DE4225443A1 - Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung von Bauteilen für Turbomaschinen, insbesondere zur Bauteilreperatur - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung von Bauteilen für Turbomaschinen, insbesondere zur BauteilreperaturInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Bisherige Reparatur- oder Schweißverbindungen sind von einem verhält
nismäßig hohen Herstellungs- und Kostenaufwand begleitet. Außerdem
besteht die Gefahr örtlicher Schweißfehler.
Insbesondere bei örtlicher Blatterneuerung von Gebläse- oder Tur
binenschaufeln geht man so vor, daß das Neuteil vor dem Schweißvorgang
praktisch auf die tatsächlich benötigte Profilierung abgestimmt vorge
fertigt wird; dabei ist eine extrem genaue Übertragung des Ab
trennkantenverlaufs des Altteils unter Berücksichtigung variabler Pro
fildicke und gegebenenfalls vorhandener Schaufelverwindung auf das
Neuteil vorgesehen. Nach dem Verschweißen des so vorgefertigten Neu
teils, Stoß an Stoß bzw. "stumpf" mit dem Altteil, haben sich, über
die Gesamtlänge der Schweißnaht betrachtet, örtlich unzureichende
Schweißverbindungen ergeben, deren Ursache in der über die gesamte
Verbindungsstelle hinweg oftmals extrem schwankenden Werkstoffdicke zu
sehen sind. Es bereitet also Schwierigkeiten, die Schweißparameter den
unterschiedlichen Querschnitten im Schweißnahtverlauf anzupassen. Eine
derartige Anpassung wäre zwar im Rahmen elektronisch-numerisch ge
steuerter Schweißverfahren zumindest theoretisch realisierbar
(Großserie); der hierfür erforderliche kostenintensive Maschinenauf
wand läßt sich jedoch im Rahmen des spezifischen Reparaturbedarfs bei
Turbomaschinenbauteilen nicht rechtfertigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach der ein
gangs genannten Art anzugeben, mit dem auf vergleichsweise einfache
Weise eine optimale Bauteilverbindung erzielt wird, insbesondere auch
bei im Schweißnahtbereich schwankender Bauteilgeometrie.
Die gestellte Aufgabe ist mit den im Kennzeichnungsteil des Patent
anspruchs 1 angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß gelöst.
Auf diese Weise wird über die gesamte gegenseitige Bauteillänge und
-breite eine innige Schmelz-Schweiß-Verbindung erzielt. Das auf die zu
verschweißenden Bauteile (Altteil/Neuteil) materialseitig abgestimmte
Schweißpulver füllt die Zwischenräume zwischen der Tasche und dem ört
lichen Abschnitt des Altteils vollständig aus, so daß auch bei z. B.
aerodynamisch vorgegebener schwankender Wanddicke eine über die ge
samte Länge und Breite der gegenseitigen Schweißzone gleichförmige
Schmelzgutverteilung vorliegt, die für die Verschweißung aus Material
anteilen, die vormals die Tasche des Neuteils gebildet haben, ergänzt
wird.
Die Erfindung vermeidet die Einhaltung extrem genauer Fertigungstoleranzen,
und zwar bezüglich der Oberflächenbeschaffenheit der Ab
trennzone am Altteil, wie aber auch bezüglich der Beschaffenheit des
Neuteils, z. B. der Tasche.
Das gegenüber den tatsächlich benötigten Bauteilabmessungen überdimen
sioniert fertigbare und so mit dem Altteil verschweißte Neuteil ermög
licht den Abbau von beim Schweißen eventuell aus Spannungen hervorge
rufenen Verformungen, wozu auch entsprechend verteilte und zur er
leichterten Handhabung beim Schweißen dienende Aufhängungsabschnitte
an den Neuteilen beigezogen werden können. Etwaiger Bauteilverzug des
Neuteils kann im Rahmen der vorhandenen Überdimensionierung im Wege
einer nach dem Schweißprozeß spanabhebenden Nachbearbeitung auf die
tatsächlich benötigten Abmessungen korrigiert werden.
Nach dem Einfügen des örtlichen Altteilabschnitts in die Tasche des
Neuteils - bzw. umgekehrt - können, in Anpassung an vorgegebene Formkonturen
und Abmessungen der zu verschweißenden Bauteile, die verblei
benden Taschenvolumina als Funktion der benötigten Schweißpulvermenge
und/oder als Funktion der gewählten Abmessungen der Pulverpartikel
und/oder als Funktion einer kammerartigen Pulvervorverdichtung ausge
bildet sein.
Im Hinblick auf die bei Turbo- bzw. Flugtriebwerken triebwerks
spezifischen Bauteilreparaturen können gemäß der Erfindung die Neu
teile als Standardbauteile vorgefertigt und auf Lager gehalten bzw. je
nach Bedarf abgerufen werden. Dies bietet sich z. B. bei der Überho
lung von Turbinenschaufeln mit immer wiederkehrenden Schaufelschäden,
z. B. Abbrand bzw. Heißgaskorrosion, an der Eintritts- oder Austritts
kante an, die gemäß der Erfindung auch über die gesamte Höhe eines
Schaufelblatts hinweg reparierbar bzw. erneuerbar wären.
Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise im Rahmen ei
nes Reparaturverfahrens weiter erläutert; es zeigt
Fig. 1 die Seitenansicht einer Gebläselaufschaufel unter Markierung
der blattseitigen Abtrennzonen beschädigter und zu erneu
ernder Abschnitte,
Fig. 2 die Laufschaufel nach Fig. 1 unter Verdeutlichung erfindungs
gemäß vorgefertigter und entlang der Abtrennzonen aufgesetz
ter bzw. entlang derselben mit dem Altteil verschweißter Neu
teile,
Fig. 3 eine erste Neuteilausführung zur Erneuerung des stromabwär
tigen äußeren Blattabschnitts nach Fig. 1, mit Tasche und
Pulverfüllung auf die betreffende Abtrennzone des Altteils
aufgesetzt,
Fig. 4 eine zweite Neuteilausführung zur Erneuerung des stromaufwär
tigen äußeren Blattabschnitts nach Fig. 1, mit Tasche und
Pulverfüllung auf betreffende Abtrennzone des Altteils aufge
setzt,
Fig. 5 eine dritte Neuteilausführung in Blattabschnittserneuerung
gemäß Fig. 1 mit Fig. 4, hier unter Verdeutlichung von Ab
dichtmaßnahmen der gegenüber den örtlichen Altteil-Blattab
schnitt pulvergefüllten Tasche,
Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Neuteilausführung in per
spektivischer Darstellung unter Verdeutlichung der kompletten
örtlichen, die Schaufelspitze einschließenden Blatterneuerung
unter Bezug auf das örtlich abgebrochen gezeichnete Blatt
abschnittsende des Altteils in der Tasche und
Fig. 7 die Draufsicht eines weiteren Neuteils in Kombination mit
einem örtlich verwundenen und hinsichtlich der Werkstoffdicke
schwankenden Blattabschnitt.
Gemäß dem Reparaturverfahren werden örtlich beschädigte Blattab
schnitte 2, 3 (Fig. 1) einer Gebläselaufschaufel 1 eines Gastur
binenstrahltriebwerks entlang der Abtrennzonen T1, T2 mit vorzugsweise
geradliniger Flächenstruktur abgetrennt und durch Neuteile 4, 5
(Fig. 2) ersetzt, die entlang der Abtrennzonen T1, T2 mit dem be
treffenden Altteil A verschweißt werden sollen. In Durchführung der
Erfindung werden die Neuteile 4 bzw. 5 - vor dem Schweißvorgang - mit
einer taschenartigen Vertiefung 6 bzw. 7 versehen; in diese Vertiefung
6 bzw. 7 wird das Altteil A entlang der betreffenden Abtrennzone T1,
T2 in das Neuteil 4 bzw. 5 eingebracht; bzw. kann das betreffende Neu
teil 4 bzw. 5 an der betreffenden Abtrennzone T1, T2 auf das Altteil A
aufgebracht werden. Es sitzt dabei also das Neuteil 4 bzw. 5 entlang
seines Taschen- bzw. Nutgrundes Stoß auf Stoß bzw. stumpf auf der be
treffenden Abtrennzone T1, T2 auf. Danach soll der verbleibende Zwi
schenraum zwischen der taschenartigen Vertiefung 6 bzw. 7 und dem Alt
teil A mit einem zum gegenseitigen Verschweißen geeigneten Metall
pulver S aufgefüllt werden. Hierauf kann dann die Verschweißung ent
lang der Erstreckung der Abtrennzonen T1, T2 erfolgen. Anschließend
kann dann eine spanabhebende Bearbeitung der zunächst noch mit recht
eckigem oder quadratischem Querschnitt geschweißten Neuteile 4 bzw. 5
auf die tatsächlich benötigten Blattkonturen K (Fig. 4) bzw. K′
(Fig. 3) gemäß den Blattabschnitten 2, 3 der Fig. 1 erfolgen.
Wie insbesondere aus Fig. 7, oben, ersichtlich, ist es ferner vorge
sehen, die taschenartige Vertiefung 7 mit einem größeren Breitenmaß
als das örtlich größte Dickenmaß des Altteils A zu fertigen; auf jeden
Fall sitzt also der betreffende Blattabschnitt A mit Spiel in der
taschenartigen Vertiefung 6 (Fig. 3) bzw. 7 (Fig. 4 bis 7). Aus Fig. 7
ist deutlich ersichtlich, daß bei örtlich verwundener Blattgeometrie
mit in Längsrichtung von T2 variabler Wanddicke des Altteils A die
Tasche 7 derart angepaßt ist, daß die Pulverfüllung S über die gesamte
Taschenlänge die örtlich vorgegebenen Materialschwindungen des Alt
teils A ergänzt, so daß eine gleichförmige Schweißverbindung ver
gleichsweise einfach erzielt werden kann.
Die taschenartigen Vertiefungen 7 können grundsätzlich, wie aus Fig. 4
oder Fig. 5 ersichtlich, mit einem rechteckigen, gegebenenfalls aber
auch quadratischen Querschnitt gefertigt sein. Gemäß Fig. 6 ist die
taschenförmige Vertiefung 6 mit einem von der offenen nach der Grund
seite hin sich verjüngenden, etwa V-förmigen Querschnitt ausgestattet,
um u. a. eine gut überschaubare, allseitig verteilte Pulverfüllung S
zu erreichen.
Wie ferner aus sämtlichen Fig. erkennbar ist, weisen die jeweiligen
Neuteile 4 bzw. 5 gegenüber den tatsächlich benötigten Blattab
schnitten gemäß 2, 3 am Altteil A (Fig. 1) eine Überdimensionierung
auf. Je nach vorgegebener Kontur des zu reparierenden Bauteils können
die Neuteile aber auch wesentlich schlanker, als dargestellt, vorge
fertigt und mit dem Altteil A verschweißt werden. In weiterer Aus
gestaltung kann jedes Neuteil 4 bzw. 5 um das 0,1 bis 5fache breiter
als die jeweils örtlich maximale Dicke des Altteils A im Bereich der
Abtrennzone T1, T2 gefertigt sein.
Wie z. B. im Rahmen der schaufelspitzenseitigen Blatterneuerung nach
Fig. 6 verdeutlicht, kann jedes betreffende Neuteil, z. B. 4, mit ei
ner in Höhe des Taschen- bzw. Nutgrundes sich erstreckenden Schweiß
strahlmarkierung M versehen werden, mit der zugleich der Bauteilstoß
entlang der betreffenden Zone T1 markiert wird, um eine erleichterte
optimale Verschweißung zu erzielen.
Wie gestrichelt in Fig. 2, oben rechts, eingezeichnet, kann jedes Neu
teil, z. B. 5, mit mindestens einem zusätzlichen Halterungsabschnitt 8
vorgefertigt werden, z. B. mit einer Bohrung 9 ausgestattet, um die
Handhabung der Neuteile beim Verschweißen zu erleichtern oder um nach
dem Verschweißen eine gewünschte Bauteilaufnahme für eine weitere Be
arbeitung zu erreichen. Die Halterungsabschnitte können aber auch ei
ner gleichförmigen raschen Wärmeabfuhr aus dem Schweißprozeß dienlich
sein, um sich so zumindest bezüglich der Neuteile 4 bzw. 5 wiederum
spannungs- und deformationsminimierend auszuwirken.
Fig. 5 verkörpert ein Ausführungsbeispiel, bei dem die taschenartige
Vertiefung 7 auf ihrer vom Boden bzw. Grund abgewandten offenen Seite
verschließbar ist. Der Verschluß kann - wie in Fig. 5 dargestellt -
durch örtlich gegen das Altteil A gerichtetes Umbiegen von die ta
schenartige Vertiefung ausbildenden Wandteilen 9 des Neuteils 4 erfol
gen. Alternativ könnte auch ein deckelartiger Verschluß der taschen
artigen Vertiefung vorgesehen werden. Dabei besteht die Möglichkeit,
nach - oder vor - dem Auffüllen mit dem Schweißpulver S die Ver
schließung vorzunehmen.
Fig. 5 ist ein Beispiel dafür, die taschenartige Vertiefung 7, wie
erwähnt, zu verschließen und danach die Auffüllung mit dem Schweißpul
ver S vorzusehen. Hierzu sind in den nicht ungebogenen, gerade ver
bliebenden Abschnitten der Wandteile 9 als Materialzuläufe 10 bzw. als
Materialabläufe 11 ausgebildete Einsätze angeordnet, die Durchgangs
öffnungen für unter Druck zugeführtes bzw. abgeführtes Schweißpulver S
aufweisen. Die Zu- bzw. Abläufe 10 bzw. 11 können vor dem Bauteil
verschweißen abgedichtet werden. Alternativ wäre es vorstellbar, als
Zu- bzw. Abläufe Bohrungen in den Wandteilen 9 vorzusehen, die vor dem
Schweißen pfropfenartig verschlossen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung oder zur Reparatur
oder nachträglichen Qualitätsoptimierung folgender Bauteile bei Tur
bomaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken eingesetzt werden:
Turbinen-,Verdichter- bzw. Gebläseschaufeln - auch stationär
(Leitschaufeln), Flammrohrwandteile oder Gehäuse von Brennkammern,
Verdichter- oder Turbinengehäuse oder -rotoren oder Schubdüsenklappen.
Die Erfindung kann sich in der örtlichen Erneuerung hochtemperaturbe
lasteter Zonen, z. B. der Eintritts- oder Austrittskanten oder Spitzen
von Turbinenschaufeln, äußern, wonach gegenüber dem ursprünglichen
Altteil A höher legierte temperaturfestere Werkstoffe bei den Neu
teilen eingesetzt werden können. In diesem Sinne kann gemäß der Erfin
dung von vorn herein ein Bauteil, z. B. eine Schaufel, im Hinblick auf
betrieblich unterschiedliche Beanspruchungen (Belastungen, Tempe
raturen, Abrieb) mehrteilig, d. h., Stück für Stück, vorgefertigt und
später durch dieses Schweißverfahren verbunden werden.
Z. B. hinsichtlich häufig wiederkehrender Belastungsgrenzen und zu
erwartender Beschädigungen hieraus können den Neuteilen sogenannte
"unidirectional" erstarrte, also Einkristall-Bauteile, zugrunde gelegt
werden, um gravierende Zugbelastungen örtlich, z. B. am Schaufelblatt,
noch besser zu beherrschen als dies beim sogenannten Altteil örtlich
der Fall ist, das somit materialseitig einfacher und billiger her
stellbar wäre.
Die Erfindung eignet sich auch bei sogenannten "blisks", d. h. serien
mäßig einstückig gefertigten Rotor-Schaufelkomponenten, z. B. im
ECM-Verfahren, wobei gerade hier z. B. bei unbeeinträchtigt gebliebe
ner Scheiben- oder Rotorsektion die Komponentenerhaltung durch
örtliche Schaufelreparatur oder -erneuerung gerechtfertigt erscheint.
Die Erfindung kann im Rahmen folgender Schweißprozesse vorteilhaft
durchgeführt werden:
EB-(Elektronenstrahl)Schweißen, WIG-Schweißen
(Wolfram-Inert-Gas-Schweißen), Plasmaschweißen, Stich-Loch-Schweißen,
oder z. B. elektrisches Widerstandsschweißen.
Sofern nicht schon ausdrücklich beansprucht (Patentansprüche) sind die
vorstehenden Merkmale für sich und/oder aus den Zeichnungen Gegenstand
der Erfindung.
Claims (14)
1. Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung von Bauteilen
für Turbomaschinen (A; 4, 5), die entlang gemeinsamer Endkanten
miteinander verschweißt werden, insbesondere zur Bauteilreparatur,
dadurch gekennzeichnet, daß das eine von beiden Bauteilen (A; 4, 5)
eine taschenartige Vertiefung (6, 7) aufweist, mit der es auf das
andere Bauteil (A) aufgesteckt wird, danach der Zwischenraum zwi
schen taschenartiger Vertiefung und dem anderen Bauteil (A) mit
einem Schweißpulver (S) aufgefüllt und durch Erhitzen auf Schweiß
temperatur die beiden Bauteile (A; 4, 5) verschweißt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ta
schenartige Vertiefung des einen Bauteils (4, 5) mit größerem Brei
tenmaß als das örtlich größte Dickenmaß des anderen Bauteils (1)
gefertigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
taschenartige Vertiefung (6) mit einem sich von der offenen nach
der Grundseite hin verjüngenden Querschnitt gefertigt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes eine Bauteil (4, 5) gegenüber dem an
deren Bauteil (A) - Abschnitte (2, 3) - überdimensioniert vorge
fertigt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß jedes eine Bauteil (4) um das 0,1 bis 5fache
breiter als die jeweils örtliche maximale Dicke des anderen Bau
teils (A) gefertigt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes eine Bauteil (4) zumindest vor dem Ver
schweißen mit dem anderen Bauteil (A) mit einer außenwandseitig
ein- oder ausgeprägten Schweiß-Strahl-Markierung (M), insbesondere
in Höhe des Taschen- bzw. Nutgrundes, versehen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes eine
Bauteil (4, 5) mit mindestens einem zusätzlichen Halterungsab
schnitt (8) vorgefertigt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die taschenartige Vertiefung (7) nach erfolg
ter Auffüllung mit dem Schweißpulver (S) an der offenen Seite ab
gedichtet wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die taschenartige Vertiefung (7) zumindest vor
dem Schweißprozeß an der offenen Seite abgedichtet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
taschenartige Vertiefung (7) an der offenen Seite durch örtlich
gegen das andere Bauteil (A) gerichtetes Umbiegen von Wandab
schnitten (9) einen Bauteils (4) verschlossen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
taschenartige Vertiefung deckelartig abgedichtet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die taschenartige Vertiefung (7) zunächst abge
dichtet bzw. verschlossen und danach mit dem Schweißpulver (S)
gefüllt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das eine
Bauteil (4) mit Zuführ- bzw. Abführungsdurchgängen bzw.
-einsatzstücken (10 bzw. 11) für die Auffüllung bzw. für den Ab
lauf des Schweißpulvers (S) ausgestattet wird.
14. Anwendung des Verfahrens bei miteinander zu verschweißenden Bau
teilen von Turbinen- oder Verdichterschaufeln oder von Flammrohr
wandteilen oder Gehäusebauteilen einer Brennkammer oder von
Verdichter- oder Turbinengehäusen oder -rotorabschnitten oder von
Schubdüsenklappen.
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