Fügetechnische Herausforderungen bei der Herstellung - MTU Aero ...

Fügetechnische Herausforderungen bei der Herstellung eines Lanzetten-
Wärmetauschers
U. Knott, K-H. Richter, München, M. Holthaus, R. Winkler, Duisburg, und M. Boretius, Mauren
Der Vortrag gibt einen Überblick über die fügetechnischen Herausforderungen bei der Herstellung eines von MTU
Aero Engines (München) entwickelten Lanzetten-Wärmetauschers für eine Panzer-Gasturbine. Vergleichbare
Wärmetauscher werden zukünftig auch in umweltfreundlichen (rekuperativen) Triebwerken zum Einsatz kommen.
Der im Abgasstrahl der Gasturbine eingesetzte Wärmetauscher besteht aus ca. 6000 dünnwandigen Lanzettenröhrchen,
die mittels Hochtemperatur-Lötprozess in die erodierten Durchbrüche der Sammelrohrhälften gefügt werden.
Die Sammelrohrhälften werden anschließend durch Laserstrahlschweißen zum Gesamtbauteil verbunden.
Für dieses durch Anbauteile noch komplettierte Bauteil bestanden höchste Genauigkeitsanforderungen, die es in
Kombination von Halbfabrikattoleranzen, Randbedingungen in den ausgewählten Fügeprozeßen und der entsprechenden
Prüftechnik wirtschaftlich umzusetzen galt. Im Rahmen einer zeitlich eng begrenzten Prototypenphase
wurden mehr als 26 Stück Lanzetten-Wärmetauscher mit hoher Prozesssicherheit hergestellt.
1. Einleitung
Neben dem sogenannten Kerngeschäft Flugtriebwerke
entwickelt und fertigt die MTU Aero-Engines
auch artverwandte Produkte. So bekam die MTU im
Jahre 2001 von der amerikanischen Armee den Auftrag
zur Entwicklung einer Panzer-Gasturbine mit der
Kurzbezeichnung LV 100. Diese Panzergasturbine
besteht aus einer Gasturbine und einem Lanzettenwärmetauscher.
Dieser Wärmetauscher (WT), genauer
gesagt, zwei wichtige Fertigungsschritte, nämlich
das Einlöten der ca. 6000 dünnwandigen Lanzetten
und das Laserstrahlschweißen der beiden WT-
Hälften ist Thema dieses Vortrages.
Beide Fertigungsschritte wurden zusammen mit externen
Partnern (Löten: Fa. Listemann/Liechtenstein und
Laserstrahlschweißen: SLV Duisburg ) entwickelt und
in 26 Prototypen erfolgreich umgesetzt.
2. Funktionsweise des LV 100
Der LV 100 Wärmetauscher ist von der Bauform her
gesehen ein Rohr- bzw. Profilrohr- („Lanzetten“)
Wärmetauscher in sog. Kreuzstrom-Anordnung. Der
Wirkungsgrad der Gasturbine wird damit erhöht und
die Abgastemperatur gesenkt.
Zur Funktionsweise (Bild 1): Umgebungsluft wird angesaugt
und im Verdichter der Gasturbine komprimiert.
In der Brennkammer wird diese komprimierte
Luft durch Kraftstoffeinspritzung und Zündung verbrannt.
In der Nutz-Turbine werden die heißen Abgase
genutzt, um das Gesamt-Triebwerk anzutreiben.
Im Austritt verlassen die Abgase in rechten Winkel
umgelenkt das Triebwerk.
Der Wärmetauscher besteht aus 2 Sammelrohren, die
über ca. 6000 Lanzetten-Profilohre miteinander verbunden
sind. In das eine Sammelrohr wird abgezweigte,
relativ kühle Verdichterluft eingeleitet, die
über die zahlreichen Lanzettenrohre in das andere
Sammelrohr gelangt. Die im Kreuzstrom über diese
Lanzettenrohre geführten Abgase erhitzen die abgezweigte
Kompressorluft die dem Triebwerk wieder
zugeführt wird. Damit wird der Wirkungsgrad erhöht
und außerdem durch den Wärmeaustausch die Abgase
herunter gekühlt (wichtig für Infrarot-Detektion).
Bild 1: Zur Funktionsweise des Wärmetauschers
3. Fertigungsschritte
Die wichtigsten Fertigungsschritte zur Herstellung des
Wärmetauschers sind nachfolgend aufgeführt (Bild 2):
1. Herstellen der Sammelrohre durch Drehen auf
Endmaß, Belochen mittels Erodieren, Halbieren in
Längsrichtung
2. Herstellung der Lanzetten–Profilrohre
3. Montage der Lanzetten-Profilrohre in die Sammelrohrhälften
4. Beloten (Lotauftrag) und Vakuum-Löten der
Profilrohre in die Sammelrohrhälften
5. Schneiden der Überstände (innen) durch Drahterodieren
6. Laserstrahlschweißen der Sammelrohr-Hälften
7. Laserstrahlschweißen von Deckel und Rohrverlängerung
8. Montage des Coverplate
9. Druck-, Dichtigkeits- und geometrische Prüfung
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Belochen der
Halbschalen
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Verschweißen
der Halbschalen
Mit freundlicher Genehmigung: MTU München
Profilierung, Verschweißen
und Biegen der Lanzetten
Covermontage
Druck-, Dichtigkeits- und
geometrische Prüfung
Bestücken der Lanzetten in
den Halbschalen
Löten der Lancetten mit
den Halbschalen
Aberodieren der
Lanzettenüberstände
Bild 2: Die einzelnen Fertigungsschritte
3. 1. Fertigungsschritt HT -Löten
3.1.1 Randbedingungen
Verschweißen von Deckel
und Rohrverlängerungen
Die Randbedingungen für den Lötprozess ergaben
sich aus dem Pflichtenheft. Als Werkstoff für die
Sammelrohre und die Lanzetten-Profilrohre war Inconel
625 (2.4856), ein warmfester Nickelbasis-
Werkstoff vorgegeben.
Die maximal mögliche Löttemperatur war durch die
Wärmebehandlungsvorschrift für den Inconel 625 auf
1090°C begrenzt. Die max. Betriebstemperatur des
Wärmetauschers beträgt 750°C. Der Lötspalt konnte
durch die herstellbedingten Toleranzen zwischen 0,1
und 0,2 mm schwanken.
3.2.2. Versuche und Ergebnisse
Um das geforderte Ziel zu erreichen, wurden verschiedene
Lotaufbringungsmethoden erprobt. Es war
eigentlich ziemlich bald evident, dass nur innen (im
Sammelrohr) Lot aufgetragen werden durfte, weil die
engen Zwischenräume der Lanzetten-Profilrohre außen
durch ihre Kapillar-Wirkung das Lot weggezogen
hätten.
Es wurden erprobt:
1. Spritzen einer Lot-Suspension mittels Farb-Spritzpistole
2. Aufkleben und Ansintern eines Lot-Tapes
3. Konventionelles Auftragen von Lotpaste (Spritze),
allerdings mit Grundwerkstoff-Pulver angereichert
(5- 30 Gew%)
Weiterhin wurden verschiedene Löt-Zyklen-Verläufe
erprobt, um die Hartstoffphasen aufgrund der relativ
großen Lötspalte wieder zu entfernen und den Verzug
zu minimieren. So wurde z.B. nach der Lötphase eine
Diffusions-Glühbehandlung (1000°C, 1 h) nachgeschaltet,
um das Lötgefüge zu verbessern. Die optimale
Lösung eine Lotpaste L-Ni 2 (AMS 4777) mit 5
Gew.% Grund-Werkstoffpulver.
Automatisierte Belotung mittels Roboter (Spritze),
dadurch exakte und variable Dosierung Stop-off auf
Lanzetten-Profilrohre aussen (durchschießendes und
wegen der Kapillarwirkung der enggestaffelten Profilrohre
weiter fließendes Lot wird aufgehalten). Langsames
Aufheizen und Abkühlen (ca. 2K /min). Dabei
wurden nichtgeschlossene Lötspalte durch Druckprüfung
lokalisiert und in einem 2. Zyklus nachgelötet.
Die Qualität der Verbindungen wurde durch zerstörende
Prüfungen (Schliffe, Bild 3) und spezifische
Festigkeits-Tests nachgewiesen .
Bild 3: Schliffbild eingelötetes Lanzetten-Profil
3.2. Fertigungsschritt Laserstrahlschweißen
3.2.1 Projektumfang
Als herstellerunabhängige Entwicklungsabteilung bestand
die Aufgabe der SLV Duisburg in der Auswahl
des Fügeprozesses für die Zentralrohrhälften sowie
der Anbauteile einschließlich der dazugehörigen Prüftechnik.
Nach umfangreichen Voruntersuchungen
wurde der Laserstrahlschweißprozess mittels CO2-
Laser als anforderungsgerecht und wirtschaftlich umsetzbar
ermittelt. Aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit
am Wärmetauscher war dazu die Entwicklung
und Anfertigung spezieller Optiken notwendig.
So mussten z.B. die Längsnähte der WT-Hälften
auf einer Länge von ca. 550 mm in einem Rohrdurchmesser
von ca. 100 mm von innen nach außen
geschweißt werden, Bild 4.
Bild 4 CO2-Laserstrahlschweißen der Längsnähte
DVS 237

Nach kundenseitiger Prozessvalidierung und Zulassung
des Laserbereiches der Abteilung F&E in
Anlehnung an die Druckgeräterichtlinie wurden im
Anschluss die ersten Prototypen angefertigt.
Dem eigentlichen Fertigungsprozess vorgelagert war
die Konstruktion und Fertigung der einzelnen Spannvorrichtungen
sowie zahlreicher Handlingstools, die
einen sicheren Umgang in den einzelnen Fertigungsschritten
gewährleisten mussten. Bei diesen im Unterauftrag
der SLV Duisburg erfolgten Arbeiten konnte
sich die Abteilung F&E auf die langjährige erfolgreiche
Zusammenarbeit mit einzelnen Partnerfirmen stützen,
die ebenfalls vom Endkunden zertifiziert wurden. Dies
betraf auch die sehr diffizile mechanische Vorbereitung
der Einzelteile.
Neben der eigentlichen Prototypenfertigung wurde für
jeden einzelnen Wärmetauscher eine umfangreiche
Dokumentation erstellt, die eine lückenlose
Rückverfolgung der Einzelteile, Schweißparameter,
Prüfergebnisse und weiterer Randbedingungen
beinhaltete.
Parallel zu Prototypenfertigung wurde der
Serieneinsatz vorbereitet. Hier konnte die SLV
Duisburg mit der Erstellung des
Serienanlagenlayouts, der möglichen Umsetzung mit
den einzelnen Herstellern sowie die notwendige
Personalqualifizierung unterstützend zur Seite stehen.
3.2.2 Projektteilschritte
In einer ca. einjährigen Vorlaufphase wurden unterschiedliche
Schweißprozesse für das Verschweißen
der WT-Hälften als auch für das spätere Anschweißen
der Anbauteile untersucht. Zusätzlich wurden Reparaturstrategien
sowohl für die für die einzelnen
Schweiß- als auch z.T. für die Lötverbindungen untersucht
und erprobt.. Insgesamt 4 Spezialoptiken mussten
für die spätere Prototypenfertigung entwickelt und
gefertigt werden. Dazu die Konstruktion und Bau von
3 Spannvorrichtungen und insgesamt mehr als 15
Handlingtools.
Die Sicherstellung der mechanisch-technologischen
Eigenschaften der einzelnen Schweißnähte erfolgte
vorab im Rahmen einer Verfahrensprüfung in
Anlehnung an die Druckgeräterichtlinie.
3.2.2.1 Schweißen der Längsnähte
Nach dem Drahterodieren der Lancettenüberstände in
den Zentralrohrhälften (s. Abschnitt 3) erfolgte die
mechanische Vorbereitung der Rohrhälften an den
Stoßkanten der späteren Längsnähte, um für das
Laserstrahlschweißen möglichst optimale Randbedingungen
zu erhalten. Die jeweils über die Lancettenrohre
verbundenen Zentralrohrhälften verhielten sich
dabei wie ein federndes Blechpaket, so das besonderes
Augenmerk auf die Spannsituation während der
Bearbeitung gelegt werden musste.
Die in Duisburg angelieferten Halbschalenpakete wurden
in einer speziellen Längsnahtvorrichtung gespannt.
Auch hier stellten die wenigen möglichen
Spannstellen an den Zentralrohren eine Herausforderung
für eine einwandfreie Spannsituation dar, Bild 4.
Da zwischen den beiden Zentralrohrhälften lediglich
ein Abstand von ca. 25 mm und somit kaum eine Zugänglichkeit
für den Laserschweißkopf bestand,
mussten die Rohre von innen nach außen verschweißt
werden.
Trotz der besseren Zugänglichkeit durch die Strahlführung
schied die Verwendung eine Nd:YAG-Laser
aus. Aufgrund der besseren Strahlqualität und damit
der besseren Fokussierung waren hier die Vorteile
einer geringeren Schweißnahtbreite und somit auch
der geringere Verzug der Bauteile ausschlaggebend.
In Verbindung mit den späteren Betriebskosten fiel die
Wahl nach den Vorversuchen auf die Verwendung
einer CO2-Laserstrahlquelle.
Somit war die Entwicklung und Anfertigung einer speziellen
Schweißoptik für den CO2-Laserstrahl notwendig,
Bild 5.
Spritzerschutz
Prozeßgas
Bild 5 CO2-Laseroptik für die Längsnähte.
Schleppdüse (Sinter)
Während die Erprobung an ebenen Blechen nach der
Voruntersuchung bei der Schweißnahtqualität kein
Problem darstellte, machte die Strömungssituation
des Prozessgases im geschlossenen Rohr die Adaption
von speziellen Leitblechen und laminaren Gaszuführungen
notwendig. Erst durch diese Modifikationen
war eine hohe Prozessstabilität für die Prototypenserie
gewährleistet.
Neben der Einhaltung enger Maßtoleranzen war die
Minimierung von Anlauffarben auf der Deck- (innen)
und der Wurzellagenseite (außen) von besonderer
Wichtigkeit. Aus diesem Grund wurde die Schweißnahtwurzel
zusätzlich formiert und durch Messungen
sichergestellt, das der Rest-O2-Gehalt unter 8 ppm
lag.
Nach dem Schweißen der Längsnähte erfolgte die
100%-Durchstrahlungsprüfung sowie die visuelle Beurteilung
der äußeren Fehlermerkmale.
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3.2.2.1 Schweißen der Rundnähte
Zur Vervollständigung des kompletten Wärmetauschers
erhielten die Bauteile bereits mechanisch endbearbeitete
Anbauteile. Dabei handelte es sich im
wesentlichen um die sogenannten end caps (Deckel)
auf der einen und die tube connections (Rohrverlängerung)
auf der anderen Seite. Die an den Anbauteilen
angedrehten Labyrinthdichtungen mussten später
mit hoher Genauigkeit in die bereits vorhandenen
Anschlüsse der Turbine adaptiert werden. Somit bestanden
auch hier höchste Genauigkeitsanforderungen
hinsichtlich des Wärmeverzuges der Bauteile.
Aus diesem Grund erfolgte nach dem Längsnahtschweißen
ebenfalls eine mechanische Endbearbeitung
der beiden Zentralrohrenden. Dazu musste eine
spezielle Transport- und Zerspanvorrichtung konzipiert
werden, die zum einen dem Zerspanbetrieb ausreichend
Platz für die mechanische Bearbeitung der
Enden ließ, aber zum anderen einen 100%-Schutz
der Lancetten sowie eine Span- und Kühlmittelfreiheit
der Wärmetauscherinnenflächen gewährleistete.
Während die Seite mit der anzuflanschenden Rohrverlängerung
ein Anschweißen von innen nach außen
ähnlich den Längsnähten ermöglichte (Bild 6), waren
beim Anschweißen der Deckel aufgrund des geringen
Abstandes der Zentralrohre Laserschweißnähte unter
einem Winkel von 60° notwendig.
Dieser Winkel ergab sich aus den Erkenntnissen der
Voruntersuchung als Kompromiss zwischen maximaler
Zugänglichkeit und ausreichender Schweißnahtqualität.
Um eine möglichst hohe Prozesssicherheit zu
erzielen, wurden dabei beide Nahtflanken ebenfalls
unter einem Winkel von 60° vorbereitet, so das es
sich quasi um eine I-Naht handelte (Bild 7).
Cu-Ring zur Wurzelformierung
110
Decklage
Wurzellage
Bild 6 Einschweißen der Rohrverlängerung
(tube connection)
Vid
Auch bei den Rundnähten bestanden hohe Genauigkeitsanforderungen
an die resultierende Bauteilgeometrie.
So betrug die max. zulässige Abweichung der
Rohrachse über die Gesamtbauteillänge von ca. 600
mm max. 0,2 mm. Dies machte ein vorheriges Laserheften
und eine ausgeklügelte Spanntechnik notwendig,
die zudem noch eine einwandfreie Formierung
der Wurzelseite realisieren musste.
Laserstrahl
Bild 7 Einschweißen der Deckel (end caps)
schwenkbar
f = 250
mm
Die Rundnähte wurden anschließend ebenfalls 100%
durchstrahlt und visuell in Anlehnung an DIN EN ISO
13919-1 geprüft.
Zum Abschluss erfolgte das Anschweißen von Hebeösen
(lifting-eyes) auf den freien Längsseiten der
Wärmetauscher mittels WIG-Prozess, um die spätere
Handhabung und den Einbau im Panzerfahrzeug zu
erleichtern. Dabei wurde der gesamte Wärmetauscher
mit Schutzgas geflutet, um Anlauffarben im Rohrinnern
zu vermeiden. Die resultierenden Kehlnähte
wurden visuell und mittels Oberflächenrissprüfung
(PT) überprüft.
Anschließend erfolgte der Transport zur MTU, um hier
die Endmontage (Cover) und die abschließende
Druckprüfung durchzuführen.
4. Zusammenfassung
Im Rahmen einer zeitlich eng begrenzten Prototypenphase
wurden mehr als 26 Stück des Lanzetten-
Wärmetauscher LV100 mit hoher Prozesssicherheit hergestellt.
Durch frühe Einbindung der einzelnen externen
Projektpartner in Planung und Entwicklung sowie einer
flexiblen Koorperation konnte die Prototypenphase bis
zur Serienreife in etwas mehr als 2 Jahren
abgeschlossen werden.
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