DE19630703C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Reparaturschweissen von Teilen aus Ni-Basis-Legierungen sowie Anwendung des Verfahrens und Vorrichtung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Reparaturschweissen von Teilen aus Ni-Basis-Legierungen sowie Anwendung des Verfahrens und Vorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zum Reparaturschweißen von Teilen aus Ni- Basis-Legierungen, wobei an ein zu reparierendes Bauteil ein Reparaturteil angeschweißt wird.
Bei Verschleiß unterworfenen Bauteilen aus Ni-Basis-Legierungen, wie Turbinenlaufschaufeln von Turbinen, Turbo-Maschinen und insbesondere von Strahltriebwerken besteht ein fortlau­ fender Bedarf nach Erneuerung der Bauteile nach Verschleiß. Aus Rentabilitätsgründen wird diese Erneuerung häufig auf dem Wege von Reparatur durch Anschweißen von Reparaturtei­ len an das verschlissene Bauteil anstelle durch vollständigen Austausch des Bauteils, etwa einer Turbinenlaufschaufel vorgenommen.
Ni-Basis-Legierungen, ein häufig zur Herstellung von Turbinenlaufschaufeln verwendetes Mate­ rial, gilt als schwer oder gar nicht schweißbar, so daß die Reparatur von Bauteilen, insbesonde­ re von Turbinenlaufschaufeln aus diesem Material problematisch ist. Dies umso mehr, als daß an derartige Bauteile höchste Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit und Zuverlässigkeit der vorgenommenen Reparaturmaßnahme, also etwa der Schweißverbindung zwischen dem Bauteil und dem angeschweißten Reparaturteil gestellt werden.
Bisher wird das Reparaturschweißen von Ni-Legierungen mittels EB-, Laser-, WIG- oder Plas­ maschweißen unter gleichzeitiger Vorwärmung der zu schweißenden Teile vorgenommen, wenn überhaupt. Bei den heute üblichen Reparaturschweißverfahren wird beispielsweise die Spitze einer Turbinenlaufschaufel bei großen Abmessungen in mehreren Bahnen und Lagen aufgeschweißt. Da eine nachträgliche Angleichung an das Blattprofil notwendig ist, muß dabei mit großen Raupen gearbeitet werden. Die Vorgehensweise ist umständlich und unpraktisch.
Aus der DE 41 41 927 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reparaturschweißen von Teilen aus Superlegierungen bekannt, bei dem an ein zu reparierendes Bauteil ein Reparatur­ teil angeschweißt wird, wobei sich bei schlecht induktiv koppelnden Materialien, insbesondere wenn die Induktionsspulen nicht auf das Bauteil angepaßt sind, ein Temperaturgradient im Arbeitsbereich einstellt. Zudem muß innerhalb der Spulen gearbeitet werden, wodurch eine aufwendige Halterung des Bauteils/Reparaturteils notwendig ist und die Handhabung des Schweißgeräts Schwierigkeiten bereitet.
Die DE-OS 22 09 782 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von dünnen, planen Körpern mittels eines planen Suszeptors, wobei bei der Abscheidung dünner Halbleiterschichten auf dem Suszeptor, der auf einer der Beschichtungsseite abgewandten Seite Nuten aufweist, geringe laterale Temperaturgradienten erzielt werden sollen. Es wird kein Hinweis darauf gegeben, wie ein großer, voluminöser Körper mit einer genau deffinierten Kon­ tur in einem für ein Schweißgerät leicht zugänglichen Bereich schnell erwärmt werden kann, ohne das Temperaturgradienten in die Tiefe des Körpers auftreten.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtung zum Reparaturschweißen von Teilen aus Ni-Basis-Legierungen anzugeben, mit deren Hilfe das Reparaturschweißen einfach und praktisch durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch das Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebe­ nen Merkmalen gelöst.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Reparaturschweißen von Teilen aus Ni-Basis- Legierungen, bei dem an ein zu reparierendes Bauteil ein Reparaturteil angeschweißt wird, geschaffen, enthaltend die Verfahrensschritte,
  • a) daß das zu reparierende Bauteil in einem der Bauteilform angepaßten und diese vollständig umgebenden induktiv durchströmbaren Suszeptor angeordnet wird, welcher in thermischem Kontakt mit dem Bauteil steht,
  • b) daß ein an das zu reparierende Bauteil angepaßtes Reparaturteil an das zu reparie­ rende Bauteil angesetzt wird,
  • c) daß das zu reparierende Bauteil und/oder das Reparaturteil durch induktive Erwär­ mung des Suszeptors vorgewärmt wird, und
  • d) daß das Reparaturteil an das zu reparierende Bauteil angeschweißt wird.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß auf einfache Weise eine zuverlässi­ ge Reparaturschweißung von Teilen aus Ni-Legierungen vorgenommen werden kann.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß vor, während und nach dem Schweißen eine exakte Wärmeführung erreichbar ist und somit Diskontinuitäten im Temperaturverlauf und entsprechend negative Auswirkung auf das Bauteilgefüge vermeidbar ist.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Schweißen in Schritt (d) unter Zuführung von Schutzgas zur Schweißstelle vorgenommen.
Gemäß einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, daß in Schritt (a) das zu reparierende Bauteil in einem dieses umgebenden und an dessen Form angepaßten Suszeptor angeordnet wird.
Gemäß einer anderen Weiterbildung ist es vorgesehen, daß das zu reparierende Bauteil durch den Suszeptor gehalten wird.
Das Schweißen in Schritt (d) kann mittels EB-, Laser-, WIG- oder Plasmaschweißen erfolgen.
Vorzugsweise wird das Schweißen in Schritt (d) als Stichlochschweißen vorgenommen. Dies hat den Vorteil, daß das Schweißen ohne Schweißzusatz erfolgt, was den Schweißprozeß vereinfacht.
Von besonderem Vorteil ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Reparieren von Turbinen­ laufschaufeln, insbesondere von Strahltriebwerken.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Reparatur von Turbinenlaufschaufeln, insbesondere solcher von Strahltriebwerken, ein vorge­ formtes Reparaturteil verwendet, das einen an das Endprofil der Turbinenschaufel angepaßten Schlitz zur Aufnahme des Schaufelendes aufweist. Dies ermöglicht ein kostengünstiges Repa­ raturschweißen einer großen Anzahl von Turbinenschaufeln mit gleicher hoher Qualität.
Vorzugsweise wird hierfür ein Reparaturteil verwendet, das eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke aufweist. Dies ist von Vorteil, weil es ein Schweißen mit konstanten Schweißparametern im Material gewährleistet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, daß das angeschweißte Reparaturteil nach dem Schritt (d) durch Oberflächenbearbeitung an das Profil des zu reparierenden Bauteils angeglichen wird.
Vorrichtungsmäßig wird die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Reparaturschweißen mit den im Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Reparaturschweißen von Teilen aus Ni-Basis- Legierungen, mittels der an ein zu reparierendes Bauteil ein Reparaturteil angeschweißt wird, geschaffen, enthaltend
  • - einen induktiv durchströmbaren Suszeptor, der das zu reparierende Bauteil ther­ misch kontaktiert, vollständig umgibt und an dessen Form angepaßt ist,
  • - eine Einrichtung zur Erzeugung eines induktiven Flusses durch den Suszeptor,
  • - eine Schweißeinrichtung zum Verschweißen von zu reparierendem Bauteil und Repa­ raturteil.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß sie auf einfache Weise handhabbar ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß mit ihr Reparaturschweißungen mit gleichbleibend hoher Qualität und Zuverlässigkeit ausführbar sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Suszeptor das zu repa­ rierende Bauteil umgibt und an dessen Form angepaßt ist, so daß ein guter thermischer Kon­ takt zwischen Bauteil und Suszeptor besteht, wobei der Bereich des zu reparierenden Bauteils, wo das Reparaturteil anzuschweißen ist, von dem Suszeptor freigelassen wird. Der Vorteil hiervon ist, daß das Bauteil durch den Suszeptor gleichmäßig vorgewärmt wird.
Gemäß einer anderen Weiterbildung ist es vorgesehen, daß der Suszeptor eine zweiteilige Form ist, die zur Aufnahme des zu reparierenden Bauteils geöffnet werden kann.
Die Einrichtung zur Erzeugung des induktiven Flusses ist vorzugsweise eine den Suszeptor umgebende Induktionswicklung.
Die Schweißeinrichtung ist vorzugsweise ein Schweißbrenner.
Die Schweißeinrichtung kann eine Einrichtung zum EB-, Laser-, WIG- oder Plasmaschweißen sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Suszeptor eine der Schweißeinrichtung gegenüberliegende Anlagefläche für das zu reparie­ rende Bauteil und/oder das Reparaturteil aufweist. Dies hat den Vorteil, daß das Bauteil im Bereich der Schweißstelle gut vorgewärmt wird.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, daß die Vorrichtung zwei gegenüberliegende, das zu reparierende Bauteil und das Reparaturteil von zwei Seiten mit Energie beaufschlagende Schweißbrenner aufweist. Der Vorteil hiervon ist, daß innerhalb des Schweißbereichs praktisch einheitliche Schweißparameter vorliegen, so daß beste Schweißergebnisse erzielt werden.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß in dem Suszeptor ein oder mehrere Thermofühler zum Messen der Temperatur des zu reparierenden Bauteils angeordnet sind. Dies ist von Vorteil, da damit eine Vorwärmung des zu reparierenden Bauteils genau auf eine vorgegebene Temperatur möglich ist, indem der induktive Fluß durch den Sus­ zeptor entsprechend geregelt wird.
Gemäß einer anderen Weiterbildung ist es vorgesehen, daß die Vorrichtung Mittel zur Zufüh­ rung von Schutzgas zu der Schweißstelle aufweist.
Diese Mittel zur Zuführung von Schutzgas sind vorzugsweise durch in dem Suszeptor vorgese­ hene Gaszuführungskanäle gebildet.
Von besonderem Vorteil ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Repa­ raturschweißen von Turbinenlaufschaufeln, insbesondere von Strahltriebwerken.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht im Querschnitt von einer Vorrichtung zum Reparaturschweißen von Teilen aus Ni-Basis-Legierungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung.
In Fig. 1 bedeutet Bezugszeichen 1 ein zu reparierendes Bauteil, etwa eine Turbinenlauf­ schaufel eines Strahltriebwerks, deren Profil in Fig. 2 ersichtlich ist. Das zu reparierende Bauteil 1 wird von einem Suszeptor 3 gehalten, der das zu reparierende Bauteil 1 umgibt und an des­ sen Form angepaßt ist, so daß ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Bauteil 1 und dem Suszeptor 3 besteht. Der Suszeptor 3 besteht aus einem Material hoher magnetischer Suszepti­ bilität und ist von einer Einrichtung zur Erzeugung eines induktiven Flusses durch den Suszep­ tor 3 umgeben, die durch eine den Suszeptor 3 umgebende Induktionswicklung 5 gebildet ist. Zwischen der Induktionswicklung 5 und dem Suszeptor 3 ist eine Isolierung 4 aus Keramikma­ terial angeordnet, welche die Induktionswicklung 5 von dem Suszeptor 3 thermisch und elek­ trisch isoliert. Der Suszeptor 3 ist als eine zweiteilige Form ausgebildet, die zur Aufnahme des zu reparierenden Bauteils 1, also bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Turbinenlauf­ schaufel, geöffnet werden kann.
Innerhalb des Suszeptors 3 sind, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, eine Anzahl von Thermofühlern 7 angeordnet, welche an der Oberfläche der für die Aufnahme des Bauteils 1 vorgesehenen Aussparung angeordnet sind, so daß sie in thermischem Kontakt mit dem Bau­ teil 1 stehen. Die Thermofühler 7 dienen zum Messen der Temperatur des zu reparierenden Bauteils 1. Mittels der gemessenen Temperatur wird der Strom durch die Induktionswicklung 5 so geregelt, daß das Bauteil 1 im Bereich der vorzunehmenden Schweißung eine gewünschte vorgegebene Temperatur annimmt.
Der Suszeptor 3 weist an seinem dem zu reparierenden Ende des Bauteils 1 zugewandten Seite eine Anlagefläche 3a auf, an welcher das an das Bauteil 1 anzuschweißende Re­ paraturteil 2 anliegt. Das Reparaturteil 2 ist ein vorgeformtes Teil, das einen an das Endprofil des zu reparierenden Bauteils 1 angepaßten Schlitz zur Aufnahme des Endes desselben auf weist. Im Bereich der Schweißstelle zwischen dem Bauteil 1 und dem Reparaturteil 2 befindet sich eine Schweißeinrichtung in Form eines Schweißbrenners 6.
In dem Suszeptor 3 sind Gaszuführungskanäle 8 ausgebildet, die zur Zuführung von Schutzgas in den Bereich der Schweißstelle zwischen dem Bauteil 1 und dem Reparaturteil 2 dienen.
Zum Anschweißen des Reparaturteils 2 an das Bauteil 1 wird zunächst das Bauteil 1 in dem Suszeptor 3 angeordnet, wobei es in einen engen thermischen Kontakt mit diesem gelangt.
Dann wird das Reparaturteil 2 an das zu reparierende Bauteil 1 angesetzt. Durch Zuführung von elektrischem Strom zu der Induktionswicklung 5 wird der Suszeptor 3 von einem starken magnetischen Feld durchströmt, wodurch der Suszeptor 3 erwärmt wird. Das Erwärmen des Suszeptors wird über die mittels der Thermofühler 7 gemessene Temperatur geregelt. Bei Er­ reichen einer für den Schweißvorgang optimalen gewünschten vorgegebenen Temperatur wird unter gleichzeitiger Zuführung von Schutzgas durch die Schutzgaszuführungskanäle 8 das Reparaturteil 2 mittels des Schweißbrenners 6 an das Bauteil 1 angeschweißt.
Vorzugsweise erfolgt das Schweißen als Stichlochschweißen, so daß die Verwendung eines Schweißzusatzes nicht erforderlich ist.
Das Reparaturteil hat eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke.
Das angeschweißte Reparaturteil wird dann durch Oberflächenbearbeitung an das Profil des zu reparierenden Bauteils angeglichen.

Claims (20)

1. Verfahren zum Reparaturschweißen von Teilen aus Superlegierungen insbesondere aus Ni-Basis-Legierungen, bei dem an ein zu reparierendes Bauteil (1) ein Reparatur­ teil (2) angeschweißt wird, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß das zu reparierende Bauteil (1) in einem der Bauteilform angepaßten und diese vollständig umgebenden induktiv durchströmbaren Suszeptor (3) angeordnet wird, welcher in thermischem Kontakt mit dem Bauteil (1) steht,
  • b) daß ein an das zu reparierende Bauteil (1) angepaßtes Reparaturteil (2) an das zu reparierende Bauteil (1) angesetzt wird,
  • c) daß das zu reparierende Bauteil (1) und/oder das Reparaturteil durch induktive Erwärmung des Suszeptors (3) vorgewärmt wird, und
  • d) daß das Reparaturteil an das zu reparierende Bauteil (1) angeschweißt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißen in Schritt (d) unter Zuführung von Schutzgas zur Schweißstelle erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reparie­ rende Bauteil (1) durch den Suszeptor (3) gehalten wird,
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißen in Schritt (d) mittels EB-, Laser-, WIG- oder Plasmaschweißen erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißen in Schritt (d) als Stichlochschweißen erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorgeformtes Repa­ raturteil (2) verwendet wird, das einen an das Endprofil der Turbinenschaufel angepaß­ ten Schlitz zur Aufnahme des Turbinenschaufelendes aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reparaturteil eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das angeschweißte Reparaturteil nach dem Schritt (d) durch Oberflächenbearbeitung an das Profil des zu reparierenden Bauteils (1) angeglichen wird.
9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Reparieren von 1 Turbinenschaufeln, insbesondere von Strahltriebwerken.
10. Vorrichtung zum Reparaturschweißen von Teilen aus Ni-Basis-Legierungen, mittels der an ein zu reparierendes Bauteil (1) ein Reparaturteil (2) angeschweißt wird, ge­ kennzeichnet durch
  • 1. einen induktiv durchströmbaren Suszeptor (3), der das zu reparierende Bauteil (1) thermisch kontaktiert, vollständig umgibt und an dessen Form angepaßt ist,
  • 2. eine Einrichtung (5) zur Erzeugung eines induktiven Flusses durch den Suszeptor (3),
  • 3. eine Schweißeinrichtung (6) zum Verschweißen von zu reparierendem Bauteil (1) und Reparaturteil (2).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Suszeptor (3) eine zweiteilige Form ist, die zur Aufnahme des zu reparierenden Bauteils (1) geöffnet wer­ den kann.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zur Erzeugung des induktiven Flusses eine den Suszeptor (3) umgebende Induktions­ wicklung (5) ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißeinrichtung (6) ein Schweißbrenner ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißeinrichtung (6) eine Einrichtung zum EB-, Laser-, WIG- oder Plasmaschwei­ ßen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Suszeptor (3) eine der Schweißeinrichtung (6) gegenüberliegende Anlagefläche (3a) für das zu reparierende Bauteil (1) und/oder das Reparaturteil (2) aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zwei gegenüberliegende, das zu reparierende Bauteil (1) und das Repa­ raturteil (2) von zwei Seiten beaufschlagende Schweißbrenner aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Suszeptor (3) ein oder mehrere Thermofühler (7) zum Messen der Temperatur des zu reparierenden Bauteils (1) angeordnet sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel zur Zuführung von Schutzgas zu der Schweißstelle aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zuführung von Schutzgas durch in dem Suszeptor vorgesehene Gaszuführungskanäle (8) gebildet sind.
20. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19 zum Reparatur­ schweißen von Turbinenschaufeln, insbesondere von Strahltriebwerken.
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