Aus der EP 0 496 181 A1 ist es bekannt, metallische Werkstücke mit einem form- gebenden Auftragsschweissverfahren herzustellen. Ein solches Verfahren besteht darin, das Schweissmaterial, üblicherweise durch Stäbe oder endlose Drähte zugeführt, in Bahnen schichtweise abzulagern, bis die gewünschte Geometrie des Werkstückes erreicht wird. Durch dieses formgebende Auftragsschweissen von Werkstücken ist es möglich, auch grosse und entsprechend schwere Werkstücke herzustellen, die jedoch bezüglich Form relativ einfach, vorwiegend axial-oder rotationssymmetrisch, aus-gestaltet sind, oder aus solchen Formen zusammengesetzt sind. Dabei wird beschrieben, wie Schweissmaterialbahnen mit zwei-oder dreidimensionalen Formen und weitgehend gleichbleibender Beschaffenheit abgelagert werden, so dass Werkstücke mit praktisch beliebigen Formen entstehen, ohne dass ein Stützkörper oder spezieller Manipulator zur Stützung des aufgeschmolzenen Schweissmaterials notwendig ist. So wird auch die Herstellung eines Peltonrades beschreiben, wobei die einzelnen Schaufeln nacheinander hergestellt werden. Hierbei muss der Schweiss-vorgang jeweils unterbrochen werden, so dass mit erheblichen Schweissspannungen und daher Verzug der Schaufelgeometrie gerechnet werden muss. Daher kann die erreichbare Festigkeit beschränkt werden. Zudem erhöht sich der Zeitaufwand erheblich, so dass die Herstellkosten relativ hoch sind.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung dazu zu schaffen, womit eine wirtschaftliche Herstellung von Radiallaufrädern ermöglicht wird, insbesondere hinsichtlich Durchlaufzeiten und Fertigungsqualität. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Formen des Verfahrens. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung ist durch die Merkmale des Anspruches 6 bzw. 11 gekennzeichnet. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung.

Das erfindungsgemässe Verfahren zum formgebenden Auftragsschweissen des die Schaufeln tragenden Aussenringes eines Radiallaufrades zeichnet sich durch einen praktisch ununterbrochenen Schweissvorgang aus, wobei dies durch die an sich bekannte Kombination von Auftragsschweisstechnik, Computertechnik und Robotik ermöglicht wird. Die angewendeten Schweissverfahren als auch die verwendeten metallischen Werkstoffe sind bekannt. Als Schweissverfahren können Lichtbogen- schweissverfahren oder Laserstrahlschweissverfahren angewendet werden.

Leistungsfähige CAD-Rechnerprogramme erlauben den Entwurf von komplexen, zwei- oder dreidimensionalen Modellen von Werkstücken, die mit Hilfe der Freiformmethode unmittelbar als metallische Werkstücke herstellbar sind. Das Werkstück wird dabei üblicherweise in einen nabenförmigen Grundkörper und eine Vielzahl von Schweiss- materialbahnen zerlegt, die auf dem Grundkörper beginnend aufgetragen werden und somit die Form des Radiallaufrades ergeben. Der bevorzugt geschmiedete Grundkörper dient als Träger einer ersten Schicht von Schweissmaterial, wobei bevorzugt am nabenförmigen Grundkörper die Eintrittsbereiche der Schaufeln ausgefräst sind, da dies noch ohne weiteres möglich ist. Diese in Abwicklung leiterförmigen Bereiche des Schaufelkranzes dienen dann zum Auftragen der Schweissschichten des Aussenrings. Das gesamte Werkstück wird somit auf dem Grundkörper durch die Ablagerung von Schweissmaterialbahnen aufgebaut, wobei der Grundkörper zugleich die Nabe des endgültigen Werkstückes bildet. Die Schweissvorrichtung ist vorzugsweise mit Hilfe von eines Roboters zwei-oder dreidimensional im Raum beweglich, während der Grundkörper auf einem Drehtisch mit horizontaler Achse aufgespannt ist, so dass der Schweissvorgang an der höchsten Stelle des Laufrades erfolgt.

Die Geometriedaten des Laufrades und die von der Rechneranlage berechneten Steuer-und Schweissdaten werden einer Anlagensteuerung zugeführt, die den Roboter und die Schweissvorrichtung während der Herstellung des Werkstückes kontinuierlich steuert und Abweichungen ggf. ausregelt. Dieses Freiformschweissen wird dabei so durch-geführt, dass eine neu aufgetragene, flüssige Schweissmaterialbahn auf der darunter liegenden Bahn haftet und nicht abfliesst, da die Schweisszone im wesentlichen horizontal verläuft. Die Anlagensteuerung regelt daher kontinuierlich die geometrische Lage der Unterlage eines aufzutragenden Schweissmaterialbahn und/oder die Position des Schweissbrenners, sowie die aufzutragende Schweissmaterialauftragsrate und/oder die Schweissbahngeschwindigkeit.

Die Schweissschichten können durch die kontinuierliche Schweissstrategie mit grosser Schweissmaterialauftragsrate in Doppel-T-förmigen Schweissbahnen erstellt werden, wobei bevorzugt zunächst die Randraupen geschweißt werden, die dann durch eine Füllraupe mit höherer Schweissmaterialauftragsrate ausgefüllt werden kann.

Die Schweissmaterialauftragsrate wird zudem bevorzugt derart geregelt, dass Unregelmässigkeiten bestehender Schweissmaterialbahnen detektiert und mit der neu aufgetragenen Schweissmaterialbahn ausgeglichen werden, beispielsweise durch die Überwachung von Schweissparametern wie Schweissstrom und Schweissspannung, oder mittels Sensoren.

Die mit diesem praktisch kontinuierlichen Auftragsschweissen hergestellten Laufräder weisen eine höhere mechanische Festigkeit auf, da die Abkühlgeschwindigkeit des Metalls besser kontrollierbar ist und somit homogenere Gefügestrukturen erzielbar sind. Daher lassen sich z. B. auch Radiallaufräder mit grossen Wandstärkenunterschieden problemlos und rationell herstellen, insbesondere wenn als Grundkörper eine geschmiedete Nabe verwendet wird, an der Eintrittsbereich der Schaufeln, also der radial innen gelegene Schaufelanfang ausgefräst ist. Hierdurch wird zugleich der in der Abwicklung leiterförmige Umfang geschaffen, auf den durch das Auftragsschweissen dann der Aussenring mit den Schaufelenden (Schaufelkranz) schichtweise aufgetragen wird.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere für die schnelle Herstellung von hochfesten Radiallaufrädern, wie sie im Prototypenbau benötigt werden, aber auch für die Reparatur von Schaufelkränzen oder Wasserrädern. Der Verlauf der Schichten sowie die ungefähre Schweissmaterialauftragsrate werden von einer Rechneranlage, ausgehend von einem softwaremässigen, zwei-oder dreidimensionalen Datenmodell des Werkstückes berechnet und der Anlagensteuerung vorgegeben, welche die Schweissvorrichtung mit Hilfe des Roboters als auch das auf der Positioniervorrichtung mit einem Drehtisch und einer Einspannvorrichtung fixierte Werkstück gegenseitig positioniert sowie das aufgetragene Schweissmaterial am Schweissgerät so geregelt, dass das flüssige Schweissmaterial auf der darunter liegenden Schicht ohne Abfliessen haftet und Unregelmässigkeiten bahnförmiger Schichten ausgeglichen werden.

Sofern das Abfliessen des noch flüssigen Schweissmaterials, insbesondere im Kantenbereich von überhängenden Schaufeln nur schwierig oder mit erhöhten Zeitaufwand vermeidbar ist, wird zudem eine Vorrichtung in Form einer sog. Badstütze beschrieben, die das Schweissen selbst bei überhängenden Schaufeln ermöglicht.

Hierbei wird bevorzugt eine am Roboter angebrachte Halterung mit Keramikscheiben verwendet, die am Kantenbereich des zu schweissenden Schaufelkranzes entlang geführt werden und dabei das Abfliessen der Schweisszone unterbinden. Bevorzugt sind diese Keramikscheiben auf einem umlaufenden Band angeordnet, so dass diese nicht überhitzt werden können. Zudem kann das Band an nachgiebigen Tragstäben gelagert sein, so dass selbst konkave oder konvexe Konturen des Schaufelkranzes passgenau hergestellt werden können.

Die Erfindung wird nur anhand von Beispielen erläutert, bei denen als Schweiss- vorrichtung eine MIG-oder WIG-Lichtbogenschweissvorrichtung eingesetzt wird. Es versteht sich von selbst, dass zum Auftragsschweissen auch andere Schweiss- vorrichtungen wie z. B. eine Laserstrahischweissvorrichtung geeignet ist, wobei ein Sensor zur Bestimmung der gegenseitigen Lage zwischen der Schweissvorrichtung und der Unterlage der aufzutragenden Schweissmaterialbahn verwendet wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert.

Hierbei zeigen : Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens ; Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines hergestellten Radiallaufrades ; Fig. 3 schematisch den Schweissverlauf auf einer Abwicklung des Radiallaufrades ; Fig. 4 eine Hilfs-Vorrichtung in Form einer sog. Badstütze in Seitenansicht ; und Fig. 5 eine Ansicht der Hilfs-Vorrichtung gemäss Fig. 4 in Achsrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Auftragsschweissanlage zur Herstellung eines Radiallaufrades 1, das durch formgebendes Auftragsschweissen auf einen nabenförmigen Grundkörper 3 hergestellt wird. Der Grundkörper 3 ist bevorzugt ein geschmiedeter Rohling, dessen Aussenkontur gedreht ist und an dem die Schaufel-Innenbereiche ausgefräst sind.

Dieser Grundkörper 3 ist in einer mehrdimensional beweglichen Einspannvorrichtung 2 aufgespannt, die von einer Anlagensteuerung 10 gesteuert wird. Im vorliegenden Beispiel wird ein um zwei Achsen beweglicher Drehtisch als Positioniervorrichtung 4 eingesetzt, wobei der Grundkörper 3 um eine horizontale Achse A drehbar ist.

Eine Schweissvorrichtung 7 wird von einem an sich bekannten Schweissgerät 8 mit Energie, Schweissdraht 6 und Schutzgas 9 versorgt. Die Anlagensteuerung 10 positioniert mit Hilfe des Roboters 5 den Schweissbrenner 7 und mit Hilfe des Drehtisches das Werkstück 1 derart, dass die aufzutragende, bahnförmige Schicht ungefähr horizontal liegt und an der höchsten Stelle mit der Schweissvorrichtung 7 geschweisst wird. Zusätzlich regelt die Anlagensteuerung 10 die aufgetragene Schweissmaterialauftragsrate nach einer in Fig. 3 beschriebenen Vorgehensweise.

Die Rechneranlage 11 berechnet, ausgehend von einem dreidimensionalen Modell des Laufrades 1, den bahnförmigen Verlauf der Schweissmaterialschichten, sowie eine ungefähre Schweissmaterialauftragsrate und/oder Schweissbahngeschwindigkeit, und übermittelt die Werte der Anlagensteuerung 10.

In Fig. 2 ist ein Beispiel eines Radiallaufrades 1 dargestellt. Auf dessen nabenförmigen Grundkörper 3 wird im Aussenbereich kontinuierlich Schweissmaterial in bahnförmigen Schichten aufgetragen, so dass der Schaufelring R im Kranzbereich K ausgebildet wird, wie dies punktiert dargestellt ist. Aus Fig. 2 mit dem nabenförmigen Grundkörper 3 im Querschnitt wird auch dessen Aufspannung an der Einspannvorrichtung 2 und die radial innenliegenden Anfangsbereiche der Schaufeln S (mit dazwischen gebildeten Durchtrittskanälen D) ersichtlich.

Im Diagramm der Fig. 3 ist die Abwicklung des Schaufelkranzes K mit den Durchtrittskanälen D dargestellt, sowie die Schweissabfolge veranschaulicht, mit der bahnförmige Schichten auf die jeweils überdeckte Schweissmaterialschicht aufgebracht wird. Die bahnförmigen Schichten werden dabei derart aufgetragen, dass die neue Schicht ungefähr horizontal verläuft, wobei die bestehende Schicht in eine entsprechend verlaufende Lage gebracht wurde. Von der Rechneranlage 11 wird der bahnförmige Verlauf der Schweissmaterialschichten sowie die ungefähre Schweissmaterial-auftragsrate und/oder Schweissbahngeschwindigkeit im Sinne einer Steuerung vorgegeben. Der Schichtverlauf der untenliegenden Schicht bzw. der Abstand zwischen Schweissbrenner und der Werkstückoberfläche, kann von der Anlagensteuerung 10 durch die Messung von Schweissparametern, vorzugsweise Schweissstrom und Schweissspannung, während dem Schweissvorgang kontinuierlich bestimmt werden. Die Anlagensteuerung 10 regelt die Schweissmaterialauftragsrate und/oder die Schweiss-bahngeschwindigkeit vorzugsweise so, dass der Abstand konstant gehalten wird, so dass Unregelmässigkeiten ausgeglichen werden.

Schweissmaterialbahnen werden vorzugsweise in einer Lage um die Horizontale aufgetragen, weil das flüssige Schweiss-material in dieser Lage nicht abfliessen kann.

Die Anlagensteuerung 10 ist somit bestrebt, während dem nachfolgenden, horizontalen Auftragsschweissvorgang einen konstanten Abstand zwischen Schweissdüse und der neu aufgetragenen Schweiss-materialbahn einzuhalten, und somit Unregelmässigkeiten durch eine Variation der Schweissmaterialauftragsrate und/oder der Schweissbahngeschwindigkeit auszu-gleichen, so dass der resultierende Schichtenverlauf der neuen Schicht möglichst dem vorgegebenen, vorzugsweise horizontalen Verlauf entspricht. Dieses Regelkonzept gewährleistet, dass die aufgetragene Schweissmaterialbahn dem vorgegebenen Verlauf entspricht.

Wesentlich ist hierbei, dass die mit bahnförmigen Schweissmaterialschichten jeweils eine Doppel-T-Form aufweisen, also der hier links oben erste Schweissanfang a der Randraupe etwa in der Mittelebene des hier linken Durchtrittskanals D angeordnet ist.

Die Schweissvorrichtung 7 verfährt mit vorgegebener Schweissmaterialauftragsrate zunächst gegen den Uhrzeigersinn über die Punkte b, c und d (unter Bildung der Schaufelschicht) zum Endpunkt e zurück, was dem Anfangspunkt a entspricht. Dann wird wiederum im wesentlichen gegen den Uhrzeigersinn die innere Füllraupe gebildet, bis die Schweissdüse 7 zum Punkt f gelangt. Im direkten Anschluss fährt die Schweiss-vorrichtung 7 fort, den hier mittleren Abschnitt zu schweissen, indem vom Punkt f auf den unmittelbar benachbarten Punkt a (des mittleren Teils) übergegangen wird. Dies kann praktisch kontinuierlich erfolgen, was für die hier vorgeschlagene Schweiss-und Füllstrategie zur Herstellung eines aus Schichten aufgebauten Radiallaufrades wesentlich ist. Der hier mittlere Bereich, in dem die Füllraupe nicht dargestellt ist, wird wiederum über die Punkte b, c, d, e (hier im Uhrzeigersinn) zunächst die Randraupe aufgetragen und dann deren Füllung vorgenommen. Unter Füllung des Schaufel-bereiches S gelangt die Schweissdüse zum hier oben gelegenen Endpunkt f.

Hieran schliesst sich der Teilschweissschritt des rechten Bereiches an, der identisch zum hier linken Schritt ist, nämlich wiederum der direkte Übergang vom Endpunkt f zum nächsten Anfangspunkt a. Durch die direkte Nachbarschaft, aufgrund der spiegel- bildlichen Teilschritte, einmal gegen den Uhrzeigersinn und dann im Uhrzeigersinn, erfolgt ein kontinuierlicher Schweissvorgang, so dass die Schweissqualität gesteigert und die Durchlaufzeit reduziert wird. Durch diese Schweissstrategie ist es auch möglich, Unregelmässigkeiten im Schichtenverlauf auszugleichen, was bewirkt, dass Vertiefungen mit der nachfolgenden Schicht durch Schweissmaterial gefüllt werden.

Fig. 2 zeigt das mit dem erfindungsgemässen Verfahren gefertigte Radiallaufrad 1 in nahezu fertiggestellten Zustand. Als Grundkörper 3 dient bevorzugt eine geschmiedete Nabe mit im Eintrittsbereich ausgefrästen Schaufeln S. Auf diesen Grundkörper 3, bei dem die Schaufeln S in der Abwicklung praktisch die Quersprossen einer Leite bilden, kann im folgenden Arbeitsschritt die Auftragsschweissung gemäss Fig. 3 unmittelbar erfolgen. Auf die ausgefrästen, inneren Schaufelenden werden die einzelnen Schaufeln S des Schaufelkranzes K verfahrensgemäss durch Freiformschweissen schichtweise aufgetragen. Somit werden Schweissmaterialschichten aufgetragen, bis die Form der Schaufel S erreicht ist. Während der Herstellung kann durch das frei wählbare Arbeits-tempo und andere geeignete Massnahmen, wie z. B. Kühlen oder Erwärmen eine zu hohe oder zu tiefe Temperatur der Schaufel vermieden werden und, für die Gefüge-struktur wichtig, ähnliche Abkühlbedingungen erreicht werden. Das formgebende Auftragsschweissen kann durch andere Bearbeitungsvorgänge am Werkstück unter-brochen werden. Während der Herstellung eines Radiallaufrades 1 kann z. B. im oberen Bereich des Drehtisches 4 ein Teil des Schaufelkranzes K durch Auftragschweissen erstellt werden und im unteren oder seitlichen Bereich andere Schaufeln S des Rades gleichzeitig mechanisch bearbeitet werden.

In Fig. 4 ist eine Hilfs-Vorrichtung in Form einer sog. Badstütze dargestellt, mit der das Abfliessen von noch flüssiger Schweissmasse im Kantenbereich des Schaufelkranzes K sicher vermieden werden kann, insbesondere wenn die Schaufeln S eine überhängende Form aufweisen. Die Badstütze kann hierbei zusammen mit der Schweissvorrichtung 7 an dem vorstehend beschriebenen Roboter 5 angebracht sein, oder bevorzugt mittels einer Halterung H an einem Auslegerarm eines Hilfs-Roboters 5'. In der Halterung H ist wenigstens ein Tragstab T gelagert, an dessen freiem Ende eine Hülse oder Rolle C, bevorzugt mit Nadellagern angeordnet ist. Hierdurch kann ein Band X, bevorzugt mit Keramikscheiben Y am Umfang der Schaufeln S entlanggeführt werden, wobei aufgrund der nachgiebigen Tragstäbe T auch eine konvexe oder konkave Kontur eingenommen werden kann.

In Fig. 5 ist eine Ansicht der Badstütze gemäss dem Pfeil Z in Fig. 4 gezeigt. Hieraus ist die glattflächige Anlage des Bandes X mit seinen darauf kettenartig angebrachten Keramikscheiben Y ersichtlich. Diese können kontinuierlich oder stufenweise entlang dem Schaufelkranz K bewegt werden, um eine Überhitzung zu vermeiden. Die mittels Pfeil angedeutete Abrollbewegung erfolgt wegen der Lagerung an den Rollen C besonders reibungsarm. Die Halterung H wird entsprechend dem Schweissfortschritt durch den Roboter 5 bzw. 5'entlang dem Kantenbereich des Schaufelkranzes K nachgeführt.