DE69734232T2 - Verfahrem zum Linearreibschweissen - Google Patents

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Richard D. Simsbury Trask
Susan H. Marlborough Goetschius
Stephen A. Vernon Hilton
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Description

  • Diese Erfindung betrifft lineares Reibschweißen.
  • Wie im Stand der Technik bekannt, können Strukturen miteinander mittels linearem Reibschweißen verbunden werden. Bei einem solchen Verfahren wird eine Oberfläche an einer der Strukturen mit einer Oberfläche an der anderen Struktur in Kontakt gebracht (flächenmäßig zusammengebracht – interfaced). Die flächenmäßig zusammengebrachten Oberflächen haben typischerweise komplementäre Eigenschaften, d.h. ähnliche Längen und ähnliche Breiten. Die zwei Teile werden aneinander gerieben, vor und zurück, in einer oszillatorischen Weise vom einigermaßen linearen Typ. Die Achse der Oszillation ist typischerweise grob mit der Längsachse (in Längenrichtung) der Berührungsfläche, d.h. von Ende zu Ende, ausgerichtet. Wenn die Teile gerieben werden, wird eine Kompressionskraft ausgeübt, um die Berührungsfläche unter hohen Druck zu setzen. An der Berührungsfläche wird Reibungswärme erzeugt, und Material von jedem Teil ändert sich in einen geschmolzenen oder vorzugsweise einen plastischen Zustand. Ein Teil dieses Materials strömt von zwischen den Teilen heraus (Blitzfließen – flash flow), was zu einem graduellen Abnehmen in der Dicke führt, d.h. der Abmessung in der Richtung, in der Druck auf die Teile ausgeübt wird (die Abmessung senkrecht zu der Berührungsfläche). Wenn das Verfahren beendet wird, hört der flash flow auf, und an der Berührungsfläche kühlt sich das verbleibende Material plastischen Zustands jedes Teils ab und ändert sich zurück in den festen Zustand, wobei darin Verbindungen (bonds) ausgebildet werden und die beiden Teile miteinander verbunden werden.
  • Es existiert bei diesem Verfahren jedoch ein Problem dahingehend, dass die Verbindung normalerweise an den Enden der Berührungsfläche unvollständig, d.h. Defekt-behaftet, ist. Die Art des Defekts ist die eines Hohlraums oder einer Kerbe. Er tritt, zum Teil auf, weil die Enden der Berührungsfläche, grob auf der Oszillationsachse, während jedes Oszillationszyklus alternierend hin zur Umgebung freigelegt werden. Während sie freigelegt sind, werden die Enden nicht gerieben und daher nicht reibungsmäßig erwärmt. Als Ergebnis der alternierenden Freilegung werden somit die Enden nur alternierend erwärmt, und die Temperatur der Enden wird nicht hoch genug, um eine vollständige Verbindung zu erzeugen.
  • Es wurden Anstrengungen auf das Entwickeln von Verfahren fokussiert, welche gewährleisten, dass der Defekt sich nicht in der Außenlinie der Endform des Produkts bildet. Bei der Herstellung der Originalausstattung können Teilgeometrien überdimensioniert werden, so dass sich die Defekte, die sich ausbilden, außerhalb der Außenlinie des Endprodukts befinden. Die Defekte werden dann entfernt, wenn das Produkt auf seine endgültige Form abbearbeitet wird. Bei Reparatursituationen wird jedoch ein beschädigter Bereich entfernt, der verbleibende Bereich ist aber bereits in seiner endgültigen Form und Abmessung, und daher ist eine überdimensionierte Geometrie keine durchführbare Alternative.
  • Eine der vielen Anwendungen für lineares Reibschweißen ist das Befestigen von Laufschaufeln (Strömungsprofilen) an einem Rotor und dadurch das Ausbilden eines integral mit Laufschaufeln versehenen Rotors (integrally bladed rotor – IBR). Bei einer solchen Anwendung wird eine Basisoberfläche an der Laufschaufel mit einer geringfügig erhöhten Oberfläche an dem Rotor flächenmäßig in Berührung gebracht. Ohne präventive Maßnahmen besteht jedoch ein Risiko, dass die Verbindung an den Laufschaufelrändern Defektbehaftet ist, weil die Laufschaufelränder sich an den Enden der Berührungsfläche befinden, grob an der Oszillationsachse, und daher die Laufschaufelränder alternierend zur Umgebung freigelegt werden und nur alternierend während der Oszillation erwärmt werden. Als Ergebnis wird die Randtemperatur nicht hoch genug, um eine vollständige, adäquate Verbindung zu erzeugen. Obwohl der Defekt per se keine Bruchstelle bilden kann, kann er während des Maschinenbetriebs in eine solche erwachsen, und somit ist dessen Präsenz in einem IBR inakzeptabel.
  • Um Defekte an den Rändern für IBR-Reparaturen zu vermeiden, wird im Ansatz des Stands der Technik der beschädigte Bereich einer sich in Reparatur befindlichen Laufschaufel entfernt, z.B. durch Entfernen eines longitudinalen Abschnitts, und Flansche oder Manschetten werden um die Ränder des verbleibenden Bereichs herum vorgesehen. Ein Paar von Klemmbacken greifen den verbleibenden (unbeschädigten) Bereich (der, als seine endgültige Form, die endgültige Form des reparierten Teils aufweist) und seinen zugeordneten Flansch, um beide in Position für lineares Reibschweißen zu befestigen. Obwohl der unbeschädigte Bereich bereits mit dem IBR verbunden ist (wie z.B. durch lineares Reibschweißen), ist der unbeschädigte Bereich nicht steif genug, von Seite zu Seite, und zu stark freitragend, um linearem Reibschweißen ohne die Abstützung durch die Klemmbacken oder ähnliches Werkzeug unterzogen zu werden. Ähnliche Flansche oder Klemmbacken sind auch vorgesehen, um einen Ersetzungsbereich zu greifen, der als seine endgültige Form auch die Form des reparierten Teils aufweist, um ihn an den unbeschädigten Bereich linear reibzuschweißen. Die Flansche rund um jeden Bereich vermeiden, dass die, Laufschaufelränder des anderen Bereichs alternierend zur Umgebung hin freigelegt werden; somit wird ausreichend Wärme erzeugt, um eine effektive Verbindung zu erreichen. Defekte können in den Flanschregionen ausgebildet werden, weil die Flansche alternierend zur Umgebung hin freigelegt werden können, aber die Flansche werden anschließend zusammen mit solchen Defekten weg bearbeitet.
  • Bei diesem Ansatz des Stands der Technik ist es jedoch für die Klemmbacken schwierig, die Laufschaufeln sicher zu halten, ohne Schaden an den fertiggestellten Formen zu bewirken. Erstens können die Klemmbacken im Allgemeinen nicht exakt mit der Form einer individuellen Laufschaufel übereinstimmen, weil die Formen der Laufschaufeln ein wenig voneinander variieren aufgrund normaler Fertigungsungenauigkeiten, und daher können die Klemmbacken physikalischen Schaden an einer speziellen Laufschaufel bewirken, wenn sie sie fest greifen. Ferner weisen Hochleistungslaufschaufeln oft Titan auf, ein relativ weiches Metall, das relativ einfach an seiner Oberfläche beschädigt wird. Ein solches Beschädigen ist höchst unerwünscht, weil es die aerodynamische Leistung der Laufschaufeln nachteilig beeinflusst. Weiterhin haben die Klemmbacken typischerweise nicht die gleiche Materialzusammensetzung wie die Laufschaufeln, und dementsprechend können sie verbleibende chemische Ablagerungen hinterlassen, die dadurch das Oberflächenfinish kontaminieren. Das Oberflächenfinish ist bei einigen Anwendungen so kritisch, das während der Herstellung häufig Handschuhe getragen werden, wenn die Laufschaufeln gehandhabt werden, um eine Kontaminierung des Laufschaufel-Oberflächenfinish zu vermeiden.
  • Außerdem wird der Ersetzungsbereich beinahe sicher erheblich beschädigt, weil er lediglich durch die Klemmbacken, die sein gefinishtes Strömungsprofil greifen, abgestützt wird. Im Gegensatz zu dem verbleibenden Bereich ist der Ersetzungsbereich nicht integral mit einer größeren Struktur, wie z.B. der Laufschaufelscheibe, die für Abstützung sorgt. Daher greifen die Klemmbacken das gefinishte Strömungsprofil sicher genug, um Zehntausenden von Pfund Drucks zu widerstehen und fügen dem Strömungsprofil daher beinahe sicherlich tiefe Abdrücke zu.
  • Ein weiteres Problem bei Ansätzen des Stands der Technik ist, dass die Flansche tendenziell groß sind, was zur Berührungsfläche genauso viel oder mehr Oberfläche beiträgt, wie diejenige der Laufschaufel. Obwohl dies helfen kann zu vermeiden, dass sich Defekte in den Laufschaufelrändern bilden, erfordert es eine übermäßige Prozessierungseingangsenergie, um die allein durch die Flansche hinzugefügte Reibung zu überwinden und unterzieht die Flansche während des linearen Reibschweißens enormen Belastungen, was es extrem schwierig macht, sie sicher zu halten, insbesondere angesichts der Tatsache, dass das gleiche Paar von Klemmbacken sowohl die Flansche als auch die Laufschaufel greifen muss. Flansche des Stands der Technik haben auch scharfe, orthogonale Kanten, was die Flansche empfindlicher für Spannung und Bruchstellenbildung während des linearen Reibschweißens macht.
  • EP-A-0 669 183 offenbart ein Reibschweißverfahren zum Verbinden von Teilen einer Rotorlaufschaufel.
  • Gemäß der Erfindung wird eine wie in Anspruch 1 beanspruchte Kombination und ein wie in Anspruch 6 beanspruchtes Verfahren vorgesehen.
  • Das lineare Reibschweißverfahren der vorliegenden Erfindung sieht zwei Elemente vor, die miteinander in ein Endprodukt verbunden werden sollen, wobei jedes der Elemente eine Hauptaußenoberfläche und eine flächenmäßig zu verbindende Oberfläche hat, und wobei eines der beiden Elemente ein Stumpf ist, der zumindest teilweise an seiner Außenhauptoberfläche durch eine Manschette umgeben ist. Der Stumpf wird generell ohne wesentlichen Haltekontakt an seiner Außenhauptoberfläche durch Werkzeug gehalten. Anschließend werden Druck und Relativbewegung zwischen den Elementen ausgeübt, um die Elemente miteinander linear reibzuverschweißen.
  • Ein solches Verfahren behebt die Notwendigkeit, Werkzeug zu verwenden, um irgendwelche Oberflächen der endgültigen Form des Teils zu greifen und behebt so das Risiko, dass Werkzeug physikalischen oder chemischen Schaden an, der endgültigen Form bewirkt. Zumindest ein Teil der Hauptaußenoberfläche des Stumpfes kann flächengleich mit demjenigen des Endprodukts sein. Das Stumpfelement sollte im Allgemeinen starr genug sein, um linearem Reibschweißen ohne eine wesentliche Halteabstützung der Klemmbacken oder ähnlichen Werkzeugs unterzogen zu werden, der Stumpf hat vorzugsweise eine radiale Dicke, die geringer ist als etwa dreimal seine Breite, vorzugsweise geringer als etwa 1 Inch (2,54 cm), und stärker bevorzugt weniger als seine Breite. Die Manschette, die ein alternierendes Freilegen der Berührungsflächenoberfläche des anderen Elements hin zur Umgebung reduziert, kann ein Band mit einer gekrümmten Hauptinnen- und einer gekrümmten Hauptaußen-(Lateral-)oberfläche aufweisen. Die Innen- und die Außenhauptmanschettenoberfläche können generell parallel zueinander sein, was die Manschette generell mit gleichmäßiger Breite ausbildet. Die Manschette kann ferner eine Basis aufweisen, auf der das Band aufsteht. Die flächig zu verbindenden Oberflächen an dem Strumpf und der Manschette sind vorzugsweise zueinander im Wesentlichen koplanar. Die Berührungsflächenoberfläche des anderen Elements kann überdimensioniert sein, integral oder mit einer Manschette, was sie vor zugsweise komplementär mit derjenigen des Stumpfes ausbildet, um alternierendes Freilegen hin zur Umgebung der Berührungsflächenoberfläche des Stumpfes reduziert.
  • Eine bevorzugte Manschette weist eine Hauptinnen- und eine Hauptaußenlateraloberfläche auf, wobei die Hauptinnenoberfläche einen Bereich einer Hauptaußen- (Lateral-)oberfläche eines linear reibzuschweißenden Elements umgibt. Das Element hat eine Oberfläche, die zum linearen Reibschweißen mit einem komplementären Element flächenmäßig verbunden werden soll, wobei die radial äußere Oberfläche der Manschette eine Vergrößerung der Fläche der Oberfläche des flächenmäßig zu verbindenen Elements bildet.
  • Die Außenlateraloberfläche kann gekrümmt sein, um Spannung und Bruchstellenbildung der Manschette während des linearen Reibschweißens zu vermeiden. Die Innen- und die Außenlateralmanschettenoberfläche können im Allgemeinen parallel zueinander sein, was die Fläche der Außenradialoberfläche der Manschette klein und einigermaßen gleichmäßig in der Breite ausbil- det, so dass weniger Prozesseingangsenergie benötigt wird, um die durch die Manschetten beigesteuerte Reibung zu überwinden, so dass die Manschetten während des linearen Reibschweißens geringere Belastungen erfahren, was es einfacher macht, sie zu befestigen. Die Manschette kann eine radiale Dicke haben, die weniger als 1 Inch (2,54 cm) ist. Die Fläche der radial äußeren Oberfläche der Manschette ist typischerweise weniger als diejenige der flächenmäßig zu verbindenden Oberfläche des Elements, vorzugsweise weniger als die Hälfte derjenigen des Elements.
  • Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • 1 eine fragmentarische, perspektivische Ansicht eines integral mit Laufschaufeln versehenen Bläserrotors für eine Gasturbinenmaschine, für den das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Reparieren verwendet werden kann, ist;
  • 2 eine perspektivische Ansicht einer der in 1 gezeigten Laufschaufeln ist;
  • 3 eine fragmentarische, perspektivische Ansicht des integral mit Laufschaufeln versehenen Bläserrotors aus 1 und einer ersten Manschette ist, wobei ein Bereich der beschädigten Laufschaufel entfernt wurde;
  • 4 eine perspektivische Ansicht der Vorderkantenmanschette aus 3 ist;
  • 5 eine perspektivische Ansicht der Hinterkantenmanschette aus 3 ist;
  • 6 eine fragmentarische, perspektivische Ansicht des integral mit Laufschaufeln versehenen Bläserrotors, des Stumpfes und der Manschette aus 3 ist, mit einem Vergrößerungselement und einem Werkzeug zum Halten der Manschetten;
  • 7 eine Draufsicht des integral mit Laufschaufeln versehenen Bläserrotors und der Manschette aus 3 ist, mit einer gestrichelten Linie, die die relative Form der Ränder des Vergrößerungselements aus 6 zeigt.
  • 8 ein fragmentarischer, perspektivischer Querschnitt des integral mit Laufschaufeln versehenen Bläserrotors und der Hinterkantenmanschette aus 3 und der Ersatzlaufschaufel aus 6, in der Richtung von 8-8 ist, wobei die Ersatzlaufschaufel mit der Manschette in Vorbereitung auf lineares Reibschweißen ausgerichtet ist und diese kontaktiert;
  • 9 ein fragmentarischer, perspektivischer Querschnitt des integral mit Laufschaufeln versehenen Bläserrotors, der Hinterkantenmanschette und der Ersatzlaufschaufel aus 8 ist, in der Richtung 8-8, nach linearem Reibschweißen;
  • 10 eine fragmentarische Draufsicht des integral mit Laufschaufeln versehenen Bläserrotors aus 3 und einer zweiten Manschette mit zugeordnetem Werkzeug ist; und
  • 11 eine fragmentarische Draufsicht des integral mit Laufschaufeln versehenen Bläserrotors und einer zweiten Ausführungsform aus 10 mit alternativem Werkzeug ist.
  • Die vorliegende Erfindung ist mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen offenbart für die Verwendung mit einem integral mit Laufschaufeln versehenen Bläserrotor erster Stufe des in 1 veranschaulichten Typs.
  • Bezugnehmend auf 1 hat ein integral mit Laufschaufeln versehener Bläserrotor 20 eine Scheibe 22 mit einer Plattform 24 mit einer radial äußeren Oberfläche 26. Laufschaufeln (Strömungsprofile) 28 ragen von der Oberseite oder radial äußeren Oberfläche 26 der Scheibe 22. Es soll verstanden werden, dass die Laufschaufeln 28 zwei aus einer Mehrzahl solcher an die Scheibe 22 angebrachter Laufschaufeln sind. Jede der Laufschaufeln 28 hat eine Basis 30 und eine Spitze 32 sowie eine Vorderkante 33 und ein Hinterkante 34 relativ zu einem Gasströmungsweg 35. Eine der Laufschaufeln 28 hat einen beschädigten Bereich 38.
  • Bezugnehmend auf 2 hat die Laufschaufel 28 eine kompliziert gewundene und gebogene Form, die der Laufschaufel die gewünschten aerodynamischen Eigenschaften verleiht. Eine Seite (Sogseite) 36 der Laufschaufel ist konvex, und die andere (Druckseite) 37 ist konkav. Idealerweise hat jede der Mehrzahl von Laufschaufeln exakt die gleiche Form, aber realistischerweise variieren die Formen der Laufschaufeln ein wenig voneinander aufgrund normaler Fertigungsungenauigkeiten.
  • Die Laufschaufel 28 weist typischerweise ein Material auf, das relativ leichtgewichtig und dennoch ausreichend mechanisch stark ist, wie z.B. eine Titanlegierung. Trotzdem muss die Laufschaufel 28 während der Herstellung und der Reparatur vorsichtig gehandhabt werden, um sicherzustellen, dass die Lauf- schaufel nicht verzogen oder beschädigt wird. Um ferner verbleibende chemische Ablagerungen und Oberflächenfinishkontaminierung zu vermeiden, weisen alle Metallwerkzeuge, die die Laufschaufel 28 kontaktieren, vorzugsweise das gleiche oder ein ähnliches Material auf wie dasjenige der Laufschaufel.
  • Wiederum bezugnehmend auf 1 ist die Druckseite 37 der Laufschaufel 28 hin zu der Oberfläche 26 der Plattform 24 auskragend. Obwohl das Auskragen für jede der Laufschaufeln Idealerweise gleich ist, variiert es realistischerweise auch von Laufschaufel zu Laufschaufel.
  • In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Hauptbereich der Laufschaufel 28, der sich oberhalb der gestrichelten Linie 41 befindet, entfernt. Bezugnehmend nun auf 3, bei der der Hauptbereich, einschließlich des beschädigten Bereiches, der Laufschaufel entfernt ist, verbleibt nur ein Stumpfbereich 42 der Laufschaufel, d.h. ein Bereich, der starr genug ist, um linearem Reibschweißen unterzogen zu werden, ohne eine wesentliche Halteabstützung durch Klemmbacken oder ähnliches Werkzeug. Der Stumpf hat typischerweise eine radiale Dicke 43, oder Höhe, mit einer Größenordnung, die geringer ist als etwa dreimal diejenige seiner Breite 31. Hier ist die radiale Dicke 43 des Stumpfes vorzugsweise 1 inch (2,54 cm) oder weniger, stärker bevorzugt weniger als etwa seine Breite 31.
  • Der Stumpf 42 erstreckt sich vorzugsweise von der Vorderkante 33 zu der Hinterkante 34, und die radiale Dicke 43, oder Höhe, ist vorzugsweise im Allgemeinen gleichmäßig. Der Stumpf 42 weist eine radial äußere Oberfläche 44 auf, die einen Bereich einer flächenmäßig zu verbindenden Oberfläche bildet, an der lineares Reibschweißen eines Erstreckungselements, um ein Endprodukt zu bilden, initiiert werden soll, und eine Hauptaußen- (Lateral-)oberfläche 45, die vorzugsweise im Allgemeinen gleicherstreckend mit der Außenlateraloberfläche des Endprodukts ist und die Druck- und die Sogseitenoberfläche 36, 37 (1, 2) und die Vorder- und die Hinterkante 33, 34 aufweist.
  • Manschetten 46, 47 sind an der Vorder- und der Hinterkante 33, 34 des Stumpfes 42 vorgesehen.
  • Die Manschetten 46, 47 weisen jede ein teilweises Band 48, 49 und eine Bandbasis 50, 51 auf. Vorzugsweise ist jedes Band 48, 49 im Allgemeinen V-förmig mit einem sich gabelnden Ende 52, 53, einer Hauptinnen-(Lateral-)oberfläche 54, 55, einer Hauptaußen- (Lateral-)oberfläche 56, 57 und einer radial äußeren Oberfläche 58, 59, Die Innenoberflächen sind vorzugsweise dazu angepasst, im Wesentlichen gleichmäßigen Kontakt mit der jeweiligen Kante 33, 34 und den Seiten 36, 37 (1, 2) des Stumpfes 42 zu bilden. Die radial äußeren Oberflächen 58, 59 bilden die anderen Bereiche der flächenmäßig zu verbindenden Oberfläche für lineares Reibschweißen und sind vorzugsweise im Wesentlichen bündig, oder im Wesentlichen koplanar, mit der radial äußeren Oberfläche 44 des Stumpfes 42, d.h. sie sind im Allgemeinen bei der gleichen Höhe zueinander relativ zu der Plattformoberfläche 26. Die Hauptaußenoberflächen 56, 57 sind an den sich gabelnden Enden 52, 53 gekrümmt, um scharfe Ecken zu vermeiden, die ansonsten während des linearen Reibschweißens Spannung entwickeln könnten und schließlich brechen.
  • Die Geometrie der Bänder 48, 49 sollte geeignet sein, um alternierendes Freilegen der Ränder an dem Erstreckungslaufschaufelelement, welches an den Stumpf linear reibgeschweißt werden soll, zu reduzieren oder zu vermeiden, so dass die Temperatur der Ränder an dem Erstreckungselement hoch genug wird, um ein vollständiges Verbinden zu erreichen, d.h. keine Defekte an den Rändern. Außerdem sorgen die Bänder 48, 49 vorzugsweise für umfangsmäßige (laterale, Druckseite zu Sogseite) Abstützung für den Stumpf 42, um den auskragenden Stumpf davon abzuhalten, sich während des linearen Reibschweißens hin zu der Oberfläche 26 der Plattform 24 zu biegen. Es ist jedoch wünschenswert, die Geometrie der Bänder, insbesondere diejenigen Parameter, die die Fläche der radial äußeren Oberflächen 58, 59 beeinflussen, so klein wie möglich zu halten, d.h. nicht größer als notwendig. Dies liegt daran, dass die Stärke der von den Bändern während des linearen Reibschweißens erfahrenen Kraft proportional zu der Größe der Fläche der radial äußeren Oberflächen 58, 59 ist. Höhere Kräfte machen es schwieriger, das Band in Position zu halten. Als Ergebnis sind die Außenlateraloberflächen 56, 57 im Allgemeinen parallel zu den Innenlateraloberflächen 54, 55, so dass die Bänder 48, 49 im Allgemeinen in der Breite 60, 61 gleichmäßig sind und im Allgemeinen mit der Hauptaußenoberfläche 45 des Stumpfes 42 übereinstimmen. Dies macht die Fläche der radial äußeren Oberflächen 58, 59 der Bänder klein, so dass weniger Prozesseingangsenergie benötigt wird, um die durch die Bänder beigesteuerte Reibung zu überwinden und so dass die Manschetten während des linearen Reibschweißens kleinere Kräfte erfahren, was es einfacher macht, sie zu befestigen. Die Gesamtfläche der radial äußeren Oberflächen 58, 59 ist typischerweise weniger als diejenige der radial äußeren Oberfläche 44 des Stumpfes 42, überlicherweise weniger als diejenige des Bereiches der radial äußeren Oberfläche 44, der teilweise durch die Bänder umschlossen ist, vorzugsweise weniger als die Hälfte derjenigen der radial äußeren Oberfläche 44 des Stumpfes 42 und stärker bevorzugt weniger als ein Viertel der radial äußeren Oberfläche 44 des Stumpfes 42.
  • Die Bänder 48, 49 weisen radiale Dicken 62, 64 (Höhen) auf, die während des linearen Reibschweißens graduell abnehmen. Die anfänglichen radialen Dicken 62, 64 sind vorzugsweise mindestens genauso groß wie die erwartete Abnahme, um zu vermeiden, dass die Berührungsfläche des linearen Reibschweißens die radial äußeren Oberflächen 66, 68 der Basen 50, 51 erreicht. Die Dicken 62, 64 sind jedoch vorzugsweise nicht so groß, dass die Bänder 48, 49 empfindlich auf Brechen oder Biegen während des linearen Reibschweißens werden. Zum Beispiel ist in der bevorzugten Ausführungsform die radiale Dicke 62, 64 etwa 0,175 inches (4,5 mm), und die erwartete Abnahme bei der Dicke 62, 64 ist etwa 0,075 inches (1,9 mm), so dass die radiale Dicke in der Größenordnung von etwa 0,100 inches (2,5 mm) größer ist als die erwartete Abnahme bei der Dicke. Ferner ist es für einfaches Kontrollieren der Parameter des linearen Reibschweißens wünschenswert, die kombinierte Fläche des longitudinalen Querschnitts des Stumpfrandes und des Manschettenbandes relativ konstant zu halten, wenn die Dicke abnimmt. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Außenlateraloberflächen 56, 57 grob senkrecht zu der radial äußeren Oberfläche 44 (der Ebene der Grenzfläche des linearen Reibschweißens (Schweißebene)) des Stumpfes 42 ausgebildet wird.
  • Jedes Band 48, 49 ist durch eine radial äußere Oberfläche 66, 68 ihrer jeweiligen Basis 50, 51 abgestützt, d.h. von dieser abstehend oder sich von dieser erstreckend. Bezugnehmend nun auf die 3, 4, 5 haben die Basen 50, 51 eine einigermaßen rechteckige, plattenartige Geometrie und V-förmige Schlitze 69, 70 zum Aufnehmen des Stumpfes 42. Die V-förmigen Schlitze 69, 70 sind groß genug, um Kontakt zwischen dem Stumpf 42 und den Basen 50, 51 zu vermeiden. Somit kontaktieren die Bänder 48, 49 den Stumpf 42, die Basen tun dies aber nicht. Die Basen 50, 51 weisen ferner radial innere Oberflächen 71, 72 auf, die dazu angepasst sind (konturiert sind), an der radial äußeren Oberfläche 26 der Plattform 24 zu lagern. Jede Basis 50, 51 ist vorzugsweise in Position gehalten mittels zugeordnetem Werkzeug 73, 74 (6), welches für longitudinale Abstützung der Basis an einer longitudinalen Endfläche 75, 76 und für laterale Abstützung an einem Paar 77, 78 gegenüberliegender Umfangsoberflächen sorgt. Das Werkzeug 73, 74 (6) ist fest verbunden mit einer Fixierung 79, 80 (6), die die Scheibe 22 hält. Die radial inneren Oberflächen 71, 72 sind vorzugsweise eingekerbt oder ausgebogt 81, 82, um für Freiräume 83, 84 in Bezug auf die Plattform 24 zu sorgen, um der Fixierung 79, 80 (6) Zugang zu der Plattform 24 zu ermöglichen.
  • Die Bänder 48, 49 können mit ihren jeweiligen Basen 50, 51 beispielsweise mittels Löten verbunden sein oder, um Kosten zu reduzieren, integral als ein Stück gefertigt sein, vorzugsweise in zwei Schritten. Zuerst wird eine grob bearbeitete Version der Manschette erzeugt, beispielsweise durch Drahtelektrodenentladungsbearbeitung (wire electrode discharge machining, (wire EDM), was einen Computer und ein Computermodell der Manschette erfordert). Die grobe Version wird anschließend präzisionsbearbeitet, beispielsweise durch Fräsen, um die bestmögliche Passung für die spezielle Laufschaufel zu erreichen. Abhängig von der Anwendung kann auch Gießen, spanende Formgebung, Schmieden, Wälzen und Stanzen oder Kombinationen davon verwendet werden. Der zweistufige Prozess ist bevorzugt, weil jede der Mehrzahl von Laufschaufeln eine ein wenig unterschiedliche Form und Orientierung hat, obwohl einige Anwendungen keine solche Präzision erfordern können. Die Manschette weist vorzugsweise ein relativ starres Material auf, in der Zu sammensetzung ähnlich demjenigen des Stumpfes, welches Titanlegierungen und Nickellegierungen aufweisen kann, aber nicht darauf beschränkt ist, und ermöglicht den Manschetten so, den Stumpflaufschaufelbereich 42 zu sichern, ohne physikalischen oder chemischen Schaden zu bewirken. Es ist offensichtlich, dass, wenn ein nachgiebiges Material verwendet wird oder Kontakt mit der Laufschaufel nicht erwünscht wird, der Präzisionsbearbeitungsschritt nicht notwendig sein kann.
  • Bezugnehmend nun auf 6 umfasst ein Ersteckungselement 90 eine Laufschaufel 92, die als ihre endgültige Form die endgültige Form der reparierten Laufschaufel hat, einen Flansch 94 und ein Ende 96, die mit dem Erstreckungselement 90 integral sind. Beim Reparieren der beschädigten 38 Laufschaufel 28 (1) stellt der Flansch 94 das Mittel zum Halten des Erstreckungselements 90 bereit, und das Ende 96 wird mit dem Stumpf 42 verbunden. Der Flansch 94 hat eine radial äußere Oberfläche 98, die die Druckkraft des linearen Reibschweißens aufnimmt, ein Paar 100 entgegengesetzter Umfangsoberflächen, ein Paar 102 entgegengesetzter longitudinaler Oberflächen, die vorzugsweise die Oszillationskräfte des linearen Reibschweißens aufnehmen, und eine radial innere Oberfläche 104, die alle im Wesentliche orthogonal zueinander sind.
  • Das Ende 96 hat eine radial innere Oberfläche 108, die komplementär geformt ist, ähnlich zu der Zusammensetzung der radial äußeren Oberflächen 44, 58, 59 des Stumpfes 42 und der Bänder 48, 49 (siehe 7), dieser aber nicht notwendigerweise exakt gleich ist. Wenn die Oberflächen nicht komplementär sind, kann die Oszillation des linearen Reibschweißens behindert werden, wenn die Dicken der Teile abnehmen, was die Grenzfläche potenziell stört. Um für die komplementäre Form zu sorgen, ist das Ende 96 vorzugsweise integral überdimensioniert, obwohl Manschetten stattdessen benutzt werden können. Das Ende 96 hat eine radiale Dicke 110, die in ihrer Größe groß genug sein sollte, um die Grenzfläche des linearen Reibschweißens daran zu hindern, die radial innere Oberfläche 104 des Flansches 94 zu erreichen, aber nicht so groß, dass sie das Ende 96 empfindlich gegen Brechen oder Verbiegen während des linearen Reibschweißens macht. Um die Laufschaufel 28 (1) zu reparieren, ist die radiale Dicke 110 in der Größenordnung von 0,100 inches (2,5 mm) größer als die erwartete Abnahme bei der Dicke 110 aufgrund des linearen Reibschweißens.
  • Bezugnehmend nun auf 8 wird bei der Vorbereitung für das lineare Reibschweißen das Erstreckungselement 90 in Kontakt mit dem Stumpf 42 und den Bändern 48 (3, 4, 6), 49 gebracht. Während des Reibschweißens hält ein Werkzeug die Elemente nicht an einer gefinishten Oberfläche, und somit gibt es kein Risiko physikalischen oder chemischen Schadens an der Laufschaufel von einem solchen Werkzeug. Die Manschetten sind kleiner, jedoch einfacher zu haltene als diejenigen in dem Ansatz des Stands der Technik. Alles Material zwischen den gestrichelten Linien 112 ändert sich graduell in einen plastischen Zustand und fließt zwischen den Teilen heraus (flash flow) und reduziert so die radiale Dicke des Erstreckungselements 90, des Stumpfes 42 und der Bänder 48 (3, 4, 6), 49. Die Manschetten hindern die Ränder des Erstreckungselements daran, alternierend hin zu der Umgebung freigelegt zu werden. Das überdimensionierte Ende 96 des Erstreckungselements 90 verhindert alternierendes Freilegen der Stumpfränder 33, 34. Die gestrichelten Linien 114 geben die endgültige Form des überdimensionierten Erstreckungselements 90 an.
  • Bezugnehmend nun auf 9 sind die Teile an der gestrichelten Linie 112 verbunden, wenn das Verfahren des linearen Reibschweißens abgeschlossen ist. Die Verbindung ist an den Laufschaufelrändern 33, 34 (1 bis 3) vollständig, d.h. ohne Defekte, und die Laufschaufelbereiche wurden nicht physikalisch oder chemisch durch Kontakt mit irgendeinem anderen Werkzeug als von den Manschetten beschädigt. Obwohl der flash flow 116 nur an einer Seite gezeigt ist, tritt ein ähnlicher flash flow überall rundherum auf. Das Material des Erstreckungselements 90 außerhalb der gestrichelten Linien 114 wird entfernt, wie auch die Bänder 48 (3, 4, 6), 49, die Basen 50 (3, 4, 6), 51 und der flash flow 116.
  • Bezugnehmend nun auf 10 weist eine zweite Auführungsform für eine Hinterkantenmanschette 118 nur ein Band 120 auf, d.h. keine Basis. Das Band 120 weist vorzugsweise ein kalt formbares Material auf. Das Band 120 wird durch einen Satz flexibel, bewegbar in ein Werkzeug 124 integrierter Klemmbacken 122 an der Kante 34 des Stumpfes 42 befestigt und in Übereinstimmung mit dieser gepresst. Das Werkzeug 124 weist ferner einen Aktuator 126 auf, um Kraft auf die Klemmbacken 122 auszuüben, um die Klemmbacken in engere Nähe zueinander zu pressen und so das Band 120 in Übereinstimmung mit der Kante 34 zu pressen. Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist das Werkzeug an der Fixierung 80 (6), die die Scheibe 22 (6) hält, befestigt. Das Band 120 hat eine radiale Dicke, die in ihrer Größe groß genug ist, um die Grenzfläche des linearen Reibschweißens daran zu hindern, die Oberfläche des Werkzeugs 124 zu erreichen, aber nicht so groß, dass sie das Band 120 anfällig für ein Brechen oder Verbiegen während des linearen Reibschweißens macht. Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist eine weitere Manschette mit Werkzeug in ähnlicher Weise an der Vorderkante 33 (1 bis 3) vorgesehen. Wie bei der ersten Ausführungsform muss diese Ausführungsform die Elemente nicht an irgendwelchen gefinishten Oberflächen mit Werkzeug halten und behebt somit das Risiko physikalischen oder chemischen Schadens an der Laufschaufel von einem solchen Werkzeug.
  • Bezugnehmend nun auf 11 ist die Einrichtung 130 zum Betätigen der Klemmbacken 132 ein Satz von Klemmen, die jede zwei Enden 134, 136 haben und über ein Gelenk 138 drehbar verbunden sind. Die Klemmen können an einem 136 ihrer Enden durch einen Spreitzer 140 voneinander weg gedrückt werden, was die anderen 134 der Enden dazu veranlasst, hin zu einander zu schwenken und so die Klemmbacken 132 presst, welche ähnlich den in Bezug auf 10 veranschaulichten und beschriebenen Klemmbacken 122 sind, in engere Nähe zueinander. Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist das alternative Werkzeug an der die Scheibe 22 (6) haltenden Fixierung 80 (6) angebracht. Eine weitere Manschette mit Werkzeug (nicht gezeigt) ist in ähnlicher Weise an der Vorderkante 33 (1 bis 3) vorgesehen.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung die Manschette der vorliegenden Erfindung als in Kontakt mit dem Stumpf und an der radial äußeren Oberfläche der Plattform verweilend offenbart, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf be- schränkt. Solange die Manschette in der Nähe des Stumpfes ist und gesichert ist, braucht die Manschette den Stumpf nicht zu kontaktieren; Material im plastischen Zustand von der Grenzfläche kann kleine Lücken zwischen der Manschette und dem Stumpf auffüllen und abdichten. Die Manschette kann möglicherweise weg von der Oberfläche der Plattform positioniert sein. Diese Möglichkeit ist besonders geeignet für Situationen, wo der Laufschaufelbereich größer ist als ein Stumpf. Wegen der großen, mit dem linearen Reibschweißen verbundenen Druckkräfte kann jedoch eine radiale Abstützung für die Manschette notwendig sein.
  • Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf einen Laufschaufelstumpf und ein Erstreckungselement offenbart sind, kann ferner die vorliegende Erfindung mit einem Laufschaufelbereich fast jeder Größe an der Scheibe und jedem Erstreckungslaufschaufelbereich verwendet werden, abhängig von der Anwendung und dem verfügbaren Werkzeug. Der Stumpf muss keine gleichmäßige Höhe haben. Das Erstreckungselement kann ein Ersatzteil sein, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung auch verwendet werden, wenn es in einer Erstausrüstersituation (OEM-Situation) nicht möglich ist, eine überdimensionierte, erhobene Oberfläche an der Rotorscheibe für die ursprüngliche Laufschaufel vorzusehen.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform für Verwendung bei linearem Reibschweißen von Laufschaufeln mit Rändern beschrieben ist, sollte erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung für Anwendungen mit Strukturen einer beliebigen Form geeignet angepasst werden kann.
  • Obwohl die spezielle Erfindung mit Bezugnahme auf Ausführungsformen für eine Verwendung beim Reparieren eines integral mit Laufschaufeln ausgebildeten Bläserrotors beschrieben wurde, ist diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinn auszulegen. Es wird verstanden, dass verschiedene Modifikationen der obigen Ausführungsformen sowie zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung den mit dem Stand der Technik vertrauten Perso- nen bei Bezugnahme auf diese Beschreibung ersichtlich werden, ohne von dem Umfang der hier beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims (18)

  1. In Kombination, erstes und zweites Element (42, 90), die durch lineares Reibschweißen miteinander verbunden werden sollen, und eine Manschette (46, 47), um einen Bereich einer Hauptaußenoberfläche (45) des ersten Elements (42) zu umgeben, um die Fläche einer Oberfläche (44) des Elements (42), die mit dem zweiten Element (90) flächenmäßig verbunden werden soll, für lineares Reibschweißen zu vergrößern, wobei die Manschette aufweist: eine Hauptinnenoberfläche (54, 55), die den Bereich der Hauptaußenoberfläche (45) des ersten Elements (42) umgibt; eine Hauptaußenoberfläche (56, 57); und eine radial äußere Oberfläche (58, 59), die die Hauptinnen- und die Hauptaußenoberfläche verbindet, wobei die radial äußere Oberfläche die Fläche der Oberfläche (44), die flächenmäßig verbunden werden soll, für lineares Reibschweißen vergrößert, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußere Oberfläche (58, 59) eine Fläche hat, die geringer ist als diejenige der Oberfläche (44) des Elements, die flächenmäßig verbunden werden soll.
  2. Kombination nach Anspruch 1, wobei die Hauptaußenoberfläche (56, 57) der Manschette (46, 47) gekrümmt ist.
  3. Kombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Innen- (54, 55) und die Außen- (56, 57) -hauptoberfläche und die radial äußere Oberfläche (57, 59) ein Band (48, 49) definieren, wobei die Manschette ferner eine Basis (50, 51) aufweist, von der das Band radial nach außen ragt.
  4. Kombination nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Hauptfinnen- (54, 55) und die Hauptaußen- (56, 57) -oberfläche der Manschette (46, 47) im Allgemeinen parallel zueinander sind.
  5. Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fläche der radial äußeren Oberfläche (58, 59) der Manschette im Allgemeinen weniger ist als die Hälfte derjenigen des Bereichs der radial äußeren Oberfläche (44), der teilweise durch die Manschette (46, 47) umschlossen ist.
  6. Verfahren zum linearen Reibschweißen, aufweisend: Vorsehen von zwei Elementen (42, 90), die miteinander an einer Grenzfläche durch lineares Reibschweißen in ein Endprodukt verbunden werden sollen, wobei jedes der zwei Elemente eine Oberfläche (44, 108) hat, die mit einer entsprechenden Oberfläche (108, 44) des anderen Elements flächenmäßig verbunden werden soll; Umgeben mindestens eines Bereiches der Oberfläche (44) des einen Elements (42) mit einer Manschette (46, 47), die eine Oberfläche, die mit einer Oberfläche des anderen Elements flächenmäßig verbunden werden soll, aufweist; und Ausüben von Druck und relativer Bewegung zwischen den Elementen, um die Elemente miteinander linear reibzuverschweißen, gekennzeichnet durch: Halten des einen Elements durch Ausbilden eines Haltekontakts mit dessen Außenoberfläche (45) lediglich mit der Manschette.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Element ein Stumpf ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das eine Element (42) eine Dicke (43) und eine Breite (31) hat und wobei die Dicke im Allgemeinen kleiner als dreimal seine Breite ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die Dicke (43) des einen Elements (42) im Allgemeinen weniger als seine Breite (31) ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das eine Element (42) und die Manschette (46, 47) jeweils eine Oberseitenoberfläche (44, 48, 59) haben und wobei die Oberseitenoberflächen im Wesentlichen koplanar sind.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Manschette (46, 47) ein Band (48, 49) mit einer gekrümmten Außenhauptoberfläche (56, 57) aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Band (48, 49) ferner eine Hauptinnenoberfläche (54, 55) aufweist, die im Allgemeinen parallel zu der Hauptaußenoberfläche (56, 57) des Bandes ist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Manschette (46, 47) eine Basis (50, 51) und ein von der Basis ragendes Band (48, 49) aufweist.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei das Band (48, 49) im Allgemeinen mit einem Bereich der Außenoberfläche (45) des einen Elements (42) übereinstimmt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei das andere (90) der Elemente einen Flansch (94) zum Halten des Elements, ohne wesentlichen Haltekontakt mit dessen Oberfläche endgültiger Form mit einem Werkzeug auszubilden, aufweist.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei eine Oberseitenoberfläche (58, 59) der Manschette (46, 47) eine Fläche hat, die im Allgemeinen kleiner ist als diejenige der Fläche (44) des Elements, welche flächenmäßig verbunden werden soll.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 16, wobei eine Oberseitenoberfläche (58, 59) der Manschette (46, 47) eine Fläche hat, die im Allgemeinen kleiner ist als die Hälfte von derjenigen der Oberfläche (44) des Elements, die flächenmäßig verbunden werden soll.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 17, wobei eine Oberseitenoberfläche (58, 59) der Manschette (46, 47) eine Fläche hat, die im Allgemeinen kleiner ist als ein Viertel von derjenigen der Oberfläche (44) des Elements, die flächenmäßig verbunden werden soll.
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