| WO/2001/054857 | THERMAL PROCESSING APPARATUS AND METHOD |
| JP2005069425 | CIRCULAR HOLE FILLING STRUCTURE BY BOLT |
| JP2004169701 | TURBINE NOZZLE SEGMENT, AND METHOD FOR REPAIRING THE SAME |
NEBESNI, Josef (Zimmersmühlenweg 4, Oberursel, 61440, DE)
| Patentansprüche Verfahren zur Reparatur von Rotorschaufeln einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, bei dem der beschädigte Teil der Schaufelspitze entfernt wird und anschließend durch Laserauftragschweißen wieder aufgebaut und danach mechanisch fertigbearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) mit den an diesem lösbar oder einstückig angebrachten Rotorschaufeln (2) schrittweise gedreht wird und während des Stillstands des Rotors (1) die jeweilige, gerade unter einer stationären Laserauftragschweißeinheit (5) befindliche Rotorschaufel (2) an der Schaufelspitze (16) in einem begrenzten Bereich mit einem in einem bestimmten Zeitintervall erzeugten Laserstrahl (14) erwärmt und aufgeschmolzen und mit einem in einem bestimmten Zeitintervall zugeführten Metallpulverstrom punktuell beschichtet wird und auf diese Art die Schaufelspitzen (16) in Umfangsrichtung und schrittweise über ihre gesamte Länge und schließlich bis zur erforderlichen Schaufelhöhe punktuell beschichtet werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des diskontinuierlichen, punktuellen Laserauftragschweißens kontinuierlich oder diskontinuierlich Schutzgas zugeführt wird. |
Rotorschaufeln einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, bei dem der beschädigte Teil der Schaufelspitze entfernt wird und anschließend durch Laserauftragschweißen wieder aufgebaut und danach mechanisch fertig- bearbeitet wird.
Beim Laserauftragschweißen erfolgt ein Materialauftrag durch Aufschmelzen der Oberfläche des Werkstücks und gleichzeitiges Aufbringen eines in Pulverform oder als Schweißdraht vorliegenden Zusatzwerkstoffs. Die hochbeanspruchten und teueren Schaufeln eines Triebwerks, und zwar sowohl integral mit der Rotorscheibe verbundene Schaufeln als auch auf herkömmliche Art an der Rotorscheibe angebrachte separate Schaufeln, können bei Ver- schleiß und Beschädigung an den Schaufelspitzen kostengünstig durch Laserauftragschweißen repariert werden. Dabei wird zunächst der beschädigte oder verschlissene Teil an der Schaufelspitze mechanisch abgetragen. Anschließend wird die Schaufelspitze entlang dem Kantenverlauf bzw. etwa in Richtung der Rotationsachse der Rotorscheibe mit einem C0 2 - oder Nd:YAG-Laser lokal aufgeschmolzen und dem aufgeschmolzenen Bereich ein mit einem inerten Gas gemischtes Metallpulver zugeführt, das sich mit der Grundmaterialschmelze vermengt. Auf diese Weise wird bis zum Erreichen der ursprünglichen Schaufeldimensionierung eine Materiallage nach der anderen entlang der Spitze der jeweiligen Rotorschaufel aufgetragen. Dieses Verfahren ist insofern nachteilig, als durch die separate Beschichtung jeder einzelnen Schaufel sehr viel Wärmeenergie in das Bauteil eingebracht wird und ein dementsprechend hoher Wärmeverzug der Schaufel auftritt. Die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen hohen Auftragsraten sind zudem mit einem hohen Aufwand für die mechanische Nacharbeit verbunden, und andererseits verringert sich mit einer höheren Schichtdicke des durch Laserauftragschweißen aufgebrachten Zusatzwerkstoff die Beanspruchbarkeit und die Härte der aufgetragenen Beschichtung .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reparatur von an den Schaufelspitzen verschlissener oder beschädigter Rotorschaufeln durch Laserauftragschweißen anzugeben, das einen verminderten Arbeitsaufwand erfordert und reparierte Schaufeln in hoher Qualität zur Verfügung stellt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass das Laserauftragschweißen zum Wiederaufbauen der Schaufelspitzen nicht in einem kontinuierlichen Schweißprozess entlang der Schaufelkante erfolgt, sondern während einer taktweisen Rotation der an einer Rotorscheibe angebrachten Rotorschaufeln bei jedem Takt in nur einem punktuell begrenzten Abschnitt der jeweiligen Schaufelkante. Das heißt, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Ro ¬ tor mit den an diesem lösbar oder einstückig angebrachten Rotorschaufeln schrittweise gedreht und während des
Stillstands des Rotors wird die jeweilige, gerade unter einer stationären Laserauftragschweißeinheit befindliche Rotorschaufel an der Schaufelspitze in einem begrenzten Bereich mit einem in einem bestimmten Zeitintervall er- zeugten Laserstrahl erwärmt und aufgeschmolzen und mit einem in einem bestimmten Zeitintervall zugeführten Me- tallpulverstrom punktuell beschichtet. Dieser Vorgang wird nach jedem Umlauf der Rotorscheibe und jeweils einer Horizontalverstellung der Laserauftragsschweißeinheit so oft wiederholt, bis die Schaufelspitzen aller Rotorschau- fein über die gesamte Länge der Schaufelkanten und schließlich bis zur erforderlichen Schaufelhöhe, und zwar nachdem die Laserauftragsschweißeinheit für das Aufbringen einer weiteren Materialschicht zwischenzeitlich vertikal nach oben verstellt wurde, in einer Vielzahl von einzelnen Schweißschritten Punkt für Punkt und Schicht für Schicht punktuell beschichtet sind. Die Vorteile des Verfahrens bestehen in einem verminderten Zeitaufwand für die Reparatur von Rotorschaufeln und in den verbesserten tribologischen Eigenschaften des Schaufelmaterials im Be- reich der reparierten und hochbeanspruchten Schaufelspitze .
In Ausgestaltung der Erfindung wird während des diskonti ¬ nuierlichen, punktuellen Laserauftragschweißens kontinu- ierlich oder diskontinuierlich Schutzgas zugeführt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, deren einzige Figur eine Anordnung zur Repara ¬ tur der Spitzen von Rotorschaufeln eines Gasturbinen- triebwerks wiedergibt, näher erläutert.
Ein Rotor 1 mit an dessen Umgang angebrachten Rotorschaufeln 2 ist mit einer Antriebsvorrichtung 3 verbunden, die den Rotor 1 mithilfe einer an die Antriebsvorrichtung 3 gekoppelten Steuerung 4 in eine schrittweise Drehbewegung versetzen kann. Der beschädigte bzw. verschlissene Teil der Schaufelspitzen wurde zuvor in einem mechanischen Bearbeitungsverfahren abgetragen. Die Beschichtung der so vorbereiteten Schaufeln 2 an den Schaufelspitzen 16 er- folgt durch Laserauftragschweißen mithilfe einer horizontal und vertikal verstellbar angeordneten Laserauftrag- schweißeinheit 5, die eine Laseroptik 6, einen Beschichtungskopf 7 und einen Schutzgaskopf 8 umfasst. Die Laseroptik 6 ist über Glasfaserstecker 9 und eine Glasfaser 10 an eine mit einer Laserkühlung 11 und einer Lasersteue- rung 12 verbundene Lasereinheit 13 angeschlossen. Durch die Laseroptik 6 wird ein Laserstrahl 14 auf einen Punkt der sich etwa in Richtung der Drehachse 15 des Rotors 1 erstreckenden Schaufelspitze 16 gerichtet, die sich gerade unterhalb der Laseroptik 6 befindet.
Eine am Beschichtungskopf 7 befestigte Pulverdüse 23 ist über einen Pulvergasschlauch 17 an einen Pulverförderer 18 angeschlossen, der über einen Fördergasschlauch 19 mit einer Gasquelle (nicht dargestellt) verbunden ist. Das mit dem Gas geförderte Metallpulver wird über die Pulverdüse 23 dem vom Laserstrahl 14 an der Schaufelspitze 16 erzeugten Schmelzbad zugeführt, um so an der Schaufelspitze einen etwa punktförmigen Materialauftrag zu bewirken. Eine am Schutzgaskopf 8 angebrachte, auf das
Schmelzbad an der Schaufelspitze gerichtete Schutzgasdüse 20, die über eine Schutzgasleitung 21 mit in diese eingebundener Schut zgasvolumenstrommessvorrichtung 22 an eine Schutzgasquelle (nicht dargestellt) angeschlossen ist, sorgt für einen Materialauftrag in einer Schut zgasatmo- Sphäre.
Während des Beschichtens der Schaufelspitzen 16 wird der Rotor 1 mit den an dessen Umfang angebrachten Schaufeln 2 schrittweise gedreht. Wenn sich eine Schaufelspitze im Ruhezustand unterhalb der Laseroptik 6 befindet, wird in einem bestimmten Zeitintervall ein Laserstrahl 14 er ¬ zeugt, der in einem begrenzten Bereich der betreffenden Schaufelspitze ein punktuelles Aufschmelzen bewirkt. Dem Schmelzbad wird - unter gleichzeitiger Schutzgaszufuhr - über die Pulverdüse 23 eine begrenzte Pulvermenge zuge ¬ führt. Unter taktweisem Drehen des Rotors werden auch die anderen Schaufelspitzen in der zuvor beschriebenen Art in einem punktuell begrenzten Bereich der jeweiligen Schaufelspitze beschichtet. Anschließend wird die Laserauftragschweißeinheit 5 horizontal verfahren und der dem zu- vor beschichteten Bereich benachbarte Bereich der Schaufelspitze jeweils punktuell durch Laserauftragschweißen beschichtet. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis über die gesamte Länge aller Schaufelspitzen eine durchgehende erste Materialschicht aufgebracht worden ist. Da- nach wird die Laserauftragschweißeinheit 5 vertikal nach oben verfahren und - wie zuvor beschrieben - werden weitere Schichten aufgebracht, und zwar bis die ursprüngliche und mit einem Aufmaß für eine nachfolgende spanenende Bearbeitung geeignete Schaufelhöhe erreicht ist.
Aufgrund der bei einer schrittweisen Drehbewegung durchgeführten - diskontinuierlichen, punktuellen - Beschich- tung werden jeweils nur kleine Wärmeeinwirkzonen im
Schaufelmaterial erzeugt. Die in die Schaufel eingebrach- te geringe Wärmemenge minimiert das Verziehen des Werkstücks. Aus den jeweils kleinen Wärmeeinwirkzonen resultieren darüber hinaus steile Temperaturgradienten und demzufolge hohe Abkühlraten, die zu einer höheren Härte der aufgebrachten Materialschicht führen und somit ein besseres Reibungs- und Verschleißverhalten der Schaufeln zur Folge haben. Zudem wird der Zeitaufwand beim Laserauftragschweißen und bei der Nachbearbeitung der beschichteten Schaufeln verringert.
Bezugszeichenliste
1 Rotor, Rotorscheibe
2 Rotorschaufeln
3 AntriebsVorrichtung
4 Steuerung von 3
5 Läserauftragschweißeinheit
6 Laseroptik
7 Beschichtungsköpf
8 Schutzgaskopf
9 Glasfaserstecker
10 Glasfaser
11 Laserkühlung
12 LaserSteuerung
13 Lasereinheit
14 Laserstrahl
15 Drehachse von 1
16 Schaufeispitze
17 Pulvergasschlauch
18 Pulverförderer
19 Fördergasschlauch
20 Schutzgasdüse
21 Schutzgasleitung
22 Schut zgasvolumenstrommessVorrichtung
23 Pulverdüse