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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Gehäuseflanschs
eines Flugzeugtriebwerks. Bei Flugzeugtriebwerken ist das Gehäuse regelmäßig aus
mehreren Gehäuseteilen
zusammengesetzt, wobei die Verbindung zwischen den Gehäuseteilen über Gehäuseflansche
hergestellt ist. Schrauben erstrecken sich durch Bohrungen in den Flanschen
und halten die Gehäuseteile
zusammen.
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Hochdruckverdichtergehäuse von
Flugzeugtriebwerken neigen zur Ausbildung von Korrosion in den Bohrungen
des Gehäuseflanschs.
Gemäß Reparaturvorschrift
soll die korrodierte Bohrung aufgerieben werden, bis das durch Korrosion
angegriffene Material entfernt ist. Das Aufreiben der Bohrung ist nur
bis zu einem vorgeschriebenen maximalen Durchmesser zulässig. Reicht
die Korrosion tiefer in das Material hinein, so ist eine Reparatur
gemäß der Reparaturvorschrift
nicht möglich
und das Gehäuse muss
verschrottet werden. Ein vergleichbares Reparaturproblem stellt
sich, wenn Bohrungen im Gehäuseflansch
durch mechanische Beanspruchung ausgeschlagen sind.
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Als
Alternative zu dem Verfahren gemäß der Reparaturvorschrift
ist versucht worden, die Bohrung über den maximal zulässigen Durchmesser
hinaus zu erweitern und mittels WIG-Schweißen oder Elektronenstrahlschweißen ein
Füllstück in die
Bohrung einzuschweißen.
Das Füllstück kann
anschließend so
bearbeitet werden, dass die Kontur des Flanschs und die Bohrung
wieder hergestellt werden. Schweißvorgänge, bei denen das Material
geschmolzen wird, führen
zu einer verminderten Festigkeit und unter Umstän den zu einem Verzug des Materials. Dies
kann bei Gehäusen
von Flugzeugtriebwerken nicht hingenommen werden. Diese Verfahren
können also
in der Praxis nicht angewendet werden.
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Ausgehend
vom eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die
Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Reparatur eines Gehäuseflanschs
vorzustellen, das auch dann angewendet werden kann, wenn eine Reparatur
gemäß Reparaturvorschrift
nicht möglich
ist. Die Aufgabe wird gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in
den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird in
einem ersten Schritt eine zylindrische Bohrung in dem Gehäuseflansch
auf eine Konusbohrung erweitert. Es wird ein Füllstück mit einer konusförmigen Mantelfläche bereitgestellt,
wobei die konusförmige
Mantelfläche
in die Konusbohrung passt. Das Material des Füllstücks ist artgleich zu dem Material
des Gehäuseflanschs. Das
Füllstück wird
derart in Drehung versetzt, dass Material des Füllstücks und des Gehäuseflanschs sich
durch Rotationsreibung erwärmt
und plastifiziert wird. Das Füllstück und der
Gehäuseflansch
werden in Axialrichtung gegeneinander gestaucht, so dass eine innige
Verbindung entsteht. Der Gehäuseflansch
mit dem eingefügten
Füllstück wird
so bearbeitet, dass das Füllstück bündig mit
dem Gehäuseflansch
abschließt.
Schließlich
wird eine der ursprünglichen
zylindrischen Bohrung entsprechende Bohrung durch das Füllstück erzeugt.
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Zunächst werden
einige Begriffe erläutert. Die
konusförmige
Mantelfläche
des Füllstücks passt dann
in die Konusbohrung, wenn im eingesetzten Zustand über den
gesamten Umfang ein Kontakt zwischen der konusförmigen Mantelfläche und
der Wand der Konusbohrung besteht. Der Kontakt kann flächig sein,
oder er kann nur entlang einer Kante bestehen. Eine notwendige Bedingung,
damit das Füllstück zu der
Konusbohrung passt, ist es, dass der kleinste Durchmesser des Füllstücks kleiner
ist als der größte Durchmesser
der Konusbohrung und dass der größte Durchmesser
des Füllstücks größer ist
als der kleinste Durchmesser der Konusbohrung.
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Zwei
Materialien sind dann artgleich, wenn ihnen die dieselbe Basislegierung
zu Grunde liegt. Die Artgleichheit geht nicht verloren, wenn die
Materialien beispielsweise unterschiedlichen Schritten der Wärmebehandlung
unterzogen werden.
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Die
erfindungsgemäßen Schritte
Rotieren und Stauchen können
voneinander getrennt oder miteinander kombiniert sein. So ist es
möglich,
dass die Rotation gestoppt wird, wenn das Material ausreichend plastifiziert
ist. Erst anschließend
wird die in Axialrichtung wirkende Kraft erhöht, so dass das Füllstück und der
Gehäuseflansch
gegeneinander gestaucht werden. Bei einer alternativen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die in Axialrichtung wirkende Kraft am Ende erhöht, ohne dass
die Rotation zuvor gestoppt wird. Ferner kann das Stauchen auch
darin bestehen, dass die in Axialrichtung wirkende Kraft bereits
während
des Rotierens kontinuierlich erhöht
wird. Schließlich
ist es möglich,
dass während
des Rotierens durchgehend eine große Kraft in Axialrichtung anliegt
und dass die Rotation am Ende gestoppt wird, ohne die Kraft zu erhöhen.
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Verfahren,
bei denen ein Materialstück
durch Reibung plastifiziert wird, um es mit einem zweiten ebenfalls
plastifizierten Materialstück
zu verbinden, sind unter dem Begriff Reibschweißen bekannt. Beim Reibschweißen wird
das zu verbindende Material nicht über den Schmelzpunkt hinaus
erwärmt,
sondern es wird lediglich ein plastifizierter Zustand des Materials
herbeigeführt.
Anders als beim klassischen Schweißen wird es vermieden, das
Material in die flüssige
Phase zu überführen, es
findet also auch beim Abkühlen
kein Übergang
von flüssig
nach fest statt. Solche Phasenübergänge sind
es, die beim klassischen Schweißen
eine Änderung
der Materialstruktur bewirken.
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Durch
die Erfindung wird es ermöglicht,
so tief in das die Bohrung umgebende Material einzugreifen, dass
die Korrosion oder sonstige Beschädigung vollständig beseitigt
ist. Durch das Füllstück wird
das entfernte Material ersetzt, wobei die Eigenschaften des Ersatzmaterials
sehr nahe an den Eigenschaften des ursprünglichen Materials sind. Der Gehäuseflansch
und die Bohrung in dem Gehäuseflansch
werden also wiederhergestellt, wobei die Stabilität einer über den
Gehäuseflansch
hergestellten Verbindung gegenüber
dem Originalteil nicht vermindert ist.
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Bei
Hochdruckverdichtergehäusen
von Flugzeugtriebwerken ist das Material des Gehäuseflanschs häufig ein
martensitischer Stahl. In langen Versuchsreihen konnte nachgewiesen
werden, dass das Verfahren des Reibschweißens auch bei martensitischem
Stahl angewendet werden kann und dass bei geeigneter Auswahl der
Verfahrensparameter die ursprünglichen
Materialeigenschaften nahezu erhalten bleiben. Dies war nicht zu
erwarten, weil martensitischer Stahl mit klassischen Verfahren nur
sehr schwierig zu schweißen
ist und regelmäßig erhebliche
Veränderungen
der Materialeigenschaften auftreten. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren
anwendbar bei einer unter der Bezeichnung M152 bekannten Legierung
mit Anteilen von 12% Cr, 2,5% Ni, 1,8% Mo und 0,33% V. Ferner konnte
nachgewiesen werden, dass die Größe der Bohrung
mit einem Durchmesser von 8,5 mm und einer Länge von 5 mm der Anwendung
des Reibschweißens
nicht grundsätzlich
entgegensteht. Es ist möglich,
das Reibschweißen
so durchzuführen,
dass über
den gesamten Umfang des Füllstücks und über die
gesamte Materialstärke
des Gehäuseflanschs
von 5 mm eine innige Verbindung zwischen dem Füllstück und dem Gehäuseflansch
entsteht. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann also angewendet werden bei einem Durchmesser der Bohrung von
mehr als 4 mm und einer Materialstärke des Gehäuseflanschs von mehr als 2
mm.
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Ein
wesentlicher Gesichtspunkt bei der Durchführung des Verfahrens ist es,
die Rotationsreibung so einzusetzen, dass sowohl das Füllstück als auch
die Konusbohrung über
die gesamte zu verbindende Fläche
gleichmäßig plastifiziert
werden. Eine gute Kraftübertragung
für die
Rotationsreibung zwischen dem Füllstück und der
Bohrung wird dadurch erreicht, dass sowohl das Füllstück als auch die Bohrung eine
Konusform haben. Vorzugsweise ist die Wand der Konusbohrung um einen
Neigungswinkel zwischen 15° und
30° gegenüber der
Axialrichtung der Bohrung geneigt. Der Neigungswinkel des Füllstücks kann
identisch sein mit dem Neigungswinkel der Konusbohrung, so dass
die Mantelfläche
des Füllstücks flächig an
der Konusbohrung anliegen kann. Es ist dann ein sehr großes Drehmoment
erforderlich, um das Füllstück gegenüber der
Konusbohrung in Rotation zu versetzen. Eine geringere Antriebskraft
für das
Füllstück reicht
aus, wenn der Neigungswinkel des Füllstücks leicht von dem Neigungswinkel
der Konusbohrung abweicht. Die Abweichung liegt vorzugsweise zwischen
0,5° und
8°, weiter
vorzugsweise zwischen 1° und
4°.
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Ist
der Neigungswinkel des Füllstücks größer als
der Neigungswinkel der Konusbohrung, so wirkt die Rotationsreibung
anfangs im weiten Teil der Konusbohrung. Erst wenn das Material
in diesem Bereich plastifiziert ist, setzt sich die Rotationsreibung
in Richtung des engeren Teils der Konusbohrung fort. Ist der Neigungswinkel
des Füllstücks kleiner
als der Neigungswinkel der Konusbohrung, so wirkt die Rotationsreibung
zunächst
im engen Teil der Konusbohrung und setzt sich dann in den weiten
Teil fort. In ersten Versuchen hat Letzteres zu besseren Ergebnissen
geführt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren muss
vermieden werden, dass in den oberflächennahen Bereichen des Gehäuseflanschs
zu viel Wärmeenergie
an die Umgebung abgegeben wird und dadurch die innige Verbindung
zwischen dem Füllstück und dem
Gehäuseflansch
beeinträchtigt
wird. Eine übermäßige Abgabe
von Wärmeenergie kann verhindert
werden, indem der Gehäuseflansch
im Bereich der Konusbohrung mit einer Platte hinterlegt wird, bevor
die Rotationsreibung zwischen dem Füllstück und dem Gehäuseflansch
erzeugt wird. Um zu vermeiden, dass sich das Füllstück außer mit dem Gehäuseflansch
auch mit der dahinterliegenden Platte verschweißt, kann die Platte eine Öffnung aufweisen.
Die Platte wird so angeordnet, dass die Öffnung und die Konusbohrung
sich überdecken.
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Ist
die Überdeckung
derart, dass die Öffnung der
Platte größer ist
als der Austritt der Konusbohrung, so besteht allerdings die Gefahr
eines inhomogenen Materialflusses am Austritt der Konusbohrung. Die
Qualität
der Verbindung zwischen dem Füllstück und dem
Gehäuseflansch
kann leiden und es kann zu Rissen im Material kommen. Um dies zu
vermeiden, kann die Öffnung
kleiner sein als der Austritt der Konusbohrung. In dem Bereich,
in dem das Material des Füllstücks und
das Material des Gehäuseflanschs
durch Rotationsreibung plastifiziert sind, liegt dann die Platte
auf dem Gehäuseflansch
auf und verhindert inhomogenen Materialfluss.
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Häufig wird
die Öffnung
in der Platte eine zylindrische Form haben. Es hat sich aber gezeigt,
dass eine bessere Verbindung zwischen dem Füllstück und dem Gehäuseflansch
erzielt wird, wenn die Öffnung
in der Platte konisch zuläuft.
Der Neigungswinkel der konisch zulaufenden Öffnung ist bei einer bevorzugten
Ausführungsform
gleich dem Neigungswinkel der Wand der Konusbohrung, so dass die Öffnung die
Konusbohrung ohne Knick verlängert.
Der Neigungswinkel der Öffnung
kann auch kleiner oder größer sein
als der Neigungswinkel der Konusbohrung. Die konische Form der Öffnung in
der Platte ist besonders in direkter Nähe zum Austritt der Konusbohrung
von Bedeutung, weil die Platte dort unmittelbaren Einfluss auf die
Eigenschaften des plastifizierten Materials hat. Im von der Konusbohrung
abgewandten Bereich kann die Öffnung
der Platte auch eine andere Form haben und beispielsweise in eine zylinderförmige Bohrung übergehen.
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Das
Material der Platte ist vorzugsweise Stahl. Ein gutes Ergebnis des
Verfahrens wird erzielt, wenn die Platte aus einem Stahl mit kubisch-flächenzentrierter
Gitterstruktur besteht, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat. Ist das Reibschweißen abgeschlossen,
wird die Platte wieder entfernt. Hat sich die Platte beim Reibschweißen mit
dem Flansch verbunden, so muss sie durch ein spanabhebendes Verfahren
entfernt werden. Um dies zu erleichtern, kann die Platte aus mehreren übereinanderliegenden
Teilen zusammengesetzt sein. Ein erster vorzugsweise dünnerer Teil
liegt auf dem Flansch auf. Wenn dieser Teil sich mit dem Flansch
verbindet, kann er mit geringem Aufwand durch ein spanabhebendes
Verfahren entfernt werden. Ein zweiter Teil liegt auf dem ersten
Teil auf. Der zweite Teil kann nach dem Reibschweißen einfach
abgehoben werden, da er sich nicht mit dem ersten Teil verbunden
hat.
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Um
sicherzustellen, dass sich über
die gesamte Höhe
der Konusbohrung eine homogene Verbindung zwischen dem Füllstück und dem
Gehäuseflansch
bildet, ist eine Reibschweißmaschine
mit hoher Leistung erforderlich. Ist die Leistung zu gering, leidet
die Qualität
der Materialverbindung im Bereich des Eintritts der Konusbohrung,
also dort wo die Konusbohrung ihren größten Durchmesser hat. Um dieses
Problem zu vermindern, kann eine Opferplatte vorgesehen sein, die
vor Beginn des Reibschweißens
von dieser Seite auf den Gehäuseflansch
aufgelegt wird. Die Opferplatte weist eine Öffnung auf, die einen Zugang
zum Eingang der Konusbohrung ermöglicht.
Die Öffnung
in der Opferplatte ist vorzugsweise konusförmig, wobei der Neigungswinkel weiter
vorzugsweise gleich dem Neigungswinkel der Konusbohrung ist. Bei
geeigneter Wahl der Verfahrensparameter wird auch die Opferplatte
im Übergangsbereich
zu der Konusbohrung plastifiziert und fördert dadurch die gleichmäßige Verbindung
zwischen dem Füllstück und dem
Gehäuseflansch.
In einer vorteilhaften Ausführungsform
besteht die Opferplatte aus einem Material, das artgleich zu dem
Material des Gehäuseflanschs
und des Füllstücks ist. Das
Materi al der Opferplatte kann sich dann mit dem plastifizierten
Material des Füllstücks und
des Gehäuseflanschs
vermengen und zu einer homogenen Verbindung beitragen.
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Zwar
verändern
sich die Eigenschaften des Materials beim Reibschweißen in wesentlich
geringerem Umfang, als wenn das Material geschmolzen wird, Spannungen
im Material als Folge des Reibschweißens bleiben jedoch nicht aus.
Zur Verminderung der Spannungen kann das Material vor der mechanischen
Bearbeitung geglüht
werden. Die Glühzeit
ist vorzugsweise mindestens um den Faktor zwei länger als bei normalem Anlassen.
Typisch für
martensitischen Stahl ist ein zweistufiger Anlassvorgang, bei dem
das Material im ersten Schritt für
drei Stunden mit einer Temperatur von 564°C und im zweiten Schritt für drei Stunden
bei einer Temperatur von 511°C
behandelt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise
der erste Schritt auf neun Stunden verlängert werden, während der
zweite Schritt unverändert
bleibt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
anhand einer vorteilhaften Ausführungsform
beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine ausgeschnittene Darstellung zweier Gehäuseteile in zusammengefügtem Zustand;
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2:
einen Ausschnitt eines Gehäuseteils im
zerlegten Zustand;
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3-4:
schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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5 eine
alternative Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein
Gehäuse
eines Flugzeugtriebwerks ist aus einer Mehrzahl von Gehäuseteilen 10, 11 zusammengefügt. An den
Gehäuseteilen 10, 11 sind
Flansche 12, 13 ausgebildet, über die die Gehäuseteile 10, 11 aneinander
liegen. Die Flansche 12, 13 sind 5 mm dick. In
den Flanschen 12, 13 sind zylindrische Bohrungen 14, 15 mit
einem Durchmesser von 8,5 mm ausgebildet. Die Bohrungen 14, 15 fluchten
miteinander, wenn das Triebwerk zusammengesetzt ist, so dass die
Gehäuseteile 10, 11 über eine
Schraubverbindung 16 miteinander verbunden werden können.
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Ist
das Gehäuse
wie in 2 zerlegt, zeigt sich in vielen Fällen Korrosion
in der Wand der Bohrung 14, wie es durch Bzz. 17 angedeutet
ist. Zur Reparatur solcher durch Korrosion oder mechanische Beanspruchung
beschädigter
Bohrungen im Gehäuseflansch
von Flugzeugtriebwerken dient das erfindungsgemäße Verfahren.
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Im
ersten Schritt des Reparaturverfahrens wird die Bohrung 14 auf
eine Konusbohrung 18 erweitert, wobei so tief in den Gehäuseflansch 12 eingegriffen
wird, dass das durch Korrosion angegriffene Material vollständig entfernt
ist. Die Wand der Konusbohrung 18 ist um einen Winkel α gegenüber der Axialrichtung
geneigt.
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Es
werden ein in 3 gezeigtes Füllstück 19 und
eine Platte 20 bereitgestellt. Das Füllstück 19 besteht aus
dem gleichen Material wie der Gehäuseflansch 12, nämlich dem
martensitischen Stahl M152 mit Anteilen von 12% Cr, 2,5% Ni, 1,8%
Mo und 0,33% V. Das Material der Platte 20 ist ein kubisch-flächenzentrierter
Stahl mit geringer Wärmeleitfähigkeit.
An dem Füllstück 19 ist
eine zu der Konusbohrung 18 passende konusförmige Mantelfläche 21 ausgebildet.
Die Mantelfläche
ist um einen Winkel β gegenüber der
Axialrichtung geneigt und erstreckt sich über eine Höhe h, die größer ist
als die Materialstärke
des Gehäuseflanschs.
Die Höhe
h kann beispielsweise 8 mm betragen. Die Platte 20 umfasst eine
konusförmige Öffnung 22 mit
einem Neigungswinkel γ gegenüber der
Axialrichtung.
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Die
Platte 20 wird so auf den Gehäuseflansch 12 aufgelegt,
dass die Öffnung 22 konzentrisch
zu der Konusbohrung 18 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Durchmesser der Öffnung 22 genauso
groß wie
der Austritt der Konusbohrung 18. Bei anderen Ausführungsformen
ist der Durchmesser der Öffnung 22 kleiner.
Das Füllstück 19 wird
in die Konusbohrung 18 eingesetzt, so dass über den
vollständigen
Umfang des Füllstücks 19 ein Kontakt
zwischen der konusförmigen
Mantelfläche 21 und
der Konusbohrung 18 besteht. Im Ausführungsbeispiel stimmt der kleinste
Durchmesser der konusförmigen
Mantelfläche 21 mit
dem kleinsten Durchmesser der Konusbohrung 18 überein.
Der Kontakt zwischen der konusförmigen
Mantelfläche 21 und
der Konusbohrung 18 entsteht also in diesem Bereich.
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Wird
nun das Füllstück 19 in
Rotation versetzt, so erwärmt
sich das Material des Füllstücks 19 und
das Material des Gehäuseflanschs 12 in
diesem Bereich und wird schließlich
plastifiziert. Durch das plastifizierte Material hindurch kann das
Füllstück 19 tiefer
in die Konusbohrung 18 eindringen, wodurch weiteres Material
plastifiziert wird. Ist das Füllstück 19 so
weit in die Konusbohrung eingedrungen, dass das Material über die
gesamte Höhe
der Konusbohrung 18 plastifiziert ist, wird die Rotation
des Füllstücks 19 gestoppt.
Das Füllstück 19 wird
gegen den Gehäuseflansch 12 gestaucht,
so dass sich eine innige Verbindung zwischen dem Material des Füllstücks 19 und
dem Material des Gehäuseflanschs 12 bildet. Durch
das Stauchen werden mit dem plastifizierten Material auch Verunreinigungen
wie Oxide aus der Fügezone
herausgequetscht. Damit ist der Vorgang des Reibschweißens abgeschlossen.
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Nach
Entfernen der Platte 20 von dem Gehäuseflansch 12 wird
das Material geglüht,
um Spannungen zu vermindern. Anschließend kann das nun einstückig mit
dem Gehäuseflansch 12 verbundene Füllstück 19 mechanisch
bearbeitet werden, so dass es bündig
mit der Oberfläche
des Gehäuseflanschs 12 abschließt. Schließlich wird eine
neue zylindrische Bohrung durch das Füllstück 19 hindurch erzeugt, deren
Lage und Abmessungen der ursprünglichen zylindrischen
Bohrung 14 entsprechen. Der reparierte Gehäuseflansch
entspricht in seinen Materialeigenschaften und in seiner Festigkeit
dem ursprünglichen
Gehäuseflansch.
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In
der Ausführungsform
der 5 ist zusätzlich
eine Opferplatte 23 von oben auf den Gehäuseflansch 12 aufgelegt.
Die Opferplatte 23 weist eine Öffnung 24 auf, die
einen Zugang zum Eintritt der Konusbohrung 18 ermöglicht.
Die Öffnung 24 der
Opferplatte 23 läuft
konusförmig
zu, wobei der Neigungswinkel mit dem Neigungswinkel der Konusbohrung 18 übereinstimmt.
Wird das Füllstück 19 in
die Konusbohrung 18 eingesetzt und in Rotation versetzt, so
wird nicht nur Material des Gehäuseflanschs 12, sondern
auch ein Teil des Materials der Opferplatte 23 plastifiziert.
Das plastifizierte Material des Gehäuseflanschs 12, das
artgleich zum Material der Opferplatte 23 ist, fließt in die
Fügezone;
es wird also geopfert, um die homogene Verbindung zwischen dem Füllstück 19 und
dem Gehäuseflansch 12 zu
fördern. Das
verbleibende Material der Opferplatte 22 wird maschinell
entfernt. Durch die Opferplatte 23 wird es möglich, auch
mit einer Reibschweißmaschine
mit etwas verminderter Leistung eine homogene Verbindung über die
gesamte Höhe
der Konusbohrung 18 zu erzielen.