WO2005067350A1

WO2005067350A1 - Verfahren zur erwärmung von bauteilen

Info

Publication number: WO2005067350A1
Application number: PCT/DE2004/002717
Authority: WO
Inventors: Erwin Bayer; Wolfgang Becker; Bernd Stimper
Original assignee: Mtu Aero Engines Gmbh
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-12-11
Publication date: 2005-07-21
Also published as: DE102004001276A1; US20090107968A1; JP4542551B2; EP1702498A1; EP1702498B1; JP2007523285A; US8124912B2

Abstract

Die ein Verfahren zur Erwärmung eines Bearbeitungsbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, vor und/oder während und/oder nach einer Bearbeitung des Bauteils an dem Bearbeitungsbereich. Erfindungsgemäß wird der Bearbeitungsbereich (13) zur Erwärmung von mehreren Laserquellen bestrahlt, wobei jede Laserquelle einen Energiestrahl derart auf den Bearbeitungsbereich richtet, dass jede Laserquelle jeweils einen Energiefleck (15) auf dem Bearbeitungsbereich (13) erzeugt, die zusammen den Bearbeitungsbereich erwärmen, und wobei jede der Laserquellen einen statischen oder quasistatischen Energiefleck (15) auf dem Bearbeitungsbereich erzeugt, derart, dass die Position des jeweiligen Energieflecks (15) auf dem Bearbeitungsbereich (13) statisch oder quasistatisch ist.

Description

Verfahren zur Erwärmung von Bauteilen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung von Bauteilen vor und/oder während und/oder nach einer weiteren Bearbeitung derselben.

Bauteile, wie zum Beispiel Turbinenschaufeln von Gasturbinen, müssen bei der Produktion bzw. Instandhaltung oder Reparatur derselben zur Durchführung verschiedenster Bearbeitungsverfahren erwärmt werden. Diese Erwärmung wird auch als Vorwärmung bezeichnet. Auch ist es üblich Gasturbinenbauteile im Anschluss an ein Bearbeitungsverfahren im Sinne einer Wärmebehandlung zu erwärmen.

Bei der Instandhaltung von Turbinenschaufeln kommt zum Beispiel das sogenannte Auftragschweißen zur Anwendung. Im Zusammenhang mit dem Auftragschweißen ist die Vorwärmung eines Bearbeitungsbereichs bzw. Schweißbereichs der zu schweißenden Turbinenschaufeln auf eine gewünschte Prozesstemperatur erforderlich. Nur dann, wenn die zu schweißende Turbinenschaufel zumindest am Bearbeitungsbereich auf die Prozesstemperatur erwärmt worden ist und während des Auftragschweißens auf der gewünschten Prozesstemperatur gehalten wird, kann ein zuverlässiges Auftragschweißen durchgeführt werden.

Nach dem Stand der Technik werden zur Erwärmung bzw. zur Vorwärmung von Bauteilen sogenannte induktive Systeme verwendet. Bei solchen induktiven Systemen kann es sich zum Beispiel um Spulen handeln, die auf Grundlage induktiver Energieeinbringung das Bauteil erwärmen. Die Erwärmung bzw. Vorwärmung von Bauteilen mittels induktiver Systeme verfügt über den Nachteil, dass sich bei der Erwärmung bzw. Vorwärmung hohe Temperaturtoleranzen von bis zu 50°C am zu erwärmenden Bauteil einstellen können. Eine solch ungenaue Temperaturverteilung am zu erwärmenden Bauteil ist nachteilig. Weiterhin verbrauchen derartige induktive Systeme sehr viel Energie. Ein weiterer Nachteil induktiver Systeme liegt darin, dass sich bei der Erwärmung bzw. Vorwärmung im Inneren des Bauteils höhere Temperaturen einstellen können als an der Oberfläche des Bauteils. Dies kann zu Beschädigungen am Bauteil führen. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Erwärmung von Bauteilen zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird der Bearbeitungsbereich zur Erwärmung von mehreren Laserquellen bestrahlt, wobei jede Laserquelle einen Energiestrahl derart auf den Bearbeitungsbereich richtet, dass jede Laserquelle jeweils einen Energiefleck auf dem Bearbeitungsbereich erzeugt, die zusammen den Bearbeitungsbereich erwärmen, und wobei jede der Laserquellen einen statischen oder quasistatischen Energiefleck auf dem Bearbeitungsbereich erzeugt, derart, dass die Position des jeweiligen Energieflecks auf dem Bearbeitungsbereich statisch oder quasistatisch ist. Hierdurch lassen sich Probleme, die bei der induktiven Erwärmung auftreten, vermeiden. Weiterhin können Schwierigkeiten, die sich bei bewegten Energieflecken infolge der Bewegung der Laserquelle einstellen können, vermieden werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird jeder Laserquelle eine Temperaturmesseinrichtung zugeordnet, welche die von der jeweiligen Laserquelle bzw. dem Energiefleck der jeweiligen Laserquelle bewirkte Erwärmung des Bearbeitungsbereichs misst und mit einem entsprechenden Temperatur-Sollwert vergleicht, wobei abhängig hiervon für jede der Laserquellen individuell die Strahlungsleistung des jeweiligen Energiestrahls festgelegt wird. Hierdurch sind optimale Voraussetzungen gegen, um die Erwärmung des Bauteils bzw. Bearbeitungsbereichs an sich ändernde Bauteilquerschnitte anzupassen.

Vorzugsweise erzeugt jede der Laserquellen einen quasistatischen Energiefleck auf dem Bearbeitungsbereich, derart, dass die Position des jeweiligen Energieflecks auf dem Bearbeitungsbereich sich maximal zwischen den jeweils benachbarten Energieflecken verändert, um so den Übergangsbereich zwischen zwei benachbarten Eπergieflecken zu erwärmen. Hierdurch lässt sich eine noch homogenere Erwärmung des Bearbeitungsbereichs bei gleichzeitiger Vermeidung der Probleme bewegter Systeme erzielen. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine stark schematisierte Anordnung mit einem zu erwärmenden Bauteil im Querschnitt zur Verdeutlichung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 2 eine stark schematisierte Anordnung mit dem zu erwärmenden Bauteil in Seitenansicht zur weiteren Verdeutlichung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und Fig. 3 eine stark schematisierte Anordnung mit einem zu erwärmenden Bauteil im Querschnitt zur Verdeutlichung einer zweiten Ausführungsform des erfin- duπgsgemäßen Verfahrens.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Erwärmung bzw. Vorwärmung von Bauteilen an der Vorwärmung einer Turbinenschaufel einer Gasturbine unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 im Detail beschrieben.

Fig. 1 zeigt stark schematisiert eine Turbinenschaufel 10 einer Hochdruckturbine eines Flugtriebwerks im Querschnitt, nämlich durch ein Schaufelblatt 1 1 der Turbinenschaufel 10. Fig. 2 zeigt die Turbinenschaufel 10 in Seitenansicht, wobei ein sich an das Schaufelblatt 1 1 anschließender Schaufelfuß mit der Bezugsziffer 12 gekennzeichnet ist. Es liegt im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die Turbineπschaufel 10 der Hochdruckturbine vor und/oder während und/oder nach einer weiteren Bearbeitung derselben zu erwärmen, nämlich an einem in Fig. 2 gezeigten Bearbeitungsbereich 13 des Schaufelblatts 1 1.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird die Turbinenschaufel 10 zur Erwärmung des Bearbeitungsbereichs 13 im Sinne der Fig. 1 und 2 von einer Seite her von mehreren Laserquellen bestrahlt, wobei jede der nicht-dargestellten Laserquellen einen Energiestrah! 14 auf den Bearbeitungsbereich 13 der Turbinenschaufel 10 richtet. Fig. 1 zeigt insgesamt sieben derartige Energiestrahlen 14. Die Energiestrahlen 14 erzeugen auf der Turbinenschaufel 10, nämlich im Bearbeitungsbereich 13 derselben, jeweils einen Energiefleck 15. Die Energieflecke 15 erwärmen zusammen den Bearbeitungsbereich 13 der Turbinenschaufel 10. Die Energieflecke 15 sind punktförmig bzw. kreisförmig.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung erzeugen die nicht-dargestellten Laserquellen im Bearbeitungsbereich 13 der Turbinenschaufel 10 statische oder quasistatische Energieflecke 15. Unter einem statischen Energiefleck ist zu verstehen, dass die Position des jeweiligen Energieflecks im Bearbeitungsbereich 13 statisch ist, sich also nicht verändert. Bei einem quasistatischen Energiefleck ist hingegen eine geringfügige Bewegung desselben möglich.

Nach einer ersten Alternative der hier vorliegenden Erfindung erzeugen die Laserquelle statische Energieflecke, d.h. dass sich die Position der jeweiligen Energieflecke 15 im Bearbeitungsbereich 13 nicht verändert. Wird der Abstand zwischen derart statischen Energieflecken gering genug gewählt, so lässt sich eine homogene Erwärmung des gesamten Bearbeitungsbereichs 13 erzielen.

Nach einer Alternative der hier vorliegenden Erfindung erzeugen die Laserquellen quasistatische Energieflecke 15 im Bearbeitungsbereich 13. Bei einem quasistatischen Energiefleck 15 ist eine geringfügige Bewegung desselben innerhalb des Bearbeitungsbereichs 13 zulässig, wobei sich eine Position eines Energieflecks 15 maximal zwischen den jeweils unmittelbar benachbarten Energieflecken 15 verändert. Hierdurch lässt sich eine noch homogenere Erwärmung des Bearbeitungsbereichs 13 erzielen, nämlich vorzugsweise im Übergangsbereich 18 zwischen benachbarten Energieflecken 15.

Jeder nicht-dargestellten Lasereinrichtung ist eine nicht-dargestellte Temperaturmesseinrichtung zugeordnet. Jede der Temperaturmesseinrichtungen misst bzw. erfasst die von der jeweiligen Laserquelle bzw. die von dem jeweiligen Energiefleck 15 bewirkte Erwärmung des Bearbeitungsbereichs 13 der Turbinenschaufeln 10. In einer ebenfalls nicht- dargestellten Steuerungseinrichtung werden nun die von jeder der Temperaturmesseinrichtungen ermittelten Temperatur-Istwerte mit einem entsprechenden Temperatur- Sollwerten verglichen. Jeder Lasereinrichtung bzw. jedem von der jeweiligen Lasereinrichtung erzeugten Energiefleck ist demnach ein separater Temperatur-Sollwert zugeordnet. Auf Basis dieses Temperatur-Sollwerts wird für jede Lasereinrichtung die Strahlungsleistung des jeweiligen Energiestrahls 14 und damit die Leistung des jeweiligen Energieflecks 15 individuell angepasst. Hierbei lässt sich im Beareitungsbereich 13 ein vordefiniertes Temperaturprofil exakt einstellen. Des weiteren kann auf diese Art und Weise dem sich ändernden Querschnitt der Turbinenschaufel 10 entlang des Bearbeitungsbereichs 13 Rechnung getragen werden. So zeigt nämlich Fig. 1, dass sich das Querschnittsprofil der Turbineπschaufel 10 zwischen zwei Kanten 16 und 17 deutlich verändert. Insofern kann mit der hier vorliegenden Erfindung die Strahlungsleistung auf den sich über den Bearbeitungsbereich 13 verändernden Querschnitt der Turbinenschaufel 10 leicht und sicher angepasst werden.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 wird der Bearbeitungsbereich 13 der Turbinenschaufel 10 von einer Seite her über nicht-dargestellte Laserquellen erwärmt. Im Unterschied hierzu ist es möglich, den Bearbeitungsbereich 13 von zwei Seiten her zu erwärmen, wie dies im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 dargestellt ist. So werden im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 von beiden Seiten der Turbinenschaufel 10 Energiestrahlen 14 auf den Bearbeitungsbereich 13 derselben gerichtet. Hierdurch lässt sich die Erwärmungsqualität nochmals verbessern.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden als Laserquellen vorzugsweise Diodenlaser verwendet. Die Verwendung von Diodenlasern, die eine lineare Leistungsabgabe bei linearer Ansteuerung aufweisen, ist besonders bevorzugt. Diodenlaser ermöglichen Strahlungsenergie mit einer eng begrenzten^" spezifischen Wellenlänge auf die zu erwärmende Turbinenschaufeln 10 bzw. den Bearbeitungsbereich 13 zu richten. Die definierte Wellenlänge der Diodenlaser ermöglicht eine gute sowie definierte Begrenzung der Energieausbreitung und eine präzise Erwärmung der Turbinenschaufel 10 bzw. des Bearbeitungsbereichs 13. Alternativ können jedoch auch andere Laserquellen zur Erwärmung verwendet werden, beispielhaft seien hier C0₂-Laser, Nd-Laser oder YAG-Laser genannt.

Die Erwärmung sowie Messung der Erwärmung an der Turbinenschaufel 10 erfolgt berührungslos. Zur berührungslosen Temperaturmessung kommen insbesondere Pyrometer zum Einsatz. Wie bereits erwähnt, ist jeder Laserquelle dann ein Pyrometer zugeordnet, um die von der entsprechenden Laserquelle bewirkte Erwärmung zu erfassen.

Die Erfindung findet bevorzugt Verwendung bei der Erwärmung von Turbinenschaufeln 10 im Zusammenhang mit einer Reparatur bzw. Instandsetzung derselben. Eine Bearbeitung, bei der eine Erwärmung der Turbinenschaufel erforderlich ist, ist zum Beispiel das sogenannte Auftragsschweißen. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch nicht auf Reparaturarbeiten an Turbinenschaufeln begrenzt. Vielmehr kann es auch bei anderen Bauteilen einer Gasturbine, zum Beispiel bei der Reparatur eines Gehäuses, zum Einsatz kommen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erwärmung eines Bearbeitungsbereichs ( 13) eines Bauteils ( 10), insbesondere eines Gasturbinenbauteils, vor und/oder während und/oder nach einer Bearbeitung des Bauteils an dem Bearbeitungsbereich, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsbereich ( 13) zur Erwärmung von mehreren Laserquellen bestrahlt wird, wobei jede Laserquelle einen Energiestrahl ( 14) derart auf den Bearbeitungsbereich richtet, dass jede Laserquelle jeweils einen Energiefleck ( 15) auf dem Bearbeitungsbereich ( 13) erzeugt, die zusammen den Bearbeitungsbereich erwärmen, jede der Laserquellen einen statischen oder quasistatischen Energiefleck (15) auf dem Bearbeitungsbereich erzeugt, derart, dass die Position des jeweiligen Energieflecks auf dem Bearbeitungsbereich (13) statisch oder quasistat/sch ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Laserquelle eine Temperaturmesseinrichtung zugeordnet ist, welche die von der jeweiligen Laserquelle bzw. dem Energiefleck (15) der jeweiligen Laserquelle bewirkte Erwärmung des Bearbeitungsbereichs (13) misst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein hierbei von jeder Temperaturmesseinrichtung ermittelter Temperatur- Istwert mit einem entsprechenden Temperatur-Sollwert der entsprechenden Laserquelle verglichen wird, und dass abhängig hiervon für jede der Laserquellen individuell die Strahlungsleistung des jeweiligen Energiestrahls (14) festgelegt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung und die Temperaturmessung berührungslos erfolgen.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Laserquellen einen statischen Energiefleck (15) auf dem Bearbeitungsbereich erzeugt, derart, dass die Position des jeweiligen Energieflecks ( 15) auf dem Bearbeitungsbereich (13) statisch bzw. unveränderlich ist.

ό. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Laserquellen einen quasistatischen Energiefleck (15) auf dem Bearbeitungsbereich (13) erzeugt, derart, dass die Position des jeweiligen Energieflecks (15) auf dem Bearbeitungsbereich sich maximal zwischen den jeweils benachbarten E- nergieflecken verändert, um so den Übergangsbereich (18) zwischen zwei benachbarten Energieflecken (15) zu erwärmen.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Laserquellen Diodenlaser verwendet werden.