利用控制两个构件的成型部材料配合地连接所述构件的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于在连接区域(8)中材料配合地连接两个构件(2)、尤其是两个旋转的轴部件(2)的方法，其中相邻于连接区域(8)定位用于控制构件(2)的表面几何形状的成型部(10)，其中这两个构件(2)彼此焊接并且其中执行热后处理以有针对性地引入固有压应力，所述固有压应力的分布通过被控制的表面几何形状来共同确定。
【专利说明】利用控制两个构件的成型部材料配合地连接所述构件的方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于在连接区域中材料配合地连接两个构件、尤其两个旋转的轴 部件的方法。
【背景技术】
[0002] 如果构件通过焊接进而经由焊缝彼此材料配合地连接，那么由此改变构件在连接 区域中的材料特性。材料特性的这种改变归因于焊接过程期间的热作用，由此与其相关的 区域也称作为热影响区。通常，材料特性的改变是不利的，从而是不期望的。
[0003] 在建立涡轮机轴的区段之间的焊接连接的情况下，例如在焊缝区域中形成高的固 有拉伸应力，所述固有拉伸应力在设计构件和焊接连接时在规划阶段被考虑在内或者通过 后处理彼此焊接的构件来降低。极其常见的用于后处理的方法例如提出：通过滚压处理或 喷丸处理将固有压应力在表面附近引入到彼此焊接的构件中，所述固有压应力抵消现有的 固有拉伸应力。然而用于后处理彼此焊接的构件的这种方法是相当耗费的并且仅在表面附 近的区域中起作用。
【发明内容】
[0004] 以上述内容为前提，基于本发明的目的是：提出一种替选的用于材料配合地连接 两个构件的方法。
[0005] 该目的根据本发明通过具有权利要求1的特征的方法来实现。
[0006] 本发明用于在连接区域中材料配合地连接两个构件、尤其是两个旋转的轴部件、 也就是说例如两个涡轮机轴部件，其中相邻于连接区域定位用于控制构件的表面几何形 状的成型部，其中这两个构件彼此焊接并且其中执行热后处理以有针对性地引入固有压应 力，所述固有压应力的分布通过被控制的表面几何形状来共同确定。
[0007] 在此，成型部优选仅仅用于影响热后处理的作用。这就是说，成型部不参与材料配 合的连接，并且尤其是在成型部之间不构成有焊缝。代替于此，借助于成型部控制借助于热 后处理所引入的固有压应力的分布，其中固有压应力抵消现有的固有拉伸应力进而至少部 分地消除其作用。总体上，由此得到固有拉伸应力和固有压应力的因热后处理而改变的分 布，所述分布与在热后处理之前的分布相比是明显更有利的。表面几何形状的控制与热后 处理的组合因此取代彼此焊接的构件的后处理，其中这些构件通过滚压处理或喷丸处理经 受简单的热后处理和/或表面处理。
[0008] 尤其是在沿着对称轴线依次排列且彼此焊接的旋转对称的构件中，下述方法变型 形式是有利的，其中设有环形的成型部。这例如在涡轮机轴的转子区段中是这种情况。
[0009] 此外，所述方法的下述变型形式是适当的：其中成型部与连接区域间隔并且尤其 是定位在所谓的热影响区（WEZ)的边缘区域中。这种定位原则上证实为是有利的，其中合 乎目的的是对于每个材料配合的连接例如通过模型计算以数值的方式确定成型部的匹配 于构件的形状和定位。
[0010] 首先在具有尤其大的尺寸的构件中，下述方法变型形式是有利的：其中热后处理 局部地在连接区域中执行，因为与遍布彼此焊接的构件的整个体积的热再处理相比由此显 著地降低了用于热后处理的耗费。
[0011] 此外下述方法变型是有利的，其中将退火过程并且尤其是去应力退火过程或者回 火处理设作为热后处理。在此，可通过这种热后处理降低彼此焊接的构件中的固有拉伸应 力，而在此不引入固有压应力。
[0012] 此外，下述方法变型形式是有利的，其中执行热后处理，在所述热后处理期间，彼 此焊接的构件在子步骤中用液体、尤其是用油或水来喷射。在此目的是：迫使在彼此焊接 的构件中的表面附近产生明显的温度梯度，其中由此在相应的区域中加强地引入固有压应 力。在此，尤其有利的是：在温度等于或低于用于去应力退火过程的维持阶段的温度的情况 下启动用液体喷射构件的子步骤。热后处理的该子步骤因此适当地设置在去应力退火过程 的维持阶段结束时进而在该情况下是受控的冷却阶段的一部分。
[0013] 取决于彼此焊接的构件的应用目的，此外有利的是：在热后处理之后机械地移除 成型部。这尤其当通过由与其相关联的重量降低实现正面效果时或者当如在涡轮机轴部件 的情况中那样由此避免对运行方式、在这里为流动特性的不利的影响时是适用的。
[0014] 此外，下述方法变型形式是优选的，其中执行热后处理，在所述热后处理期间在一 个子步骤中即在喷射处理期间用水来喷射彼此焊接的构件，并且其中在热处理之后机械地 移除成型部。在此，成型部优选或仅仅用于转移在焊缝区域中因喷射处理而产生的固有压 应力。这就是说，成型部不参与材料配合的连接，并且尤其是在成型部之间不构成有焊缝。 借助于成型部预设借助于喷射处理引入的固有压应力的分布，其中固有压应力抵消现有的 固有拉伸应力进而至少部分地消除其作用。通过移除成型部，最大的固有压应力移置焊缝 区域中。总体上，由此得到固有拉伸应力和固有压应力的改变的分布，所述分布与不经过成 型部喷射处理和不经过成型部的移除的分布相比是明显更有利的。由此，实现固有压应力 的显著的深度效应。控制表面几何形状控制和移除成型部与热后处理的组合因此取代彼此 焊接的构件的后处理，其中这些构件通过滚压处理或喷丸处理经受简单的热后处理和/或 表面处理。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 下面根据示意性的附图详细阐述本发明的实施例。在附图中示出：
[0016] 图1在剖面图中部分地示出具有成型部的涡轮机轴的两个彼此焊接的转子区段， 以及
[0017] 图2在剖面图中部分地示出在移除成型部之后的涡轮机轴的转子区段。
【具体实施方式】
[0018] 在全部附图中，彼此相应的部件总是设有相同的附图标记。
[0019] 在此提出的用于材料配合地连接两个构件的方法例如设置为用于以不可松开的 方式使涡轮机轴4的转子区段2彼此连接，如这在图1中能够示意性地且部分地可见。在 涡轮机轴4的制造过程期间，这些转子区段2沿着对称轴线6依次排列并且经由至少一个 主要横向于对称轴线6延伸的焊缝8彼此连接。
[0020] 在此，转子区段2的焊接例如通过窄间隙焊接来实现，其中与焊接方法的类型无 关地在焊接方法期间将固有拉伸应力引入连接区域中、即焊缝8的和紧邻的区域中，所述 固有拉伸应力降低材料配合的连接的负荷能力进而对涡轮机轴4的预期寿命产生负面的 作用。
[0021] 为了提高材料配合的连接的耐抗能力，之后再次降低在连接区域中、即在焊缝8 的和紧邻的区域中起作用的固有拉伸应力。为此，在焊接过程之后执行热后处理，其中由此 有针对性地引入固有压应力，所述固有压应力抵消固有拉伸应力。然而根据在此提出的方 法的热后处理超越焊接连接的实质上已知的简单的热后处理、如在简单的去应力退火过程 中那样。
[0022] 为了在热后处理期间实现被引入到连接区域中的固有压应力的期望的分布，在之 前的方法步骤中还在焊接转子区段2之前实行对转子区段2的表面几何形状的控制。对于 转子区段2而言，在连接区域中、即在其中随后构成有焊接连接的区域中设有与对称轴线6 对称地设置的环形的成型部10,借助所述成型部，预设表面的被确定为是有利的的几何形 状。在此，对有利的表面几何形状的确定合乎目的地借助于模型计算在转子区段2和涡轮 机轴4的规划阶段进行。在制造转子区段2时，这样确定的成型部10从一开始就一起考虑 在内。也就是说如果转子区段2例如为浇注模具，那么成型部10在浇注过程的阴模中就已 经被考虑在内。
[0023] 通过在连接区域中借助于成型部10所改变的转子区段2的成型部表面几何形状， 因此在热后处理期间，固有压应力的通过表面几何形状共同确定的分布被引入到彼此焊接 的转子区段2中，其中所引入的固有压应力根据叠加原理部分地消除已存在的固有拉伸应 力，这整体上引起整个涡轮机轴4中的固有拉伸应力和固有压应力的明显更有利的分布。 [0024] 在热后处理期间，在此优选地在升温阶段中将连接区域局部受限制地加热到在 400°C和800°C之间的温度上。在紧随其后的维持阶段、例如在所谓的去应力退火温度的水 平上的维持阶段之后，在受控的冷却阶段期间用水喷射彼此焊接的转子区段2,以便因此在 表面附近引起强的温度梯度，由此在该区域中加强地构建固有压应力。
[0025] 为了成型部使在设有涡轮轴4的涡轮机中的流不受到成型部10的负面的影响，成 型部10在热后处理之后被机械地移除，即例如被锯割。
[0026] 本发明不限制于在上文中所描述的实施例。更确切地说，也能够由本领域技术人 员从中推导出本发明的其他的变型形式，而没有脱离本发明的主题。特别地，还能够将全部 结合实施例所描述的单独的特征也以其他的方式彼此组合，而没有脱离本发明的主题。
【权利要求】
1. 一种用于在连接区域（8)中材料配合地连接两个构件（2)、尤其是两个旋转的轴部 件⑵的方法， 其中相邻于所述连接区域（8)定位用于控制所述构件（2)的表面几何形状的成型部 (10)， 其中将两个所述构件（2)彼此焊接，并且 其中执行热后处理以有针对性地引入固有压应力，所述固有压应力的分布通过被控制 的所述表面几何形状来共同确定。
2. 根据权利要求1所述的方法， 其中设有环形的成型部（10)。
3. 根据权利要求1或2所述的方法， 其中所述成型部（10)与所述连接区域（8)间隔开。
4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的方法， 其中局部地在所述连接区域（8)中执行所述热后处理。
5. 根据权利要求1至4中的任一项所述的方法， 其中将退火过程并且尤其是去应力退火过程设置作为热后处理。
6. 根据权利要求1至5中的任一项所述的方法， 其中执行热后处理，其中在子步骤中用液体、尤其是水来喷射彼此焊接的所述构件 (10)。
7. 根据权利要求6所述的方法， 其中在温度等于或低于去应力退火过程的维持阶段的温度的情况下启动用所述液体 喷射所述构件（10)的所述子步骤。
8. 根据权利要求1至7中的任一项所述的方法， 其中在所述热后处理之后机械地移除所述成型部（10)。
【文档编号】B23K31/02GK104093521SQ201380008320
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年1月11日 优先权日:2012年2月6日
【发明者】斯特凡·布吕斯克, 博拉·科奇德米尔, 蒂姆·施赖伯, 盛世伦, 弗兰克·特鲁肯米勒, 蒂诺·乌拉威科 申请人:西门子公司