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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen zweier Bauteile nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, ein Zwischenelement zum mittelbaren Fügen zweier Bauteile sowie einen Schweißverbund zweier Bauteile.
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Turbinenräder für Turbolader von Kraftwagen werden heute vorzugsweise aus hochwarmfesten Werkstoffen wie Nickel-Basislegierungen gefertigt. Eine Alternative hierzu ist beispielsweise Titan-Aluminium. Titan-Aluminium ist eine intermetallische Phase, die bei hoher Festigkeit, hoher Warmfestigkeit und hoher Dichte gleichzeitig ein sehr geringes Eigengewicht aufweist. Die genannten Eigenschaften erschweren jedoch das Fügen von Bauteilen aus Titan-Aluminium mit Bauteilen aus anderen Werkstoffen, insbesondere mit Stählen. Gerade beim Reibschweißen tritt das Problem auf, dass Titan Aluminium bei Temperaturen unter 1100°C nahezu keramisch ist, so dass beim konventionellen Reibschweißen keine ausreichende Duktilität erreicht werden kann.
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Aus der
DE 10 2007 026 328 A1 ist ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Titan-Aluminium-Bauteilen mit Stahlbauteilen bekannt, bei welchem die Fügeflächen der Bauteile vor dem Reibschweißen insbesondere induktiv erwärmt werden, so dass während des Reibschweißens die gewünschte Duktilität erreicht werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, ein Zwischenelement und einen Schweißverbund der eingangs genannten Art bereitzustellen, durch welche ein einfaches und zuverlässiges Fügen von Titan-Aluminium-Bauteilen mit Stahlbauteilen ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Zwischenelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 sowie durch einen Schweißverbund mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fügen eines ersten Bauteils aus einer Titan-Aluminium-Legierung, insbesondere eines Turbinenrads für einen Turbolader, mit einem zweiten Bauteil aus einer Stahllegierung, insbesondere einer Turbinenwelle für ein Turbolader, werden die Bauteile mittelbar über ein Zwischenelement aus einer Nickelbasislegierung miteinander verschweißt. Unter Titanaluminiumlegierungen sollen hier auch reine intermetallische Phasen aus Titan und Aluminium verstanden werden. Nickelbasislegierungen liegen in einem Schmelzpunktbereich zwischen Titan-Aluminium-Legierungen und Stählen, so dass ein problemloses Verschweißen des Zwischenelementes mit jedem der Bauteile möglich ist. Das Zwischenelement bleibt dabei in seiner Form im Wesentlichen erhalten, es handelt sich also nicht um einen bloßen Schweißzusatzstoff, der im Schmelzbad aufgeht.
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Bei dem Verfahren existiert keine notwendig vorgegebene Schweißreihenfolge. Es ist möglich, dass Zwischenelement zunächst durch Reibschweißen mit dem ersten Bauteil und anschließend durch Reib- oder Strahlschweißen mit dem zweiten Bauteil zu verschweißen, oder diese Reihenfolge umzukehren und das Zwischenelement zuerst durch Reib- oder Stahlschweißen mit dem zweiten Bauteil und anschließend durch Reibschweißen mit dem ersten Bauteil zu verschweißen.
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Um das Reibschweißen zu erleichtern, weist das Zwischenelement vorzugsweise einen formschlüssigen Werkzeugeingriff auf, in welchen beim Reibschweißen eine Vorrichtung zum Übertragen eines Drehmoments eingreift. Die Verwendung von Reibschweißverfahren zum Verbinden des Zwischenelements mit dem ersten Bauteil, insbesondere wenn dieses als Turbinenrad ausgebildet ist, ist aufgrund der symmetrischen Gestaltung sowohl des Zwischenelements als auch des Turbinenrads besonders vorteilhaft. Gleichzeitig werden durch das Reibschweißen nur geringe Energiemengen eingetragen, so dass thermisch bedingte Verzüge vermieden werden und die Ausbildung von Wärmeeinflusszonen minimiert wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Zwischenelement zum mittelbaren Fügen eines ersten Bauteils aus einer Titan-Aluminium-Legierung, insbesondere eines Turbinenrads für einen Turbolader, mit einem zweiten Bauteil aus einer Stahllegierung, insbesondere einer Turbinenwelle für einen Turbolader. Das erfindungsgemäße Zwischenelement ist im Wesentlichen rondenförmig ausgebildet und besteht aus einer Nickelbasislegierung, um so, wie bereits geschildert, ein einfaches Verschweißen der genannten Bauteile zu ermöglichen.
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Vorzugsweise weist ein solches Zwischenelement einen formschlüssigen Werkzeugeingriff auf. Dieser kann als Innenkontur, beispielsweise als Innensechskant- oder Torxinnenkontur ausgebildet sein. Die Innenkontur bildet gleichzeitig beim Fertigen Schweißverbund der beiden Bauteile und des Zwischenelements einen luftgefüllten Hohlraum aus, der als Wärmedrossel wirkt, um so die Wärmeübertragung zwischen Turbinenrad und Turbinenwelle zu minimieren.
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An Stelle einer Innenkontur können auch an einem Außenumfang des Zwischenelements Taschen angebracht werden, die ebenfalls als Werkzeugeingriff dienen können, um das zum Reibschweißen notwendige Drehmoment zu übertragen. Diese müssen gegebenenfalls vor dem anschließenden Anschweißen der Welle an das Zwischenelement wieder entfernt werden. In dieser Ausführungsform muss eine Wärmedrossel separat spanend eingebracht werden.
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Die Erfindung betrifft schließlich noch einen Schweißverbund eines ersten Bauteils aus einer Titan-Aluminium-Legierung, insbesondere eines Turbinenrads für einen Turbolader mit einem zweiten Bauteil aus einer Stahllegierung, insbesondere einer Turbinenwelle für einen Turbolader. In einem erfindungsgemäßen Schweißverbund sind die Bauteile mittelbar über ein Zwischenelement aus einer Nickelbasislegierung verbunden. Die Verbindungen sind bevorzugt Reibschweißverbindungen. In weiterer Ausgestaltung kann der Schweißverbund noch einen inneren Hohlraum im Bereich des Zwischenelementes umfassen, der eine Wärmedrossel zwischen der Turbinenwelle und dem Turbinenrad ausbildet.
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Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
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1A bis C schematische Darstellungen dreier Schritte der Fügefolge zwischen einem Turbinenrad und einer Turbinenwelle mittels eines Zwischenelements; und
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2A bis C drei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Zwischenelements.
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Turbinenräder 10 für Turbolader aus Titan-Aluminium-Legierungen bieten gegenüber Turbinenrädern aus Nickel-Basislegierungen Vorteile, da diese bei geringem Eigengewicht eine besonders hohe Festigkeit, Formfestigkeit und Dichte aufweisen. Aus Kostengründen ist es jedoch vorteilhaft, die Turbinenwellen 12 für Turbolader aus Stahllegierungen zu fertigen, da diese geringeren Belastungen unterliegen und daher keine Titan-Aluminium-Legierungen verwendet werden müssen. Dies führt zu Problemen beim Herstellen eines Schweißverbunds 14 von derartigen Turbinenrädern 10 und Turbinenwellen 12. Ein direktes Verschweißen von Titan-Aluminium-Legierungen und Stählen ist nur mittels aufwendiger Schweißprozesse unter Vorwärmen der Bauteile möglich, da die Schmelzpunkte von Titan-Aluminium und Stahl weiter auseinander liegen. Bei Temperaturen, bei denen Stahl bereits plastifiziert, ist Titan-Aluminium noch beinahe keramisch.
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Um dennoch eine einfache Herstellung eines Schweißverbundes 14 zu ermöglichen, wird zunächst ein Zwischenelement 16 aus einer Nickelbasislegierung durch Reibschweißen mit dem Turbinenrad 10 verbunden. Der Schmelzpunkt von Nickel-Basislegierungen liegt zwischen den Schmelzpunkten von Titan-Aluminium und Stahl, so dass das Zwischenelement 16 relativ problemlos sowohl mit dem Turbinenrad 10 als auch mit der Turbinenwelle 12 verschweißt werden kann.
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Um das Reibschweißen zu erleichtern, weist das Zwischenelement 16 einen Werkzeugeingriff 18 auf. In diesen greift die Reibschweißmaschine ein und rotiert das Zwischenelement 16 relativ zum Turbinenrad 10 um die gemeinsame Achse 20, während das Zwischenelement 16 in Richtung des Pfeiles 22 an eine Fügefläche 24 des Turbinenrads 10 angepresst wird. Hierdurch entsteht eine Schweißnaht 26 zwischen dem Turbinenrad 10 und dem Zwischenelement 16.
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Im folgenden Verfahrensschritt wird schließlich die Welle 12 an das Zwischenelement 16 angeschweißt. Dies kann ebenfalls durch Reibschweißen geschehen, indem die Welle 12 relativ zum Verbund 28 aus Turbinenrad 10 und Zwischenelement 16 um die gemeinsame Achse 20 rotiert wird und gleichzeitig an das Zwischenelement 16 angepresst wird. Alternativ kann die Verbindung auch durch Strahlschweißen hergestellt werden. Die entstehenden Schweißnähte 30 und 26 verbinden die Welle 12 mit dem Zwischenelement 16 und dem Turbinenrad 10, so dass eine mittelbare Verbindung zwischen der Turbinenwelle 12 und dem Turbinenrad 10 entsteht.
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Die Werkzeugaufnahme 18 verbleibt als Hohlraum im Fügebereich 32 zwischen der Turbinenwelle 12 und dem Zwischenelement 16. Dieser Luft gefüllte Hohlraum funktioniert als Wärmedrossel und begrenzt den Wärmeübergang zwischen dem Turbinenrad 10 und der Turbinenwelle 12.
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Die 2A bis C zeigen drei mögliche Ausführungsbeispiele des Zwischenelements 16. Um eine formschlüssige Verbindung zu einer Reibschweißmaschine herzustellen, können zunächst in eine Mantelfläche 34 und eine Grundfläche 36 des insgesamt rondenförmigen Zwischenelements 16 Aussparungen 38 eingebracht werden, die in ihrer Gesamtheit den Werkzeugeingriff 18 bilden. Bei dieser Ausführungsform ist eine Nachbehandlung des Zwischenelements 16 nach dem Verschweißen mit dem Turbinenrad 10 notwendig. Die Taschen 38 werden hierzu durch Abtragen von Material, beispielsweise spanend, entfernt. Zusätzlich kann noch eine Aussparung in die Basisfläche 36 eingebracht werden, um den gewünschten Wärmedrosseleffekt zu erzielen.
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Eine solche Nachbehandlung ist in den in 2B und C gezeigten Ausführungsformen nicht notwendig. Der Werkzeugeingriff 18 ist in diesen Ausführungsformen jeweils mittig und symmetrisch zur Achse 20 in die Mantelfläche 36 der ebenfalls rondenförmigen Zwischenelemente 16 eingebracht. In der Ausführungsform gemäß 2B handelt es sich um einen konventionellen Innensechskanteingriff, in der Ausführungsform gemäß 2C um einen Torxeingriff. Hier ist keine spanende Nachbehandlung notwendig, die Eingriffe 18 bilden nach dem Verschweißen des Zwischenelements 16 mit der Turbinenwelle 12 auf der Basisfläche 36 die gewünschte Wärmedrossel aus. Alle gezeigten Ausführungsformen von Zwischenelementen 16 können auf einfache Art und Weise durch Pressen hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007026328 A1 [0003]
