VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM VERBINDEN MITTELS EINES INDUKTIVEN HOCHFREQUENZPRESSSCHWEISSENS VON EINEM SCHAUFELBLATT MIT EINEM ROTORTRäGER EINER GASTURBINE MIT AUTOMATISCHER ZUFUHR DES SCHAUFELBLATTES

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von mindestens einem Schaufelblatt oder von mindestens einem Teil eines Schaufelblatts mit einem Rotorträger einer Gasturbine, insbesondere einem Schaufelblattansatz des Rotorträgers, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen des Schaufelblatts, des Schaufelblattteils, des Rotorträgers oder des Schaufelblattansatzes des Rotorträgers mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Verbinden von mindestens einem Schaufelblatt oder von mindestens einem Teil eines Schaufelblatts mit einem Rotorträger einer Gasturbine, insbesondere einem Schaufelblattansatz des Rotorträgers, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen des Schaufelblatts, des Schaufelblattteils, des Rotorträgers oder des Schaufelblattansatzes des Rotorträgers mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens erfolgt.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Verbinden von metallischen Bauelementen mittels induktivem Hochfrequenzpressschweißens bekannt. So beschreibt zum Beispiel die DE 198 58 702 Al ein Verfahren zum Verbinden von Schaufelteilen einer Gasturbine, wobei ein Schaufelblattabschnitt und wenigstens ein weiteres Schaufelteil bereitgestellt werden. Dabei werden entsprechende Verbindungsflächen dieser Elemente im Wesentlichen fluchtend beabstandet zueinander positioniert und anschließend durch Erregen eines Induktors mit hochfrequentem Strom und durch Zusammenfahren unter Berührung ihrer Verbindungsflächen miteinander verschweißt. Dabei wird der Induktor mit einer konstanten Frequenz, die im Allgemeinen über 0,75 MHz liegt, erregt. Die Frequenz wird zudem in Abhängigkeit von der Geometrie der Verbindungsflächen gewählt. Bei dem induktiven Hochfrequenzpressschweißen ist die gleichzeitige und homogene Erwärmung der beiden Schweißpartner für die Qualität der Fügestelle von entscheidender Bedeutung. Nachteilig an den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist jedoch, dass damit eine Massenfertigung mit entsprechend hohen Produktionsraten nicht möglich ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verbinden von mindestens einem Schaufelblatt oder von mindestens einem Teil eines Schaufelblatts mit einem Rotorträger einer Gasturbine bereitzustellen, bei dem einerseits eine sichere und dauerhafte Ver-

bindung von Gasturbinenelementen und andererseits hohe Produktionsraten gewährleistet sind.

Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Vorrichtung bereitzustellen, die einerseits eine sichere und dauerhafte Verbindung von Gasturbinenelementen und andererseits hohe Produktionsraten gewährleistet.

Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12.

Zur Klarstellung sei hier ausdrücklich erwähnt, dass die Bezeichnung induktives Hochfrequenzpressschweißen das Verfahren bzw. die Vorrichtung im vorliegenden Fall nicht auf einen bestimmten Frequenzbereich festlegt. Vielmehr finden Frequenzen im niederen kHz-Bereich bis hin zum hohen MHz- Bereich Anwendung, so dass auch die neue Bezeichnung induktives Pressschweißen (IPS) eingeführt werden könnte.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden von mindestens einem Schaufelblatt oder von mindestens einem Teil eines Schaufelblatts mit einem Rotorträger einer Gasturbine, insbesondere einem Schaufelblattansatz des Rotorträgers, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen des Schaufelblatts, des Schaufelblattteils, des Rotorträgers oder des Schaufelblattansatzes des Rotorträgers mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens erfolgt, umfasst die automatische Zufuhr des mindestens einen Schaufelblatts oder Schaufelblattteils aus mindestens einem Schaufelblatt- und/oder Schaufelblattteil-Reservoir und eine automatische Positionierung des Rotorträgers, derart, dass die zu verbindenden Verbindungsflächen für den Verbindungsvorgang exakt zueinander positioniert werden. Durch die Bereitstellung von Schaufelblättern oder Schaufelblattteilen in einem entsprechenden Reservoir, zum Beispiel einer Magazinvorrichtung, sind hohe Produktionsraten gewährleistet. Zudem stellt die Verwendung des induktiven Hochfrequenzpressschweißens eine sichere und dauerhafte Verbindung zwischen dem Schaufelblatt oder dem Schaufelblattteil mit dem Rotorträger bzw. dem Schaufelblattansatz des Rotorträgers sicher. Die hohen Produktionsraten werden auch durch die automatische Positionierung des Rotorträgers gewährleistet, da die automatische Positionierung sich positiv auf die Qualität des resultierenden Werkstücks auswirkt. Nur in Ausnahmefällen kann es zur Herstellung fehlerhafter Produkte kommen.

Dabei kann zur automatischen Positionierung des Rotorträgers ein Drehtisch zur Aufnahme des Rotorträgers vorgesehen sein, wobei der Drehtisch um ein definiertes Winkelmaß gedreht wird. Das Winkelmaß richtet sich dabei nach der Anzahl der aufzubringenden Schaufelblätter bzw. der entsprechenden Anzahl der am Rotorträger ausgebildeten Schaufelblattansätze. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Drehtisch auf einer längs verschiebbaren Achse gelagert sein, so dass nicht nur eine Drehbewegung, sondern auch eine Längsbewegung der Positioniervorrichtung und damit des Rotorträgers möglich ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Schaufelblatt oder Schaufelblattteil einer Einspannvorrichtung zugeführt, wobei mittels der Einspannvorrichtung die Verbindungsfläche des Schaufelblatts oder Schaufelblattteils gegen die Verbindungsfläche des Rotorträgers oder des Schaufelblattansatzes des Rotorträgers verfahren und gedrückt wird. Durch die Einspannvorrichtung ist einerseits gewährleistet, dass das Schaufelblatt oder das Schaufelblattteil lagerichtig an den Rotorträger verfahren wird. Zudem wird durch die Einspannvorrichtung die notwendige Stauchkraft auf das Schaufelblatt oder das Schaufelblattteil aufgebracht, ohne dass Letztere einer übermäßigen Druckbeanspruchung ausgesetzt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor und während eines Verfahrens des Schaufelblatts oder Schaufelblattteils gegen den Rotorträger oder den Schaufelblattansatz des Rotorträgers eine Positions- und Lagekontrolle des Schaufelblatts oder Schaufelblattteils und/oder des Rotorträgers oder Schaufelblattansatzes des Rotorträgers durchgeführt. Dadurch ergibt sich ein exaktes Positionieren der Fügepartner zum endkonturnahen Fügen der Schaufel auf den Rotorträger. Die Positions- und Lagekontrolle kann dabei mittels einer optischen Messvorrichtung durchgeführt werden. Zudem ist es möglich, dass Positions- und Lagekontrollen durchgeführt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Schaufelblatt oder Schaufelblattteil zumindest teilweise von einer Haltevorrichtung umgeben. Dabei kann das Schaufelblatt oder Schaufelblattteil in die Haltevorrichtung eingegossen oder mit dieser umspritzt sein. Durch die Haltevorrichtung ist ebenfalls eine deckungsgleiche Positionierung von Schaufelblatt oder Schaufelblattteil und Rotorträger bzw. Schaufelblattansatz des Rotorträgers gewährleistet. Zudem ergibt sich eine starre und steife Führung des Schaufelblatts beim Bewegungsund Pressvorgang des Verbindens. Insbesondere ergibt sich die Positio-

niergenauigkeit bei Schaufelblättern mit zumindest teilweise dreidimensional geformten Freiflächen. Durch die Positioniergenauigkeit wird insbesondere der Nachbearbeitungsaufwand im Schweißbereich reduziert. Die Haltevorrichtung kann dabei aus einem auflösenden Material, insbesondere Polystyrol, bestehen. Durch die Verwendung eines derartigen Materials wird die Produktionsrate weiter erhöht, da kein zusätzlicher Arbeitsschritt zur Entfernung der Haltevorrichtung notwendig ist. Die Auflösung der Haltevorrichtung kann je nach Materialwahl zum Beispiel durch eine entsprechende Temperaturzugabe erfolgen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Induktor in oder an der Haltevorrichtung befestigt. Dadurch ist eine genaue und ausgerichtete Position des Induktors relativ zu den Verbindungsflächen der zu verbindenden Elemente gewährleistet. Zusätzliche Arbeitsschritte, die die Positionierung des Induktors beinhalten, sind nicht notwendig, so dass dies neben der Erhöhung der Qualität der Fügestelle auch zu einer weiteren Erhöhung der Produktionsraten beiträgt.

In einer weitex~en vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist an dem der Verbindungsfläche gegenüberliegenden Ende des Schaufelblatts oder Schaufelblattteils ein sockelartiges Element zum Halten und zur Führung des Schaufelblatts oder Schaufelblattteils während und nach dem Vorgang des induktiven Hochfrequenzpressschweißens ausgebildet. Durch die Ausgestaltung eines derartigen sockelartigen Elements können alle Bearbeitungsvorgänge am Schaufelblatt vorteilhafterweise unterstützt werden. So dient das sockelartige Element zum Beispiel zum Festhalten des Schaufelblatts während dem Fräsen der Schmelzüberhänge nach der Verbindung des Schaufelblatts mit dem Schaufelblattansatz des Rotorträgers .

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verbinden von mindestens einem Schaufelblatt oder von mindestens einem Teil eines Schaufelblatts mit einem Rotorträger einer Gasturbine, insbesondere einem Schaufelblattansatz des Rotorträgers, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflächen des Schaufelblatts, des Schaufelblattteils, des Rotorträgers oder des Schaufelblattansatzes des Rotorträgers mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens erfolgt, weist mindestens eine Zuführvorrichtung zur automatischen Zufuhr des mindestens einen Schaufelblatts oder Schaufelblattteils aus mindestens einem Schaufelblatt- und/oder Schaufelblattteil-Reservoir und eine Positioniervorrichtung zur automatischen Positionierung des Rotorträgers auf, wobei mittels der Positioniervorrichtung

die zu verbindenden Verbindungsflächen für den Verbindungsvorgang exakt zueinander positioniert sind. Durch die Bereitstellung von Schaufelblättern oder Teilen von Schaufelblättern in einem entsprechenden Reservoir und die Zuführvorrichtung wird ein automatisierter Produktionsablauf gewährleistet. Durch die exakte Positionierung des Rotorträgers relativ zu dem Schaufelblatt bzw. dem Teil des Schaufelblatts ergeben sich zudem hohe Produktionsraten, da dadurch auch dieser Vorgang insgesamt automatisiert ablaufen kann. Dabei kann die Positioniervorrichtung ein Drehtisch zur Aufnahme des Rotorträgers sein, wobei der Drehtisch um ein definiertes Winkelmaß drehbar ist. Das Winkelmaß richtet sich dabei nach der Anzahl der Schaufelblattansätze auf dem Rotorträger. Zudem kann der Drehtisch auf einer längs verschiebbaren Achse gelagert sein, so dass neben einer Drehung des Rotorträgers auch eine Längsverschiebung möglich ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung mindestens eine Einspannvorrichtung auf, wobei das Schaufelblatt oder das Schaufelblattteil der Einspannvorrichtung zugeführt wird und mittels der Einspannvorrichtung die Verbindungsfläche des Schaufelblatts oder Schaufelblattteils gegen die Verbindungsfläche des Rotorträgers oder des Schaufelblattansatzes des Rotorträgers verfahrbar und drückbar ist. Durch die Einspannvorrichtung wird vorteilhafterweise die benötigte Stauchkraft auf das Schaufelblatt oder Schaufelblattteil aufgebracht, ohne dass es zu einer übermäßigen Beanspruchung dieser Teile kommt .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung mindestens eine Positions- und Lagekontrolleinrichtung zur Positions- und Lagekontrolle des Schaufelblatts oder Schaufelblattteils und/oder des Rotorträgers oder des Schaufelblattansatzes des Rotorträgers vor und während eines Verfahrens des Schaufelblatts oder Schaufelblattteils gegen den Rotorträger oder den Schaufelblattansatz des Rotorträgers auf. Damit ist ein exaktes Verbinden des Schaufelblatts oder des Schaufelblattteils mit dem Rotorträger oder dem Schaufelblattansatz gewährleistet. Zudem ist es möglich, dass Positions- und Lagekontrollen durchgeführt werden. Die Positions- und Lagekontrolleinrichtung kann dabei eine optische Messvorrichtung sein. Die integrierte Positionsmessung der beteiligten Bauelemente in Verbindung mit einer Steuerung entsprechender Antriebsvorrichtungen erlaubt das exakte Positionieren der Fügepartner zum endkonturnahen Fügen der Schaufeln auf den Rotorträger. Hierbei können zum Beispiel ein getriebefreier Linearmotor und ein Absolutwertdrehgeber verwendet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Schaufelblatt oder Schaufelblattteil zumindest teilweise von einer Haltevorrichtung umgeben. Das Schaufelblatt oder Schaufelblattteil kann dabei in die Haltevorrichtung eingegossen oder mit dieser umspritzt sein. Eine derartige Haltevorrichtung gewährleistet eine genaue und deckungsgleiche Positionierung von Schaufelblatt oder Schaufelblattteil mit dem entsprechenden Schaufelblattansatz des Rotorträgers. Zudem ist eine starre und steife Führung des Schaufelblatts beim Bewegungs- und Pressvorgang des Verbindens gewährleistet. Gemäß einer Ausführungsform besteht die Haltevorrichtung dabei aus einem auflösbaren Material, insbesondere Polystyrol. Die Verwendung eines derartigen Materials gewährleistet vorteilhafterweise, dass kein zusätzlicher Bearbeitungsschritt zum Entfernen der Haltevorrichtung von dem Schaufelblatt oder Schaufelblattteil notwendig ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Induktor in oder an der Haltevorrichtung befestigt. Dadurch ergibt sich eine genaue und ausgerichtete Position des Induktors zum Schweißbereich, d. h. insbesondere zu den Verbindungsflächen der miteinander zu verschweißenden Bauelemente der Gasturbine.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an dem der Verbindungsfläche gegenüberliegenden Ende des Schaufelblatts oder Schaufelblattteils ein sockelartiges Element zum Halten und zur Führung des Schaufelblatts oder Schaufelblattteils während und nach dem Vorgang des induktiven Hochfrequenzpressschweißens ausgebildet. Durch eine derartige Ausgestaltung eines sockelartigen Elements können alle Bearbeitungsvorgänge am Schaufelblatt unterstützt werden. Insbesondere dient dieser Sockel zum Festhalten während dem Fräsen der Schmelzüberhänge nach dem entsprechenden Verbinden der genannten Bauelemente.

Ein erfindungsgemäßes Bauteil wird nach einem im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren hergestellt. Bei diesen Bauteilen handelt es sich um so genannte BLINGs („Bladed Ring") oder BLISKs („Bladed Disc") von Gasturbinentriebwerken .

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele. Dabei zeigt.

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform; und

Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemaßen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausfuhrungsform.

Figur 1 zeigt eine erste Ausfuhrungsform einer Vorrichtung 10 zum Verbinden von mindestens einem Schaufelblatt 12 mit einem Rotortrager 14 einer Gasturbine, nämlich einem Schaufelblattansatz 16 des Rotortragers 14, wobei das Verbinden entsprechender Verbindungsflachen 20, 22 des Schaufelblatts 12 und des Schaufelblattansatzes 16 mittels eines induktiven Hochfrequenzpressschweißens erfolgt. Die Vorrichtung 10 besteht dabei aus einem Generator 28 zur Erzeugung der notwendigen Schweißenergie und einem Induktor 26. Durch Erregen des Induktors 26 mit hochfrequentem Strom werden Verbindungsflachen 20, 22 der Schaufel 12 und des Schaufelblattansatzes 16 erwärmt. Die Erwärmung erfolgt dabei bis mindestens nahe dem Schmelzpunkt der Materialien, aus denen die Schaufel 12 und der Schaufelblattansatz 16 hergestellt sind. In dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist der Schaufelblattansatz 16 am Umfang einer Scheibe ausgebildet ist. Die Scheibe stellt dabei einen so genannten BLISK-Rotor dar.

Des Weiteren erkennt man, dass eine Einspannvorrichtung 18 das Schaufelblatt 12 in Pfeilrichtung B gegen den Schaufelblattansatz 16 druckt. Das Verfahren des Schaufelblatts 12 an den Schaufelblattansatz 16 erfolgt dabei bei genügend großer Erwärmung der Verbindungsflachen 20, 22. Diese ist dann gegeben, wenn die Verbindungsflachen 20, 22 nahezu aufgeschmolzen sind und einen teigigen Zustand erreichen.

Der Rotortrager 14 ist m dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel auf einem Drehtisch (nicht dargestellt) gelagert. Der Drehtisch und damit der Rotortrager 14 kann in Pfeilrichtung A um ein definiertes Winkelmaß gedreht werden. Dadurch ergibt sich eine exakte Positionierung des Schaufelblattansatzes 16 zum Schaufelblatt 12 bzw. eine exakte Positionierung der entsprechenden Verbindungsflachen 20, 22 zueinander. Zudem wird durch die senkrechte Anordnung des Schaufelblatts 12 in der Vorrichtung 10 die Zu- ganglichkeit der Schweißstelle mit rückseitig angeordneter Induktionsspule für kleine und große Querschnitte gegeben, üblicherweise liegt der Schweißbereich in einer Schutzgasatmosphare, die entweder lokal erzeugt wird oder den gesamten Schweißbereich umfassen kann.

Figur 2 zeigt eine zweite Ausfuhrungsform einer Vorrichtung 10 zum Verbinden eines Schaufelblatts 12 mit einem Schaufelblattansatz 16 des Rotortragers 14. Man erkennt in diesem Ausfuhrungsbeispiel, dass das Schau-

felblatt 12 von einer Haltevorrichtung 24 umgeben ist. Das Schaufelblatt 12 kann dabei in die Haltevorrichtung 24 eingegossen oder mit dieser umspritzt sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Haltevorrichtung 24 aus Polystyrol. Des Weiteren erkennt man, dass ein Induktor 26 an der Haltevorrichtung 24 befestigt ist. Damit ergibt sich eine exakte Positionierung des Induktors im Bereich der Verbindungsflächen 20, 22 beim Verbinden der Schaufel 12 mit dem Schaufelblattansatz 16.

Des Weiteren erkennt man, dass an dem der Verbindungsfläche 20 gegenüberliegenden Ende des Schaufelblatts 12 ein sockelartiges Element 30 zum Halten und zur Führung des Schaufelblatts 12 während und nach dem Vorgang des induktiven Hochfrequenzpressschweißens ausgebildet ist.

Die Vorrichtungen 10 gemäß den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen umfassen zudem jeweils eine Zuführvorrichtung zur automatischen Zufuhr der Schaufelblätter 12 aus einem Schaufelblatt- Reservoir.

Das Schaufelblatt 12, die Schaufelblattteile oder der Rotorträger 14 können dabei aus unterschiedlichen oder ähnlichen metallischen Werkstoffen bestehen. Es ist aber auch möglich, dass die genannten Bauelemente aus ähnlichen metallischen Werkstoffen bestehen und durch unterschiedliche Herstellungsverfahren hergestellt sind. Dies betrifft zum Beispiel geschmiedete Bauelemente, durch Gussverfahren hergestellte Bauelemente, Bauelemente bestehend aus Einkristallen sowie gerichtet erstarrte Bauelemente.

Durch das Ausführungsbeispiel wird deutlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren wie auch die Vorrichtung 10 sowohl für die Herstellung wie auch die Reparatur von Bauteilen einer Gasturbine geeignet ist.

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