-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schweißen mit einer
Prozesskammer und ein Schweißverfahren in einer Prozesskammer.
-
Schweißverfahren
werden eingesetzt, um Bauteile miteinander zu verbinden oder um
Bauteile zu reparieren, indem Risse umgeschmolzen werden, wobei
je nach Anforderung auch noch Material (Schweißgut) hinzugefügt
wird, um Material aufzutragen.
-
Dabei
wird ein Energiestrahl, beispielsweise ein Laserstrahl über
die Oberfläche eines Bauteils geführt, das von
einem Prozessgas umspült wird, um eine Oxidation des heißen
(aufgeschmolzenen) Schweißmaterials zu vermeiden.
-
Die
Schutzwirkung des Prozessgases ist jedoch nicht immer ausreichend.
-
Es
ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu überwinden.
-
Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das zu schweißende
Bauteil in einer Prozesskammer angeordnet ist und bearbeitet wird.
-
In
den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen
aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können,
um weitere Vorteile zu erzielen.
-
Es
zeigen:
-
1, 2 erfindungsgemäße
Vorrichtungen,
-
3 eine
Gasturbine,
-
4 perspektivisch
eine Turbinenschaufel,
-
5 perspektivisch
eine Brennkammer und
-
6 eine
Liste von Superlegierungen.
-
Die
Figuren und die Beschreibung zeigen nur Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
-
1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30.
Die Vorrichtung 30 weist eine Prozesskammer 31 auf,
die vorzugsweise eine Vakuumkammer darstellt und/oder die 31 mit
einem Schutzgas, wie z. B. Argon (Ar) und/oder Stickstoff (N2) oder einem Prozessgas geflutet ist oder
wird.
-
Vorzugsweise
weist die Prozesskammer 31 ein Bewegungsmittel 38 auf,
mittels dem ein Bauteil 4, 120, 130, 155,
das an dem Bewegungsmittel 38 angeordnet ist, gekippt und/oder
um die Längsachse gedreht werden kann. Vorzugsweise muss
das Bewegungsmittel 38 das Bauteil 4 zumindest
von einen Schweißgerät 33 weg oder hinkippen
können. Die Kippung kann während der Verlegung
zweier Schweißnähte, insbesondere wenn sich der
Krümmungsverlauf der zu legenden Schweißnähte ändert, erfolgen.
Ein Schweißverfahren kann in der Erzeugung einer oder mehrerer
Schweißnähte angesehen werden.
-
Eine
Drehung findet vorzugsweise um eine Achse statt, die senkrecht steht
zur Längsachse 121 (4) des Bauteils 4.
Die Längsachse ist am ehesten parallel zu der Strahlrichtung
des Schweißgeräts 33 oder den Laserstrahlen
oder der Längsrichtung der Prozesskammer 31.
-
Eine
Kippung des Bauteils 4 kann während der Bearbeitung
mittels des Schweißgerätes 33 erfolgen
oder nur vorab der Bestrahlung mittels des Schweißgerätes 33.
So kann eine Krümmung der zu schweißenden Fläche
berücksichtigt werden.
-
Ebenso
kann das Bauteil 4, 120, 130, 155 durch
das Bewegungsmittel 38 in der Höhe innerhalb der
Prozesskammer 31 durch das Bewegungsmittel (38)
verschoben werden. So kann die Prozesskammer 31 an verschiedene
Größen von Bauteilen, 120, 130, 155 und/oder
verschieden hohen Stellen des Bauteils, 120, 130, 155,
die geschweißt werden sollen, angepasst werden.
-
Vorzugsweise
ist das Schweißgerätes 33 ein Laser.
-
Um
das Bauteil 4, 120, 130, 155 ist
vorzugsweise eine Heizschleife 41 vorhanden sein, um das Bauteil 4, 120, 130, 155 auf
eine bestimmte Temperatur vorzuheizen oder um einen Temperaturgradienten
für eine gerichtete Erstarrung eines Schmelzpools, der
durch das Schweißgerät 33 generiert wird, zu
erzeugen. Dies erzeugt eine lokale Temperaturerhöhung.
Ebenso vorzugsweise wird die Vorheiztemperatur gemessen und geregelt.
-
Das
Schweißgerät 33 kann innerhalb (1) der
Prozesskammer 31 angeordnet sein aber auch außerhalb,
wie es z. B. mit einem Laser möglich ist, der durch ein
Fenster 36 in der Prozesskammer 31 seine Laserstrahlen
in die Prozesskammer 31 hineinstrahlen lassen kann (2).
In dem Fall kann die Prozesskammer 31 mit dem Bauteil 120, 130 gegenüber
dem Laser 33 bewegt werden, um die Position zu verändern
oder um den Laserstrahl über das Bauteil 120, 130 zu
führen. Bei anderen Verfahren zum Schweißen, bei
dem Plasma verwendet wird, ist dies nicht möglich.
-
Das
abgeschlossene System mit der Prozesskammer erlaubt es, genauer
den Sauerstoffgehalt und die Temperatur der Schmelze des Schweißteils
zu bestimmen, da äußere Einflüsse damit
minimiert werden und ein Vakuum den Wärmeabschluss allgemein
mit beim Vorheizen des Bauteils verringert.
-
Das
Bauteil weist vorzugsweise eine Superlegierung gemäß 6 auf.
-
Die 3 zeigt
beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
-
Die
Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten
Rotor 103 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet
wird.
-
Entlang
des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104,
ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110,
insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten
Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
-
Die
Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise
ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden
beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die
Turbine 108.
-
Jede
Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen
gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen
folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus
Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
-
Die
Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines
Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer
Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht
sind.
-
An
dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine
(nicht dargestellt).
-
Während
des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch
das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt
und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete
Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort
mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung
des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt.
Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang
des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und
den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt
sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend,
so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben
und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
-
Die
dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile
unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen
Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der
in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten
Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden
Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.
-
Um
den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können
diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
-
Ebenso
können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur
aufweisen, d. h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen
nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
-
Als
Material für die Bauteile, insbesondere für die
Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden
beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen
verwendet.
-
Solche
Superlegierungen sind beispielsweise aus der
EP 1 204 776 B1 ,
EP 1 306 454 ,
EP 1 319 729 A1 ,
WO 99/67435 oder
WO 00/44949 bekannt; diese
Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen
Teil der Offenbarung.
-
Die
Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der
Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier
nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden
Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt
und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.
-
Die 3 zeigt
in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder
Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die
sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
-
Die
Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs
oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine
Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
-
Die
Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander
folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende
Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und
eine Schaufelspitze 415 auf.
-
Als
Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer
Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht
dargestellt).
-
Im
Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet,
der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an
einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
-
Der
Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf
ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
-
Die
Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das
an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und
eine Abströmkante 412 auf.
-
Bei
herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden
in allen Bereichen 400, 403, 406 der
Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische
Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
-
Solche
Superlegierungen sind beispielsweise aus der
EP 1 204 776 B1 ,
EP 1 306 454 ,
EP 1 319 729 A1 ,
WO 99/67435 oder
WO 00/44949 bekannt; diese
Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung
Teil der Offenbarung.
-
Die
Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren,
auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren,
durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt
sein.
-
Werkstücke
mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile
für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen,
thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
-
Die
Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt
z. B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich
dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige
metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d. h. zum einkristallinen
Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
-
Dabei
werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet
und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur
(kolumnar, d. h. Körner, die über die ganze Länge
des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch
nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline
Struktur, d. h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen
Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur
globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch
ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale
Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten
oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
-
Ist
allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so
sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder
höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen,
die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber
keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen
Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen
(directionally solidified structures).
-
Solche
Verfahren sind aus der
US-PS 6,024,792 und
der
EP 0 892 090 A1 bekannt;
diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.
-
Ebenso
können die Schaufeln
120,
130 Beschichtungen
gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest
ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein
Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium
und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium
(Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der
EP 0 486 489 B1 ,
EP 0 786 017 B1 ,
EP 0 412 397 B1 oder
EP 1 306 454 A1 ,
die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser
Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der
theoretischen Dichte.
-
Auf
der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste
Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht
(TGO = thermal grown Oxide layer).
-
Vorzugsweise
weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y
auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch
vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re
oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.
-
Auf
der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden
sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist,
und besteht beispielsweise aus ZrO2, V2O3-ZrO2,
d. h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert
durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
-
Die
Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z. B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD)
werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht
erzeugt.
-
Andere
Beschichtungsverfahren sind denkbar, z. B. atmosphärisches
Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann
poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur
besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht
ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
-
Die
Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt
sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden
soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt
angedeutet) auf.
-
Die 4 zeigt
eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist
beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei
der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum
angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden,
die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in
ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet,
die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
-
Zur
Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für
eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa
1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen,
für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern
eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen,
ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium
M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten
Innenauskleidung versehen.
-
Aufgrund
der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann
zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für
deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die
Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und
weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher
(nicht dargestellt) auf.
-
Jedes
Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig
mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder
keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem
Material (massive keramische Steine) gefertigt.
-
Diese
Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln
sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX:M ist zumindest ein Element
der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement
und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest
ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf). Solche Legierungen
sind bekannt aus der
EP
0 486 489 B1 ,
EP
0 786 017 B1 ,
EP 0
412 397 31 oder
EP
1 306 454 A1 , die bzgl. der chemischen Zusammensetzung
der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
-
Auf
der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht
vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2,
Y2O3-ZrO2, d. h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig
stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
-
Durch
geeignete Beschichtungsverfahren wie z. B. Elektronenstrahlverdampfen
(EB-PVD) werden stängelförmige Körner
in der Wärmedämmschicht erzeugt.
-
Andere
Beschichtungsverfahren sind denkbar, z. B. atmosphärisches
Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann
poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur
besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
-
Wiederaufarbeitung
(Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130,
Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls
von Schutzschichten befreit werden müssen (z. B. durch Sandstrahlen).
Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten
bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder
dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine
Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130,
Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder
der Hitzeschildelemente 155.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1204776
B1 [0037, 0047]
- - EP 1306454 [0037, 0047]
- - EP 1319729 A1 [0037, 0047]
- - WO 99/67435 [0037, 0047]
- - WO 00/44949 [0037, 0047]
- - US 6024792 [0053]
- - EP 0892090 A1 [0053]
- - EP 0486489 B1 [0054, 0065]
- - EP 0786017 B1 [0054, 0065]
- - EP 0412397 B1 [0054]
- - EP 1306454 A1 [0054, 0065]
- - EP 041239731 [0065]