DE4225443C2 - Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung von Bauteilen für Turbomaschinen, insbesondere zur Bauteilreperatur und Verwendung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und dessen Verwendung.

Bisherige Reparatur- oder Schweißverbindungen sind von einem verhält­ nismäßig hohen Herstellungs- und Kostenaufwand begleitet. Außerdem besteht die Gefahr örtlicher Schweißfehler.

Insbesondere bei örtlicher Blatterneuerung von Gebläse- oder Tur­ binenschaufeln geht man so vor, daß das Neuteil vor dem Schweißvorgang praktisch auf die tatsächlich benötigte Profilierung abgestimmt vorge­ fertigt wird; dabei ist eine extrem genaue Übertragung des Ab­ trennkantenverlaufs des Altteils unter Berücksichtigung variabler Pro­ fildicke und gegebenenfalls vorhandener Schaufelverwindung auf das Neuteil vorgesehen. Nach dem Verschweißen des so vorgefertigten Neu­ teils, Stoß an Stoß bzw. "stumpf" mit dem Altteil, haben sich, über die Gesamtlänge der Schweißnaht betrachtet, örtlich unzureichende Schweißverbindungen ergeben, deren Ursache in der über die gesamte Verbindungsstelle hinweg oftmals extrem schwankenden Werkstoffdicke zu sehen sind. Es bereitet also Schwierigkeiten, die Schweißparameter den unterschiedlichen Querschnitten im Schweißnahtverlauf anzupassen. Eine derartige Anpassung wäre zwar im Rahmen elektronisch-numerisch ge­ steuerter Schweißverfahren zumindest theoretisch realisierbar (Großserie); der hierfür erforderliche kostenintensive Maschinenauf­ wand läßt sich jedoch im Rahmen des spezifischen Reparaturbedarfs bei Turbomaschinenbauteilen nicht rechtfertigen.

Aus der DD-PS 93 689 ist ein Verfahren zum Regenerieren verschlissener Ventilsitze bzw. zum Herstellen verschleißfester Ventil sitze an Zy­ linderköpfen für Verbrennungsmotoren bekannt. Dabei soll der Ven­ tilsitz durch Auftragsschweißung unter Beziehung einer in einer Boh­ rung des Zylinderkopfes angeordneten Scheibe artgleichen Materials hergestellt werden. Die Auftragsschweißung soll neben dem Sitzteil für das Ventil einen Teil des umfänglichen Scheibenrandes einschließen, so daß auch am Übergang zur Bohrung im Zylinderkopf die erforderliche Schicht und Sitzdicke erreichbar ist. Ferner soll die Scheibe verhin­ dern, daß Schweißgut in die Bohrungen abfließt. Für die endgültige Fertigstellung des Ventilsitzes wird im bekannten Fall eine entspre­ chende mechanische Abarbeitung der Scheibe vorausgesetzt.

Aus der DE-PS 9 76 962 ist ein Lichtbogen-Schweißverfahren zum Ausfüllen ausgelaugter oder verbrannter Stellen von Kokillen und Gießformen aus Gußeisen oder Hämatiteisen bekannt. Die betreffende schadhafte Stelle soll durch eine Aussparung entfernt werden, wobei Roststäbe in die Aussparung eingelegt, durch Seitenwurzelnähte verschweißt und schließ­ lich mit einer Auftragsschweißung (mit einer Stahlelektrode unter gleichzeitigem Abschmelzen eines stromlosen Gußstabes im Lichtbogen) um- bzw. eingeschweißt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach der ein­ gangs genannten Art anzugeben, mit dem auf vergleichsweise einfache Weise eine optimale Bauteilverbindung erzielt wird, insbesondere auch bei im Schweißnahtbereich schwankender Bauteilgeometrie.

Die gestellte Aufgabe ist mit den im Kennzeichnungsteil des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß gelöst.

Auf diese Weise wird über die gesamte gegenseitige Bauteillänge und -breite eine innige Schmelz-Schweiß-Verbindung erzielt. Das auf die zu verschweißenden Bauteile (Altteil/Neuteil) materialseitig abgestimmte Schweißpulver füllt die Zwischenräume zwischen der Tasche und dem ört­ lichen Abschnitt des Altteils vollständig aus, so daß auch bei z. B. aerodynamisch vorgegebener schwankender Wanddicke eine über die ge­ samte Länge und Breite der gegenseitigen Schweißzone gleichförmige Schmelzgutverteilung vorliegt, die für die Verschweißung aus Material­ anteilen, die vormals die Tasche des Neuteils gebildet haben, ergänzt wird.

Die Erfindung vermeidet die Einhaltung extrem genauer Fertigungs­ toleranzen, und zwar bezüglich der Oberflächenbeschaffenheit der Ab­ trennzone am Altteil, wie aber auch bezüglich der Beschaffenheit des Neuteils, z. B. der Tasche.

Das gegenüber den tatsächlich benötigten Bauteilabmessungen überdimen­ sioniert fertigbare und so mit dem Altteil verschweißte Neuteil ermög­ licht den Abbau von beim Schweißen eventuell aus Spannungen hervorge­ rufenen Verformungen, wozu auch entsprechend verteilte und zur er­ leichterten Handhabung beim Schweißen dienende Aufhängungsabschnitte an den Neuteilen beigezogen werden können. Etwaiger Bauteilverzug des Neuteils kann im Rahmen der vorhandenen Überdimensionierung im Wege einer nach dem Schweißprozeß spanabhebenden Nachbearbeitung auf die tatsächlich benötigten Abmessungen korrigiert werden.

Nach dem Einfügen des örtlichen Altteilabschnitts in die Tasche des Neuteils - bzw. umgekehrt - können, in Anpassung an vorgegebene Form­ konturen und Abmessungen der zu verschweißenden Bauteile, die verblei­ benden Taschenvolumina als Funktion der benötigten Schweißpulvermenge und/oder als Funktion der gewählten Abmessungen der Pulverpartikel und/oder als Funktion einer kammerartigen Pulvervorverdichtung ausge­ bildet sein.

Im Hinblick auf die bei Turbo- bzw. Flugtriebwerken triebwerks­ spezifischen Bauteilreparaturen können gemäß der Erfindung die Neu­ teile als Standardbauteile vorgefertigt und auf Lager gehalten bzw. je nach Bedarf abgerufen werden. Dies bietet sich z. B. bei der Überho­ lung von Turbinenschaufeln mit immer wiederkehrenden Schaufelschäden, z. B. Abbrand bzw. Heißgaskorrosion, an der Eintritts- oder Austritts­ kante an, die gemäß der Erfindung auch über die gesamte Höhe eines Schaufelblatts hinweg reparierbar bzw. erneuerbar wären.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise im Rahmen ei­ nes Reparaturverfahrens weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht einer Gebläselaufschaufel unter Markierung der blattseitigen Abtrennzonen beschädigter und zu erneu­ ernder Abschnitte,

Fig. 2 die Laufschaufel nach Fig. 1 unter Verdeutlichung erfindungs­ gemäß vorgefertigter und entlang der Abtrennzonen aufgesetz­ ter bzw. entlang derselben mit dem Altteil verschweißter Neu­ teile,

Fig. 3 eine erste Neuteilausführung zur Erneuerung des stromabwär­ tigen äußeren Blattabschnitts nach Fig. 1, mit Tasche und Pulverfüllung auf die betreffende Abtrennzone des Altteils aufgesetzt,

Fig. 4 eine zweite Neuteilausführung zur Erneuerung des stromaufwär­ tigen äußeren Blattabschnitts nach Fig. 1, mit Tasche und Pulverfüllung auf betreffende Abtrennzone des Altteils aufge­ setzt,

Fig. 5 eine dritte Neuteilausführung in Blattabschnittserneuerung gemäß Fig. 1 mit Fig. 4, hier unter Verdeutlichung von Ab­ dichtmaßnahmen der gegenüber den örtlichen Altteil-Blattab­ schnitt pulvergefüllten Tasche,

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Neuteilausführung in per­ spektivischer Darstellung unter Verdeutlichung der kompletten örtlichen, die Schaufelspitze einschließenden Blatterneuerung unter Bezug auf das örtlich abgebrochen gezeichnete Blatt­ abschnittsende des Altteils in der Tasche und

Fig. 7 die Draufsicht eines weiteren Neuteils in Kombination mit einem örtlich verwundenen und hinsichtlich der Werkstoffdicke schwankenden Blattabschnitt.

Gemäß dem Reparaturverfahren werden örtlich beschädigte Blattab­ schnitte 2, 3 (Fig. 1) einer Gebläselaufschaufel 1 eines Gastur­ binenstrahltriebwerks entlang der Abtrennzonen T1, T2 mit vorzugsweise geradliniger Flächenstruktur abgetrennt und durch Neuteile 4, 5 (Fig. 2) ersetzt, die entlang der Abtrennzonen T1, T2 mit dem be­ treffenden Altteil A verschweißt werden sollen. In Durchführung der Erfindung werden die Neuteile 4 bzw. 5 - vor dem Schweißvorgang - mit einer taschenartigen Vertiefung 6 bzw. 7 versehen; in diese Vertiefung 6 bzw. 7 wird das Altteil A entlang der betreffenden Abtrennzone T1, T2 in das Neuteil 4 bzw. 5 eingebracht; bzw. kann das betreffende Neu­ teil 4 bzw. 5 an der betreffenden Abtrennzone T1, T2 auf das Altteil A aufgebracht werden. Es sitzt dabei also das Neuteil 4 bzw. 5 entlang seines Taschen- bzw. Nutgrundes Stoß auf Stoß bzw. stumpf auf der be­ treffenden Abtrennzone T1, T2 auf. Danach soll der verbleibende Zwi­ schenraum zwischen der taschenartigen Vertiefung 6 bzw. 7 und dem Alt­ teil A mit einem zum gegenseitigen Verschweißen geeigneten Metall­ pulver S aufgefüllt werden. Hierauf kann dann die Verschweißung ent­ lang der Erstreckung der Abtrennzonen T1, T2 erfolgen. Anschließend kann dann eine spanabhebende Bearbeitung der zunächst noch mit recht­ eckigem oder quadratischem Querschnitt geschweißten Neuteile 4 bzw. 5 auf die tatsächlich benötigten Blattkonturen K (Fig. 4) bzw. K′ (Fig. 3) gemäß den Blattabschnitten 2, 3 der Fig. 1 erfolgen.

Wie insbesondere aus Fig. 7, oben, ersichtlich, ist es ferner vorge­ sehen, die taschenartige Vertiefung 7 mit einem größeren Breitenmaß als das örtlich größte Dickenmaß des Altteils A zu fertigen; auf jeden Fall sitzt also der betreffende Blattabschnitt A mit Spiel in der taschenartigen Vertiefung 6 (Fig. 3) bzw. 7 (Fig. 4 bis 7). Aus Fig. 7 ist deutlich ersichtlich, daß bei örtlich verwundener Blattgeometrie mit in Längsrichtung von T2 variabler Wanddicke des Altteils A die Tasche 7 derart angepaßt ist, daß die Pulverfüllung S über die gesamte Taschenlänge die örtlich vorgegebenen Materialschwindungen des Alt­ teils A ergänzt, so daß eine gleichförmige Schweißverbindung ver­ gleichsweise einfach erzielt werden kann.

Die taschenartigen Vertiefungen 7 können grundsätzlich, wie aus Fig. 4 oder Fig. 5 ersichtlich, mit einem rechteckigen, gegebenenfalls aber auch quadratischen Querschnitt gefertigt sein. Gemäß Fig. 6 ist die taschenförmige Vertiefung 6 mit einem von der offenen nach der Grund­ seite hin sich verjüngenden, etwa V-förmigen Querschnitt ausgestattet, um u. a. eine gut überschaubare, allseitig verteilte Pulverfüllung S zu erreichen.

Wie ferner aus sämtlichen Fig. erkennbar ist, weisen die jeweiligen Neuteile 4 bzw. 5 gegenüber den tatsächlich benötigten Blattab­ schnitten gemäß 2, 3 am Altteil A (Fig. 1) eine Überdimensionierung auf. Je nach vorgegebener Kontur des zu reparierenden Bauteils können die Neuteile aber auch wesentlich schlanker, als dargestellt, vorge­ fertigt und mit dem Altteil A verschweißt werden. In weiterer Aus­ gestaltung kann jedes Neuteil 4 bzw. 5 um das 0,1 bis 5fache breiter als die jeweils örtlich maximale Dicke des Altteils A im Bereich der Abtrennzone T1, T2 gefertigt sein.

Wie z. B. im Rahmen der schaufelspitzenseitigen Blatterneuerung nach Fig. 6 verdeutlicht, kann jedes betreffende Neuteil, z. B. 4, mit ei­ ner in Höhe des Taschen- bzw. Nutgrundes sich erstreckenden Schweiß­ strahlmarkierung M versehen werden, mit der zugleich der Bauteilstoß entlang der betreffenden Zone T1 markiert wird, um eine erleichterte optimale Verschweißung zu erzielen.

Wie gestrichelt in Fig. 2, oben rechts, eingezeichnet, kann jedes Neu­ teil, z. B. 5, mit mindestens einem zusätzlichen Halterungsabschnitt 8 vorgefertigt werden, z. B. mit einer Bohrung 9 ausgestattet, um die Handhabung der Neuteile beim Verschweißen zu erleichtern oder um nach dem Verschweißen eine gewünschte Bauteilaufnahme für eine weitere Be­ arbeitung zu erreichen. Die Halterungsabschnitte können aber auch ei­ ner gleichförmigen raschen Wärmeabfuhr aus dem Schweißprozeß dienlich sein, um sich so zumindest bezüglich der Neuteile 4 bzw. 5 wiederum spannungs und deformationsminimierend auszuwirken.

Fig. 5 verkörpert ein Ausführungsbeispiel, bei dem die taschenartige Vertiefung 7 auf ihrer vom Boden bzw. Grund abgewandten offenen Seite verschließbar ist. Der Verschluß kann - wie in Fig. 5 dargestellt - durch örtlich gegen das Altteil A gerichtetes Umbiegen von die ta­ schenartige Vertiefung ausbildenden Wandteilen 9 des Neuteils 4 erfol­ gen. Alternativ könnte auch ein deckelartiger Verschluß der taschen­ artigen Vertiefung vorgesehen werden. Dabei besteht die Möglichkeit, nach - oder vor - dem Auffüllen mit dem Schweißpulver S die Ver­ schließung vorzunehmen.

Fig. 5 ist ein Beispiel dafür, die taschenartige Vertiefung 7, wie erwähnt, zu verschließen und danach die Auffüllung mit dem Schweißpul­ ver S vorzusehen. Hierzu sind in den nicht ungebogenen, gerade ver­ bliebenden Abschnitten der Wandteile 9 als Materialzuläufe 10 bzw. als Materialabläufe 11 ausgebildete Einsätze angeordnet, die Durchgangs­ öffnungen für unter Druck zugeführtes bzw. abgeführtes Schweißpulver S aufweisen. Die Zu- bzw. Abläufe 10 bzw. 11 können vor dem Bauteil­ verschweißen abgedichtet werden. Alternativ wäre es vorstellbar, als Zu- bzw. Abläufe Bohrungen in den Wandteilen 9 vorzusehen, die vor dem Schweißen pfropfenartig verschlossen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung oder zur Reparatur oder nachträglichen Qualitätsoptimierung folgender Bauteile bei Tur­ bomaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken eingesetzt werden: Turbinen-,Verdichter- bzw. Gebläseschaufeln - auch stationär (Leitschaufeln), Flammrohrwandteile oder Gehäuse von Brennkammern, Verdichter- oder Turbinengehäuse oder -rotoren oder Schubdüsenklappen.

Die Erfindung kann sich in der örtlichen Erneuerung hochtemperaturbe­ lasteter Zonen, z. B. der Eintritts- oder Austrittskanten oder Spitzen von Turbinenschaufeln, äußern, wonach gegenüber dem ursprünglichen Altteil A höher legierte temperaturfestere Werkstoffe bei den Neu­ teilen eingesetzt werden können. In diesem Sinne kann gemäß der Erfin­ dung von vorn herein ein Bauteil, z. B. eine Schaufel, im Hinblick auf betrieblich unterschiedliche Beanspruchungen (Belastungen, Tempe­ raturen, Abrieb) mehrteilig, d. h., Stück für Stück, vorgefertigt und später durch dieses Schweißverfahren verbunden werden.

Z. B. hinsichtlich häufig wiederkehrender Belastungsgrenzen und zu erwartender Beschädigungen hieraus können den Neuteilen sogenannte "unidirectional" erstarrte, also Einkristall-Bauteile, zugrunde gelegt werden, um gravierende Zugbelastungen örtlich, z. B. am Schaufelblatt, noch besser zu beherrschen als dies beim sogenannten Altteil örtlich der fall ist, das somit materialseitig einfacher und billiger her­ stellbar wäre.

Die Erfindung eignet sich auch bei sogenannten "blisks", d. h. serien­ mäßig einstückig gefertigten Rotor-Schaufelkomponenten, z. B. im ECM-Verfahren, wobei gerade hier z. B. bei unbeeinträchtigt gebliebe­ ner Scheiben- oder Rotorsektion die Komponentenerhaltung durch örtliche Schaufelreparatur oder -erneuerung gerechtfertigt erscheint.

Die Erfindung kann im Rahmen folgender Schweißprozesse vorteilhaft durchgeführt werden:
EB-(Elektronenstrahl)Schweißen, WIG-Schweißen (Wolfram-Inert-Gas-Schweißen), Plasmaschweißen, Stich-Loch-Schweißen, oder z. B. elektrisches Widerstandsschweißen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung von Bauteilen (A; 4, 5) für Turbomaschinen, bei dem die Bauteile entlang gemeinsamer Endkanten miteinander verschweißt werden, insbesondere zur Bauteilreparatur, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Bauteil (4, 5) eine taschenartig Vertiefung (6, 7) aufweist, mit der es auf das andere Bauteil (A) so auf gesteckt wird, daß es mit dem Grund der Vertiefung auf einer korres­ pondierenden Endkante des anderen Bauteils (A) aufsitzt, danach der üb­ rige Zwischenraum zwischen taschenartiger Vertiefung und dem anderen Bauteil (A) mit einem Schweißpulver (S) aufgefüllt und durch Erhitzen auf Schweißtemperatur die beiden Bauteile (A; 4, 5) verschweißt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ta­ schenartige Vertiefung des einen Bauteils (4, 5) mit größerem Brei­ tenmaß als das örtlich größte Dickenmaß des anderen Bauteils (1) gefertigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die taschenartige Vertiefung (6) mit einem sich von der offenen nach der Grundseite hin verjüngenden Querschnitt gefertigt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes eine Bauteil (4, 5) gegenüber dem an­ deren Bauteil (A) - Abschnitte (2, 3) - überdimensioniert vorge­ fertigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedes eine Bauteil (4) um das 0,1 bis 5fache breiter als die jeweils örtliche maximale Dicke des anderen Bau­ teils (A) gefertigt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes eine Bauteil (4) zumindest vor dem Ver­ schweißen mit dem anderen Bauteil (A) mit einer außenwandseitig ein- oder ausgeprägten Schweiß-Strahl-Markierung (M), insbesondere in Höhe des Taschen- bzw. Nutgrundes, versehen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes eine Bauteil (4, 5) mit mindestens einem zusätzlichen Halterungsab­ schnitt (8) vorgefertigt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die taschenartige Vertiefung (7) nach erfolg­ ter Auffüllung mit dem Schweißpulver (S) an der offenen Seite ab­ gedichtet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die taschenartige Vertiefung (7) zumindest vor dem Schweißprozeß an der offenen Seite abgedichtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die taschenartige Vertiefung (7) an der offenen Seite durch örtlich gegen das andere Bauteil (A) gerichtetes Umbiegen von Wandab­ schnitten (9) einen Bauteils (4) verschlossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die taschenartige Vertiefung deckelartig abgedichtet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die taschenartige Vertiefung (7) zunächst abge­ dichtet bzw. verschlossen und danach mit dem Schweißpulver (S) gefüllt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Bauteil (4) mit Zuführ- bzw. Abführungsdurchgängen bzw. -einsatzstücken (10 bzw. 11) für die Auffüllung bzw. für den Ab­ lauf des Schweißpulvers (S) ausgestattet wird.

14. Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von miteinander zu verschweißenden Bau­ teilen von Turbinen- oder Verdichterschaufeln oder von flammrohr­ wandteilen oder Gehäusebauteilen einer Brennkammer oder von Verdichter- oder Turbinengehäusen oder -rotorabschnitten oder von Schubdüsenklappen.