DE102004052142A1

DE102004052142A1 - Laserschweißverfahren, insbesondere zur Herstellung der Verdichterschaufeln für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE102004052142A1
Application number: DE102004052142A
Authority: DE
Inventors: Karl Schreiber; Hermann Mohnkopf
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-10-23
Also published as: DE102004052142B4

Abstract

Zum störungsfreien Laserschweißen, insbesondere der metallischen Umhüllung von mit einem Faserverbundkern ausgebildeten Verdichterschaufeln, wird der Schweißnahtbereich unmittelbar vor dem Schweißvorgang mit einem defokussierten Laserstral insbesondere von Fasern, aber auch von anderen Verschmutzungen befreit. Vorzugsweise wird derselbe Strahl zunächst für den Reinigungsvorgang und anschließend - in fokussiertem Zustand - für den Schweißvorgang benutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren, insbesondere zur Herstellung von aus einem Blechmantel und einem Faserverbundkern bestehenden Verdichterschaufeln für ein Gasturbinentriebwerk.

Das Laserstrahlschweißen zum Verbinden von metallischen Teilen ist seit langem bekannt und hat sich in zahlreichen Anwendungsfällen bewährt. Die Qualität der Schweißnaht kann jedoch durch Verschmutzungen im Schweißbereich in Form von Staub, Fettrückständen und dergleichen beeinträchtigt sein, und zwar insbesondere dann, wenn, wie bei den eingangs beispielhaft erwähnten Verdichterschaufeln, noch andere, beispielsweise organische Stoffe Bestandteil der zu verbindenden Metallteile sind. Beim Verbindungsschweißen von Blechteilen, die eine Umhüllung für einen innen liegenden Faserkern aus Glas-, Kohlenstoff-, Kunststoff- oder anderen Fasern bilden, ragen in die Schweißfuge Einzelfasern oder ganze Faserbündel, die beim Überschweißen zu Verpuffungen und zu Störungen in der Schweißnaht führen. Trotz vorhergehender sorgfältiger Reinigung des Schweißnahtbereichs können die Fasern nicht zuverlässig entfernt werden und allein durch Luftbewegungen innerhalb kürzester Zeit wieder Staub- und Faserpartikel auf die Blechteile gelangen und die Qualität der anschließend erzeugten Laserschweißnaht beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserschweißverfahren, insbesondere zum Verschweißen von einen Faserkern einschließenden Blechteilen, anzugeben, das eine störungsfreie Schweißnahtausbildung gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Laserschweißverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Reinigung des Schweißnahtbereichs vor dem Laserschweißvorgang mit einem defokussierten Laserstrahl, dessen Laserstrahlfleck etwa die Breite des Schweißnahtbereichs erfasst und der in Verbindung mit seiner Bewegungsgeschwindigkeit entlang der Schweißfläche eine Temperatur erzeugt, bei der Fasern und andere Verschmutzungen abgebrannt werden, aber das Material der zu verbindenden Teile selbst unbeeinflusst bleibt. Für den unmittelbar – jedenfalls ohne Zwischenschritte – nachgeschalteten Laserschweißvorgang steht somit eine gereinigte Schweißfläche zur Verfügung, die eine störungsfreie, homogene Schweißnahtausbildung gewährleistet.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Reinigen und Schweißen mit ein und derselben Vorrichtung bzw. mit ein und demselben Laserstrahl erfolgt, weil dadurch der apparative Aufwand gering ist und sich – nach Umstellung der Fokussieroptik oder des Arbeitsabstandes – an den Reinigungsvorgang gleich der Schweißprozess anschließen kann. Dadurch ist nach dem Reinigen eine Neuverschmutzung der Bauteilflächen im vorgesehenen Schweißnahtbereich ausgeschlossen. Prinzipiell ist es aber auch denkbar, die Laserschweißvorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren so auszubilden, dass zwei Laserstrahlen – ein defokussierter und ein fokussierter – unmittelbar hintereinander ausgebildet werden, so dass sich der Laserschweißschritt zeitlich unmittelbar an den Laserreinigungsschritt anschließt.

Die Einstellung der Temperatur beim Laserreinigen kann über die Veränderung der Größe und/oder der Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahlflecks und/oder der Laserleistung vorgenommen werden.

Anhand einer Versuchsbeschreibung wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert.
Für die Herstellung von Verdichterschaufeln von Flugtriebwerken, die aus einem Faserkern und einer Blechumhüllung bestehen, wurde aus jeweils zwei Titanblechen eine Schweißfuge gebildet, in die einzelne Fasern und Faserbündel aus zwei, drei oder 10 Fasern eingelegt und außerhalb der Schweißfuge mit einem Klebeband fixiert wurden. Bei den Fasern handelte es sich um Kohlefasern, Aramidfasern und Glasfasern. Die Bleche waren im Fugenbereich in üblicher Weise, zum Beispiel durch bei der manuellen Handhabung aufgebrachte Fette, verschmutzt. Im Abstand von 2mm und 10mm vom Schweißnahtbereich waren Thermoelemente angebracht.
Die so präparierten Bleche wurden zunächst in üblicher Weise mit einem Neodym – YAG-Laser verschweißt. In den mit Fasern belegten Bereichen kam es beim Schweißen zu Verpuffungen. Die entsprechende Umgebung war mit Ruß belegt. Die Schweißnähte wiesen von der Faserart und der Stärke des Faserbündels abhängige deutliche Fehler auf.
In einer zweiten Versuchsreihe wurden die in der oben beschriebenen Art vorbereiteten Titanbleche im vorgesehenen Schweißnahtbereich mit dem gleichen, jedoch defokussierten Laserstrahl mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit überfahren. Die Größe des Laserstrahlfleckes, der zumin dest die vorgesehene Breite der Schweißnaht abdeckt, betrug etwa 5mm. Bei der vorgegebenen Geschwindigkeit und Defokussierung des Laserstrahls wurden die Kohle- und Aramidfasern zuverlässig abgebrannt. Zum Teil vorhandene Rußflecke lagen außerhalb des Schweißnahtbereichs. Auch andere, beispielsweise durch Staub oder Fingerabdrücke verursachte Verschmutzungen wurden mit dem defokussierten Laserstrahl entfernt. Die Parameter für die Reinigung sind so gewählt, dass die Oberfläche des Titanblechs so wenig erwärmt wird, dass Anlauffarben nicht erkennbar waren und das zu verschweißende Blechmaterial nicht beschädigt wurde. Die mit den Thermoelementen in der Nähe des Schweißnahtbereichs gemessene Temperatur war gering, so dass auch von einer optimalen Nutzung der Laserstrahlenergie für den Reinigungsprozess, das heißt, geringen Wärmeverlusten, auszugehen ist.
Unmittelbar nach dem mit dem defokussierten Laserstrahl durchgeführten Reinigungsvorgang wurden die Titanbleche mit dem gleichen, aber jetzt fokussierten Laserstrahl verschweißt. Durch das unmittelbare Aufeinanderfolgen von Laserreinigen und Laserscheißen war eine zwischenzeitliche Verschmutzung ausgeschlossen. Die so erzeugten Schweißnähte wiesen keinerlei Störungen auf.
Der für den Laserreinigungsprozess erforderliche Aufwand ist gering, da dieselbe Laserschweißvorrichtung mit einem von deren Fokussierungsoptik defokussierten Laserstrahl auch für den Reinigungsvorgang benutzt werden kann. Durch die Benutzung ein und derselben Vorrichtung kann sich der Schweißvorgang auch ohne zwischenzeitliche Neuverschmutzung unmittelbar an den Reinigungsschritt anschließen. Der Aufwand für die Umstellung ist gering, wenn die Fokussieroptik bestimmte Einstellstufen aufweist.
Das beschriebene Verfahren kann auch zur Schweißnahtreinigung bei anderen Schweißverfahren benutzt werden und gilt neben Titanwerkstoffen auch für das Schweißen aller anderen metallischen Werkstoffe

Claims

Laserschweißverfahren, insbesondere zur Herstellung von aus einem Blechmantel und einem Faserverbundkern bestehenden Verdichterschaufeln für ein Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgesehene Schweißnahtbereich zunächst mit einem von einem defokussierten Laserstrahl erzeugten Laserstrahlfleck bestimmter Größe und Wärmewirkung, der mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit über den Schweißnahtbereich bewegt wird, gereinigt wird und anschießend mit dem gleichen, aber fokussierten Laserstrahl in dem gereinigten Bereich eine Laserschweißnaht erzeugt wird.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Laserstrahlflecks etwa der Breite der vorgesehenen Laserschweißnaht entspricht.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des entlang dem Schweißnahtbereich bewegten Laserstrahlflecks in Abhängigkeit von der für den Reinigungsvorgang erforderlichen, von der Art und dem Umfang der jeweiligen Verschmutzung abhängigen Temperatur gewählt wird.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abwechselnde Fokussierung und Defokussierung des Laserlichtstrahls mit einer einstellbaren Fokussiereinrichtung erfolgt.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der Fokussierein richtung für den schnellen Wechsel zwischen Reinigungs- und Schweißvorgang in Stufen erfolgt.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsschritt und der Schweißvorgang derart unmittelbar aufeinander folgend durchgeführt werden, dass von ein und derselben Laserschweißvorrichtung zwei Laserstrahlen bereitgestellt werden, von denen der erste für den Reinigungsvorgang defokussiert und der zweite für den Schweißvorgang fokussiert ist.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der von dem defokussierten Laserstrahl erzeugten Wärmewirkung in den Schweißnahtbereich ragende Fasern und andere Rückstände abgebrannt bzw. entfernt werden.