DE102007023151A1

DE102007023151A1 - Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen

Info

Publication number: DE102007023151A1
Application number: DE102007023151A
Authority: DE
Inventors: Bernd Kriegl; Reinhold Meier; Chris Dr. Palm Harbor Nenov
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-11-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen (12, 14) mit mindestens einem Hohlraum (16), insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen (20, 22) der Bauelemente (12, 14) mittels eines induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißens erfolgt. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren folgende Schritte: a) Ausbilden einer Anschrägung an mindestens einer der Verbindungsflächen (20, 22) in Richtung der Außenfläche des jeweiligen Bauelements (12, 14) und b) Fügen der Bauelemente (12, 14) mittels des induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißens. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mittels des Verfahrens hergestelltes Bauteil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen mit mindestens einem Hohlraum, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen der Bauelemente mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mittels des Verfahrens hergestelltes Bauteil.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen mittels induktivem Hochfrequenzpressschweißens bekannt. So beschreibt zum Beispiel die DE 198 58 702 A1 ein Verfahren zum Verbinden von Schaufelteilen einer Gasturbine, wobei ein Schaufelblattabschnitt und wenigstens ein weiteres Schaufelteil bereitgestellt werden. Dabei werden entsprechende Verbindungsflächen dieser Elemente im Wesentlichen fluchtend beabstandet zueinander positioniert und anschließend durch Erregen eines Induktors mit hochfrequentem Strom und durch Zusammenfahren unter Berührung ihrer Verbindungsflächen miteinander verschweißt. Dabei wird der Induktor mit einer konstanten Frequenz, die im Allgemeinen über 0,75 MHz liegt, erregt. Die Frequenz wird zudem in Abhängigkeit von der Geometrie der Verbindungsflächen gewählt. Bei dem induktiven Hochfrequenzpressschweißen ist die Erwärmung der beiden Schweißpartner für die Qualität der Fügestelle von entscheidender Bedeutung. Nachteilig an den bekannten Verfahren ist jedoch, dass insbesondere bei einem Fügen von Bauteilen mit Hohlräumen, wie zum Beispiel Turbinenschaufeln mit komplexen Innenstrukturen und Kühlkanälen es immer wieder zum einem Eindringen der Schmelze in die Hohlräume, zum Beispiel in die Innenräume von Hohlschaufeln kommt. Dies kann bei Hohlschaufeln die Kühlluftführung beziehungsweise die Bauteiltemperatur nachteilig beeinflussen. Zudem ergibt sich durch das Eindringen der Schmelze die Notwendigkeit einer nachträglichen Bearbeitung der Innenwände und Stege der Bauteile, zum Beispiel durch ein mechanisches Entfernen überstehender Schweißwülste, sofern dies überhaupt möglich ist. Eine derartige nachträgliche Bearbeitung verursacht hohe Kosten und soll vermieden werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen und Füllkörper oder eine Füllmasse zur Verwendung in dem Verfahren bereitzustellen, bei dem einerseits eine sichere und dauerhafte Verbindung von Bauelementen und andererseits zuverlässig verhindert wird, dass Schmelze in Hohlräume der Bauelemente eindringt.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Bauteil einer Gasturbine, bereitzustellen, bei dem eine sichere und dauerhafte Verbindung zwischen den einzelnen Bauelementen sowie minimale Nacharbeitzeiten bei dessen Herstellung gewährleistet sind.
Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Bauteil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen, insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, verwendet zum Verbinden entsprechender Verbindungsflächen der Bauelemente ein induktives Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißen. Dabei weist mindestens eines der metallischen Bauelemente einen Hohlraum auf. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: a) Ausbilden einer Anschrägung an mindestens einer der Verbindungsflächen in Richtung der Außenfläche des jeweiligen Bauelements und b) Fügen der Bauelemente mittels des induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißens. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist einerseits eine sichere und dauerhafte Verbindung zwischen den einzelnen Bauelementen gewährleistet. So erreicht die erfindungsgemäße Fügetechnik die geforderten Festigkeitswerte für zum Beispiel Turbinenschaufeln. Durch die Anschrägung der mindestens einen Verbindungsfläche wird der beim Verbinden beziehungsweise Fügen der Bauelemente zueinander erzeugte Schmelzwulst nach außen gedrückt, wo er ohne weiteres entfernt werden kann. Erfindungsgemäß ergibt sich durch die Anschrägung eine gezielte Führung der beim Fügen entstehenden Schmelze nach außen. Ein Eindringen dieser Schmelze in die Hohlräume wird zuverlässig verhindert. Dadurch entfällt vorteilhafterweise eine nachträgliche Bearbeitung der Innenwände und Stege der Hohlräume der zu verbindenden Bauelemente.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt vor oder nach dem Verfahrensschritt a) ein Einfügen oder Einfüllen von mindestens einem vorgeformten Füllkörper oder mindestens einer Füllmasse in den mindestens einen Hohlraum von mindestens einem der Bauelemente, wobei das Material des Füllkörpers oder der Füllmasse zumindest für den Zeitraum des Fügens der Bauelemente gemäß Verfahrensschritt b) gegenüber den auftretenden Fügetemperaturen form- und/oder temperaturstabil ist. Zudem erfolgt nach dem Verfahrensschritt b) in einem weiteren Verfahrensschritt c) ein Entfernen des Füllkörpers oder der Füllmasse. Durch den Füllkörper oder die Füllmasse wird zusätzlich verhindert, dass Schmelze in den Hohlraum des oder der Bauelemente eindringt. Dadurch entfällt vorteilhafterweise eine nachträgliche Bearbeitung der Innenwände und Stege der Hohlräume der zu verbindenden Bauelemente.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Einfügen oder Einfüllen des Füllkörpers oder der Füllmasse in einen Hohlraum eines der Bauelemente oder in jeweils korrespondierende Hohlräume des ersten und zweiten Bauelements, wobei der oder die Füllkörper und die Füllmasse(n) jeweils mit den Verbindungsflächen der Bauelemente bündig abschließen oder ausgebildet sind. Dadurch wird zuverlässig verhindert, dass Schmelze in die Hohlräume eindringt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Einfügen oder Einfüllen des Füllkörpers oder der Füllmasse in einen der korrespondierenden Hohlräume des ersten und zweiten Bauelements, wobei der Füllkörper oder die Füllmasse über die Verbindungsfläche des ersten oder zweiten Bauelements hinausragt, derart, dass der Füllkörper oder die Füllmasse den korrespondierenden, nicht ausgefüllten Hohlraum aufnehmen kann. Dadurch ist erfindungsgemäß eine verbesserte Führung und Positionierung der Bauelemente zueinander gewährleistet.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Entfernen des Füllkörpers oder der Füllmasse gemäß Verfahrensschritt c) mechanisch, durch Ultraschall oder chemisch. Die Methoden der Entfernung des Füllkörpers oder der Füllmasse richten sich dabei nach dem für den Füllkörper oder die Füllmasse verwendeten Material. Diese können aus Keramik, Glas, Metall, einer Metall-Legierung oder Kunststoff, insbesondere Polystyrol bestehen. So können zum Beispiel bei Verwendung von Polystyrol Lösungsmittel verwendet werden, die das Polystyrol nach dem Verbinden der Bauelemente auflösen und aus den Hohlräumen des Bauteils entfernen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das erste Bauelement eine Turbinenschaufel und das zweite Bauelement eine Turbinenschaufelspitze. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, dass das Verfahren nicht nur zur Herstellung von Neuteilen, sondern auch zur Ausbesserung von zum Beispiel Turbinenschaufelspitzen verwendet wird.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil einer Gasturbine besteht aus mindestens einem ersten und einem zweiten Bauelement, wobei das Bauteil nach einem im Vorhergehenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Insbesondere können das erste und zweite Bauelement Teile von statischen oder rotierenden Hohlkörpern einer Gasturbine sein. Dabei kann das erste Bauelement beispielsweise eine Turbinenschaufel und das zweite Bauelement eine Turbinenschaufelspitze sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt die Figur unter anderem einen schematisch dargestellten Schnitt durch ein erfindungsgemäß verbundenes und hergestelltes Bauteil 10.
Das Bauteil 10 besteht dabei aus einem ersten Bauelement 12 und einem zweiten Bauelement 14, die mittels eines induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißens miteinander verschweißt worden sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 10 eine mit Hohlräumen 16 versehene Turbinenschaufel. Die Hohlräume 16 dienen dabei zum Beispiel zur Kühlung der Turbinenschaufel. Man erkennt, dass in mindestens einem der Hohlräume 16 ein Füllkörper 18 eingefügt worden ist. Dabei kann es sich um vorgefertigte Füllkörper 18 handeln, die zum Beispiel einer standardisierten Ersatzteilgröße der zu verbindenden Bauelemente 12, 14 entspricht. Durch derart standardisierte Füllkörper 18 und standardisierte Ersatzteilgrößen ergibt sich eine deutliche Erhöhung der Herstellungs- oder Reparaturrate. Der Füllkörper 18 besteht aus einem Material, das zumindest für den Zeitraum des Fügens der Bauelemente 12, 14 gegenüber den auftretenden Fügetemperaturen form- und/oder temperaturstabil ist. Der Füllkörper 18 kann dabei aus Keramik, Glas, Metall, einer Metall-Legierung oder Kunststoff, insbesondere Polystyrol bestehen.
Des Weiteren erkennt man, dass die beiden Bauelemente 12, 14 an den zu verbindenden Abschnitten Verbindungsflächen 20, 22 aufweisen. Im Bereich der Verbindungsflächen 20, 22 sind Spulen 24 eines Induktors (nicht dargestellt) angeordnet. Beim Fügen der Bauelemente 12, 14 mittels des induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißens wird eine Fügestelle 26 ausgebildet, die schmelzflüssiges Material des ersten und zweiten Bauelements 12, 14 enthält. Aus der Figur wird zudem deutlich, dass die gebildete Schmelze durch eine Anschrägung des ersten Bauelements 20 im Bereich der Verbindungsfläche 20 nach außen, d. h. weg von dem Füllkörper 18 beziehungsweise dem Hohlraum 16 fließen kann. Ein sich außen an den Bauele menten 12, 14 sich gegebenenfalls bildender Wulst kann ohne weiteres entfernt werden. Die Anschrägung kann aber auch an beiden Bauelementen 12, 14 ausgebildet sein und sich trichter- oder V-förmig nach Außen, d. h. weg von dem Hohlraum 16, öffnen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19858702 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen (12, 14) mit mindestens einem Hohlraum (16), insbesondere von Bauelementen einer Gasturbine, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen (20, 22) der Bauelemente (12, 14) mittels eines induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißens erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Ausbilden einer Anschrägung an mindestens einer der Verbindungsflächen (20, 22) in Richtung der Außenfläche des jeweiligen Bauelements (12, 14); und b) Fügen der Bauelemente (12, 14) mittels des induktiven Nieder- oder Hochfrequenzpressschweißens.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach dem Verfahrensschritt a) ein Einfügen oder Einfüllen von mindestens einem vorgeformten Füllkörper (18) oder mindestens einer Füllmasse in den mindestens einen Hohlraum (16) von mindestens einem der Bauelemente (12, 14), wobei das Material des Füllkörpers (18) oder der Füllmasse zumindest für den Zeitraum des Fügens der Bauelemente (12, 14) gemäß Verfahrensschritt b) gegenüber den auftretenden Fügetemperaturen form- und/oder temperaturstabil ist, erfolgt und in einem nach dem Verfahrensschritt b) durchzuführenden Verfahrensschritt c) ein Entfernen des Füllkörpers (18) oder der Füllmasse erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfügen oder Einfüllen des Füllkörpers (18) oder der Füllmasse in einen Hohlraum (16) eines der beiden Bauelemente (12, 14) oder in jeweils korrespondierende Hohlräume (16) des ersten und zweiten Bauelements (12, 14) erfolgt, wobei der oder die Füllkörper (18) und die Füllmasse(n) jeweils mit den Verbindungsflächen (20, 22) bündig abschließen oder ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfügen oder Einfüllen des Füllkörpers (18) oder der Füllmasse in einen der korrespondierende Hohlräume (16) des ersten und zweiten Bauelements (12, 14) erfolgt, wobei der Füllkörper (18) oder die Füllmasse über die Verbindungsfläche (20, 22) des ersten oder zweiten Bauelements (12, 14) hinausragt, derart, dass der Füllkörper (18) oder die Füllmasse den korrespondierenden, nicht ausgefüllten Hohlraum aufnehmen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Füllkörpers (18) oder der Füllmasse gemäß Verfahrensschritt c) mechanisch, durch Ultraschall oder chemisch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (18) oder die Füllmasse aus Keramik, Glas, Metall, einer Metall-Legierung oder Kunststoff, insbesondere Polystyrol bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Bauelement (12) eine Turbinenschaufel und das zweite Bauelement (14) eine Turbinenschaufelspitze ist.
Bauteil einer Gasturbine bestehend aus mindestens einem ersten und einem zweiten Bauelement (12, 14) hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Bauelement (12, 14) Teile von statischen oder rotierenden Hohlkörpern einer Gasturbine sind.
Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass erste Bauelement (12) eine Turbinenschaufel und das zweite Bauelement (14) eine Turbinenschaufelspitze ist.