DE102004048611A1

DE102004048611A1 - Verfahren zum Verbinden von Bauteilen

Info

Publication number: DE102004048611A1
Application number: DE102004048611A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Bayer; Jürgen Dr. Steinwandel
Original assignee: DaimlerChrysler AG; MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-07
Also published as: DE102004048611B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen, insbesondere zum Verbinden von metallischen Gasturbinenbauteilen, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen von mindestens zwei miteinander zu verbindenden Bauteilen (10, 11), wobei miteinander zu verbindende Bauteile derart zueinander angeordnet werden, dass zwischen Fügeflächen (12, 13) der miteinander zu verbindenden Bauteile ein Abstand besteht; b) Einleiten eines ionisierbaren Gases zwischen die Fügeflächen (12, 13) der miteinander zu verbindenden Bauteile (10, 11); c) Plasmabildung zwischen den Fügeflächen (12, 13) durch Zünden des Gases, wobei die zum Zünden erforderliche Energie durch Mikrowellenstrahlung bereitgestellt wird; d) Verschweißen der miteinander zu verbindenden Bauteile (10, 11) an den Fügeflächen (12, 13).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen.

Beim Verbinden bzw. Fügen von Bauteilen, insbesondere beim Verbinden von metallischen Gasturbinenbauteilen, kommt nach dem Stand der Technik in der Regel das lineare Reibschweißen zum Einsatz. Beim linearen Reibschweißen wird eine zweidimensionale Relativbewegung zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen durchgeführt, um die Bauteile zu erwärmen und durch Aufbringen einer Presskraft miteinander zu verschweißen. Hierbei besteht die Gefahr, dass sich Randkerben an den miteinander zu verbindenden Bauteilen ausbilden. Weiterhin müssen beim linearen Reibschweißen hohe Kräfte aufgebracht werden, um die miteinander zu verbindenden Bauteile an ihren Fügeflächen in einen teigigen Zustand zu überführen. Dabei ist es problematisch, den Schweißprozess so zu stoppen, dass die miteinander zu verbindenden Bauteile exakt zueinander ausgerichtet sind. Ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Fügen von Bauteilen ist das sogenannte induktive Hochfrequenzpressschweißen. Beim induktiven Hochfrequenzpressschweißen wird eine lediglich eindimensionale Relativbewegung zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen durchgeführt, die zum Verschweißen benötigte Energie wird über Induktion bereitgestellt. Es ist jedoch schwierig, große Fügeflächen gleichmäßig durch Induktion zu erwärmen. Das induktive Hochfrequenzpressschweißen sowie das lineare Reibschweißen verfügen des weiteren über den Nachteil, dass bei beiden Schweißverfahren die Fügeflächen der miteinander zu verbindenden Bauteile nicht gereinigt werden, sodass Verunreinigungen in die Fügezone bzw. Schweißnaht eingetragen werden können.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Verbinden von Bauteilen zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen gemäß Patentanspruch Z gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen von mindestens zwei miteinander zu verbindenden Bauteilen, wobei miteinander zu verbindende Bauteile derart zueinander angeordnet werden, dass zwischen Fügeflächen der miteinander zu verbindenden Bauteile ein Abstand besteht; b) Einleiten eines ionisierbaren Gases zwischen die Fügeflächen der miteinander zu verbindenden Bauteile; c) Plasmabildung zwischen den Fügeflächen durch Zünden des ionisierbaren Gases, wobei die zum Zünden erforderliche Energie durch Mikrowellenstrahlung bereitgestellt wird; d) Verschweißen der miteinander zu verbindenden Bauteile an den Fügeflächen durch Zusammenpressen der Bauteile.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, zwischen die mit Abstand voneinander beabstandeten Fügeflächen der miteinander zu verbindenden Bauteile ein ionisierbares Gas bzw. ein Plasmagas zu bringen und dieses Gas über Mikrowellenstrahlung zu zünden, sodass die an den Fügeflächen teigig gewordenen Bauteile durch Aufbringen einer Presskraft miteinander verschweißt werden können. Die Erfindung verfügt über den Vorteil, dass Mikrowellenstrahlung einfach sowie kostengünstig bereitgestellt werden kann.

Vorzugsweise wird ein mit Wasserstoff angereichertes, ionisierbares Gas zwischen die Fügeflächen der miteinander zu verbindenden Bauteile eingeleitet und gezündet. Hierdurch ist ein Reinigen bzw. Entoxidieren der Fügeflächen und damit eine verbesserte Verbindung der Bauteile realisierbar.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird um die miteinander zu verbindenden Bauteile im Bereich ihrer Fügeflächen eine mikrowellenundurchlässige Folie positioniert, die einen durch den Abstand zwischen den Fügeflächen definierten Hohlraum zumindest teilweise umschließt, wobei die Mikrowellenstrahlung zum Zünden des ionisierbaren Gases über einen Hohlleiter in den Bereich der Fügeflächen und damit in den Hohlraum zwischen den Fügeflächen geleitet wird, und wobei der Hohlleiter eine größere Querschnittsfläche aufweist als die Fügezone zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematisierte Darstellung zweier mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verbindender Bauteile.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 in größerem Detail beschrieben.
1 zeigt stark schematisiert zwei Bauteile 10 und 11, die an ihren Fügeflächen 12 und 13 miteinander zu verbinden sind. Bei dem Bauteil 10 kann es sich zum Beispiel um ein Schaufelblatt einer Gasturbine handeln, welches zur Bereitstellung eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors mit einem Schaufelhöcker des als Rotorscheibe ausgebildeten Bauteils 11 zu verbinden ist.
Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die miteinander zu verbindenden Bauteile 10 und 11 derart zueinander positioniert, dass zwischen den Fügeflächen 12 und 13 der miteinander zu verbindenden Bauteile 10 und 11 ein Abstand besteht, wobei hierdurch ein Hohlraum bzw. Freiraum zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen 10 und 11 gebildet wird.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird um die miteinander zu verbindenden Bauteile 10 und 11 im Bereich ihrer Fügeflächen 12 und 13 eine Folie 14 positioniert, die zumindest den durch den Abstand zwischen den beiden Fügeflächen 12 und 13 definierten Hohlraum zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen 10 und 11 umschließt.
Zwischen die Fügeflächen 12 und 13 wird ein ionisierbares Gas geleitet. Dieses ionisierbare Gas wird zur Plasmabildung zwischen den Fügeflächen 12 und 13 dadurch gezündet, dass eine Mikrowellenstrahlung zwischen die Fügeflächen 12 und 13 der miteinander zu verbindenden Bauteile 10 und 11 eingeleitet wird. Die Mikrowellenstrahlung wird von einem Magnetron 15 erzeugt und über einen Hohlleiter 16 zwischen die Fügefläche 12 und 13 der Bauteile 10 und 11 geleitet.
Um das Mikrowellenfeld zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen 10 und 11 im Bereich der Fügeflächen 12 und 13 zu halten, ist die Folie 14 mikrowellenundurchlässig und vorzugsweise metallisch ausgebildet. Zur Verdichtung der Mikrowellenstrahlung im durch die Fügeflächen 12 und 13 definierten Fügebereich verfügt der Hohlleiter 16 über einen deutlich größeren Querschnitt als die Fügezone.
Es liegt weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, ein zum Beispiel mit Wasserstoff angereichertes, ionisierbares Gas zwischen die Fügeflächen 12 und 13 der miteinander zu verbindenden Bauteile 10 und 11 zu leiten. Durch die Zugabe von Wasserstoff in das ionisierbare Gas kann beim Zünden des ionisierbaren Gases erzielt werden, dass die äußeren Randschichten der Fügeflächen 12 und 13 entoxidiert bzw. verdampft werden. Hierdurch werden die Fügeflächen 12 und 13 gereinigt, sodass sich eine hochreine Schweißverbindung zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen 10 und 11 einstellt.
Wie bereits erwähnt, wird durch das Einbringen der Mikrowellenstrahlung zwischen die Fügeflächen 12 und 13 der miteinander zu verbindenden Bauteile 10 und 11 das ionisierbare Gas bezündet, sodass es zu einer Plasmabildung in der Fügezone und damit zu einem teigig werden der miteinander zu verbindenden Bauteile an ihrer Fügeflächen 12 und 13 kommt. Durch Aufbringen einer geeigneten Presskraft auf die miteinander zu verbindenden Bauteile 10 und 11 erfolgt dann ein Verschweißen derselben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine einfache und preiswerte Bereitstellung der zum Schweißen benötigten Energie über Mikrowellenstrahlung aus. Die Erwärmung der miteinander zu verbindenden Bauteile erfolgt effizient über die Fügeflächen derselben. Durch Verwendung eines mit Wasserstoff angereicherten, ionisierbaren Gases ist ein Reinigen bzw. Entoxidieren der Fügeflächen und damit eine verbesserte Verbindung der Bauteile realisierbar.

10: Bauteil
11: Bauteil
12: Fügefläche
13: Fügefläche
14: Folie
15: Magnetron
16: Hohlleiter

Claims

Verfahren zum Verbinden von Bauteilen, insbesondere zum Verbinden von metallischen Gasturbinenbauteilen, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen von mindestens zwei miteinander zu verbindenden Bauteilen (10, 11), wobei miteinander zu verbindende Bauteile derart zueinander angeordnet werden, dass zwischen Fügeflächen (12, 13) der miteinander zu verbindenden Bauteile ein Abstand besteht; b) Einleiten eines ionisierbaren Gases zwischen die Fügeflächen (12, 13) der miteinander zu verbindenden Bauteile (10, 11); c) Plasmabildung zwischen den Fügeflächen (12, 13) durch Zünden des Gases, wobei die zum Zünden erforderliche Energie durch Mikrowellenstrahlung bereitgestellt wird; d) Verschweißen der miteinander zu verbindenden Bauteile (10, 11) an den Fügeflächen (12, 13).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) um die miteinander zu verbindenden Bauteile (10, 11) im Bereich ihrer Fügeflächen (12, 13) eine Folie (14) positioniert wird, die einen durch den Abstand zwischen den Fügeflächen (12, 13) definierten Hohlraum zumindest teilweise umschließt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (14) als mikrowellenundurchlässige Folie ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (14) als metallische Folie ausgebildet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) ein insbesondere mit Wasserstoff angereichertes, ionisierbares Gas zwischen die Fügeflächen (12, 13) der miteinander zu verbindenden Bauteile (10, 11) geleitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Mikrowellenstrahlung zum Zünden des ionisierbaren Gases durch ein Magnetron (15) erzeugt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Mikrowellenstrahlung zum Zünden des ionisierbaren Gases über einen Hohlleiter (16) zwischen die Fügeflächen (12, 13) der miteinander zu verbindenden Bauteile (10, 11) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (16) eine größere Querschnittsfläche aufweist als die Fügezone zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen (10, 11).
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) die miteinander zu verbindenden Bauteile (10, 11) an den Fügeflächen (12, 13) unter Presskrafteinwirkung verschweißt werden.