DE102008046945A1

DE102008046945A1 - Ladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102008046945A1
Application number: DE200810046945
Authority: DE
Inventors: Achim Eisemann; Ulrich Haag
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer ein Turbinenrad (2) und ein Verdichterrad tragenden Welle (1), wobei das Turbinenrad (2) und das Verdichterrad drehfest mit der Welle (1) verbunden sind. Erfindungswesentlich ist dabei, dass das Turbinenrad (2) und/oder das Verdichterrad unter Einsatz eines Faserlasers (3) mit der Welle (1) verschweißt sind/ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Abgasturbolader eingesetzt, die eine, ein Turbinen- und ein Verdichterrad tragende, Welle aufweisen. Ein Fügen des Turbinen-/Verdichterrades auf der Welle wird dabei üblicherweise mittels Reibschweißen oder Elektronenstrahlschweißen bewirkt. Hierbei ist eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen, die darüber defektfrei und verzugsarm sein soll und eine möglichst geringe thermische Beeinflussung der Grundwerkstoffe, das heißt eine geringe Wärmeeinflusszone, mit sich bringen soll. Beim Elektronenstrahlschweißen wirkt sich dabei insbesondere nachteilig aus, dass verfahrensbedingt die erforderlichen Arbeiten unter Vakuum erfolgen müssen. Der Druckunterschied zwischen einem abgeschlossenem Hohlraum und einer Prozesskammer (Vakuum) wird dabei während des Schweißprozesses ausgeglichen, dass heißt es entsteht ein Luftstrom vom Hohlraum zur Prozesskammer. Dieser Luftstrom kann schmelzflüssige Teile des Schweißgutes aus dem Schweißbad herausreißen, was dann zu Löchern in der Schweißnaht und somit zu einer unter Umständen starken Beeinträchtigung der Schweißverbindung zwischen dem Turbinen-/Verdichterrad und der Welle führen kann.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere durch eine besonders qualitativ hochwertige Verbindung zwischen einem Turbinen-Verdichterrad und einer Welle auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Turbinenrad und/oder ein Verdichterrad unter Einsatz eines sogenannten Faserlasers mit einer Welle zu verschweißen. Ein Faserlaser ist dabei eine spezielle Form eines Festkörperlasers, bei welchem ein dotierter Kern einer Glasfaser das aktive Medium bildet. Es handelt sich also um einen Glaslaser mit Lichtwellenleiter-Eigenschaften. Das Laserlicht, welches durch die Faser geleitet wird, erfährt aufgrund der großen Länge eine sehr hohe Verstärkung. Generell weisen Faserlaser eine hohe Strahlqualität auf, die bis zu viermal besser ist als die eines vergleichbaren ND:YAG-Lasers. Darüber hinaus verfügen Faserlaser über einzigartige Eigenschaften, wie beispielsweise elektrisch-optische Wirkungsgrade bis über 20% sowie eine hohe Lebensdauer und einen kompakten, unempfindlichen Aufbau, welcher die Anwendung derartiger Faserlaser insbesondere in modernen Fertigungsbereichen möglich macht. Neben geringeren Laserkosten im Vergleich zu klassischen Laserschweißsystemen, ist auch ein besonders positiver Effekt in einer minimalen, kaum nachweisbaren Wärmeeinflusszone von weniger als 100 μm begründet, was wiederum zu einem äußerst geringen Bauteilverzug und einer hohen Schweißnahtgüte (kein Grobkorn, geringere Rissneigung in der Wärmeeinflusszone) führt. Der hauptsächliche Vorteil des Einsatzes des Faserlasers zum Verschweißen des Turbinenrades und/oder des Verdichterrades mit der Welle liegt jedoch darin, dass im Vergleich zum Elektronenstrahlschweißen auf ein dort erforderliches Vakuum vollständig verzichtet werden kann. Hierdurch wird zum einen die Anlagentechnik deutlich weniger aufwendig und zum anderen vereinfacht sich die Handhabung der Fügeparameter (Turbinerad/Welle) deutlich, da beispielsweise eine Vorzentrierung über einen Pressverband möglich ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, weist eine mittels des Faserlasers hergestellte Schweißnaht eine Breite b von kleiner als 0,3 mm auf. Mit dem erfindungsgemäßen Faserlaser ist somit das Herstellen von äußerst dünnen und optisch nahezu nicht wahrnehmbaren Schweißnähten möglich, wodurch insbesondere aufwändige Nachbearbeitungsprozesse, wie beispielsweise ein Schleifen, minimiert werden können.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Welle mit einem längsendseitig daran angeordneten Verdichter-/Turbinenrad.
Entsprechend der 1, weist eine Welle 1 ein längsendseitig daran drehfest befestigtes Turbinenrad 2 auf. Obwohl im Folgenden stets von Turbinenrad 2 die Rede ist, soll hierunter selbstverständlich auch ein an einer vom Turbinenrad 2 abgewandten Stirnseite der Welle 1 angeordnetes bzw. drehfest befestigtes Verdichterrad verstanden werden können. Um dabei eine Wärmeübertragung zwischen dem Turbinenrad 2 und der Welle 1 minimieren zu können, ist eine zwischen diesen beiden Elementen ausgebildete Fügeebene 5 als Ringfläche definiert. Hierdurch sollen insbesondere die Lagerstellen der Welle 1 vor einer übermäßigen Temperaturbelastung geschützt werden. Erfindungsgemäß ist nun das Turbinenrad 2 unter Einsatz eines Faserlasers 3 mit einer mittels eines derartigen Faserlasers 3 hergestellte Schweißnaht zwischen dem Turbinenrad 2 und der Welle 1 weist dabei ein Tiefen-Breiten-Verhältnis von 10 < t/b < 20 auf, wobei eine übliche Breite b der Schweißnaht weniger als 0,3 mm beträgt. Beim Einsatz eines derartigen Faserlasers 3 überwiegt ein Anteil eines Tiefschweißeffektes dabei deutlich dem Teil eines Wärmeleitungsschweißens, wodurch es zu obigem relativ großen Aspektverhältnis von Schweißnahttiefe zu Schweißnahtbreite kommt, welches mit klassischen Schweißlasersystemen nicht zu erzielen ist. Dieser Effekt in Verbindung mit einer hohen Schweißgeschwindigkeit führt speziell bei der erforderlichen Nahtgeometrie (I-Naht) zu einer hohen Schweißeffizienz, das heißt maximal verschweißter wirksamer Querschnitt in Belastungsrichtung bei minimaler Streckenenergie.
Neben geringen Laserkosten im Vergleich zu klassischen Laserschweißsystemen, ist ein positiver Haupteffekt des Faserlasers 3 darin zu sehen, dass eine minimale, kaum nachweisbare Wärmeeinflusszone von weniger als 100 μm zu erzielen ist, was wiederum zu einem geringen Bauteilverzug und einer hohen Schweißnahtgüte (kein Grobkorn, geringe Rissneigung der Wärmeeinflusszone) führt. Die geringe Wechselwirkungszone mit dem Werkstoff aufgrund des relativ kleinen Laserstrahldurchmessers, erfordert jedoch eine genaue Positionierung der Welle 1 bezüglich des Turbinenrades 2 auf kleiner als ±0,02 mm.
Eine Vorzentrierung des Turbinenrades 2 bezüglich der Welle 1 kann beispielsweise mittels einer Presspassung 4 erreicht werden, welche von Vorteil für den Rundlauf der beiden Fügepartner 1, 2 nach dem eigentlichen Schweißprozess ist. Im Vergleich mit aus dem Stand der Technik bekannten Schweißverfahren zum Verbinden des Turbinenrades 2 mit der Welle 1, beispielsweise dem Elektronenstrahlschweißverfahren, besitzt der Faserlaser 3 den großen Vorteil, dass hier keine Arbeiten unter Vakuum ausgeführt werden müssen, so dass kein Luftstrom während des Schweißprozesses auftritt, welcher schmelzflüssige Teile des Schweißgutes aus dem Schweißbad herausreißen und zu Löchern in der Schweißnaht führen kann.
Können beispielsweise durch Vorbearbeitungsprozesse die erforderlichen Lagetoleranzen in Summe nicht eingehalten werden, kann optional ein optisches Nahtfolgesystem, zum Beispiel über die Bearbeitungsoptik, integriert werden, über das Online-Lagekorrekturen vorgenommen werden können. Die Herstellung der Verbindung zwischen dem Turbinenrad 2 und der Welle 1 mittels des Faserlasers 3, erlaubt aufgrund des geringen Bauteilverzugs kostengünstige Alternativen in der Fertigungsabfolge. Beispielsweise können hierbei Einzelteile bereits vor dem eigentlichen Schweißprozess fertig bearbeitet werden, wodurch sich der Endschleifprozess der Welle 1 stark vereinfacht. Durch den im Vergleich zum Elektronenstrahlschweißen möglichen Verzicht auf das dort erforderliche Vakuum, kann zum einen die Anlagentechnik weniger aufwändig gestaltet werden und zum anderen vereinfacht sich die Handhabung der beiden Fügepartner 1 und 2 deutlich, da beispielsweise die Vorzentrierung über einen Pressverband 4 möglich ist.
Mittels der mit dem Faserlaser 3 hergestellten erfindungsgemäßen Schweißverbindung zwischen der Welle 1 und dem Turbinenrad 2 respektive einem vergleichbaren Verdichterrad, lässt sich somit die Schweißverbindung an sich deutlich kostengünstiger und weniger aufwändig gestalten und zugleich eine qualitativ äußerst hochwertige Verbindung zwischen dem Turbinenrad 2 und der Welle 1 erreichen.

Claims

Ladeeinrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer ein Turbinenrad (2) und ein Verdichterrad tragenden Welle (1), wobei das Turbinenrad (2) und das Verdichterrad drehfest mit der Welle (1) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (2) und/oder das Verdichterrad unter Einsatz eines Faserlasers (3) mit der Welle (1) verschweißt sind/ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels des Faserlasers (3) hergestellte Schweißnaht zwischen dem Turbinenrad/Verdichterrad (2) und der Welle (1) ein Tiefen-Breiten-Verhältnis von 10 < t/b < 20 aufweist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels des Faserlasers (3) hergestellte Schweißnaht eine Breite b < 0,3 mm aufweist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels des Faserlasers (3) hergestellte Schweißnaht eine Wärmeeinflusszone von kleiner als 100 μm aufweist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlaser (3) eine Strahlqualität von < 0,5 mm mrad aufweist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (2) und/oder das Verdichterrad mit der Welle (1) verpresst sind/ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (2) und/oder das Verdichterrad über eine Ringfläche (5) mit der Welle (1) verschweißt sind/ist.