(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 2013/13 EP B1 (13) (51) T3 Int.Cl. B23K 9/02 ( ) B23K 9/028 ( ) B23K 9/167 ( ) B23K 9/173 ( ) (54) Tytuł wynalazku: Sposób spawania wału o pionowej osi obrotu (30) Pierwszeństwo: DE (43) Zgłoszenie ogłoszono: w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2012/16 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 2013/08 (73) Uprawniony z patentu: Siemens Aktiengesellschaft, München, DE (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP T3 KARL-HEINZ GUNZELMANN, Nürnberg, DE (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Mirosława Ważyńska JWP RZECZNICY PATENTOWI DOROTA RZĄŻEWSKA SP. J. ul. Żelazna 28/30 Sienna Center Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 16177/13/P-RO/MW EP Opis Sposób spawania wału o pionowej osi obrotu [0001] Wynalazek dotyczy sposobu według części przedznamiennej zastrzeżenia niezależnego. [0002] W przypadku spawania połączeniowego wałów wirników podczas budowy turbin i generatora używa się tak zwanej technologii spawania łukiem elektrycznym w ciasnej szczelinie, aby móc połączyć ze sobą kute części wału do postaci całkowitego wirnika. [0003] Gdy dla danego wirnika przewidziano więcej niż dwa połączenia, to zwykle części wirnika ustawiane są jedna na drugiej, w pionowym układzie osi, i są łączone przez zespawanie ich w dwóch etapach. Tak powstaje spawanie pierwszych warstw, tak zwane spawanie przetopowe, według sposobu tak zwanego spawania elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych (WIG) w ciasnych szczelinach. Po spawaniu przetopowym wszystkich połączeń wirnik przechyla się do poziomej pozycji osiowej, a pozostały przekrój spoiny spawa się w tej pozycji według tak zwanego sposobu spawania łukiem krytym (SAW) w wąskiej szczelinie. [0004] Konieczny przekrój łączenia, to znaczy grubość warstwy spawania przetopowego wynika z konieczności, by spawany z części wirnik miał wystarczającą wytrzymałość mechaniczną do wykonania przechylenia. Typowe grubości warstw WIG mieszczą się w zależności od warunków gabarytowych części wirnika między około 20 mm a 30 mm. Przechylenie jest konieczne, aby szybciej i bardziej ekonomicznie móc zespawać pozostały przekrój spoiny wysokowydajnym sposobem SAW. Ponieważ sposobu SAW nie można efektywnie zastosować w pozycji horyzontalnej osi wirnika, to konieczne jest przechylenie zespawanego przetopowo wirnika. Oprócz tego w przypadku określonych materiałów do wirników konieczne jest zastosowanie dodatkowego prowadzenia źródła ciepła, żeby uniknąć pęknięć spowodowanych przechylaniem. Dokument US 4,213,025 ujawnia urządzenie do łączenia metalowych części, i metalowe części są tak wytworzone przez spawanie łukiem elektrycznym z utworzeniem spawu o małej objętości. [0005] Dokument EP A1 ujawnia sposób łączenia części metalowych za pośrednictwem spawania łukiem elektrycznym ze spoiną o niewielkiej objętości, w której boki elementów utworzone przez szczelinę łączy się ściegami przylegającymi na zmianę do jednego i do drugiego boku po wykonaniu spawania łukiem krytym. [0006] Dokument US 6,499,946 B1 ujawnia wirnik turbiny parowej w połączeniu z co najmniej jednym wirnikiem wysokociśnieniowym, wirnikiem pośrednim i z wirnikiem niskociśnieniowym, z których każdy wykonany jest z materiału metalowego o różnym składzie, i które spawane są ze sobą za pomocą urządzeń spawających. [0007] Celem wynalazku jest uniknięcie typowego przechylania osi obrotu wału z pozycji pionowej do poziomej i w związku z tym ponownego ustawiania wału, w przypadku spawania części wałów z wykorzystaniem spawania łukiem elektrycznym w wąskiej szczelinie, w celu wykonania wału, a zwłaszcza wału wirnika do turbiny i/lub generatora.

3 - 2 - Należy przy tym skrócić czas produkcji i oszczędzić ilość dodatkowego materiału do spawania. [0008] Cel ten zrealizowano sposobem według zastrzeżenia niezależnego. [0009] Według pierwszego aspektu udostępniono sposób spawania połączeniowego wału wirnika, zwłaszcza turbiny i/lub generatora o następujących etapach: Wykonanie części wału, symetrycznych względem osi obrotu, mających co najmniej jeden wydrążony cylinder współosiowy względem osi obrotu; pozycjonowanie odpowiednio dwóch części wału wzdłuż pionowej osi obrotu, jedna nad drugą, przy czym odpowiednio dwa wydrążone cylindry graniczą ze sobą swoimi kolistymi powierzchniami pierścieniowymi; wykonanie pierwszego, radialnie wewnętrznego rurokształtnego spawu w celu wykonania połączenia spawanego obu wydrążonych cylindrów w radialnie wewnętrznym obszarze przyporządkowanych kolistych powierzchni pierścieniowych poprzez spawanie łukiem elektrycznym elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych w ciasnej szczelinie. Wynalazek charakteryzuje się wykonaniem kolejnego radialnie zewnętrznego spawu pierścieniowego o kształcie rury, w celu wykonania kolejnego połączenia spawanego wydrążonych cylindrów w radialnie zewnętrznym obszarze należących do nich kolistych powierzchni pierścieniowych poprzez spawanie łukiem elektrycznym elektrodą metalową w osłonie gazów ochronnych w ciasnej szczelinie, przy czym oś obrotu pozostaje ustawiona pionowo. [0010] Dodatkowo część wału może mieć cylindry. [0011] Radialnie od środka oznacza leżące wzdłuż promienia począwszy od osi obrotu w wewnętrznym obszarze obu wydrążonych cylindrów, które mają zostać ze sobą połączone przez zespawanie w radialnie wewnętrznym obszarze przynależnych do nich kolistych powierzchni pierścieniowych. Radialnie od zewnątrz oznacza leżące wzdłuż promienia począwszy od osi obrotu w zewnętrznym obszarze obu wydrążonych cylindrów, które mają zostać ze sobą połączone przez zespawanie w radialnie zewnętrznym obszarze przynależnych do nich kolistych powierzchni pierścieniowych. Radialnie od środka oznacza leżące wzdłuż promienia począwszy od osi obrotu w środkowym obszarze obu wydrążonych cylindrów, które mają być ze sobą połączone przez zespawanie w radialnie środkowym obszarze przynależnych do nich kolistych powierzchni pierścieniowych. Rurokształtny spaw pierścieniowy łączy dwa umieszczone jeden na drugim rurokształtne wydrążone cylindry. [0012] Pierwszy radialnie wewnętrzny rurokształtny spaw pierścieniowy można także określić jako spaw przetopowy. [0013] Gdy po wykonaniu spawu przetopowego zastosuje się spawanie łukiem elektrycznym elektrodą metalową w osłonie gazu ochronnego w ciasnej szczelinie, to można w całości zrezygnować z przechylenia. Spawanie łukiem elektrycznym elektrodą metalową w osłonie gazu ochronnego w ciasnej szczelinie cechuje się tym, że również w przypadku pionowej osi obrotu, i w związku z tym poziomej pozycji spawania można uzyskać wysoką wydajność wypełniania przy zachowaniu wymaganej jakości. [0014] Zaletą tego sposobu według wynalazku jest to, że po pierwsze można zrezygnować z planowania dodatkowego czasu na przechylanie i ponowne ustawianie w przypadku poziomej

4 - 3 - osi obrotu, to jest w przypadku pionowej pozycji spawania, stwarzając możliwość oszczędności czasu produkcji. W zależności od przekroju połączenia można dzięki temu zaoszczędzić czas od 25% do 30% względem kombinacji WIG-SAW. Kolejna zaleta wynika z tego, że podczas spawania łukiem elektrycznym elektrodą metalową w osłonie gazów ochronnych w ciasnej szczelinie przekrój spoiny jest aż do 40% mniejszy niż w przypadku spawania SAW. [0015] Dodatkowo powoduje to mniej więcej tego samego rzędu wielkości oszczędność dodatkowego materiału do spawania. [0016] Korzystne udoskonalenia zastrzeżono w zastrzeżeniach zależnych: Według korzystnego przykładu wykonania najpierw można wykonać pierwszy radialnie wewnętrzny rurowy spaw pierścieniowy między dwoma częściami wału, a bezpośrednio potem kolejny, radialnie zewnętrzny rurokształtny spaw pierścieniowy obu części wału. Dzięki temu można wykonać odcinek przed schłodzeniem. [0017] Według kolejnego korzystnego przykładu wykonanie kolejnego radialnie środkowego spawu pierścieniowego może być wykorzystane do dalszego połączenia spawanego dwóch wydrążonych cylindrów z wykorzystaniem spawania elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych w ciasnej szczelinie, a mianowicie po wykonaniu pierwszego radialnie wewnętrznego rurokształtnego spawu pierścieniowego i przed wykonaniem kolejnego radialnie zewnętrznego rurokształtnego spawu pierścieniowego. Tak pierwszy radialnie wewnętrzny rurokształtny spaw pierścieniowy zostaje uzupełniony i wzmocniony kolejnym radialnie środkowym rurokształtnym spawem pierścieniowym. [0018] Według kolejnego korzystnego przykładu wykonania najpierw można wykonać dalsze, radialnie środkowe rurokształtne spawy pierścieniowe całego wału wirnika, a później wszystkie kolejne, radialnie zewnętrzne rurokształtne spawy pierścieniowe wszystkich części wałów. [0019] Według kolejnego korzystnego przykładu wykonania kolejne, radialnie środkowe rurokształtne spawy pierścieniowe mogą mieć radialną grubość od 2 mm do 20 mm. [0020] Według kolejnego korzystnego przykładu wykonania spawanie łukiem elektrycznym, elektrodą metalową w osłonie gazów ochronnych w ciasnej szczelinie może być spawaniem łukiem elektrycznym, elektrodą metalową w osłonie gazów obojętnych w ciasnej szczelinie, lub spawaniem łukiem elektrycznym, elektrodą metalową w osłonie gazów aktywnych w ciasnej szczelinie. [0021] Wynalazek bliżej opisano na podstawie przykładów wykonania w związku z figurami. Na rysunkach pokazano: Figura 1 Figura 2 przykład wykonania wału według wynalazku. przykład wykonania sposobu według wynalazku. [0022] Figura 1 przedstawia przykład wykonania wału 1 według wynalazku, który wyprodukowano sposobem według wynalazku. Zasadniczo wynalazek obejmuje wszystkie

5 - 4 - wały lub osie o tej samej konstrukcji. Wał wirnika jest na przykład wykorzystywany do turbiny i/lub do generatora. Wał 1 ma części wału 5. Każda z części wału 5 jest symetryczna obrotowo względem wspólnej osi obrotu 2. W stanie zespawanym wszystkie części wału leżą współosiowo wzdłuż tejże wspólnej osi obrotu 2. Geometria części wałów 5 zależy od tego, że części wałów 5 mają co najmniej jeden wydrążony cylinder 3a umieszczony współosiowo wzdłuż osi obrotu 2. Na przykład część wału 5 może składać się z cylindra częściowego 3 i odpowiednio dwóch graniczących z nim wydrążonych cylindrów 3a. Oprócz tego część wału 5 może być podobnie symetryczna względem środkowej powierzchni umieszczonej prostopadle do osi obrotu 2. Część wału 5 składająca się z wydrążonego cylindra 3a może mieć dolną powierzchnię pierścieniową i górną powierzchnię pierścieniową. Owe główne pierścieniowe powierzchnie ograniczające stanowią dolną powierzchnię pierścieniową i górną powierzchnię pierścieniową części wału. Dolna powierzchnia pierścieniowa może być dolną powierzchnią pierścieniową wydrążonego cylindra 3a części wału 5, a górna powierzchnia pierścieniowa może być górną powierzchnią pierścieniową kolejnego wydrążonego cylindra 3a części wału 5. W celu połączenia spawanego wszystkich części wału 5 są one umieszczane współosiowo jedna na drugiej, wzdłuż wspólnej pionowej osi obrotu 2. Oznacza to, że wszystkie części wału 5 mają wspólną oś obrotu 2. Jest ona skierowana pionowo dla wykonania połączeń spawanych. Odpowiednio po dwie części wału 5 umieszczane są współosiowo jedna na drugiej wzdłuż pionowej osi obrotu 2, przy czym odpowiednio dwie powierzchnie kolistych pierścieni 7 graniczą ze sobą i stykają się ze sobą powierzchniowo. Na figurze 1 przeznaczony do zespawania obszar dwóch wydrążonych cylindrów 3a objęto kolistą linią. Odpowiednio na figurze 1, po prawej stronie na górze przedstawiono kolisty powiększony wycinek. Przy tym według figury 1 trzy rurokształtne spawy pierścieniowe łączą ze sobą dwa wydrążone cylindry 3a w obszarze ich kolistych powierzchni pierścieniowych 7. W tym celu pierwszy, radialnie wewnętrzny spaw pierścieniowy 17 wykonano w celu wykonania połączenia spawanego obu wydrążonych cylindrów 3a poprzez spawanie łukiem elektrycznym z elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych w ciasnej szczelinie. Ten wewnętrzny spaw pierścieniowy 17 łączy wewnętrzny obszar obu kolistych powierzchni pierścieniowych 7. Zostało to przedstawione po lewej stronie na powiększonym wycinku figury 1. Oprócz tego kolejny, radialnie zewnętrzny spaw pierścieniowy 19 wykonano w celu wykonania kolejnego połączenia spawanego obu wydrążonych cylindrów 3a poprzez spawanie łukiem elektrycznym z elektrodą metalową w osłonie gazów ochronnych w ciasnej szczelinie. Do wykonania tego kolejnego radialnie zewnętrznego spawu pierścieniowego 19 oś obrotu 2 może pozostać ustawiona w pionie. Spawanie łukiem elektrycznym, elektrodą metalową w osłonie gazów ochronnych w ciasnej szczelinie może być spawaniem łukiem elektrycznym, elektrodą metalową w osłonie gazów obojętnych w ciasnej szczelinie, lub spawaniem łukiem elektrycznym, elektrodą metalową w osłonie gazów aktywnych w ciasnej szczelinie. Między pierwszym, radialnie wewnętrznym spawem pierścieniowym 17, a kolejnym radialnie zewnętrznym rurokształtnym spawem pierścieniowym 19, który przedstawiono po prawej stronie powiększonego wycinka, można wykonać kolejny radialnie środkowy spaw pierścieniowy 21 w celu wykonania dalszego połączenia spawanego obu wydrążonych cylindrów 3a w obszarze ich graniczących ze sobą

6 - 5 - kolistych powierzchni pierścieniowych 7, poprzez spawanie elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych. Wał 1 podczas całego sposobu produkcji ustawiony jest z osią obrotu 2 skierowaną pionowo. Zwykle potrzebne przechylanie nie jest już konieczne. Wewnętrzna i zewnętrzna średnica graniczących ze sobą kolistych powierzchni pierścieniowych mogą być takie same. [0023] Figura 2 ukazuje przykład wykonania sposobu produkcji według wynalazku. W etapie S1 dochodzi do wykonania części wału symetrycznych dookoła osi obrotu 2, współosiowych wzdłuż osi obrotu 2, i zawierających co najmniej jeden wydrążony cylinder 3a i opcjonalnie co najmniej jeden cylinder 3. W etapie S2 następuje pozycjonowanie odpowiednio dwóch części wału 5 wzdłuż pionowej osi obrotu 2 współosiowo jeden na drugim, przy czym odpowiednio po dwa wydrążone cylindry 3a graniczą ze sobą swoimi kolistymi powierzchniami pierścieniowymi 7. W etapie S3 dochodzi do wykonania pierwszego, radialnie wewnętrznego rurokształtnego spawu 17 w celu wykonania połączenia spawanego obu wydrążonych cylindrów 3a w radialnie wewnętrznym obszarze przynależnych kolistych powierzchni pierścieniowych 7 z wykorzystaniem spawania łukiem elektrycznym, elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych w ciasnej szczelinie. W etapie S4 dochodzi do wykonania kolejnego radialnie zewnętrznego rurokształtnego spawu pierścieniowego 19, w celu wykonania połączenia spawanego wydrążonych cylindrów 3a w radialnie zewnętrznym obszarze należących do nich kolistych powierzchni pierścieniowych 7 poprzez spawanie łukiem elektrycznym elektrodą metalową w osłonie gazów ochronnych w ciasnej szczelinie, przy czym oś obrotu 2 pozostaje ustawiona pionowo. Według szczególnie korzystnego przykładu wykonania wpierw można wykonać pierwszy radialnie wewnętrzny rurokształtny spaw pierścieniowy 17 między dwoma częściami wału 5, a bezpośrednio potem kolejny, radialnie zewnętrzny rurokształtny spaw pierścieniowy 19 obu części wału 5. Później wykonuje się całkowite zespawanie ze sobą następnych dwóch części wału 5. Zasadniczo podobnie najpierw mogą zostać wykonane wszystkie pierwsze radialnie wewnętrzne rurokształtne spawy pierścieniowe 17 całego wału 1, a następnie wszystkie kolejne radialnie zewnętrzne rurokształtne spawy pierścieniowe 19 wszystkich części wału 5. W kolejnym etapie S3a wykonanie kolejnego radialnie środkowego spawu pierścieniowego 21 może zostać wykorzystane do dalszego połączenia spawanego wydrążonych cylindrów 3a poprzez spawanie elektrodą wolframową w osłonie gazów u obojętnych w ciasnej szczelinie, po wykonaniu pierwszego radialnie wewnętrznego rurokształtnego spawu pierścieniowego 17 i przed wykonaniem kolejnego radialnie zewnętrznego rurokształtnego spawu pierścieniowego 19. Sporządziła i zweryfikowała Mirosława Ważyńska Rzecznik patentowy

7 - 6 - Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób połączenia spawaniem wału (1), zwłaszcza do turbiny i/lub generatora, o etapach - wykonanie części wału (5) symetrycznych względem osi obrotu (2), współosiowych wzdłuż osi obrotu (2) i zawierających co najmniej jeden wydrążony cylinder (3a); pozycjonowanie odpowiednio dwóch części wału (5) wzdłuż pionowej osi obrotu (2) współosiowo jedna na drugiej, przy czym odpowiednio po dwa wydrążone cylindry (3a) graniczą ze sobą swoimi kolistymi powierzchniami pierścieniowymi (7); wykonanie pierwszego, radialnie wewnętrznego rurokształtnego spawu (17) w celu wykonania połączenia spawanego obu wydrążonych cylindrów (3a) w radialnie wewnętrznym obszarze przynależnych kolistych powierzchni pierścieniowych (7) z wykorzystaniem spawania łukiem elektrycznym, elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych w ciasnej szczelinie. znamienny poprzez - wykonanie kolejnego radialnie zewnętrznego rurokształtnego spawu pierścieniowego (19), w celu wykonania połączenia spawanego wydrążonych cylindrów (3a) w radialnie zewnętrznym obszarze należących do nich kolistych powierzchni pierścieniowych (7) poprzez spawanie łukiem elektrycznym elektrodą metalową w osłonie gazów ochronnych w ciasnej szczelinie, przy czym oś obrotu (2) pozostaje ustawiona pionowo. 2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że przy wykonywaniu jedynie dwóch spawów pierścieniowych (17, 19) najpierw wykonywany jest pierwszy radialnie wewnętrzny rurokształtny spaw pierścieniowy (17) pomiędzy dwoma częściami wału (5), a bezpośrednio potem kolejny, radialnie zewnętrzny rurokształtny spaw pierścieniowy (19) obu części wału (5). 3. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny poprzez - wykonaniem kolejnego radialnie środkowego spawu pierścieniowego (21) do dalszego połączenia spawanego wydrążonych cylindrów (3a) poprzez spawanie elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych w ciasnej szczelinie, po wykonaniu pierwszego radialnie wewnętrznego rurokształtnego spawu pierścieniowego (17) i przed wykonaniem kolejnego radialnie zewnętrznego rurokształtnego spawu pierścieniowego (19).

8 Sposób według zastrzeżenia 3, znamienny tym, że wpierw spawane są wszystkie kolejne radialnie środkowe rurokształtne spawy pierścieniowe (21) całego wału wirnika (1), a później wszystkie kolejne radialnie zewnętrzne rurokształtne spawy pierścieniowe (19) wszystkich części wału (5). 5. Sposób według zastrzeżeń 3 albo 4, znamienny tym, że kolejne radialnie środkowe rurokształtne spawy pierścieniowe (21) mają grubość radialną od 2 do 20 mm. 6. Sposób według jednego z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że spawanie łukiem elektrycznym, elektrodą metalową w osłonie gazów ochronnych w ciasnej szczelinie jest spawaniem łukiem elektrycznym, elektrodą metalową w osłonie gazów obojętnych w ciasnej szczelinie lub spawaniem łukiem elektrycznym, elektrodą metalową w osłonie gazów aktywnych w ciasnej szczelinie. Sporządziła i zweryfikowała Mirosława Ważyńska Rzecznik patentowy

9 - 8 -