DE102005019356A1

DE102005019356A1 - Verfahren zum Fügen von Bauteilen

Info

Publication number: DE102005019356A1
Application number: DE102005019356A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Bamberg; Wilhelm Satzger
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2006-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen, insbesondere zum Fügen einer Laufschaufel an einen Rotorgrundkörper bei der Herstellung und/oder Reparatur eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen von zwei miteinander zu verbindenden bzw. aneinander zu fügenden Bauteilen (11, 12); b) Bereitstellen eines Fügeteils (13); c) Ausrichten der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile (11, 12) und des Fügeteils (13), derart, dass das Fügeteil (13) als Einsatz zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Bauteilen (11, 12) angeordnet ist; d) Verbinden der beiden Bauteile (11, 12) unter Zwischenanordnung des Fügeteils (13), dadurch, dass das Fügeteil (13) gegenüber den beiden miteinander zu verbindenden, stillstehenden Bauteilen (11, 12) bewegt wird und dass insbesondere über beide stillstehenden Bauteile (11, 12) eine Stauchkraft auf die Fügezonen (17, 18) zwischen den beiden stillstehenden Bauteilen (11, 12) und dem Fügeteil (13) ausgeübt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen, insbesondere zum Fügen einer Laufschaufel an einen Rotorgrundkörper bei der Herstellung oder Reparatur eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors.
Bei der Fertigung von Gasturbinen ist das Reibschweißen ein weitverbreitetes Fügeverfahren. Das Reibschweißen gehört zu den sogenannten Pressschweißverfahren, wobei man beim Reibschweißen unter anderem zwischen dem sogenannten linearen Reibschweißen, dem sogenannten Rotationsreibschweißen und dem sogenannten Rührreibschweißen unterscheidet. Beim Reibschweißen werden Bauteile durch Reibung aneinander gefügt bzw. miteinander verbunden. Beim linearen Reibschweißen wird ein Bauteil translatorisch hin- und herbewegt, wohingegen das andere Bauteil stillsteht und mit einer bestimmten Kraft gegen das bewegte Bauteil gedrückt wird. Hierbei passen sich Fügeflächen der miteinander zu verbindenden Bauteile durch Warmverschmieden aneinander an.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise zum Verbinden bzw. Fügen von Bauteilen über lineares Reibschweißen werden zwei miteinander zu verbindende Bauteile direkt aneinander gerieben, wobei ein Bauteil translatorisch hin- und herbewegt wird und vorzugsweise über das andere Bauteil ein definierter Stauchdruck auf die Fügefläche zwischen den beiden Bauteilen ausgeübt wird. Werden die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile direkt aneinander gerieben, so komplexe Klemmvorrichtungen insbesondere am bewegten Bauteile erforderlich. Es kann zu Verformungen an den miteinander zu verbindenden Bauteilen kommen. Des weiteren entstehen bei der Reibbewegung der miteinander zu verbindenden Bauteile freie Fügeflächen im Bereich der Fügezone, die einer möglichen Kontaminierung, zum Beispiel mit Sauerstoff, aufgesetzt sind. Hierdurch kann die Qualität der Fügeverbindung beeinträchtigt werden. Weiterhin muss bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise des linearen Reibschweißens am Ende des Schweißvorgangs das linear hin- und herbewegte Bauteil in seiner Amplitude auf Null gefahren werden, und zwar in exakter Ausrichtung zum feststehenden Bauteil. Dabei einzuhaltende Genauigkeiten liegen in der Größenordnung von 0,1 mm. Diese Genauigkeit kann bei den vorhandenen Massen und Kräften nur sehr schwierig bzw. mit großem Aufwand eingehalten werden.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Fügen von Bauteilen zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen von zwei miteinander zu verbindenden bzw. aneinander zu fügenden Bauteilen; b) Bereitstellen eines Fügeteils; c) Ausrichten der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile und des Fügeteils, derart, dass das Fügeteil als Einsatz zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Bauteilen angeordnet ist; d) Verbinden der beiden Bauteile unter Zwischenanordnung des Fügeteils, dadurch, dass das Fügeteil gegenüber den beiden miteinander zu verbindenden, stillstehenden Bauteilen bewegt wird, und dass insbesondere über beide stillstehenden Bauteile eine Stauchkraft auf die Fügezonen zwischen den beiden stillstehenden Bauteilen und dem Fügeteil ausgeübt wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Fügen von Bauteilen werden die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile nicht direkt aneinander gerieben, sondern vielmehr unter Zwischenschaltung eines als Einsatz dienenden Fügeteils. Die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile stehen still, das Fügeteil wird relativ zu den beiden miteinander zu verbindenden Bauteilen bewegt. Über die beiden stillstehenden Bauteile wird ein Stauchdruck auf die Fügeflächen zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen und dem Fügeteil bereitgestellt bzw. ausgeübt. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können die beiden Teilschritte des "Reibens" und des "Stauchens" separiert bzw. entkoppelt werden, wodurch mit geringeren Klemmkräften an den Bauteilen gearbeitet werden kann. Hierdurch wird die Gefahr unerwünschter Bauteilverformungen beim insbesondere linearen Reibschweißen reduziert. Weiterhin können die einzuhaltenden Genauigkeiten in der Schweißverbindung einfach realisiert werden, da das Fügeteil am Ende des Schweißprozesses einfach stehen bleiben kann, ohne dass eine genaue Positionierung des Fügeteils eingehalten werden muss.

Das Fügeteil ist vorzugsweise derart bemessen, dass bei Bewegung desselben im Bereich der stillstehenden Bauteile keine freien Fügeflächen entstehen. Hierdurch wird die Gefahr von Kontaminierungen durch zum Beispiel Sauerstoff im Bereich der Fügezonen minimiert.

Aufgrund des Aufmaßes im Bereich des Fügeteils kann das erfindungsgemäße Reibschweißen nunmehr auch für Reparaturarbeiten eingesetzt werden. Insbesondere eignet sich das Verfahren zur Reparatur von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren durch Austausch einer beschädigten Laufschaufel gegen eine neue Laufschaufeln.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine perspektivische Seitenansicht von zwei im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens miteinander zu verbindenden Bauteilen, nämlich einer an einen Rotorgrundkörper zu fügenden Laufschaufel;

2 eine schematisierte Seitenansicht der Anordnung gemäß 1.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf 1 und 2 in größerem Detail beschrieben.
1 und 2 verdeutlichen das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen von Bauteilen bei der Herstellung bzw. Reparatur eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors, wobei gemäß 1 und 2 an einen Höcker 10 eines Rotorgrundkörpers 11 ein Schaufelblatt 12 zu fügen ist.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird neben den beiden miteinander zu verbindenden Bauteilen, nämlich neben dem Rotorgrundkörper 11 sowie dem Schaufelblatt 12, ein Fügeteil 13 bereitgestellt. Zum Fügen des Schaufelblatts 12 an den Höcker 10 des Rotorgrundkörpers 11 werden Schaufelblatt 12, Rotorgrundkörper 11 sowie Fügeteil 13 derart zueinander ausgerichtet, dass das Fügeteil 13 zwischen dem Höcker 10 und dem Schaufelblatt 12 angeordnet bzw. positioniert ist.
Zum Verbinden von Schaufelblatt 12 und Rotorgrundkörper 11 wird nun das Fügeteil 13 im Sinne des Doppelpfeils 14 gegenüber dem Rotorgrundkörper 11 sowie dem Schaufelblatt 12 translatorisch bzw. linear hin- und herbewegt, wobei sowohl der Rotorgrundkörper 11 als auch das Schaufelblatt 12 stillstehen. Weiterhin wird im Sinne der Pfeile 15 sowie 16 über beide stillstehenden Bauteile, nämlich über den stillstehenden Rotorgrundkörper 11 sowie das ebenfalls stillstehende Schaufelblatt 12, eine Stauchkraft und damit ein Stauchdruck auf die beiden Fügezonen 17 und 18 zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Bauteilen 11 und 12 sowie dem Fügeteil 13 aufgebracht.
Hierbei erfolgt ein Warmverschmieden im Bereich der Fügezonen 17 und 18. Sich im Bereich der Fügezonen 17 und 18 ausbildende Schweißwulste 19 (sogenannter flash) sind in 2 stark schematisiert dargestellt. Die Fügezone 17 ist dabei zwischen dem Schau felblatt 12 und dem Fügeteil 13 ausgebildet. Die Fügezone 18 befindet zwischen dem Fügeteil 13 und dem Höcker 10 des Rotorgrundkörpers 11.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden demnach die miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12, im gezeigten Ausführungsbeispiel der Rotorgrundkörper 11 sowie das Schaufelblatt 12, nicht unmittelbar aneinander gerieben, sondern vielmehr unter Zwischenschaltung des Fügeteils 13. Beide miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 stehen demnach beim linearen Reibschweißen still. Lediglich das Fügeteil 13 wird im Sinne einer bzw. translatorischen Bewegung relativ zu den beiden stillstehenden Bauteilen 11 und 12 hin- und herbewegt. Hierdurch kann im Bereich der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12, nämlich im Bereich des Rotorgrundkörpers 11 sowie des Schaufelblatts 12 mit geringeren Klemmkräften gearbeitet werden. Eine unerwünschte Verformung und ein unerwünschter Versatz von Schaufelblatt 12 sowie Rotorgrundkörper 11 können so vermieden werden.
Das bereitgestellte Fügeteil 13 verfügt vorzugsweise über ein Aufmaß, und zwar derart, dass das Fügeteil 13 beim Bewegen desselben gegenüber den beiden miteinander zu verbindenden, stillstehenden Bauteilen 11 und 12 allseitig vorsteht. Beim Bewegen des Fügteils 13 relativ zu den beiden miteinander zu verbindenden, stillstehenden Bauteilen 11 und 12 werden demnach freie Fügeflächen im Bereich der stillstehenden Bauteile 11 und 12 vermieden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass sowohl im Bereich des Schaufelblatts 12 als auch im Bereich des Höckers 10 des Rotorgrundkörpers 11 beim linearen bzw. translatorischen Reibschweißen keine freien Fügeflächen entstehen, die einer Kontaminierungsgefahr mit zum Beispiel Sauerstoff ausgesetzt sind. Hierdurch wird die Qualität der Schweißverbindung verbessert.
Das Fügeteil 13 wird vorzugsweise mit einer Frequenz in der Größenordnung zwischen 10 Hz und 30 Hz, insbesondere mit einer Frequenz von in etwa 20 Hz, gegenüber den beiden stillstehenden Bauteilen 11 und 12 hin- und herbewegt. Der Hub des Fügeteils 13 liegt dabei in einer Größenordnung zwischen 0,1 mm und 3 mm, insbesondere bei in etwa 2 mm. Die zum Schweißen über die stillstehenden Bauteile aufgebrachte Stauchkraft liegt bei maximal 50.000 N.
Beim erfindungsgemäßen linearen bzw. translatorischen Reibschweißen werden vorzugsweise das Fügeteil 13 oder die Fügezonen 17, 18 vor und/oder während der Reibbewegung des Fügeteils 13 zusätzlich erwärmt bzw. erhitzt. Dies kann durch Wärmestrah lung oder induktives Erhitzen erfolgen. Hierdurch es ist möglich, die zum Verschweißen erforderliche Prozesstemperatur leichter zu erzielen.
Es hat sich gezeigt, dass eine gezielte Erwärmung bzw. Erhitzung der Fügezonen 17, 18 in der Weise möglich ist, dass vor und/oder während der Reibbewegung des Fügeteils 13 elektrischer Strom durch die Fügezonen geleitet wird. Da der Kontaktwiderstand der Fügezonen höher ist, als der elektrische Widerstand des Bauteilwerkstoffs, werden gerade die Kontaktflächen massiv erwärmt und somit genau die Stellen, die gefügt werden sollen.
Die Wärmeeinflusszonen sind dabei sehr dünn, wodurch sich besonders schwingfeste Verbindungen ergeben. Es kann vorteilhaft sein, den elektrischen Strom über das Fügeteil 13 zu- bzw. abzuführen. Es ist auch möglich, den Strom über eines der Bauteile 11, 12 zu- und über das jeweils andere Bauteil abzuführen.
Wie bereits erwähnt, verfügt das Fügeteil 13 gegenüber den miteinander zu verbindenden Bauteilen über ein Aufmaß. Nach Durchführen des Reibschweißens erfolgt dann im Bereich des Fügeteils 13 eine Nachbearbeitung durch Materialabtrag, um die gewünschte Endkontur herzustellen.
Das Fügeteil 13 kann mit Sensoren, z.B. Thermosensoren, ausgerüstet werden, um so den Schweißvorgang zu überwachen und abhängig hiervon zu regeln.
In 1 und 2 wird das Fügeteil 13 im Sinne des Doppelpfeils 14 gegenüber dem Rotorgrundkörper 11 sowie dem Schaufelblatt 12 in einer Richtung translatorisch bzw. linear hin- und herbewegt, die in etwa senkrecht zur radialen Erstreckung des Rotorgrundkörpers 11 sowie des Schaufelblatts 12 verläuft. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Richtung auch schräg zur radialen Erstreckung des Rotorgrundkörpers 11 sowie des Schaufelblatts 12 verlaufen kann. Dies kann aus Festigkeits- oder Fertigungsgründen bevorzugt sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl zur Herstellung als auch zur Reparatur von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren. In dem Fall, in dem der Rotorgrundkörper sowie das Schaufelblatt aus einer Titanbasislegierung hergestellt sind, wird ein Fügeteil verwendet, welches ebenfalls aus einer Titanbasislegierung besteht.

10: Höcker
11: Rotorgrundkörper
12: Schaufelblatt
13: Fügeteil
14: Doppelpfeil
15: Pfeil
16: Pfeil
17: Fügezone
18: Fügezone
19: Schweißwulst

Claims

Verfahren zum Fügen von Bauteilen, insbesondere zum Fügen einer Laufschaufel an einen Rotorgrundkörper bei der Herstellung und/oder Reparatur eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen von zwei miteinander zu verbindenden bzw. aneinander zu fügenden Bauteilen (11, 12); b) Bereitstellen eines Fügeteils (13); c) Ausrichten der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile (11, 12) und des Fügeteils (13), derart, dass das Fügeteil (13) als Einsatz zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Bauteilen (11, 12) angeordnet ist; d) Verbinden der beiden Bauteile (11, 12) unter Zwischenanordnung des Fügeteils (13), dadurch, dass das Fügeteil (13) gegenüber den beiden miteinander zu verbindenden, stillstehenden Bauteilen (11, 12) bewegt wird, und dass insbesondere über beide stillstehenden Bauteile (11, 12) eine Stauchkraft auf die Fügezonen (17, 18) zwischen den beiden stillstehenden Bauteilen (11, 13) und dem Fügeteil (13) ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeteil (13) derart bemessen wird, dass das Fügeteil (13) beim Bewegen desselben gegenüber den beiden miteinander zu verbindenden, stillstehenden Bauteilen (11, 12) allseitig vorsteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeteil (13) derart bemessen wird, dass beim Bewegen desselben im Bereich der stillstehenden Bauteile (11, 12) keine freien Fügeflächen entstehen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeteil (13) mit einer Frequenz von 10 Hz bis 30 Hz, insbesondere mit einer Frequenz von in etwa 20 Hz, gegenüber den beiden stillstehenden Bauteilen (11, 12) hin- und herbewegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeteil (13) mit einem Hub von 0,1 mm bis 3 mm, insbesondere mit ei nem Hub von in etwa 2 mm, gegenüber den beiden stillstehenden Bauteilen (11, 12) hin- und herbewegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung und/oder Reparatur eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors als miteinander zu verbindende Bauteile ein Schaufelblatt (12) und ein Rotorgrundkörper (11) aus jeweils einer Titanbasislegierung bereitgestellt werden, die über ein Fügeteil (13) aus einer Titanbasislegierung miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeteil (13) oder die Fügezonen (17, 18) vor und/oder während der Reibbewegung des Fügeteils (13) zusätzlich erwärmt bzw. erhitzt werden, beispielsweise durch Wärmestrahlung oder induktives Erhitzen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während der Reibbewegung des Fügeteils (13) ein elektrischer Strom durch die Fügezonen (17, 18) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom über das Fügeteil (13) zu – bzw. abgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeteil (13) gegenüber dem Rotorgrundkörper (11) sowie dem Schaufelblatt (12) in einer Richtung translatorisch bzw. linear hin- und herbewegt wird, die in etwa senkrecht zur radialen Erstreckung des Rotorgrundkörpers (11) sowie des Schaufelblatts (12) verläuft.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeteil (13) gegenüber dem Rotorgrundkörper (11) sowie dem Schaufelblatt (12) in einer Richtung translatorisch bzw. linear hin- und herbewegt wird, die schräg zur radialen Erstreckung des Rotorgrundkörpers (11) sowie des Schaufelblatts (12) verläuft.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißvorgang über dem Fügeteil (13) zugeordnete Sensoren überwacht und abhängig hiervon geregelt wird.