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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbessern von Schäden eines Werkstücks sowie eine Vorrichtung.
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Werkstücke, insbesondere Komponenten von Gas- und Dampfturbinen, sind im Betrieb bisweilen hohen Belastungen ausgesetzt. Auch Werkstücke in Gestalt von Gussbauteilen erleiden bisweilen fertigungsbedingte Schäden, beispielsweise Poren, Risse und/oder Lunker.
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Bei Gas- und Dampfturbinen werden schadhafte Turbinenschaufeln häufig vollständig ausgetauscht. Schadhafte Turbinenschaufeln werden dabei vollständig entsorgt.
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Ferner ist es bekannt, Schäden mittels Laser-Pulver-Auftragsschweißens oder Plasma-Pulver-Auftragsschweißens zu beheben. Beim Laser-Pulver-Auftragsschweißen sind jedoch die Auftragsrate zu gering und die Lasersicherheit schwieriger einzuhalten.
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Beim Plasma-Pulver-Auftragsschweißen kann zwar eine höhere Auftragsrate erzielt werden, jedoch bedingt dieses Schweißverfahren nachteilig eine höhere Energieeinbringung und damit ein erhöhtes Risiko von weiteren Materialschädigungen, beispielsweise Heißrissen und Gefügeausbildungen, die ihrerseits weitere Nacharbeit erfordern.
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Das Ausbessern von Schäden bei Werkstücken in Gestalt von Gussteilen hingegen erfolgt bislang mit dem Elektrode-Hand-Schweißen. Jedoch müssen zu diesem Verfahren die Werkstücke auf hohe Temperaturen, etwa 400°C, vorgeheizt werden. Weiterhin erfordert das Ausbessern Pufferschichten und/oder erlaubt nur Schweißen mit geringem Energieeintrag.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Ausbessern von Schäden eines Werkstücks bereitzustellen, welches die vorgenannten Nachteile nicht aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mittels welcher dieses Verfahren ausgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zum Ausbessern von Schäden eines Werkstücks in Gestalt einer Ausnehmung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Vorrichtung mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Ausbessern von Schäden eines Werkstücks in Gestalt einer Ausnehmung wird die Ausnehmung geweitet und mittels Schweißens gefüllt. Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Werkstück, vorzugsweise überwiegend oder vollständig, aus Metall gebildet. Alternativ oder zusätzlich und ebenfalls zweckmäßig ist das Werkstück ein Gussteil.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausbesserung von Schäden eines Werkstücks ist lediglich eine im Vergleich zum Plasma-Pulver-Auftragsschweißen geringe Energieeinbringung zur Ausbesserung von Schäden erforderlich. Im Vergleich zum Laser-Pulver-Auftragsschweißen hingegen ist die Auftragsrate erheblich erhöht. Infolgedessen lassen sich deutlich verkürzte Reparaturzeiten erzielen. Vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren universell einsetzen. Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren mittels Standardkomponenten realisieren. Infolgedessen sind aufwändig konzipierte Anlagen nicht erforderlich.
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Auch die Umweltbelastung am Arbeitsplatz ist infolge der bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausbleibenden Metallstäube erheblich verringert. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren leicht automatisierbar. Gerade im Servicebereich ist das erfindungsgemäße Verfahren folglich schnell und flexibel einsetzbar. Da damit durch das erfindungsgemäße Verfahren ein kompletter Austausch eines defekten Werkstücks entbehrlich ist, kann das Ausbessern von Schäden kostengünstig erfolgen. Insbesondere lässt sich auch die Standzeit von Anlagen erheblich verringern, da sich das Verfahren ohne nennenswerten zeitlichen Verzug durchführen lässt.
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Geeigneterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels Lichtbogen geschweißt. So stehen mittlerweise viele äußerst energiearme Lichtbogenverfahren zur Verfügung, insbesondere das Cold-Arc-Verfahren des Unternehmens EWM, das CMT-Verfahren von Fronius sowie das WIG-AC-Schweißen von EWM. Solche Lichtbogenschweißverfahren bilden einen hervorragenden Konsens zwischen hoher Abtragsrate, geringem Energieeintrag und hoher Schichtqualität (geringer Aufmischungsgrad). Diese Lichtbogenschweißverfahren sind universell einsetzbar und erlauben das Ausbessern auch schwer schweißbarer Werkstoffe. Insbesondere lassen sich bei solchen Lichtbogenverfahren unterschiedliche Schutzgase und/oder gesondert angefertigte oder gängige Fülldrähte einsetzen und/oder sonstige Parameter flexibel anpassen.
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Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Ausnehmung in ihrer Gestalt auf einen Hüllkörper, welcher die ursprüngliche Gestalt der Ausnehmung umschließt, geweitet und diese geweitete Ausnehmung mittels Schweißens gefüllt. Zweckmäßigerweise geschieht das Weiten der Ausnehmung mechanisch, insbesondere mittels Drehen und/oder Fräsen. Auf diese Weise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren flexibel für eine ganze Klasse unterschiedlich gestalteter Ausnehmungen zum Ausbessern heranziehen. Infolge des Erweiterns der Ausnehmung kann auch insbesondere ein Füllelement bestimmter Größe eine ganze Reihe von Ausnehmungen ausfüllen.
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Besonders zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Gestalt der Ausnehmung zumindest teilweise erfasst und der Hüllkörper abhängig von dieser Gestalt aus einer zumindest zwei gestaltverschiedene Mitglieder umfassenden Gruppe ausgewählt. Auf diese Weise kann die mechanische Bearbeitung des Werkstücks bei der Erweiterung der Ausnehmung auf ein geringes Maß reduziert werden, indem ein geometrisch bereits annähernd passendes Mitglied der Gruppe von Hüllkörpern ausgewählt wird.
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Zweckmäßig wird Gestalt der Ausnehmung automatisiert erfasst, vorzugsweise mittels eines, insbesondere laserbasierten, 3D-Scanners oder mittels einer Kamera zur Erfassung der Oberfläche des Gehäuses und einer prozessorbasierten Bildauswerteeinheit zur Analyse des Kamerabildes.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Hüllkörper eine symmetrische, insbesondere rotationssymmetrische, Gestalt auf. In dieser Weiterbildung lässt sich zum einen die Ausnehmung besonders leicht auf die Gestalt des Hüllkörpers hin weiten, insbesondere durch Drehen. Ferner lässt sich ggf. auch ein mit dem Hüllkörper korrespondierendes Füllelement besonders leicht, insbesondere durch Drehen, fertigen.
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Besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Hüllkörper ein solcher mit mindestens einer ebenen Außenfläche herangezogen. Auf diese Weise kann eine Ausnehmung in dem besonders häufig auftretenden Fall, dass die Ausnehmung an einer ebenen Außenfläche vorliegt, einfach ausgebessert werden, da der Hüllkörper mit seiner ebenen Außenfläche bündig abschließend an der ebenen Außenfläche des Werkstücks vorgesehen werden kann.
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Geeigneterweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren als Hüllkörper ein zumindest in einer Richtung hinterschneidungsfreier Hüllkörper herangezogen. Auf diese Weise kann die geweitete Ausnehmung leicht mittels Schweißens gefüllt werden. Zweckmäßigerweise wird als Hüllkörper zumindest ein Hüllkörper mit mindestens einer ebenen Außenfläche herangezogen, wobei die zumindest eine Richtung, in welcher der Hüllkörper hinterschneidungsfrei ist, schräg, insbesondere senkrecht, zur ebenen Außenfläche verläuft. Auf diese Weise lässt sich die geweitete Ausnehmung äußerst einfach mittels Schweißens füllen. Geeigneterweise bildet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Werkstück eine Turbinenschaufel oder zumindest einen Teil eines Gehäuses und/oder eines Brenners. Gerade bei solchen Werkstücken bildet das erfindungsgemäße Verfahren die Grundlage für ein schnelles und kostengünstiges Reparaturverfahren. Geeigneterweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren Zusatzmaterial, insbesondere in Form von Fülldraht oder Füllbändern, zugefügt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Vorrichtung zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wie zuvor beschrieben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Gestalt der Ausnehmung sowie ein Ausnehmungsweitungsmittel zur Weitung der Ausnehmung auf einen Hüllkörper, insbesondere einen Bohrer, und ein Schweißsystem, welches zum Füllen der geweiteten Ausnehmung ausgebildet ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst bei dieser die Erfassungseinrichtung eine Kamera und eine prozessorgestützte Bildverarbeitungseinheit, welche aus dem mittels der Kamera aufgenommenen Bild die geometrische Gestalt der Ausnehmung bestimmt. Ebenfalls vorteilhaft umfasst die Erfassungseinrichtung in einer Weiterbildung der Erfindung einen, insbesondere laserbasierten, 3D-Scanner zur Erfassung der Gestalt.
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Vorteilhaft umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Auswahleinrichtung zur Auswahl eines Mitglieds einer zumindest zwei gestaltverschiedene Mitglieder umfassenden Gruppe von Hüllkörpern abhängig von der Gestalt der Ausnehmung.
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Geeigneterweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere das Schweißsystem, eine Schweißbahnbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Schweißbahn abhängig von der Gestalt des Hüllkörpers und/oder der Ausnehmung. Zweckmäßig umfasst die Schweißbahnbestimmungseinrichtung einen speziell für diese Aufgabe eingerichteten Post-Prozessor.
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Die Schweißbahnbestimmungseinrichtung ist vorzugsweise geeignet programmiert und setzt insbesondere vorgefertigte Programmsequenzen ein, welche die Geometrie der Schweißbahn parameterbasiert an den Hüllkörper anpassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die einzige Zeichnungsfigur 1 zeigt drei Stadien (A, B und C) eines Werkstücks bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ausbessern eines Schadens dieses Werkstücks in Gestalt einer Ausnehmung in einer Prinzipskizze im Querschnitt.
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Das in 1 dargestellte Gehäuse 5 ist ein Stahlgussteil. Grundsätzlich kann das Gehäuse 5 in weiteren, nicht eigens erläuterten Ausführungsbeispielen auch mit anderen Materialien gebildet sein, beispielsweise aus oder mit einem Eisengusswerkstoff und/oder Stahl und/oder Nichteisenmetall, wie insbesondere Aluminium oder Titan, und/oder HAST X und/oder HAST 282 und/oder Rene 80 und/oder CM 247 und/oder IN 617 und/oder IN 625 und/oder IN 718 und/oder 738 und/oder IN 939.
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Das Gehäuse 5 weist eine ebene, plane, Außenfläche 3 auf. An der Seite 3 befindet sich ein Schaden in Gestalt einer Ausnehmung 10. Die Gestalt der Ausnehmung 10 wird mittels eines laserbasierten 3D-Scanners erfasst. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem Dargestellten entsprechen, werden andere Messsysteme genutzt, etwa eine Kamera zur Erfassung der Oberfläche des Gehäuses und eine prozessorbasierte Bildauswerteeinheit zur Analyse des Kamerabildes.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst aus einer Gruppe von Hüllkörpern ein solcher – gedachter – Hüllkörper 25 ausgewählt, welcher eine ebene plane Außenfläche 17 aufweist, die mit der eben planen Außenfläche 3 des Gehäuses 5 abschließt und zudem fern der Außenfläche 17 die Ausnehmung 10 vollständig einschließt.
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Nachfolgend wird die Ausnehmung 10 passgenau auf die Form des Hüllkörpers 25 ausgeweitet. Dazu wird die Geometrie des Hüllkörpers 25 mechanisch, beispielsweise durch Drehen oder Fräsen, aus dem Gehäuse 5 herausgearbeitet, sodass die geweitete Ausnehmung 35 genau zum gewählten Hüllkörper 25 korrespondiert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Hüllkörper ein Kreiskegel, sodass sich die Ausnehmung 10 einfach mittels Drehen auf einen solchen Kreiskegel hin aufweiten lässt.
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Nachfolgend wird die geweitete Ausnehmung 35 mittels Lichtbogenschweißens gefüllt.
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Als Verfahren zum Lichtbogenschweißen kommt im dargestellten Ausführungsbeispiel ein energiearmes Lichtbogenverfahren, hier das sogenannte Cold-Arc-Schweißverfahren, wie es durch das Unternehmen EWM eingeführt ist, zum Einsatz. Alternativ kann in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen das CMT-Schweißverfahren (vertrieben durch das Unternehmens Fronius) oder das WIG-AC-Schweißverfahren (vertrieben durch das Unternehmen EWM) oder ein sonstiges geeignetes Schweißverfahren eingesetzt werden. Das Schweißen erfolgt in an sich bekannter Weise unter Schutzgas und unter Zuführung von Zusatzdraht oder Massivdraht.
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Grundsätzlich ist in weiteren, nicht eigens dargestellten, Ausführungsbeispielen anstelle eines Gehäuses 5 eine Turbinenschaufel oder zumindest einen Teil eines Brenners oder ein sonstiges Bauteil als Werkstück vorhanden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht eigens gezeigt kommt zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Reparaturvorrichtung zum Einsatz. Diese Reparaturvorrichtung umfasst eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Gestalt der Ausnehmung. Die Erfassungseinrichtung weist eine Kamera und eine prozessorgestützte Bildverarbeitungseinheit, welche prozessorbasiert mittels eines geeigneten Bildverarbeitungsprogramms aus dem mittels der Kamera aufgenommenen Bild die geometrische Gestalt der Ausnehmung bestimmt, auf.
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Ferner umfasst die Reparaturvorrichtung eine Auswahleinrichtung zur Auswahl eines Mitglieds einer zumindest zwei gestaltverschiedene Mitglieder umfassenden Gruppe von Hüllkörpern (15, 15‘) abhängig von der Gestalt und ein Ausnehmungserweiterungsmittel zur Erweiterung der Ausnehmung auf diesen Hüllkörper, im gezeigten Ausführungsbeispiel in Gestalt eines Bohrers, sowie ein Schweißsystem, welches zum Füllen der erweiterten Ausnehmung (10, 35) mittels Schweißen ausgebildet ist.
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Zudem umfasst bei der Reparaturvorrichtung das Schweißsystem eine Schweißbahnbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Schweißbahn abhängig von der Gestalt des Hüllkörpers und/oder der Ausnehmung. Die Schweißbahnbestimmungseinrichtung ist prozessorbasiert mittels geeigneter Programmierung ausgebildet.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel kommen dazu bei der Programmierung vorgefertigte Programmsequenzen zum Einsatz, welche die Geometrie der Schweißbahn parameterbasiert an den Hüllkörper anpassen.
