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Die
Erfindung betrifft ein Verbundbauteil mit einem Nabenteil aus einem
warmfesten Werkstoff, insbesondere einem Turbinenrad aus TiAl, und
einer Welle aus einem anderen hochwarmfesten Werkstoff.
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Aus
den europäischen Patentanmeldungen
EP 0 590 197 A1 und
EP 1 002 935 A1 sind
Verfahren zum Verbinden eines Turbinenrads aus einer Legierung auf
Basis eines Gamma-Titanaluminids an einer Lagerwelle aus Stahl bekannt.
Das Fügen von Titanaluminid mit anderen, hochwarmen Werkstoffen
ist bekanntermaßen sehr schwierig; um dennoch eine Verbindung
mit hoher mechanischer Festigkeit zu erreichen, ist zwischen Turbinenrad
und Stahlwelle ein Zwischenstück aus einer Nickel-Basislegierung
vorgesehen, welches mit dem Turbinenrad reibverschweißt
ist.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, ein
Verbundbauteil mit einem Nabenteil aus einem warmfesten Werkstoff und
einer Welle aus einem anderen hochwarmfesten Werkstoff zu schaffen,
das einfach zu fertigen ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Danach
weist das Nabenteil einen Öffnung, insbesondere ein zylindrisches
Durchgangsloch, auf, in die die Welle zumindest abschnittsweise
hineinragt. Das Nabenteil und die Welle sind über eine
radiale Pressverbindung miteinander verbunden. Der Werkstoff der
Welle weist einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf als der Werkstoff des Nabenteils, so dass das Nabenteil und
die Welle im Betrieb des Verbundbauteils unter Temperatureinwirkung
radial miteinander verspannt sind. Eine Temperatureinwirkung führt
somit nicht zu einer Lockerung, sondern zu einer Verfestigung des
Sitzes des Nabenteils auf der Welle. Das Nabenteil kann insbesondere ein
Turbinenrad aus Titan-Aluminium (TiAl) sein; in diesem Fall besteht
die Welle aus einem Werkstoff mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als
TiAl, vorzugsweise aus einem hochwarmfesten Stahlwerkstoff mit der
Kurzbezeichnung Inco 718. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
stellen sicher, dass auch bei erhöhter Temperatur, wie
sie im Betrieb eines Turbinenrads auftritt, ein Verdrehen beziehungsweise
Durchdrehen des Nabenteils gegenüber der Welle wirksam
unterbunden ist.
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Die
kraftschlüssige Verbindung der beiden Komponenten kann
mittels einer entsprechenden Übermaßanpassung
zwischen dem Außendurchmesser der Welle und dem Innendurchmesser
des Nabenteils erreicht werden. Zum Verbinden der beiden Bauteile
kann die Welle abgekühlt und/oder das Nabenteil erwärmt
werden, in einer Weise, die ein kraftfreies Fügen ermöglicht.
Alternativ können die beiden Bauteile durch die Anwendung
einer axial gerichteten Kraft verpresst werden. Weiterhin kann auch
eine Kombination von Temperatur und Druck eingesetzt werden, um
ein optimales Fügen der Komponenten zu erreichen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Welle zweistückig
ausgeführt und umfasst einen Wellenstummel und ein Gegenstück,
die durch eine Reibschweißverbindung innerhalb des Durchgangslochs
des Nabenteils miteinander verbunden sind. Wellenstummel und Gegenstück
sind aus dem gleichen hochwarmfesten Werkstoff oder aus unterschiedlichen,
gut reibverschweißbaren Werkstoffen gebildet.
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Zum
Verbinden der Welle mit dem Nabenteil wird das Nabenteil zunächst
mit Hilfe einer (thermischen und/oder mechanischen) Pressverbindung
auf einem der beiden Wellenteile, vorzugsweise dem Wellenstummel,
befestigt. Anschließend werden Wellenstummel und Gegenstück
miteinander pressverschweißt, insbesondere reibgeschweißt.
Beim Verschweißen des Wellenstummels mit dem Gegenstück
werden gleiche oder artgleiche Werkstoffe stoffschlüssig
miteinander verbunden. Auf diese Weise können unerwünschte
Thermospannungen, wie sie beim Verschweißen eines Nabenteils
aus TiAl mit anderen hochwarmfesten Werkstoffen auftreten, vermieden
werden. Da die Werkstoffe der Bauteile in einer solchen Weise gewählt
sind, dass das Nabenteil einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt
als der das Nabenteil durchdringende Teil der Welle, werden im Betrieb,
d. h. bei erhöhter Temperatur, Nabenteil und Welle zusätzlich
radial miteinander verspannt.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch
gekennzeichnet, dass das Nabenteil durch eine gezielte Volumenschrumpfung beim
Abkühlen nach dem Reibschweißen zwischen dem Wellenstummel
und dem Gegenstück zusätzlich axial verspannt
wird. Durch eine Volumenschrumpfung beim Abkühlen nach
dem Reibschweißen entsteht eine Vorspannung zwischen dem
Wellenstummel und dem Gegenstück, die gemäß diesem
Aspekt der Erfindung gezielt eingesetzt wird, um das Nabenteil zwischen
dem Wellenstummel und dem Gegenstück einzuklemmen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenstummel vor dem Reibschweißen
in das Durchgangsloch des Nabenteils eingepresst wird. Der Werkstoff
des Wellenstummels hat eine höhere Wärmeausdehnung
als der Werkstoff des Nabenteils. Daher dehnt sich die Welle bei
erhöhter Temperatur radial stärker aus als das
Nabenteil, so dass das Nabenteil bei erhöhter Temperatur
zusätzlich radial verspannt wird.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben
sind.
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Dabei
zeigen:
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1 bis 4 eine
vereinfachte schematische Darstellung verschiedener Verfahrensschritte zum
Befestigen eines TiAl-Turbinenrads an einer Welle aus einem anderen
hochwarmfesten Werkstoff;
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5 eine
Welle mit einem TiAl-Turbinenrad gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel vor dem Verbinden im Längsschnitt;
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6 ein ähnliches
Ausführungsbeispiel wie in 5.
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4 zeigt
im Längsschnitt ein Verbundbauteil 8, das eine
Welle 1 und ein mit dieser Welle 1 verbundenes
Nabenteil 5 umfasst. Bei der Welle 1 des gezeigten
Ausführungsbeispiels handelt es sich um eine Turboladerwelle
in einem Abgasturbolader eines Kraftfahrzeugs; das zugehörige
Nabenteil 5 ist ein Turbinenrad des Abgasturboladers.
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Die
Welle 1 umfasst einen Wellenstummel 1' und ein
Gegenstück 15, das mit Hilfe des Reibschweißens
mit dem Wellenstummel 1' verbunden ist (siehe 1 und 2).
Der Wellenstummel 1' weist an einem Ende einen Zapfenbereich 2 auf,
dessen axiale Ausdehnung durch einen Bund 3 begrenzt ist. Das
Gegenstück 15 weist einen Gegenstückzapfen 16 auf,
der in axialer Richtung durch einen Bund 17 begrenzt ist.
Das Nabenteil 5 umfasst in seinem radialen Innenbereich 6 ein
Durchgangsloch 10 mit zwei Durchgangslochabschnitten 11 und 12,
wobei der Durchgangslochabschnitt 11 einen größeren
Innendurchmesser als der Durchgangslochabschnitt 12 hat.
Zwischen den beiden Durchgangslochabschnitten 11, 12 ist
ein Absatz 14 ausgebildet. Der Zapfenbereich 2 des
Wellenstummels 1' wird durch eine Reibschweißverbindung
mit dem Gegenstückstummel 16 des Gegenstücks 15 verbunden.
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Der
Wellenstummel 1' und das Gegenstück 15 sind
aus einem hochwarmfesten metallischen Werkstoff mit der Bezeichnung
Inco 718 gebildet. Dabei handelt es sich um einen Edelstahl mit
der Kurzbezeichnung X45CrSi9-3. Alternativ können Wellenstummel 1' und
Gegenstück 15 auch aus unterschiedlichen reibverschweißbaren
Werkstoffen bestehen. Das Nabenteil 5 besteht aus einem
Werkstoff, der nicht (oder nur schwer) mit dem Werkstoff der Welle 1 reibverschweißbar
ist, insbesondere aus TiAl oder einem anderen keramischen Werkstoff,
wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Nabenteil geringer
ist als derjenige der Welle. Konkret liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient
von Inco etwa bei 13,6 bis 16,4 × 10–6 1/K,
während der Wärmeausdehnungskoeffizient von TiAl
etwa 9 bis 11 × 10–6 1/K
beträgt. Durch den höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
des metallischen Werkstoffs im Vergleich zum keramischen Werkstoff
dehnt sich die Welle 1 unter Einwirkung hoher Temperaturen
im Betrieb des Verbundbauteils in höherem Maße
aus als das Nabenteil 5, so dass die beiden Bauteile 1, 5 umso
stärker zusammengepresst werden, je höher die
einwirkende Temperatur ist. So wird zwischen den Bauteilen 1, 5 ein
Querpressverband erzeugt, der Welle 1 und Nabenteil 5 im
Betrieb reibschlüssig fest verbindet.
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In 1 sind
die einzelnen Teile, insbesondere die Einzelteile der zweigeteilten
Welle 1, also der Wellenstummel 1' und das Gegenstück 15 vor dem
Verbinden dargestellt. Der Zapfenbereich 2 des Wellenstummel 1' hat
etwa den gleichen Außendurchmesser wie der Gegenstückzapfen 16.
Der Außendurchmesser des Zapfenbereichs 2 des
Wellenstummels 1' und des Gegenstückzapfens 16 entspricht
etwa dem Innendurchmesser des Durchgangslochabschnitts 12.
Der Durchgangslochabschnitt 11 ist etwas größer
als der Außendurchmesser des Wellenstummels 2 und
des Gegenstückstummels 16. Dadurch wird ein Ringraum
geschaffen, der zur Aufnahme eines beim Schweißen entstehenden Schweißwulstes
dient.
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In 2 ist
der Zapfenbereich 2 des Wellenstummels 1' in das
Durchgangsloch 10 des Nabenteils 5 eingesteckt;
insbesondere kann das Nabenteil 5 thermisch auf den Zapfenbereich 2 aufgeschrumpft oder
mechanisch auf den Zapfenbereich 2 aufgepresst sein. Dabei
bildet der Bund 3 einen Anschlag, der beim Einstecken des
Wellenstummels 2 an dem Innenbereich 6 des Nabenteils 5 zur
Anlage kommt. Durch Pfeile 21, 22 sind die Bewegungen
des Gegenstücks 15 beim Reibschweißen
angedeutet. Mit Δx ist der Reib-/Stauchweg bezeichnet.
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In 3 ist
durch einen Pfeil 24 der Stauchdruck angedeutet, der auf
das Gegenstück 15 ausgeübt wird, bis Δx
gleich Null ist. Während bzw. unmittelbar nach dem Reibschweißen
wird in einem schraffiert dargestellten Verbindungsbereich eine hohe
Temperatur (θ = max) erreicht. Gleichzeitig ist die Axialspannung
an der Fügestelle etwa Null. Beim Abkühlen des
Reibschweißbereichs auf Raumtemperatur (θ = min)
erfolgt eine Volumenschrumpfung, durch die an der Fügestelle
im Verbindungsbereich eine axiale Vorspannung erzeugt wird (siehe 4). Die
Volumenausdehnung des TiAl-Nabenteils 5 beim Reibschweißen
ist viel geringer als die Volumenausdehnung des Wellenmaterials
Inco, so dass beim Abkühlen eine axiale Vorspannung erzeugt
wird, durch die das Nabenteil 5 zwischen den Bunden 3, 17 der Wellenteile 1', 15 eingeklemmt
wird. Über den Stauchdruck (Pfeil 24 in 3)
ist diese Vorspannung steuerbar.
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Aufgrund
des höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten des
Wellenwerkstoffs nimmt diese axiale Vorspannung zwar bei höheren
Betriebstemperaturen des Verbundbauteils 8 ab, jedoch wirkt
bei diesen höheren Betriebstemperaturen die radiale Verspannung
zwischen Nabenteil und Welle (ebenfalls aufgrund des höheren
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wellenwerkstoffs) umso
stärker, so dass zu jeder Zeit eine reibschlüssige
Verbindung zwischen Nabenteil 5 und Welle 1 sichergestellt
ist.
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In
den 5 und 6 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele
von Verbundbauteilen 38 schematisch dargestellt. Beide
Ausführungsbeispiele umfassen jeweils einen metallischen
Wellenstummel 31' mit einem Zapfenbereich 32,
der durch einen Bund 33 begrenzt ist, und ein Gegenstücks 45 mit
einem Gegenstückzapfen 46 und einem Bund 47.
Wellenstummel 31' und Gegenstück 45 werden
durch Reibschweißen zu einer Welle 31 verbunden,
auf der ein Nabenteil 35 aus TiAl befestigt ist.
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Bei
dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
der Zapfenbereich 32 des Wellenstummels 31' in
einen kreiszylinderförmigen Abschnitt 36 und einen
weiteren Abschnitt 37 unterteilt, der sich zu dem Bund 33 hin
kegelstumpfartig erweitert. Das Nabenteil 35 weist ein
Durchgangsloch 40 mit einem kreiszylindermantelartigen
Abschnitt 41 auf. Der kreiszylindermantelartige Abschnitt 41 erweitert
sich an seinem dem Wellenstummel 31' zugewandten Ende in
einem kegelstumpfartigen Abschnitt 42 trichterförmig.
Der Gegenstückzapfen 46 weist an seinem freien
Ende einen kreiszylinderförmigen Abschnitt 48 auf.
In einem kegelstumpfartigen Abschnitt 49 erweitert sich
der Gegenstückstummel 46 zu dem Bund 47 hin.
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Der
kreiszylinderförmige Abschnitt 48 des Gegenstückzapfens 46 wird
in das Durchgangsloch 40 des Nabenteils 35 eingepresst,
bis der Bund 47 an dem Nabenteil 35 zur Anlage
kommt. Danach wird der Gegenstückzapfen 46 durch
Reibschweißen stoffschlüssig mit dem Zapfenbereich 32 des
Wellenstummels 31' verbunden. Dabei werden die Fügepartner 46, 32 im
Reibschweißbereich gestaucht, bis der kegelstumpfförmige
Bereich 37 des Wellenstumpfs 31' an dem trichterförmigen
Abschnitt 42 des Nabenteils 35 anliegt. Durch
die nach dem Reibschweißen beim Abkühlen auftretende
Volumenschrumpfung wird eine axiale Vorspannung erzeugt, die dazu
führt, dass das Nabenteil 35 zwischen dem Gegenstück 45 und
dem Wellenstummel 31' eingeklemmt wird. Ein zwischen dem
Durchgangsloch 40 des Nabenteil 35 und dem dem
Schweißbereich benachbarten 36 Abschnitt des Wellenstummels 31' gebildeter
Ringraum 44 dient zur Aufnahme des Schweißwulstes.
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Bei
dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst
der Zapfenbereich 32 zwischen dem kreiszylinderförmigen
Abschnitt 36 und dem Bund 33 einen weiteren kreiszylinderförmigen
Abschnitt 57, der einen größeren Außendurchmesser
als der kreiszylinderförmige Abschnitt 36 aufweist.
Das Nabenteil 35 weist an dem Wellenstummel 31' zugewandten Ende
des Durchgangslochs 40 eine Zylindersenkung 58 auf,
die zur Aufnahme des kreiszylinderförmigen Abschnitts 57 des
Wellenstummels 32 dient. Wie im Ausführungsbeispiel
der 5 wird der kreiszylinderförmige Abschnitt 48 des
Gegenstückzapfens 46 in das Durchgangsloch 40 des
Nabenteils 35 eingepresst, bis der Bund 47 an
dem Nabenteil 35 zur Anlage kommt. Anschließend
wird der Wellenstummel 31' mit seiner Stirnfläche
durch Reibschweißen mit dem eingepressten Gegenstück 45 verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0590197
A1 [0002]
- - EP 1002935 A1 [0002]