Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Schweißen von Bauteilen vorzugs- weise einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.

Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flugtriebwerke entwi- ckelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht werden und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken spielt unter anderem die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle. Da Gasturbinen einer hohen Bean- spruchung unterliegen und daher während des Betriebs schadhafte Bereiche an der Gastur- bine entstehen können, ist es weiterhin von Bedeutung, hochentwickelte Reparaturverfahren bereitzustellen, so dass die schadhaften Bereiche zuverlässig, sicher, schnell und kosten- günstig repariert werden können.

Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen (auch Superlegierungen genannt) und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichterge- häuse und Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Ver- dichterteile, insbesondere für Verdichterschaufeln. Nickellegierungen sind für die heißen Teile des Flugtriebwerks geeignet, so zum Beispiel für Turbinenschaufeln. Gasturbinenbautei- le der neuesten Generation werden aus gerichtet erstarrten oder einkristallinien Werkstoffen gefertigt, wobei zusätzlich zur Gewichtsoptimierung die Wandstärken der Bauteile konstruk- tiv immer dünner ausgelegt werden.

Die oben beschriebenen Tendenzen bei der Entwicklung von Gasturbinenbauteilen, nämlich die Suche nach immer verbesserten Werkstoffen und die zunehmende Gewichtsoptimierung der Bauteile, stellt sehr hohe Anforderungen an die Fertigungsverfahren sowie Reparaturver- fahren, worunter auch Schweißverfahren fallen.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Schweißverfahren, insbesondere Repa- raturschweißverfahren, für Bauteile, insbesondere für Gasturbinenbauteile. So zeigen näm- lich hochwarmfeste Superlegierungen, die als gerichtet erstarrte Werkstoffe sowie einkristal- line Werkstoffe vorliegen können, beim Schweißen eine hohe Rissempfindlichkeit sowie Ver- zugsanfälligkeit. Mit herkömmlichen Schweißverfahren sind demnach Bauteile aus den obi- gen Werkstoffen nur schlecht bearbeitbar bzw. reparierbar.

Die DE 43 27 189 C2 betrifft ein Reparaturschweißverfahren für Schaufelblätter von Gastur- binen. Bei dem dort offenbarten Verfahren, erfolgt eine Stumpfschweißung einer zuvor prä- parierten Reparaturfläche, wobei als Stumpfschweißverfahren entweder Wolfram-Plasma- Lichtbogen (WPLkSchweißen, Laserstrahischweißen oder Elektronenstrahlschweißen zum Einsatz kommt. Als Laserquelle findet hier ein C02-Laser Verwendung.

Die DE 196 30 703 C2 offenbar ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reparaturschwei- ßen von Bauteilen, die aus einer Nickel-Basis-Legierung hergestellt sind. Bei dem Reparatur- schweißverfahren gemäß DE 196 30 703 C2 findet eine induktive Erwärmung des zu schweißenden Bauteils statt, wobei als Schweißverfahren entweder ein Laserschweißen, WIG-Schweißen oder Plasmaschweißen verwendet wird.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Schweißverfahren, insbesondere Reparatur- schweißverfahren, verfügen allesamt über den Nachteil, dass beim Schweißen eine relativ hohe Wärme in das zu schweißende Bauteil eingebracht wird. Infolge der hohen Wärmeein- bringung in das Bauteil kann es insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen aus Superlegie- rungen, insbesondere aus gerichtet erstarrten Werkstoffen oder einkristallinen Werkstoffen, zu einem Einbrand, Durchsacken des Schmelzbades, Verzug am Bauteil oder einer erneuten oder erweiterten Rissbildung kommen. Bei doppelwandigen Bauteilen können sich unzuläs- sige Schweißdurchhänge ausbilden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Schweißver- fahren erfordern demnach einen hohen Nachbearbeitungsaufwand. Des weiteren steifen sich bei den Schweißverfahren nach dem Stand der Technik erhebliche Qualitätsschwankungen ein.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren sowie eine neuartige Vorrichtung zum Schweißen von Bauteilen vorzugsweise einer Gasturbine vorzuschlagen.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das eingangs genannte Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.

Erfindungsgemäß wird die oder jede Laserquelle im Pulsverfahren betrieben. Das erfin- dungsgemäße Schweißverfahren zeichnet sich durch eine gezielte und sehr geringe Wärme- einbringung in das zu schweißende Bauteil aus. Die in das zu schweißende Bauteil einge- brachte Energie und damit der eingebrachte Wärmeeintrag sind präzise kontrollierbar. Mithil- fe des erfindungsgemäßen Verfahrens können sehr feine und reproduzierbare Schweißnähte auch bei Bauteilen aus Superlegierungen, insbesondere aus gerichtet erstarrten oder einkri- stallinen Werkstoffen, und bei dünnwandigen Bauteilen erzeugt werden. Die Schweißqualität wird verbessert und die Nacharbeit durch wiederauftretende Risse, Einbrände, Bauteilverzug und dergleichen wird auf ein Minimum reduziert. Das erfindungsgemäße Schweißverfahren kommt ohne Vorwärmung der zu schweißenden Bauteile aus.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Schweißdraht automatisch in den Bereich des Laserstrahls der oder jeder Laserquelle geführt, wobei eine Steuerungsein- richtung einen Drahtvorschub des Schweißdrahts abhängig von der Pulsdauer und/oder Pulsform und/oder Leistung der oder jeder Laserquelle bzw. des entsprechenden Laser- strahls bestimmt.

Das Laserschweißen des Bauteils wird vorzugsweise im unvorgewärmten Zustand des Bau- teils unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im unabhängigen Patentanspruch 11 definiert uns vorzugsweise als Handlaservorrichtung ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung werden vorzugsweise zum Schweißen von Bauteilen aus einem gerichtet erstarrten oder einem einkristallinen Werkstoff verwendet.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprü- chen und der nachfolgenden Beschreibung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt : Fig. 1 : eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrich- tung zum Schweißen, insbesondere zum Reparaturschweißen, von Bauteilen, vorzugsweise einer Gasturbine, in größerem Detail erläutert. Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbei- spiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schweißen von Gasturbinenbauteilen, wobei die Vorrichtung als Handlaservorrichtung ausgebildet ist.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist ein zu schweißendes Bauteil 10 in einem Schweiß- raum bzw. Aufnahmeraum 11 angeordnet. Das Bauteil 10 ist im gezeigten Ausführungsbei- spiel als Gasturbinenschaufel ausgebildet.

Das Schweißen des Bauteils 10 im Aufnahmeraum 11 erfolgt durch Laserschweißen. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 umfasst eine Laserquelle 12, wobei das von der Laserquelle 12 erzeugte Laserlicht über eine Lichtleitfaser 13 in den Bereich einer Bearbeitungsstation 14 führt. Die Bearbeitungsstation 14 umfasst optische Elemente 15,16, um das von der Laser- quelle 12 erzeugte Laserlicht zu fokussieren und als gerichteten Laserstrahl 17 auf das zu schweißende Bauteil 10 zu leiten bzw. zu richten. Mit einem der Bearbeitungsstation 14 zugeordneten Stereomikroskop 18 kann der Schweißprozess überwacht bzw, beobachtet werden.

Es liegt nun im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass die Laserquelle 12 im sogenann- ten Pulsverfahren betrieben wird. Das Laserschweißen wird demnach im Pulsverfahren durchgeführt, wobei das Bauteil demnach unter Verwendung eines pulsierenden Laserstrahls 17 geschweißt wird. Hierbei sind die Pulsdauer und/oder Pulsform und/oder die Leistung des Laserstrahls 17 bzw. der Laserquelle 12 variabel einstellbar. Es kann sowohl im Dauer- pu) sbetrieb a) s auch mit einzelnen Pulsen geschweißt werden. Die Pulsform sowie Pulsdauer sowie Leistung des Laserstrahls 17 wird hierbei vorzugsweise von einer nicht-dargestellten Steuerungseinrichtung gesteuert. Hierdurch kann der Laserstrahl 17 sehr definiert auf das Bauteil 17 gerichtet bzw. fokussiert werden, wodurch die durch den Laserstrahl 17 einge- brachte Energie präzise kontrollierbar ist. Der Wärmeeintrag beim Schweißen im Pulsverfah- ren ist sehr gering, wodurch ein zu großes Schmelzbad vermieden wird. Aufgrund des ge- pulsten Laserschweißverfahrens werden Formveränderungen, Teileverzug, Gefügeänderun- gen und Rissbildungen am zu schweißenden Bauteil 10 auf ein Minimum reduziert.

Das erfindungsgemäße Verfahren des Laserschweißens im Pulsbetrieb ist besonders vorteil- haft bei dünnwandigen Bauteilen aus Superiegierungen, die in gerichtet erstarrter oder ein- kristalliner Form vorliegen, verwendbar. Bei diesen Bauteilen handelt es sich insbesondere um Schaufeln von Gasturbinen. Derartige Bauteile sind beim Schweißen besonders empfind- lich und lassen sich mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne Vorwärmung, d. h. im unvorgewärmten Zustand, schweißen. Dies erlaubt eine besonders zuverlässige, sichere, schnelle und kostengünstige Reparatur von Gasturbinenschaufeln. Mit dem erfindungsge- mäßen, gepulsten Laserschweißverfahren können verschlissene Kanten von Gasturbinen- schaufeln sehr konturgenau nachgeschweißt werden sowie Risse in den Turbinenschaufeln zuverlässig geschlossen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt weiterhin über eine Drahtzuführungseinrichtung 19. Mithilfe der Drahtzuführungseinrichtung 19 wird ein Schweißdraht 20 an das zu schwei- ßende Bauteil 10 herangeführt. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird die Drahtzu- führungseinrichtung 19 von der nicht-dargestellten Steuerungseinrichtung derart gesteuert, dass ein Drahtvorschub des Schweißdrahts 20 an die Pulsdauer und/oder Pulsform und/oder Leistung des gepulsten Laserschweißverfahrens angepasst wird. Der Drahtvor- schub wird dabei so gesteuert, dass pro Schweißpuls der Schweißdraht 20 dem zu schwei- ßenden Bauteil 10 exakt zugeführt wird. Die Geschwindigkeit des Drahtvorschubs wird dabei vorzugsweise in Abhängigkeit der Laserleistung eingestellt. Mittels empirisch ermittelter Schweißparameter, die in einer Datenbank der nicht-dargestellten Steuerungseinrichtung gespeichert sind, können abhängig vom vorliegenden Schadensfall die notwendigen Schweißparameter abgerufen werden. Es liegt im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass die Drahtzufuhr des Schweißdrahts 20 zur Erhöhung der Prozesssicherheit von einer CNC-Maschine durchgeführt wird, die von der nicht-dargestellten Steuerungseinrichtung angesteuert wird.

Das Schweißen des zu reparierenden Bauteils 10 erfolgt im Aufnahmeraum 11 vorzugsweise unter einer Schutzgasatmosphäre. Ein Schutzgas wird über eine Schutzgaszufuhr 21 in den Aufnahmeraum 11 eingeleitet. Die Auswahl eines geeigneten Schutzgases hängt von den Materialien der zu schweißenden Bauteile ab und obliegt dem hier angesprochenen Fach- mann.

Als Laserquelle 12 findet ein Festkörperlaser, vorzugsweise ein Nd-YAG-Festkörperlaser, Verwendung. Dieser Festkörperlaser wird im Pulsbetrieb betrieben und ist von einer Steue- rungseinrichtung ansteuerbar. Bevorzugt ist die Verwendung eines gepulsten Festkörperla- sers, dessen mittlere Laserleistung in einem Bereich von 100 W bis zu 500 W liegt, wobei die Pulsspitzenleistung mindestens 6 bis 10 kW beträgt. Die Pulsenergie schwankt zwischen 0,1 bis 80 J und die Pulsdauer ist zwischen 0,1 und 30 ms variabel einstellbar. Der Festkörperla- ser wird optisch angeregt, vorzugsweise ist derselbe als ein diodengepumpter oder lampen- gepumpter Festkörperlaser ausgebildet.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung ist als stationäres Handschweißge- rät bzw. Handlasergerät ausgebildet. Bei dem beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbei- spiel, bei welchem Pulsdauer, Pulsform und Leistung des Laserstrahls 17 sowie die Drahtzu- fuhr des Schweißdrahts 20 von einer Steuerungseinrichtung gesteuert werden, bedeutet dies, dass ein Bediener in diesem Fall nur noch das zu schweißende Bauteil 10 unter dem Laserstrahl 17 zu führen hat und die Qualität des Schweißvorgangs über das Stereomikro- skop 18 beobachten kann. Optional kann auch bei starren oder bei linearen Anwendungen der Vorschub des Bauteils über ein 3-Achs-System durchgeführt werden. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass neben einer motorisch angetriebenen, gesteuerten Drahtzufuhr des Schweißd rahts 20 selbstverständlich auch eine handgeführte Drahtzufuhr möglich ist.

Die motorisch angetriebene, gesteuerte Drahtzufuhr ist jedoch exakter und damit bevorzugt.

Die oben beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung als stationäres Handschweißgerät eignet sich vor allem zur Bearbeitung, nämlich zum Schweißen oder Re- paraturschweißen, kleinerer Gasturbinenbauteile, wie zum Bespiel von Gasturbinenschaufel.

Zur Bearbeitung größerer Bauteile oder zur Durchführung von Schweißarbeiten direkt an der Gasturbine ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als mobiles Schweißgerät realisier- bar. Mit einer derartigen Ausführungsform können auch großvolumige, schwere und schwer zugänglich Bauteile bearbeitet werden. In diesem Fall ist die Bearbeitungsstation 14 an ei- nem schwenkbaren Arm befestigt, der in den Bereich des zu schweißenden Bauteils verfah- ren werden kann. Weiterhin ist vorstellbar, die Bearbeitungsstation 14 über ein mehrachsi- ges Portalsystem an das zu bearbeitende Bauteil heranzuführen. In diesem Fall ist die erfin- dungsgemäße Vorrichtung als Portalsystem ausgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung finden bevorzugt Verwendung beim Schweißen, insbesondere beim Reparaturschweißen, von Bauteilen aus hochwarmfesten Superlegierungen, die in gerichtet erstarrter oder einkristalliner Form vor- liegen. Mit dem neuen Verfahren können Bauteile von Gasturbinen, wie rotationssymmetri- sche Bauteile, zum Beispiel Dichtungen und Halteringe, geschweißt werden. Neben Gehäu- steilen lassen sich auch Laufschaufeln sowie Leitschaufeln von Hochdruckturbine, Nieder- druckturbine und Kompressor bzw. Verdichter schweißen. Es lassen sich alle SuperalloysJy'- Phase-Materialien und Materialien aus der MCrAIY-Familie und alle Hochtemperatur- Legierungen sowie Legierungen der Nickelgruppe oder Kobaltgruppe zuverlässig schweißen.

Beispiele von mit des erfindungsgemäßen Verfahrens schweißbaren Materialen sind : R'80, R'41, DSR'142, R'N5, R'N4, PWA 1426, PWA 1484, PWA 1480, MARM 509 oder auch MARM 274. Als Schweißdraht findet vor allem ein Schweißdraht Verwendung, der über dieselbe Zusammensetzung verfügt wie das zu schweißende Bauteil.

Mithilfe der hier vorliegenden Erfindung lassen sich gegenüber dem Stand der Technik eine Vielzahl von Vorteilen realisieren. So ergibt sich eine Reduzierung der Rissbildung nach dem Schweißen bzw. während des Schweißens. Weiterhin wird der Verzug an den zu schweißen- den Bauteilen bedingt durch die geringere Wärmeeinflusszone und den geringeren Wärme- eintrag reduziert. Beim Schweißen können höhere Festigkeiten sowie ein feinkörnigeres Schweißgut erzielt werden, was einer Qualitätsverbesserung des Schweißvorgangs gleich- kommt. Es ist ein zuverlässiges Reparaturschweißen auch von extrem dünnwandigen Bautei- len möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sehr variabel. Mit ihr können einerseits kleine Bauteile als auch andererseits große, schwere und schwer zugängliche Bauteil ge- schweißt werden. Durch die Steuerung der Laserpuls und die Steuerung der Drahtzufuhr ergibt sich eine reproduzierbare Schweißqualität. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfah- rens ist eine dauerhafte sowie verschleißfeste Schweißverbindung herstellbar. Aufgrund der artgleichen Zusammensetzung des zu schweißenden Bauteils und des als Zusatzwerkstoff dienenden Schweißdraht erreicht die erzeugte Schweißnaht nahezu die gleichen Eigenschaf- ten wie das Grundmaterial und hat damit eine geringere Anfälligkeit im späteren Betrieb, insbesondere gegenüber Thermoermüdungsrissen, da es die gleichen Wärmeausdehnungs- koeffizienten aufweist, wie das Grundmaterial.