DE602006000803T2

DE602006000803T2 - Verfahren zum Reparieren einer Schaufel einer integral beschaufelten Turbinenrotorscheibe und Prüfkörper zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE602006000803T2
Application number: DE602006000803T
Authority: DE
Inventors: Bernard 77220 BOUET; Stephane 78140 KERNEIS; Claude Andre 17640 PAGNON; Eric Christian 77930 PINTO
Original assignee: SNECMA Services SA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2026-07-29
Also published as: RU2417869C2; SG129409A1; DE602006000803D1; JP2007071198A; EP1747840B1; TW200716288A; ATE390242T1; EP1747840A1; CN1903494B; JP5008354B2; BRPI0602912A; BRPI0602912B1; MXPA06008522A; FR2889091B1; TWI366491B; US20070023485A1; CA2551614A1; SG149881A1; CN1903494A; RU2006127494A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren einer Schaufel eines einstückigen Rotors einer Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Versuchskörper-Element vom Beginn oder vom Ende eines Durchlaufs oder zur Prüfung der Einstellung, zum Zweck der Umsetzung des technischen Verfahrens.
Das Dokument US-B 1-6.568,077 beschreibt ein solches Verfahren.
Ein Turbostrahltriebwerk besteht aus verschiedenen Rotoren, die sich um ihre Achsen drehen. Diese Rotoren können eine Scheibe mit einer Felge aufweisen, entlang der Schaufeln befestigt sind. Herkömmlicherweise werden die Schaufeln an ihrem Fuß in einem für diesen Zweck vorgesehenen Gehäuse festgehalten. Um die gesteigerten Anforderungen an Motorleistungen zu erfüllen, können diese Rotoren jetzt aus einem einzigen Stück bestehen. Man spricht von einstückigen beschaufelten Laufscheiben (EBL). In einer EBL bilden die Schaufeln und die Scheibe nur ein einziges Stück. Zu diesem Zweck wird eine geschmiedete Vorform fabriziert, die in einem einzigen Stück die Scheibe und die Schaufeln bildet, die an ihrer Außenseite radial von ihr abstehen. Es ist gleichfalls möglich, bestimmte Teile anzuschweißen, wobei die so erhaltene EBL aus einem einzigen Stück besteht. Die Vorteile einstückiger Rotoren sind zahlreich, insbesondere, was die Masse betrifft.
Aufgrund der Tatsache, dass der Motor Fremdkörper absorbiert, oder wegen der Erosion durch Staub oder Partikel, die vom Fluss des Gasstromes mitgerissen werden, können die Schaufeln beschädigte Zonen in Form von Abnutzung oder von abgerissenen Teilstücken aufweisen, die der Leistungsfähigkeit des Turbostahltriebwerkes schaden. Die betroffenen Bereiche sind im Allgemeinen die Spitze, die Kanten der Schaufeln auf der Vorder- oder der Hinterkante und die Vorderkante oder die Hinterkante. Die Reparatur der Schaufeln in einer EBL ist nicht leicht, da es nicht möglich ist, sie auszubauen, um sie zu reparieren.
Der Verschleiß oder die Beschädigungen ziehen, wenn sie nicht behoben werden können, ein Ersetzen des beanstandeten Teils nach sich. Im Falle einer EBL bedeutet dies aber, dass statt einer Schaufel gleich die gesamte EBL ersetzt werden muss.
Durch das Dokument US 6, 238, 187 kennt man ein Verfahren zur Reparatur der Schaufeln. In diesem Verfahren wird ein Teilstück aus der Schaufel um die beschädigte Zone herum herausgeschnitten, wobei das Teilstück standardisiert ist, um die Reproduzierbarkeit des Verfahrens unabhängig von Form und Größe der beschädigten Zone zu gewährleisten, solange sie sich in dem fraglichen Teilstück befindet. Ein Ersatz- oder Passstück, das gewöhnlich wie sein englisches Äquivalent „patch" genannt wird, wird dann mit der Schaufel verschweißt. Dieses Passstück ist größer als das aus der Schaufel entfernte Teilstück und wird im Anschluss bearbeitet, damit die ursprüngliche Form der Schaufel wiederhergestellt wird.
Das Dokument US 6, 568, 077 zeigt für den zum oben erwähnten Verfahren gehörenden Verfahrensabschnitt des Verschweißens eines Passstückes den Gebrauch eines Verfahrens zum Verschweißen mittels eines Elektronenstrahls, das die Vorteile hat, dass die Geschwindigkeit des Verschweißens erhöht ist und dass Stücke mit größer Dicke verschweißt werden können.
Ein Problem besteht jedoch bei Rotoren aus einer Ti17 genannten Titanlegierung. Auf diese Legierung bezieht sich zum Beispiel die Patentanmeldung EP 1 340 832 der Anmelderin bezüglich eines Produktes, wie etwa einer Schaufel, das aus diesem Material hergestellt ist. Dieses Material ist schwer zu verschweißen, da beim Schmelzen ein Entgasungsprozess stattfindet, der Mikroporen und kleinste Hohlräume in der durch das Schweißen thermisch betroffenen Zone (TBZ) entstehen lässt, die zu einem Nachlassen der mechanischen Eigenschaften des verschweißten Stückes führen. Dieses Nachlassen kann bis zu 80% der mechanischen Festigkeit betragen. Ein solches Nachlassen ist bei flugtechnischen Anwendungen nicht akzeptabel und entsteht im Fall von Verschweißungen mittels Elektronenstrahlen. Außerdem kann man im Falle eines Rotors aus Ti17 durch die traditionell und häufig in der luftfahrtechnischen Industrie verwendeten TIG- oder Mikroplasma-Techniken keine akzeptablen Resultate erhalten.
Zusätzlich haben die neuen Schaufeln komplexe dreidimensionale Formen, deren Wanddicke variabel ist, und erlauben nicht die einfache Anwendung eines Schweißverfahrens mittels Elektronenstrahl, das eine sehr präzise Definition der Parameter erfordert. Diese Parameter müssen für jeden einzelnen Spezialfall definiert werden, was jegliche Standardisierung schwer umsetzbar macht.
Die Erfindung zielt darauf, ein Verfahren zur Reparatur einer Schaufel eines einstückigen Rotors vorzuschlagen, deren Form entwicklungsfähig und deren Dicke variabel ist, wobei das Verfahren als Verfahrensschritt einen Schweißvorgang mittels Elektronenstrahlen enthält.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur einer einstückigen beschaufelten Laufscheibe einer Turbomaschine, die mindestens einen beschädigten Bereich aufweist, durch Elektronenstrahl-Einschweißen eines Passstückes mit Hilfe einer Elektronenstrahl-Schweißmaschine, welches die Verfahrensschritte der Vorbereitung des beschädigten Bereichs, des Elektronenstrahl-Einschweißens des Passstückes und der Wiederherstellung des ursprünglichen Zustandes durch Bearbeiten des reparierten Bereichs umfasst, gekennzeichnet dadurch dass:

– der Verfahrensschritt der Vorbereitung die Bearbeitung des beschädigten Bereichs umfasst, so dass man einen zu reparierenden Bereich mit einem definierten Profil erhält;
– auf ein erstes Probestück, das der Schaufel entspricht und das genannte bestimmte Profil aufweist, mit der Schweißmaschine, deren Betriebsparameter voreingestellt sind, ein zweites Probestück-Element, das dem Passstück entspricht und die Merkmale des Passstücks aufweist, geschweißt wird, um ein so genanntes Schweißreihenanfangs-Probestück zu erhalten,
– die Qualität des Schweißreihenanfangs-Probestücks nach dem Schweißen überprüft wird und, angenommen, die Qualität des Schweißreihenanfangs-Probestücks entspricht den Abnahmekriterien für die Reparatur,
– das Passstück auf den zu reparierenden Bereich mit der gleichen Elektronenstrahl-Schweißmaschine geschweißt wird, ohne deren Betriebsparameter zu ändern, und
– der reparierte Bereich durch Bearbeitung wieder in seinen ursprünglichen Zustand gebracht wird.

Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass sie die Reparatur von einstückigen beschaufelten Laufscheiben in industriellem Maßstab anhand der Fähigkeit zur Steuerung von Elektronenstrahl-Schweißmaschinen erlaubt. Sobald die Maschine einmal eingestellt und die Parameter etabliert sind, genügt es, durch vorheriges Aufschweißen des zweiten Probestücks, das dem Passstück entspricht, auf das erste Probestück, das dem Profil der Schaufel entspricht, zu verifizieren, dass die Parameter korrekt sind und nicht abgewichen sind. Man hat mit Überraschung festgestellt, dass diese Methode mit einer großen Verlässlichkeit erlaubt, Werkstücke zu reparieren, die so komplex sind wie die EBL. Die Vorabkontrolle genügt, um die Reparatur einer Vielzahl von Schaufeln auf der gleichen Laufscheibe zu autorisieren.
Gemäß einem anderen Merkmal und um ergänzend sicherzugehen, dass der Arbeitsgang gut abgelaufen ist, umfasst das Verfahren nach dem Schweißen des Passstücks auf die Schaufel oder der Passstücke auf die jeweiligen zu reparierenden Schaufeln einen Verfahrensschritt, bei dem auf ein erstes Probestück, das der Schaufel entspricht und das bestimmte Profil der Schaufel aufweist, mit derselben Elektronenstrahl-Schweißmaschine ein zweites Probestück geschweißt wird, das dem Passstück entspricht und die Eigenschaften des Passstücks aufweist, ohne dabei die Funktionsparameter zu ändern, um ein so genanntes Schweißreihenende-Probestück zu erhalten, und bei dem die Qualität des Schweißreihenende-Probestücks überprüft wird.
Dieser Verfahrensschritt hat den Vorteil, den Zustand des Ablaufens des Schweißprozesses am Ende der Schweißreihe darzustellen, wenn die Parameter der Einrichtungen sich leicht verändert haben können. Wenn das Schweißreihenende-Probestück von akzeptabler Qualität ist, schließt man daraus, dass die Gesamtheit der Reparaturen, die zwischen dem Schweißen des Schweißreihenanfangs-Probestücks und dem Schweißen des Schweißreihenende-Probestücks stattgefunden haben, korrekt abgelaufen ist. Das erlaubt es, einerseits die Reparaturprozesse zu vereinfachen und andererseits direkte Qualitätskontrollen an der EBL einzusparen, die angesichts des Platzbedarfs von Letzterer schwierig wenn nicht sogar unmöglich sind.
Das Verfahren passt besonders gut, wenn das Metall, aus dem die Scheibe besteht, eine Titanlegierung, insbesondere Ti17, ist, aber die Antragstellerin beabsichtigt nicht, die Reichweite ihrer Rechte auf diese einzige Anwendung zu beschränken.
Das Verfahren wird auf mindestens einen zu reparierenden Bereich an den Schaufelblattspitzen, den Ecken der Vorderkante oder Hinterkante und den Vorderkanten oder Hinterkanten angewendet.
Gemäß einem anderen Merkmal umfasst das Verfahren zur Reparatur einer einstückigen beschaufelten Laufscheibe einen Verfahrensschritt zur Einstellung der Elektronenstrahl-Schweißmaschine, in dessen Verlauf die Parameter voreingestellt werden, indem an einem ersten Probestück, das der Schaufel entspricht und das bestimmte Profil der Schaufel aufweist, ein zweites Probestück-Element, das dem Passstück entspricht und die Merkmale des Passstücks aufweist, eingeschweißt wird, um ein so genanntes Einstellungs-Probestück zu erhalten, wonach zerstörungsfreie und/oder zerstörende Prüfungen des Einstellungs-Probestücks folgen.
Vorzugsweise sind die ersten Elemente und auch die zweiten Elemente, also das Schweißreihenanfangs-Probestück, das Schweißreihenende-Probestück und das Einstellungs-Probestück, identisch.
Gemäß einer anderen Eigenschaft umfasst der Reparaturprozess gleichfalls einen Arbeitsschritt der Freigabe des Material-Maschinen-Paars, in dessen Verlauf zwei Platten des Materials der Schaufel mit einer Stärke von mindestens gleich der maximalen Stärke des bestimmten Profils der Schaufel verschweißt werden, um ein Freigabe-Probestück hinsichtlich der mechanischen Festigkeit zu erhalten, und bei dem man wenigstens zyklische Ermüdungsversuche an dem Freigabe-Probestück hinsichtlich der mechanischen Festigkeit vornimmt.
Die Erfindung richtet sich auch auf ein Schweißreihenanfangs-Probestück oder Schweißreihenende-Probestück oder Einstellungs-Probestück, um das Verfahren umzusetzen.
Die Erfindung wird besser verständlich mithilfe der folgenden Beschreibung der Form der bevorzugten Umsetzung des Verfahrens der Erfindung in Bezug auf die im Anhang beigefügten Bildtafeln. Auf ihnen zeigen:
1 eine perspektivische Teilansicht einer einstückigen beschaufelten Laufscheibe, von der eine Schaufel dank des Verfahrens der Erfindung repariert werden kann;
2 eine perspektivische schematische Ansicht einer Schaufel der Laufscheibe aus 1, auf der das Teilstück der Schaufel, das während der Vorbereitungsphase des Verfahrens der Erfindung entfernt wird, in grauer Farbe dargestellt ist;
3 eine perspektivische schematische Ansicht eines Passstücks mit Griffzapfen zur Umsetzung des Verfahrens der Erfindung;
4 eine perspektivische schematische Ansicht des ersten Probestücks des Schweißreihenanfangs- oder Schweißreihenende-Probestücks, oder des Einstellungs-Probestücks, das der Umsetzung des Verfahrens der Erfindung dient und einer Schaufel entspricht;
5 eine perspektivische schematische Ansicht des zweitens Probestücks des Schweißreihenanfangs- oder Schweißreihenende-Probestücks, oder des Einstellungs-Probestücks, das der Umsetzung des Verfahrens der Erfindung dient und einem Passstück entspricht;
6 eine perspektivische schematische Ansicht eines verschweißten Freigabe-Probestücks hinsichtlich der mechanischen Festigkeit, das zur Freigabe eines Material-Maschine-Paars dient, um das Verfahren der Erfindung umzusetzen, und
7 eine perspektivische schematische Ansicht des Probestücks der 6, das zum Zwecke der zyklischen Ermüdungsversuche zerschnitten wurde.
In Bezug auf 1 betrifft das Verfahren der Erfindung die Reparatur der Schaufel 2, die sich radial entlang der Peripherie einer Felge 3 einer einstückigen beschaufelten Laufscheibe 1 (EBL 1) erstreckt, die hier aus dem so genannten Ti17-Titan besteht. Aufgrund eines Einschlags oder aufgrund von Abnutzung weist diese Schaufel einen beschädigten Bereich auf. Die Bereiche, die wahrscheinlich beschädigt werden, sind die Vorderkanten 4, die Hinterkanten 5, die Ecken der Vorderkanten 6, die Ecken der Hinterkanten 7 sowie die Linie der Schaufelkante 8, die hier mit einem verjüngten Abschnitt versehen ist, das hier in bekannter Weise die Dichtungslippe bildet.
Man hat auf der Schaufel vorab standardisierte Teilabschnitte definiert, in denen sich abgenutzte, zur Reparatur geeignete Bereiche befinden, und die Abschnitten der Schaufel entsprechen, die herausgeschnitten werden, um ersetzt zu werden. Ein erster Schritt des Verfahrens besteht darin, zu kontrollieren, ob sich der beschädigte Bereich auf einem solchen Abschnitt befindet. Man sieht in 2 eine Schaufel 2 sowie ein solches standardisiertes Teilstück 9, das grau abgebildet ist. Das Teilstück 9 bildet hier die Ecke der Vorderkante der Schaufel 2.
Wenn dies der Fall ist, wird der standardisierte Abschnitt maschinell zerschnitten. Die Parameter dieser maschinellen Verarbeitung sind vorab festgelegt und identisch für alle Schaufeln desselben Typs. Die Abschnittlinie 10 des standardisierten Abschnitts 9 ist so definiert, dass sie einerseits so langsam wie möglich variiert, damit sie keine zu schroffen Krümmungspunkte oder Ecken aufweist und damit das Abschneiden und nachfolgende Verschweißen erleichtert; andererseits soll sie sich in einem Bereich der Schaufel befinden, in dem bei Betrieb minimale oder wenigstens keine maximalen Spannungen auftreten, damit der Bereich, der verschweißt werden soll, nicht im Anschluss daran entlang der Schweißlinie zu großen Spannungen ausgesetzt wird. Die maximale Ausdehnung des abgeschnittenen Teils wird entsprechend dem Gebrauch des Motors definiert und unter Berücksichtigung der aerodynamischen Belastung, die die Schaufel 2 erleidet. Auf diese Weise können alle Fehler einer Schaufel 2, die in einem solchen Teilstück 9 enthalten sind, gleich welcher Form oder Art sie auch sind, repariert werden, indem man dieses Teilstück 9 ausschneidet und es durch ein standardisiertes Passstück 11 ersetzt, das in 3 zu sehen ist, wie weiter unten beschrieben wird. Das Ausschneiden wird außerdem so ausgeführt, dass man garantiert einen Oberflächenzustand erhält, der mit der erwünschten Schweißqualität kompatibel ist.
So erhält man auf der Schaufel 2 eine Abschnittlinie, die ein bestimmtes Profil aufweist.
Sobald dieses maschinelle Abschneiden erfolgt ist, wird ein Arbeitsschritt durchgeführt, bei dem die Schaufel 2 und vor allem ihre Abschnittlinie 10 gereinigt wird, um sie für den Arbeitsschritt des Verschweißens vorzubereiten.
Bevor man ein Passstück 11 mit der zerschnittenen Schaufel verschweißt, wird ein Schweißreihenanfangs-Probestück verschweißt, dessen erstes und zweites Element man in den 4 und 5 sieht und das weiter unten detailliert beschrieben wird.
Das Passstück 11 oder „patch" wird dann mit der Abschnittlinie 10 der Schaufel 2 in Verbindung gebracht. Dieses In-Verbindung-Bringen erfolgt durch eine Vorrichtung zum Halten der Schaufel 2 und des Passstücks 11, die hier nicht beschrieben ist. Diese Vorrichtung muss so eingerichtet werden, dass sie eine sehr präzise Positionierung dieser Elemente im Verhältnis zueinander ermöglicht, und wird an jede Schaufel 2 angepasst. Bevorzugt wurde dieselbe Vorrichtung schon zum Halten der Schaufel 2 beim Abschneiden des standardisierten Abschnitts 9 benutzt, was es erlaubt, dieselben Parameter beizubehalten und eine Schweißebene zu haben, die identisch mit der Ausschneideebene ist.
Das Passstück 11, das aus demselben Material besteht wie die Schaufel, hier aus Titan Ti17, weist auf einer Abschnittlinie 12 ein Profil auf, das exakt das bestimmte Profil der Abschnittlinie der Schaufel 2 aufnimmt und ist im Vergleich zur Dicke der Schaufel etwas dicker, hier deutlich 1 mm, der sich ungefär verteilt auf 0,5 mm auf der einen Seite der Schaufel und 0,5 mm auf der anderen Seite der Schaufel, im Falle einer Schaufel, die zwischen 0,5 und 6 mm dick sein kann und bevorzugt zwischen 0,7 und 3,45 mm dick ist. Die Dicke des Passstücks 11 richtet sich also entlang ihrer Abschnittlinie 12 aber auch auf ihrer gesamten Oberfläche nach dem Verlauf des Profils und den Veränderungen in der Dicke der Schaufel entlang deren Abschnittlinie 10 und auf ihrer Oberfläche, wobei sie dem Teilstück, das entfernt wurde, entspricht, dabei aber dicker ist. Anders gesagt, die Form des Passstücks 11 auf der Oberfläche entspricht im Großen und Ganzen dem Teilabschnitt 9 der Schaufel 2, der entfernt worden ist, wobei das Passstück geringfügig größere Ausmaße hat.
In der Verlängerung jedes Endes seiner Abschnittlinie 12 weist das Passstück 11 einen Griffzapfen 13, 14 auf, der aus der Oberfläche der Abschnittlinie 12 herauskragt und sich so erstreckt, dass er die Schaufel 2 nicht überlagert, wenn das Passstück 11 mit ihr in Verbindung gebracht wird. Genauer gesagt entspricht jeder Griffzapfen 13, 14 genau der Form der Kante 15, 16 der Schaufel 2, die sich von ihrer Abschnittlinie 10 aus erstreckt, im gegebenen Fall entsprechen die Kanten ihrer Scheitellinie 15 und ihrer Vorderkante 16, die die Ecke der Vorderkante der Schaufel 2 bildeten. Diese Griffzapfen 13, 14 und das Passstück 11 können aus einem einzigen Stück gefertigt werden, oder die Griffzapfen werden an das Passstück angebracht. In dem Fall, dass beides aus einem Stück gefertigt wurde, erlauben es die Griffzapfen einer Bedienungsperson ebenfalls, das Passstück 11 zu halten und zu verlagern. An der Schaufel 2 könnten ebenfalls Griffzapfen angebracht sein. Die Abschnittlinie 12 des Passstücks 11 wird also dank der oben erwähnten Haltevorrichtung mit der Abschnittlinie 10 der Schaufel 2 in Verbindung gebracht, wobei dieses In-Verbindung-Bringen sehr präzise erfolgen muss, sofern das Profil des Passstücks 11 exakt dem Profil der Schaufel 2 folgt, was nach dem bisherigen Stand der Technik nicht der Fall war, weil dabei die Passstücke von gleichmäßiger Dicke waren, die schlicht größer war als die maximale Dicke der Schaufel. Dank der sich verändernden Dicke des Passstücks 11 werden Abweichungen vermieden sowie auch zu große Unterschiede zwischen der Dicke der Schaufel 2 und des Passstücks 11, was den folgenden Arbeitsschritt des Verschweißens mittels Elektronenstrahl vereinfacht und eine bessere Qualität garantiert, da dieser Arbeitsschritt eben eine große Präzision bei der Ausführung erfordert. Das erlaubt es, die Ursachen fehlerhaften Schweißens zu begrenzen. Die Haltevorrichtung, die die Schaufel 2, das Passstück 11 und möglicherweise die Griffzapfen 13, 14 hält, wenn diese nicht von selbst am Passstück 11 haften, muss also über die Möglichkeit verfügen, diese Positionierung in drei Dimensionen auszuführen.
Das Schweißen mittels Elektronenstrahl wird dann durch eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine durchgeführt. Zu diesem Zweck wird das Ensemble aus Schaufel 2 und Passstück 11 in eine inerte Atmosphäre versetzt, typischerweise in ein Vakuum, und eine Elektronenkanone der Maschine schießt einen Elektronenstrahl auf die Lötschnur, die sich im Zwischenraum zwischen den Abschnittlinien 10, 12 der Schaufel 2 und des Passstücks 11 befindet. Die kinetische Energie der Elektronen erhitzt die Stücke und ermöglicht das Verschweißen. Die verschiedenen Parameter dieses Arbeitsschritts des Verschweißens, insbesondere die Leistung des Strahls (typischerweise zwischen 50 und 200 kW), die Geschwindigkeit der Elektronen, die durch Beschleunigungsspannungen geregelt wird, die Dichte der Elektronen, der Verlauf der Bündelung, der es ermöglicht, die Tiefe des Bündelungspunktes zu regeln, die Amplitude, die Form und die Schwingungsfrequenz des Elektronenstrahls um seine Achse und die Geschwindigkeit der Bewegung des Strahls sind vorab festgelegt worden, dank der Versuche an Durchführungs-Probestücken, die dem Schweißreihenanfangs-Probestück ähneln und weiter unten genauer betrachtet werden.
Die Vorteile des Elektronenstrahl-Schweißens sind insbesondere die Geschwindigkeit des Schweißens und die erhaltene Qualität der Schweißnaht entlang einer relativ dünnen Lötschnur.
Man beginnt bei einem Griffzapfen 13 mit dem Schweißen. Tatsächlich verursacht beim Elektronenstrahl-Schweißen der Beginn des Schweißens Fehler am Werkstück und es entsteht auch ein Loch. Diese Nachteile betreffen nicht die Schaufel 2 solange sie sich auf den Griffzapfen 13 beschränken. Außerdem führt das Beginnen mit dem Griffzapfen 13 dazu, dass die Elektronenkanone ihre volle Leistung erreicht hat, wenn der Elektronenstrahl den Punkt erreicht, an dem sich die Schaufel 2 und das Passstück 11 aneinanderfügen, und dass er diese Leistung bis zum Ende der Abschnittlinie 10 der Schaufel 2 beibehält. Das gesamte Verschweißen des Passstücks 11 mit der Schaufel 2 geschieht also, was die Abschnittlinie 10 der Schaufel 2 betrifft, im „eingeschwungenen Zustand" der Elektronenkanone. Man kann bemerken, dass im betrachteten Fall die Lötschnur weiterläuft. Der Schweißvorgang wird beim gegenüberliegenden Griffzapfen 14 weitergeführt und beendet, wodurch die Fehler und das Loch, die ebenfalls in dieser Phase entstehen, auf den Bereich des Griffzapfens 14 beschränkt sind.
Der Elektronenstrahl wird nicht exakt auf die Verbindungsebene gelenkt, sondern leicht versetzt auf die Seite des Passstücks 11. Tatsächlich kann rund um eine Lötschnur ein „Kanal" entstehen, das heißt eine Zone verminderter Dicke im Vergleich zur ursprünglichen Dicke, wegen des Abweichens der Materie in Richtung Lötschnur. Da das Passstück 11 im Vergleich zur Schaufel 2 dicker ist, tendiert das Material dazu, die Lötschnur zu umgehen, um den Kanal auf der Seite der Schaufel 2 aufzufüllen. Der Kanal, der sich auf der Seite des Passstücks 11 bilden könnte, würde im Verlauf des Verarbeitungsschrittes verschwinden, der danach folgt. Das Versetzen des Strahls zur Seite des Passstücks 11 hin ermöglicht es also, dass das Vorhandensein eines Kanals in der reparierten Schaufel 2 vermieden wird.
Die Parameter der Elektronenstrahl-Schweißmaschine erhalten vorzugsweise ihre Feineinstellung durch Mittel, die es erlauben, dass diese Parameter der Geometrie der Lötschnur unterworfen werden, also der Geometrie der Abschnittlinie der Schaufel 2, wobei die Entwicklung in Echtzeit entlang dieser Abschnittlinie 10 erfolgt. Die erhaltene Schweißnaht ist dadurch von bester Qualität.
Man sollte einen anderen Vorteil des Gebrauchs der Griffzapfen 13, 14 beachten. Die Schaufel 2 weist entlang ihrer Scheitellinie 15 eine Dichtlippe auf, der einer Lippe 17 am Passstück 11 entspricht. Da er sehr dünn ist, kann eine solche Lippe nicht direkt mittels Elektronenstrahl verschweißt werden, weil dieser Bereich während des Verschweißens einbrechen würde. Nach dem bisherigen Stand der Technik war es daher häufig üblich, die Lippe nicht zu verschweißen, sondern eine Lippe im Nachhinein durch einen nachfolgenden Aufbauprozess, zum Beispiel durch Laser, zu bilden, was erhebliche Mehrkosten verursachte. Der Griffzapfen 13, der unter die Lippe platziert wird, auf der Seite der Schaufel 2 und des Passstücks 11, wo die Fortsetzung des Profils breiter ist, bildet auf dem Niveau der Lippe einen Überschuss an Dicke. Dadurch ist der Bereich, in dem die Lippen miteinander verschweißt werden, nicht zu dünn, diese Abschnitte können mittels Elektronenstrahl miteinander verschweißt werden und es kann damit sichergestellt werden, dass die Lippe der Schaufel 2 nach der Reparatur dauerhaft besteht.
Sobald der Arbeitsschritt des Verschweißens mittels Elektronenstrahl durchgeführt ist, werden die Schaufel 2 und das verschweißte Passstück 11 einer thermischen Behandlung unterzogen, um die Spannungen, die durch das Verschweißen hervorgerufen wurden, zu vermindern. Genauso kann ein Ultraschall-Strahlprozess durchgeführt werden. Man führt dann bestimmte Kontrollen durch, um sich der Qualität des Verschweißens zu versichern. Das können wegen der Garantie, die das Aufschweißen eines Schweißreihenanfangs-Probestücks geliefert hat, visuelle Kontrollen sein, die verifizieren, dass das Verschweißen wirklich stattgefunden hat und dass es nicht a priori zu merklichen Unzulänglichkeiten geführt hat. Man kann zu diesem Zweck versuchen, visuell Spuren von Oxidation zu entdecken, die einem schlechten Schutz durch das Isoliergas geschuldet wären, oder fehlende Verbindungen, oder (unter einem binokularen Mikroskop) Brüche und nicht geschmolzene Teile.
Wenn das Ergebnis nach diesen summarischen Kontrollen zufrieden stellend ist, wird das Passstück 11 im Anschluss daran maschinell bearbeitet, um den Materialüberschuss zu entfernen, damit es eine beinahe endgültige Form zurückerhält, die praktisch der Form der kompletten Schaufel 2 entspricht. Mehrere Durchgänge dieser maschinellen Bearbeitung mit Werkzeugen werden durchgeführt, wobei bei jedem Durchgang nur wenig Material entfernt wird, bis man eine Schaufel erhält, deren Umrisse leicht größer sind als die schlussendlichen Umrisse, das heißt als die Umrisse, die denen der anfänglichen Schaufel entsprechen. Es handelt sich um die Umrisse des Teilstücks 9, das herausgeschnitten und durch das Passstück 11 ersetzt wurde, während der Rest der Schaufel 2 nicht maschinell bearbeitet wird, da er mit dem Rest der anfänglichen Schaufel 2 identisch bleiben muss.
Die Reparatur der Schaufel 2 wird durch manuelles Polieren verfeinert und vollendet, damit man eine mit der anfänglichen Schaufel 2 identische Schaufel 2 erhält.
Das Verfahren der Erfindung ist insbesondere gekennzeichnet durch die Tatsache, dass man, bevor man das Passstück mit der Schaufel 2 verschweißt, zuerst ein so genanntes Schweißreihenanfangs-Probestück verschweißt. Zu diesem Zweck verschweißt man zwei Probestücke miteinander: ein erstes Element 18, das in 4 dargestellt ist und der Schaufel 2 entspricht, und ein zweites Element 19, das in 5 dargestellt ist und dem Passstück 11 entspricht. Das erste Probestück-Element 18, das der Schaufel 2 entspricht, wird im Folgenden mit dem Terminus erstes Element 18 bezeichnet und das zweite Probestück-Element 19, das dem Passstück 11 entspricht, wird im Folgenden mit dem Terminus zweites Element 19 bezeichnet. Die Bezeichnung Probestück steht im Folgenden für das bereits verschweißte Probestück, das heißt für die beiden Elemente 18, 19, wenn sie verschweißt wurden.
Das erste Element 18 weist eine Abschnittlinie 20 auf, deren Profil mit dem bestimmten Profil der Abschnittlinie 10 der Schaufel 2 identisch ist. Es besteht aus demselben Material, hier aus Titan Ti17, das denselben Bearbeitungsschritten unterzogen wurde wie die Schaufel 2, von ihrem Entwurf bis hin zu ihrer Inbetriebnahme, und weist dieselben Oberflächeneigenschaften und dieselben metallurgischen Eigenschaften auf und ist auf dieselbe Art und Weise maschinell bearbeitet worden. Vorzugsweise kann es sich um ein Abschnitt des geschmiedeten Vorentwurfs der EBL handeln, was die Ähnlichkeit der Eigenschaften sicherstellt. Es weist auch Abschnitte auf, die den Griffzapfen 13, 14 entsprechen, selbst wenn Letztere hier nicht dargestellt sind.
Auf die gleiche Weise weist das zweite Element 19 eine Abschnittlinie 21 auf, deren Profil mit dem der Abschnittlinie 12 des Passstücks 11 identisch ist, und es besitzt auch, in derselben Weise wie oben beschrieben, ähnliche Eigenschaften. Es weist den Dickeüberschuss des Passstücks 11 auf und enthält auch Abschnitte 22, 23, die den Griffzapfen 13, 14 entsprechen.
Das erste Element 18 und das zweite Element 19 werden mit der Maschine, die auch zum Verschweißen des Passstücks 11 mit der Schaufel 2 benützt werden wird, miteinander verschweißt, und ihre Parameter sind für diesen Schweißprozess voreingestellt. Die Vorabeinstellung der Parameter kann wie weiter unten beschrieben erhalten werden. Dieselbe Haltevorrichtung wird gebraucht. Auf diese Weise wird vor dem Verschweißen des Passstücks 11 mit der Schaufel 2 ein vollkommen ähnliches Schweißverfahren mit den zwei Elementen 18, 19 durchgeführt, um ein Schweißreihenanfangs-Probestück zu erhalten.
Es ist sogar möglich, wenn man ein Schweißverfahren ausführen will, das das Verschweißen des Passstücks 11 mit der Schaufel 2 noch besser abbildet, Mittel vorzusehen, die die Massen- und Volumenumgebung der Schaufel 2 simulieren.
Tatsächlich kommt es wegen der Masse, die die Schaufel 2 umgibt, insbesondere weil sich in ihrer Nähe die Nabe befindet, die die Felge 3 stützt, die die Schaufeln 2 trägt, während des Schweißvorgangs zu einem thermischen Pumpeffekt. Die Hitze des Schweißvorgangs, die zu einem bestimmten Ort geleitet wird, der die Schweißnaht bildet, tendiert dazu, sich in der Masse auszubreiten, wobei die Ausbreitung in Abhängigkeit von dieser unterschiedlich ist. Man berücksichtigt während des Verschweißens des Schweißreihenanfangs-Probestücks die Umgebung der Schaufel 2, die zum Beispiel durch die Gestaltung der Haltevorrichtung simuliert werden kann, wenn man dieser eine höhere Masse gibt, als notwendig wäre.
Sobald die beiden Elemente 18, 19 des Schweißreihenanfangs-Probestücks miteinander verschweißt sind, erhält man das eigentliche Schweißreihenanfangs-Probestück. Man geht daraufhin zur Kontrolle der Qualität des Verschweißens des Schweißreihenanfangs-Probestücks über. In Abhängigkeit von den Anforderungen ist es möglich, lediglich eine visuelle Kontrolle vorzunehmen oder eine Kontrolle unter einem binokularen Mikroskop durchzuführen, oder die Verbindungsebene längs und quer zu durchschneiden, um metallographische Untersuchungen durchzuführen.
Wenn diese Kontrolle oder Kontrollen zeigen, dass die Verschweißung schlecht ist, werden die Parameter angepasst und man stellt möglicherweise ein neues Schweißreihenanfangs-Probestück her, und so weiter, bis man ein Schweißreihenanfangs-Probestück erhält, das als gut erachtet wird. Wenn das der Fall ist, werden die Parameter der Maschine bestätigt, denn man geht davon aus, dass sie den Abnahmekriterien für die Reparatur entsprechen.
Sobald die Parameter der Maschine bestätigt sind, kann man dazu übergehen, mit denselben Parametern das Passstück 11 mit der Schaufel 2 zu verschweißen, um diese zu reparieren. Die Vorabkontrolle eines Schweißreihenanfangs-Probestückes reicht aus, um die Reparatur mehrerer identischer Schaufeln 2 eines selben EBL zu autorisieren, und sogar die mehrerer identischer EBLs.
Man kann anmerken, dass die Parameter der Elektronenstrahl-Schweißmaschine schon voreingestellt waren. Trotzdem, selbst wenn sie so voreingestellt waren, dass man ein gutes Schweißresultat erhält, erlaubt es das Schweißreihenanfangs-Probestück, sicherzugehen, dass das Ergebnis des Verschweißens immer gut ist, denn es ist nicht ausgeschlossen, dass die Abnutzung, die Hitze, usw. die Präzision der Maschine ein wenig beeinträchtigen.
Gemäß einem Merkmal des Verfahrens der Erfindung fertigt man nach der Reparatur der Schaufel 2 oder der Schaufeln 2 oder der EBL oder der EBLs im Anschluss daran ein so genanntes Schweißreihenende-Probestück. Ein solches Probestück ist mit dem oben beschriebenen Schweißreihenanfangs-Probestück identisch und besteht aus den beiden gleichen Elementen 18, 19. Das Verschweißen wird auf genau dieselbe Art und Weise mit den Parametern, die durch die Kontrolle des Schweißreihenanfangs-Probestücks bestätigt wurden und die bei der Reparatur der Schaufeln 2 benutzt wurden, durchgeführt. Auf die gleiche Art und Weise führt man eine oder mehrere Kontrollen des Schweißreihenende-Probestücks durch, was es erlaubt, die Reparatur der Schaufel 2 oder der Schaufeln 2 oder der EBL oder der EBLs zu bestätigen. Diese Kontrolle des Schweißreihenende-Probestücks ist vorzugsweise präzise, mit zum Beispiel einer metallographischen Untersuchung, bei der nach Hohlräumen gesucht wird, die durch das vom Metall freigesetzte Gas gebildet wurden. Diese Hohlräume sind im Fall von Titan Ti17 so klein, dass sie nur 5 bis 100 μm messen und durch einfaches Röntgen nicht entdeckt werden können. Die Dichte der Mikroporen, die bei der metallographischen Untersuchung festgestellt werden, bestimmt, ob die Reparatur akzeptiert wird. Auf diese Weise erlaubt es die Herstellung eines Schweißreihenanfangs-Probestücks und eines Schweißreihenende-Probestücks und deren Kontrolle, den gesamten Arbeitsprozess, also die Reparatur der EBL oder der EBLs, für gültig zu erklären, denn man geht davon aus, dass, wenn der Anfang und das Ende korrekt sind, auch die gesamte Reparatur oder die gesamten Reparaturen korrekt sind.
Vorzugsweise werden, wenn das möglich ist, die weiteren Arbeitsschritte an der Schaufel 2 nach deren Verschweißen (thermische Behandlung, Ultraschall-Strahlen, ...) erst nach der Herstellung und der Kontrolle des Schweißreihenende-Probestücks durchgeführt.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung werden die Parameter der Maschine auf so genannten Einstellungs-Probestücken voreingestellt, die mit den Schweißreihenanfangs-Probestücken und den Schweißreihenende-Probestücken identisch sind. Dank dieser Einstellungs-Probestücke bestimmt man experimentell die Parameter der Schweißmaschine für die Reparatur eines bestimmten Typs der Schaufeln 2, der ein bestimmtes Profil aufweist. Diese Einstellung der Parameter kann entweder gleich bei Erhalt der Maschine durch den Reparateur vorgenommen werden, oder sogar schon vorab durch den Hersteller der EBL, der dann dem Reparateur der EBL die Parameter weitergibt, die für die Reparatur der Schaufeln 2 anzuwenden sind. Das Anfertigen eines oder mehrerer Schweißreihenanfangs-Probestücke erlaubt in diesem Fall das Anpassen der Parameter umso mehr, als diese leichte Variationen aufweisen können, da sie nicht mit ein und derselben Maschine umgesetzt werden.
Wenn es auf diese Weise umgesetzt wird, ermöglicht das Verfahren der Erfindung nicht nur die Reparatur einer EBL aus Titan Ti17, die nach dem bisherigen Stand der Technik nicht möglich war, sondern auch die Standardisierung solcher Reparaturen. Auf diese Weise liefert der Konstrukteur seinen Reparateuren die Parameter, die bei der Reparatur der Schaufeln 2 angewendet werden müssen, und diese fertigen und kontrollieren ein oder mehrere Schweißreihenanfangs-Probestücke, um die Parameter zu bestätigen. Die Reparatur einer oder mehrerer Schaufeln wird dann nur noch summarisch oder gar nicht kontrolliert, da diese Reparatur schon durch das Verschweißen und die Kontrolle eines Schweißreihenende-Probestücks für gültig erklärt wurde.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wird eine Vorabfreigabe einer Schweißmaschine mittels eines so genannten Freigabe-Probestücks 24 durchgeführt, die in 6 dargestellt ist. Zu diesem Zweck verschweißt man mit einem Elektronenstrahl mit den voreingestellten Parameter zwei Platten, die mindestens genauso dick sind, wie die Schaufel 2 an ihrer dicksten Stelle, denn genau an dieser Stelle werden beim Verschweißen wahrscheinlich die meisten Mängel entstehen, und erhält das Freigabe-Probestück 24 mit der dabei entstehenden Schweißnaht 25.
Daraufhin schneidet man quer zur Schweißnaht 25 vom Freigabe-Probestück 24 ein Teilstück 26 ab, das so angefertigt wird, dass es in seinem Mittelteil einen Barren 27 bildet, durch den die Schweißnaht 25 quer hindurchfährt. Die Anfertigung wird so durchgeführt, dass an den äußeren Enden des Barrens 27 breitere Laschen 28, 29 stehen gelassen werden, an denen er durch die Backen eines Apparates gegriffen werden kann, mit dem zyklische Ermüdungsversuche durchgeführt werden. Während solcher Versuche führt er nacheinander bei verschiedenen Temperaturen Zieh- und Drückbewegungen aus, zum Beispiel bei Raumtemperatur und bei der Betriebstemperatur der Schaufeln 2. Das Probestück 24 kann so dazu verwendet werden, diverse Kontrollen durchzuführen, wie z. B. die oben beschriebenen, und kann längs und quer durchgeschnitten werden, um metallographische Untersuchungen durchzuführen.
Auf diese Weise ermöglicht es das Freigabe-Probestück 24, ein Paar aus Material und Maschine zu bestätigen und so die Auswirkungen einer typisierten Reparatur auf das Material und die Abschläge seiner mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.
Vorteilhafterweise wird eine solche Freigabe für jede einzelne Maschine durchgeführt, bevor der Arbeitsschritt der Reparatur und des Verschweißens des Schweißreihenanfangs-Probestücks durchgeführt wird. Die Freigabe erfolgt also weniger für ein Material als vielmehr für jede einzelne Maschine in Verbindung mit dem Material.

Claims

Verfahren zum Reparieren einer Schaufel (2) einer einstückigen, beschaufelten Turbomaschinen-Laufscheibe mit mindestens einem beschädigten Bereich durch Elektronenstrahl-Einschweißen eines Passstücks (11) mittels einer Elektronenstrahl-Schweißmaschine, welches die Verfahrensschritte der Vorbereitung des beschädigten Bereichs, des Elektronenstrahl-Einschweißens des Passstücks (11) und der Wiederherstellung des ursprünglichen Zustands durch Bearbeitung des reparierten Bereichs umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt der Vorbereitung die Bearbeitung des beschädigten Bereichs dergestalt, dass ein zu reparierender Bereich (10) mit einem bestimmten Profil erzielt wird, umfasst, dass auf ein erstes Probestück (18), das der Schaufel (2) entspricht und das genannte bestimmte Profil (20) aufweist, mit der Schweißmaschine, deren Betriebsparameter voreingestellt sind, ein zweites Probestück-Element (19), das dem Passstück (11) entspricht und die Merkmale des Passstücks (11) aufweist, geschweißt wird, um ein sogenanntes Schweißreihenanfangs-Probestück zu erhalten, dass die Qualität des Schweißreihenanfangs-Probestücks nach dem Schweißen überprüft wird, und, angenommen, die Qualität des Schweißreihenanfangs-Probestücks entspricht den Abnahmekriterien für die Reparatur, dass das Passstück (11) auf den zu reparierenden Bereich (10) geschweißt wird, und zwar mit der gleichen Elektronenstrahl-Schweißmaschine, ohne deren Betriebsparameter zu ändern, und dass der reparierte Bereich durch Bearbeitung wieder in seinen ursprünglichen Zustand gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bearbeitung des beschädigten Bereichs durch Abschneiden eines standardisierten Abschnitts (9), welcher den beschädigten Bereich umfasst, entlang einer Abschnittlinie (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Passstück (11) eine Abschnittlinie (12) enthält, die ein Profil aufweist, das dem bestimmten Profil der Abschnittlinie (10) der Schaufel (2) entspricht, dabei eine Überdicke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei bei einer Schaufel, deren Dicke zwischen 0,5 und 6 mm und vorzugsweise zwischen 0,7 und 3,45 mm variiert, diese Überdicke im Wesentlichen 1 mm beträgt, die mit ungefähr 0,5 mm auf beide Seiten der Abschnittlinie (10) verteilt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Elektronenstrahl beim Einschweißen des Passstücks (11) leicht zur Seite des Passstücks (11) verschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mindestens ein Ansatzstück (13, 14) an dem Passstück (11) angebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das nach dem Einschweißen des Passstücks (11) an der Schaufel (2) einen Verfahrensschritt umfasst, bei dem mit der Elektronenstrahl-Schweißmaschine ohne Änderung der Betriebsparameter an einem ersten Probestück (18), das der Schaufel (2) entspricht und das bestimmte Profil der Schaufel (2) aufweist, ein zweites Probestück-Element (19), das dem Passstück (11) entspricht und die Merkmale des Passstücks (11) aufweist, eingeschweißt wird, um ein sogenanntes Schweißreihenende-Probestück zu erhalten, sowie einen Schritt der Überprüfung der Qualität des Schweißreihenende-Probestücks.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das einen Verfahrensschritt des Einstellen der Elektronenstrahl-Schweißmaschine umfasst, bei dem die Parameter voreingestellt werden, indem an einem ersten Probestück (18), das der Schaufel (2) entspricht und das bestimmte Profil der Schaufel (2) aufweist, ein zweites Probestück-Element (19), das dem Passstück (11) entspricht und die Merkmale des Passstücks (11) aufweist, eingeschweißt wird, um ein sogenanntes Einstellungs-Probestück zu erhalten, gefolgt von zerstörungsfreien und/oder zerstörenden Prüfungen des Einstellungs-Probestücks.
Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, bei dem die ersten Elemente (18) sowie die zweiten Elemente (19) des Schweißreihenanfangs-Probestücks, des Schweißreihenende-Probestücks und des Einstellungs-Probestücks identisch sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, oder 9, bei dem das Einschweißen eines Probestücks mit Mitteln zur Simulation der Masseumgebung der Schaufel (2) erfolgt, um das thermische Pumpen zu simulieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das auch einen Verfahrensschritt der Freigabe des Material-Maschinen-Paars umfasst, bei dem zwei Platten des Materials der Schaufel (2) mit einer Starke von mindestens gleich der maximalen Stärke des bestimmten Profils der Schaufel zusammengeschweißt werden, um ein Freigabe-Probestück (24) hinsichtlich der mechanischen Festigkeit zu erhalten, und mindestens zyklische Ermüdungsversuche an dem Freigabe-Probestück (24) vorgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das bei der Reparatur von mindestens einem zu reparierenden Bereich an den Schaufelblattspitzen (8), den Ecken (6, 7) der Vorderkante oder Hinterkante und an den Vorderkanten (4) oder Hinterkanten (5) angewendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Schaufel (2) aus Titan, dem sogenannten Ti17, gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Turbomaschine ein Turboluftstrahltriebwerk ist.
Schweißreihenanfangs-Probestück, Schweißreihenende-Probestück oder Einstellungs-Probestück für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9, welches eine Abschnittlinie (20) mit einem Profil aufweist, das identisch mit dem bestimmten Profil der Schaufel (2) ist, und aus dem gleichen Material gebildet ist.
Schweißreihenanfangs-Probestück, Schweißreihenende-Probestück oder Einstellungs-Probestück für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9, welches die Merkmale des Passstücks (11) aufweist.