WO2003068457A1 - Verfahren und vorrichtung zum halten eines zu verbindenden, metallischen bauteils, insbesondere einer gasturbinenschaufel - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum halten eines zu verbindenden, metallischen bauteils, insbesondere einer gasturbinenschaufel Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method and. a device for holding a metallic component to be connected, in particular an airfoil for a gas turbine, and a method for connecting a metallic component, in particular an airfoil for a gas turbine, with a further component.
  • the problem on which the invention is based is to create a method for holding a metallic component of the type described at the outset, in which the component is treated as gently as possible with regard to its shape and surface during processing. A corresponding holding device is also to be created. In addition, a method for connecting a component held in this way to another component is to be provided.
  • the component is held flat and not punctually and its surface is therefore not subjected to punctual loads.
  • the foam structure which is dimensionally stable at ambient temperature, conforms almost completely to the surface of the component to be connected and provides a play-free, rigid, form-fitting coupling to the component directly or between the cassette, the foam structure and the component.
  • the surface or outer skin of the foam is thus homogeneous and compact that there is no damage to the surface of the component to be connected. Otherwise, the foam structure is cellular and has a porosity.
  • large forces can therefore be introduced via the component, e.g. B. for compressing the joining surfaces without the surface of the component being damaged, the shape of the component being changed or additional large-volume projections for applying force to the component having to be removed after the joining process.
  • Machining or joining surface is to be understood that the method is not only used when the metallic component to be held with its joining surface is joined by another component, e.g. is connected by welding, but also if the metallic component to be held is processed on a processing surface in a further step, such as an almost present in its finished form, e.g. forged or cast, airfoil for a gas turbine, the end face of which is to be finished in a further step, e.g. by milling.
  • a processing surface such as an almost present in its finished form, e.g. forged or cast, airfoil for a gas turbine, the end face of which is to be finished in a further step, e.g. by milling.
  • the foamable material usually comprises a foamable base material, e.g. a plastic or a metal, and a blowing agent that forms a gas when heated.
  • a foamable base material e.g. a plastic or a metal
  • a blowing agent that forms a gas when heated.
  • the heating is carried out to a foaming temperature which corresponds at least to the melting temperature of the foamable metal and is below the melting temperature of the component material.
  • a preferably metallic protective layer such as a galvanic Ni layer
  • cooling always takes place to a temperature below the melting or foaming temperature, preferably to room temperature, with the formation of a dimensionally stable, porous foam structure with a compact outer skin.
  • the method is for a component of a gas turbine, such as. B. an airfoil, suitable, since these airfoils generally as forged or cast components substantially in their finished form with other components, such as. B. a blade root, a blade shroud or a compressor or turbine carrier, are connected or still need to be processed, e.g. by milling on its face.
  • a component of a gas turbine such as. B. an airfoil
  • these airfoils generally as forged or cast components substantially in their finished form with other components, such as. B. a blade root, a blade shroud or a compressor or turbine carrier, are connected or still need to be processed, e.g. by milling on its face.
  • the shape or surface of such airfoils must not be selectively damaged during the joining or machining process and should largely be in the finished form.
  • the cassette can be formed in two or more parts, the individual parts of the cassette being fixed together in a suitable manner after the component has been positioned and the foamable material has been received, for. B. by screws or the like ..
  • the cassette consists of a sufficiently strong and rigid, metallic material, such as Steel.
  • a detachable spacer element preferably also made of steel, can be provided to vary the volume in the cassette in order to compensate for any shrinkage of the foam during cooling.
  • the spacer can be removed after cooling.
  • the parts of the cassette are then fixed in abutting manner, reducing the volume around the component, and any shrinkage is compensated for, thereby achieving a rigid coupling between the cassette, the foam structure and the component.
  • the foamable material In addition to the base material, such as Al, Mg, Cu, brass, bronze or polystyrene, polyurethane (PS, PUR), the foamable material always contains a blowing agent, such as titanium hydrite, which forms a gas when heated and then forms cells to form it Foam structure from the base material is required.
  • a plastic such as, for. B. polystyrene or polyurethane (PS or PUR), or a metal, such as Al or Mg or Ni or Fe or an alloy of these elements, individually or in combination, can be used to produce the foam structure.
  • the strength and the modulus of elasticity of the foam structure holding the component depends not only on the base material but also on the pore structure and generally increases approximately linearly with the bulk density.
  • the parameters when foaming the base materials mentioned are adapted to the respective application in a manner known to the person skilled in the art.
  • the surface or outer skin of the foam structure is closed, compact and not too rough to protect the surface of the component.
  • the foaming temperature is at least in the range of its melting temperature and always below the melting temperature of the component material.
  • a metallic foam structure has the advantage of a higher compressive strength compared to a plastic one.
  • the foamable material can, in particular in the case of a metal as the base material of the foamable material, be provided in a dimensionally stable manner as at least one semi-finished product, preferably by sintering the material with a suitable powdery blowing agent.
  • the semi-finished product can be formed with locally different ratios between base material and blowing agent, so that after foaming, a foam structure with locally different porosities or densities is formed.
  • the more base material is locally present in the semi-finished product compared to the blowing agent the higher the density after foaming and thus the lower the porosity of the foam structure. Since the compressive strength of the foam structure is approximately proportional to its density, foam structures with variable compressive strengths can be produced. Large forces are applied during further processing. In parts of the component, the foam structure holding the component can have a lower porosity and thus a higher density and greater compressive strength than in other places.
  • the semi-finished product For a foam structure with a high density, the semi-finished product must contain a large proportion of e.g. metallic base material compared to the blowing agent.
  • the density of the foam structure can, as is understandable by the person skilled in the art, also be controlled via the ratio of the volume of the semi-finished product to the closed volume for the foamable material in the cassette. A greater play when filling the closed volume with the semi-finished product leads to greater porosity and thus lower density and lower compressive strength.
  • the semi-finished product can be formed or separated from a large-area sheet metal, adapted to the shape and size of the closed volume. For a closed volume, several semi-finished products with different ratios of base material to blowing agent can be combined, whereby a locally differently porous and consequently dense foam structure can be produced.
  • the processing or joining surface does not look at the closed volume during positioning and can be accommodated in a correspondingly shaped recess in the cassette and / or can be positioned protruding from the cassette so that it can be used for subsequent processing, e.g. in a welding or milling machine, is not covered by the foam structure and protrudes from the foam structure and possibly from the cassette.
  • the contact area between the component and the cassette adjacent to the processing or joining surface can be sealed with a soft metal, such as copper or lead, in the form of a ring or strip before foaming in order to compensate for shape or dimensional differences between the component and the cassette in the contact area ,
  • a soft metal such as copper or lead
  • the component held in the foam structure can be assembled with the cassette or alternatively after removing the cassette in a final step directly with the foam structure in a machine for further processing.
  • the component can be positioned in the cassette using a positioning means, such as a threaded pin, which interacts with the surface of the component in such a way that the component is positioned in the cassette without play.
  • the component can also be provided with an attachment with which the component, preferably with a separate fixing means, such as a screw, is positively positioned in the cassette.
  • a blade having a stacking axis, a blade tip and two blade edges lying opposite one another can be provided as a component for a gas turbine.
  • the opposite blade edges can contact the cassette when positioning to form two closed volumes, the steps of filling, foaming and cooling in one embodiment being able to be carried out only for one of the two volumes and in the other volume positioning means interacting with the surface of the component, for example Set screws can be provided, on which the component is pressed after foaming.
  • the paddle can e.g. after casting or forging, with at least one pin projecting coaxially to its stacking axis and from its blade tip and / or its blade root via the blade blade.
  • the pin can be formed with a circular cross section flattened in sections in order to ensure against rotation about the stacking axis when positioning the airfoil in the cassette or following the formation of the foam structure when positioning the airfoil in a processing device or machine.
  • the pin can be received in a correspondingly shaped recess in the cassette during positioning, so that the pin protrudes from the foam structure formed and can be used for positioning during further processing of the airfoil.
  • the method can comprise the further step: assembling the component held in the foam structure with or without a cassette in a machining processing device or a machine.
  • the method can comprise the further steps: assembling the airfoil held in the foam structure with or without a cassette in a processing device or a machine and positioning the airfoil by means of the projecting pin.
  • the second component also generally consists of metal and, in the case of a gas turbine component, generally consists of a Ti or Ni or Co or Fe alloy. Any welding beads that occur during the joining process or small-volume, optional approaches to one of the components, which simplify the positioning in the cassette, can be reworked or removed locally in a subsequent step, e.g. B. by a machining process.
  • the holding device for a metallic component to be connected is generally used for further processing in a machine, e.g. B. a welding or milling machine or a robot.
  • the heating device for heating the foamable material can be designed in a suitable manner depending on the application, for example inductively or by gas.
  • Figure 1 is a sectional, perspective view of a holding device according to the invention with a component held according to the inventive method.
  • FIG. 2 shows a sectional, perspective illustration of an exemplary embodiment of a holding device according to the invention, the component being connected to a further component;
  • 3 shows a perspective illustration of two components connected according to an exemplary embodiment of the method according to the invention and of a component to be connected which is held in an exemplary embodiment of a holding device according to the invention;
  • FIG. 4 shows a representation corresponding to FIG. 3 of another exemplary embodiment of the method according to the invention and a further exemplary embodiment of the holding device according to the invention.
  • the metallic component is an airfoil 1 made of a titanium alloy, which, for. B. is used for a compressor of a gas turbine.
  • the airfoil 1 has an outer surface 2 and a joining surface 3 which is connected to a joining surface of a further component, not shown in FIG. 1.
  • the airfoil 1 additionally has a shoulder 4 with which the airfoil 1 is fixed in the holding device 14 for precise positioning.
  • the extension 4 can also be omitted or can be designed like a flattened pin 19 shown in FIG. 4.
  • the pin 19 extends coaxially to the stacking axis 20 of the airfoil 1.
  • the airfoil 1 has the pin 19 as a result of its manufacturing process, e.g. by forging on.
  • the pin 19 is therefore not additionally provided for carrying out the method according to the invention.
  • the pin 19, which extends coaxially to the stacking axis 20, can be used for the exact positioning of the airfoil 1 in the cassette 5 and also for the positioning of the airfoil 1 relative to another component, such as a rotor carrier, to which the airfoil 1 is to be connected.
  • the holding device 14 comprises a two-part cassette 5 made of steel, which has a recess with an inner surface 6. Along a parting line 22 of the two parts of the cassette 5, a spacer element 21 is provided, which after the heating and foaming Cooling is removed. The two parts of the cassette 5 are then joined in an abutting manner to compensate for any shrinkage of the foam during cooling.
  • the airfoil 1 is positioned in the recess of the cassette 5 in such a way that its joining surface 3 protrudes out of the cassette 5 and its surface 2 is substantially surrounded by the inner surface 6 of the cassette 5, forming a volume 8 which is closed off from the outside.
  • the cassette 5 contacts the airfoil 1 only in a blade region 16 adjoining the joining surface 3 and the shoulder 4 or the pin 19 for more precise positioning.
  • the foamable material 11 is dimensionally stable as a semi-finished product.
  • the shape and size of the two semifinished products forming the foamable material 1 1 are such that they almost completely fill the closed volume 8 between the surface 2 of the airfoil 1 and the inner surface 6 of the cassette 5.
  • the semi-finished products 1 1 are fitted with play.
  • the airfoil 1 can also be clearly fixed to its attachment 4 by means of a screw 10 on the cassette 5.
  • the cassette 5 is closed in such a way that the volume 8 represents a closed volume, ie also in the contact area 16, which is suitably kept tight, for example with a strip or ring of a soft metal such as Cu.
  • the foamable material 11 located in the volume 8 is heated to the foaming temperature, which corresponds approximately to the melting temperature of Al.
  • a gas is formed by the blowing agent, which causes the melted AI to foam.
  • the cassette 5 has an outer surface on each of its two parts on a projection 13 on which the holding device 14 in a suitable machine, such as. B. a welding machine or a robot can be fixed. As shown by the arrows F, z. B. also a force for connecting the airfoil 1 to another component not shown in FIG. 1 can be introduced.
  • a suitable machine such as. B. a welding machine or a robot
  • FIG. 2 shows a sectional, perspective illustration of an airfoil 1 held in a holding device 14, which is connected to a further component in accordance with an exemplary embodiment of the method according to the invention for connecting two components. 2, the airfoil 1 held in the manner described above is not shown in section and one of the two airfoil edges 15 can be seen.
  • the airfoil 1 is connected to a rotor carrier 17 by a gas turbine to form a compressor rotor.
  • the rotor carrier 17 consists of a titanium alloy and has on its circumferential surface a multiplicity of equidistantly spaced joining surfaces 18 which are each connected to an airfoil 1 according to the method according to the invention.
  • the connection of the airfoil 1 held in the holding device 14, as described above, to the carrier 17 takes place by induction welding.
  • the joining surfaces 3 and 18 of the airfoil 1 and the rotor carrier 17 are positioned essentially flush and slightly spaced apart from one another, heated by means of an inductor (not shown) which surrounds the joining plane E circumferentially, and then moved together. This results in only a small weld bead 19, which is finally removed by local reworking.
  • the merely optional attachment 4 of the airfoil 1 is removed after the connection process and the airfoil tip 20 of the airfoil 1 is locally processed.
  • the rotor can be used in a compressor of a gas turbine.
  • a turbine rotor of a gas turbine can be manufactured in a corresponding manner, wherein the components to be connected can always consist of different materials.
  • the blade blade 1 shown in FIG. 2, which has a blade tip 12 and two opposite blade edges 15, can alternatively be positioned in the cassette 5 such that the opposite blade edges 15 contact the cartridge 5 to form two closed volumes 8 ', 8 "
  • the steps of filling, foaming and cooling can only be carried out for one of the two volumes 8 ′ and in the other volume 8 ′′, positioning means 9 interacting with the surface 2 of the component 1 and, unlike in FIG.
  • FIG. 3 shows a perspective view of an airfoil 1 connected to a rotor carrier 17, in which the welding bead 19 as well as the attachment 4 have already been removed.
  • a further airfoil 1 ′ which is held in a holding device 14 and is subsequently connected to the carrier 17, is positioned on a further joining surface 18 ′ of the carrier 17.
  • a spacer element 21 is provided between the two parts of the cassette 5. The spacer 21 can be removed after cooling to form the foam to compensate for any shrinkage of the foam. By moving the two parts of the cassette 5 together when these parts are subsequently connected, the volume 8 is reduced in accordance with the shrinkage. The spacer element 21 can also remain in the joint 22 of the two parts of the cassette 5 during the joining process. In general, all shovel blades first! , 1 'connected to the carrier 17 and subsequently carried out any reworking on welding beads 19 or the like.
  • the airfoil 1 can be connected to the carrier 17 by means of linear friction welding. Due to the rigid connection between the cassette 5 and the airfoil 1 to be connected as a result of the dimensionally stable foam structure, relatively large forces when the joining surfaces 3, 18 are pressed together during oscillation can be transmitted via the airfoil 1 which is almost in its finished form.
  • the airfoil 1 can also have an extension 4 or a pin 19 which extends coaxially to the stacking axis 20 of the airfoil 1 in this method.
  • FIG. 4 shows such a pin 19, which has a flattened circular cross section and thus ensures security against rotation about the stack axis 20.
  • the pin 19 extends from the blade tip 12 away from the airfoil 1.
  • This pin 19, which lies in the stacking axis 20 of the airfoil 1 and protrudes from the foam structure, facilitates the positioning of the airfoil 1 during a subsequent connection process, e.g. by welding, with a further component, such as a rotor carrier 17, which is defined, inter alia, by its axial axis, its diameter or its length.
  • no spacer element 21 is provided along the parting line 22.
  • the pin 19 is positioned in a recess in the cassette 5 and thus protrudes from the foam structure formed in the volume 8.
  • the parting line 22 between the parts of the cassette 5 and thus also in the region of the projecting pin 19 must be tight. Depending on the wall thickness of the cassette 5 and the length of the pin 19, this protrudes from the cassette 5.

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Halten eines zu verbindenden, metallischen Bauteils, insbesondere einer Gasturbine, gekennzeichnet durch die Schritte: Bereit­stellen eines metallischen Bauteils (1) mit einer Oberfläche (2) und wenigstens einer Bearbeitungs- oder Fügefläche (3), Bereitstellen einer Kassette (5) mit einer eine innere Oberfläche (6) aufweisenden Aussparung zur Aufnahme des Bauteils (1), Posi­tionieren des Bauteils (1) in der Kassette (5) in der Weise, dass dessen Oberfläche (2) von der inneren Oberfläche (6) der Kassette (5) unter Bildung eines geschlosse­nen Volumens (8) mit Abstand umgeben ist und dessen Bearbeitungs- oder Fügeflä­che (3) nicht auf das Volumen (8) blickt, Befüllen des Volumens (8) mit einem schäumbaren Material (11), Aufschäumen des Materials (11) und Abkühlen unter Bildung einer formstabilen Schaumstruktur sowie ein Verfahren zum Verbinden eines metallischen Bauteils, insbesondere einer Gasturbine, mit einem weiteren Bauteil

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM HALTEN EINES ZU VERBINDENDEN, METALLISCHEN BAUTEILS, INSBESONDERE EINER GASTURBINENSCHAUFEL
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und. eine Vorrichtung zum Halten eines zu verbindenden, metallischen Bauteils, insbesondere eines Schaufelblatts für eine Gasturbine, sowie ein Verfahren zum Verbinden eines metallischen Bauteils, insbesondere eines Schaufelblatts für eine Gasturbine, mit einem weiteren Bauteil.
Es ist im Allgemeinen erwünscht, dass metallische Bauteile bzw. dessen Oberflächen beim Verbinden mit weiteren Bauteilen nicht beschädigt oder in irgendeiner Weise nachteilig beeinträchtigt werden. Wenn z. B. ein Schaufelblatt einer stationären Gasturbine oder eines Flugtriebwerks mit einem Schaufelfuß, einem Schaufeldeckband oder einem Träger eines Verdichter- oder Turbinenrotors durch ein geeignetes Verfahren verbunden wird, z.B. Schweißen, darf die Form und die Oberfläche des Schaufelblatts aus Aerodynamik- bzw. Festigkeitsaspekten nicht negativ beeinträchtigt werden. Letzteres kann während des Verbindungsvorgangs z. B. beim Halten des Schaufelblatts mittels Spannbacken aufgrund der punktuellen Krafteinleitung erfolgen und ist besonders kritisch, wenn relativ große Kräfte eingeleitet werden.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, ein Verfahren zum Halten eines zu verbindenden, metallischen Bauteils der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, bei dem das Bauteil im Hinblick auf seine Form und Oberfläche während einer Bearbeitung möglichst schonend behandelt wird. Ferner soll eine entsprechende Haltevorrichtung geschaffen werden. Darüber hinaus soll ein Verfahren zum Verbinden eines auf diese Weise gehaltenen Bauteils mit einem weiteren Bauteil bereitgestellt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung des Problems ist in den Verfahren gemäß Ansprüchen 1 und 27 sowie der Vorrichtung gemäß Anspruch 33 beschrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Halten eines zu verbindenden, metallischen Bauteils ist vorteilhaft, dass das Bauteil flächig und nicht punktuell gehalten und dessen Oberfläche somit nicht punktuell belastet wird. Die nach dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur formstabile Schaumstruktur schmiegt sich an die Oberfläche des zu verbindenden Bauteils nahezu vollständig an und stellt eine spielfreie, starre, formschlüssige Kopplung zum Bauteil direkt oder zwischen der Kassette, der Schaumstruktur und dem Bauteil dar. Die Oberfläche bzw. Außenhaut des Schaums ist so homogen und kompakt, dass es zu keiner Beschädigung an der Oberfläche des zu verbindenden Bauteils kommt. Ansonsten ist die Schaumstruktur zellig und weist eine Porosität auf. Zum Verbinden des Bauteils mit weiteren Bauteilen durch Schweißen oder ein anderes geeignetes Fügeverfahren können daher große Kräfte über das Bauteil eingeleitet werden, z. B. zum Zusammendrücken der Fügeflächen, ohne dass die Oberfläche des Bauteils beschädigt wird, die Form des Bauteils verändert wird oder zusätzliche großvolumige Anformungen zur Krafteinleitung am Bauteil vorgesehen werden müssen, die nach dem Fügevorgang wieder zu entfernen sind.
Unter Bearbeitungs- oder Fügefläche ist zu verstehen, dass das Verfahren nicht nur Anwendung findet, wenn das zu haltende, metallische Bauteil mit seiner Fügefläche mit einem weiteren Bauteil, z.B. durch Schweißen verbunden wird, sondern auch wenn das zu haltende, metallische Bauteil an einer Bearbeitungsfläche in einem weiteren Schritt bearbeitet wird, wie z.B. ein nahezu in seiner fertigen Form vorliegendes, z.B. geschmiedetes oder gegossenes, Schaufelblatt für eine Gasturbine, dessen Stirnfläche noch in einem weiteren Schritt fertig zu bearbeiten ist, z.B. durch Fräsen.
Das schäumbare Material umfasst üblicherweise einen schäumbaren Grundwerkstoff, z.B. einen Kunststoff oder ein Metall, und ein Treibmittel, das unter Erwärmung ein Gas bildet. Bei einem Metall als Grundwerkstoff erfolgt das Erwärmen auf eine Schäumtemperatur, die wenigstens der Schmelztemperatur des schäumbaren Metalls entspricht und unterhalb der Schmelztemperatur des Bauteilwerkstoffs liegt.
Je nach Bauteil Werkstoff kann dessen Oberfläche zuvor mit einer vorzugsweise metallischen Schutzschicht, wie einer galvanischen Ni-Schicht, versehen werden, um die Bauteiloberfläche während der Erwärmung bzw. des Schäumens optimal gegen etwaige Oberflächenangriffe zu schützen. Abschließend erfolgt stets das Abkühlen auf eine unter der Schmelz- oder Schäumtemperatur liegende Temperatur, Vorzugs- weise auf Raumtemperatur, unter Bildung einer formstabilen, porösen Schaumstruktur mit kompakter Aussenhaut.
Das Verfahren ist für ein Bauteil einer Gasturbine, wie z. B. ein Schaufelblatt, geeignet, da diese Schaufelblätter im allgemeinen als geschmiedete oder gegossene Bauteile im wesentlichen in ihrer fertigen Form mit weiteren Bauteilen, wie z. B. einem Schaufelfuß, einem Schaufeldeckband oder einem Verdichter- oder Turbinenträger, verbunden werden oder noch abschließend bearbeitet werden müssen, z.B. durch Fräsen an ihrer Stirnfläche. Infolgedessen darf die Gestalt oder Oberfläche solcher Schaufelblätter während des Füge- oder Bearbeitungsvorgangs nicht punktuell beschädigt werden und soll weitgehend in der fertigen Form vorliegen.
Die Kassette kann zwei- oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei die einzelnen Teile der Kassette nach dem Positionieren des Bauteils und Aufnahme des schäumbaren Materials in geeigneter Weise miteinander fixiert werden, z. B. durch Schrauben od. dgl.. Die Kassette besteht aus einem ausreichend festen und steifen, metallischen Werkstoff, wie z.B. Stahl.
In der Trennfuge zwischen den Teilen der Kassette kann ein lösbares Distanzelement, vorzugsweise auch aus Stahl, zur Variation des Volumens in der Kassette vorgesehen werden, um eine etwaige Schrumpfung des Schaums während des Abküh- lens auszugleichen. Das Distanzelement kann nach dem Abkühlen entfernt werden. Dann werden die Teile der Kassette unter Verringerung des Volumens um das Bauteil herum unmittelbar aneinander stoßend miteinander fixiert und ein etwaiger Schrumpf unter Erzielung einer starren Kopplung zwischen Kassette, Schaumstruktur und Bauteil ausgeglichen .
Das schäumbare Material enthält neben dem Grundwerkstoff, wie z.B. AI, Mg, Cu, Messing, Bronze oder Polystyrol, Polyurethan (PS, PUR), stets ein Treibmittel, wie z.B. Titanhydrit, was unter Erwärmung ein Gas bildet und für das Ausbilden der abschließend zelligen Schaumstruktur aus dem Grundwerkstoff erforderlich ist. Abhängig von den im anschließenden Fügevorgang benötigten Festigkeiten und Elastizitätsmodulen kann als schäumbares Material ein Kunststoff, wie z. B. Polystyrol oder Polyurethan (PS oder PUR), oder ein Metall, wie z B. AI oder Mg oder Ni oder Fe oder eine Legierung dieser Elemente einzeln oder in Kombination, zum Herstellen der Schaumstruktur verwendet werden. Die Festigkeit und das Elastizitätsmodul der das Bauteil haltenden Schaumstruktur hängt neben dem Grundwerkstoff auch von der Porenstruktur ab und steigt im Allgemeinen mit der Rohdichte etwa linear an. Die Parameter beim Schäumen der genannten Grundwerkstoffe werden in einer dem Fachmann bekannten Weise auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst. Die Oberfläche bzw. Aussenhaut der Schaumstruktur ist geschlossen, kompakt und nicht zu rauh, um die Oberfläche des Bauteils zu schonen.
Ist der Grundwerkstoff des schäumbaren Materials ein Metall, so liegt die Schäumtemperatur wenigstens im Bereich von dessen Schmelztemperatur und stets unterhalb der Schmelztemperatur des Bauteilwerkstoffs. Eine metallische Schaumstruktur hat gegenüber einer aus Kunststoff den Vorteil einer höheren Druckfestigkeit. Beim Aufschäumen eines Metall enthaltenden, schäumbaren Materials ist die Gafahr des Anbackens an der Bauteiloberfläche im allgemeinen geringer als bei schäumbaren Kunststoffen.
Das schäumbare Material kann insbesondere bei einem Metall als Grundwerkstoff des schäumbaren Materials formstabil als wenigstens ein Halbzeug, vorzugsweise durch Sintern des Materials mit einem geeigneten pulvrigen Treibmittel, bereitgestellt werden. Das Halbzeug kann mit lokal unterschiedlichen Verhältnissen zwischen Grundwerkstoff und Treibmittel ausgebildet werden, so dass sich nach dem Aufschäumen eine Schaumstruktur mit lokal unterschiedlichen Porositäten bzw. Dichten bildet.
Je mehr Grundwerkstoff im Vergleich zum Treibmittel im Halbzeug lokal vorliegt, desto höher ist nach dem Ausschäumen die Dichte und mithin geringer die Porosität der Schaumstruktur. Da sich die Druckfestigkeit der Schaumstruktur etwa proportional zu dessen Dichte verhält, können Schaumstrukturen mit variablen Druckfestigkeiten hergestellt werden. An bei der weiteren Bearbeitung mit großen Kräften beaufschlag- ten Stellen des Bauteils kann die das Bauteil haltende Schaumstruktur eine geringere Porosität und somit eine höhere Dichte und eine größere Druckfestigkeit als an anderen Stellen aufweisen.
Für eine Schaumstruktur mit großer Dichte muß das Halbzeug viel Anteil an z.B. metallischem Grundwerkstoff im Vergleich zum Treibmittel enthalten. Die Dichte der Schaumstruktur lässt sich, wie für den Fachmann nachvollziehbar, auch über das Verhältnis des Volumens des Halbzeugs zum geschlossenen Volumen für das schäumbare Material in der Kassette steuern. Ein größeres Spiel beim Befüllen des geschlossenen Volumens mit dem Halbzeug führt zu einer größeren Porosität und somit geringeren Dichte und kleineren Druckfestigkeit. Das Halbzeug kann an die Form und Größe des geschlossenen Volumens angepasst aus einem großflächigen Blech ausgebildet bzw. getrennt werden. Für ein geschlossenes Volumen können mehrere Halbzeuge mit unterschiedlichen Verhältnissen aus Grundwerkstoff zu Treibmittel kombiniert werden, wodurch sich eine lokal unterschiedlich poröse und mithin dichte Schaumstruktur erzeugen lässt.
Die Bearbeitungs- oder Fügefläche blickt beim Positionieren nicht auf das geschlossene Volumen und kann in einer entsprechend geformten Aussparung in der Kassette aufgenommen werden und/oder aus der Kassette vorstehend positioniert werden, so dass diese für eine anschließende Bearbeitung, z.B. in einer Schweiss- oder Fräsmaschine, nicht von der Schaumstruktur bedeckt ist und aus der Schaumstruktur und ggf. aus der Kassette vorsteht.
Der zur Bearbeitungs- oder Fügefläche benachbarte Kontaktbereich zwischen dem Bauteil und der Kassette kann mit einem weichen Metall, wie Kupfer oder Blei, in Ring- oder Streifenform vor dem Aufschäumen abgedichtet werden, um Form- oder Maßdifferenzen zwischen dem Bauteil und der Kassette im Kontaktbereich auszugleichen.
Das in der Schaumstruktur gehaltene Bauteil kann mit der Kassette oder alternativ nach Entfernen der Kassette in einem abschließenden Schritt direkt mit der Schaumstruktur in eine Maschine zur weiteren Bearbeitung montiert werden. Das Positionieren des Bauteils in der Kassette kann mit einem mit der Oberfläche des Bauteils zusammenwirkenden Positioniermittel, wie einem Gewindestift, in der Weise erfolgen, dass das Bauteil spielfrei in der Kassette positioniert ist. Das Bauteil kann ferner mit einem Ansatz versehen sein, mit welchem das Bauteil, vorzugsweise mit einem gesonderten Fixiermittel, wie einer Schraube, in der Kassette formschlüssig positioniert wird.
Als Bauteil kann ein eine Stapelachse, eine Schaufelspitze und zwei gegenüberliegende Schaufelkanten aufweisendes Schaufelblatt für eine Gasturbine bereitgestellt werden. Die gegenüberliegenden Schaufelkanten können die Kassette beim Positionieren unter Bildung von zwei geschlossen Volumen kontaktieren, wobei die Schritte Befüllen, Aufschäumen und Abkühlen in einer Ausgestaltung nur für eines der beiden Volumen durchgeführt werden können und in dem anderen Volumen mit der Oberfläche des Bauteils zusammenwirkenden Positioniermittel, z.B Gewindestifte, vorgesehen werden können, auf die das Bauteil nach dem Ausschäumen gedrückt wird.
Das Schaufelbaltt kann, z.B. nach dem Gießen oder Schmieden, mit wenigstens einem sich koaxial zu dessen Stapelachse (in englisch: „stacking axis") und von dessen Schaufelspitze und/oder dessen Schaufelfuß über das Schaufelblatt vorstehenden Zapfen bereitgestellt werden. Der Zapfen kann mit einem abschnittsweise abgeflachten Kreisquerschnitt ausgebildet werden, um beim Positionieren des Schaufelblatts in der Kassette oder im Anschluss an das Ausbilden der Schaumstruktur beim Positionieren des Schaufelblatts in einer Bearbeitungsvorrichtung oder -maschine eine Verdrehsicherheit um die Stapelachse zu gewährleisten.
Der Zapfen kann beim Positionieren in einer entsprechend geformten Aussparung in der Kassette aufgenommen werden, so dass der Zapfen aus der gebildeten Schaumstruktur vorsteht und zum Positionieren bei einer weiteren Bearbeitung des Schaufelblatts genutzt werden kann.
In einer Ausgestaltung kann das Verfahren den weiteren Schritt umfassen: Montieren des in der Schaumstruktur gehaltenen Bauteils mit oder ohne Kassette in eine Bear- beitungsvorrichtung oder eine Maschine. Im Fall eines Schaufelblatts kann das Verfahren die weiteren Schritte umfassen: Montieren des in der Schaumstruktur gehaltenen Schaufelblatts mit oder ohne Kassette in eine Bearbeitungsvorrichtung oder eine Maschine und Positionieren des Schaufelblatts mittels dem vorstehenden Zapfen.
Beim Verfahren zum Verbinden eines metallischen Bauteils mit einem weiteren Bauteil besteht auch das zweite Bauteil im Allgemeinen aus Metall und im Fall eines Gasturbinenbauteils im Allgemeinen aus einer Ti- oder Ni- oder Co- oder Fe-Legierung. Etwaige beim Fügevorgang auftretende Schweißwülste oder kleinvolumige, fakultative Ansätze an einem der Bauteile, welche die Positionierung in der Kassette vereinfachen, können in einem anschließenden Schritt lokal nachbearbeitet oder entfernt werden, z. B. durch ein spanabhebendes Verfahren.
Die Haltevorrichtung für ein zu verbindendes, metallisches Bauteil wird im Allgemeinen für die weitere Bearbeitung in einer Maschine, z. B. einer Schweiß- oder Fräsmaschine oder einem Roboter, montiert. Die Heizeinrichtung zum Erwärmen des schäumbaren Materials kann je nach Anwendungsfall auf geeignete Weise ausgebildet werden, z.B induktiv oder durch Gas.
Weitere Ausgestaltungen der Verfahren sowie der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine geschnittene, perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung mit einem entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens gehaltenen Bauteils;
Fig. 2 eine geschnittene, perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung, wobei das Bauteil mit einem weiteren Bauteil verbunden ist; Fig. 3 eine perspektivische Darstellung von zwei nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verbundenen Bauteilen und eines in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung gehaltenen, noch zu verbindenden Bauteils; und
Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Darstellung eines weiteren einem Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verfahren und eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine geschnittene, perspektivische Darstellung eines metallischen Bauteils 1, das gemäß dem Verfahren zum Halten eines metallischen Bauteils in einer entsprechenden, im Ganzen mit 14 bezeichneten Haltevorrichtung gehalten ist. In der vorliegenden Ausgestaltung des Verfahrens ist das metallische Bauteil ein Schaufelblatt 1 aus einer Titan-Legierung, das z. B. für einen Verdichter einer Gasturbine eingesetzt wird. Das Schaufelblatt 1 weist eine äußere Oberfläche 2 und eine Fügefläche 3 auf, die mit einer Fügefläche eines weiteren, in Fig. 1 nicht dargestellten Bauteils verbunden wird. In der vorliegenden Ausgestaltung weist das Schaufelblatt 1 zusätzlich einen Ansatz 4 auf, mit dem das Schaufelblatt 1 zur genauen Positionierung in der Haltevorrichtung 14 fixiert wird.
Alternativ kann der Ansatz 4 auch entfallen oder wie ein in Fig. 4 dargestellter, abgeflachter Zapfen 19 ausgebildet sein. Der Zapfen 19 verläuft koaxial zur Stapelachse 20 des Schaufelblatts 1. Das Schaufelblatt 1 weist den Zapfen 19 in folge seines Herstellungsprozesses, z.B. durch Schmieden, auf. Der Zapfen 19 wird somit nicht zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich vorgesehen. Der koaxial zur Stapelachse 20 verlaufende Zapfen 19 kann zur genauen Positionierung des Schaufelblatts 1 in der Kassette 5 und auch zur Positionierung des Schaufelblatts 1 relativ zu einen weiteren Bauteil, wie einem Rotorträger, mit dem das Schaufelblatt 1 zu verbinden ist, eingesetzt werden.
Die Haltevorrichtung 14 umfasst in der vorliegenden Ausgestaltung eine zweiteilige Kassette 5 aus Stahl, die eine Aussparung mit einer inneren Oberfläche 6 aufweist. Entlang einer Trennfuge 22 der beiden Teile der Kassette 5 ist ein Distanzelement 21 vorgesehen, das nach dem sich an das Erwärmen und Aufschäumen anschließende Abkühlen entfernt wird. Die beiden Teile der Kassette 5 werden dann unmittelbar aneinander anstoßend verbunden, um einen etwaigen Schrumpf des Schaums während des Abkühlen auszugleichen.
Das Schaufelblatt 1 wird so in der Aussparung der Kassette 5 positioniert, dass dessen Fügefläche 3 aus der Kassette 5 heraus vorsteht und dessen Oberfläche 2 im Wesentlichen von der inneren Oberfläche 6 der Kassette 5 unter Bildung eines nach außen abgeschlossenen Volumens 8 beabstandet umgeben ist. Die Kassette 5 kontaktiert das Schaufelblatt 1 lediglich in einem an die Fügefläche 3 angrenzenden Blattbereich 16 und dem Ansatz 4 oder dem Zapfen 19 zum genaueren Positionieren.
In der vorliegenden Ausgestaltung des Verfahrens liegt das schäumbare Material 1 1 formstabil als Halbzeug vor. Die zwei das schäumbares Material 1 1 bildenden Halbzeuge sind in ihrer Form und Größe so ausgebildet, dass sie das geschlossene Volumen 8 zwischen der Oberfläche 2 des Schaufelblatts 1 und der inneren Oberfläche 6 der Kassette 5 nahezu vollständig ausfüllen. Um das Positionieren des Schaufelblatts 1 in der Kassette 5 nicht zu beeinflussen, werden die Halbzeuge 1 1 mit Spiel eingepaßt.
Zur spielfreien und eindeutigen Positionierung des Schaufelblatts 1 in der Haltevorrichtung 14 werden Positionierstifte 9 verwendet, welche die Oberfläche 2 des Schaufelblatt 1 berühren und in der Kassette 5 z.B. durch ein Gewinde fixierbar sind. Fakultativ kann das Schaufelblatt 1 darüber hinaus an seinem Ansatz 4 mittels einer Schraube 10 an der Kassette 5 eindeutig fixiert werden.
Nach dem Positionieren des Schaufelblatts 1 und dem Zugeben des schäumbaren Materials 1 1, das vorliegend zwei gesinterte Halbzeuge aus AI-Pulver und einem geeigneten Treibmittel sind, wird die Kassette 5 so verschlossen, dass das Volumen 8 ein abgeschlossenes Volumen darstellt, d.h. auch im Kontaktbereich 16, der geeignet dicht zu halten ist, z.B. mit einem Streifen oder Ring eines weichen Metalls, wie Cu. Anschließend wird das im Volumen 8 befindliche, schäumbare Material 1 1 auf die Schäumtemperatur, die etwa der Schmelztemperatur von AI entspricht, erwärmt. Dabei wird durch das Treibmittel ein Gas gebildet, das das Schäumen des angeschmolzenen AI bewirkt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur liegt ein formstabiler Schaum vor, der eine formschlüssige, starre Verbindung zwischen Schaufelblatt 1 und Kassette 5 gewährleistet.
Die Kassette 5 weist an einer äußeren Oberfläche an ihren beiden Teilen jeweils einen Vorsprung 13 auf, an der die Haltevorrichtung 14 in einer geeigneten Maschine, wie z. B. einer Schweißmaschine oder einem Roboter, fixiert werden kann. Wie anhand der Pfeile F dargestellt, kann über den Vorsprung 13 z. B. auch eine Kraft zum Verbinden des Schaufelblatts 1 mit einem weiteren, in Fig. 1 nicht dargestellten Bauteil eingeleitet werden.
Fig. 2 zeigt eine geschnittene, perspektivische Darstellung eines in einer Haltevorrichtung 14 gehaltenen Schaufelblatts 1, das mit einem weiteren Bauteil entsprechend eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile verbunden wird. In Fig. 2 ist das in der oben beschriebenen Weise gehaltene Schaufelblatt 1 nicht geschnitten dargestellt und eine der beiden Schaufelkanten 15 erkennbar.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Schaufelblatt 1 zur Bildung eines Verdichterrotors von einer Gasturbine mit einem Rotorträger 17 verbunden. Der Rotorträger 17 besteht aus einer Titan-Legierung und weist an seiner Umfangsfläche eine Vielzahl äquidistant zueinander beabstandeter Fügeflächen 18 auf, die jeweils mit einem Schaufelblatt 1 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden werden.
In der vorliegenden Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Verbinden des in der Haltevorrichtung 14, wie oben beschrieben, gehaltenen Schaufelblatts 1 mit dem Träger 17 durch Induktionsschweißen. Dazu werden die Fügeflächen 3 bzw. 18 des Schaufelblatts 1 und des Rotorträgers 17 im Wesentlichen fluchtend und geringfügig beabstandet zueinander positioniert, mittels einem nicht dargestellten Induktor, der die Fügeebene E umfänglich umgibt, erwärmt und anschließend zusammengefahren. Dabei entsteht ein lediglich geringer Schweißwulst 19, der durch lokales Nacharbeiten abschließend entfernt wird. Ebenso wird der lediglich fakultative Ansatz 4 des Schaufelblatts 1 nach dem Verbindungsvorgang entfernt und die Schaufelspitze 20 des Schaufelblattes 1 lokal nachbearbeitet.
Dieser Verbindungsvorgang wird mit der erforderlichen Anzahl von Schaufelblättern
1 an den weiteren Fügeflächen 18 des Rotorträgers 17 wiederholt, so dass abschließend ein integral geschaufelter Rotor mit einer Vielzahl sich im Wesentlichen radial erstreckender Schaufelblätter 1 entsteht. Der Rotor kann in einem Verdichter einer Gasturbine eingesetzt werden. Alternativ kann ein Turbinenrotor einer Gasturbine in entsprechender Weise hergestellt werden, wobei die zu verbindenden Bauteile stets auch aus verschiedenen Werkstoffen bestehen können.
Das in Fig. 2 gezeigte eine Schaufelspitze 12 und zwei gegenüberliegende Schaufelkanten 15 aufweisendes Schaufelblatt 1 kann alternativ so in der Kassette 5 positioniert werden, dass die gegenüberliegenden Schaufelkanten 15 die Kassette 5 unter Bildung von zwei geschlossen Volumen 8', 8" kontaktieren. In dieser Ausgestaltung können die Schritte Befüllen, Aufschäumen und Abkühlen nur für eines der beiden Volumen 8' durchgeführt werden und in dem anderen Volumen 8" mit der Oberfläche 2 des Bauteils 1 zusammenwirkenden Positioniermittel 9 und, anders als in Fig.
2 dargestellt, kein schäumbares Material 1 1 vorgesehen werden.
Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eines mit einem Rotorträger 17 verbundenes Schaufelblatts 1, bei dem die Schweißwulst 19 ebenso wie der Ansatz 4 bereits entfernt ist. An einer weiteren Fügefläche 18' des Trägers 17 wird ein weiteres, in einer Haltevorrichtung 14 gehaltenes Schaufelblatt 1 ' positioniert, das anschließend mit dem Träger 17 verbunden wird. Zwischen den beiden Teile der Kassette 5 ist ein Distanzelement 21 vorgesehen. Das Distanzelement 21 kann nach dem Abkühlen unter Ausbilden des Schaums zum Ausgleich eines etwaigen Schrumpfes des Schaums entfernt werden. Durch das Zusammenrücken der beiden Teile der Kassette 5 beim anschließenden Verbinden dieser Teile wird das Volumen 8 entsprechend des Schrumpfes verringert. Das Distanzelement 21 kann auch beim Fügevorgang in der Trennfuge 22 der beiden Teile der Kassette 5 verbleiben. Im Allgemeinen werden zunächst alle Schaufelblätter! , 1 ' mit dem Träger 17 verbunden und daran anschießend etwaige Nacharbeiten an Schweißwülsten 19 od. dgl. durchgeführt.
In einem alternativen Verfahren kann das Schaufelblatt 1 mittels linearem Reibschweißen mit dem Träger 17 verbunden werden. Durch die starre Verbindung zwischen der Kassette 5 und dem zu verbindenden Schaufelblatt 1 infolge der formstabilen Schaumstruktur können relativ große Kräfte beim Zusammenpressen der Fügeflächen 3, 18 während des Oszillierens über das nahezu in seiner fertigen Form vorliegende Schaufelblatt 1 übertragen werden. Zur einfacheren Positionierung in der Kassette 5 kann das Schaufelblatt 1 auch bei diesem Verfahren einen Ansatz 4 oder einen koaxial zur Stapelachse 20 des Schaufelblatts 1 verlaufenden Zapfen 19 aufweisen.
Fig. 4 zeigt einen solchen Zapfen 19, der einen abgeflachten Kreisquerschnitt aufweist und so eine Verdrehsicherheit um die Stapelachse 20 gewährleistet. Der Zapfen 19 ersteckt sich von der Schaufelspitze 12 weg vom Schaufelblatt 1. Dieser in der Stapelachse 20 des Schaufelblatts 1 liegende, aus der Schaumstruktur vorstehende Zapfen 19 erleichtert die Positionierung des Schaufelblatts 1 bei einem anschließenden Verbindungsvorgang, z.B. durch Schweißen, mit einem weiteren Bauteil, wie einem Rotorträger 17, der unter anderem durch seine Axialachse, seinen Durchmesser bzw. seine Länge definiert ist.
Bei der Fig. 4 gezeigten Kassette 5 ist entlang der Trennfuge 22 kein Distanzelement 21 vorgesehen. Der Zapfen 19 ist in einer Aussparung in der Kassette 5 positioniert und steht somit aus der im Volumen 8 gebildeten Schaumstruktur vor. Für das Erwärmen und Aufschäumen muß die Trennfuge 22 zwischen den Teilen der Kassette 5 und somit auch im Bereich des vorstehenden Zapfens 19 dicht sein. Ja nach Wandstärke der Kassette 5 und Länge des Zapfens 19 steht dieser aus der Kassette 5 vor.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Halten eines zu verbindenden, metallischen Bauteils, insbesondere einer Gasturbine, gekennzeichnet durch die Schritte:
Bereitstellen eines metallischen Bauteils (1) mit einer Oberfläche (2) und wenigstens einer Bearbeitungs- oder Fügefläche (3),
Bereitstellen einer Kassette (5) mit einer eine innere Oberfläche (6) aufweisenden Aussparung zur Aufnahme des Bauteils (1),
Positionieren des Bauteils (1) in der Kassette (5) in der Weise, dass dessen Oberfläche (2) von der inneren Oberfläche (6) der Kassette (5) unter Bildung eines geschlossenen Volumens (8) mit Abstand umgeben ist und dessen Bearbeitungs- oder Fügefläche (3) nicht auf das Volumen (8) blickt, Befüllen des Volumens (8) mit einem schäumbaren Material (1 1), Aufschäumen des Materials (1 1) und Abkühlen unter Bildung einer formstabilen Schaumstruktur.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Bereitstellung eines Bauteils (1) aus einer Ti- oder Ni- oder Co- oder Fe-Legierung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Bereitstellung einer zwei- oder mehrteiligen Kassette (5), deren Teile nach dem Positionieren durch Ver- schrauben oder Verspannen miteinander fixiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Bereitstellung wenigstens eines Distanzelements (21) in einer Trennfuge (22) der Teile der Kassette (5) zur Veränderung des Volumens (8).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) des Bauteils (1) zur inneren Oberfläche (6) der Kassette (5) äquidistant beanstandet positioniert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungs- oder Fügefläche (3) beim Positionieren in einer entsprechend geformten Aussparung in der Kassette (5) aufgenommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungs- oder Fügefläche (3) aus der Kassette (5) vorstehend positioniert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Bearbeitungsoder Fügefläche (3) benachbarter Kontaktbereich (16) zwischen dem Bauteil (1) und der Kassette (5) mit einem weichen Metall, wie Kupfer oder Blei, vor dem Aufschäumen abgedichtet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Positionieren des Bauteils (1) in der Kassette (5) mit einem mit der Oberfläche (2) des Bauteils (1) zusammenwirkenden Positioniermittel (9).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bereitstellung des Bauteils (1) mit einem Ansatz (4), mit welchem das Bauteil (1), vorzugsweise mjt einem gesonderten Fixiermittel (10), in der Kassette (5) positioniert wird.
1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schäumbares Material (1 1) mit einem Kunststoff als Grundwerkstoff, wie Polyurethan (PUR), oder einem Metall als Grundwerkstoff und einem geeigneten Treibmittel bereitgestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall AI oder Mg oder Ni oder Fe oder Cu oder Messing oder Bronze oder eine Legierung dieser Elemente einzeln oder in Kombination bereitgestellt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schäumbare Material (1 1) als Pulver bereitgestellt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das schäumbare Material (1 1) formstabil als wenigstens ein Halbzeug, vorzugsweise durch Sintern des Materials, bereitgestellt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug mit lokal unterschiedlichen Verhältnissen zwischen Grundwerkstoff und Treibmittel ausgebildet wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt vor dem Positionieren:
Beschichten des Bauteils (1) mit einer vorzugsweise metallischen Schutzschicht, wie einer galvanischen Ni-Schicht.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schäumbare Material (1 1) bei einem Metall als Grundwerkstoff durch Erwärmen auf eine wenigstens dessen Schmelztemperatur entsprechende Schäumtemperatur und bei einem Kunststoff als Grundwerkstoff mit einem chemischen oder physikalischen Treibverfahren aufgeschäumt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Erwärmung mittels Induktion oder durch Gas oder in einem Ofen.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil (1) ein eine Stapelachse (20), eine Schaufelspitze (12) und zwei gegenüberliegende Schaufelkanten (15) aufweisendes Schaufelblatt (1) für eine Gasturbine bereitgestellt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Schaufelkanten (15) die Kassette (5) beim Positionieren unter Bildung von zwei geschlossen Volumen (8', 8") kontaktieren.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte Befüllen, Aufschäumen und Abkühlen nur für eines der beiden Volumen (8') durchgeführt werden und in dem anderen Volumen (8") mit der Oberfläche (2) des Bauteils (1) zusammenwirkenden Positioniermittel (9) vorgesehen werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelbaltt (1) mit wenigstens einem sich koaxial zu dessen Stapelachse (20) und von dessen Schaufelspitze ( 12) und/oder dessen Schaufelfuß über das Schaufelblatt (1) vorstehenden Zapfen (19) bereitgestellt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (19) mit einem abschnittsweise abgeflachten Kreisquerschnitt ausgebildet wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, das der Zapfen (19) beim Positionieren in einer entsprechend geformten Aussparung (23) in der Kassette (5) aufgenommen wird.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
Montieren des in der Schaumstruktur gehaltenen Bauteils (1) mit oder ohne Kassette (5) in eine Bearbeitungsvorrichtung oder eine Maschine.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
Montieren des in der Schaumstruktur gehaltenen Schaufelblatts (1) mit oder ohne Kassette (5) in eine Bearbeitungsvorrichtung oder eine Maschine und Positionieren des Schaufelblatts (1) mittels dem vorstehenden Zapfen (19).
27. Verfahren zum Verbinden eines metallischen Bauteils mit einem weiteren Bauteil, gekennzeichnet durch die Schritte:
Halten eines metallischen Bauteils (1) mit einer Fügefläche (3) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26,
Bereitstellen eines zweiten Bauteils (17) mit wenigstens einer Fügefläche (18), Positionieren der Fügefläche (3) des Bauteils (1) zur Fügefläche (18) des zweiten Bauteils (17), Verbinden der Bauteile (1, 17) durch Erwärmen und Kontaktieren der Fügeflächen (3, 18).
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden durch Schweißen erfolgt.
29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1, 17) durch Reibschweißen in der Weise verbunden werden, dass die Schweißtemperatur durch Zusammenpressen der Fügeflächen (3, 18) und gleichzeitiger oszillierende Relativbewegung der Bauteile (1 , 17) in der Fügeebene (E) erfolgt.
30. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1, 17) mittels Induktionsschweißen durch Erwärmen der Fügeflächen (3, 18) mit einem Induktor und anschließendem Kontaktieren der Fügeflächen (3, 18) verbunden werden.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass als zu verbindendes Bauteil (1) eine Schaufelblatt und als zweites Bauteil ein Schaufelfuß oder ein Schaufeldeckband oder ein Rotorträger (17) einer Gasturbine mit einer Vielzahl umfänglich angeordneter Fügeflächen (18) bereitgestellt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren entsprechend der Anzahl an Fügeflächen (18) des Rotorträgers (17) mit entsprechender Anzahl von Schaufelblättern (1) wiederholt wird.
33. Haltevorrichtung für ein zu verbindendes, metallisches Bauteil, insbesondere einer Gasturbine, umfassend: eine Kassette (5) mit einer eine innere Oberfläche (6) aufweisenden Aussparung zur Aufnahme eines metallischen Bauteils (1) mit einer Oberfläche (2) und einer Bearbe- beitungs- oder Fügefläche (3) sowie eines Metall als Grundwerkstoff enthaltendes, schäumbaren Materials (1 1) zur Bildung einer die Oberfläche (2) das Bauteils (1) mit Ausnahme von dessen Bearbeitungs- oder Fügefläche (3) umgebenden, formstabilen Schaumstruktur, und eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Materials (1 1) auf eine wenigstens dessen Schmelztemperatur entsprechende Schäumtemperatur.
34. Haltevorrichtung nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch eine zwei- oder mehrteilige Kassette (5), deren Teile durch Verschrauben oder Verspannen miteinander fixierbar sind.
35. Haltevorrichtung nach Anspruch 34, gekennzeichnet durch wenigstens ein lösbares Distanzelemet (21) in einer Trennfuge (22) der Kassette (5).
36. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 35, gekennzeichnet durch eine Kassette (5) mit wenigstens einem Absatz (13) an deren äußerer Oberfläche (7) zur Fixierung in einer Bearbeitungsvorrichtung oder einer Maschine und / oder zur Krafteinleitung in eine Fügeebene (E) während eines Schweißvorgangs.
37. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 36, gekennzeichnet durch eine Schaumstruktur (1 1) mit lokal unterschiedlicher Dichte.
PCT/DE2003/000392 2002-02-11 2003-02-11 Verfahren und vorrichtung zum halten eines zu verbindenden, metallischen bauteils, insbesondere einer gasturbinenschaufel WO2003068457A1 (de)

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