EP1625771A1 - Method for heating components - Google Patents

Method for heating components

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EP1625771A1
EP1625771A1 EP04728098A EP04728098A EP1625771A1 EP 1625771 A1 EP1625771 A1 EP 1625771A1 EP 04728098 A EP04728098 A EP 04728098A EP 04728098 A EP04728098 A EP 04728098A EP 1625771 A1 EP1625771 A1 EP 1625771A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
heating
laser
turbine blade
radiation
Prior art date
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EP04728098A
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German (de)
French (fr)
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EP1625771B1 (en
Inventor
Stefan Oliver Czerner
Klaus Emiljanow
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F27D99/0001—Heating elements or systems
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0033—Heating devices using lamps
    • H05B3/0038—Heating devices using lamps for industrial applications

Definitions

  • the invention relates to a method for heating components before and / or during further processing of the same.
  • Components such as turbine blades of gas turbines, must be heated during the production or maintenance of the same in order to carry out a wide variety of machining processes. This warming is also called preheating.
  • so-called surfacing is used in the maintenance of turbine blades.
  • the turbine blades to be welded In connection with cladding, the turbine blades to be welded have to be preheated to a desired process temperature. Reliable build-up welding can only be carried out when the turbine blade to be welded has been heated to the process temperature and is kept at the desired process temperature during build-up welding.
  • inductive systems are used for heating or preheating components.
  • Such inductive systems can be, for example, coils that heat the component based on inductive energy input.
  • the heating or preheating of components by means of inductive systems has the disadvantage that high temperature tolerances of up to 50 ° C. can occur on the component to be heated during the heating or preheating. This inaccurate temperature distribution on the component to be heated is disadvantageous. Furthermore, such inductive systems consume a lot of energy.
  • Another disadvantage of inductive systems is that, when heated or preheated, higher temperatures can occur inside the component than on the surface of the component. This can damage the component.
  • the present invention is based on the problem of creating a novel method for heating components. This problem is solved by a method with the features of claim 1.
  • at least one laser device is used for heating as the energy source.
  • laser devices for heating the component results in faster heating than in the heating methods known from the prior art. Furthermore, the use of laser devices ensures that no higher temperatures occur within the component to be heated than on its surfaces. Furthermore, laser devices have radiation energy with a narrowly definable specific wavelength. As this ensures a defined energy input to the component and advantageously influences the result of the heating of the component.
  • angles of incidence with which the laser beams strike the or each surface of the component to be heated are adapted to the contour of the corresponding surface. This improves the homogeneity of the energy input, in particular in the case of components such as turbine blades which have differently curved surfaces.
  • the heating of the component is measured and, depending on this, the heating is regulated in such a way that the power of the or each laser device is adapted to produce a desired temperature setpoint. This ensures that the desired temperature setpoint is maintained, which is particularly advantageous if the temperature setpoint of the heating is to be maintained over a longer period of time while the component is being processed.
  • Fig. 1 a highly schematic arrangement with a component to be heated
  • Fig. 2 a highly schematic arrangement with a component to be heated
  • Fig. 3 a highly schematic arrangement with a component to be heated
  • Clarification of a third embodiment of the method according to the invention Clarification of a third embodiment of the method according to the invention.
  • FIGS. 1 to 3. 1 to 3 each show different exemplary embodiments of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a highly schematic of a turbine blade 10 of a high-pressure turbine of an aircraft engine. It is now within the meaning of the present invention to heat the turbine blade 10 of the high-pressure turbine before and / or during further processing thereof.
  • the further processing of the turbine blade 10 can be, for example, so-called build-up welding.
  • At least one laser device is used as the energy source for heating or preheating the component.
  • Diode lasers are preferably used as laser devices. The use of diode lasers is particularly advantageous. Alternatively or in addition to the diode lasers, however, other laser radiation sources can also be used as energy sources. His C0 2 laser, Nd laser, YAG laser or Eximer laser is mentioned here as an example.
  • the turbine blade 10 to be heated is irradiated on two sides by the laser devices. This means that radiation energy is applied to the turbine blade 10 to be heated from two radiation directions or is directed to the corresponding surfaces thereof.
  • 1 shows first arrows 11 and second arrows 12.
  • the first arrows 11 visualize the radiation of the turbine blade 10 to be heated from a first radiation direction
  • the second arrows 12 visualize the radiation thereof from a second radiation direction.
  • the two irradiation directions in the sense of arrows 11 and 12 serve to irradiate two different surfaces of the turbine blade 10.
  • the turbine blade 10 is heated due to the laser radiation.
  • the turbine blade 10 is irradiated from four directions.
  • 2 shows first arrows 13, second arrows 14, third arrows 15 and fourth arrows 16.
  • the first arrows 13 visualize a first direction of irradiation.
  • the second arrows 14 visualize a second irradiation direction, and the third and fourth arrows 15, 16 visualize a third and fourth irradiation direction.
  • Four different surfaces of the turbine blade 10 are irradiated here.
  • the exact selection or determination of the number of irradiation directions depends on the one hand on the component to be irradiated and on the other hand on the type of further processing of the component to be carried out before and / or during the irradiation.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the method according to the invention, in which the turbine blade 10 to be heated or preheated is irradiated from four directions by means of laser devices.
  • First arrows 17 thus visualize a first radiation direction
  • second arrows 18 a second radiation direction
  • third or fourth arrows 19 and 20 third and fourth directions of irradiation.
  • the angle of incidence with which the laser beams strike the surfaces of the turbine blade 10 to be heated are matched to the contour of the corresponding surfaces.
  • 3 shows that the laser beams in the sense of the first arrows 17 strike the turbine blade 10 at a different angle than the laser beams in the sense of the second arrows 18.
  • the turbine blade 10 is heated by the use of laser devices as energy sources.
  • the energy input to the turbine blade 10 to be heated therefore takes place without contact via the surfaces of the turbine blade 10.
  • the heating or preheating of the turbine blade 10 and thus the temperatures achieved on the respective surfaces of the turbine blade 10 are measured without contact via the surfaces.
  • This non-contact measurement is carried out using one or more pyrometers.
  • a pyrometer for temperature control is preferably used for each irradiation direction or for each surface of the turbine blade 10 to be irradiated or heated.
  • two pyrometers would accordingly and in the exemplary embodiments according to FIGS. 3 and 4 each use four pyrometers for temperature measurement on the respective surfaces. It follows directly from this that not only the energy input but also the temperature measurement takes place contactlessly over the surfaces of the turbine blade 10.
  • the heating or preheating of the component monitored by means of the contactless temperature measurement is used to regulate the heating of the turbine blade 10. It is within the meaning of the present invention that the or each pyrometer measures the temperature on the corresponding surface of the turbine blade 10 and a corresponding measurement signal is forwarded to a control device (not shown). These measurement signals are generated by the control device in this way processed that a desired temperature setpoint is achieved on the corresponding surface. For this purpose, the performance of the laser devices is influenced by the control device. After the desired temperature setpoint has been reached, the further regulation of the temperature takes over the power control of the respective laser device.
  • diode lasers are preferably used as laser devices.
  • the use of diode lasers which have a linear power output with linear control is particularly advantageous.
  • the heating or preheating is particularly preferably carried out when using diode lasers in a power range from 200 to 800 watts.
  • diode lasers enable radiation energy with a narrowly limited specific wavelength to be introduced onto the turbine blade 10 to be heated.
  • Focal lengths with positive, negative and parallel energy spreads of the laser radiation energy can be used.
  • a clearly defined machining surface can be achieved even with a changing arrangement of the component to be heated or the turbine blade 10 to be heated in the beam path.
  • the defined wavelength of the diode laser enables a particularly good and defined limitation of the energy spread.
  • the surface of the turbine blade 10 to be heated can be precisely irradiated and heated. 1 to 3 each show the parallel energy radiation from each of the radiation directions.
  • the turbine blade 10 is heated in particular in connection with a further processing of the turbine blade 10 to be carried out before and / or during the heating.
  • Such processing, in which heating or preheating of the turbine blade 10 is required, is so-called cladding or laser beam cladding.
  • Laser beam cladding is mainly used in the maintenance of gas turbines, especially aircraft engines, and it creates a metallurgical bond between base and filler materials. This is how laser beam cladding becomes used in maintenance in connection with wear zones on turbine blades, the wear zones primarily being the end faces of the turbine blades of high-pressure turbines.
  • the method according to the invention for heating or preheating turbine blades 10 can be used particularly advantageously.
  • the method according to the invention serves to preheat the base material or the turbine blade to be maintained. As described above in connection with the method according to the invention, these are heated using diode lasers.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The invention relates to a method for heating components before and/or during a further processing thereof. According to the invention, at least one laser device is used as energy source for heating.

Description

Verfahren zur Erwärmung von Bauteilen Process for heating components
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung von Bauteilen vor und/oder während einer weiteren Bearbeitung derselben.The invention relates to a method for heating components before and / or during further processing of the same.
Bauteile, wie zum Beispiel Turbinenschaufeln von Gasturbinen, müssen bei der Produktion bzw. Instandhaltung derselben zur Durchführung verschiedenster Bearbeitungsverfahren erwärmt werden. Diese Erwärmung wird auch als Vorwärmung bezeichnet.Components, such as turbine blades of gas turbines, must be heated during the production or maintenance of the same in order to carry out a wide variety of machining processes. This warming is also called preheating.
Bei der Instandhaltung von Turbinenschaufeln kommt zum Beispiel das sogenannte Auftragschweißen zur Anwendung. Im Zusammenhang mit dem Auftragschweißen ist die Vorwärmung der zu schweißenden Turbinenschaufeln auf eine gewünschte Prozesstemperatur erforderlich. Nur dann, wenn die zu schweißende Turbinenschaufel auf die Prozesstemperatur erwärmt worden ist und während des Auftragschweißens auf der gewünschten Prozesstemperatur gehalten wird, kann ein zuverlässiges Auftragschweißen durchgeführt werden.For example, so-called surfacing is used in the maintenance of turbine blades. In connection with cladding, the turbine blades to be welded have to be preheated to a desired process temperature. Reliable build-up welding can only be carried out when the turbine blade to be welded has been heated to the process temperature and is kept at the desired process temperature during build-up welding.
Nach dem Stand der Technik werden zur Erwärmung bzw. zur Vorwärmung von Bauteilen sogenannte induktive Systeme verwendet. Bei solchen induktiven Systemen kann es sich zum Beispiel um Spulen handeln, die auf Grundlage induktiver Energieeinbringung das Bauteil erwärmen. Die Erwärmung bzw. Vorwärmung von Bauteilen mittels induktiver Systeme verfügt über den Nachteil, dass sich bei der Erwärmung bzw. Vorwärmung hohe Temperaturtoleranzen von bis zu 50°C am zu erwärmenden Bauteil einstellen können. Diese ungenaue Temperaturverteilung am zu erwärmenden Bauteil ist nachteilhaft. Weiterhin verbrauchen derartige induktive Systeme sehr viel Energie. Ein weiterer Nachteil induktiver Systeme liegt darin, dass sich bei der Erwärmung bzw. Vorwärmung im Inneren des Bauteils höhere Temperaturen einstellen können als an der Oberfläche des Bauteils. Dies kann zu Beschädigungen am Bauteil führen.According to the prior art, so-called inductive systems are used for heating or preheating components. Such inductive systems can be, for example, coils that heat the component based on inductive energy input. The heating or preheating of components by means of inductive systems has the disadvantage that high temperature tolerances of up to 50 ° C. can occur on the component to be heated during the heating or preheating. This inaccurate temperature distribution on the component to be heated is disadvantageous. Furthermore, such inductive systems consume a lot of energy. Another disadvantage of inductive systems is that, when heated or preheated, higher temperatures can occur inside the component than on the surface of the component. This can damage the component.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Erwärmung von Bauteilen zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird zur Erwärmung als Energiequelle mindestens eine Lasereinrichtung verwendet.Proceeding from this, the present invention is based on the problem of creating a novel method for heating components. This problem is solved by a method with the features of claim 1. According to the invention, at least one laser device is used for heating as the energy source.
Durch die Verwendung von Lasereinrichtungen zur Erwärmung des Bauteils wird eine schnellere Erwärmung erzielt als bei aus dem Stand der Technik bekannten Erwärmungsverfahren. Des weiteren wird durch die Verwendung von Lasereinrichtungen gewährleistet, dass innerhalb des zu erwärmenden Bauteils keine höheren Temperaturen auftreten als an seinen Oberflächen. Ferner verfügen Lasereinrichtungen über Strahlungsenergie mit einer eng begrenzbaren spezifischen Wellenlänge. Als dies sorgt für eine definierte Energieeinbringung auf das Bauteil und beeinflusst das Ergebnis der Erwärmung des Bauteils vorteilhaft.The use of laser devices for heating the component results in faster heating than in the heating methods known from the prior art. Furthermore, the use of laser devices ensures that no higher temperatures occur within the component to be heated than on its surfaces. Furthermore, laser devices have radiation energy with a narrowly definable specific wavelength. As this ensures a defined energy input to the component and advantageously influences the result of the heating of the component.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden Anstellwinkel, mit welchen die Laserstrahlen auf die oder jede Oberfläche des zu erwärmenden Bauteils treffen, an die Kontur der entsprechenden Oberfläche angepasst. Hierdurch wird die Homogenität der Energieeinbringung verbessert, insbesondere bei Bauteilen wie Turbinenschaufeln, die unterschiedlich gekrümmte Oberflächen aufweisen.According to an advantageous development of the invention, angles of incidence with which the laser beams strike the or each surface of the component to be heated are adapted to the contour of the corresponding surface. This improves the homogeneity of the energy input, in particular in the case of components such as turbine blades which have differently curved surfaces.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Erwärmung des Bauteils gemessen und abhängig hiervon wird die Erwärmung derart geregelt, dass die Leistung der oder jeder Lasereinrichtung zur Erzeilung eines gewünschten Temperatur-Sollwerts angepasst wird. Dies sorgt für die Einhaltung des gewünschten Temperatur-Sollwerts, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn während der Bearbeitung des Bauteils der Temperatur-Sollwert der Erwärmung über eine längeren Zeitraum eingehalten werden soll.According to an advantageous embodiment of the invention, the heating of the component is measured and, depending on this, the heating is regulated in such a way that the power of the or each laser device is adapted to produce a desired temperature setpoint. This ensures that the desired temperature setpoint is maintained, which is particularly advantageous if the temperature setpoint of the heating is to be maintained over a longer period of time while the component is being processed.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 : eine stark schematisierte Anordnung mit einem zu erwärmenden Bauteil zurPreferred developments of the invention result from the dependent subclaims and the following description. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing, without being restricted to this. The drawing shows: Fig. 1: a highly schematic arrangement with a component to be heated
Verdeutlichung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;Clarification of a first embodiment of the method according to the invention;
Fig. 2: eine stark schematisierte Anordnung mit einem zu erwärmenden Bauteil zurFig. 2: a highly schematic arrangement with a component to be heated
Verdeutlichung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; undClarification of a second embodiment of the method according to the invention; and
Fig. 3: eine stark schematisierte Anordnung mit einem zu erwärmenden Bauteil zurFig. 3: a highly schematic arrangement with a component to be heated
Verdeutlichung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.Clarification of a third embodiment of the method according to the invention.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Erwärmung bzw. Vorwärmung von Bauteilen an der Vorwärmung einer Turbinenschaufel einer Gasturbine unter Bezugnahmen auf Fig. 1 bis 3 im Detail beschrieben. Die Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils unterschiedliche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens.The method according to the invention for heating or preheating components on the preheating of a turbine blade of a gas turbine is described in detail with reference to FIGS. 1 to 3. 1 to 3 each show different exemplary embodiments of the method according to the invention.
Fig. 1 zeigt stark schematisiert eine Turbinenschaufel 10 einer Hochdruckturbine eines Flugzeugtriebwerks. Es liegt nun im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die Turbinenschaufel 10 der Hochdruckturbine vor und/oder während einer weiteren Bearbeitung derselben zu erwärmen. Bei der weiteren Bearbeitung der Turbinenschaufel 10 kann es sich zum Beispiel um sogenanntes Auftragschweißen handeln.1 shows a highly schematic of a turbine blade 10 of a high-pressure turbine of an aircraft engine. It is now within the meaning of the present invention to heat the turbine blade 10 of the high-pressure turbine before and / or during further processing thereof. The further processing of the turbine blade 10 can be, for example, so-called build-up welding.
Erfindungsgemäß wird zur Erwärmung bzw. Vorwärmung des Bauteils als Energiequelle mindestens eine Lasereinrichtung verwendet. Als Lasereinrichtungen kommen vorzugsweise Diodenlaser zum Einsatz. Der Einsatz der Diodenlaser ist besonderes vorteilhaft. Alternativ oder zusätzlich zu den Diodenlasern können jedoch auch andere Laserstrahlungsquellen als Energiequellen eingesetzt werden. Beispielhaft seinen hier C02- Laser, Nd-Laser, YAG-Laser oder Eximer-Laser genannt.According to the invention, at least one laser device is used as the energy source for heating or preheating the component. Diode lasers are preferably used as laser devices. The use of diode lasers is particularly advantageous. Alternatively or in addition to the diode lasers, however, other laser radiation sources can also be used as energy sources. His C0 2 laser, Nd laser, YAG laser or Eximer laser is mentioned here as an example.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird die zu erwärmende Turbinenschaufel 10 zweiseitig von den Lasereinrichtungen bestrahlt. Dies bedeutet, dass aus zwei Bestrahlungsrichtungen Strahlungsenergie auf die zu erwärmende Turbinenschaufel 10 bzw. auf die entsprechenden Oberflächen derselben gerichtet wird. So zeigt Fig. 1 erste Pfeile 1 1 sowie zweite Pfeile 12. Die ersten Pfeile 1 1 visualisieren die Bestrahlung der zu erwärmenden Turbinenschaufel 10 aus einer ersten Bestrahlungsrichtung, die zweiten Pfeile 12 visualisieren die Bestrahlung derselben aus einer zweiten Bestrahlungsrichtung. Die beiden Bestrahlungsrichtungen im Sinne der Pfeile 1 1 und 12 dienen der Bestrahlung von zwei unterschiedlichen Oberflächen der Turbinenschaufel 10. Bedingt durch die Laserstrahlung wird die Turbinenschaufel 10 erwärmt.In the embodiment of FIG. 1, the turbine blade 10 to be heated is irradiated on two sides by the laser devices. This means that radiation energy is applied to the turbine blade 10 to be heated from two radiation directions or is directed to the corresponding surfaces thereof. 1 shows first arrows 11 and second arrows 12. The first arrows 11 visualize the radiation of the turbine blade 10 to be heated from a first radiation direction, the second arrows 12 visualize the radiation thereof from a second radiation direction. The two irradiation directions in the sense of arrows 11 and 12 serve to irradiate two different surfaces of the turbine blade 10. The turbine blade 10 is heated due to the laser radiation.
Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird die Turbinenschaufel 10 aus vier Richtungen bestrahlt. So zeigt Fig. 2 erste Pfeile 13, zweite Pfeile 14, dritte Pfeile 15 sowie vierte Pfeile 16. Die ersten Pfeile 13 visualisieren eine erste Bestrahlungsrichtung. Die zweiten Pfeile 14 visualisieren eine zweite Bestrahlungsrichtung, und die dritten bzw. vierten Pfeile 15, 16 visualisieren eine dritte bzw. vierte Bestrahlungsrichtung. Damit werden hier vier unterschiedliche Oberflächen de Turbinenschaufel 10 bestrahlt. Durch die Erhöhung der Anzahl der Bestrahlungsrichtungen und damit die Erhöhung der Anzahl der verwendeten Lasereinrichtungen lässt sich die konturtolerante Beaufschlagung der Turbinenschaufel 10 mit Laserstrahlungsenergie verbessern, so dass eine homogene Erwärmung der Turbinenschaufel 10 auch bei extrem gekrümmten Oberflächen der Turbinenschaufel 10 erreicht werden kann.According to the exemplary embodiment in FIG. 2, the turbine blade 10 is irradiated from four directions. 2 shows first arrows 13, second arrows 14, third arrows 15 and fourth arrows 16. The first arrows 13 visualize a first direction of irradiation. The second arrows 14 visualize a second irradiation direction, and the third and fourth arrows 15, 16 visualize a third and fourth irradiation direction. Four different surfaces of the turbine blade 10 are irradiated here. By increasing the number of irradiation directions and thus increasing the number of laser devices used, the contour-tolerant exposure of the turbine blade 10 to laser radiation energy can be improved, so that homogeneous heating of the turbine blade 10 can be achieved even with extremely curved surfaces of the turbine blade 10.
Es ist selbstverständlich, dass neben der in Fig. 1 gezeigten zweiseitigen Bestrahlung und neben der in Fig. 2 gezeigten vierseitigen Bestrahlung auch eine einseitige sowie dreiseitige Bestrahlung der Turbinenschaufel 10 denkbar ist.It goes without saying that in addition to the two-sided radiation shown in FIG. 1 and in addition to the four-sided radiation shown in FIG. 2, one-sided and three-sided radiation of the turbine blade 10 is also conceivable.
Die exakte Auswahl bzw. Bestimmung der Anzahl von Bestrahlungsrichtungen hängt, wie bereits erwähnt, einerseits vom zu bestrahlenden Bauteil ab und andererseits von der Art der vor und/oder während der Bestrahlung durchzuführenden weiteren Bearbeitung des Bauteils.As already mentioned, the exact selection or determination of the number of irradiation directions depends on the one hand on the component to be irradiated and on the other hand on the type of further processing of the component to be carried out before and / or during the irradiation.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die zu erwärmende bzw. vorzuwärmende Turbinenschaufel 10 aus vier Richtungen über Lasereinrichtungen bestrahlt wird. So visualisieren erste Pfeile 17 eine erste Bestrahlungsrichtung, zweite Pfeile 18 eine zweite Bestrahlungsrichtung und dritte bzw. vierte Pfeile 19 bzw. 20 dritte und vierte Bestrahlungsrichtungen. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind die Anstellwinkel, mit welchem die Laserstrahlen auf die Oberflächen der zu erwärmenden Turbinenschaufel 10 auftreffen, an die Kontur der entsprechenden Oberflächen angepasst. So zeigt Fig. 3, dass die Laserstrahlen im Sinne der ersten Pfeile 17 mit einem anderen Winkel auf die Turbinenschaufel 10 auftreffen als die Laserstrahlen im Sinne der zweiten Pfeile 18. Durch die Anpassung der Anstellwinkel der Lasereinrichtungen in Bezug auf die jeweilige Oberfläche der zu erwärmenden Turbinenschaufel 10 lässt sich nochmals die Homogenität der Energieeinbringung bzw. Erwärmung der Turbinenschaufel 10 verbessern.3 shows a further exemplary embodiment of the method according to the invention, in which the turbine blade 10 to be heated or preheated is irradiated from four directions by means of laser devices. First arrows 17 thus visualize a first radiation direction, second arrows 18 a second radiation direction and third or fourth arrows 19 and 20 third and fourth directions of irradiation. In the exemplary embodiment in FIG. 3, the angle of incidence with which the laser beams strike the surfaces of the turbine blade 10 to be heated are matched to the contour of the corresponding surfaces. 3 shows that the laser beams in the sense of the first arrows 17 strike the turbine blade 10 at a different angle than the laser beams in the sense of the second arrows 18. By adapting the angle of attack of the laser devices with respect to the respective surface of the one to be heated Turbine blade 10 can again improve the homogeneity of the energy input or heating of the turbine blade 10.
Allen Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 bis 3 ist demnach gemeinsam, dass die Erwärmung der Turbinenschaufel 10 durch die Verwendung von Lasereinrichtungen als Energiequellen erfolgt. Die Energieeinbringung auf die zu erwärmende Turbinenschaufel 10 erfolgt demnach berührungslos über die Oberflächen der Turbinenschaufel 10.It is accordingly common to all of the exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 3 that the turbine blade 10 is heated by the use of laser devices as energy sources. The energy input to the turbine blade 10 to be heated therefore takes place without contact via the surfaces of the turbine blade 10.
Es liegt weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass die Erwärmung bzw. Vorwärmung der Turbinenschaufel 10 und damit die an den jeweiligen Oberflächen der Turbinenschaufel 10 erzielten Temperaturen berührungslos über die Oberflächen gemessen werden. Diese berührungslose Messung erfolgt unter Einsatz eines oder mehrerer Pyrometer. Für jede Bestrahlungsrichtung bzw. für jede zu bestrahlende bzw. zu erwärmende Oberfläche der Turbinenschaufel 10 kommt dabei vorzugsweise ein Pyrometer zur Temperaturkontrolle zum Einsatz. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 würden demnach zwei Pyrometer und in den Ausführungsbeispielen gemäß Figs. 3 und 4 jeweils vier Pyrometer zur Temperaturmessung an den jeweiligen Oberflächen verwendet. Daraus folgt unmittelbar, dass nicht nur die Energieeinbringung sondern auch die Temperaturmessung berührungslos über die Oberflächen der Turbinenschaufel 10 erfolgt.It is further within the meaning of the present invention that the heating or preheating of the turbine blade 10 and thus the temperatures achieved on the respective surfaces of the turbine blade 10 are measured without contact via the surfaces. This non-contact measurement is carried out using one or more pyrometers. A pyrometer for temperature control is preferably used for each irradiation direction or for each surface of the turbine blade 10 to be irradiated or heated. In the exemplary embodiment of FIG. 1, two pyrometers would accordingly and in the exemplary embodiments according to FIGS. 3 and 4 each use four pyrometers for temperature measurement on the respective surfaces. It follows directly from this that not only the energy input but also the temperature measurement takes place contactlessly over the surfaces of the turbine blade 10.
Die mithilfe der berührungslosen Temperaturmessung überwachte Erwärmung bzw. Vorwärmung des Bauteils wird zu einer Reglung der Erwärmung der Turbinenschaufel 10 verwendet. So liegt es im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass das oder jedes Pyrometer die Temperatur an der entsprechenden Oberfläche der Turbinenschaufel 10 misst und ein entsprechendes Messsignal an eine nicht-dargestellte Regeleinrichtung weitergeleitet wird. Diese Messsignale werden von der Regeleinrichtung derart weiterverarbeitet, dass ein gewünschter Temperatur-Sollwert an der entsprechenden Oberfläche erzielt wird. Hierzu wird die Leistung der Lasereinrichtungen von der Regeleinrichtung beeinflusst. Nachdem der gewünschte Temperatur-Sollwert erreicht wurde, übernimmt die weitere Regelung der Temperatur die Leistungsansteuerung der jeweiligen Lasereinrichtung.The heating or preheating of the component monitored by means of the contactless temperature measurement is used to regulate the heating of the turbine blade 10. It is within the meaning of the present invention that the or each pyrometer measures the temperature on the corresponding surface of the turbine blade 10 and a corresponding measurement signal is forwarded to a control device (not shown). These measurement signals are generated by the control device in this way processed that a desired temperature setpoint is achieved on the corresponding surface. For this purpose, the performance of the laser devices is influenced by the control device. After the desired temperature setpoint has been reached, the further regulation of the temperature takes over the power control of the respective laser device.
Wie bereits erwähnt, werden als Lasereinrichtungen vorzugsweise Diodenlaser verwendet. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Diodenlasern, die eine lineare Leistungsabgabe bei linearer Ansteuerung aufweisen. Besonders bevorzugt erfolgt die Erwärmung bzw. Vorwärmung bei Verwendung von Diodenlasern in einen Leistungsbereich von 200 bis 800 Watt.As already mentioned, diode lasers are preferably used as laser devices. The use of diode lasers which have a linear power output with linear control is particularly advantageous. The heating or preheating is particularly preferably carried out when using diode lasers in a power range from 200 to 800 watts.
Weiterhin ermöglichen Diodenlaser, dass Strahlungsenergie mit einer eng begrenzten spezifischen Wellenlänge auf die zu erwärmende Turbinenschaufel 10 eingebracht werden kann. Es können Brennweiten mit positiven, negativen und parallelen Energieausbreitungen der Laserstrahlungsenergie eingesetzt werden. Speziell bei langen Brennweiten und paralleler Energiestrahlung ist auch bei wechselnder Anordnung des zu erwärmenden Bauteils bzw. der zu erwärmenden Turbinenschaufel 10 im Strahlengang eine klar definierte Bearbeitungsfläche erzielbar. Die definierte Wellenlänge der Diodenlaser ermöglicht eine besonders gute sowie definierte Begrenzung der Energieausbreitung. Hierdurch kann die zu erwärmende Oberfläche der Turbinenschaufel 10 präzise bestrahlt und erwärmt werden. Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils die parallele Energiestrahlung aus jeder der Bestrahlungsrichtungen.Furthermore, diode lasers enable radiation energy with a narrowly limited specific wavelength to be introduced onto the turbine blade 10 to be heated. Focal lengths with positive, negative and parallel energy spreads of the laser radiation energy can be used. Particularly in the case of long focal lengths and parallel energy radiation, a clearly defined machining surface can be achieved even with a changing arrangement of the component to be heated or the turbine blade 10 to be heated in the beam path. The defined wavelength of the diode laser enables a particularly good and defined limitation of the energy spread. As a result, the surface of the turbine blade 10 to be heated can be precisely irradiated and heated. 1 to 3 each show the parallel energy radiation from each of the radiation directions.
Wie bereits mehrfach erwähnt, findet die Erwärmung der Turbinenschaufel 10 insbesondere im Zusammenhang mit einer vor und/oder während der Erwärmung durchzuführenden, weiteren Bearbeitung der Turbinenschaufel 10 statt. Eine derartige Bearbeitung, bei der eine Erwärmung bzw. Vorwärmung der Turbinenschaufel 10 erforderlich ist, ist das sogenannte Auftragschweißen bzw. Laserstrahl-Auftragschweißen.As already mentioned several times, the turbine blade 10 is heated in particular in connection with a further processing of the turbine blade 10 to be carried out before and / or during the heating. Such processing, in which heating or preheating of the turbine blade 10 is required, is so-called cladding or laser beam cladding.
Das Laserstrahl-Auftragschweißen findet vor allem bei der Instandhaltung von Gasturbinen, insbesondere Flugzeugtriebwerken, Verwendung und es erzeugt eine metallurgische Verbindung von Grund- und Zusatzwerkstoffen. So wird das Laserstrahl-Auftragschweißen bei der Instandhaltung im Zusammenhang mit Verschleißzonen an Turbinenschaufeln benutzt, wobei es sich bei den Verschleißzonen in erster Linie um die Stirnflächen der Turbinenschaufeln von Hochdruckturbinen handelt. Bei einem derartigen Laserstrahl- Auftragschweißen kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Erwärmung bzw. Vorwärmung von Turbinenschaufeln 10 besonders vorteilhaft eingesetzt werden. So dient beim Laserstrahl-Auftragschweißen das erfindungsgemäße Verfahren der Vorwärmung des Grundwerkstoffs bzw. der instandzuhaltenden Turbinenschaufel. Diese werden, wie oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, unter Verwendung von Diodenlasern erwärmt. Bei der Ausnutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zusammenhang mit dem Laser-Auftragschweißen hat sich gezeigt, dass mit Diodenlasern, die bei ca. 700 W betrieben werden, ein Temperatur-Sollwert von ca. 950 °C nach einer mittleren Aufwärmzeit von 30 s erreicht werden kann. Mit dem Laser- Auftragschweißungen kann nach 40 s begonnen werden, wobei die Zeitdifferenz von 10 s der Homogenisierung des Temperaturverlaufs innerhalb der zu bearbeitenden Turbinenschaufel dient. Zum eigentlichen Laser-Auftragschweißen werden dann separate Lasereinrichtungen verwendet. Laser beam cladding is mainly used in the maintenance of gas turbines, especially aircraft engines, and it creates a metallurgical bond between base and filler materials. This is how laser beam cladding becomes used in maintenance in connection with wear zones on turbine blades, the wear zones primarily being the end faces of the turbine blades of high-pressure turbines. In the case of such a laser beam cladding, the method according to the invention for heating or preheating turbine blades 10 can be used particularly advantageously. In laser beam cladding, for example, the method according to the invention serves to preheat the base material or the turbine blade to be maintained. As described above in connection with the method according to the invention, these are heated using diode lasers. When utilizing the method according to the invention in connection with laser cladding, it has been shown that a temperature setpoint of approximately 950 ° C. can be reached after an average warm-up time of 30 s with diode lasers which are operated at approximately 700 W. , Laser cladding can be started after 40 s, the time difference of 10 s being used to homogenize the temperature profile within the turbine blade to be machined. Separate laser devices are then used for the actual laser cladding.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Erwärmung von Bauteilen, insbesondere von Bauteilen von Gasturbinen, vor und/oder während einer weiteren Bearbeitung derselben, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung als Energiequelle mindestens eine Lasereinrichtung verwendet wird.1. A method for heating components, in particular components of gas turbines, before and / or during further processing of the same, characterized in that at least one laser device is used for heating as the energy source.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zumindest einseitig von der oder jeder Lasereinrichtung bestahlt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the component is irradiated at least on one side by the or each laser device.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zweiseitig aus zwei Bestrahlungsrichtungen mit Laserstrahlung bestahlt wird, wobei vorzugsweise für jede Bestrahlungsrichtung eine Lasereinrichtung verwendet wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the component is irradiated on two sides with laser radiation from two directions of radiation, wherein preferably a laser device is used for each radiation direction.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil allseitig aus mehreren Bestrahlungsrichtungen mit Laserstrahlung bestahlt wird, wobei vorzugsweise für jede Bestrahlungsrichtung eine Lasereinrichtung verwendet wird.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the component is irradiated on all sides with laser radiation from a plurality of irradiation directions, preferably using a laser device for each irradiation direction.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Anstellwinkel, mit welchen die Laserstrahlen auf die oder jede Oberfläche des zu erwärmenden Bauteils treffen, an die Kontur der entsprechenden Oberfläche angepasst werden.5. The method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the angle of incidence with which the laser beams strike the or each surface of the component to be heated is adapted to the contour of the corresponding surface.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Bauteils gemessen und abhängig hiervon die Erwärmung derart geregelt wird, dass die Leistung der oder jeder Lasereinrichtung zur Erzeilung eines gewünschten Temperatur-Sollwerts angepasst wird.6. The method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the heating of the component is measured and, depending on this, the heating is regulated in such a way that the power of the or each laser device is adapted to produce a desired temperature setpoint.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung und Messung der Erwärmung des Bauteils berührungslos durchgeführt werden. 7. The method according to claim 6, characterized in that the heating and measurement of the heating of the component are carried out without contact.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Lasereinrichtungen ein oder mehrere Diodenlaser verwendet werden.8. The method according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that one or more diode lasers are used as laser devices.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Bauteil einer Gasturbine, insbesondere als Turbinenschaufel einer Gasturbine ausgebildet ist, wobei das Gasturbinenbauteil nach oder während der Erwärmung einer weiteren Bearbeitung unterzogen wird.9. The method according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that the component is designed as a component of a gas turbine, in particular as a turbine blade of a gas turbine, the gas turbine component being subjected to further processing after or during the heating.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach oder während der Erwärmung das Gasturbinenbauteil einem Laser-Auftragschweißen unterzogen wird, wobei für das Laser-Auftragschweißen eine separate Lasereinrichtung zum Einsatz kommt. 10. The method according to claim 9, characterized in that after or during the heating, the gas turbine component is subjected to a laser cladding, a separate laser device being used for the laser cladding.
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