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Dokumentenidentifikation DE102004002551B4 21.06.2007
Titel Verfahren zur Reparatur von Bauteilen
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Richter, Karl-Hermann, Dr., 85229 Markt Indersdorf, DE;
Bayer, Erwin, Dr., 85221 Dachau, DE
DE-Anmeldedatum 17.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004002551
Offenlegungstag 18.08.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 21.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2007
IPC-Hauptklasse B23K 26/34(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23K 26/36(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B23P 6/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F01D 5/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur von Bauteilen, insbesondere von Gasturbinenbauteilen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gasturbinenbauteile, wie zum Beispiel Schaufeln von Gasturbinen, unterliegen während des Betriebs einem Verschleiß insbesondere durch Oxidation, Korrosion, Erosion sowie Vogelschlag oder auch Hagelschlag. Durch den oben genannten Verschleiß der Gasturbinenbauteile kann es erforderlich werden, dieselben nach Beschädigung dadurch zu reparieren, dass beschädigte Abschnitte bzw. Bereiche der Gasturbinenbauteile entfernt sowie nach dem Entfernen der beschädigten Abschnitte bzw. Bereiche dieselben erneuert werden.

Nach dem Stand der Technik wird bei einer solchen Reparatur von Gasturbinenbauteilen so vorgegangen, dass zum Entfernen der beschädigten Abschnitte bzw. Bereiche, zum Erneuern dieser Abschnitte bzw. Bereiche sowie zum anschließenden Bearbeiten der erneuerten Abschnitte bzw. Bereiche unterschiedlichste Verfahren zum Einsatz kommen, die auf jeweils speziell angepassten Einrichtungen bzw. Vorrichtungen durchgeführt werden. So ist es aus dem Stand der Technik zum Beispiel bekannt, beschädigte Schaufelspitzen von Gasturbinenschaufeln durch Laserpulverauftragschweißen zu erneuern und beim Laserpulverauftragschweißen zuviel aufgetragenes Material durch einen anschließenden Zerspanprozess, zum Beispiel durch Fräsen, zu entfernen. Das Laserpulverauftragschweißen sowie das Fräsen werden dann auf unterschiedlichen Maschinen durchgeführt, was ein mehrmaliges Aufspannen des zu reparierenden Gasturbinenbauteils auf den unterschiedlichen Maschinen erforderlich macht. Hierdurch wird die Reparatur beschädigter Gasturbinenbauteile sehr aufwendig. Weiterhin können mit einem derartigen Reparaturverfahren zum Beispiel als Hohlschaufeln ausgebildete Gasturbinenschaufeln nicht repariert werden, da innere Oberflächen von Hohlbauteilen auf diese Art und Weise nicht erzeugt werden können.

Aus der DE 199 22 012 C1 ist ein Verfahren zur Fertigung angepasster, strömungstechnischer Oberflächen an integral beschaufelten Rotoreinheiten bekannt, bei dem im Rahmen einer Reparatur im Bereich der gesamten Schaufelspitze ein Bereich geschaffen wird, der gegenüber der strömungstechnischen Sollgestalt Übermaß aufweist, wobei anschließend das Übermaß mechanisch/spanend oder elektrisch bzw. elektrochemisch/spanlos entfernt wird.

Aus der DE 100 55 505 A1 ist ein Verfahren zur Instandsetzung von Schaufeln für Turbomaschinen bekannt, bei dem zumindest in einem Teilbereich der Schaufel die Schutzschicht und/oder Schaufelwerkstoff abgetragen und durch neuen Schaufelwerkstoff und/oder eine neue Schutzschicht ersetzt wird.

Aus der DE 195 47 903 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung oder Instandsetzung von Schaufeln für Turbomaschinen mittels Laserauftragsschweißen bekannt, bei dem eine Stützform für eine konturgenaue Verlängerung der Schaufel verwendet wird.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Reparatur von Bauteilen, insbesondere von Gasturbinenbauteilen, zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines zu reparierenden Bauteils mit mindestens einem beschädigten Bauteilabschnitt; b) Entfernen des oder jeden beschädigten Bauteilabschnitts; c) Auftragen von Material durch Laserpulverauftragschweißen im Bereich des oder jeden entfernten Bauteilabschnitts zur Erneuerung des entsprechenden Bauteilabschnitts; d) Laserabtragen von durch Laserpulverauftragschweißen aufgetragenem Material zur Anpassung des oder jeden erneuerten Bauteilabschnitts an eine vorgegebene Bauteilkontur, wobei vorzugsweise das Laserpulverauftragschweißen und das Laserabtragen ohne Änderung der Aufspannung des zu reparierenden Bauteils auf derselben Vorrichtung durchgeführt werden.

Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Laserpulverauftragschweißen mit einem sich anschließenden Laserabtragen kombiniert, wobei das Laserabtragen mithilfe von Laserstrahlschneiden und/oder Laserstrahl-Feinabtragen, insbesondere Laserpolieren, durchgeführt wird. Wird das Laserpulverauftragschweißen in Kokille durchgeführt, so kann sich unmittelbar an das Laserpulverauftragschweißen ein Laserstrahl-Feinabtragen anschließen. Vorzugsweise wird das Laserpulverauftragschweißen sowie das Laserabtragen auf derselben Vorrichtung durchgeführt, wodurch das Laserpulverauftragschweißen sowie das Laserabtragen in einem kombinierten Arbeitsgang durchgeführt werden können, ohne die Aufspannung des zu reparierenden Bauteils zu verändern. Hierdurch ergibt sich einerseits eine Vereinfachung des Reparaturverfahrens und andererseits können hierdurch auch Hohlbauteile repariert werden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Entfernen des oder jeden beschädigten Bauteilabschnitts mit Hilfe von Laserabtragen, insbesondere von Laserstrahlschneiden, durchgeführt, wobei das Entfernen des oder jeden beschädigten Bauteilabschnitts ohne Änderung der Aufspannung des zu reparierenden Bauteils auf derselben Vorrichtung durchgeführt wird wie das Laserpulverauftragschweißen und das sich hieran anschließende Laserabtragen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reparatur von Bauteilen, insbesondere von Gasturbinenbauteilen, ist in Patentanspruch 11 definiert.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 ein zu reparierendes Gasturbinenbauteil in stark schematisierter Seitenansicht in vier unterschiedlichen Bearbeitungsstufen zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

2 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 das erfindungsgemäße Verfahren zur Reparatur von Bauteilen in größerem Detail beschrieben. 1 zeigt eine Gasturbinenschaufel 10 in unterschiedlichen Bearbeitungszuständen, wobei durch Pfeile 11 das Aufeinanderfolgen der unterschiedlichen Bearbeitungszustände visualisiert wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein zu reparierendes Bauteil, im gezeigten Ausführungsbeispiel die zu reparierende Gasturbinenschaufel 10, bereitgestellt, wobei ein beschädigter Abschnitt bzw. Bereich der Gasturbinenschaufel 10 entfernt wird. So zeigt die Darstellung der 1 am linken Rand eine Gasturbinenschaufel 10 mit einem bereits entfernten, beschädigten Abschnitt, wobei es sich bei dem bereits entfernten, beschädigten Abschnitt um eine Spitze der Gasturbinenschaufel 10 handelt. Das Entfernen der beschädigten Schaufelspitze der Gasturbinenschaufel 10 erfolgt im Sinne der hier vorliegenden Erfindung vorzugsweise durch Laserabtragen, vorzugsweise durch Laserstrahlschneiden.

Im Anschluss an das Entfernen der beschädigten Schaufelspitze durch vorzugsweise Laserstrahlschneiden wird erfindungsgemäß die entfernte Schaufelspitze durch Laserpulverauftragschweißen erneuert, wobei ein durch Laserpulverauftragschweißen erneuerter Bauteilabschnitt in 1 durch die Bezugsziffer 12 gekennzeichnet ist. Wie 1 entnommen werden kann, wird beim Laserpulverauftragschweißen zuviel Material aufgetragen, sodass eine Außenkontur 13 des durch Laserpulverauftragschweißen erneuerten Bauteilabschnitts 12 gegenüber einer Außenkontur 14 der Gasturbinenschaufel 10 vorsteht. Nachfolgend wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung durch Laserabtragen das durch Laserpulverauftragschweißen zuviel aufgetragene Material derart im Bereich der Außenkontur 13 des erneuerten Bauteilabschnitts 12 abgetragen, das der erneuerte Bauteilabschnitt 12 an eine vorgegebene Bauteilkontur angepasst wird. Das Laserpulverauftragschweißen sowie das Laserabtragen werden im Sinne der hier vorliegenden Erfindung vorzugsweise in einem kombinierten Arbeitsgang auf ein und derselben Vorrichtung ohne Änderung der Aufspannung der zu reparierenden Gasturbinenschaufel 10 auf der Vorrichtung durchgeführt.

Das Laserabtragen von durch Laserpulverauftragschweißen aufgetragenem Material erfolgt mithilfe von Laserstrahlschneiden und/oder Laserstrahl-Feinabtragen, insbesondere Laserpolieren. Das Laserstrahlschneiden ist dann erforderlich, wenn, wie in 1 dargestellt, beim Laserpulverauftragschweißen deutlich zu viel Material aufgetragen wurde. In diesem Fall wird im Anschluss an das Laserpulverauftragschweißen in einem ersten Schritt durch Laserstrahlschneiden Material vom erneuerten Bauteilabschnitt 12 derart abgetragen, dass sich die in 1 dargestellte Außenkontur 15 einstellt. Die sich nach dem Laserstrahlschneiden einstellende Außenkontur 15 des erneuerten Bauteilabschnitts 12 ist bereits deutlich an die Außenkontur 14 der Gasturbinenschaufel 10 angepasst. Im Anschluss an das Laserstrahlschneiden wird dann im Sinne der Erfindung noch eine Oberflächenbearbeitung im Bereich der sich nach dem Laserstrahlschneiden einstellenden Außenkontur 15 durch Laserstrahl-Feinabtragen derart vorgenommen, dass letztendlich eine Außenkontur 16 im Bereich des erneuerten Bauteilabschnitts bereitgestellt wird, die an die Außenkontur 14 der Gasturbinenschaufel 10 exakt angepasst ist. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird demnach im Anschluss an das Laserpulverauftragschweißen zuerst ein Laserstrahlschneiden und im Anschluss an das Laserstrahlschneiden ein Laserstrahl-Feinabtragen des durch Laserpulverauftragschweißen erneuerten Bauteilabschnitts 12 durchgeführt. Das Laserstrahlschneiden zum Entfernen des beschädigten Bauteilabschnitts, das Laserpulverauftragschweißen sowie das Laserabtragen mithilfe von Laserstrahlschneiden und Laserstrahl-Feinabtragen werden beim Ausführungsbeispiel der 1 auf ein und derselben Vorrichtung durchgeführt, ohne die Aufspannung des zu reparierenden Bauteils auf der Vorrichtung ändern zu müssen.

Es sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn das Laserpulverauftragschweißen als Laserpulverauftragschweißen in Kokille durchgeführt wird, das Auftragen von Material wesentlich genauer ausgeführt werden kann. In diesem Fall liegt nach dem Laserpulverauftragschweißen ein erneuerter Bauteilabschnitt 12 vor, dessen Außenkontur mit der Außenkontur 15 des Bauteilabschnitts 12 der 1 verglichen werden kann. Nach einem Laserpulverauftragschweißen in Kokille kann demnach unmittelbar das Laserabtragen mithilfe von Laserstrahl-Feinabtragen, insbesondere von Laserpolieren, durchgeführt werden. In diesem Fall kann demnach nach dem Laserpulverauftragschweißen auf ein Laserstrahlschneiden verzichtet werden und unmittelbar die Oberflächenbearbeitung durch Laserstrahl-Feinabtragen erfolgen.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird, wie bereits erwähnt, das Laserpulverauftragschweißen sowie das Laserabtragen mithilfe von Laserstrahlschneiden und/oder Laserstrahl-Feinabtragen in einem kombinierten Arbeitsgang auf ein und derselben Vorrichtung durchgeführt. Hierzu wird der durch Laserpulverauftragschweißen erneuerte Bauteilteilabschnitt 12 vermessen, wobei der vermessene Bauteilabschnitt 12 mit einer vorgegebenen Kontur verglichen wird und abhängig hiervon das Laserabtragen durch Laserstrahlschneiden und/oder Laserstrahl-Feinabtragen geregelt durchgeführt wird.

Mithilfe des hier vorliegenden, erfindungsgemäßen Verfahrens können beschädigte Bauteilabschnitte in einer Aufspannung auf einer Vorrichtung durch Laserauftragschweißen und sich anschließendes Laserabtragen repariert und in ihrer Kontur rekonstruiert werden. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich auch bei Hohlschaufeln oder sonstigen Hohlbauteilen innere Strukturen, insbesondere innere Oberflächen, rekonstruieren und bearbeiten. Die Konturen der erneuerten Bauteilabschnitte bzw. Bauteilbereiche sind im Mikrometer-Bereich genau rekonstruierbar.

Das oben beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren kann auf der in 2 stark schematisiert dargestellten Vorrichtung zur Reparatur von Bauteilen durchgeführt werden. Die in 2 dargestellte Vorrichtung 17 umfasst ein Maschinengestell 18 sowie eine Einrichtung 19 zum Aufspannen des zu reparierenden Bauteils in der Vorrichtung 17. Die Einrichtung 19 zum Aufspannen des zu reparierenden Bauteils ist auf einer Bewegungseinrichtung 20 gelagert, wobei mithilfe der Bewegungseinrichtung 20 das in der Einrichtung 19 aufgespannte, zu reparierende Bauteil beliebig im Raum positioniert werden kann. Hierzu umfasst die Bewegungseinrichtung 20 mehrere Bewegungseinheiten 21, 22 und 23, die eine translatorische sowie rotatorische Bewegung der Einrichtung 19 zum Aufspannen des zu reparierenden Bauteils und damit des zu reparierenden Bauteils ermöglichen.

Die Vorrichtung zur Reparatur von Bauteilen umfasst des weiteren eine Einrichtung 24 zum Laserpulverauftragschweißen zur Erneuerung eines vom aufgespannten, zu reparierenden Bauteils entfernten, beschädigten Bauteilabschnitts. Die Einrichtung 24 zum Laserpulverauftragschweißen ist dabei vorzugsweise als Einrichtung zum Laserpulverauftragschweißen in Kokille ausgebildet.

Weiterhin ist in die Vorrichtung 17 eine Einrichtung 25 zum Laserstrahlschneiden und/oder eine Einrichtung 26 zum Laserstrahl-Feinabtragen integriert. Die Einrichtung 25 zum Laserstrahlschneiden dient insbesondere dem Entfernen eines beschädigten Bauteilabschnitts vom zu reparierenden Bauteil und/oder dem Abtragen von durch Laserpulverauftragschweißen aufgetragenem Material. Die Einrichtung 26 zum Laserstrahl-Feinabtragen, insbesondere zum Laserpolieren, dient der Oberflächenbearbeitung des oder jeden erneuerten Bauteilabschnitts.

Um das Laserabtragen durch Laserstrahlschneiden und/oder Laserstrahl-Feinabtragen konturgenau durchführen zu können, ist in die Vorrichtung 17 weiterhin eine nicht-dargestellte Messeinrichtung integriert, um nach dem Auftragen von Material durch Laserpulverauftragschweißen den oder jeden erneuerten Bauteilabschnitt zu vermessen. Die hierbei ermittelten Messwerte werden an eine nicht-dargestellte Steuereinrichtung bzw. Regeleinrichtung übermittelt, die den vermessenen, erneuerten Bauteilabschnitt mit einer vorgegebenen Kontur vergleicht und abhängig hiervon das Laserabtragen durch Laserstrahlschneiden und/oder Laserstrahl-Feinabtragen durchführt. Auf der Vorrichtung kann demnach ein einmal eingespanntes bzw. aufgespanntes, zu reparierendes Bauteil ohne Änderung der Aufspannung konturgenau repariert werden.

10
Gasturbinenschaufel
11
Pfeil
12
Bauteilabschnitt
13
Kontur
14
Kontur
15
Kontur
16
Kontur
17
Vorrichtung
18
Maschinengestell
19
Bewegungseinrichtung
20
Bewegungseinheit
21
Bewegungseinheit
22
Bewegungseinheit
23
Einrichtung
24
Einrichtung
25
Einrichtung


Anspruch[de]
Verfahren zur Reparatur von Bauteilen, insbesondere von Gasturbinenbauteilen,

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Bereitstellen eines zu reparierenden Bauteils mit mindestens einem beschädigten Bauteilabschnitt,

b) Entfernen des oder jeden beschädigten Bauteilabschnitts,

c) Auftragen von Material durch Laserpulverauftragschweißen im Bereich des oder jeden entfernten Bauteilabschnitts zur Erneuerung des entsprechenden Bauteilabschnitts,

d) Laserabtragen von durch Laserpulverauftragschweißen aufgetragenem Material zur Anpassung des oder jeden erneuerten Bauteilabschnitts an eine vorgegebene Bauteilkontur.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserpulverauftragschweißen und das Laserabtragen ohne Änderung der Aufspannung des zu reparierenden Bauteils auf derselben Vorrichtung durchgeführt werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserabtragen mit Hilfe von Laserstrahlschneiden und/oder Laserstrahl-Feinabtragen durchgeführt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an das Laserstrahlschneiden eine Oberflächenbearbeitung des oder jeden erneuerten Bauteilabschnitts durch Laserstrahl-Feinabtragen durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserstrahl-Feinabtragen ohne Änderung der Aufspannung des zu reparierenden Bauteils auf derselben Vorrichtung durchgeführt wird wie das Laserpulverauftragschweißen und das Laserstrahlschneiden. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Laserpulverauftragschweißen als Laserpulverauftragschweißen in Kokille durchgeführt wird, unmittelbar an das Laserpulverauftragschweißen das Laserabtragen mit Hilfe von Laserstrahl-Feinabtragen durchgeführt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des oder jeden beschädigten Bauteilabschnitts mit Hilfe von Laserabtragen, insbesondere von Laserstrahlschneiden, durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des oder jeden beschädigten Bauteilabschnitts durch Laserabtragen ohne Änderung der Aufspannung des zu reparierenden Bauteils auf derselben Vorrichtung durchgeführt wird wie das Laserpulverauftragschweißen und das sich an das Laserpulverauftragschweißen anschließende Laserabtragen. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auftragen von Material durch Laserpulverauftragschweißen zumindest der oder jeder erneuerte Bauteilabschnitt vermessen wird, wobei der oder jeder vermessene Bauteilabschnitt mit einer vorgegebene Kontur verglichen wird, und wobei abhängig hiervon das Laserabtragen durchgeführt wird. Verwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 zur Reparatur von Gasturbinenbauteilen, insbesondere zur Reparatur von Schaufelspitzen beschädigter Schaufeln, insbesondere beschädigter Hohlschaufeln.






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