MOKADEM, Selim (Lichtenbroicher Weg 12, Düsseldorf, 40472, DE)
PIRCH, Norbert (Im Mittelfeld 52, Aachen, 52074, DE)
FRAUNHOFER GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V. (Hansastrasse 27 c, München, 80686, DE)
BURBAUM, Bernd (Kirchstr. 19a, Übach-Palenberg, 52531, DE)
MOKADEM, Selim (Lichtenbroicher Weg 12, Düsseldorf, 40472, DE)
PIRCH, Norbert (Im Mittelfeld 52, Aachen, 52074, DE)
Patentansprüche
1. Vorrichtung (30) zum Schweißen eines Bauteils (4, 120, 130, 155), die aufweist: eine Prozesskammer (31), in der das Bauteil (4, 120, 130, 155) angeordnet werden kann und schweißbar ist und ein Schweißgerät (33) .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die in der Prozesskammer (31) ein Bewegungsmittel (38) für das Bauteil (4, 120, 130, 155) aufweist, das (38) das Bauteil (4, 120, 130, 155) von dem Schweißgerät (33) weg- oder hinkippen kann und/oder das (38) das Bauteil (4, 120, 130, 155) drehen kann und/oder das (38) das Bauteil (4, 120, 130) in der Höhe innerhalb der Prozesskammer (31) verstellen kann.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die eine Heizschleife (41) aufweist, die (41) um das Bauteil (4, 120, 130, 155) geführt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Schweißgerät (33) innerhalb der Prozesskammer (31) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Schweißgerät (33) außerhalb der Prozesskammer (31) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5, bei der das Schweißgerät (33) ein Laser ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5, bei der die Prozesskammer (31) eine Vakuumkammer darstellt
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 5 oder 7, bei der in der Prozesskammer (31) ein Schutzgas verwendet werden kann.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Bewegungsmittel (38) nur eine Schwenkapparatur darstellt, die das Bauteil (1, 120, 130, 155) nur kippen kann.
10. Verfahren zum Schweißen eines Bauteils (4, 120, 130, 155), bei dem das Bauteil (4, 120, 130, 155) in einer Prozesskammer (31), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, angeordnet wird und dort geschweißt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem während des Schweißens mit einem Schweißgerät (33) das Bauteil (4, 120, 130, 155) verkippt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Bauteil (4, 120, 130, 155) durch eine Heizschleife (41) vorgeheizt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem ein Laser als Schweißgerät (33) verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem in der Prozesskammer (31) ein Vakuum erzeugt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 10, 13 oder 14, bei dem ein Laser (33) außerhalb der Prozesskammer (31) verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Prozesskammer (31) mit dem Bauteil (4, 120, 130, 155) gegenüber dem Laser (33) bewegt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 10, 14, 15 oder 16, bei dem in der Prozesskammer (31) ein Schutzgas verwendet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 10 oder 12, bei dem die Vorheiztemperatur des Bauteils (4, 120, 130, 155) gemessen wird und geregelt wird. |
Vorrichtung zum Schweißen mit einer Prozesskammer und ein
Schweißverfahren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schweißen mit einer Prozesskammer und ein Schweißverfahren in einer Prozesskammer .
Schweißverfahren werden eingesetzt, um Bauteile miteinander zu verbinden oder um Bauteile zu reparieren, indem Risse umgeschmolzen werden, wobei je nach Anforderung auch noch Material (Schweißgut) hinzugefügt wird, um Material aufzutragen .
Dabei wird ein Energiestrahl, beispielsweise ein Laserstrahl über die Oberfläche eines Bauteils geführt, das von einem Prozessgas umspült wird, um eine Oxidation des heißen (aufgeschmolzenen) Schweißmaterials zu vermeiden.
Die Schutzwirkung des Prozessgases ist jedoch nicht immer ausreichend.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu überwinden .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das zu schweißende Bauteil in einer Prozesskammer angeordnet ist und bearbeitet wird.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
Figur 1, 2 erfindungsgemäße Vorrichtungen, Figur 3 eine Gasturbine, Figur 4 perspektivisch eine Turbinenschaufel, Figur 5 perspektivisch eine Brennkammer und Figur 6 eine Liste von Superlegierungen . Die Figuren und die Beschreibung zeigen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30. Die Vorrichtung 30 weist eine Prozesskammer 31 auf, die vorzugsweise eine Vakuumkammer darstellt und/oder die 31 mit einem Schutzgas, wie z.B. Argon (Ar) und/oder Stickstoff (N 2 ) oder einem Prozessgas geflutet ist oder wird.
Vorzugsweise weist die Prozesskammer 31 ein Bewegungsmittel 38 auf, mittels dem ein Bauteil 4, 120, 130, 155, das an dem Bewegungsmittel 38 angeordnet ist, gekippt und/oder um die Längsachse gedreht werden kann. Vorzugsweise muss das Bewegungsmittel 38 das Bauteil 4 zumindest von einen Schweißgerät 33 weg oder hinkippen können. Die Kippung kann während der Verlegung zweier Schweißnähte, insbesondere wenn sich der Krümmungsverlauf der zu legenden Schweißnähte ändert, erfolgen. Ein Schweißverfahren kann in der Erzeugung einer oder mehrerer Schweißnähte angesehen werden.
Eine Drehung findet vorzugsweise um eine Achse statt, die senkrecht steht zur Längsachse 121 (Fig. 4) des Bauteils 4. Die Längsachse ist am ehesten parallel zu der Strahlrichtung des Schweißgeräts 33 oder den Laserstrahlen oder der Längsrichtung der Prozesskammer 31.
Eine Kippung des Bauteils 4 kann während der Bearbeitung mittels des Schweißgerätes 33 erfolgen oder nur vorab der Bestrahlung mittels des Schweißgerätes 33. So kann eine Krümmung der zu schweißenden Fläche berücksichtigt werden.
Ebenso kann das Bauteil 4, 120, 130, 155 durch das Bewegungsmittel 38 in der Höhe innerhalb der Prozesskammer 31 durch das Bewegungsmittel (38) verschoben werden. So kann die Prozesskammer 31 an verschiedene Größen von Bauteilen , 120, 130, 155 und/oder verschieden hohen Stellen des Bauteils , 120, 130, 155, die geschweißt werden sollen, angepasst werden .
Vorzugsweise ist das Schweißgerätes 33 ein Laser.
Um das Bauteil 4, 120, 130, 155 ist vorzugsweise eine Heizschleife 41 vorhanden sein, um das Bauteil 4, 120, 130, 155 auf eine bestimmte Temperatur vorzuheizen oder um einen Temperaturgradienten für eine gerichtete Erstarrung eines Schmelzpools, der durch das Schweißgerät 33 generiert wird, zu erzeugen. Dies erzeugt eine lokale Temperaturerhöhung. Ebenso vorzugsweise wird die Vorheiztemperatur gemessen und geregelt .
Das Schweißgerät 33 kann innerhalb (Fig. 1) der Prozesskammer 31 angeordnet sein aber auch außerhalb, wie es z.B. mit einem Laser möglich ist, der durch ein Fenster 36 in der Prozesskammer 31 seine Laserstrahlen in die Prozesskammer 31 hineinstrahlen lassen kann (Fig. 2) . In dem Fall kann die Prozesskammer 31 mit dem Bauteil 120, 130 gegenüber dem Laser 33 bewegt werden, um die Position zu verändern oder um den Laserstrahl über das Bauteil 120, 130 zu führen. Bei anderen Verfahren zum Schweißen, bei dem Plasma verwendet wird, ist dies nicht möglich.
Das abgeschlossene System mit der Prozesskammer erlaubt es, genauer den Sauerstoffgehalt und die Temperatur der Schmelze des Schweißteils zu bestimmen, da äußere Einflüsse damit minimiert werden und ein Vakuum den Wärmeabschluss allgemein mit beim Vorheizen des Bauteils verringert.
Das Bauteil weist vorzugsweise eine Superlegierung gemäß Figur 6 auf.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das
Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113
impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine .
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .
Die Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer
Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt .
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel- spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) .
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau- felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas- sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb
hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen
Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl
oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte. Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10Al-0,4Y-l,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2θ3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu- tet) auf.
Die Figur 4 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000 0 C bis 1600 0 C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög- liehen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtem- peraturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt .
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder
Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306
454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder
Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der
Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die
Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der
Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.