DE102010037043A1

DE102010037043A1 - Instandsetzung einer Brennkammerkappeneffusionsplatte durch Laserschweißen

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Publication number: DE102010037043A1
Application number: DE102010037043A
Authority: DE
Inventors: Jere A. Johnson; Gene Arthur Murphy Jr.; Srikanth Chandrudu Kottilingam; Liangde Xie
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2011-03-03
Also published as: JP5897248B2; US20110049112A1; US8373089B2; JP2011051017A; CH701826B1; CH701826A2; CH701826A8; CN102000915A

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Modifizieren oder Instandsetzen einer metallischen Komponente, beispielsweise einer Brennkammerkappeneffusionsplatte (110) für eine Gasturbine. Das Verfahren beinhaltet die Schritte des Ausbildens einer Aussparung oder Nut (130) in der metallischen Komponente und des Aufbringens eines Füllstoffmaterials (140) in der Aussparung oder Nut (130). Ein gepulster Laserstrahl (310) wird auf das Füllstoffmaterial (140) angewendet. Der gepulste Laserstrahl (310) weist eine ausreichende Leistung, Frequenz und Impulsbreite auf, um Wärme auf die metallische Komponente und auf das Füllstoffmaterial (140) zu übertragen, so dass wenigstens ein Teil der metallischen Komponente und des Füllstoffmaterials (140) schmilzt, um das Füllstoffmaterial (140) mit der metallisches Komponente zu verschweißen und die metallische Komponente instand zu setzen oder zu modifizieren. Unterschiedliche Betriebsparameter des gepulsten Laserstrahls (310) können eingestellt werden, um unerwünschte Wärmebeeinträchtigungen zu verringern.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Modifizieren metallischer Komponenten, und spezieller ein Verfahren zum Instandsetzen von Schäden an metallischen Komponenten von Gasturbinen, beispielsweise an einer Brennkammerkappeneffusionsplatte.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Gasturbinen enthalten gewöhnlich vielfältige metallische Komponenten, die während des Betriebs der Gasturbine Schäden erleiden. Dies betrifft insbesondere metallische Komponenten, die aus dünnen metallischen Platten ausgebildet sind, die eine Anzahl von Durchgangslöchern aufweisen. Beispielsweise treten an Brennkammerkappeneffusionsplatten, die in Brennkammeranordnungen verwendet werden, aufgrund der dynamischen Belastung, die von der Verbrennung in einer Brennkammeranordnung ausgeht, häufig Schäden wie Risse oder Brüche auf. Es ist wünschenswert, einen solchen Schaden instand zu setzen, ohne die gesamte metallische Komponente ersetzen zu müssen.
Bisher wurde ein solcher Schaden mittels standardmäßiger MSG-(Metall-Inertgas)- oder WIG-(Wolfram-Inertgas)-Schweißtechniken mit beschränktem Erfolg repariert. Der relativ große Wärmeeintrag, der von MSG- oder WIG-Schweißschritten ausgeht, führt häufig zu Rissbildung und erschwert eine Eingrenzung des Schadens. Beispielsweise ragt die durch derartige MSG- und WIG-Schweißtechniken erzeugte Wärmeeinflusszone häufig in die unbeschädigten Bereiche der Effusionsplatte, was den Schaden vergrößern kann.
Zur Instandsetzung von Schäden an metallischen Komponenten einer Gasturbine sind auch Hartlötverfahren bekannt. Hartlöten eignet sich in der Regel besser als MSG- oder WIG-Schweißen. Allerdings ist Hartlöten aufgrund der erforderlichen Ofenzyklen der Reinigung und des Hartlötens wesentlich kostspieliger und zeitaufwendiger. Darüber hinaus ist es häufig schwierig, die Hartlöttechniken vor Ort durchzuführen, was eine bequeme und rasche Reparatur beschädigter Komponenten erschwert.
Dementsprechend wäre ein Verfahren zum Instandsetzen metallischer Gasturbinenkomponenten von Nutzen, das wenigstens einige der in Zusammenhang mit MSG/WIG-Schweißen und Hartlöten vorhandenen gegenwärtigen Nachteile mildert.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung erörtert oder können anhand der Beschreibung einleuchten oder können durch die praktische Verwirklichung der Erfindung erfahren werden.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft ein Verfahren zum Modifizieren einer metallischen Komponente. Zu dem Verfahren gehört der Schritt des Ausbildens einer Nut in der metallischen Komponente an einer Stelle auf der metallischen Komponente. Das Verfahren beinhaltet ferner die Schritte des Aufbringens eines Füllstoffmaterials in der Nut und des Anwendens eines gepulsten Laserstrahls auf das Füllstoffmaterial. Der gepulste Laserstrahl weist eine Leistung, eine Frequenz und eine Impulsbreite auf, die ausreichen, um Wärme auf die metallische Komponente und das Füllstoffmaterial zu übertragen, so dass diese schmelzen. Die von dem gepulsten Laserstrahl stammende Wärme dient dazu, das Füllstoffmaterial mit der metallischen Komponente zu verschweißen, so dass die metallische Komponente modifiziert wird.
Vielfältige Hinzufügungen oder Änderungen können an diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgenommen werden.
Beispielsweise schafft ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Instandsetzen einer metallischen Komponente für eine Gasturbine. Zu dem Verfahren gehört der Schritt des Ausräumens eines Bruchs aus der metallischen Komponente, um in der metallischen Komponente eine Aussparung auszubilden. Das Verfahren beinhaltet ferner die Schritte, ein Füllstoffmaterial in der Aussparung aufzubringen und einen gepulsten Laserstrahl auf das Füllstoffmaterial zu richten. Der gepulste Laserstrahl weist eine Leistung, eine Frequenz und eine Impulsbreite auf, die ausreichen, um Wärme auf die metallische Komponente und das Füllstoffmaterial zu übertragen und dieselben zum Schmelzen zu bringen. Die von dem gepulsten Laserstrahl stammende Wärme verschweißt das Füllstoffmaterial mit der metallischen Komponente, so dass die metallische Komponente modifiziert wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft ein Verfahren zum Modifizieren einer Brennkammerkappeneffusionsplatte für eine Gasturbine. Zu dem Verfahren gehört der Schritt des Ausräumens des Bruchs aus der Effusionsplatte, um eine Aussparung in der Effusionsplatte auszubilden. Zu dem Verfahren gehören die Schritte, ein Füllstoffmaterial in der Aussparung aufzubringen, und einen gepulsten Laserstrahl auf das Füllstoffmaterial zu richten. Der gepulste Laserstrahl weist eine Frequenz von etwa 3,5 Hz bis ungefähr 20 Hz, eine Impulsbreite von etwa 4,0 ms bis ungefähr 15,0 ms und eine Vorschubgeschwindigkeit von etwa 0,4 mm/s bis ungefähr 1,5 mm/s auf. Der gepulste Laserstrahl erzeugt eine Wärmemenge, die ausreicht, das Füllstoffmaterial zu schmelzen und mit der Effusionsplatte zu verschweißen, um die Effusionsplatte zu modifizieren.
Diese und weitere Ausstattungsmerkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche verständlicher. Die beigefügten Zeichnungen, die dieser Beschreibung einverleibt sind und einen Bestandteil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung, und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundzüge der Erfindung zu erläutern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und in die Praxis umsetzbare Beschreibung der vorliegenden Erfindung, die an den Fachmann gerichtet ist, ist in der Beschreibung unterbreitet, die Bezug auf die beigefügten Figuren nimmt:
1 veranschaulicht eine Draufsicht einer exemplarischen Brennkammerkappeneffusionsplatte, die in einer Brennkammeranordnung einer Gasturbine verwendet werden kann;
2 veranschaulicht exemplarische Schäden an eine exemplarischen Brennkammerkappeneffusionsplatte, die in einer Brennkammeranordnung einer Gasturbine verwendet werden kann;
3 veranschaulicht ein Ausbilden einer Aussparung oder Nut an der beschädigten Stelle in einer exemplarischen Brennkammerkappeneffusionsplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Beschreibung;
4 veranschaulicht ein Anwenden eines gepulsten Laserstrahls, um Füllstoffmaterial mit einer exemplarischen Brennkammerkappeneffusionsplatte zu verschweißen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Beschreibung;
5 veranschaulicht in einer Schnittansicht ein Laserschweißreparaturverfahren zum Instandsetzen eines die Wandstärke teilweise durchdringenden Risses in einer exemplarischen Brennkammerkappeneffusionsplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Beschreibung; und
6 veranschaulicht in einer Schnittansicht ein Laserschweißreparaturverfahren zum Instandsetzen eines die Wandstärke vollständig durchdringenden Risses in einer exemplarischen Brennkammerkappeneffusionsplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Beschreibung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Um vorteilhafte Verbesserungen bereitzustellen, wie sie hierin beschrieben sind, schafft die Erfindung ein Verfahren zur Instandsetzung einer metallischen Komponente einer Gasturbine. Für Zwecke der Erörterung der Erfindung wird nun im Einzelnen auf Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, wobei einige Beispiele derselben in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Sämtliche Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Gegenstand oder Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht oder beschrieben sind, in Verbindung mit einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um noch ein weiteres Ausführungsbeispiel hervorzubringen. Die vorliegende Erfindung soll daher solche Modifikationen und Abweichungen abdecken, soweit diese in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren äquivalenten Formen fallen.
Mit Bezug auf 1 wird nun eine exemplarische Brennkammerkappeneffusionsplatte 100 in Form einer dünnen metallischen Platte veranschaulicht, die mehrere Effusionskühllöcher 110 aufweist. Obwohl die vorliegende Beschreibung im Einzelnen mit Bezug auf die Instandsetzung eines Schaden an einer Effusionsplatte 100 unterbreitet ist, sollte dem Fachmann anhand der hierin dargelegten Beschreibung klar sein, dass die vorliegende Beschreibung nicht auf die Instandsetzung eine Brennkammerkappeneffusionsplatte beschränkt ist, sondern vielmehr die Instandsetzung ganz unterschiedlicher metallische Komponenten einschließen soll.
Die Effusionsplatte 100 ist gewöhnlich in einer Brennkammeranordnung für eine Gasturbine am Ende einer Brennkammerkappe benachbart zu einer Brennkammer angeordnet. Die Effusionsplatte 100 weist eine Anzahl von Öffnungen 105 auf, um das Einsetzen von Brennstoffdüsen durch die Brennkammerkappe hindurch und in die Brennkammeranordnung hinein zu ermöglichen. Die Gruppe von Effusionskühllöchern 110 ermöglichen eine Effusionskühlung während der Verbrennung von Gasen in der benachbarten Brennkammer. Die Effusionsplatte 100 wirkt für eine Brennkammerkappe als eine Strahlungsabschirmung, die die Brennkammerkappe von der Strahlungswärmefreisetzung abschirmt, die von der während des Betriebs in einer benachbarten Verbrennungszone stattfindenden Verbrennung herrührt.
Die Effusionsplatte 100 ist gewöhnlich aus einer in hohem Maße korrosionsbeständigen Metalllegierung hergestellt, die in der Lage ist, hohen Temperaturen und Bedingungen hoher mechanischer Spannung standzuhalten. Beispielsweise kann die Effusionsplatte 100 aus einer Nickelbasis- oder einer Kobaltbasislegierung hergestellt sein. In speziellen Ausführungsbeispielen kann die Effusionsplatte 100 aus einer mischkristallhärtenden Legierung, beispielsweise Hastelloy X, Haynes 230, Inconel 617, Inconel 625 oder anderen ähnlichen Legierungen hergestellt sein. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Effusionsplatte 100 aus einer ausscheidungsverfestigten härtbaren Legierung, beispielsweise Haynes 282, Waspaloy, Nimonic 263 oder anderen ähnlichen Legierungen hergestellt sein.
Die Effusionsplatte 100 weist gewöhnlich eine verhältnismäßig geringe Dicke auf, beispielsweise weniger als etwa 0,25 Zoll (etwa 6,35 mm). Die verhältnismäßig geringe Dicke der Effusionsplatte 100, in Verbindung mit den vielen Effusionskühllöchern 110, macht die Effusionsplatte 100 während der dynamischen Belastung durch das Verbrennungssystem für Schäden anfällig. Beispielsweise kann die Effusionsplatte 100, wie in 2 veranschaulicht, Schäden in Form von Rissen oder Brüchen 120 erleiden.
Bisher wurde eine Schweißbehandlung eines solchen Schadens 120 mittels standardmäßiger MSG-(Metall-Inertgas)- oder WIG-(Wolfram-Inertgas)-Schweißtechniken mit beschränktem Erfolg durchgeführt. Die relativ großen Wärmewirkungen, die von MSG- oder WIG-Schweißvorgängen ausgehen, führen häufig zu Rissbildung und erschweren eine Eingrenzung des Schadens. Beispielsweise ragt die durch derartige MSG- und WIG-Schweißtechniken erzeugte Wärmeeinflusszone häufig in die unbeschädigten Bereiche der Effusionsplatte, was den Schaden vergrößern kann. Dies betrifft insbesondere eine Effusionsplatte 100, die aus einer dünnen metallischen Platte ausgebildet ist und eine Gruppe von Effusionskühllöchern 110 aufweist.
Zur Instandsetzung von Schäden an metallischen Komponenten einer Gasturbine, beispielsweise der Effusionsplatte 100, sind auch Hartlötverfahren bekannt. Hartlöten ist gewöhnlich besser geeignet als MSG- oder WIG-Schweißen. Allerdings ist Hartlöten aufgrund der erforderlichen Ofenzyklen der Reinigung und des Hartlötens wesentlich kostspieliger und zeitaufwendiger. Darüber hinaus ist es häufig schwierig, die Hartlöttechniken vor Ort durchzuführen, was eine bequeme und rasche Reparatur beschädigter Komponenten erschwert.
Gemäß der vorliegenden Beschreibung werden die Nachteile von Hartlöten und MSG/WIG-Schweißen durch den Einsatz einer einen gepulsten Laserstrahl verwendenden Schweißtechnik beseitigt, die sich kostengünstiger durchführen lässt als standardmäßige Hartlöttechniken und außerdem die unerwünschten Wärmewirkungen standardmäßiger MSG/WIG-Schweißtechniken vermeidet. Durch den Einsatz der gepulsten Laserschweißtechniken der vorliegenden Beschreibung kann eine verhältnismäßig dünne metallische Komponente einer Gasturbine, die eine Anzahl von Kühllöchern aufweist, beispielsweise eine Brennkammerkappeneffusionsplatte, ohne das durch eine unerwünschte Erwärmung hervorgerufene Problem der Ausbreitung oder Eingrenzung des Risses bequem und rasch instand gesetzt werden.
Mit Bezug auf 2–4 wird nun ein exemplarisches Verfahren zum Modifizieren oder Instandsetzen der Effusionsplatte 100 mittels der exemplarischen gepulsten Laserschweißtechniken der vorliegenden Beschreibung mehr im Einzelnen erörtert. Wie in 2 zu sehen, weist die Effusionsplatte 100 Schäden in Form von Rissen oder Brüchen 120 auf. Die Risse oder Brüche 120 können aufgrund dynamischer Belastung des Brennkammersystems entstanden sein.
Um die Schadstelle 120 an der Effusionsplatte 100 zu behandeln, werden zunächst Abschnitte der Schadstelle 120 der Effusionsplatte 100 entfernt. Die Abschnitte der Schadstelle 120 können entfernt werden, indem an dem Ort der Schadstelle 120, wie in 3 dargestellt, eine Aussparung oder Nut 130 in der Effusionsplatte 100 ausgebildet wird. Vorzugsweise weist die Aussparung oder Nut 130 eine Abmessung und Gestalt auf, deren Fläche größer ist als diejenige der Schadstelle 120, jedoch ausreichend klein ist, um Spannungen an der Effusionsplatte 100 zu verringern.
Die Aussparung oder Nut 130 kann mittels einer (oder mehrerer) Technik(en) ausgebildet werden, die dem Fachmann bekannt sind. Beispielsweise kann die Aussparung oder Nut 130 ausgebildet werden, indem die Schadstelle 120 mittels eines Zerspanwerkzeugs 200 aus der Effusionsplatte 100 ausgeräumt wird. Das Zerspanwerkzeug 200 kann ein beliebiges Werkzeug oder eine Vorrichtung sein, die geeignet ist, um die Schadstelle 120 aus der Effusionsplatte 100 spanabhebend zu entfernen. Beispielsweise kann das Zerspanwerkzeug 200 ein rotierendes Schleifwerkzeug sein, das die beschädigten Abschnitte der Effusionsplatte 100 abschleift, um die Aussparung oder Nut 130 zu bilden.
Die Tiefe der Aussparung oder Nut 130 wird von der Art des durch Effusionsplatte 100 erlittenen Schadens 120 abhängen. Falls die Schadstelle 120 beispielsweise ein die Wandstärke teilweise durchdringender Riss oder Bruch ist, wird die Tiefe der Aussparung oder Nut 130 von der Tiefe des die Wandstärke teilweise durchdringenden Bruchs abhängen. Um eine weitere Rissausbreitung zu verhindern, wird die Tiefe der Aussparung oder Nut 130 vorzugsweise geringfügig größer sein als diejenige des die Wandstärke teilweise durchdringenden Bruchs. Falls die Schadstelle 120 ein die Wandstärke vollständig durchdringender Riss oder Bruch ist, muss sich die Tiefe der Aussparung oder Nut 130 möglicherweise durch die gesamte Dicke der Effusionsplatte 100 erstrecken, um eine einwandfreie Modifikation oder Instandsetzung der Effusionsplatte 100 sicherzustellen und einer Rissausbreitung vorzubeugen.
Nachdem die Aussparung oder Nut 130 in die Effusionsplatte 100 hinein ausgebildet ist, wird ein Füllstoffmaterial 140 in der Aussparung oder Nut 130 aufgebracht. Das Füllstoffmaterial 140 kann ein beliebiges der vielfältigen aus dem Stand der Technik bekannten Schweißfüllstoffmaterialien sein. In speziellen Ausführungsbeispielen ist das Füllstoffmaterial 140 eine hohe Festigkeit aufweisende, thermisch stabile, in hohem Maße oxidationsbeständige Metalllegierung. Beispielsweise kann das Füllstoffmaterial 140 eine mischkristallhärtende Legierung, z. B. Hastelloy X, Hastelloy W, Haynes 230, Inconel 617, Inconel 625 oder eine andere ähnliche Legierung sein. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Füllstoffmaterial 140 eine ausscheidungsverfestigte härtbare Legierung sein, beispielsweise Haynes 282, Waspaloy, Nimonic 263 oder eine andere ähnliche Legierung.
Das Füllstoffmaterial 140 kann in der Aussparung oder Nut 130 aufgeschweißt sein, indem ein auf dem Füllstoffmaterial 140 basierender (in 5 und 6 dargestellter) Füllstoffdraht 155 in der Aussparung oder Nut 130 angeordnet wird, und der Füllstoffdraht 155 mittels der gepulsten Lasertechniken, wie sie in der vorliegende Beschreibung erörtert sind, erwärmt wird. Der Füllstoffdraht 155 kann einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,010 Zoll (etwa 0,254 mm) bis ungefähr 0,045 Zoll (etwa 1,143 mm), beispielsweise etwa 0,025 Zoll (etwa 0,635 mm) bis ungefähr 0,035 Zoll (etwa 0,889 mm), z. B. etwa 0,030 Zoll (etwa 0,762 mm), oder einen beliebigen sonstigen dazwischen liegenden Durchmesser oder Bereich von Durchmessern aufweisen. Der Fachmann sollte anhand der hierin dargelegten Beschreibungen verstehen, dass das Füllstoffmaterial eine beliebige andere Gestalt aufweisen kann.
Wie in 4 dargestellt, wird ein gepulster Laserstrahl 310 auf das Füllstoffmaterial 140 angewandt, um das Füllstoffmaterial 140 mit der Effusionsplatte 100 zu verschweißen. Der gepulste Laserstrahl 310 kann ein CO₂-Laserstrahl, ein blitzlampengepumpter Laserstrahl, ein Glasfaserlaserstrahl oder ein beliebiger sonstiger Laserstrahl sein. Der gepulste Laserstrahl 310 beaufschlagt einen Impuls hoher Energie und kurzer Dauer, der ausreicht, um das Füllstoffmaterial 140 mit der Effusionsplatte 100 zu verschweißen. Der gepulste Laserstrahl 310 erzeugt eine Wärmeeinflusszone 320, wie sie in 5 und 6 veranschaulicht ist. Wie nachfolgend im Einzelnen erörtert wird, können vielfältige Parameter des gepulsten Laserstrahls 310 variiert oder modifiziert werden, um die Größe der Wärmeeinflusszone 320 zu steuern, so dass unerwünschte Wärmebeeinträchtigungen verringert werden können.
Der gepulste Laserstrahl 310 wird durch eine Laserschweißvorrichtung 300 erzeugt. Die Laserschweißvorrichtung 300 kann eine beliebige der unterschiedlichen aus dem Stand der Technik bekannten gepulsten Laserstrahlschweißvorrichtungen sein. Beispielsweise kann die Laserschweißvorrichtung 300 den Laserschweißvorrichtungen ähneln, die in den US-Patenten Nr. 5 179 261 , 5 369 242 , 5 726 418 oder 6 774 338 beschrieben und offenbart sind.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist die Laserschweißvorrichtung 300 die Laserschweißvorrichtung HTS-Mobile-200, die von der Firma OR Laser, Inc., hergestellt wird. Diese exemplarische Laserschweißvorrichtung ermöglicht eine transversale Mobilität in x, y und z-Richtung und weist eine mittlere Ausgangsleistung von etwa 200 W auf. Die durch die Laserschweißvorrichtung HTS-Mobile-200 vorgesehene Spitzenausgangsleistung beträgt etwa 9 kW. Die Laserschweißvorrichtung HTS-Mobile-200 ermöglicht eine Schweißpräzission von bis zu etwa 0,1 mm.
Indem nun auf 5 eingegangen wird, wird ein exemplarisches Verfahren zum Modifizieren eines die Wandstärke teilweise durchdringenden Risses oder Bruchs im Einzelnen erörtert. Wie gezeigt, wurde die Aussparung oder Nut 130 in der Effusionsplatte 100 bereits ausgebildet. Eine erste Schicht 140a aus Füllstoffmaterial wurde in die Aussparung oder Nut 130 eingebracht. Der gepulste Laserstrahl 310 wurde über die Füllstoffmaterialschicht 140a geführt. Der gepulste Laserstrahl 310 setzte mehrere Impulse hoher Energie und kurzer Dauer ein, die ausreichten, um das Füllstoffmaterial 140 mit der Effusionsplatte 100 zu verschweißen, um die Schicht 140a zu bilden. Wie gezeigt, wurde dieses Verfahren mit der geeigneten Anzahl von Durchgängen wiederholt, um Schichten 140b, 140c und 140d mit der Effusionsplatte 100 zu verschweißen, bis die Aussparung oder Nut 130 gefüllt war.
Mit Bezug auf 6 wird nun ein exemplarisches Verfahren zum Modifizieren eines die Wandstärke vollständig durchdringenden Risses oder Bruchs im Einzelnen erörtert. Wie gezeigt, wurde die Aussparung oder Nut 130 in der Effusionsplatte 100 bereits ausgebildet. Ein Unterlegmaterial 145 wurde an die Rückseite der Effusionsplatte 100 geschweißt. Das Unterlegmaterial 145 dient dazu, dem Füllstoffmaterial 140 eine Stützfläche zu bieten. Das Unterlegmaterial 145 kann auf einer Nickelbasis- oder Kobaltbasismetalllegierung basieren. Beispielsweise kann das Unterlegmaterial aus einer mischkristallhärtenden Legierung hergestellt sein, beispielsweise Hastelloy X, Hastelloy W, Haynes 230, Inconel 617 oder Inconel 625.
Eine erste Schicht 140a aus Füllstoffmaterial wurde in die Aussparung oder Nut 130 eingebracht. Der gepulste Laserstrahl 310 wurde über die Füllstoffmaterialschicht 140a geführt. Der gepulste Laserstrahl 310 setzte mehrere Impulse hoher Energie und kurzer Dauer ein, die ausreichten, um das Füllstoffmaterial mit der Effusionsplatte 100 zu verschweißen, um die Schicht 140a zu bilden. Wie gezeigt, wurde dieses Verfahren mit der geeignete Anzahl von Durchgängen wiederholt, um Schichten 140b, 140c, 140d und 140e mit der Effusionsplatte 100 zu verschweißen, bis die Aussparung oder Nut 130 gefüllt war.
Wie sowohl in 5 als auch 6 zu sehen, erzeugt der gepulste Laserstrahl 310 die Wärmeeinflusszone 320. Wenn eine metallische Komponente einer Gasturbine, die eine Anzahl von Durchgangslöchern aufweist, z. B. die Effusionsplatte 100, geschweißt wird, ist es erwünscht, die Wärmeeinflusszone 320 geeignet zu verringern, so dass von dem Schweißvorgang ausgehende unerwünschte Wärmebeeinträchtigungen vermieden werden. Auf diese Weise lässt sich ein Schaden an der Effusionsplatte 100 leichter eingrenzen und eine Ausbreitung des Risses vermeiden.
Unterschiedliche Betriebsparameter des gepulsten Laserstrahls 310 lassen sich einstellen, um eine gewünschte Wärmeeinflusszone 320 zu erzielen, die ausreichend groß ist, um das Füllstoffmaterial 140 mit der Effusionsplatte 100 zu verschweißen, jedoch ausreichend klein ist, um eine unerwünschte Erwärmung der Effusionsplatte zu verringern. Beispielsweise kann der gepulste Laserstrahl 310 eine Frequenz und eine Impulsbreite aufweisen. Die Frequenz des gepulsten Laserstrahls 310 kann im Bereich von etwa 3,5 Hz bis ungefähr 20 Hz, z. B. etwa 4,0 Hz bis ungefähr 6,0 Hz, z. B. etwa 5,0 Hz oder 5,5 Hz liegen, oder eine beliebige sonstige dazwischen liegende Frequenz bzw. Bereich von Frequenzen aufweisen. Die Impulsbreite des gepulsten Laserstrahls 310 kann im Bereich von etwa 4,0 ms bis ungefähr 15,0 ms, z. B. etwa 5,0 ms bis ungefähr 8,0 ms, z. B. etwa 6,0 ms, oder 7,0 ms liegen, oder eine beliebige sonstige dazwischen liegende Impulsbreite bzw. Bereich von Impulsbreiten aufweisen. Darüber hinaus kann der gepulste Laserstrahl eine Vorschubgeschwindigkeit im Bereich von etwa 0,4 mm/s bis ungefähr 1,5 mm/s, z. B. etwa 0,5 mm/s bis ungefähr 0,8 mm/s, z. B. etwa 0,6 mm/s, oder 0,7 mm/s liegen, oder eine beliebige sonstige dazwischen liegende Vorschubgeschwindigkeit bzw. Bereich von Vorschubgeschwindigkeiten aufweisen. Der gepulste Laserstrahl 310 kann ferner einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,1 mm bis ungefähr 2 mm liegen, z. B. etwa 0,5 mm bis ungefähr 1,5 mm, z. B. etwa 1,0 mm, oder 1,2 mm, oder einen beliebigen dazwischen liegenden sonstigen Durchmesser bzw. Bereich von Durchmessern aufweisen. Die Laserschweißvorrichtung, die zur Erzeugung des gepulsten Laserstrahls 310 verwendet wird, kann eine mittlere Ausgangsleistung von etwa 200 W und eine Spitzenausgangsleistung von etwa 9 kW aufweisen. Die Laserschweißvorrichtung kann mit einer Leistung im Bereich von etwa 55% bis ungefähr 60%, z. B. mit einer Leistung von etwa 57% betrieben werden.
Ein gepulster Laserstrahl, der die oben erwähnten Betriebsparameter aufweist, kann einen Impuls hoher Energie und kurzer Dauer liefern, der ausreicht, um das Füllstoffmaterial 140 mit der Effusionsplatte 100 zu verschweißen, während eine gewünschte Wärmeeinflusszone eingehalten wird. Die Wärmeeinflusszone wird ausreichend groß sein, um das Füllstoffmaterial mit der Effusionsplatte zu verschweißen, jedoch nicht so groß, dass sie in unbeschädigte Abschnitte der Effusionsplatte wesentlich hinein ragt. Auf diese Weise lässt sich eine Eingrenzung des Risses und eine Vorbeugung gegen Rissausbreitung erzielen, die durch unerwünschte und überflüssige Wärmebeeinträchtigungen ausgelöst wird. Somit schaffen die Laserschweißtechniken gemäß der vorliegenden Beschreibung Vorteile gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten MSG/WIG-Schweiß- und Hartlötverfahren.
Während der hierin behandelte Gegenstand mit Bezug auf spezielle Ausführungsbeispiele und zugeordnete Verfahren im Einzelnen erläutert wurde, versteht es sich, dass der Fachmann nach dem verständnisvollen Lesen des Vorausgehenden ohne weiteres Abänderungen, Modifikation und äquivalente Formen derartiger Ausführungsbeispiele hervorbringen kann. Dementsprechend ist das Ziel der vorliegenden Beschreibung, Beispiele zu geben und nicht zu beschränken, und die unterbreitete Beschreibung schließt die Einbeziehung derartiger für einen Fachmann ohne weiteres einleuchtenden Modifikationen und Veränderungen an dem hierin behandelten Gegenstand und/oder Hinzufügungen zu demselben nicht aus.
Offenbart ist ein Verfahren zum Modifizieren oder Instandsetzen einer metallischen Komponente, beispielsweise einer Brennkammerkappeneffusionsplatte 110 für eine Gasturbine. Das Verfahren beinhaltet die Schritte des Ausbildens einer Aussparung oder Nut 130 in der metallischen Komponente und des Aufbringens eines Füllstoffmaterials 140 in der Aussparung oder Nut 130. Ein gepulster Laserstrahl 310 wird auf das Füllstoffmaterial 140 angewendet. Der gepulste Laserstrahl 310 weist eine ausreichende Leistung, Frequenz und Impulsbreite auf, um Wärme auf die metallische Komponente und auf das Füllstoffmaterial 140 zu übertragen, so dass wenigstens ein Teil der metallischen Komponente und des Füllstoffmaterials 140 schmilzt, um das Füllstoffmaterial 140 mit der metallisches Komponente zu verschweißen und die metallische Komponente instand zu setzen oder zu modifizieren. Unterschiedliche Betriebsparameter des gepulsten Laserstrahls 310 können eingestellt werden, um unerwünschte Wärmebeeinträchtigungen zu verringern.
Bezugszeichenliste

100: Effusionsplatte
105: Öffnungen
110: Effusionskühllöcher
120: Risse oder Brüche, Schäden, beschädigte Abschnitte
130: Aussparung oder Nut
140a, b, c, d: Füllstoffmaterial
145: Unterlegmaterial
155: Füllstoffdraht
200: Zerspanwerkzeug
300: Laserschweißvorrichtung
310: Gepulster Laserstrahl
320: Wärmeeinflusszone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5179261 [0034]
US 5369242 [0034]
US 5726418 [0034]
US 6774338 [0034]

Claims

Verfahren zum Modifizieren einer metallischen Komponente, wobei das Verfahren beinhaltet: Ausbilden einer Nut (130) in der metallischen Komponente an einer Stelle auf der metallischen Komponente; Aufbringen eines Füllstoffmaterials (140) in der Nut (130); Anwenden eines gepulsten Laserstrahls (310) auf das Füllstoffmaterial (140), wobei der gepulste Laserstrahl (310) eine Leistung, eine Frequenz und eine Impulsbreite aufweist, um Wärme auf die metallische Komponente und das Füllstoffmaterial (140) zu übertragen, um zu bewirken, dass wenigstens ein Teil der metallischen Komponente und des Füllstoffmaterials (140) schmelzen; wobei die von dem gepulsten Laserstrahl (310) stammende Wärme das Füllstoffmaterial (140) mit der metallischen Komponente verschweißt, um die metallische Komponente zu modifizieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gepulste Laserstrahl (310) eine Wärmeeinflusszone (320) erzeugt, und wobei das Verfahren ein Konfigurieren der Größe der Wärmeeinflusszone (320) durch Einstellen der Leistung, der Impulsbreite oder der Frequenz des gepulsten Laserstrahls (310) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Frequenz des gepulsten Laserstrahls (310) in einem Bereich von ungefähr 3,5 Hz bis ungefähr 20 Hz liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Impulsbreite des gepulsten Laserstrahls (310) in einem Bereich von ungefähr 4,0 ms bis ungefähr 15,0 ms liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gepulste Laserstrahl (310) eine Vorschubgeschwindigkeit von etwa 0,4 mm/s bis ungefähr 1,5 mm/s aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gepulste Laserstrahl (310) einen Durchmesser von etwa 0,1 mm bis ungefähr 2,0 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die metallische Komponente eine Dicke von weniger als etwa 0,25 Zoll aufweist und mit einer Anzahl von Durchgangslöchern ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die metallische Komponente auf einer Nickelbasis- oder Kobaltbasismetalllegierung basiert, und wobei das Füllstoffmaterial (140) auf einem Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Füllstoffmaterial (140) basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stelle einen die Wandstärke teilweise durchdringenden Bruch aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stelle einen die Wandstärke vollständig durchdringenden Bruch aufweist.