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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Bauteilen mit Zentrierung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und entsprechend hergestellte Bauelemente nach Anspruch 6.
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Beim Verschweißen von Bauteilen ist es in vielen Fällen vorteilhaft, mittels einer Zentrierung zu gewährleisten, dass die zu verschweißenden Bauteile in einer definierten Position verschweißt werden. Insbesondere beim Strahlschweißen (bspw. Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen) ist es besonders wichtig, dass die Bauteile richtig positioniert sind, da der Schweißstrahl und die von ihm aufgeschmolzene Schmelzzone vergleichsweise schmal sind und Spaltmaße nur bedingt (siehe DVS Merkblatt 3201 Seite 2, Bild 2; maximal zulässiges Spaltmaß technischer Nullspalte für das EB-Schweißen) durch das Schweißverfahren ausgeglichen werden können. Beim Verschweißen von Blechen an ihren Stirnflächen wird durch eine Zentrierung erreicht, dass sich die Stirnflächen der Bauteile möglichst vollständig gegenüberstehen (Vermeidung von Kanlenversatz) und so während des Schweißvorgangs auch über ihre komplette Breite verschweißt werden.
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Eine Möglichkeit Bauteile zu fixieren ist im Merkblatt des Deutschen Verbands für Schweißen und verwandte Verfahren E. V. (DVS) beschrieben. Im Merkblatt 3201 (Oktober 2001), das sich mit den Grundsätzen für das Konstruieren von Bauteilen für das Elektronenstrahlschweißen im Fein- und Hochvakuum beschäftigt, ist in der Tabelle 1 Lfd. Nr. 3.1–3.3 zum Fixieren zweier Bauteile eine Zentrierlippe vorgesehen. Diese Zentrierlippe ist insbesondere bei Schweißungen von Drehteilen (z. B rotationssymmetrische Bauteile aus der Hochdruck- oder Niederdruckturbine von Flugzeugtriebwerken oder stationären Gasturbinen) geeignet, die Stirnflächen durch einen Formschluss zu zentrieren. Außerdem schützt die Zentrierlippe, wenn sie auf der dem Schweißstrahl abgewandten Seite der Schweißung angeordnet ist, vor austretenden Spritzern. Der Nachteil bei einer solchen Anordnung ist, dass zwischen Zentrierlippe und Bauteil in einem Teilabschnitt ein unverschweißter Spalt verbleibt, der durch eine Kerbwirkung und Korrosionsförderung gekennzeichnet ist und die Qualität der Schweißung verschlechtern kann. Durch die geometrischen Kerbwirkungseffekte des unverschweißten Spalts entstehen Spannungsspitzen (schrumpfungsbedingt während oder unmittelbar nach dem Schweißvorgang), die das Spannungsrissrisiko des geschweißten Bauteils erhöhen und damit zu erhöhtem Nachbearbeitungsaufwand bis hin zum kompletten Verlust der Bauteile aufgrund von Spannungsrissen führen können. Insbesondere bei sehr teuren Bauteilen, die bspw. in Gasturbinen oder Triebwerken eingesetzt werden, bedeutet der Nachbearbeitungsaufwand oder der Verlust von Bauteilen einen hohen wirtschaftlichen Schaden. Risse müssen hier aufwendig durch manuelle Reparaturschweißungen (z. B. mit dem WIG-Schweißverfahren) nachbearbeitet werden, um den hohen Sicherheitsanforderungen der Luftfahrt gerecht zu werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Schweißverfahren und ein entsprechendes Bauelement bereitzustellen, bei denen das Spannungsrissrisiko vermindert ist.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und den zugehörigen Beschreibungen und Zeichnungen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Strahlschweißen von mindestens zwei Bauteilen A und B vorgeschlagen, wobei das Bauteil A eine Zentrierlippe zur Zentrierung aufweist und zwischen der Zentrierlippe und dem Bauteil B ein Abstandselement angeordnet wird. Durch Anordnen eines Abstandselements, im Folgenden auch „Spacer” genannt, zwischen einem Bauteil und der Zentrierlippe des anderen Bauteils wird die geometrische Kerbwirkung im unverschweißten Spalt stark vermindert.
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Generell hängt die Frage, wie stark eine Kerbe lokal die Bauteilspannungen überhöht, im Wesentlichen von der Geometrie der Kerbe ab. So wirken spitze oder tiefe Kerben viel stärker als gut ausgerundete oder flache Kerben. Durch das erfindungsgemäße Anordnen eines Abstandselements zwischen der Zentrierlippe und dem Bauteil wird die Kerbwirkung des unverschweißten Spalts erheblich vermindert. Die Ursache dafür ist, dass durch die verbesserte Kerbgeometrie ein homogenerer Kraftfluss zwischen den Bauteilen erreicht werden kann. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Gesamtspannungsverteilung, insbesondere Spannungsspitzen können vermieden werden, und das Spannungsrissrisiko wird signifikant reduziert oder sogar vollständig beseitigt.
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Durch das Vermeiden oder Reduzieren von Bauteilrissen durch das erfindungsgemäße Schweißverfahren kann der Nachbearbeitungs- und/oder Reparaturaufwand verringert werden, da weniger oder keine Spannungsrisse durch den unverschweißten Spalt entstehen und dementsprechend weniger Reparaturen an risskritischen Bauteilen, wie bspw. hoch belasteten Flugzeugtriebwerken, durchgeführt werden müssen.
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Vorzugsweise ist der Schweißstrahl als Elektronenstrahl oder Laserstrahl ausgeführt. Der Einsatz eines Elektronen- oder Laserstrahls führt erfahrungsgemäß insbesondere bei Reparaturen an Bauteilen für Flugzeugtriebwerken aus Nickel-, Kobalt-, Stahl-, Titan- oder Aluminiumlegierungen zu den besten Ergebnissen.
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Vorzugsweise tritt der Elektronen- oder Laserstrahl nicht aus der Zentrierlippe aus. Ein aus den Bauteilen bzw. der Schweißnaht heraustretender Strahl könnte unkontrolliert andere Bauteilbereiche oder andere vorhandene Objekte anschmelzen und ihre Funktion beeinträchtigen. Als Konsequenz müsste im Falle eines austretenden Schweißstrahls dieser über zusätzlich auf der Austrittsseite vorgesehene Strahlenfangmittel oder ähnliche Maßnahmen absorbiert werden, um die Sicherheit und Qualität des Schweißverfahrens sicher zu stellen.
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Vorzugsweise wird das Verfahren zur Patch Reparatur (Reparatur mittels Einpassstücken) von Bauteilen in Flugzeugtriebwerken verwendet. Im Falle einer Patch Reparatur wird der Patch, beispielsweise ein rechteckiges Blech mit verrundeten Ecken, in eine dafür vorgesehene Ausnehmung eines anderen Bauteils, beispielsweise ein Triebwerksgehäuse, hineingelegt und durch die Zentrierlippe mit Spacer automatisch zentriert, und anschließend in dieser Position verschweißt. Für Patch Reparaturen an axialsymmetrischen Bauteilen ist das erfindungsgemäße Schweißverfahren besonders prädestiniert, da in solchen Teilen erfahrungsgemäß ein besonders großes Spannungsrissrisiko vorherrscht. Dieses erhöhte Spannungsrissrisiko kann beispielsweise aus dem Schweißen von Axialrundnähten resultieren, da bei dieser Art der Reparatur eine Schrumpfungsbehinderung in Schweißnahtlängs-, Nahtquer- und Nahtdickenrichtung vorliegt (mehrachsiger Spannungszustand). Diese Art der Reparatur findet vorrangig Einsatz bei Strukturbauteilen (Gehäusen) der Hoch- und Niederdruckturbine (z. B. EB-Oversize-Patch Schweißreparaturen am Turbine Rear Frame oder Low Pressure Turbine Case marktüblicher Großmotoren). Sie ist aber ebenfalls geeignet für Gehäuse im Verdichterbereich.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe ein Bauelement bereitgestellt, wobei das Bauelement durch wenigstens zwei über eine Schweißnaht zusammengefügte Bauteile A und B gebildet wird, wobei wenigstens eines der Bauteile A oder B eine Zentrierlippe aufweist, welche das andere Bauteil A oder B an einer an die Schweißnaht angrenzenden Randfläche überlappt und wenigstens abschnittsweise nicht mit dem anderen Bauteil A oder B verschweißt ist und zwischen der Zentrierlippe und der Randfläche ein Abstandselement vorgesehen ist.
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Vorzugsweise ist das Abstandselement in seinem Querschnitt rechteckig und die an der Zentrierlippe anliegende Seite des Rechtecks beträgt mindestens 30% der Länge des nicht verschweißten Abschnitts. Ein Abstandselement mit dieser Länge führt erfahrungsgemäß zu den besten Ergebnissen, da die Zentrierung der Bauteile trotz geringer Anlagefläche (im Vergleich zum Stand der Technik) so über die nötige Stabilität und Qualität verfügt.
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Vorzugsweise ist das Abstandselement einstückig mit einem der Bauteile A oder B ausgeführt. Durch ein solches erfindungsgemäßes Integrieren des Spacers in ein oder mehrere Bauteile kann die Position des Abstandselements von vornherein gezielt und definiert festgelegt werden, da der Spacer so nicht beweglich ist, sondern ein fester Bestandteil des Bauteils ist. Das Abstandselement muss demzufolge nicht als extra Komponente gefertigt und zur Schweißung zwischen den Bauteilen positioniert werden, sondern kann bspw. im Rahmen der Fertigung eines Patchs für eine Patch Reparatur schon in der Zentrierlippe des Patchs vorgesehen werden. Dementsprechend ist es anschließend besonders einfach, die Bauteile zu verschweißen.
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Vorzugsweise ist die Zentrierlippe auf der Seite des Bauteils A oder B angeordnet, welche die von dem einfallenden Elektronen- oder Laserstrahl abgewandte Seite ist. Das Anordnen der Zentrierlippe auf der dem einfallenden Elektronen- oder Laserstrahl abgewandten Seite wirkt als Schutz gegenüber Spritzern, die sonst aus der Schweißnaht austreten könnten und zu erhöhtem Nachbearbeitungsaufwand führen. Zudem wird durch die strahlabgewandte Zentrierlippe dem Schweißprozess ein Zusatzwerkstoffdepot zur Verfügung gestellt, wodurch ein Nahteinfall kompensiert bzw. vermieden werden kann. Ebenfalls können leichte Leistungsparameter- und Wandstärkenschwankungen, die sich ausschließlich in der Einschweißtiefe in die Zentrierlippe bemerkbar machen, ausgeglichen werden. Diese Vorteile sind dann besonders stark ausgeprägt, wenn die Zentrierlippe so ausgeführt ist, dass die Breite b der Zentrierlippe größer als 1,5 mm ist und die Dicke d der Zentrierlippe mindestens 20% der Bauteildicke t beträgt.
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Vorzugsweise ist auf der der Zentrierlippe gegenüberliegenden Seite der Bauteile ein Schweißzusatzwerkstoffdepot angeordnet. Das Schweißzusatzwerkstoffdepot stellt dem Schweißprozess zusätzliches Material zur Verfügung, wodurch ein Nahteinfall kompensiert bzw. vermieden werden kann und verbessert dadurch die Qualität der Schweißnaht.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert. In den Figuren ist im Einzelnen zu erkennen:
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1: Schematische Darstellung einer Schweißnahtgeometrie für eine I-Naht mit Zentrierlippe nach dem Stand der Technik
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2: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schweißnahtgeometrie für eine I-Naht mit Zentrierlippe und Abstandselement
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3: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schweißnahtgeometrie für eine I-Naht mit Zentrierlippe und einstückig ausgeführtem Abstandselement
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In der 1 ist eine Schweißnahtgeometrie zu sehen, wie sie nach dem Stand der Technik, im Merkblatt des Deutschen Verbands für Schweißen und verwandte Verfahren E. V. (DVS) zum Schweißen einer I-Naht mit Zentrierlippe beschrieben ist (Merkblatt 3201 „Grundsätze für das Konstruieren von Bauteilen für das Elektronenstrahlschweißen im Fein- und Hochvakuum”, Ausgabe Oktober 2001, Tabelle 1 Nr. 3.1). Zu sehen sind ein Bauteil A 1 und ein Bauteil B 2, die sich an ihren Stirnflächen berühren. Bauteil A 1 weist zur Zentrierung eine Zentrierlippe 3 auf, die dafür sorgt, dass die Bauteile für die Schweißung zentriert werden. Durch die Zentrierlippe 3 soll erreicht werden, dass sich die Stirnflächen der Bauteile A 1 und B 2 möglichst über ihre komplette Breite berühren und so die Bauteile A 1 oder B 2 über eine größtmögliche Fläche verschweißt werden können. Das Bauteil B 2 ist an der der Zentrierlippe 3 zugeordneten Kante mit einer Fase 11 versehen, um ggf. bearbeitungsbedingten Radien zwischen Zentrierlippe 3 und der Stirnfläche des Bauteils A 1 Rechnung zu tragen. Solche Radien können dazu führen, dass die Stirnflächen der Bauteile aus geometrischen Gründen nicht planar aneinander anliegen können und wirken sich dementsprechend negativ auf die Qualität der Schweißung aus.
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Ein Elektronenstrahl 10 ist seitlich auf den Bereich der sich berührenden Stirnflächen gerichtet und verschweißt die Bauteile A 1 und B 2 an dieser Stelle miteinander. Das erstarrte Schmelzbad nach dem Schweißen ist als Kontur 4 dargestellt. Zwischen der Zentrierlippe 3 und dem Bauteil B 2 verbleibt ein unverschweißter Spalt 8. Dieser unverschweißte Spalt 8 hat eine signifikante Kerbwirkung. Zur Verdeutlichung dieses negativen Effekts ist ein quantitatives Eigenspannungsniveau 5 über die Breite der Schweißung dargestellt. Auf Höhe des unverschweißten Spalts 8 ist die vorherrschende Eigenspannung aufgrund der Kerbwirkung des unverschweißten Spalts 8 am höchsten. Ein solches Spannungsmaximum bzw. Spannungsspitze 7 ist ein bevorzugter Startpunkt für Risse, die sich insbesondere bei schwingungsbelasteten Bauteilen, wie Flugzeugtriebwerken, schnell ausbreiten können. Aus diesem Grund wird in manchen Fällen die Zentrierlippe im Rahmen einer Reparatur vollständig abgearbeitet.
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In der 2 ist eine erfindungsgemäße Schweißnahtgeometrie dargestellt. Der Unterschied zum Stand der Technik in der 1 ist das Abstandselement 6, welches erfindungsgemäß zwischen der Zentrierlippe 3 des Bauteils A 1 und dem Bauteil B 2 angeordnet wird. Das Abstandselement 6, auch Spacer genannt, ist in diesem Ausführungsbeispiel in seinem Querschnitt rechteckig mit den Seiten a und c, wobei die Seite a des Abstandselements 6 genau den Abstand definiert, der zwischen Zentrierlippe 3 und Bauteil B 2 eingestellt wird, also genau die Breite des unverschweißten Spalts 8. Die Länge der Seite c des Abstandselements 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel halb so lang wie die Länge des unverschweißten Spalts 8.
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Ein weiterer Unterschied zur Schweißnahtgeometrie in der 1 ist, dass auf der Bauteilseite, welche der Zentrierlippe 3 gegenüberliegt, ein Schweißwerkstoffzusatzdepot 9 angeordnet ist. Das Schweißwerkstoffzusatzdepot 9 stellt dem Schweißprozess zusätzliches Material zur Verfügung, wodurch ein Nahteinfall kompensiert bzw. vermieden werden kann und verbessert dadurch die Qualität der Schweißnaht.
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In der 3 ist eine weitere erfindungsgemäß gestaltete Schweißnahtgeometrie dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Abstandselement 6 einstückig mit der Zentrierlippe 3 des Bauteils A 1 ausgeführt. Durch ein solches erfindungsgemäßes Integrieren des Abstandselements 6 in die Zentrierlippe 3 kann die Position des Abstandselements 6 von vornherein gezielt und definiert festgelegt werden. Das Abstandselement 6 muss nicht als extra Komponente gefertigt und zur Schweißung zwischen den Bauteilen positioniert werden, sondern kann, bspw. im Rahmen der Fertigung eines Patches für eine Patch Reparatur, schon in der Zentrierlippe 3 des Patches oder in dem Bauteil B 2 vorgesehen werden. Dementsprechend ist es anschließend besonders einfach, die Bauteile zu verschweißen. In der 3 sind des Weiteren auch die Breite b der Zentrierlippe 3 dargestellt, sowie die Dicke d der Zentrierlippe 3 und die Bauteildicke t des Bauteils B 2. Idealer Weise ist die Breite b der Zentrierlippe 3 größer als 1,5 mm und die Dicke d der Zentrierlippe 3 beträgt mindestens 20% der Bauteildicke t.
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Wie in der 2 und 3 dargestellt, kann durch erfindungsgemäßes Anordnen des Abstandselements 6 zwischen Zentrierlippe 3 und Bauteil B 2 die Kerbwirkung des unverschweißten Spalts 8 erheblich vermindert werden. Wie weiter oben im Text beschrieben, ist die Ursache für diesen Effekt, dass durch die verbesserte Kerbgeometrie ein homogenerer Kraftfluss zwischen den Bauteilen erreicht werden kann und sich dadurch eine verbesserte Gesamtspannungsverteilung ergibt. Insbesondere Spannungsspitzen können vermieden werden, und so das Spannungsrissrisiko signifikant reduziert oder sogar vollständig beseitigt werden. Ein weiterer Vorteil der optimierten Schweißnahtgeometrie liegt darin, dass auf die Fase 11 am Bauteil B 2 verzichtet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil A
- 2
- Bauteil B
- 3
- Zentrierlippe
- 4
- Erstarrtes Schmelzbad
- 5
- Eigenspannungsniveau
- 6
- Abstandselement
- 7
- Spannungsspitze
- 8
- Unverschweißter Spalt
- 9
- Schweißzusatzwerkstoffdepot
- 10
- Elektronenstrahl
- 11
- Fase
