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Monday, September 16, 2013, Messe Forum 12:30 PM Elektronenstrahlschweißen |
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Elektronenstrahlschweißen von Triebwerkskomponenten in der Luftfahrt – Herausforderungen für die Fertigung von Hochdruckverdichtertrommeln |
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Stefan Longerich* / Rolls-Royce Deutschland Ltd. & Co. KG, Deutschland Thomas Gilles / Rolls-Royce Deutschland Ltd. & Co. KG, Deutschland Dirk Metzler/ Rolls-Royce Deutschland Ltd. & Co. KG, Deutschland |
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Die mechanische und thermische Beanspruchung eines Hochdruckverdichters für Flugtriebwerke stellt hohe Ansprüche an die verwendeten Materialien. Einerseits kommt es durch Anlass- und Auslaufvorgänge, durch Eigenschwingungen von Verdichterschaufeln und durch sehr große Rotationsgeschwindigkeiten zu einer starken mechanischen Beanspruchung der Komponenten. Andererseits führt die Kompression der durchströmenden Luft zu Arbeitstemperaturen von über 550 °C. Für die kühleren Bereiche des Verdichters sind dabei i.d.R. Titanwerkstoffe ausreichend, während die hoch thermisch belasteten Stufen aus Nickelbasiswerkstoffen bestehen. Für luftfahrtzugelassene Teile mit einer langen Lebensdauer sind aufgrund dieser Randbedingungen qualitativ hochwertige Verbindungen der einzelnen Verdichterstufen gefordert. Bei Rolls-Royce Deutschland werden die einzelnen Stufen von Hochdruckverdichtern (konventionell beschaufelte Scheiben oder in BLISK-Bauweise) mittels des Elektronenstrahlschweißens miteinander verbunden. Hierbei werden am Stumpfstoß in Wannenlage vollständig durchgeschweißte 360° Radialnähte mit I-Nähten ausgeführt. Die Materialdicke am Stoß hängt dabei vom eingesetzten Werkstoff bzw. der errechneten Belastung der jeweiligen Triebwerkskomponente ab. Ein- bzw. Auslaufbleche für Beginn und Ende der Schweißung können wegen der Forderung nach einer kontinuierlichen, umlaufenden Naht nicht verwendet werden. Aufgrund der Materialbeeinflussung kommt auch die Verlagerung des Nahtendes in den Grundwerkstoff, wie bei Rohrschweißungen üblich, nicht in Frage. Daher werden der Nahtanfang und insbesondere das Nahtende durch gezielte Variation der Prozessparameter so beeinflusst (Slope-In bzw. Slope-Out, teilw. mit zusätzlicher Strahlmodulation), dass eine quasi homogene, defektfreie Schweißnaht entsteht. Diese Vorgehensweise stellt sehr hohe Anforderungen an die Anlagen- und Prozessstabilität und bedeutet in der Praxis einen hohen Aufwand für die Validation bzw. Adaption von Schweißparametern. Das Paper beschreibt die generelle Situation beim Elektronenstrahlschweißen von Hochdruckverdichterkomponenten in der Serienfertigung sowie den Prozess des Slope-In und Slope-Out. Darüber hinaus wird auf die Schwierigkeiten bei der Umsetzung eingegangen, insbesondere die möglichen Schweißnahtfehler bzw. deren Ursachen und Strategien zur Vermeidung. |