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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen einer in einem metallischen Werkstück vorhandenen, eine erste Tiefe aufweisenden Durchgangsöffnung, insbesondere einer in einem Kronenboden einer Turbinenschaufel vorhandenen Durchgangsöffnung.
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Bei der gießtechnischen Herstellung einer mit zumindest einem Hohlraum versehenen Turbinenschaufel ist es bekannt, dass in dem den Hohlraum am freien Ende der Turbinenschaufel begrenzenden Kronenboden Durchgangsöffnungen verbleiben, die auf während des Gießens eingesetzte Gießkernhaltetechnologien zurückzuführen sind und allgemein auch als Kernhalteöffnungen bezeichnet werden. Derartige Durchgangsöffnungen müssen geschlossen werden, um während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Turbinenschaufel einen unkontrollierten Austritt eines durch den Hohlraum geleiteten Kühlfluids zu verhindern.
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Zum Verschließen solcher Durchgangsöffnungen werden derzeit unterschiedliche Technologien eingesetzt. Zum einen ist es beispielsweise bekannt, die Durchgangsöffnungen mittels manuellen WIG-Schweißens mit Zusatzdraht zu verschließen. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht allerdings darin, dass manuelles WIG-Schweißen nicht als prozessstabil gewertet werden kann. Darüber hinaus besteht in Abhängigkeit von der Ausführungsqualität die Gefahr einer Heißrissausbildung, wodurch die Lebensdauer der Turbinenschaufel beeinträchtigt wird. Alternativ kann eine solche Durchgangsöffnung mit einem Innengewinde versehen und dann mit einem entsprechend ausgebildeten Gewindebolzen verschlossen werden, der anschließend verstemmt wird. Aber auch dieses Verfahren zieht häufig die Ausbildung von Heißrissen nach sich. Eine weitere Methode besteht darin, die Durchgangsöffnung mit einem Kegelstopfen zu verschließen, der dann mittels Widerstandspunktschweißens mit dem Kronenboden verbunden wird. Aber auch hier ist die Gefahr der Heißrissbildung sehr hoch.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem die Lebensdauer des Werkstücks kaum beeinträchtigt wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das die Schritte aufweist:
- a) Aufweiten der Durchgangsöffnung über einen Teilbereich ihrer Tiefe, indem ausgehend von der Außenseite des Kronenbodens eine Aussparung mit einer zweiten Tiefe eingebracht wird, wobei die zweite Tiefe geringer als die erste Tiefe ist;
- b) Anfasen des Außenkantenbereiches der Aussparung, wobei die Höhe der Fase insbesondere geringer als die zweite Tiefe der Aussparung ist;
- c) Einlegen eines plattenförmigen Abdeckelementes in die Aussparung, wobei eine Höhe des Abdeckelementes kleiner als die zweite Tiefe der Aussparung ist, und wobei alle weiteren Abmessungen des Abdeckelementes im Wesentlichen den Abmessungen der Aussparung entsprechen; und
- d) Auffüllen der Aussparung oberhalb des Abdeckelementes mit einem metallischen Zusatzwerkstoff unter Einsatz eines auftragenden Schweiß- oder Spritzverfahrens
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass dank der Verwendung des Abdeckelementes in Schritt d) verhindert wird, dass der Zusatzwerkstoff während des Schweißens durch die Durchgangsöffnung fallen kann. Entsprechend können auftragende Schweiß- oder Spritzverfahren insbesondere unter Verwendung von pulverförmigem Zusatzmaterial eingesetzt werden, die verglichen mit manuellem Handschweißen signifikant weniger Wärme in das Werkstück einbringen, wodurch die Entstehung von Heißrissen stark reduziert werden kann. Darüber hinaus kann der in Schritt d) durchgeführte Schweißprozess voll automatisiert werden, wodurch im Gegensatz zum manuellen Schweißen eine gleichbleibend hohe Schweißqualität gewährleistet werden kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird/werden die Schritte a) und/oder b) unter Einsatz eines spanenden Fertigungsverfahrens durchgeführt, insbesondere mittels Bohren oder Fräsen, was zu einer kostengünstigen Fertigung führt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Durchgangsöffnung im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist einen ersten Durchmesser auf. Ebenso ist die Aussparung ist zylindrisch ausgebildet und weist einen zweiten Durchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser der Durchgangsöffnung ist.
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Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Schritte a) und b) insbesondere in diesem Fall zeitgleich durchgeführt werden, insbesondere unter Verwendung eines Werkzeugs, dessen Außenkontur an die Außenkonturen des zylindrischen Aussparungsteils und des gefasten Aussparungsteils angepasst ist. Auf diese Weise kann die Taktzeit bezüglich der Durchführung der Schritte a) und b) verringert werden, was sich aufgrund der erhöhten Werkzeugkosten insbesondere im Rahmen einer Serienfertigung rentiert.
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Bevorzugt ist das Abdeckelement aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, insbesondere aus einer Superlegierung oder einem anderen hochtemperaturfesten Werkstoff identisch oder zumindest ähnlich demjenigen, aus dem auch das metallische Werkstück selbst hergestellt ist.
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Vorteilhaft wird in Schritt d) Laser-Auftragsschweißen oder Elektronenstrahl-Auftragsschweißen eingesetzt. Beide Verfahren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie mit einer geringen Heißrissgefahr einhergehen, da die Prozesse derart steuerbar sind, dass nur wenig Wärme in das Werkstück eingebracht wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der metallische Zusatzwerkstoff in Pulverform bereitgestellt. Entsprechend lässt sich der Zusatzwerkstoff problemlos an den Werkstoff des Werkstückes sowie an den Werkstoff des Abdeckelementes anpassen.
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Vorteilhaft wird während der Durchführung des Schrittes d) das Abdeckelement zumindest teilweise angeschmolzen. Dies führt dazu, dass sich das Werkstück, das Abdeckelement und der Zusatzwerkstoff miteinander verbinden, wodurch ein inniger Verbund erzielt wird.
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Vorteilhaft wird das Schweiß- oder Spritzverfahren in Schritt d) automatisiert durchgeführt. Der Begriff „automatisiert“ ist vorliegend dahingehend zu verstehen, dass die Führung des Schweiß- oder Spritzkopfes nicht manuell erfolgt, was mit einer sehr hohen und gleichbleibenden Schweißqualität einhergeht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
- 1 eine perspektivische Teilansicht des freien Endes einer Turbinenschaufel;
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Kronenbodens der in 1 dargestellten Turbinenschaufel, wobei sich eine in dem Kronenboden ausgebildete Durchgangsöffnung bereits in einem präparierten Zustand befindet;
- 3 eine geschnittene perspektivische Teilansicht des in 2 dargestellten Kronenbodens und
- 4 eine Ansicht gemäß 3, welche die präparierte Durchgangsöffnung im verschlossenen Zustand zeigt.
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1 zeigt einen Teil einer Turbinenschaufel 1, die an ihrem freien Ende mit einem Kronenboden 2 versehen ist, der außen von einer auswärts vorstehenden, ringförmig ausgebildeten Wandung 3 begrenzt ist. Durch den Kronenboden 2 erstecken sich mehrere Durchgangsöffnungen, die einen nicht näher dargestellten Hohlraum der Turbinenschaufel 1 mit der Umgebung verbinden und während des Gießens der Turbinenschaufel 1 durch den Einsatz von Gießkernen erzeugt wurden. Vorliegend sind zwei zylindrisch ausgebildete Durchgangsöffnungen 4, die jeweils einen ersten Durchmesser D1 und eine erste Tiefe T1 aufweisen, und eine Durchgangsöffnung 5 mit ovalem Querschnitt vorgesehen, wobei nachfolgend nur noch die zylindrisch ausgebildeten Durchgangsöffnungen 4 betrachtet werden.
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Zum Verschließen einer zylindrischen Durchgangsöffnung 4 wird, wie es in den 2 und 3 anhand der linken Durchgangsöffnung 4 dargestellt ist, die entsprechende Durchgangsöffnung 4 zunächst über einen Teilbereich ihrer Tiefe T1 aufgeweitet, indem ausgehend von der Außenseite des Kronenbodens 2 eine Aussparung 6 in Form einer Bohrung mit einem zweiten Durchmesser D2 und einer zweiten Tiefe T2 eingebracht wird. Dabei ist der zweite Durchmesser D2 größer als der erste Durchmesser D1 und die zweite Tiefe T2 geringer als die erste Tiefe T1. Ferner wird die Aussparung 6 derart konisch angefast, dass ein zylindrischer Aussparungsteil 7 des Durchmessers D2 zwischen dem noch vorhandenen Teil der ursprünglichen Durchgangsöffnung 4 und dem gefasten Aussparungsteil 8 verbleibt, und dass sich der gefaste Aussparungsteil 8 ausgehend von dem Durchmesser D2 bis zum Durchmesser D3 über die Höhe HF der Fase in Auswärtsrichtung aufweitet. Die Tiefe T2 und die Höhe der Fase HF werden dabei geeignet gewählt, wobei die Höhe der Fase bzw. des gefasten Bohrungsteils 8 bevorzugt zumindest dem Zweifachen der Tiefe des zylindrischen Aussparungsteils 7 entspricht.
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Die Herstellung der Aussparung 6 ebenso wie die des gefasten Aussparungsteils 8 wird insbesondere unter Einsatz eines spanenden Fertigungsverfahrens durchgeführt, insbesondere mittels Bohrens oder Fräsens. Die Aussparung 6 und der gefaste Aussparungsteil 8 können mit entsprechenden Werkzeugen nacheinander gefertigt werden. Ebenso ist es denkbar, den zylindrischen Aussparungsteil 7 und den gefasten Aussparungsteil 8 zeitgleich herzustellen, indem ein Bohr- oder Fräswerkzeug verwendet wird, dessen Außenkontur der in 3 dargestellten Kontur des zylindrischen Aussparungsteils 7 und des gefasten Aussparungsteils 8 entspricht.
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In einem weiteren Schritt wird, wie es in 4 dargestellt ist, ein plattenförmiges Abdeckelement 9 der Höhe HF, die der Tiefe des zylindrischen Aussparungsteils 7 entspricht, in den zylindrischen Aussparungsteil 7 eingelegt, wobei die Abmessungen des Abdeckelementes 9 an die Abmessungen des zylindrischen Aussparungsteils 7 angepasst sind. Entsprechend füllt das Abdeckelement 9 den zylindrischen Aussparungsteil 7 im Wesentlichen vollständig aus. Das Abdeckelement 9 ist bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff hergestellt. So kann für das Abdeckelement 9 beispielsweise dasselbe Material wie für die Turbinenschaufel 1 verwendet werden.
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In einem letzten Schritt wird der gefaste Aussparungsteil 8 mit einem metallischen Zusatzwerkstoff 10 unter Einsatz eines auftragenden Schweiß- oder Spritzverfahrens aufgefüllt. Hierbei kommen insbesondere Laser-Auftragsschweißen oder Elektronenstrahl-Auftragsschweißen unter Verwendung von pulverförmigem Zusatzwerkstoffs 10 zum Einsatz. Während des Auftragsschweißens oder -spritzens wird insbesondere die obere Fläche des Abdeckelements 9 angeschmolzen, wodurch ein fester Verbund bestehend aus Kronenboden 2, Abdeckelement 9 und Zusatzwerkstoff 10 erzielt wird.
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Das Auftragsschweißen oder -spritzen findet bevorzugt automatisiert statt. Mit anderen Worten wird der Schweiß- oder Spritzkopf während des Auftragens des Zusatzwerkstoffs 10 nicht manuell geführt.
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Ein wesentlicher Vorteil des zuvor beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass der Zusatzwerkstoff 10 dank des Abdeckelementes 9 weder im geschmolzenen noch im ungeschmolzenen Zustand durch den verbleibenden Teil der Durchgangsöffnung 4 in den Hohlraum der Turbinenschaufel 1 gelangen kann. Entsprechend ist ein Schweißen oder Spritzen unter Verwendung von insbesondere pulverförmigem Zusatzmaterial ohne weiteres möglich. Auch können zum Auftragsschweißen bzw. -spritzen Verfahren eingesetzt werden, bei denen die Gefahr einer Bildung von Heißrissen sehr gering ist, was mit einer langen Lebensdauer der Turbinenschaufel 1 einhergeht. Darüber hinaus ist eine Automatisierung des Schweiß- bzw. Spritzverfahrens möglich, was eine gleichbleibend hohe Fertigungsqualität nach sich zieht.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere muss die Durchgangsöffnung 4 nicht in einem Kronenboden 2 einer Turbinenschaufel 1 ausgebildet sein. Vielmehr können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Durchgangsöffnungen verschlossen werden, die in anderen Werkstücken ausgebildet sind. Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass das unter Bezugnahme auf die Figuren beschriebene Verfahren auch auf Durchgangsöffnung angewendet werden kann, die keine zylindrische sondern beispielsweise eine längliche oder andere Form aufweisen. In diesem Fall werden dann auch die Formen der Aussparung 6 und des Abdeckelementes 9 entsprechend angepasst.
