DE2363722B2

DE2363722B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ringen durch Zusammenschweißen von segmentartigen Teilstücken

Info

Publication number: DE2363722B2
Application number: DE2363722A
Authority: DE
Inventors: Horst 8032 Lochham Berger; Werner 8000 Muenchen Schlosser
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1973-12-21
Publication date: 1978-03-16
Also published as: BE823604A; US4034182A; IT1026818B; DE2363722A1; FR2255139B1; GB1478508A; FR2255139A1; DE2363722C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines aus einer Vielzahl von vorgefertigten Einzelscgmenten zusammengeschweißten Ringes von hoher Genauigkeit, insbesondere eines Leitschaufelkranz«, mit Hilfe der Elektronenstrahlschweißung.

Es ist z. B. aus der US-PS 36 17 685 bekannt, Ringe hoher Genauigkeit aus Einzelsegmenten herzustellen, indem man jeweils einen Teil der Einzelsegmente zu Segmentgruppen zusammenfaßt und diese in einer Vakuumkammer elektronenstrahiverschweißt. Nach dem Schweißen werden die Segmentgruppen vermessen, nachgearbeitet, wieder zu größeren Gruppen zusammengesetzt, in die Vakuumkammer eingesetzt und wieder verschweißt. Dieser Verfahrensablauf wird so lange wiederholt, bis der ganze Ring fertiggestellt ist. Auf diese Art konnte man bisher z. B. Verdichterstatorringe mit mehr als 100 mit Leitschaufeln versehenen Segmentplatten herstellen. Der Nachteil dabei war, daß zur Herstellung eines solchen Statorringes ein mehrmaliges Evakuieren der Vakuumkammer erforderlich ist. Außerdem ist bei Einschränkung der Anzahl der Wiederholungen dieses Verfahrensablaufes eine befriedigende Herstellgenauigkeit nicht mehr erreichbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, das wirtschaftlicher ist als das bekannte, insbesondere den Aufwand des mehrmaligen Einsetzens in die Vakuumkammer vermeidet und dabei die erforderliche gleichmäßige Herstellgenauigkeit gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß alle Einzelsegmente für einen Ring mit Übermaß unter Berücksichtigung des Schweißschrumpfes hergestellt, zu einem kompletten Ring zusammengesetzt und nach Einsatz in eine Vakuumkammer in einem Arbeitsgang miteinander elektronenstrahiverschweißt werden.

Aus der US-PS 36 10 873 ist ein Elektronenstrahlschweißverfahren für die Herstellung einer Bremsscheibe für eine Scheibenbremse bekannt, bei dem komplette, durch Schmieden oder Pressen vorgefertigte Ringe miteinander zu einer Bremsscheibe verschweißt werden, das der Erfindung zugrunde liegende Problem, Einzelsegmente zu einem kompletten Ring zusammenzuschweißen, jedoch nicht auftaucht. Die Verschweißung findet in einer zur Achse des Drehkörpers senkrechtstehenden Radialebene statt, was aus Fig. 2 dieser Druckschrift hervorgeht. Auch insoweit unterscheidet sich das dort offenbarte Verfahren von dem vorliegenden.

Die französische Patentschrift 13 38 837 lehrt die Herstellung eines Turbinenrotors, in dem in eine Laufradscheibe, die mit entsprechenden Nuten zur Aufnahme von Schaufelf'jßcn versehen is:, mittels der Elektronenstrahlschweißung Einzelschaufeln eingeschweißt werden. Da bei diesem Verführen bereits von einer Kreisscheibe ausgegangen wird, stellt sich das Problem der genauen Verbindung von Einzelsegmenten

zu einem Kreisring nicht.

Was schließlich die französische Patentschrift 14 Ol 318 anlangt, so werden dort einzelne plattenförmige Elemente mit Hilfe der Elektronenstrahlschweißung zusammengeschweißt. Es ist aber auch dort an keiner Stelle davon die Rede, daß diese plattenförmigen Einzelelemente Segmente seien, die zu einem kompletten Ring zusammengefügt werden sollen.

Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist die Vermeidung des kostenträchtigen wiederholten Einsetzens von Scgnienlgruppen in eine Vakuumschweißkammer. Ein weiterer Vorteil besteht in einer erhöhten Formgenauigkeit.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, die Schweißung in zwei Abschnitten durchzuführen, und zwar Heften und Hauptschweißen. Dadurch wird eine unbeabsichtigte Verschiebung beim Fertigschweißen vermieden, welche die Herstellgenauigkeit beeinträchtigen könnte.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Führung des Schweißstrahies über die zu verschweißenden Stoßfugen, wie an sich bekannt, elektronisch bewirkt, wodurch sich kurze Schweißzeiten ergeben. Außerdem ist diese Methode nach anfänglicher Einstellung leicht und schnell automatisch wiederholbar.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Reihenfolge der Schweißung der einzelnen Fugen bei der Hauptschweißung so festgelegt, daß jeweils nach dem Schweißen einer Fuge die Vorrichtung um 180° gedreht wird, um als nächstes eine diametral gegenüber- jo liegende Fuge zu verschweißen. Dadurch wird die Schrumpfung gleichmäßiger über den Ring verteilt und die Herstellgenauigkeit verbessert.

Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Schweißvorrichtung zur Aufspannung einer Vielzahl von Einzelsegmenten, die mittels Elektronenstrahlschweißung zu einem Ring hoher Genauigkeit zusammengefügt werden sollen. Erfindungsgemäß soll eine solche Schweißvorrichtung dadurch gekennzeichnet sein, daß sie eine Grundplatte aufweist, auf der Segmentbacken zur Aufnahme der Einzelsegmente kreisförmig angeordnet und in Radialrichtung verschiebbar sind, an deren radial äußerem Ende sich ein dem Durchmesser des herzustellenden Ringes angepaßter Abstützrand als Anschlag für die Ringsegmente und an deren innerem Ende sich je ein aufwärts gerichteter Gleitbacken befindet, daß sie weiterhin einen Spannring mit Innenkonus aufweist, der mit den Gieitbacken zusammenwirkt und dabei die Segmentbacken gleichmäßig radial nach innen zieht und die schließlich eine senkrecht zur Grundpla'te verschiebbare Deckplatte mit einer Innenkegelfläche aufweist, wobei die Deckplatte mittels einer vorgespannten Feder an die zu verschweißenden Ringsegmente andrückbar ist und diese dabei in den Segmentbacken festlegt.

Diese Vorrichtung dient zum schnellen Anordnen und Festhalten aller zur Herstellung eines Ringes erforderlicher Ringsegmente in ihrer gegenseitigen Lage und erlaubt ein sicheres gegenseitiges Verspannen vorn ω sowie ein Nachdrücken der Ringsegmente beim Schweißen, welch letzteres durch den Schweißschrumpf erforderlich wird. Sie gewährleistet weiter eine genaue Einhaltung der Ringform vor und beim Verschweißen.

Als besonders hervorzuhebende weitere Ausgestal- _h> tung der V01 richtung sind in den Rand des Deckels und in jeden Abstützrand Schlitze eingefräst, die so liegen, daß der Elektronenstrahl auf die gesamte Länge der Stoßstellen ungehindert auftreffen kann, wodurch es möglich wird, die Stoßstellen zwischen den Ringsegmenten auf ihrer gesamten Länge zu verschweißen.

In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung sind zwischen den Segmentbacken -;nd der Grundplatte Flächenkugellager angeordnet, wodurch die Reibung zwischen Segmentbacken und Grundplatte vermindert und die radialen Nachstellbewegungen der .Segmentbacken erleichtert werden.

Bei einer bevorzugten Ausl'ührungsform der Vorrichtung ist zwischen der zentralen Führungsbohrung im Deckel und der Führungssäule ein ringförmiges Flächenkugeüager angeordnet, wodurch die Nachstellbewegungen des Deckels erleichtert und damit die Herstellgenauigkeit verbessert wird.

In der Zeichnung sind Beispiele von Ringen und eine Vorrichtung dargestellt, die beim Verfahren nach der Erfindung hergestellt bzw. benutzt werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Segmentplatte mit Schaufelblatt,

F i g. 2 einen aus Segmentplatten zusammengesetzten Ring vor und nach dem Verschweißen (letzteres gestrichelt),

Fig. 3 einen nach dem Verfahren hergestellten Leitschaufelkranz,

F i g. 4 die Darstellung der Schweißfolge beim Heften,

Fig. 5 die Darstellung einer Schweißfolge bei der Hauptschweißung,

Fig. 6 die linke Hälfte einer Vorrichtung zum Herstellen eines Ringes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Gleitlagerung im Schnitt Vl-Vl,

F i g. 7 die rechte Hälfte einer Vorrichtung entsprechend F i g. 6, jedoch mit Rollenlagerung im Schnitt,

Fig. 8 die Halterung der Schaufeln entsprechend Ausschnitt VIII mit Schlitzen,

Fig. 9 einen Sektor der Grundplatte mit Segmentplatten in der Draufsicht, (Ausführung mit Schlitze),

Fig. 10 einen Sektor wie Fig. 9, mit eingesetzten Schaufeln und Spannring,

Fig. 11 einen Sektor wie F i g. 9, ml· aufgesetzter Deckplatte und mit Schlitzen,

Fig. 12 einen Sektor wie Fig. 11, jedoch ohne Schlitze.

Ein gemäß dem Verfahren herzustellender Ring 1 wird aus Einzelsegmenten 2 vollständig zusammengestellt, wobei diese an einer zu verschweißenden Kante ein Übermaß haben, das dem Schweißschrumpf entspricht. Dadurch hat der zusammengesetzte Ring vor dem Schweißen ein beträchtliches Übermaß. Der Ring wird sodann in die Vakuumkammer einer Elektronenstrahlschweißmaschine eingesetzt und die einzelnen Segmente werden miteinander verschweißt, wobei an jeder Schweißfuge der besagte und vorher düfCii uucrrfiüLj ucriiCKSiCutigic oCuWciuSCiirurnpi BUitritt. Nach dem Verschweißen und Erkalten weist der Ring dann den gewünschten Durchmesser auf. Ein solcher, aus einfachen Platten 2 bestehender Ring ist in Fig. 2 vor und nach dem Verschweißen, letzteres gestrichelt, dargestellt.

Ein gleichfalls aus Einzelsegmenten 3 hergestellter Verdichterstatorring 6 wird prinzipiell genauso hergestellt, nur daß die Einzelsegmente 3 hier Platten 5 sind, die zusammen mit den Verdichterschaufeln 6, aus einem Stii^k bestehen, wobei die Platten ebenfalls an den Stoßstellen das Übermaß 7 zur Berücksichtigung des Schweißschrumpfes aufweisen (F ig. 1 und 3).

Beim Elektronenstrahlschweißen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zuerst in einem ersten Arbeitsgang die Schaufeln zu heften und sie dann in einem

zweiten Arbeitsgang vollständig zu verschweißen. Außerdem hat sich gezeigt, daß die Schwcißfolge zweckmäßigerweise nicht beliebig sein kann. In der Zeichnung ist die Schweißfolge an einem aus 36 Einzelscgmentcn bestehenden Ring beim Heften ((·' i g. 4) und beim Fertigschweißen (F'i g. 5) dargestellt. Dabei ist es für das Heften ausreichend, wenn die Fugen in der Weise nacheinander verschweißt werden, daß man stets nur in einer Umfangsrichtung zu nächsten vorrückt und dabei der Einfachheit halber einmal vorwärtslaufend und das nächste Mal rückwärtslaufend schweißt.

Beim Fertigschweißen jedoch ist dieses Verfahren nicht mehr ausreichend. Hier muß jeweils nach Schweißen einer Fuge als nächstes eine um 180" versetzte Fuge verschweißt werden, so daß zwischen /wci aufeinanderfolgenden Schweißungen entweder die Strahlachse dorthin versetzt oder die zu verschweißende Stelle in die Strahlrithtung verschoben werden muß, was am einfachsten durch Drehen der Vorrichtung geschieht. Auch beim Heften wird der Wechsel von einer Fuge zur nächsten am einfachsten durch Drehen erreicht.

Die in den F i g. 6 bis !2 gezeigte Sehwcißvorrichuing weist eine Grundplatte 8 auf, auf der eine Anzahl von z. B. 12 verschiebbaren Segmentbacken 9, 10 im Kreis angeordnet ist, die radial bewegt werden können. An ihren radial äußeren linden weisen die Scgmcntbackcn 9, 10 Abstüt/.ränder 11 auf, innerhalb deren alle zu einem Ring gehörigen Ringscgmentc in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet werden. An ihren radial inneren Fndcn haben sie hochstehende Gleitbacken 12 mil Glcitfläclien 13, die im Zusammenwirken mit der konischen Innenfläche 14 eines Spannringes 15 gleichmäßig radial nach innen gezogen werden. Durch diese Hinrichtung wird die Gesamtheit aller Pingsegmentc am der Grundplatte näheren F.ndc des Ringes zu einem Ring verspannt. Dem gleichen Zweck dient auch eine Deckplatte 16, durch deren kegelförmige Innenfläche 21 der Ring auch am oberen finde und damit vollständig verspannt wird. Die Spannkräfte entstehen durch die /ur Grundplatte gerichtete Axialkraft des Spannringes und der Deckplatte, die außer durch das Gewicht vor allem durch mittels Muttern vorgespannte Federn 17,18 erzeugt wird. Dadurch ist die ordnungsgemäße Funktion der Vorrichtung weitgehend lageunabhängig.

In dieser Vorrichtung können jedoch die Störstellen zwischen den Segmeniplattcn nicht auf ihre gesamte Lange verschweißt werden, da sie teilweise durch die Abstützränder und dem äußeren Rand der Deckplatte verdeckt werden. Dieser Nachteil wird durch das Einbringen von Schlitzen 19, 20 in Abstützränder und Deckplattenrand beseitigt (F i g. 8.10 bis 12).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Palentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines aus einer Vielzahl von vorgefertigten Einzelsegmenten zusammengeschweißten Ringes von hoher Genauig· keil, insbesondere eines L.eitschaufelkranzes, mit Hilfe der Elektronenstrahlschweißung, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einzelscgmente (2, 3, 5) für einen Ring (1, 6) mit Übermaß unter Berücksichtigung des Schweißschrumpfes (7) hergcstellt, zu einem kompletten Ring zusammengesetzt und nach Einsatz in eine Vakuumkammer in einem Arbeitsgang miteinander eleklronenstrahlverschweißt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung in zwei Abschnitten durchgeführt wird, und zwar Heften und Hauptschweißung.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung des Schweißstrahles über die zu verschweißenden Stoßfugen, wie an sich bekannt, elektronisch bewirkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der Schweißung der einzelnen Fugen bei der Hauptschwcißung so festgelegt ist, daß jeweils nach dem Schweißen einer Fuge die Vorrichtung um 180° gedreht wird, um als nächstes eine diametral gegenüberliegende Fuge zu verschweißen.

5. Schweißvorrichtung zur Aufspannung einer Vielzahl von Einzelsegmenten, die mittels Elektronenstrahlschweißung zu einem Ring hoher Genauigkeit zusammengefügt werden sollen, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Grundplatte (8) aufweist, auf der Segmentbacken (9, 10) zur Aufnahme der Einzelsegmente (2,3, 5) kreisförmig angeordnet und in Radialrichtung verschiebbar sind, an deren radial äußerem Ende sich ein dem Durchmesser des herzustellenden Ringes angepaßter Abstützrand (11) w als Anschlag für die Ringsegmente und an deren innerem Ende sich je ein aufwärts gerichteter Gleitbacken (12) befindet, daß sie weiterhin einen Spannring (15) mit Innenkonus (14) aufweist, der mit den Gleitbacken (12) zusammenwirkt und dabei die Segmentbacken (9, 10) gleichmäßig radial nach innen zieht und die schließlich eine senkrecht zur Grundplatte (8) verschiebbare Deckplatte (16) mit einer Innenkegelfläche (21) aufweist, wobei die Deckplatte (16) mittels einer vorgespannten Feder an die zu verschweißenden Ringsegmente (2, 3, 5) andrückbar ist und diese dabei in den Segmentbakken festlegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentbacken (9, 10) auf der Grundplatte (8) in einer Ebene radial verschiebbar sind.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte (16) mittels zentraler Bohrung auf einer Führungsstange verschiebbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rand der Deckplatte und in jedem Abstützrand Schlitze (19, 20) eingefräst sind, die so liegen, daß der h> Elektronenstrahl auf die gesamte Länge der Stoßstellen ungehindert auftreffen kann.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Segmentbacken (9, 10) und der Grundplatte (8) Flächenkugellager angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zentralen Führungsbohrung im Deckel und der Führungssäule (23) ein ringförmiger Kugelkäfig (22) angeordnet ist.