DE10308979A1

DE10308979A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Instandsetzung und Fertigung von geometrisch komplexen Bauteilen

Info

Publication number: DE10308979A1
Application number: DE10308979A
Authority: DE
Inventors: Werner Born; Ludwig Schaller; Reinhold Meier
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-09
Also published as: DE50304803D1; JP2006514203A; JP4414348B2; WO2004076119A1; EP1608483A1; US20060243709A1; EP1608483B1

Abstract

Verrfahren zur Instandsetzung von geometrisch komplexen Bauteilen mit Beschädigungen bzw. Fehlern in beschränkt zugänglichen Bereichen, bei welchem beschädigte bzw. fehlerhafte Stücke aus den Bauteilen herausgeschnitten und gleichartige Ersatzstücke eingeschweißt werden, wobei das Schneiden und das Schweißen mittels Laserenergie erfolgen. DOLLAR A A) Mit einem CNC-gesteuerten Laserstrahl wird ein beschädigtes bzw. fehlerhaftes Stück aus einem Bauteil herausgeschnitten, DOLLAR A B) mit den gleichen ggf. um eine Korrektur modifizierten Bahndaten wird mittels Laserstrahl aus einem Reparaturteil ein Ersatzstück herausgeschnitten, DOLLAR A C) mit den gleichen Bahndaten wie bei A wird mittels Laserstrahl das Ersatzstück in das Bauteil eingeschweißt, DOLLAR A D) bei den drei Bearbeitungsschritten A bis C wird ein platzsparender Spezialvorsatz verwendet, und DOLLAR A E) während der Bearbeitungsschritte A bis C verbleibt das Bauteil in derselben Aufspannung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Instandsetzung und Fertigung von geometrisch komplexen Bauteilen, gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahren.

Speziell im Strömungskanalbereich von Gasturbinen sind Bauteile einem Verschleiß durch Oxidation, Korrosion und Erosion unterworfen. Weithin können Verformungen, Risse und Löcher auftreten, wobei ab einem gewissen Schädigungsgrad eine Reparatur bzw. ein Ersatz nötig ist. Einzelteile, wie Schaufeln können relativ einfach ersetzt bzw. im ausgebauten Zustand instandgesetzt werden. Es gibt jedoch auch komplexe, integrale Bauteile, wie Gehäusesektionen mit rohrartigen, konzentrischen Wandelementen und mit mehreren, letztere verbindenden Streben, bei denen aus Kostengründen eine Reparatur in aller Regel einem kompletten Ersatz vorgezogen wird bzw. bei denen die Neuteilfertigung bereits schwierig ist. Es gibt auch Fälle, wobei solche Bauteile bereits im Neuzustand unzulässige Fehler aufweisen. Auch dann wird eine Reparatur der teuren Teile angestrebt. Schäden und Fehler können auch in Bereichen auftreten, die für Werkzeuge, wie Schneid- und Schweißeinrichtungen, schwer zugänglich sind. Es ist bekannt, für das Heraustrennen von fehlerhaften Stücken und das Einschweißen von Ersatzstücken Laserenergie zu verwenden. Standard-Fokussierköpfe von industriell eingesetzten Laseranlagen sind durch Autofokus und Drehachsen zu groß und somit für den Einsatz in eng begrenzten Bereichen nicht geeignet.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren samt Vorrichtung zur Instandsetzung und Fertigung von geometrisch komplexen Bauteilen mit beschränkt zugänglichen Bereichen mittels Lasertechnik vorzuschlagen, womit Reparaturen und Fertigung kostengünstiger, präziser reproduzierbarer und mit geringerer Schweißschrumpfung ausführbar sind bzw. in vielen Fällen erstmalig möglich werden.

Diese Aufgabe wird verfahrensseitig durch die in Anspruch 1 und Anspruch 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in deren Oberbegriff. Vorrichtungsseitig ist die Lösung in Anspruch 4 gekennzeichnet. Bei der gesamten Bearbeitung wird ein platzsparender Spezialvorsatz in Form eines sogenannten Tubus oder eines Trägers mit Lichtleiter verwendet, mit dem der Laserstrahl geführt, umgelenkt und auf die Schneid- bzw. Schweißzone fokussiert wird. Hierfür weist der Spezialvorsatz eine verstellbare Fokussiereinrichtung auf. Der Spezialvorsatz und somit der Laserstrahl wird CNC-gesteuert bewegt, wobei die Bahndaten beim Schneiden und beim Schweißen gleich bleiben.

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Verfahren nach Anspruch 1 und 2 sowie der Vorrichtung nach Anspruch 4 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren nach näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter Darstellung:
1 das Herausschneiden eines Stücks aus einem Bauteil,
2 das Herausschneiden eines Ersatzstücks aus einem Reparaturteil sowie das Einschweißen des Ersatzstücks in das Bauteil.
Das Bauteil 7 gemäß 1 ist eine von mehreren Streben einer Gasturbinengehäusesektion. Eine derartige Gehäusesektion bildet ein integrales Bauteil mit zwei rohrartigen, konzentrischen Wandelementen, welche über mehrere, über den Umfang verteilte, radiale Streben verbunden sind. Die strömungsgünstig profilierten Streben sind auf ihrer gesamten Außenoberfläche im Betrieb heißen, aggressiven Gasen ausgesetzt, wodurch Beschädigungen durch Korrosion, Erosion, Rissbildung, Verformung, Durchbrand etc. auftreten können. Die Räume zwischen den Streben sind platzbedingt für Werkzeuge nur beschränkt zugänglich. In 1 ist der Übersichtlichkeit halber nur eine solche Strebe ohne die benachbarten bzw. mit ihr verbundenen Elemente wiedergeben. Das eigentliche Bearbeitungswerkzeug bildet ein platzsparender, rohrartiger Tubus 1, der optisch mit einer Laserquelle 5 koppelbar ist. Die Laserquelle 5 kann insbesondere ein CO₂-Laser, ein Nd : YAG – Laser oder ein anderer geeigneter Lasertyp sein. Im dargestellten Fall wird der un- oder vorfokussierte Laserstrahl im Tubus 1 mittels einer Umlenkspiegelanordnung 2 um 90 ° umgelenkt und mittels einer verstellbaren Fokussiereinrichtung 3 auf die Oberfläche des Bauteils 7 fokussiert. Die Strahlumlenkung im Tubus 1 kann von 90 ° verschieden sein. Der Tubus 1 ist mechanisch mit einer CNC-gesteuerten, nicht dargestellten Maschine, wie einem Industrieroboter, einer Portalanlage usw., gekoppelt und wird von dieser bewegt. Dabei wird der Laserstrahl 4 auf einer in sich geschlossenen Bahn 6 geführt, um aus dem Bauteil 7 ein beschädigtes bzw. fehlerhaftes Stück 8 herauszuschneiden. Unten in 1 ist alternativ zum Tubus 1 ein Träger 12 mit einem Lichtleiter 11 und einer Fokussiereinrichtung 13 dargestellt.
Gemäß 2 oben wird mit den selben Bahndaten und dem selben Tubus 1 aus einem mit dem betroffenen Bauteilbereich zumindest weitgehend identischen Reparaturteil 9 ein dem Stück 8 entsprechendes, jedoch fehlerfreies Ersatzstück 10 herausgeschnitten. Gegenüber den Bahndaten gemäß 1 kann zur Fertigung des Ersatzstücks 10 eine kleine, über die Bahnlänge konstante, seitliche Bahnkorrektur (Spaltkorrektur) berücksichtigt werden.
Gemäß 2 unten wird das Ersatzstück 10 mittels des Tubus 1 in das im Bauteil 7 vorhandene Loch anstelle des fehlerhaften Stücks 8 eingeschweißt. Üblicherweise wird die Fokussiereinrichtung 3 zum Schweißen anders eingestellt als zum Schneiden.
Bei allen dargestellten Bearbeitungsschritten wird der selbe Tubus 1 oder der selbe Träger 12 mit Lichtleiter 11 verwendet, das Bauteil 7 verbleibt in ein und derselben Einspannung, das Reparaturteil wird vorzugsweise in der Nähe des Bauteils 7 so angeordnet, dass es ohne große Verfahrbewegungen des Tubus 1 bearbeitbar ist.

Claims

Verfahren zur Instandsetzung von geometrisch komplexen Bauteilen mit Beschädigungen und/oder Fehlern in beschränkt zugänglichen Bereichen dieser Bauteile, insbesondere zur Instandsetzung von Gasturbinengehäusesektionen mit zwei rohrartigen, konzentrischen Wandelementen und mit mehreren, die Wandelemente verbindenden Streben, mit Beschädigungen und/oder Fehlern im Bereich der Streben und/oder Wandbereiche, bei welchem beschädigte und/oder fehlerhafte Stücke aus den Bauteilen herausgeschnitten und gleichartige Ersatzstücke eingeschweißt werden, wobei das Schneiden und das Schweißen mittels Laserenergie erfolgen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensmerkmale: A) Mit einem Laserstrahl (4), der numerisch gesteuert auf einer in sich geschlossenen Bahn (6) bewegt wird , wird ein beschädigtes und/oder fehlerhaftes Stück (8) aus einem Bauteil (7) herausgeschnitten, B) mit den gleichen, falls nötig um eine Spaltkorrektur modifizierten Bahndaten wie bei A wird mittels Laserstrahl aus einem Reparaturteil (9), das hinsichtlich Werkstoff und Geometrie mit dem beschädigten und/oder fehlerhaften Bereich des Bauteils (7) vergleichbar bis identisch ist, ein Ersatzstück (10) herausgeschnitten, C) mit den gleichen Bahndaten wie bei A wird mittels Laserstrahl das Ersatzstück (10) in das Bauteil (7) eingeschweißt, D) bei den drei Bearbeitungsschritten A bis C wird der Laserstrahl mit einem platzsparenden Spezialvorsatz in Form eines sogenannten Tubus (1) oder eines Trägers (12) mit Lichtleiten (11) un- oder vorfokussiert geführt, umgelenkt und fokusiert bzw. nachfokussiert, und E) während der Bearbeitungsschritte A bis C verbleibt das Bauteil (7) in der selben Aufspannung.
Verfahren zur Fertigung von geometrisch komplexen Bauteilen mit beschränkt zugänglichen Bereichen, insbesondere zur Fertigung von Gasturbinengehäusesektionen aus zwei rohrartigen, konzentrischen Wandelementen und aus mehreren, die Wandelemente verbindenden Streben, bei welchem mit Übermaß gefer tigte Elemente der Bauteile passgenau zugeschnitten und miteinander verschweißt werden, wobei das Schneiden und das Schweißen mittels Laserenergie erfolgen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensmerkmale: A) Mit einem Laserstrahl, der numerisch gesteuert auf einer in sich geschlossenen Bahn bewegt wird, wird ein mit Übermaß gefertigtes, erstes Element passgenau zugeschnitten, B) mit den gleichen, falls nötig um eine Spaltkorrektur modifizierten Bahndaten wie bei A wird mittels Laserstrahl ein zweites, mit Übermaß gefertigtes, an das erste Element angrenzendes Element passgenau zugeschnitten, C) mit den gleichen Bahndaten wie bei A werden mittels Laserstrahl die beiden Elemente verschweißt, D) bei den drei Bearbeitungsschritten A bis C wird der Laserstrahl mit einem platzsparenden Spezialvorsatz in Form eines sogenannten Tubus oder eines Trägers mit Lichtleiter un- oder vorfokussiert geführt, umgelenkt und fokusiert bzw. nachfokussiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl für Schneidbetrieb anders fokussiert wird als für Schweißbetrieb.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen optisch mit einer Laserquelle (5) koppelbaren, platzsparenden Spezialvorsatz in Form eines sogenannten Tubus (1) oder in Form eines Trägers (12) mit Lichtleiter (11) umfasst, und dass der Spezialvorsatz zur Laserstrahlfokussierung eine verstellbare Fokussiereinrichtung (3, 13) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (5) ein CO₂-Laser, ein Nd : YAG-Laser oder ein anderer geeigneter Lasertyp ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spezialvorsatz mechanisch mit einer geeigneten CNC-Maschine koppelbar ist, z.B. mit einer Portalanlage, einem Industrieroboter oder einer Sondervorrichtung mit entsprechenden Freiheitsgraden.