DE102009016799A1

DE102009016799A1 - Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile

Info

Publication number: DE102009016799A1
Application number: DE102009016799A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Bamberg; Alexander Gindorf; Ulrich Dr. Retze; Günter Zenzinger
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2010-10-14
Also published as: WO2010115398A1; EP2318172A1; US20120024826A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile (10, 14) mit zu verbindenden Fügeflächen (12, 16) mit folgenden Verfahrensschritten. Die beiden Bauteile (10, 14) werden so positioniert, dass sich die Fügeflächen (12, 16) in geringem Abstand (18) gegenüberliegen. Es wird ein hochfrequenter elektrischer Strom durch die beiden Bauteile (10, 14) geleitet, wodurch sich die Bauteile (10, 14) zumindest im Bereich der Fügeflächen (12, 16) erwärmen. Die beiden Bauteile (10, 14) werden gegeneinander gepresst, sodass die beiden Fügeflächen (12, 16) miteinander verschweißt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile.
Aus der DE 198 58 702 B4 ist ein Hochfrequenz-Induktionsschweißverfahren zum Verbinden von Schaufelteilen einer Gasturbine bekannt. Die Schaufelteile weisen Fügeflächen auf, die durch elektromagnetische Induktion durch einen Induktor und durch Zusammenfahren unter Berührung der Fügeflächen miteinander verschweißt werden und eine Schweißverbindungsstelle bilden. Der Induktor ist ein separates Werkzeugelement, welches um die Fügeflächen der Schaufelteile herum angeordnet ist. Für das Verfahren ist es daher notwendig, dass benachbart zu den Bauteilen ausreichend Freiraum für den Induktor zur Verfügung steht, insbesondere für eine Bewegung bei der Positionierung des Induktors an der Schweißverbindungsstelle. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass der Wärmeeintrag in die Bauteile nicht definiert erfolgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Schweißen zweier Bauteile mit einem definierten Wärmeeintrag in die Fügezonen bei minimalen Anforderungen an den die zu verschweißenden Bauteile umgebenden Freiraum zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Schweißen zweier Bauteile mit zu verbindenden Fügeflächen gelöst, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Die beiden Bauteile werden so positioniert, dass sich die Fügeflächen in geringem Abstand gegenüberliegen. Es wird ein hochfrequenter elektrischer Strom durch die beiden Bauteile geleitet, wodurch sich die Bauteil zumindest im Bereich der Fügeflächen erwärmen. Die beiden Bauteile werden gegeneinander gepresst, sodass die beiden Fügeflächen miteinander verschweißt werden. Die Anwendung eines hochfrequenten elektrischen Stroms führt aufgrund des Skin-Effekts zu einer hohen Stromdichte im Bereich der Oberfläche der beiden Bauteile. Aufgrund des geringen Abstands zwischen den Fügeflächen der beiden Bauteile wird die Stromdichte im Bereich der Fügeflächen durch den Proximity-Effekt weiter erhöht. Durch die besonders hohe Stromdichte im Bereich der Fügeflächen der Bauteile erwärmen sich die Bauteile im Wesentlichen lokal im Bereich der Fügeflächen. Auf diese Weise wird kein separater Induktor im Bereich der Fügeflächen benötigt. Es wird nur ein minimaler Freiraum um die beiden Bauteile benötigt, um den hochfrequenten elektrischen Strom in die Bauteile einleiten zu können.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante ist der Abstand zwischen den Fügeflächen kleiner gleich 1 mm, vorzugsweise kleiner gleich 0,5 mm. Durch den geringen Abstand zwischen den Fügeflächen wird die Wirkung des Proximity-Effekts verstärkt.
Der hochfrequente elektrische Strom kann über ein Leiterelement in die Bauteile geleitet werden, wobei das Leiterelement aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gefertigt ist, insbesondere Kupfer. Dies ermöglicht eine gute Einleitung des elektrischen Stroms in die Bauteile mit geringem elektrischen Widerstand im Leiterelement und somit geringer Erwärmung im Leiterelement.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Leiterelement flächig ausgeführt, insbesondere in Form einer leitenden Matte. Auf diese Weise wird zum einen die Leitfähigkeit des Leiterelements für hochfrequenten elektrischen Strom verbessert und zum anderen die Fläche vergrößert, in welcher der elektrische Strom in die Bauteile geleitet wird, wodurch ein punktuelles Verschweißen des Leiterelements mit den Bauteilen verhindert wird.
Vorzugsweise weisen die Bauteile eine geringere elektrische Leitfähigkeit auf als das Leiterelement. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich im Wesentlichen die Bauteile erhitzen, während die Erwärmung des Leiterelements möglichst gering bleibt.
Vorteilhafterweise sind die Bauteile aus Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit gefertigt, insbesondere Titan oder Nickel. Auf diese Weise wird nahezu 100% der eingebrachten elektrischen Leistung in den Fügeflächen in Wärme umgesetzt.
Der hochfrequente elektrische Strom wird vorzugsweise im Bereich der Fügeflächen in die Bauteile eingeleitet. Somit wird die Erwärmung anderer Bereiche der Bauteile reduziert.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante werden die beiden Bauteile zur Einleitung des hochfrequenten elektrischen Stroms in einem Stromkreis in Reihe geschaltet. Dies ermöglicht eine einfache Anordnung des Stromkreises, wobei nur eine Stromquelle benötigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante wird das Verfahren zum Schweißen einer Schaufel an einen Rotorgrundkörper zur Herstellung eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere einer Gasturbine, verwendet. Dabei ist insbesondere von Vorteil, dass mit dem Verfahren auch Materialien geschweißt werden können, bei denen keine Schmelzschweißverfahren angewendet werden können, beispielsweise monokristalline Materialien.
Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante wird das Verfahren zum Schweißen einer Schaufel oder eines Schaufelsegments an einen Rotorgrundkörper zur Reparatur eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere einer Gasturbine, verwendet. Bei der Reparatur eines integral beschaufelten Rotors muss in der Regel nur eine oder müssen nur wenige Schaufeln des Rotors ausgetauscht werden. Dabei ist es besonders von Vorteil, dass nur ein minimaler Freiraum benachbart zu den Fügeflächen der zu verbindenden Bauteile benötigt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem die Bauteile zueinander positioniert werden;
2 einen zweiten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem ein hochfrequenter elektrischer Strom in die Bauteile geleitet wird; und
3 einen dritten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem die Bauteile gegeneinander gepresst werden.
1 zeigt ein erstes Bauteil 10 mit einer ersten Fügefläche 12 und ein zweites Bauteil 14 mit einer zweiten Fügefläche 16. Die beiden Bauteile 10, 14 sind so positioniert, dass sich die Fügeflächen 12, 16 in geringem Abstand 18 gegenüberliegen. Der Abstand 18 beträgt 1 mm oder weniger und vorzugsweise 0,5 mm oder weniger.
In einem in 2 dargestellten Verfahrensschritt sind Leiterelemente 20 im Bereich der Fügeflächen 12, 16 angebracht, wobei die beiden Bauteile 10, 14 in einem Stromkreis in Reihe geschaltet werden. Die Leiterelemente 20 bestehen aus Kupfermatten mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, insbesondere für hochfrequente elektrische Ströme.
Ein hochfrequenter elektrischer Strom I wird über die Leiterelemente 20 in die beiden Bauteile 10, 14 eingeleitet. Aufgrund des Skin-Effekts und des Proximity-Effekts konzentriert sich die Stromdichte im Wesentlichen in den Fügeflächen 12, 16 der Bauteile 10, 14. Der Skin-Effekt und der Proximity-Effekt basieren auf einer elektromagnetischen Induktion in den beiden Bauteilen 10, 14 durch den hochfrequenten elektrischen Strom I. Der hochfrequente Strom I hat vorzugsweise eine Frequenz im Bereich von 0,75 MHz bis 1,2 MHz.
Die Bauteile 10, 14 sind aus Titan oder Nickel gefertigt und weisen eine geringere elektrische Leitfähigkeit als die Leiterelemente 20 auf. Somit wird annähernd 100% der eingebrachten elektrischen Leistung in den Fügeflächen in Wärme umgesetzt.
Haben die Bauteile 10, 14 im Bereich der Fügeflächen 12, 16 die gewünschte Temperatur erreicht, werden die beiden Bauteile 10, 14 gegeneinander gepresst, sodass die beiden Fügeflächen 12, 16 miteinander verschweißt werden. Dieser Schritt ist in 3 dargestellt. Es ist dabei möglich, dass die beiden Bauteile 10, 14 gegeneinander bewegt werden oder dass nur ein Bauteil 10 bewegt wird, während das andere Bauteil 14 ortsfest gehalten wird.
Der zeitliche Verlauf des Verfahrens, insbesondere die Dauer der Einleitung des hochfrequenten elektrischen Stroms I, kann empirisch ermittelt werden, über eine Messung der Temperatur an den Fügeflächen 12, 16 oder eine Messung der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Bauteile 10, 14 in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuert werden.
Das Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von integral beschaufelten Rotoren, insbesondere für Gasturbinen, bei denen eine separat hergestellte Schaufel bzw. ein separat hergestelltes Schaufelblatt an einem Rotorgrundkörper angeschweißt wird. Dabei steht, insbesondere bei Rotoren mit hoher Schaufelzahl, wenig Freiraum zwischen den benachbarten Schaufeln zur Verfügung, sodass herkömmliche Induktionsschweißverfahren mit einem separaten Induktor oder Reibschweißverfahren nicht anwendbar sind. Insbesondere im radial innenliegenden Bereich der Schaufel, in dem sich der Schweißbereich befindet, ist nur ein geringer Freiraum zwischen den Schaufelblättern der benachbarten Schaufeln vorhanden.
Es ist insbesondere für integral beschaufelte Rotoren von Gasturbinen von Vorteil, dass mit dem Verfahren auch Materialien geschweißt werden können, bei denen keine Schmelzschweißverfahren angewandt werden können, beispielsweise monokristalline Materialien.
Das Verfahren ermöglicht auch die Reparatur eines integral beschaufelten Rotors durch Entfernen einer beschädigten Schaufel und dem Anschweißen einer neuen Schaufel. Es können dabei auch integral beschaufelte Rotoren repariert werden, die nach einem anderen Herstellungsverfahren hergestellt wurden, beispielsweise durch Fräsen, elektrochemisches Bearbeiten oder andere Schweißverfahren.

10: erstes Bauteil
12: erste Fügefläche
14: zweites Bauteil
16: zweite Fügefläche
18: Abstand
20: Leiterelemente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19858702 B4 [0002]

Claims

Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile (10, 14) mit zu verbindenden Fügeflächen (12, 16), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: – die beiden Bauteile (10, 14) werden so positioniert, dass sich die Fügeflächen (12, 16) in geringem Abstand (18) gegenüberliegen; – es wird ein hochfrequenter elektrischer Strom (I) durch die beiden Bauteile (10, 14) geleitet, wodurch sich die Bauteile (10, 14) zumindest im Bereich der Fügeflächen (12, 16) erwärmen; – die beiden Bauteile (10, 14) werden gegeneinander gepresst, so dass die beiden Fügeflächen (12, 16) miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (18) zwischen den Fügeflächen (12, 16) kleiner gleich 1 mm, vorzugsweise kleiner gleich 0,5 mm, ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hochfrequente elektrische Strom (I) über ein Leiterelement (20) in die Bauteile (10, 14) geleitet wird, wobei das Leiterelement (20) aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gefertigt ist, insbesondere Kupfer.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (20) flächig ausgeführt ist, insbesondere in Form einer leitenden Matte.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (10, 14) eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweisen als das Leiterelement (20).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (10, 14) aus Materialen mit geringer elektrischer Leitfähigkeit gefertigt sind, insbesondere Titan oder Nickel.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hochfrequente elektrische Strom (I) im Bereich der Fügeflächen (12, 16) in die Bauteile (10, 14) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bauteile (10, 14) zur Einleitung des hochfrequenten elektrischen Stroms (I) in einen Stromkreis in Reihe geschaltet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Schweißen einer Schaufel an einen Rotorgrundkörper zur Herstellung eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere einer Gasturbine, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Schweißen einer Schaufel an einen Rotorgrundkörper zur Reparatur eines integral beschaufelten Rotors, insbesondere einer Gasturbine, verwendet wird.