugenvorbereitung, den Schweißgutauftrag, die Wärmezufuhr, die Brenndauer des Lichtbogens. Im Gegensatz zum UP-Schweißen werden bei einer typischen RT-NG-Wellenstumpfreparatur nur 1 bis15 kg Schweißgut verbraucht, und die Brenndauer des Lichtbogens beträgt nur etwa ein Drittel derjenigen beim UP-Schweißen. Zudem ist die Reparaturqualität gleich gut oder sogar besser.Beim RT-NG-Verfahren wird ein inertes Gas zum Schutz der Schweißzone (des Schmelzbades) vor der Atmosphäre verwendet. Das Verfahren nutzt die Lichtbogenenergie zur Erzielung eines gleichmäßigen Flankeneinbrands durch Querrotation (Pendelbewegung von Seite zu Seite) einer abgewinkelten Wolframelektrode über die Breite der Schweißfuge hinweg (Bild 2) und liefert ausreichende Abschmelzmengen unter Beibehaltung aller Schweißpositionen.Verschiedene Prüfungen erfolgen an MusterteilenDie zum Schweißen benötigte Wärme wird durch einen elektrischen Lichtbogen zwischen einer praktisch nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück erzeugt. Da die Elektrode kaum abschmilzt, kommt die Verschweißung durch Schmelzen des Grundwerkstoffs ohne Anwendung von Zusatzwerkstoffen zustande. Je nach Anforderungen kann aber auch mit Zusatzwerkstoff gearbeitet werden. Die Ausrüstung schließt in die Fuge blickende Videokameras und digitale Steuerungen zur präzisen Regelung des Schweißvorgangs ein.Die Anwendung des Rotations-Wolframschweißen bietet folgende Vorteile gegenüber dem UP-Schweißen: - Es reduziert den Aufwand für die - Fugenvorbereitung- Reduktion der Lichtbogen-Brenndauer- Geringere Wärmezufuhr- Geringere Breite der Wärmeeinflusszone und geringerer Verzug- Hohe Qualität der Schweißnähte- Präzise Steuerung der Schweißparameter möglich.Zum Zwecke der Qualifizierung eines Schweißverfahrens werden zur Simulierung des Ablaufs Musterteile vorbereitet, reparaturgeschweißt und auf die endgültigen Masse bearbeitet. Die zu Anfang der Untersuchungen durchgeführten Schweiß- und Spannungsarmglühversuche an derartigen Musterteilen dienten zur Beschaffung von Material zur Qualitätsbeurteilung durch zerstörungsfreie Prüfung, zur Bewertung der Schweißbarkeit und zur Herstellung von Proben für mechanische und chemische Prüfungen. Nach Durchführung der Schweißung eines Musterteils unter Anwendung des vorgesehenen Verfahrens wird dieses zur Prüfung und Freigabe an eine anerkannte Prüfstelle geschickt. Folgende Prüfungen werden zur Bewertung des Verfahrens durchgeführt:- Biegeversuch - Zugversuch - Metallografische Untersuchungen- Chemische Analyse, Härtemessungen und Kerbschlagprüfungen des Grundwerkstoffs, der Wärmeeinflusszone und des SchweißgutsDie Anwendung der Reparaturschweißung ist spezifisch auf hoch belastete Rotoren in Turbomaschinen ausgerichtet.Qualifiziertes ReparaturverfahrenWenn ein Rotor als noch reparierbar angesehen wird, werden die qualifizierten und standardisierten Reparaturverfahren von Hickham Industries zur Reparatur der beschädigten Partien des Teils eingesetzt. Diese Verfahren sind so ausgelegt, dass eine hohe und gleichmäßige Qualität der Reparaturschweißung sichergestellt ist.Nachstehend sind die angewendeten Reparaturschritte aufgeführt:Der Rotor wird mechanisch so bearbeitet, dass sichergestellt ist, dass alle beschädigten Bereiche des Grundwerkstoffs entfernt werden und die der Schweißwärme ausgesetzte Zone in einem nichtkritischen Bereich liegt. Die Position der Schweißnaht wird oft nach Durchführung einer Finite-Elemente-Analyse (FEA) am Rotor bestimmt. Die Anwendung der FEA auf eine Rotor-Reparaturschweißung stellt einen ausschlaggebenden Faktor für den Erfolg dar. Zudem wird der Rotor nach Vorbearbeitung zerstörungsfrei mit Ultraschall geprüft, um sicherzustellen, dass sich der Grundwerkstoff zur Aufbringung der Schweißung eignet. Anschließend wird der Rotor unter Anwendung einer qualifizierten Fügemethode reparaturgeschweißt, zum Beispiel mit dem RT-NG-Verfahren. Nach dem Schweißvorgang wird die Schweißnaht zur zerstörungsfreien Prüfung vorbearbeitet, um im reparaturgeschweißten Bereich die zerstörungsfreie Prüfung - ebenfalls mit Ultraschall - durchzuführen. Die Schweißnaht wird in senkrechter Stellung spannungsarmgeglüht, um den Verzug auf ein Minimum zu beschränken. Härteprüfungen müssen im gesamten Bereich der Reparaturschweißung erfolgen. Sowohl die Schweißnaht selbst als auch in angrenzenden Wärmeeinflusszonen des Grundwerkstoffs müssen geprüft werden, um sicherzustellen, dass die vorgeschriebenen Härtewerte eingehalten werden. Nach dem Spannungsarmglühen werden im reparaturgeschweißten Bereich erneut zerstörungsfreie Prüfungen (mit Ultraschall) durchgeführt. Erst dann kann der Rotor nach den Vorschriften der Konstruktionszeichnung fertig bearbeitet werden. Um möglichen Schäden vorzubeugen wird im reparaturgeschweißten Bereich eine abschließende zerstörungsfreie Prüfung (Magnetpulver-Rissprüfung) durchgeführt. Alle Abläufe und Prüfungen erfolgen unter genauer Einhaltung schriftlicher Anweisungen, und die Ergebnisse werden dokumentiert.Bereits praktische ErfahrungenDie Anwendung des RT-NG-Verfahrens an einer 30-MW-Dampfturbine, die zum Antrieb eines Kompressors für Synthesegas gehört, war durchaus erfolgreich. Die Dampfturbine wird doppelseitig angetrieben, und auf einer Seite hatte sich ein Riss in der Nähe der Kupplung gebildet. Durch Anwendung des Rotations-Wolframschweißen konnten das Wellenende repariert und die Turbine bereits nach kurzer Zeit wieder in Betrieb genommen werden. Die Anwendung dieser Reparaturverfahren kann den Betreibern von Turbomaschinen erhebliche Vorteile bringen: Zeitersparnis, weniger Ausschuss und geringere Kosten für neue Teile.