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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum drehwinkelgenauen Fügen von
Bauteilen, insbesondere von zwei integral beschaufelten Rotoren.
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Bei
der Fertigung von Gasturbinen ist das Reibschweißen ein weitverbreitetes Fügeverfahren. Das
Reibschweißen
gehört
zu den sogenannten Pressschweißverfahren,
wobei man beim Reibschweißen
unter anderem zwischen dem sogenannten linearen Reibschweißen, dem
sogenannten Rotationsreibschweißen
und dem sogenannten Rührreibschweißen unterscheidet.
Beim Reibschweißen werden
Bauteile durch Reibung aneinander gefügt bzw. miteinander verbunden.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft das sogenannte Rotationsreibschweißen.
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Nach
dem Stand der Technik werden beim Rotationsreibschweißen zwei
miteinander zu verbindende Bauteile dadurch aneinander gefügt, dass
ein erstes Bauteil rotierend bewegt wird, wohingegen ein zweites
Bauteil stillsteht. Die über
das rotierende Bauteil aufgebrachte Kraft bezeichnet man auch als Reibkraft.
Infolge von Reibung zwischen dem rotierend bewegten Bauteil und
dem stillstehenden Bauteil passen sich Fügeflächen der miteinander zu verbindenden
Bauteile durch Teigigwerden aneinander an. Durch Reibung wird die
Rotationsenergie des rotierenden Bauteils verbraucht, das rotierende
Bauteil wird abgebremst und das stillstehende bzw. nicht rotierend
bewegte Bauteil wird mit einer Kraft, der sogenannten Stauchkraft,
gegen das rotierende Bauteil gedrückt, um die beiden Bauteile
im Bereich der Schweißnaht
zu verdichten. Es ist ebenso möglich, das
rotierende Bauteil unter axialer Bewegung gegen das stillstehende
Bauteil zu drücken,
um die erforderliche Stauchkraft aufzubringen.
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Bei
dem obigen, aus dem Stand der Technik bekannten Rotationsreibschweißen bereitet
das drehwinkelgenaue Fügen
bzw. Verbinden von zwei Bauteilen Schwierigkeiten. Das drehwinkelgenaue Fügen ist
jedoch insbesondere dann von Wichtigkeit, wenn zwei integral beschaufelte
Rotoren miteinander verbunden werden sollen. Bei allen bislang bekannten
Rototionsreibschweißverfahren
ist jedoch die beim Fügen
erreichbare Winkelgenauigkeit eingeschränkt.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
ein neuartiges Verfahren zum Fügen
von Bauteilen zu schaffen, mit welchem eine hohe Winkelgenauigkeit
beim Fügen erzielt
werden kann.
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Dieses
Problem wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß umfasst
das Verfahren zumindest die folgenden Schritte:
a) Bereitstellen
von zwei miteinander zu verbindenden Bauteilen und eines rotationssymmetrischen Zwischenteils;
b) Ausrichten der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile und
des Zwischenteils, derart, dass die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile
drehwinkelgenau zueinander ausgerichtet sind, und dass das Zwischenteil
als Einsatz zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Bauteilen angeordnet
ist; c) Verbinden der beiden Bauteile unter Zwischenanordnung des
Zwischenteils, derart, dass zum Bereitstellen einer Reibkraft das
Zwischenteil relativ zu den beiden miteinander zu verbindenden,
nicht rotierend bewegten Bauteilen um eine Symmetrieachse desselben
rotierend bewegt wird, und dass über
mindestens ein stillstehendes Bauteil eine Stauchkraft auf die Fügezonen
zwischen den beiden stillstehenden Bauteilen und dem Zwischenteil
ausgeübt
wird.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden die beiden drehwinkelgenau
miteinander zu verbindenden Bauteile unter Zwischenanordnung eines
Zwischenteils aneinander gefügt,
wobei die beiden drehwinkelgenau miteinander zu verbindenden Bauteile
rotatorisch nicht bewegt werden, sondern lediglich das Zwischenteil.
Die beiden Bauteile, die nach dem Fügen drehwinkelgenau zueinander
stehen sollen, sind demnach bezüglich
der Rotationsachse des Zwischenteils statisch, so dass dieselben vor
dem Fügen
drehwinkelgenau zueinander positioniert werden können und diese Position beim
Fügen beibehalten.
Hierdurch kann beim Rotationsreibschweißen erstmals eine sehr hohe
Winkelgenauigkeit bei relativ geringem Aufwand realisiert werden.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden, ohne hierauf beschränkt
zu sein, an Hand der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 eine
perspektivische Seitenansicht einer Rotationsreibschweißanlage
mit zwei miteinander zu verbindenden Bauteilen.
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Die
hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum drehwinkelgenauen
Fügen von
zwei Bauteilen im Sinne eines neuartigen Rotationsreibschweißverfahrens. 1 zeigt
schematisiert eine Rotationsreibschweißanlage 10 zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
wobei auf der Rotationsreibschweißanlage 10 zwei miteinander
zu verbindende Bauteile 11 und 12 über Spanneinrichtungen 13 bzw. 14 positioniert
sind.
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Bei
den miteinander zu verbindenden Bauteilen 11 und 12 handelt
es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel
um integral beschaufelte Gasturbinenrotoren, die Erfindung ist jedoch
nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsfall beschränkt.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden die beiden miteinander
zu verbindenden Bauteile 11 und 12 unter Zwischenanordnung
eines Zwischenteils 15 miteinander verbunden, wobei es sich
bei dem Zwischenteil 15 um ein rotationssymmetrisches Zwischenteil
handelt, welches an einem im Sinne des Pfeils 21 drehend
angetriebenen Rahmen 16 der Rotationsreibschweißanlage 10 gelagert
ist. Die beiden winkelgenau miteinander zu verbindenden Bauteile 11 und 12 werden
auf der Rotationsreibschweißanlage 10 winkelgenau
zueinander ausgerichtet und beim Fügen rotatorisch nicht bewegt.
Vielmehr wird ausschließlich
das Zwischenteil 15 rotatorisch um eine Symmetrieachse 22 desselben
angetrieben und dabei rotatorisch bewegt, um so die zum Reibschweißen benötigte Reibenergie
bereitzustellen. Dabei passen sich Fügeflächen zwischen dem Zwischenstück 15 und
den beiden Bauteilen 11 und 12 durch Teigigwerden
aneinander an, wobei die beiden Bauteile 11 und 12 sowie
das Zwischenstück 15 jeweils
sogenannte Schweißanschlüsse 17, 18 bzw. 19 aufweisen, über welche
die beiden Bauteile 11 und 12 mit dem Zwischenstück 15 verbunden
werden.
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Wie
bereits ausgeführt,
wird die zum Rotationsreibschweißen benötigte Reibenergie ausschließlich über das
drehend angetriebene Zwischenstück 15 bereitgestellt.
Sobald in Folge der Reibenergie die Fügeflächen zwischen den Bauteilen 11 und 12 und
dem Zwischenstück 15 sich
ausreichend aneinander angepasst haben, wird über mindestens eines der beiden
nicht rotierenden Bauteile, im Ausführungsbeispiel der 1 über das
rechte nicht rotierenden Bauteil 12, im Sinne des Pfeils 20 eine Stauchkraft
auf die Fügezonen
zwischen den beiden nicht rotierenden Bauteilen 11, 12 und
dem Zwischenteil 15 ausgeübt. Hierzu wird im Ausführungsbeispiel
der 1 das nicht rotierend bewegte Bauteil 12 translatorisch
in Richtung der Symmetrieachse 22 des Zwischenteils 15 gegen
das rotierend bewegte Zwischenteil 15 und so das rotierend
bewegte Zwischenteil 15 gegen das nicht rotierend bewegte
Bauteil 11 gedrückt.
Das Zwischenteil 15 ist hierzu am Rahmen 16 translatorisch
bewegbar gelagert, und zwar in Richtung der Symmetrieachse 22 des
Zwischenteils 15, um welche das Zwischenteil 15 zur
Bereitstellung der Reibkraft rotatorisch angetrieben wird. Die Symmetrieachse 22 des
Zwischenteils 15 fällt
vorzugsweise mit Symmetrieachsen der beiden miteinander zu verbindenden
Bauteil 11, 12 zusammen.
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Wie
oben ausgeführt,
werden im bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gemäß 1 zum
drehwinkelgenauen Fügen
der beiden Bauteile 11, 12 die beiden Bauteile 11, 12 nicht
drehend angetrieben, sondern vielmehr ausschließlich das Zwischenteil 15.
Dann, wenn über
die durch das Zwischenteil 15 bereitgestellte Reibenergie
Fügeflächen zwischen
dem Zwischenteil 15 und den beiden Bauteilen 11, 12 ausreichend
angepasst wurden, wird eines der beiden nicht rotatorisch bewegten
Bauteile zur Bereitstellung einer Stauchkraft gegen das Zwischenteil 15 und
damit gegen das andere nicht rotatorisch bewegte Bauteil gedrückt.
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Im
Unterschied hierzu ist es auch möglich, beide
nicht drehend bewegte Bauteile 11, 12 zur Bereitstellung
der Stauchkraft translatorisch gegen das Zwischenteil 15 zu
drücken.
Hierbei kann dann das Zwischenteil 15 am Rahmen 16 axial
unbewegbar gelagert sein.
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Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Rotationsreibschweißverfahrens
kann beim Rotationsreibschweißen
eine hohe Drehwinkelgenauigkeit zwischen zwei miteinander zu verbindenden
Bauteilen eingehalten werden. Die Fügezonen zwischen den beiden
Bauteilen und dem Zwischenstück
sind rotationssymmetrisch, so dass die Winkellage, in der das Zwischenstück beim
Rotationsreibschweißen
zum Halten kommt, völlig
unbestimmt ist. Dies ist jedoch unkritisch, da die beiden nicht
rotatorisch bewegten Bauteile vor dem Fügen in ihrer Drehwinkellage
exakt zueinander ausgerichtet werden können und diese Ausrichtung
beim Fügen
beibehalten wird. Beim Zwischenteil kann mit einer sogenannten Aufmaßschweißlippe gearbeitet
werden, so dass die sogenannte Rundlaufgenauigkeit unkritisch ist.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
der 1 umgreift der angetriebene Rahmen 16 das
Zwischenteil 15, der Antrieb wird demnach von radial außen geführt. Es
ist jedoch auch eine Rotationsreibschweißanlage denkbar, bei welcher
das Zwischenteil 15 von radial innen angetrieben wird.
In diesem Fall sind dann im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 die
beiden Bauteile 11 und 12 nicht radial innen über Spanneinrichtungen
verdrehgesichert, sondern vielmehr radial außen über entsprechende Spanneinrichtungen.
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- 10
- Rotationsreibschweißanlage
- 11
- Bauteil
- 12
- Bauteil
- 13
- Spanneinrichtung
- 14
- Spanneinrichtung
- 15
- Zwischenteil
- 16
- Rahmen
- 17
- Schweißanschluss
- 18
- Schweißanschluss
- 19
- Schweißanschluss
- 20
- Pfeil
- 21
- Pfeil
- 22
- Symmetrieachse