DE102004052142B4

DE102004052142B4 - Laserschweißverfahren zur Herstellung von aus einem Blechmantel und einem Faserverbund bestehenden Verdichterschaufeln für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE102004052142B4
Application number: DE102004052142A
Authority: DE
Inventors: Karl Schreiber; Hermann Mohnkopf
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2024-10-23
Also published as: DE102004052142A1

Abstract

Laserschweißverfahren zur Herstellung von aus einem Blechmantel und einem Faserverbundkern bestehenden Verdichterschaufeln für ein Gasturbinentriebwerk, bei dem im Schweißnahtbereich befindliches Fasermaterial zunächst mit einem, von einem defokussierten Laserstrahl erzeugten Laserstrahlfleck mit durch die Geschwindigkeit bestimmter Wärmewirkung, dessen Durchmesser mindestens der Breite der Laserschweißnaht entspricht, abgebrannt wird und anschließend mit dem gleichen, mittels einer Fokussiereinrichtung stufenweise zwischen Abbrenn- und Schweißlage einstellbaren, fokussierten Laserstrahl in dem gereinigten Bereich eine Laserschweißnaht erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren zur Herstellung von aus einem Blechmantel und einem Faserverbundkern bestehenden Verdichterschaufeln für ein Gasturbinentriebwerk.
Das Laserstrahlschweißen zum Verbinden von metallischen Teilen ist seit langem bekannt und hat sich in zahlreichen Anwendungsfällen bewährt. Die Qualität der Schweißnaht kann jedoch durch Verschmutzungen im Schweißbereich in Form von Staub, Fettrückständen und dergleichen beeinträchtigt sein, und zwar insbesondere dann, wenn, wie bei den eingangs beispielhaft erwähnten Verdichterschaufeln, noch andere, beispielsweise organische Stoffe Bestandteil der zu verbindenden Metallteile sind. Beim Verbindungsschweißen von Blechteilen, die eine Umhüllung für einen innen liegenden Faserkern aus Glas-, Kohlenstoff-, Kunststoff- oder anderen Fasern bilden, ragen in die Schweißfuge Einzelfasern oder ganze Faserbündel, die beim Überschweißen zu Verpuffungen und zu Störungen in der Schweißnaht führen. Trotz vorhergehender sorgfältiger Reinigung des Schweißnahtbereichs können die Fasern nicht zuverlässig entfernt werden und allein durch Luftbewegungen innerhalb kürzester Zeit wieder Staub- und Faserpar tikel auf die Blechteile gelangen und die Qualität der anschließend erzeugten Laserschweißnaht beeinträchtigen.
Die JP-60121093 A1 beschreibt ein Laserschweißverfahren, bei dem in ein- und derselben Vorrichtung dem fokussierten Laserschweißstrahl ein von dem Hauptstrahl abgezweigter, defokussierter Laserstrahl vorgeschaltet ist. Die Verbrennungsrückstände werden mit einem auf den Schweißstrahlbereich gerichteten Inertgasstrom weggeblasen.
Eine derartige, zweistrahlige Schweißvorrichtung ist apparativ aufwendig und teuer und wird zudem den Verhältnissen beim Schweißen der Blechhülle von einen Faserverbundkern aufweisenden Verdichterschaufeln nicht gerecht, da Bewegungen im Raum und erst recht eine Abblasvorrichtung andere Fasern aufwirbeln und den Schweißnahtbereich sofort wieder verunreinigen. Durch das unmittelbare Aufeinanderfolgen von Abbrenn- und Schweißstrahl ist zudem nicht nachprüfbar, ob der Nahtbereich tatsächlich frei von Fasern ist.
Gemäß dem aus DE 10 2004 001 166 A1 bekannten Verfahren zum Laserschweißen wird der Laserstrahl mittels einer flexiblen Scanner-Einrichtung auf die Oberfläche gelenkt. Die Einrichtung enthält auch ein mechanisch verstellbares optisches Element zur schnellen Einstellung der Fokuslage.
Das Verfahren nach DE 102 19 388 A1 befasst sich mit der Erzeugung einer Grabenstruktur in einem mit Glasfasern verstärkten Polymersubstrat mit einem Laserstrahl.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserschweißverfahren zur Herstellung von aus einem Blechmantel und einem Faserverbundkern bestehenden Verdichter schaufeln für ein Gasturbinentriebwerk zu schaffen, das eine störungsfreie Schweißnahtausbildung gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bei einem Laserschweißverfahren zur Herstellung von aus einem Blechmantel und einem Faserverbundkern bestehenden Verdichterschaufeln für ein Gasturbinentriebwerk gelöst, bei dem im Schweißnahtbereich befindliches Fasermaterial zunächst mit einem, von einem defokussierten Laserstrahl erzeugten Laserstrahlfleck mit durch die Geschwindigkeit bestimmter Wärmewirkung, dessen Durchmesser mindestens der Breite der Laserschweißnaht entspricht, abgebrannt wird und anschließend mit dem gleichen, mittels einer Fokussiereinrichtung stufenweise zwischen Abbrenn- und Schweißlage einstellbaren, fokussierten Laserstrahl in dem gereinigten Bereich eine Laserschweißnaht erzeugt wird.
Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens.
Das Wesen des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens besteht in der Reinigung des Schweißnahtbereichs vor dem Laserschweißvorgang mit einem defokussierten Laserstrahl, dessen Laserstrahlfleck etwa die Breite des Schweißnahtbereichs erfasst und der in Verbindung mit seiner Bewegungsgeschwindigkeit entlang der Schweißfläche eine Temperatur erzeugt, bei welcher Fasern und andere Verschmutzungen abgebrannt werden, aber das Material der zu verbindenden Teile selbst unbeeinflusst bleibt. Für den unmittelbar – jedenfalls ohne Zwischenschritte – nachgeschalteten Laserschweißvorgang steht somit eine gereinigte Schweißfläche zur Verfügung, die eine störungsfreie, homogene Schweißnahtausbildung gewährleistet.
Es ist besonders vorteilhaft, dass das Reinigen und Schweißen mit ein- und derselben Vorrichtung bzw. mit ein und demselben Laserstrahl erfolgt, weil dadurch der apparative Aufwand gering ist und sich – nach Umstellung der Fokussieroptik oder des Arbeitsabstandes – an den Reinigungsvorgang gleich der Schweißprozess anschließen kann. Dadurch ist nach dem Reinigen eine Neuverschmutzung der Bauteilflächen im vorgesehenen Schweißnahtbereich ausgeschlossen.
Die Einstellung der Temperatur beim Laserreinigen kann über die Veränderung der Größe und/oder der Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahlflecks und/oder der Laserleistung vorgenommen werden.
Anhand einer Versuchsbeschreibung wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert.
Für die Herstellung von Verdichterschaufeln von Flugtriebwerken, die aus einem Faserkern und einer Blechumhüllung bestehen, wurde aus jeweils zwei Titanblechen eine Schweißfuge gebildet, in die einzelne Fasern und Faserbündel aus zwei, drei oder zehn Fasern eingelegt und außerhalb der Schweißfuge mit einem Klebeband fixiert wurden. Bei den Fasern handelte es sich um Kohlefasern, Aramidfasern und Glasfasern. Die Bleche waren im Fugenbereich in üblicher Weise, zum Beispiel durch bei der manuellen Handhabung aufgebrachte Fette, verschmutzt. Im Abstand von 2 mm und 10 mm vom Schweißnahtbereich waren Thermoelemente angebracht.
Die so präparierten Bleche wurden zunächst in üblicher Weise mit einem Neodym – YAG-Laser verschweißt. In den mit Fasern belegten Bereichen kam es beim Schweißen zu Verpuffungen. Die entsprechende Umgebung war mit Ruß belegt. Die Schweißnähte wiesen von der Faserart und der Stärke des Faserbündels abhängige deutliche Fehler auf.
In einer zweiten Versuchsreihe wurden die in der oben beschriebenen Art vorbereiteten Titanbleche im vorgesehenen Schweißnahtbereich mit dem gleichen, jedoch defokussierten Laserstrahl mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit überfahren. Die Größe des Laserstrahlfleckes, der zumindest die vorgesehene Breite der Schweißnaht abdeckt, betrug etwa 5 mm. Bei der vorgegebenen Geschwindigkeit und Defokussierung des Laserstrahls wurden die Kohle- und Aramidfasern zuverlässig abgebrannt. Zum Teil vorhandene Rußflecke lagen außerhalb des Schweißnahtbereichs. Auch andere, beispielsweise durch Staub oder Fingerabdrücke verursachte Verschmutzungen wurden mit dem defokussierten Laserstrahl entfernt. Die Parameter für die Reinigung sind so gewählt, dass die Oberfläche des Titanblechs so wenig erwärmt wird, dass Anlauffarben nicht erkennbar waren und das zu verschweißende Blechmaterial nicht beschädigt wurde. Die mit den Thermoelementen in der Nähe des Schweißnahtbereichs gemessene Temperatur war gering, so dass auch von einer optimalen Nutzung der Laserstrahlenergie für den Reinigungsprozess, das heißt, geringen Wärmeverlusten, auszugehen ist.
Unmittelbar nach dem mit dem defokussierten Laserstrahl durchgeführten Reinigungsvorgang wurden die Titanbleche mit dem gleichen, aber jetzt fokussierten Laserstrahl verschweißt. Durch das unmittelbare Aufeinanderfolgen von Laserreinigen und Laserschweißen war eine zwischenzeitliche Verschmutzung ausgeschlossen. Die so erzeugten Schweißnähte wiesen keinerlei Störungen auf.
Der für den Laserreinigungsprozess erforderliche Aufwand ist gering, da dieselbe Laserschweißvorrichtung mit einem von deren Fokussierungsoptik defokussierten Laserstrahl auch für den Reinigungsvorgang benutzt werden kann. Durch die Benutzung ein und derselben Vorrichtung kann sich der Schweißvorgang auch ohne zwischenzeitliche Neuverschmutzung unmittelbar an den Reinigungsschritt anschließen. Der Aufwand für die Umstellung ist gering, wenn die Fokussieroptik bestimmte Einstellstufen aufweist.
Das beschriebene Verfahren kann auch zur Schweißnahtreinigung bei anderen Schweißverfahren benutzt werden und gilt neben Titanwerkstoffen auch für das Schweißen aller anderen metallischen Werkstoffe.

Claims

Laserschweißverfahren zur Herstellung von aus einem Blechmantel und einem Faserverbundkern bestehenden Verdichterschaufeln für ein Gasturbinentriebwerk, bei dem im Schweißnahtbereich befindliches Fasermaterial zunächst mit einem, von einem defokussierten Laserstrahl erzeugten Laserstrahlfleck mit durch die Geschwindigkeit bestimmter Wärmewirkung, dessen Durchmesser mindestens der Breite der Laserschweißnaht entspricht, abgebrannt wird und anschließend mit dem gleichen, mittels einer Fokussiereinrichtung stufenweise zwischen Abbrenn- und Schweißlage einstellbaren, fokussierten Laserstrahl in dem gereinigten Bereich eine Laserschweißnaht erzeugt wird.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des entlang dem Schweißnahtbereich bewegten Laserstrahlflecks in Abhängigkeit von der für den Reinigungsvorgang erforderlichen, von der Art und dem Umfang der jeweiligen Verschmutzung abhängigen Temperatur gewählt wird.
Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der Fokussiereinrichtung für den schnellen Wechsel zwischen Reinigungs- und Schweißvorgang in Stufen erfolgt.