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DE102006033297A1 - Repair process for blades of gas turbine compressor involves heat treatment using laser beam in locally limited region influenced by welding heat - Google Patents

Repair process for blades of gas turbine compressor involves heat treatment using laser beam in locally limited region influenced by welding heat Download PDF

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Abstract

The repair process is applied to blisk-produced blades (5) of a gas turbine power unit. The defective blade is cut off and a new added piece is welded onto the stump. A local heat treatment process is then applied. This is done using a laser beam in a locally limited region which is influenced by the heat used in welding the added part.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur der Schaufeln von als BLISK ausgeführten Verdichtern eines Gasturbinentriebwerks, bei dem ein defektes Schaufelteil abgetrennt, an den verbleibenden Schaufelstumpf ein entsprechendes Ansatzstück angeschweißt und anschließend eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.The The invention relates to a method for repairing the blades of executed as BLISK Compressors of a gas turbine engine, in which a defective blade part separated, to the remaining blade stump a corresponding Attachment welded and then a heat treatment carried out becomes.

Bei Gasturbinentriebwerken werden bekanntermaßen in BLISK-Bauweise ausgebildete Verdichter eingesetzt, die sich durch optimale Strömungsführung und hohen Verdichterwirkungsgrad bei geringem Gewicht auszeichnen. Gegenüber herkömmlichen Verdichtern mit separat ausgebildeten und an der Verdichterscheibe gehaltenen Schaufeln bilden die Scheibe und die Schaufeln bei einer BLISK ein integrales, durch Fräsen aus Vollmaterial, ECM oder durch eine lineare Reibschweißverbindung zwischen Scheibe und Schaufel gefertigtes Bauteil. Während beschädigte Schaufeln von konventionellen Verdichtern auf einfache Weise gegen neue Schaufeln ausgetauscht werden, können die integral mit der Verdichterscheibe verbundenen Verdichterschaufeln einer BLISK nur partiell nachgearbeitet werden oder müssen – bei größeren Schäden – vollständig von der Scheibe abgetrennt werden. Das bei kleineren Schaufelgeometrien nur durch Schmelzschweißen mögliche Anschweißen einer neuen Verdichterschaufel oder eines Schaufelteils erfordert jedoch zum Abbau der Eigenspannungen in dem durch Wärme beeinflussten Bereich und zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eine Wärmebehandlung in der Schweißzone, die entweder lokal – mit bekannten Kapseltechniken oder durch Anströmen von Heißgas – oder durch Wärmebehandlung des gesamten Bauteils in einem Ofen durchgeführt wird. Während die bekannten lokalen Verfahren für die jeweilige Schaufelgeometrie eine bestimmte, aufwendige Verkapselungsvorrichtung benötigen, ist die Wärmebehandlung des gesamten Bauteils insofern nachteilig, als sich die BLISK dabei verziehen kann und eine zuvor erzeugte Oberflächenverfestigung wiederholt oder Beschichtungen erneut aufgetragen werden müssen. Schließlich kann bei wiederholten Reparaturen die Wärmebehandlung aufgrund der sich dabei ändernden Materialeigenschaften nicht uneingeschränkt wiederholt werden.at Gas turbine engines are known to be designed in BLISK design Compressors used, which are characterized by optimal flow control and high compressor efficiency with low weight. Compared to conventional Compressors with separately formed and on the compressor disk held blades form the disc and the blades at one BLISK an integral, by milling made of solid material, ECM or by a linear friction welding connection manufactured between disc and blade component. While damaged blades from conventional compressors in a simple way against new blades can be exchanged the compressor blades integrally connected to the compressor disk BLISK are only partially reworked or must - in case of major damage - completely by the Disc be separated. That with smaller blade geometries only by fusion welding possible welding a However, new compressor blade or a blade part requires for Reduction of residual stresses in the heat affected area and to improve the mechanical properties of a heat treatment in the welding zone, either locally - with known capsule techniques or by flowing hot gas - or by heat treatment the entire component is carried out in an oven. While the well-known local Procedure for the particular blade geometry a specific, expensive encapsulation device need, is the heat treatment the entire component disadvantageous, as the BLISK thereby can warp and repeated a previously generated surface hardening or coatings must be reapplied. Finally, can at repeated repairs, the heat treatment due to the thereby changing Material properties are not fully repeated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf dem Anschweißen endkonturnaher Schaufeln oder Schaufelabschnitte basierendes Reparaturverfahren für BLISKs anzugeben, das bei unterschiedlichen Geometrien des Schweißnahtverlaufs mit geringem Vorrichtungsaufwand eine lokale Wärmebehandlung des beim Schweißen wärmebeeinflussten Bereichs der Schaufel erlaubt.Of the Invention is based on the object, an endkonturnaher on the welding Shovel or blade sections based repair process for BLISKs specify this with different geometries of the weld seam Local heat treatment of the area affected by heat during welding, with little device outlay the shovel allowed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren zur Reparatur von BLISKs gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention Task with a method for repairing BLISKs according to the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht in einer genau auf den durch die Schweißwärme beeinflussten Bereich begrenzten Wärmebehandlung mit einem Laserstrahl. Dadurch können die verschiedensten Schaufel- bzw. Schweißnahtgeometrien in einem eng begrenzten Bereich wärmebehandelt werden und es entfällt der für eine lokale Wärmebehandlung nach dem Stand der Technik hohe Vorrichtungsaufwand.Of the Basic idea of the invention consists in a precise on the influenced the welding heat Area limited heat treatment with a laser beam. Thereby can the most diverse blade or weld geometries in a tight limited area heat treated be and it will be deleted the for a local heat treatment According to the prior art high device cost.

Die Parameter für den Wärmeeintrag in das Material werden durch den Laserstrahl selbst und durch die Geschwindig keit, mit der der Laserstrahl an der Schaufeloberfläche bewegt wird, eingestellt.The Parameters for the heat input in the material are by the laser beam itself and by the Speed with which the laser beam moves on the blade surface is set.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schweißverbindung mit einem Laserstrahl hergestellt wird, weil dann die gleiche Laseroptik mit entsprechend modifizierter Form des Laserstrahl sowie der Bewegung und der Bewegungsgeschwindigkeit auch für die lokale Wärmebehandlung eingesetzt werden kann.Especially It is advantageous if the welded connection with a laser beam is made, because then the same laser optics with accordingly modified form of the laser beam as well as the movement and the movement speed also for the local heat treatment can be used.

Der Laserstrahl kann mäanderförmig oder in einem bestimmten Raster mit einem Laserstrahl punktuell über den durch die Schweißwärme beeinflussten Bereich geführt werden.Of the Laser beam can meander or in a particular grid with a laser beam punctually over the influenced by the welding heat Area led become.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt die Wärmebehandlung zur Vermeidung einer Oxidation des Werkstoffs in einer Schutzgasatmosphäre, und zwar entweder in einer Kammer oder in einem dem Schweißnahtbereich bzw. dem spezifischen Wärmebehandlungsbereich kontinuierlich zugeführten Schutzgasstrom.According to one Another feature of the invention is the heat treatment to avoid a Oxidation of the material in a protective gas atmosphere, and although either in a chamber or in the weld area or the specific heat treatment area continuously supplied Protective gas flow.

Die Erfindung wird in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Seitenansicht eines Teils einer BLISK 1 und eine dieser zugeordnete dreidimensional und mit regelbarer Geschwindigkeit bewegliche Laseroptik 2, deren einstellbar fokussierbarer Laserstrahl 3 mittels eines mit der Laseroptik 2 verbundenen Umlenkspiegels 4 auf den durch die Schweißwärme beeinflussten Bereich einer BLISK-Schaufel 5 gerichtet ist.The invention will be explained in more detail in the following embodiment. The accompanying drawing shows a side view of part of a BLISK 1 and one of these associated three-dimensional and adjustable speed movable laser optics 2 whose adjustable focusable laser beam 3 by means of one with the laser optics 2 connected deflecting mirror 4 on the area of a BLISK blade influenced by the welding heat 5 is directed.

Von einem in BLISK-Bauweise ausgebildeten Verdichter eines Gasturbinentriebwerks werden die durch Fremdeinwirkung beschädigten Schaufeln oder Schaufelteile abgetrennt und neue, ein bestimmtes Aufmaß für eine anschließende Nachbearbeitung aufweisende Schaufelansatzstücke durch Schmelzschweißen mit einem Laserstrahl angeschweißt. Die zum Abbau der in dem durch den Schweißvorgang durch Wärme beeinflussten Bereich auftretenden Eigenspannungen erforderliche, lokal begrenzte Wärmebehandlung kann mit der bereits beim Laserstrahlschweißen verwendeten Laseroptik erfolgen, jedoch mit einem modifizierten Laserstrahl und einer geänderten, den gesamten durch die Erwärmung beim Schweißen betroffenen Bereich erfassenden Laserstrahlführung. Das heißt, der Laserstrahl ist so entlang der Schweißnaht geführt und fokussiert, dass die Schweißnaht und der beidseitig an diese angrenzende, durch Wärme beeinflusste Teil der betreffenden Verdichterschaufel von dem Laserstrahl erwärmt wird. Außerdem wird die Laseroptik so eingestellt und mit einer solchen Geschwindigkeit bewegt, dass der Laserstrahl im Schweißnahtbereich genau die für die Wärmebehandlung zum Spannungsarmglühen erforderliche Temperatur aufweist. Der Laserstrahl wird beispielsweise mäanderförmig über den Schweißnahtbereich geführt. Die Wärmebehandlung kann auch mit einem in einem bestimmten Raster gepulsten Laserstrahl durchgeführt werden. Um eine Oxidation des Werkstoffs zu vermeiden, erfolgt die Wärmebehandlung unter Schutzgas, und zwar entweder in einer Kammer oder durch lokale Zuführung eines Schutzgasstroms, beispielsweise Argon, im Wärmebehandlungsbereich. Im Anschluss an die Laserstrahl-Wärmebehandlung können bekannte Prüfverfahren und eine Fertigbearbeitung der Schaufel durchgeführt werden.From a compressor of a gas turbine engine constructed in BLISK design, the blades or blade parts damaged by external influences are separated and new blade extensions which have a certain allowance for subsequent reworking are welded by fusion welding with a laser beam. The to dismantle in the by the Welding process by heat-affected area occurring residual stresses required, localized heat treatment can be done with the laser optics already used in laser beam welding, but with a modified laser beam and a modified, the entire affected by the heating during welding area detecting laser beam guide. That is, the laser beam is guided and focused along the weld so that the weld seam and the heat affected part of the respective compressor blade on both sides thereof are heated by the laser beam. In addition, the laser optics is adjusted and moved at such a speed that the laser beam in the weld area has exactly the temperature required for the heat treatment for stress relief annealing. The laser beam is guided, for example meandering over the weld seam area. The heat treatment can also be carried out with a laser beam pulsed in a certain pattern. In order to avoid oxidation of the material, the heat treatment is carried out under protective gas, either in a chamber or by local supply of a protective gas stream, such as argon, in the heat treatment area. Following the laser beam heat treatment, known test methods and finish machining of the blade can be performed.

Aufgrund der auf den Schweißnahtbereich beschränkten Wärmebehandlung kann der Verzug des Werkstücks (BLISK) minimiert werden. Eine erneute Oberflächenbeschichtung oder Verfestigung der Oberfläche, beispielsweise durch Kugelstrahlen, der nicht wärmebehandelten Bereiche ist nicht erforderlich. Der Vorrichtungsaufwand ist gegenüber bekannten Vorrichtungen zur lokalen Wärmebehandlung gering. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es weiterhin vor teilhaft, dass die für den Schweißvorgang verwendete Laseroptik, und zwar unmittelbar nach der Herstellung der Schweißnaht, auch für die Wärmebehandlung verwendet werden kann und somit der apparative Aufwand deutlich verringert wird.by virtue of the heat treatment limited to the weld area can the delay of the workpiece (BLISK) can be minimized. A renewed surface coating or solidification of Surface, for example, by shot peening, which is not heat treated areas not mandatory. The device overhead is over known Devices for local heat treatment low. In the present embodiment It is still partly geous that for the welding process used laser optics, immediately after manufacture the weld, also for the heat treatment can be used and thus the equipment cost significantly is reduced.

11
BLISKblisk
22
Laseroptiklaser optics
33
Laserstrahllaser beam
44
Umlenkspiegeldeflecting
55
BLISK-SchaufelBlisk blade

Claims (6)

Verfahren zur Reparatur der Schaufeln von als BLISK ausgeführten Verdichtern für ein Gasturbinentriebwerk, bei dem ein defektes Schaufelteil abgetrennt, an den verbleibenden Schaufelstumpf ein neues Ansatzstück angeschweißt und anschließend eine lokale Wärmebehandlung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einem durch die Schweißwärme beeinflussten, örtlich begrenzten Bereich mit einem Laserstrahl durchgeführt wird.A method of repairing the blades of BLISK compressors for a gas turbine engine, in which a defective blade part is separated, a new extension is welded to the remaining blade stub, and then a local heat treatment is performed, characterized in that the heat treatment is influenced by the welding heat, localized area is performed with a laser beam. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl und dessen Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der erforderlichen Wärmebehandlungstemperatur und -zeitdauer eingestellt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the laser beam and its speed in dependence from the required heat treatment temperature and duration is set. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl mäanderförmig über den Wärmebehandlungsbereich geführt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that the laser beam meanders over the Heat treatment area to be led. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl in einem bestimmten Raster über den Wärmebehandlungsbereich geführt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that the laser beam is guided in a certain grid over the heat treatment area. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung mit einem Laserstrahl erzeugt wird und die dafür eingesetzte Laseroptik bezüglich des Bewegungsablaufs, der Geschwindigkeit und der Form des Laserstrahls einstellbar ist und auch zur Erzeugung des Laserstrahls für die Wärmebehandlung verwendet werden kann.Method according to claim 1, characterized in that that the welded joint is generated with a laser beam and the laser optics used for the Movement, the speed and shape of the laser beam is adjustable and also for generating the laser beam for the heat treatment can be used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser-Wärmebehandlung unter Schutzgas durchgeführt wird, und zwar in einer mit Schutzgas beaufschlagten Kammer oder unter kontinuierlicher Zuführung eines Schutzgasstroms entsprechend der Laserstrahlführung.Method according to claim 1, characterized in that that the laser heat treatment carried out under inert gas is, in an inert gas chamber or under continuous feed a protective gas stream according to the laser beam guidance.
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