DE19631038A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Wabendichtungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Wabendichtungen, die aus einem Trägerteil und einem darauf angebrachten Wabenelement bestehen. Insbe­ sondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer aus einem Trä­ gerteil und einem darauf angebrachten Wabenelement bestehenden Wabendichtung mit vorgegebener Innenkontur und Außenkontur und einer endgültigen Dicke, so­ wie eine Vorrichtung zum Heftpunktschweißen eines Wabenelements auf einem Trägerteil mittels einer Schweißelektrode zur Herstellung einer derartigen Waben­ dichtung.

Wabendichtungen, die aus einem Trägerteil und einem darauf angebrachten, eine große Anzahl von Einzelwaben aufweisenden Wabenelement bestehen, werden unter anderem zur Abdichtung der Rotoren von Turbo-Maschinen gegenüber dem den Rotor umgebenden Gehäuse verwendet, so daß zwischen Rotor und Gehäuse ein Spalt von möglichst minimaler Breite auftritt. Insbesondere werden Waben­ dichtungen zur Abdichtung des Spalts am äußeren Umfang der Schaufeln des Axi­ alrotors von Strahltriebwerken gegenüber dem Triebwerksgehäuse verwendet. Sol­ che Wabendichtungen sind in Form von einzelnen Segmenten eines Zylinderman­ tels aufgebaut, die beim Einbau in das Triebwerksgehäuse zu einem den Rotor umgebenden zylindermantelförmigen Ganzen zusammengesetzt werden.

Wabendichtungen können aus Kunststoff oder aus Metall aufgebaut sein. Die vor­ liegende Erfindung betrifft aus Metall aufgebaute Wabendichtungen.

Bisher werden aus Metall aufgebaute Wabendichtungen nach dem vorliegenden Verfahren hergestellt: Zuerst wird ein in Richtung der Dicke mit einem geringen Aufmaß von z. B. 0,5 mm bemessenes Wabenelement durch Heftpunktschweißen auf ein Trägerteil angeheftet. Als nächstes wird durch Löten eine endgültige Befe­ stigung des Wabenelements an dem Trägerteil vorgenommen. Danach erfolgt ein Schleifen der Wabenoberfläche auf das endgültige Maß und die endgültige Innen­ kontur der Oberfläche des Wabenelements. Schließlich werden die durch das Schleifen hervorgerufenen Grate an den einzelnen Waben des Wabenelements mit­ tels Hochdruckwasserentgraten entfernt. Diese Verfahrensweise hat sich bisher als erforderlich gezeigt, um die beim Heftpunktschweißen auftretenden Oberflächen­ veränderungen an dem Wabenelement in Form von Einbränden durch das Schlei­ fen der Wabenoberfläche zu entfernen. Das herkömmliche Verfahren ist arbeitsauf­ wendig und daher kostenintensiv.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer Wabendich­ tung anzugeben, das mit geringerem Arbeitsaufwand auskommt und dennoch die Herstellung einer Wabendichtung mit einer präzisen Innenkontur gestattet. Weiter­ hin ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Heftpunktschweißen eines Wabenelements anzugeben, welche das Heftpunktschweißen ohne abträgliche Oberflächenveränderungen des Wabenelements gestattet.

Diese Aufgabenstellung wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merk­ malen des Anspruchs 7 gelöst.

Gemäß der Erfindung sind bei einem Verfahren zum Herstellen einer aus einem Trägerteil und einem darauf angebrachten Wabenelement bestehenden Wabendich­ tung mit vorgegebener Innenkontur und Außenkontur und endgültiger Dicke D die folgenden Verfahrensschritte vorgesehen:

• a) Positionieren eines Trägerteils mit vorgegebener Dicke d₁ auf einer der Au­ ßenkontur des Trägerteils angepaßten Auflagevorrichtung;
• b) Aufsetzen eines Wabenelements mit vorgegebener Dicke d₂ und einer der endgültigen Innenkontur der Wabendichtung entsprechenden Innenkontur auf dem Trägerteil, wobei die Summe d₁ + d₂ der endgültigen Dicke D der Wabendichtung entspricht;
• c) Anheften des Wabenelements auf dem Trägerteil mittels einer Innenkontur des Wabenelements folgend an das Wabenelement angesetzten Schweißelektrode durch Punktschweißen;
• d) Zuführen von Schutzgas an die Oberfläche des Wabenelements an der Schweißstelle während des Punktschweißens;
• e) endgültiges Befestigen des Wabenelements an dem Trägerteil durch Löten.

Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß das Schleifen der Wabenoberfläche und das nachfolgende Hochdruckwasserentgraten entfallen kann, so daß bereits nach dem Löten eine im wesentlichen fertiggestellte Wabendichtung vorliegt.

Gemäß einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, daß in Schritt c) die Schweißelektrode so an das Wabenelement angesetzt wird, daß die Elektrodenachse beim Schweißen stets senkrecht zur Innenkontur des Wa­ benelements orientiert ist. Dies ist von Vorteil, weil dadurch stets ein gutes Schweißergebnis ohne Oberflächenveränderungen in Form von Einbränden oder Deformierung des Wabenelements erreichbar ist.

Gemäß einer anderen Ausbildung ist es vorgesehen, daß das Wabenelement beim Schweißen mittels der Elektrode mit einem Anpreßdruck auf das Trägerteil gepreßt wird, der so groß ist, daß das Wabenelement satt an dem Trägerteil anliegt, ohne verformt zu werden. Eine derartige Bemessung des Anpreßdrucks ist von Vorteil, um eine hohe Genauigkeit der fertigen Wabendichtung zu erreichen.

Gemäß einer Weiterbildung ist es vorgesehen, daß in Schritt d) das Wabenelement mit Argon als Schutzgas beaufschlagt wird.

Gemäß noch einer anderen Weiterbildung ist es vorgesehen, daß das Löten durch Hochtemperaturvakuumlöten erfolgt.

Von besonderem Vorteil ist das Verfahren zum Herstellen von zylindrischen Wa­ bendichtungen für Turbo-Maschinen, insbesondere für Strahltriebwerke.

Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Heftpunktschweißen eines Wa­ benelements auf einem Trägerteil mittels einer Schweißelektrode zur Herstellung einer Wabendichtung geschaffen. Diese enthält eine Auflagevorrichtung, die an die Außenkontur des Trägerteils angepaßt ist, zur Positionierung des Trägerteils in einer vorgegebenen Lage, eine Elektrodenpositionierungseinrichtung zum Ansetzen der Schweißelektrode in einer der Innenkontur des auf dem Trägerteil aufgesetzten Wabenelements folgenden Orientierung, sowie eine Schutzgaszuführungseinrich­ tung zur Zuführung von Schutzgas an die Schweißstelle. Der Vorteil der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ist es, daß mit dieser ein Heftpunktschweißen von Wa­ bendichtungen ohne Oberflächenveränderungen wie Einbrände oder Deformierun­ gen möglich ist, so daß die endgültige Innenkontur des Wabenelements bereits nach dem Heftpunktschweißen vorliegt.

Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, daß die Elektrodenpositionierungseinrichtung ein Ansetzen der Schweißelektrode mit senkrecht zur Innenkontur des Wabenelements orientierter Elektrodenachse gestattet. Hierdurch wird vorteilhafterweise die Gefahr für Oberflächenveränderun­ gen weiter vermindert.

Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, daß die Elektrodenpositionierungseinrichtung eine Kreuzgelenkanordnung zum Po­ sitionieren der Schweißelektrode senkrecht zur Innenkontur des Wabenelements aufweist. Eine solche Kreuzgelenkanordnung gestattet vorteilhafterweise eine opti­ male Anpassung der Schweißelektrode an die Innenkontur des Wabenelements.

Gemäß einer anderen Weiterbildung ist es vorgesehen, daß die Elektrodenpositio­ nierungseinrichtung Mittel zum Einstellen des Anpreßdrucks enthält, mit dem das Wabenelement an das Trägerteil angepreßt wird. Dies ist von Vorteil, um es zu ermöglichen, daß das Wabenelement mit einem solchen Anpreßdruck an das Trä­ gerteil gepreßt wird, daß das Wabenelement satt an dem Trägerteil anliegt, ohne verformt zu werden.

Gemäß einer anderen Weiterbildung ist es vorgesehen, daß die Schweißelektrode einen austauschbaren Elektrodeneinsatz aus Kupfer aufweist.

Gemäß noch einer anderen Weiterbildung ist es vorgesehen, daß der Elektroden­ einsatz an die Wabenoberfläche angepaßt ist.

Gemäß einer anderen Weiterbildung ist es vorgesehen, daß die Kreuzgelenkanord­ nung ein elastisches Gummilagerelement enthält. Hierdurch wird vorteilhafterweise ein schonendes Ansetzen der Schweißelektrode an der Oberfläche des Wabenele­ ments erreicht.

Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgese­ hen, daß die Auflagevorrichtung zur Aufnahme des zylindrisch geformten Träger­ teils vorgesehen ist.

Schließlich ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Vorrichtung zur Herstel­ lung von zylindrischen Wabendichtungen für Turbo-Maschinen, insbesondere für Strahltriebwerke verwendet wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in der Frontansicht eine Vorrichtung zum Heftpunktschweißen einer Wabendichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie sie bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann; und

Fig. 2 eine Seitenansicht der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in der Frontansicht bzw. in der Seitenansicht eine Vor­ richtung zum Heftpunktschweißen einer aus einem Trägerteil 1 und einem darauf angebrachten Wabenelement 2 bestehenden Wabendichtung. Die Vorrichtung ent­ hält eine Auflagevorrichtung 3, welche der Positionierung des Trägerteils 1 in ei­ ner genau definierten Lage dient. Die Auflagevorrichtung 3 umfaßt eine Basis 3a und eine Anzahl von darauf montierten Stützelementen 3b, welche an die Außen­ kontur des Trägerteils 1 angepaßt sind.

Weil die Wabendichtung die Form eines Segments eines Zylindermantels hat, hat das Trägerteil 1 wie auch das darauf angebrachte Wabenelement 2 einen kreisbo­ genförmigen Querschnitt. Dementsprechend sind die Stützelemente 3b so bemes­ sen und an ihrer Oberseite so geformt, daß die kreisbogenförmige Außenkontur des Trägerteils 1 satt abgestützt wird.

Über der Auflagevorrichtung 3 ist eine Elektrodenpositionierungseinrichtung 4 vor­ gesehen, die eine Anordnung von Gelenken 4a, 4b enthält und an deren Unterseite eine Schweißelektrode in Form eines Elektrodeneinsatzes 5 angebracht ist. Die dadurch gebildete Kreuzgelenkanordnung 4a, 4b ist an einer Schubstange 8 mon­ tiert, die mittels eines in der Zeichnung nicht dargestellten Vorschubmechanismus in der Höhe verfahrbar ist. Weiterhin umfaßt die Elektrodenpositionierungseinrich­ tung Gummilagerelemente 9, welches eine elastische Lagerung des Elektrodenein­ satzes 5 bezüglich der Kreuzgelenkanordnung 4a, 4b bewirkt. Die Elektrodenposi­ tionierungseinrichtung 4 und die Auflagevorrichtung 3 sind relativ zueinander so beweglich, daß der Elektrodeneinsatz 5 an jeder Stelle so an die Innenkontur des Wabenelements 2 angesetzt werden kann, daß die Achse der Elektrode senkrecht zur Innenkontur des Wabenelements 2 orientiert ist und damit stets ein gleichblei­ bender, satter Kontakt des Elektrodeneinsatzes 5 an der Oberfläche des Wabenele­ ments 2 sichergestellt ist, ohne daß die Waben verformt werden. Diese Anpassung erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch translatorisches Verfahren der Elektrodenpositionierungseinrichtung 4 in der horizontalen X-Y-Ebene und durch Schwenken des Elektrodeneinsatzes 5 mittels der Kreuzgelenke 4a, 4b so, daß die Achse des Elektrodeneinsatzes 5 mit der Radiusrichtung an der Stelle des Schweißpunktes zusammenfällt. Für den Schweißvorgang wird die Elektrodenposi­ tionierungseinrichtung 4 zusammen mit dem Elektrodeneinsatz 5 mittels der Schubstange 8 auf das Wabenelement 2 abgesenkt und mit dessen Oberfläche in Kontakt gebracht. Der beim Schweißvorgang auf die Oberfläche des Wabenele­ ments 2 ausgeübte Anpreßdruck wird so bemessen, daß das Wabenelement 2 satt an dem Trägerteil 1 anliegt, ohne verformt zu werden, und daß ein guter elektri­ scher Kontakt für den Schweißvorgang gegeben ist. Das Bemessen des Anpreß­ drucks erfolgt mittels einer ein in der (nicht dargestellten) Vorschubeinrichtung enthaltenen Meßeinrichtung, welche in üblicher Weise eine geeignete Druckmeß­ einrichtung enthält, wie eine Meßdose o. ä.

Beidseits des Elektrodeneinsatzes 5 sind Schutzgasdüsen 6, 7 angeordnet, welche eine Schutzgaszuführungseinrichtung zur Zuführung von Schutzgas vor und wäh­ rend des Punktschweißens zu der Schweißstelle dienen. Als Schutzgas wird vor­ zugsweise Argon verwendet, welches besonders gut geeignet ist, um eine Schwei­ ßung ohne Oberflächenveränderungen an dem Wabenelement 2 zu erreichen.

Der Elektrodeneinsatz 5 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Kupfer gefertigt und in seiner Form an die Oberflächenstruktur des Wabenelements 2 an­ gepaßt. Die Breite des Elektrodeneinsatzes ist gleich der Wabenbreite minus halbe Zellengröße. Die Länge ist durch die Bildung eines guten elektrischen Kontaktes begrenzt. Der Radius r des Elektrodeneinsatzes ist immer geringfügig kleiner als der Radius R des Wabenelements und die Entkanten sind stark verrundet. Der hochglanzpolierte Elektrodeneinsatz 5 ist austauschbar, so daß er beim Auftreten von Verschleißspuren leicht ersetzt werden kann.

Mit der in Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung zum Heftpunktschweißen der Wabendichtung kann ein wesentlicher Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Wabendichtungen durchgeführt werden, wie sie beispielsweise zur Abdichtung am Umfang der Schaufeln von Axialrotoren von Turbo-Maschinen, insbesondere Strahltriebwerken verwendet werden. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Wabendichtung aus einem Trägerteil 1 und einem darauf angebrachten Wabenelement 2 hergestellt. Die Wabendichtung soll im Endzustand eine vorgegebene Innenkontur und eine vorgegebene Außen­ kontur und eine Dicke D aufweisen. Die Außenkontur der Wabendichtung ist durch die Außenkontur des Trägerteils 1 gegeben. Die Innenkontur und die end­ gültige Dicke D der Wabendichtung ist bei dem erfindungsgemäßen Her­ stellungsverfahren durch das Wabenelement 2 vorgegeben, das bereits auf sein endgültiges Maß gearbeitet ist. Das Wabenelement 2 hat eine Dicke d₂, welche so bemessen ist, daß sie zusammen mit der Dicke d₁ des Trägerteils 1 die endgültige gewünschte Dicke D = d₁ + d₂ der Wabendichtung ergibt.

Zur Herstellung der Wabendichtung wird zunächst das Trägerteil 1 auf der Aufla­ gevorrichtung 3 der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung zum Heftpunkt­ schweißen positioniert. Dann wird das Wabenelement 2 auf das Trägerteil 1 aufge­ setzt, und zwar in seiner genau definierten Lage bezüglich des Trägerteils 1. So­ dann wird das Wabenelement 2 unter gleichzeitiger Zuführung von Schutzgas an die Oberfläche des Wabenelements 2 mittels der Schweißelektrode 5 angeheftet. Das Anheften erfolgt an einer entsprechend der Größe und Form der Wabendich­ tung festgelegten Anzahl von Heftpunkten. Die Anzahl der Heftpunkte ergibt sich aus der Wabenlänge, da Elektrodenauflage an Elektrodenauflage gelegt wird. Die Wabenbreite ist gleich der Elektrodenbreite minus halbe Zellengröße. Nach dem Anheften des Wabenelements wird dieses der Heftpunktschweißvorrichtung ent­ nommen und es erfolgt sodann ein endgültiges Befestigen des Wabenelements 2 an dem Trägerteil 1 durch Löten, welches vorzugsweise durch Hochtemperaturva­ kuumlöten erfolgt. Abgesehen von möglicherweise noch folgenden Endbehand­ lungsvorgängen ist die Wabendichtung nach dem Löten fertiggestellt, insbesondere was seine endgültige Dimensionierung betrifft. Insbesondere entfallen die bisher nach dem Löten noch erforderlichen weiteren Herstellungsvorgänge des Schleifens der Wabenoberfläche auf das Endmaß und das danach erforderliche Entgraten der Waben mittels einer Hochdruckwasserentgratung.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Herstellung von Wabendichtun­ gen wesentlich vereinfacht und kann damit deutlich kostengünstiger als bisher durchgeführt werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum Herstellen einer aus einem Trägerteil (1) und einem darauf angebrachten Wabenelement (2) bestehenden Wabendichtung mit vorgege­ bener Innenkontur und Außenkontur und einer endgültigen Dicke D, mit den Verfahrensschritten:

• a) Positionieren eines Trägerteils (1) mit vorgegebener Dicke d₁ an einer der Außenkontur des Trägerteils (1) angepaßten Auf­ lagevorrichtung (3);
• b) Aufsetzen eines Wabenelements (2) mit vorgegebener Dicke d₂ und einer der endgültigen Innenkontur der Wabendichtung entsprechenden Innenkontur auf dem Trägerteil (1), wobei die Sum­ me d₁ + d₂ der endgültigen Dicke D der Wabendichtung entspricht;
• c) Anheften des Wabenelements (2) auf dem Trägerteil (1) mittels ei­ ner der Innenkontur des Wabenelements folgend an das Waben­ element (2) angesetzten Schweißelektrode (5) durch Punktschwei­ ßen;
• d) Zuführen von Schutzgas an die Oberfläche des Wabenelements an der Schweißstelle während des Punktschweißens;
• e) endgültiges Befestigen des Wabenelements (2) an dem Trägerteil (1) durch Löten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) die Schweißelektrode (5) so an das Wabenelement (2) angesetzt wird, daß die Elektrodenachse beim Schweißen stets senkrecht zur Innenkontur des Wa­ benelements (2) orientiert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wa­ benelement (2) beim Schweißen mittels der Elektrode (5) mit einem An­ preßdruck auf das Trägerteil (1) gepreßt wird, der so groß ist, daß das Wa­ benelement (2) satt an dem Trägerteil (1) anliegt, ohne verformt zu werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt d) das Wabenelement (2) mit Argon als Schutzgas beaufschlagt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Löten in Schritt e) durch Hochtemperaturvakuumlöten erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zum Herstellen von zylindermantelförmigen Wabendichtun­ gen für Turbo-Maschinen, insbesondere für Strahltriebwerke vorgesehen ist.

7. Vorrichtung zum Heftpunktschweißen eines Wabenelements (2) auf einem Trägerteil (1) mittels einer Schweißelektrode (5) zur Herstellung einer Wa­ bendichtung, gekennzeichnet durch

• - eine Auflagevorrichtung (3), die an die Außenkontur des Trägerteils (1) angepaßt ist, zur Positionierung des Trägerteils (1) in einer vor­ gegebenen Lage;
• - eine Elektrodenpositionierungseinrichtung (4) zum Ansetzen der Schweißelektrode (5) in einer der Innenkontur des auf dem Träger­ teil (1) aufgesetzten Wabenelements (2) folgenden Orientierung;
• - eine Schutzgaszuführungseinrichtung (6, 7) zur Zuführung von Schutzgas an die Schweißstelle.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden­ positionierungseinrichtung (4) ein Ansetzen der Schweißelektrode (5) mit senkrecht zur Innenkontur des Wabenelements (2) orientierter Elektroden­ achse gestattet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden­ positionierungseinrichtung (4) eine Kreuzgelenkanordnung zum Positionie­ ren der Schweißelektrode (5) senkrecht zur Innenkontur des Wabenele­ ments (2) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenpositionierungseinrichtung (4) Mittel zum Einstellen des Anpreßdrucks enthält, mit dem das Wabenelement (2) an das Trägerteil (1) angepreßt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagevorrichtung (3) zur Aufnahme eines zylindrisch geformten Trägerteils (1) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Herstellung von zylindermantelförmigen Waben­ dichtungen für Turbo-Maschinen, insbesondere für Strahltriebwerke vorge­ sehen ist.