Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung von Verbundaufbauten
zwischen metallischen und nichtmetallischen Materialien, insbesondere für den
Gas- und Dampfturbinenbau sowie einen Verbundaufbau zwischen einem
metallischen und einem nichtmetallischen Material, wie es in den Oberbegriffen
der Ansprüche 1 und 17 beschrieben ist.
Stand der Technik
Der Aufbau von Verbundaufbauten aus metallischen und nichtmetallischen
Materialien, insbesondere das Beschichten von metallischen Bauteilen, wie
beispielsweise beim Gas- oder Dampfturbinenbau, mit keramischen
Wärmedämmschichten, ist bereits allgemein bekannt. Dabei wird auf eine
metallische Oberfläche eines Grundkörpers beispielsweise mittels Plasma- oder
Flammspritzen eine Haftschicht mit möglichst rauher Oberfläche aufgespritzt. Die
Rauhigkeit der Oberfläche dient dem formschlüssigen Verkrallen der ebenfalls auf
diese Oberfläche plasma- oder flammgespritzte Wärmedämmschicht aus einem
nichtmetallischen Material. Wegen der sehr unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Metallen und nichtmetallischen
Materialien, wie Keramiken, gelingen diese Verbindungen üblicherweise nur bis zu
einer Schichtdicke von < 500 µm.
Wird der Verbundaufbau jedoch mit hochporöser Keramik gespritzt, so können
Schichtdicken bis zu 1,5 mm erreicht werden. Diese Keramiken bzw.
nichtmetallischen Materialien sind jedoch gegen Fremdkörpereinschlag
außerordentlich empfindlich, so daß nur eine sehr kurze Lebenszeit derartiger
Verbundaufbauten gegeben ist und diese daher sehr oft ausgetauscht bzw.
repariert werden müssen.
Um beispielsweise den Kühlluftverbrauch in einer Gas- oder Dampfturbine
deutlich zu senken und somit den Wirkungsgrad zu heben, braucht man eine
deutlich wirksamere Wärmedämmung, als dies aus dem Stand der Technik, wie
beispielsweise aus der DE 195 45 025 A1, bekannt ist.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Herstellung von
Verbundaufbauten zwischen metallischen und nichtmetallischen Materialien,
insbesondere für den Gas- und Dampfturbinenbau sowie einen Verbundaufbau
zwischen metallischen und nichtmetallischen Materialien zu schaffen, bei dem
eine große Schichtdicke eines nichtmetallischen Materials stabil haftend und
unempfindlich gegen Schlageinwirkung auf ein metallisches Material aufgebracht
wird.
Diese Aufgabe der Erfindung wird derartig gelöst, daß die Haftschicht aus
einzelnen Schweißpunkten bzw. Ankerpunkten durch jeweils einen
Schweißprozeß, insbesondere einen Lichtbogen-Schweißprozeß, hergestellt wird,
wobei bei dem Schweißprozeß zur Bildung eines Schweißpunktes bzw. eines
Ankerpunktes die Abschmelzung eines bevorzugt endlosen Schweißdrahtes
derart erfolgt, daß der gebildete Schweißpunkt bzw. der Ankerpunkt eine
kugelähnliche oder eine pilzähnliche Form auf der Oberfläche des Grundkörpers
ausbildet.
Vorteilhaft ist hierbei, daß durch den Einsatz eines Schweißprozesses eine
Anpassung der Ankerpunkte in ihrer Form und Größe an die unterschiedlichen
Schichtdicken für den Verbundaufbau vorgenommen werden kann. Ein weiterer
Vorteil liegt bei diesen Verfahren vor allem darin, daß bei beschädigten
Verbundaufbauten 1 eine einfache Reparatur durchgeführt werden kann, da der
Verbundaufbau 1, insbesondere die Gas- oder Dampfturbine, nicht mehr
abgebaut und zur Reparatur versendet werden muß, sondern eine direkte
Reparatur vor Ort vorgenommen werden kann, da die Bildung der Ankerpunkte 4
sowie die nachträgliche Neubeschichtung mit dem nichtmetallischen Material 5
überall möglich ist, da keine besonderen Geräte oder Vorrichtungen mehr benötigt
werden. Für eine derartige Reparatur Vorort ist es lediglich notwendig, daß ein
entsprechendes Schweißgerät mit einem Schweißbrenner vorhanden ist, da durch
den programmierten Verfahrensablauf jeder Benutzer einen entsprechenden
Ankerpunkt 4 bilden kann und somit erhebliche Kosteneinsparungen, wie der
Transportkosten, der Stillstandskosten usw. eingespart werden können. Ein
wesentlicher Vorteil einer derartigen Herstellung der Ankerpunkte liegt darin, daß
durch die Verwendung eines Schweißprozesses, insbesondere eines Lichtbogen-
Schweißprozesses, ein entsprechender Reinigungseffekt auf der Oberfläche des
Grundkörpers durchgeführt wird, so daß eventuelle Vorarbeiten, wie
beispielsweise das Sandstrahlen der Oberfläche, entfallen können.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 16 beschrieben.
Die sich daraus ergebenden Vorteile sind aus der Beschreibung zu entnehmen.
Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, daß die Haftschicht aus
einzelnen Ankerpunkten gebildet ist, wobei ein Ankerpunkt aus einem endlosen
Schweißdraht durch einen durchgehenden Schweißprozeß gebildet ist. Vorteilhaft
ist hierbei, daß dadurch eine gezielte Positionierung der Ankerpunkte durchgeführt
werden kann, wodurch eine erhebliche Steigerung der Festigkeit eines derartigen
Verbundaufbaues erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß für die
Herstellung eines derartigen Verbundaufbaus handelsübliche Geräte bzw.
Vorrichtungen eingesetzt werden können.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Ansprüchen 18 bis 21 beschrieben.
Die sich daraus ergebenden Vorteile sind aus der Beschreibung zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1, eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Verbundaufbaus,
geschnitten und in vereinfachter schematische Darstellung;
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Seitenansicht des
erfindungsgemäßen Verbundaufbaus, geschnitten und in vereinfachter
schematischer Darstellung;
Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Seitenansicht des
erfindungsgemäßen Verbundaufbaus, geschnitten und in vereinfachter
schematischer Darstellung;
Fig. 4 ein Ablaufschema eines Herstellungsverfahren für den
erfindungsgemäßen Verbundaufbaus, in vereinfachter schematischer
Darstellung;
Fig. 5 ein weiteres Ablaufschema des Herstellungsverfahrens für den
erfindungsgemäßen Verbundaufbaus, in zeitlicher Reihenfolge, gemäß
Fig. 4, in vereinfachter schematischer Darstellung;
Fig. 6 ein weiteres Ablaufschema des Herstellungsverfahrens für den
erfindungsgemäßen Verbundaufbaus, in zeitlicher Reihenfolge, gemäß
Fig. 5, in vereinfachter schematischer Darstellung;
Fig. 7 ein weiteres Ablaufschema des Herstellungsverfahrens für den
erfindungsgemäßen Verbundaufbaus, in zeitlicher Reihenfolge, gemäß
Fig. 6, in vereinfachter schematischer Darstellung;
Fig. 8 ein weiteres Ablaufschema des Herstellungsverfahrens für den
erfindungsgemäßen Verbundaufbaus, in zeitlicher Reihenfolge, gemäß
Fig. 7, in vereinfachter schematischer Darstellung;
Fig. 9 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Ablaufschema des
Herstellungsverfahrens für den erfindungsgemäßen Verbundaufbau, in
vereinfachter schematischer Darstellung;
Fig. 10 ein anderes Ausführungsbeispiel des Ablaufschema des
Herstellungsverfahrens für den erfindungsgemäßen Verbundaufbau, in
zeitlicher Reihenfolge, gemäß Fig. 9, in vereinfachter schematischer
Darstellung;
Fig. 11 ein anderes Ausführungsbeispiel des Ablaufschema des
Herstellungsverfahrens für den erfindungsgemäßen Verbundaufbau, in
zeitlicher Reihenfolge, gemäß Fig. 10, in vereinfachter schematischer
Darstellung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1
bis 11 näher erläutert. Einführend wird festgehalten, daß gleiche Teile der sind.
Die in den einzelnen Ausführungsbeispielen angegebenen Lageangaben sind bei
einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
In den Fig. 1 bis 11 ist eine schematische Darstellung eines Aufbaues für einen
Verbundaufbau 1, insbesondere für den Gas- und Dampfturbinenbau, aus
metallischen und nichtmetallischen Materialien, sowie ein Ablaufschema zur
Herstellung des Verbundaufbaus 1 zwischen den metallischen und
nichtmetallischen Materialien in Zusammenhang mit dem zeitlichen Verlauf der
Schweißdrahtzuführung und entsprechenden Ausgangskennlinien eines
Schweißgerätes gezeigt.
Bei derartigen Verbundaufbauten 1, wie speziell aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich,
wird auf einen metallischen Grundkörper 2 eine Haftschicht 3, die aus einzelnen
Ankerpunkten 4, auch Rivets genannt, gebildet wird, aufgebracht, auf die ein
nichtmetallisches Material 5 aufgetragen wird. Der Grundkörper 2 kann
beispielsweise aus den Materialien IN 738, IN 939, MA 6000, PM 2000, CMSX-4,
MARM 247 oder dgl. und die Ankerpunkte 4 aus den Materialien MCrAlY, SV 20,
SV 34, Haynes 214, IN 625, 316 L oder dgl. bestehen. Durch die Haftschicht 3
bzw. die Ankerpunkte 4 wird erreicht, daß eine entsprechende
Oberflächenrauhigkeit geschaffen wird, wodurch das im flüssigem Zustand
aufzutragende nichtmetallische Material 5 eine formschlüssige Verbindung mit
dem metallischen Grundkörper 2 herstellt, d. h., daß von den Ankerpunkten 4
entsprechende Hintergreifungen 6 in Form von Freiräumen zwischen den
Ankerpunkten 4 und den Grundkörper 2 gebildet werden, in die das
nichtmetallische Material 5 einfließt bzw. sich verkrallt und somit eine feste
Verbindung des nichtmetallischen Materials 5 mit dem metallischen Material,
insbesondere dem Grundkörper 2, hergestellt wird. Das Auftragen des
nichtmetallischen Materials 5, wie beispielsweise Keramik, kann über bekannte
Vorgänge, wie das Plasma- oder Flammspritzen, erfolgen.
Wesentlich ist für die Herstellung eines derartigen Verbundaufbaus 1 ist, daß eine
definierte Oberflächenrauhigkeit mit ausreichenden Hintergreifungen 6 hergestellt
wird, damit eine hohe Festigkeit und eine ausreichende Schichtdicke 7 für das
nichtmetallische Material 5 erzielt werden kann. Eine große Schichtdicke 7 bewirkt
beispielsweise, daß bei einer Gasturbine eine deutliche Reduzierung des
Kühlluftverbrauches erzielt wird, wodurch der Wirkungsgrad der Gasturbine
wesentlich erhöht wird. Damit jedoch eine große Schichtdicke 7 geschaffen
werden kann, muß eine wesentlich größere Haltestruktur bzw. gröbere Haftschicht
3 gebildet werden, als dies aus dem Stand der Technik durch Auftragen von
Lötpasten mit Zusatzelementen oder dgl. bekannt ist. Es kann also gesagt
werden, daß in Abhängigkeit von der Form und der Größe der Ankerpunkte 4 eine
entsprechend Schichtdicke 7 für das nichtmetallische Material 5 auf den
Grundkörper 2 aufgetragen werden kann.
Bei derartigen Verbundaufbauten 1, wie sie beispielsweise bei Gas- oder
Dampfturbinen eingesetzt werden, sollte das aufgetragenen, nichtmetallische
Material 5 einen ausreichenden Fremdkörpereinschlag widerstehen können, ohne
dabei das nichtmetallische Material 5 vom metallischen Material, also vom
Grundkörper 2, zu trennen bzw. von diesem abzuspringen. Sollte jedoch aufgrund
einer zu großen Krafteinwirkung das nichtmetallische Material 5 durch einen
Fremdkörpereinschlag dennoch abgesprengt werden, so ist zu gewährleisten, daß
nur eine geringe Zerstörung der Oberfläche des Verbundaufbaues 1 stattfindet.
Aufgrund der speziellen Herstellung der Haftschicht 3, insbesondere der
speziellen Ausbildung der Ankerpunkte 4, wird erreicht, daß bei einem
Fremdkörpereinschlag nur jenes Material abgesprengt wird, welches über die
Ankerpunkte 4 hinausragt, wobei jedoch das nichtmetallische Material 5 zwischen
den Ankerpunkten 4 nicht vom Verbundaufbau 1 abgetrennt wird. Dadurch
werden nur geringe Angriffspunkte über die Ankerpunkte 4 auf den Grundkörper 2
gebildet.
Dies wird insofern erreicht, da durch die speziell definierte Ausbildung der
Ankerpunkte 4 großflächige Hintergreifungen 6 und eine definierte Anzahl von
Ankerpunkten 4 auf einer vorgegebenen Fläche gebildet werden können, so daß
das nichtmetallische Material 5, welches die Ankerpunkte 4 einbettet, mit diesen
eine sehr feste Verbindung herstellt und dieses somit nicht mehr zwischen den
einzelnen Ankerpunkten 4 vom Grundkörper 2 getrennt werden kann. Eine
derartige Darstellung mit einem Fremdkörpereinschlag, bei dem ein Teil des
nichtmetallischen Materials 5 abgesprengt ist, ist schematisch in Fig. 3 dargestellt.
Daraus ist ersichtlich, daß das nichtmetallische Material 5 bei einem
Fremdkörpereinschlag zwar oberhalb der Ankerpunkte 4 abgesprengt ist, jedoch
zwischen den Ankerpunkten 4 haftend bleibt und somit nur ein geringer
Wärmeübergang auf den Grundkörper 2 über die Ankerpunkte 4 entstehen kann,
wodurch eine unerwünschte Zerstörung des Verbundaufbaus 2 im Bereich des
Fremdkörpereinschlages verhindert werden kann.
Die Haftschicht 3 bzw. die Ankerpunkte 4 werden erfindungsgemäß durch einen
Schweißprozeß, insbesondere einem Lichtbogen-Schweißprozeß, hergestellt, so
daß eine gezielte Positionierung der Ankerpunkte 4 am Grundkörper 2 möglich ist
und gleichzeitig die Form und die Große der Ankerpunkte 4 beeinflußt werden
kann. Bei dem Schweißprozeß zur Bildung eines Schweißpunktes bzw. eines
Ankerpunktes 4 wird der Ankerpunkt 4 durch die Abschmelzung eines bevorzugt
endlosen Schweißdrahtes 8 erzeugt, wobei der gebildete Schweißpunkt bzw. der
Ankerpunkt 4 eine kugelähnliche Form, gemäß Fig. 1, oder eine pilzähnliche
Form, gemäß Fig. 2, auf einer Oberfläche 9 des Grundkörpers 2 ausbildet, d. h.,
daß die Haftschicht 3 aus einzelnen Schweißpunkten bzw. Ankerpunkten 4 durch
jeweils einen Schweißprozeß, insbesondere einem Lichtbogen-Schweißprozeß,
hergestellt wird, wobei bei dem Schweißprozeß zur Bildung eines Schweißpunktes
bzw. eines Ankerpunktes 4 die Abschmelzung eines bevorzugt endlosen
Schweißdrahtes 8 derart erfolgt, daß der gebildete Schweißpunkt bzw. der
Ankerpunkt 4 eine kugelähnliche oder eine pilzähnliche Form auf der Oberfläche 9
des Grundkörpers 2 ausbildet.
Dabei ist zu beachten, daß bei der Verbindung des Schweißdrahtes 8 mit dem
Grundkörper 2, also bei der Bildung des Ankerpunktes 4, nur eine geringe
Aufschmelzung der Oberfläche 9 des Grundkörpers 2 stattfindet, da dadurch die
Hintergreifungen 6 der Ankerpunkte 4, in die das aufzutragende Material 5
einfließt, vergrößert werden können, wie dies bei dem nachstehend
beschriebenen Schweißprozeß der Fall ist. Ein wesentlicher Vorteil einer
derartigen Herstellung der Ankerpunkte 4 liegt darin, daß durch die Verwendung
eines Schweißprozesses, insbesondere eines Lichtbogen-Schweißprozesses, ein
entsprechender Reinigungseffekt auf der Oberfläche 9 des Grundkörpers 2
durchgeführt wird, so daß eventuelle Vorarbeiten, wie beispielsweise das
Sandstrahlen der Oberfläche 9, entfallen können, d. h., daß aufgrund des
Schweißprozesses, insbesondere des Lichtbogens in der Schutzgasatmosphäre,
die Oberfläche 9 des Grundkörpers 2 von Oxiden bereinigt wird, so daß eine
sichere Verbindung der Ankerpunkte 4 mit dem Grundkörper 2 hergestellt werden
kann und keinerlei Vorarbeiten zur Reinigung der Oberfläche 9 des Grundkörpers
2 mehr notwendig ist.
Durch den Einsatz eines gesteuerten Schweißprozesses zur Bildung eines
einzigen Ankerpunktes 4 bzw. eines Schweißpunktes wird erreicht, daß dadurch
ein Ankerpunkt 4 mit einem Durchmesser 10, beispielsweise zwischen 0,5 mm
und 3 mm, und einer Höhe 11, beispielsweise zwischen 0,5 mm und 10 mm,
definiert hergestellt wird. Selbstverständlich ist es möglich, daß noch größere
Ankerpunkte 4 gebildet werden können, da hierzu lediglich die Schweißparameter
für den Schweißprozeß entsprechend angepaßt werden müssen. Weiterhin wird
durch den Einsatz eines Schweißprozesses erreicht, daß die Form sowie die
Positionierung der einzelnen Ankerpunkte 4 auf der Oberfläche 9 des
Grundkörpers 2 definiert werden kann, so daß eine höhere Festigkeit der
Verbindung zwischen den beiden Materialien erzielt werden kann. Durch derart
große Ankerpunkte 4 können nunmehr Schichtdicken 7, beispielsweise zwischen
1 mm und 20 mm, für das aufzutragende nichtmetallische Material 5 gebildet
werden, d. h., daß durch den gesteuerten Schweißprozeß eine Anpassung der
Größe, insbesondere der Höhe 11 und des Durchmessers 10, der Ankerpunkte 4
an die Schichtdicke 7 ermöglicht wird, wodurch unterschiedliche
Verbundaufbauten 1 mit unterschiedlichen Schichtdicken 7 des nichtmetallischen
Materials 5 hergestellt werden können und nicht, wie aus dem Stand der Technik
bekannt, eine zufällige Anordnung der Ankerpunkte 4 auf der Oberfläche 9 mit
unterschiedlichen Formen und Größen hergestellt werden.
Ein wesentlicher Vorteil des Verbundaufbaus 1 liegt darin, daß eine Anpassung
der Ankerpunkte 4 in ihrer Form und Größe an die unterschiedlichen
Schichtdicken 7 vorgenommen werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt auch darin,
daß durch den Einsatz eines Schweißprozesses nunmehr kein Bor- oder
Siliziumeintrag in den Grundkörper 2 oder in das nichtmetallische Material 5 mehr
stattfindet, wodurch eine erhebliche Qualitätssteigerung erzielt wird.
Bei dem Schweißprozeß wird auf den metallischen Grundkörper 2 das
aufzutragende zusätzliche metallisches Material, insbesondere der Schweißdraht
8, bevorzugt durch einen endlosen, abschmelzenden Schweißdraht 8 bzw. eine
endlose, abschmelzende Elektrode gebildet, die über einen speziellen, dynamisch
sehr schnellen Drahtantrieb, nicht dargestellt, zur Schweißstelle gefördert wird,
wobei gleichzeitig eine Steuerung der einzelnen Schweißparameter zur Bildung
der Ankerpunkte 4 durchgeführt wird.
Der Ablauf des Schweißprozesses zur Bildung eines Ankerpunktes 4 kann in
mehreren Phasen unterteilt werden, wobei jedoch ein Ankerpunkt 4 bevorzugt
durch einen einzigen durchgehenden Schweißprozeß, also ohne Schweißpause,
mit entsprechender Steuerung und/oder Regelung des Drahtvorschubes und/oder
der Schweißparameter gebildet wird. Hierzu wird anschließend in den Fig. 4 bis 8
der Ablauf des Schweißprozesses zur Bildung eines einzigen kugelähnlichen
Ankerpunktes 4 beschrieben, wobei hierzu ein zeitlicher Verlauf der
Schweißdrahtförderung sowie Kennlinien der wichtigsten Schweißparameter
dargestellt sind.
In der ersten Phase 12 des Schweißprozesses, gemäß Fig. 4, erfolgt die Zündung
eines Lichtbogens 13, wie schematisch dargestellt, und das Aufschmelzen des
Drahtelektrodenendes des Schweißdrahtes 8. Hierzu wird der Schweißdraht 8 mit
einer Spannung 14, siehe Kennlinie U, beaufschlagt und mit einer vorgebbaren
Geschwindigkeit 15, siehe Kennlinie v, auf das Werkstück bzw. den Grundkörper
2 zubewegt. Berührt der Schweißdraht 8 die Oberfläche 9, also bildet sich ein
Kurzschluß zwischen dem Grundkörper 2 und dem Schweißdraht 8 aus, so wird
dieser von dem Schweißgerät, nicht dargestellt, bzw. einer Steuervorrichtung des
Schweißgerätes durch das Zusammenbrechen der Spannung 14 erkannt, worauf
das Schweißgerät den Drahtantrieb stoppt, wie dies zu einem Zeitpunkt 16
ersichtlich ist.
Anschließend bzw. gleichzeitig wird ein geringer Strom 17, siehe Kennlinie I, an
den Schweißdraht 8 angelegt bzw. wird der sich einstellende Stromanstieg
aufgrund des Kurzschlusses auf einen definierten Wert begrenzt, wobei die
Stromhöhe bzw. der Wert derart bemessen ist, daß es zu keinem Festbrennen
bzw. Aufschmelzen des Schweißdrahtes 8 bzw. des Schweißdrahtendes und des
Grundkörpers 2 durch eventuelles Prellen beim Aufsetzen des Schweißdrahtes 8
auf der Oberfläche 9 des Grundkörpers 2 kommen kann. Nach Ablauf einer
vorgebbaren Zeitdauer 18, also einer sogenannten Entprellzeit, wird der Strom 17
auf einen weiteren vorgebbaren Wert erhöht und der Schweißdraht 8 vom
Grundkörper 2 wegbewegt, wobei hierzu der Drahtvorschub umgedreht wird, wie
dies aus den einzelnen Kennlinien ersichtlich ist. Beim Abheben des
Schweißdrahtes 8 vom Grundkörper 2 wird aufgrund der entsprechenden
Stromhöhe der Lichtbogen 13 gezündet, wie dies zum Zeitpunkt 19 ersichtlich ist,
wodurch die Spannung 14 angehoben wird.
In der anschließenden zweiten Phase 20, gemäß Fig. 5, wird der Schweißdraht 8
bzw. das Schweißdrahtende definiert angeschmolzen, so daß ein entsprechender
Tropfen 21 am Schweißdraht 8 ausgebildet wird. Dabei kann über die
Lichtbogenbrenndauer und der Stromhöhe die Tropfengröße des Tropfens 21 für
den Ankerpunkt 4, also die Größe der Kugel, bestimmt werden. Die bei der
Tropfenbildung verwendete Stromhöhe, die Lichtbogenbrenndauer und die
Tropfengröße bestimmen auch eine Benetzungsfläche 22, also den Einbrand am
Grundkörper 2, welche durch den Lichtbogen 13 und das Aufsetzen des Tropfens
21 am Grundkörper 2 verursacht wird, d. h., daß durch diese Parameter das
Aufschmelzen, insbesondere die Aufschmelzfläche des Materials am Grundkörper
2 bestimmt werden kann.
Um eine entsprechende Größe des Tropfens 21 zu erreichen, wird in der zweiten
Phase 20 der Schweißdraht 8 über eine definierte Zeitdauer 23, die in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel der Dauer der zweiten Phase 20 entspricht, mit
einem definierten Strom 17, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel den
Wert am Ende der ersten Phase 11 entspricht, versorgt. Gleichzeit wird die
Rückwärtsbewegung des Schweißdrahtes 8 weiter fortgesetzt.
Hierzu ist es selbstverständlich möglich, daß für die Bildung des Tropfens 21 die
einzelnen Parameter verändert werden können. Beispielsweise ist es möglich,
daß in dieser zweiten Phase 20 abermals eine Stromerhöhung durchgeführt wird
oder daß die Zeitdauer 23 verlängert wird, um eine definierte Größe des Tropfens
21 zu erreichen und gleichzeitig die Benetzungsfläche 22 am Grundkörper 2
möglichst klein zu halten.
Nach Abschluß der zweiten Phase 20 wird in der dritten Phase 24, gemäß Fig. 6,
die Umkehrung der Schweißdrahtbewegung in Richtung der Oberfläche 9 des
Grundkörpers 2 eingeleitet, wie dies am Beginn, also zum Zeitpunkt 25, der dritten
Phase 24 ersichtlich ist.
Dabei wird nunmehr die am Schweißdrahtende gebildete Kugel bzw. der Tropfen
21 auf den Grundkörper 2 aufgesetzt. Da zwischen den Schweißdraht 8 und dem
Grundkörper 2 der Lichtbogen 13 ausgebildet war bzw. ist, wurde die Oberfläche
9 des Grundkörpers 2 entsprechend der Benetzungsfläche 22 leicht
aufgeschmolzen, so daß das geschmolzene Material des Schweißdrahtes 8, also
der Tropfen 21, sich mit diesem Material, insbesondere sich mit der
Benetzungsfläche 22, des Grundkörpers 2 verschmilzt bzw. verschweißt.
Dabei ist es möglich, daß in dieser dritten Phase 24 wiederum eine Änderung der
Parameter durchgeführt werden kann, wobei hierzu beispielsweise der Strom 17
abgesenkt werden kann, so daß lediglich ein schmelzflüssiger Zustand des
Tropfens 21 und der Benetzungsfläche 22 aufrecht erhalten wird und somit kein
zusätzliches Aufschmelzen des Schweißdrahtes 8 mehr erfolgt. Das Aufsetzen
des Tropfens 21 wird vom Schweißgerät aufgrund des gebildeten Kurzschlusses,
wie zum Zeitpunkt 26 ersichtlich, erkannt, so daß eine entsprechende Steuerung
durchgeführt werden kann.
In der vierten Phase 27, gemäß Fig. 7, wird beim Berühren bzw. beim Setzen des
angeschmolzenen Schweißdrahtes 8 auf den Grundkörper 2 dieser neuerliche
Kurzschluß, gemäß Zeitpunkt 26, durch einen abermaligen Einbruch der
Spannung 14 erkannt, worauf eine abermalige Rückwärtsbewegung des
Schweißdrahtes 8 eingeleitet wird. Die Rückwärtsbewegung des Schweißdrahtes
8 wird dabei über eine voreinstellbare Zeitdauer 28, die sich in die anschließende
fünfte Phase 29 erstrecken kann, durchgeführt, wobei gleichzeitig eine weitere
Erhöhung des Stromes 17 durchgeführt werden kann, um eine entsprechende
weitere Aufschmelzung des Schweißdrahtes 8 zu erreichen. Durch diese
Stromerhöhung wird erreicht, daß mehr Material vom Schweißdraht 8
aufgeschmolzen wird, so daß eine Vergrößerung des Ankerpunktes 4 ohne
weitere Aufschmelzung der Oberfläche 9, also ohne Vergrößerung der
Benetzungsfläche 23, erzielt werden kann.
In der letzten Phase, also in der fünften Phase 29, gemäß Fig. 8, erfolgt die
Lösung des Kurzschlusses zwischen dem Schweißdraht 8, insbesondere des
Tropfens 21, und dem Grundkörper 2. Dies erfolgt derartig, daß die
Rückwärtsbewegung des Schweißdrahtes 8 weiter durchgeführt wird, so daß sich
das zähflüssige Material des Schweißtropfens vom Schweißdraht 8 löst und somit
eine Kugel auf dem Grundkörper 2 ausgebildet wird. Damit bei der Auflösung des
Kurzschlusses kein neuerlicher Lichtbogen 13 gebildet wird, wird sofort nach der
Ablösung des Tropfens 21, also nach dem Aufheben des Kurzschlusses, gemäß
Zeitpunkt 30, die Stromversorgung unterbrochen.
Dabei ist es auch möglich, daß andere Formen des Ankerpunktes 4 hergestellten
werden können. Hierzu wird nachstehend ein Ablauf beschrieben, bei dem der
Ankerpunkt 4 eine pilzähnliche Form, gemäß der Darstellung in Fig. 2, aufweist.
Der wesentliche Vorteil einer derartigen Ausbildung des Ankerpunktes 4 liegt
darin, daß durch die pilzförmige Form eine wesentliche Vergrößerung der Fläche
der Hintergreifungen 6 erzielt wird, so daß eine sehr große Schichtdicke 7
beispielsweise zwischen 1 mm und 20 mm je nach Höhe 11 bzw. Größe der
Ankerpunkte 4 gebildet werden kann. Dabei wird der Schweißprozeß zur Bildung
des pilzförmigen Ankerpunktes 4 wiederum durch einen durchgehenden
Schweißprozeß, insbesondere einen Lichtbogen-Schweißprozeß, gebildet, der
wiederum in einzelne Phasen unterteilt wurde.
Die erste Phase 31, gemäß Fig. 9, zur Bildung eines pilzähnlichen Ankerpunktes 4
aus einem endlosen Schweißdraht 8 entspricht der ersten Phase 12 zur Bildung
des kugelähnlichen Ankerpunktes 4, wie dies zuvor in Fig. 3 beschrieben wurde,
d. h., daß die Zündung des Lichtbogens 13, wie schematisch dargestellt,
durchgeführt wird.
In der zweiten Phase 32, gemäß Fig. 9, wird nunmehr ein Steg 33, wie besser aus
Fig. 2 ersichtlich, des Ankerpunktes 4 gebildet, wobei hierzu der Drahtvorschub
zur ersten Phase 31 umgekehrt wird, so daß dieser in Richtung des Grundkörpers
2 gefördert wird. Dabei wird eine Stromerhöhung durchgeführt, wodurch eine
Anschmelzung des Endes des Schweißdrahtes 8 und des Materials des
Grundkörpers 2, insbesondere die Ausbildung der Benetzungsfläche 22,
geschaffen wird, so daß bei einer Berührung, also einem weiteren Kurzschluß,
des Schweißdrahtes 8 mit dem Grundkörper 2 der Schweißdraht 8 mit dem
Grundkörper 2 verschweißt wird, d. h., daß sich das aufgeschmolzene Material des
Schweißdrahtes 8 mit dem aufgeschmolzenen Material des Grundkörpers 2
verbindet, wobei jedoch beim Auftreten des Kurzschlusses keine Abschmelzung
des Schweißdrahtes 8 durchgeführt wird, wie dies bei normalen
Schweißprozessen der Fall ist. Dadurch wird erreicht, daß nunmehr der
Schweißdraht 8 direkt mit dem Grundkörper 2 verschweißt wird und somit ein
ständiger Kurzschluß vorhanden ist.
Nach der Bildung des neuerlichen Kurzschlusses, also nach dem Verschweißen
des Schweißdrahtes 8 mit dem Grundmaterial 2, wie zum Zeitpunkt 34 ersichtlich,
wird der Schweißdraht 8 nunmehr zum Unterschied zur kugelförmigen Ausbildung
des Ankerpunktes 4, wie in den Fig. 4 bis 8 beschrieben, weiter in Richtung des
Grundkörpers 2, gefördert, wobei nach Ablauf einer voreingestellten Zeitdauer 35
eine weitere Stromerhöhung erfolgt.
Bei der dritten Phase 36, gemäß Fig. 11, wird ein Kopf 37, wie besser aus Fig. 2
ersichtlich ist, des pilzförmigen Ankerpunktes 4 gebildet. Dabei wird die Position
des Kopfes 37 durch einen Abstand 38 eines Kontaktrohres 39 des
Schweißbrenners, wie schematisch dargestellt, zur Oberfläche 9 des
Grundkörpers 2 bestimmt und somit gleichzeitig die Länge des Steges 33
festgelegt, d. h., daß aufgrund der sogenannten Stickoutlänge des Schweißdrahtes
8, also der Austrittslänge des Schweißdrahtes 8 aus dem Kontaktrohr 39 des
Schweißbrenners, die Länge des Steges 33 und die Größe des Kopfes 37 des
pilzförmigen Ankerpunktes 4 festgelegt wird. Hierzu ist es möglich, daß bei der
Förderung des Schweißdrahtes 8 in Richtung des Grundkörpers 2 der
Schweißbrenner vom Grundkörper 2 wegbewegt wird, wodurch eine wesentliche
Vergrößerung der Stickoutlänge des Schweißdrahtes 8 erreicht werden kann.
Dabei ist es auch möglich, daß der Drahtvorschub gestoppt wird, wie dies in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel zum Zeitpunkt 40 gezeigt ist. Durch die
Stromerhöhung in der zweiten Phase 32 wird der Schweißdraht 8 derart erhitzt,
daß sich im Mittel zwischen dem Kontaktrohr 39 und der Oberfläche 9 des
Grundkörpers 2, also im Mittel der Stickoutlänge des Schweißdrahtes 8, die
stärkste Wärmeentwicklung stattfindet, da die Wärmeentwicklung in den
Randbereichen des Schweißdrahtes 8 über die Angrenzenden Teile, wie dem
Grundkörper 2 und dem Kontaktrohr 39, zumindest teilweise abgeleitet werden
können, so daß in diesem Bereich, also im Mittel der Stickoutlänge, das Material
des Schweißdrahtes 8 verflüssigt wird. Dadurch wird erreicht, daß der
Schweißdraht 8 in einem definierten Bereiche, insbesondere im Mittelpunkt
zwischen dem Grundkörper 2 und dem Austritt des Schweißdrahtes 8 aus dem
Kontaktrohr 39, durchschmolzen bzw. getrennt wird und somit der Kurzschluß
aufgehoben wird.
Nach dem Durchschmelzen des Schweißdrahtes 8 wird aufgrund des
eingestellten Stromes 16 ein neuerlicher Lichtbogen 13 zwischen den beiden
Enden des Schweißdrahtes 8 gebildet, d. h., daß durch das Durchschmelzen des
Schweißdrahtes 8 der abgeschmolzenen Teil des Schweißdrahtes 8, also der
Steg 33, mit dem Grundkörper 2 verbunden ist, wogegen im Kontaktrohr 39 des
Schweißbrenners weiterhin der endlose Schweißdraht 8 angeordnet ist, so daß
der Lichtbogen 13 nunmehr nicht mehr direkt auf die Oberfläche 9 des
Grundkörpers 2 einwirkt, sondern auf den gelösten bzw. getrennten Teil des
Schweißdrahtes 8, also auf den Steg 33. Durch die Versorgung des neuerlichen
Lichtbogens 13 mit einem definierten Strom 17 und einer definierten Spannung 14
über eine definierte Zeitdauer wird erreicht, daß zwischen den beiden
Schweißdrahtenden die Kugelgröße des Kopfes 37 des pilzförmigen
Ankerpunktes 4 ausgebildet wird, da die beiden Schweißdrahtenden durch den
Lichtbogen 13 weiter aufgeschmolzen werden, wie dies schematisch dargestellt
ist.
Wurde eine entsprechende Kugelgröße auf dem abgeschmolzenen Teil des
Schweißdrahtes 8, also auf den Steg 33, erreicht, so wird die Versorgung des
Lichtbogens 13 mit Energie unterbrochen, wodurch die Bildung des pilzförmigen
Ankerpunktes 4 beendet ist.
Dabei ist es auch möglich, daß kurzzeitig der vom Schweißbrenner austretende
Schweißdraht 8, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, mit einer
entsprechenden Vorwärtsbewegung in Richtung des Grundkörpers 2 ohne
Energieversorgung mit dem bereits am Grundkörper 2 verschweißten Teil des
Schweißdrahtes 8, also dem Steg 33, in Kontakt gebracht wird, so daß jenes
flüssige Material des aus dem Schweißbrenner austretenden Schweißdrahtes 8
auf das angeschweißte Drahtstück übertragen wird, wie dies ab einem Zeitpunkt
41 ersichtlich ist. Hierzu wird jedoch nach der Berührung, also bei einem weiteren
Kurzschluß, dieser wiederum in entgegen gesetzter Richtung vom Grundkörper 2
bewegt, so daß ein einfaches Abziehen des schmelzflüssigen Materials des vom
Schweißbrenner austretenden Schweißdrahtes 8 erreicht wird. Damit der
Kurzschluß bzw. die Berührung erkannt werden kann, wird der Schweißdraht 8 mit
einer entsprechenden Spannung 14, wie bereits in der ersten Phase 12 oder 31
beschreiben, versorgt, wobei der Stromanstieg bei Auftreten des Kurzschlusses
bzw. bei der Berührung unterbunden wird bzw. auf einen geringen Wert
beschränkt wird, so daß eine abermalige Zündung des Lichtbogens 13 verhindert
wird.
Durch dieses Übertragen des angeschmolzenen Materials, insbesondere des
Tropfens vom Schweißdraht 8 auf den Ankerpunkt 4, wird erreicht, daß eine
Vergrößerung des Kopfes 37 des Ankerpunktes 4 erzielt wird und gleichzeitig der
Schweißdraht 8 ohne Nachbehandlung für die Bildung des nächsten pilzförmigen
Ankerpunktes 4 verwendet werden kann, da eine sogenannte Reinigung des
Schweißdrahtendes von überschüssigen Materialien durchgeführt wurde.
Durch ein derartiges Vorgehen wird auch erreicht, daß mehr Material in der selben
Zeitdauer für die Erzeugung des Kopfes 37 eingesetzt wird, so daß eine größere
Ausbildung des Kopfes 37 erzielt wird und somit noch größere Hintergreifungen 6
ausgebildet werden können.
Wie nun aus den einzelnen Abläufen zur Bildung eines kugelähnlichen oder
pilzähnlichen Ankerpunktes 4 ersichtlich ist, wird der Ankerpunkt 4 durch einen
einzigen zusammenhängenden Lichtbogen-Schweißprozeß aus einem
handelsüblichen Schweißdraht 8 gebildet, wobei lediglich eine definierte
Steuerung und/oder Regelung der Schweißparameter und des Drahtantriebes
durchgeführt wird.
Grundsätzlich ist zu den beschriebenen Abläufen zu erwähnen, daß die
Einstellungen der einzelnen Schweißparameter, insbesondere dessen Werte bzw.
Höhe für den Strom 17, der Spannung 14, der Geschwindigkeit 15 des
Drahtvorschubes und der weiteren nicht erwähnten Schweißparameter, von den
verwendeten bzw. eingesetzten Materialien abhängig ist, so daß eine eindeutige
Definition dieser Schweißparameter nicht vorgenommen wird. Im wesentlichen
werden die einzelnen Schweißparameter durch Schweißversuch festgelegt und
gespeichert, so daß durch einen einfachen Aufruf ein entsprechendes
Schweißprogramm mit den Einstellungen, die jedoch noch verändert und
angepaßt werden können, durchgeführt werden kann.
Selbstverständlich ist es möglich, daß einzelne Phasen der zuvor beschriebenen
Abläufe auch durch andere Schweißverfahren realisiert werden können. Hierzu
wird beispielsweise nachstehend ein Ablauf beschrieben, bei dem die erste Phase
31 durch einen Widerstandsschweißprozeß gebildet wird, um einen pilzähnlichen
Ankerpunkt 4 zu bilden.
Hierzu ist der Schweißbrenner derartig ausgebildet, daß dieser ein variables
Kontaktrohr 39 aufweist, d. h., daß das Kontaktrohr 39 am Beginn des
Schweißprozesses im Endbereich des Schweißdrahtes 8, also am
Schweißdrahtende, angeordnet ist, worauf diese zum Erreichen einer definierten
Stickoutlänge des Schweißdrahtes 8 zurückgezogen werden. Der Ablauf zur
Bildung des pilzförmigen Ankerpunktes 4 durch den Widerstandsschweißprozeß
unterscheidet sich gegenüber den Ablauf, wie er in den Fig. 9 bis 11 beschrieben
ist, nur darin, daß anstelle der Drahtbewegung für das Anschweißen des
Schweißdrahtes 8 am Grundkörper 2 nunmehr eine entsprechende Bewegung
des Kontaktrohres 39 mit dem Schweißdraht 8 durchgeführt wird, so daß ein
Widerstandsschweißprozeß zur Befestigung des Schweißdrahtes 8 am
Grundkörper 2 gebildet wird.
Das Abschmelzen des Schweißdrahtes 8 zur Bildung des Steges 33 und des
Kopfes 37 wird, wie bereits zuvor in der zweiten und dritten Phase 32 und 36
beschrieben wurde, identisch durchgeführt, so daß auf diese Abläufe nicht mehr
näher eingegangen wird.
Weiterhin ist es beispielsweise möglich, daß für die Bildung eines Ankerpunktes 4
der Schweißbrenner über ein Distanzelement einfach auf die Oberfläche 9 des
Grundkörpers 2 aufgesetzt wird, so daß anschließend durch Start des
Schweißprozesses ein vollautomatischer Ablauf zur Bildung des Ankerpunktes 4
durchgeführt wird, wobei hierzu der Benutzer lediglich den Schweißbrenner oder
eine Schweißpistole über eine vorgegebene Zeitdauer, welche beispielsweise
über ein Signallicht oder einen Warnton signalisiert wird, in der entsprechenden
Position halten muß. Selbstverständlich ist es möglich, daß die Erzeugung
großflächiger Haftschichten 3 aus lauter einzelnen Ankerpunkten 4 mit einem
Roboter, insbesondere eine Schweißroboter, durchgeführt werden kann, wodurch
eine gezielte Positionierung der einzelnen Ankerpunkte 4 ermöglicht wird.
Ein wesentlicher Vorteil liegt bei diesen Verfahren vor allem darin, daß bei
beschädigten Verbundaufbauten 1 eine einfache Reparatur durchgeführt werden
kann, da der Verbundaufbau 1, insbesondere die Gas- oder Dampfturbine, nicht
mehr abgebaut und zur Reparatur versendet werden muß, sondern eine direkte
Reparatur vor Ort vorgenommen werden kann, da die Bildung der Ankerpunkte 4
sowie die nachträgliche Neubeschichtung mit dem nichtmetallischen Material 5
überall möglich ist, da keine besonderen Geräte oder Vorrichtungen mehr benötigt
werden. Für eine derartige Reparatur Vorort ist es lediglich notwendig, daß ein
entsprechendes Schweißgerät mit einem Schweißbrenner vorhanden ist, da durch
den programmierten Verfahrensablauf jeder Benutzer einen entsprechenden
Ankerpunkt 4 bilden kann und somit erhebliche Kosteneinsparungen, wie der
Transportkosten, der Stillstandskosten usw. eingespart werden können.
Hierzu ist zu erwähnen, daß bei diesem Verfahren der Schweißprozeß eine
definierte Länge aufweist, in der sämtliche Steuerabläufe durchgeführt werden
und zur Bildung eines neuerlichen Ankerpunktes 4 dieser Schweißprozeß lediglich
wiederholt wird. Damit ist auch eine Reproduzierung des Schweißprozesses
jederzeit ohne besondere Vorkenntnisse möglich.
Weiterhin ist es möglich, daß mit einer entsprechenden Vorrichtung gleichzeitig
mehrere Ankerpunkte 4 auf der Oberfläche 9 des Grundkörpers 2 hergestellt
werden können, so daß eine erhebliche Zeiteinsparung bei großflächigen
Anordnungen der Ankerpunkte 4 erzielt werden kann.
Selbstverständlich ist es auch möglich, daß ein Verbundaufbau 1 mit anderen
Formen von Ankerpunkten 4 aufgebaut werden kann. Hierzu ist es lediglich
erforderlich, daß entsprechende Schweißprogramme für diese Ankerpunkte 4
geschaffen werden, so daß eine automatische Herstellung der Ankerpunkte 4
durchgeführt werden kann. Beispielsweise ist es möglich, daß mehrere
kugelähnliche Ankerpunkte 4 mit unterschiedlichen Durchmessern 10
übereinander angeordnet werden, so daß sich eine baumähnliche Struktur mit
entsprechenden Hintergreifungen 6 ergibt.
Wesentlich ist bei dem erfindungsgemäßen Verbundaufbau bzw. dem
Herstellungsverfahren, daß die Haftschicht 3, insbesondere die Ankerpunkte 4,
durch einen Schweißprozeß hergestellt werden, wobei die Form der Ankerpunkte
4 beliebig ist.
Weiterhin ist es möglich, daß zusätzlich zu dem Lichtbogen-Schweißprozeß ein
Laser-Schweißprozeß integriert wird, also ein sogenannter Laser-Hybrid
Schweißprozeß durchgeführt wird. Damit wird erreicht, daß über den Laserstrahl
eine definierte Erwärmung bzw. Aufschmelzung des Grundkörpers 2 durchgeführt
werden kann, wodurch eine exakte Positionierung des Lichtbogens 13 stattfindet
und somit eine noch bessere Positionierung des Ankerpunktes erzielt wird. Hierzu
wird der Laserstrahl derart ausgerichtet, daß die Erwärmung bzw. Aufschmelzung
des Grundkörpers 2 direkt in der Achse des Schweißdrahtes 8 stattfindet.
Es ist auch möglich, daß bei einem derartigen Laser-Hybrid Schweißverfahren die
Aufschmelzung des Grundkörpers 2 nur vom Laser, insbesondere von der
Laserstrahlung, durchgeführt wird, und die Tropfenbildung am Schweißdraht 8
über einen indirekten Lichtbogen 13, also einem Lichtbogen 13 der nicht auf den
Grundkörper 2 einwirkt, erfolgt. Hierzu weist der Schweißbrenner bevorzugt
mehrere Elektroden auf, so daß ein Lichtbogen 13 bevorzugt abwechselnd
zwischen dem Schweißdraht 8 und den einzelnen Elektroden im Schweißbrenner
gezündet wird, wobei der gebildete Tropfen 21 am Schweißdraht 8 anschließend
auf das vom Laser aufgeschmolzene Material positioniert wird.
Abschließend sei darauf hingewiesen, daß in den zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispielen einzelne Zustände bzw. Darstellungen unproportional
dargestellt wurden, um das Verständnis der erfindungsgemäßen Lösung zu
verbessern. Des weiteren können auch einzelne Zustände bzw. Darstellungen der
zuvor beschriebenen Merkmalskombinationen der einzelnen
Ausführungsbeispiele in Verbindung mit anderen Einzelmerkmalen aus anderen
Ausführungsbeispielen eigenständige erfindungsgemäße Lösungen bilden.
Bezugszeichen
1
Verbundaufbau
2
Grundkörper
3
Haftschicht
4
Ankerpunkt
5
Nichtmetallisches Material
6
Hintergreifung
7
Schichtdicke
8
Schweißdraht
9
Oberfläche
10
Durchmesser
11
Höhe
12
Erste Phase
13
Lichtbogen
14
Spannung
15
Geschwindigkeit
16
Zeitpunkt
17
Strom
18
Zeitdauer
19
Zeitpunkt
20
Zweiten Phase
21
Tropfen
22
Benetzungsfläche
23
Zeitdauer
24
Dritte Phase
25
Zeitpunkt
26
Zeitpunkt
27
Vierte Phase
28
Zeitdauer
29
Fünfte Phase
30
Zeitpunkt
31
Erste Phase
32
Zweite Phase
33
Steg
34
Zeitpunkt
35
Zeitdauer
36
Dritte Phase
37
Kopf
38
Abstand
39
Kontaktrohr
40
Zeitpunkt
41
Zeitpunkt