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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Wellenabschnitten einer Welle eines Läufers einer Turbomaschine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Welle eines Läufers einer Turbomaschine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 11.
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In verschiedensten Bereichen finden Turbomaschinen Verwendung, zum Beispiel als Turbinen oder Verdichter für Gase. Ein zentrales Bauteil einer Turbomaschine stellt dabei die Welle eines Läufers der Turbomaschine dar. Die Welle des Läufers kann dabei monolithisch aus einem Werkstück hergestellt sein. Dies stellt jedoch, insbesondere bei sehr großen Turbomaschinen, eine sehr kostenintensive Bauvariante von hohem Gewicht dar. Es ist bekannt, die Welle aus verschiedenen, zumindest zwei, Wellenabschnitten aufzubauen, welche miteinander verbunden werden. Insbesondere ist es bekannt, die einzelnen Wellenabschnitte stoffschlüssig miteinander zu verbinden, insbesondere miteinander zu verschweißen. Dabei werden die Wellenabschnitte der Welle des Läufers einer Turbomaschine oftmals mit einem Lichtbogenschweißverfahren stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei das Lichtbogenschweißverfahren oftmals als ein Engspaltschweißverfahren ausgeführt wird.
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Als problematisch hat sich bei bekannten Schweißverfahren herausgestellt, dass die Schweißnaht an der äußeren Oberfläche der entstandenen Welle aufwändig nachbearbeitet werden muss, um eine möglichst rotationssymmetrische und unwuchtarme Welle zu erhalten. Dies ist notwendig, um durch Anschmelzungen entstandene Bereiche, in denen die Rotationssymmetrie der Massenverteilung der Welle nicht mehr vorhanden ist, zu entfernen und so die Rotationssymmetrie der Massenverteilung der Welle für eine Reduktion der Unwucht wieder herzustellen beziehungsweise zu vergrößern. Die Welle weist nach der Bearbeitung keine oder nur eine geringe Unwucht auf. Eine hohe Laufruhe der Welle kann so sichergestellt werden.
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Mit dem Elektronenstrahlschweißverfahren ist ein Schweißverfahren bekannt, das eine endkonturnahe Endbearbeitung der Wellenabschnitte erlaubt. Ein derartiges Verfahren zum Elektronenstrahlverschweißen von Wellenabschnitten einer Welle beziehungsweise eine derart aus Wellenabschnitten durch Elektronenstrahlverschweißen verbundene Welle sind beispielsweise in der
WO 2012/032138 A1 sowie in der
DE 42 39 710 A1 offenbart. Der Aufwand für die Bearbeitung der Wellenabschnitte nach dem Verschweißen ist dadurch deutlich vermindert. So können zum Beispiel gemäß der
DE 42 39 710 A1 bereits komplett beschaufelte und sogar ausgewuchtete Wellenabschnitte miteinander verschweißt werden. Auch ist aus der
DE 24 28 826 B2 ein derartiges Verschweißen durch ein Elektronenstrahlschweißverfahren auch für die Leitbeschaufelung einer Turbine bekannt. Jedoch kann bei einem Elektronenstrahlschweißverfahren das Verhalten der Schweißnaht im Strahlaustrittsbereich des Elektronenstrahls im Inneren der Welle nicht exakt gesteuert werden. Damit können am Strahlaustrittsbereich nicht gewollte Verschiebungen der Massenverteilungen und damit verbundene Anschmelzungen auftreten. Dadurch kann im Inneren der Welle wiederum eine Unwucht entstehen, die die Laufruhe der Welle beeinträchtigt. Daher ist es üblich, Verschweißungen von Wellenabschnitten mit dem Elektronenstrahlschweißverfahren als eine Einschweißung auszuführen. Dabei ist jedoch das Ende der Einschweißung innerhalb der Welle nicht vollständig definiert und auch nicht überprüfbar. Eine mögliche Unwucht durch Aufschmelzungen im Bereich des Endes der Einschweißung kann nicht erkannt und somit auch nicht beseitigt werden. Dies hat zur Folge, dass eine ungleichmäßige Massenverteilung im Inneren der Welle existiert, woraus eine Unwucht der Welle resultiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Verbinden von Wellenabschnitten einer Welle eines Läufers einer Turbomaschine und entsprechend eine Welle eines Läufers einer Turbomaschine zu verbessern und zu vereinfachen. Insbesondere soll das Verbinden derart ausgestaltet sein, dass ein Nachbearbeiten der äußeren Oberfläche an der Verbindungsstelle der beiden Wellenabschnitte möglichst gering ausfällt und dass die Verbindungsnaht zwischen den Wellenabschnitten über ihre gesamte Länge definiert ist. Vor allem soll ein Verfahren zum Verbinden von Wellenabschnitten geschaffen werden, welches ermöglicht, dass die fertig gestellte Welle keine oder möglichst geringe Unwucht aufweist.
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Vorausstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Wellenabschnitts mit einem zweiten Wellenabschnitt einer Welle eines Läufers einer Turbomaschine mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch eine Welle eines Läufers einer Turbomaschine mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 11 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden eines ersten Wellenabschnitts mit einem zweiten Wellenabschnitt einer Welle eines Läufers einer Turbomaschine beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Welle eines Läufers einer Turbomaschine, und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig genommen wird oder werden kann.
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Die Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Wellenabschnitts mit einem zweiten Wellenabschnitt einer Welle eines Läufers einer Turbomaschine gelöst, wobei zumindest der zweite Wellenabschnitt einen von außen zugänglichen axialen Hohlraum aufweist. Das Verfahren ist dabei insbesondere durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- a) Fixieren des ersten und des zweiten Wellenabschnitts derart aneinander, das der axiale Hohlraum des zweiten Wellenabschnitts von außen zugängig bleibt,
- b) Verschweißen des ersten und des zweiten Wellenabschnitts durch ein Elektronenstrahlschweißverfahren,
- c) Spanendes Bearbeiten von zumindest Teilen der Oberfläche wenigstens eines der zwei Wellenabschnitte im Inneren der Welle durch ein Werkzeug, welches in den Hohlraum des zweiten Wellenabschnitt eingeführt wird.
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In einem ersten Schritt werden der erste und der zweite Wellenabschnitt aneinander fixiert. Dies kann insbesondere durch externe Halteelemente realisiert sein. Zumindest der zweite Wellenabschnitt weist dabei einen von außen zugänglichen axialen Hohlraum auf. Das heißt, die Achse des zweiten Wellenabschnitts geht durch den Hohlraum und der Hohlraum weist zumindest eine Öffnung auf, durch die zum Beispiel ein Werkzeug in den Hohlraum eingeführt werden kann. Dieser Hohlraum kann insbesondere als zentrale Bohrung ausgestaltet sein. Der Hohlraum kann im zweiten Wellenabschnitt insbesondere durchgängig sein. Beim ersten Wellenabschnitt ist eine massive Ausgestaltung denkbar. Auch eine Ausgestaltung mit einem axialen Hohlraum, durchgängig oder topfartig an einer Seite durch eine Stirnfläche verschlossen, ist beim ersten Wellenabschnitt möglich. Die beiden Wellenabschnitte werden derart aneinander fixiert, dass zumindest der axiale Hohlraum des zweiten Wellenabschnitts von außen zugänglich bleibt.
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Anschließend werden in einem zweiten Schritt der erste und der zweite Wellenabschnitt durch ein Elektronenstrahlschweißverfahren miteinander stoffschlüssig verbunden. Für das Elektronenstrahlschweißverfahren werden die zu verschweißenden Oberflächen der beiden Wellenabschnitte aneinander gepresst, durch den Elektronenstrahl aufgeschmolzen und verbinden sich miteinander. Die Aufschmelzung durch den Elektronenstrahl geschieht dabei sehr lokal, wodurch es möglich ist, die beiden Wellenabschnitte vor dem Verschweißen bereits einer endkonturnahen Bearbeitung zu unterziehen. Nach dem Verschweißen kann lediglich direkt an der Schweißnaht die Oberfläche der entstandenen Welle geglättet werden. Dies stellt eine deutliche Arbeitsersparnis im Vergleich zu einem konventionellen Lichtbogenschweißverfahren dar, bei dem insbesondere durch das Einbringen des Schweißdrahtes als zusätzliches Material große Masseungleichheiten auftreten können. Durch den deutlich höheren Wärmeeintrag bei einem konventionellen Lichtbogenschweißverfahren kann zusätzlich auch ein Bauteilverzug auftreten.
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In einem dritten Schritt werden zumindest Teile der Oberfläche wenigstens des ersten oder des zweiten Wellenabschnitts im Inneren der Welle durch ein Werkzeug, welches in den Hohlraum des zweiten Wellenabschnitts eingeführt wird, spanend bearbeitet. Durch diese abschließende spanende Bearbeitung zumindest eines Teils einer Innenfläche innerhalb der Welle ist es möglich, im Bereich der Schweißnaht eine prüffähige Oberfläche zu erhalten. Auch können durch Aufschmelzungen entstandene Masseungleichheiten und eine damit verbundene Unwucht entfernt und so die Laufruhe der entstandenen Welle sichergestellt werden.
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Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, insbesondere durch die Möglichkeit des Einsatzes eines Elektronenstrahlschweißverfahrens zum Verbinden der Wellenabschnitte, wird die Verformung der Wellenabschnitte beim Verbinden reduziert. Zusätzlich können die Wellenabschnitte auf kleineren Werkzeugmaschinen eine umfangreichere Vorbearbeitung erfahren, da durch das Elektronenstrahlschweißverfahren eine endkonturnahe Endbearbeitung der äußeren Oberflächen der Wellenabschnitte möglich ist. Dadurch ist nach dem Verbinden der beiden Wellenabschnitte eine deutlich geringere Bearbeitung der äußeren Oberflächen nötig, um die Endkontur der Welle zu erhalten. Durch die spanende Endbearbeitung im Inneren der Welle wird die so entstandene Welle leichter. Zusätzlich ist der Verbindeprozess zwischen den Wellenabschnitten reproduzierbar und weist durch die prüffähige Oberfläche im Bereich der Schweißnaht keine oder kaum Unsicherheiten bezüglich des Endes der Schweißnaht im Inneren der Welle auf.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Wellenabschnitt beim Fixieren aneinander formschlüssig zueinander, insbesondere auf eine gemeinsame Achse, zentriert werden. Durch das formschlüssige Zentrieren der beiden Wellenabschnitte kann sichergestellt werden, dass die beiden Wellenabschnitte zueinander beim Verschweißen positionsstabil bleiben. Ein Verrutschen der beiden Wellenabschnitte gegeneinander, was zu Ungenauigkeiten beim Verschweißen führen könnte, kann somit zuverlässig vermieden werden. Durch die zentrierte Fixierung der beiden Wellenabschnitte zueinander kann ferner sichergestellt werden, dass die Achsen der beiden Wellenabschnitte koaxial angeordnet sind und somit die resultierende Welle eine einzige Rotationsachse aufweist, die ebenfalls mit den bereits koaxialen Achsen der Wellenabschnitte koaxial ist beziehungsweise durch diese gebildet wird. Dadurch kann eine besonders hohe Laufruhe der resultierenden Welle erreicht werden.
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Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenabschnitt beim Fixieren eine umlaufende, insbesondere geschlossene, Nut gebildet wird. Die Nut ist somit insbesondere als ein ringförmiger, umlaufender Hohlraum ausgebildet, der durch die beiden Wellenabschnitten umschlossen ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die beiden Wellenabschnitte derart ausgestaltet sind, dass die Nahtstelle, an der die beiden Wellenabschnitte aufeinanderstoßen und an der diese durch das Elektronenstrahlschweißverfahren verbunden werden sollen, an einer Begrenzungsfläche der Nut angeordnet ist. Dadurch und durch eine geeignete Wahl der Energie der Elektronen ist es möglich, die Schweißnaht an der Begrenzungsfläche der Nut enden zu lassen, wodurch es ermöglicht wird, das Ende der Schweißnaht zu definieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine Wurzellage, die beim Verschweißen des ersten und des zweiten Wellenabschnitts entstanden ist, beim spanenden Bearbeiten entfernt wird. Die Wurzellage, das heißt die unterste Lage einer Schweißnaht, ist ein problematischer Abschnitt der Schweißnaht. In diesem Bereich können häufig Schweißnahtfehler oder ein Bauteilverzug auftreten und es können durch Anschmelzungen unkontrollierbare Massenverteilungen entstehen. Durch ein Entfernen dieser Wurzellage beim spanenden Bearbeiten können diese Probleme auf einfache Weise beseitigt werden. Es entsteht eine prüffähige Oberfläche und die Massenverteilungen innerhalb der Welle können kontrolliert werden. Die Massenverteilungen sind nach der Bearbeitung rotationssymmetrisch um die Achse der Welle, die Laufruhe der Welle kann somit verbessert werden.
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Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass Teile einer dem zweiten Wellenabschnitt zugewandten Stirnseite des ersten Wellenabschnitts und/oder Abschnitte der Innenmantelfläche des zweiten Wellenabschnitts spanend bearbeitet werden. Durch die spanende Bearbeitung, insbesondere der genannten Innenflächen, ist es möglich, die Welle derart zu gestalten, dass sie ein geringes Gewicht aufweist. Dadurch ist es später möglich, den Läufer der Turbomaschine, in den die Welle eingebaut ist, schneller und unter geringerem Energieaufwand auf hohe Drehzahlen zu beschleunigen. Dies stellt eine Energieersparnis und damit eine Erleichterung und Kosteneinsparung im Betrieb der Turbomaschine dar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass nach dem spanenden Bearbeiten die Oberflächen und/oder eine Schweißnaht oder Verschweißung durch Überprüfungsmittel überprüft werden. Dabei können zum Beispiel optische, taktile oder akustische Überprüfungsmittel eingesetzt werden. Durch die Überprüfung der Oberflächen und/oder der Schweißnaht kann sichergestellt werden, dass Qualitätskriterien, zum Beispiel hinsichtlich der Einhaltung von Toleranzen von Bemaßungen oder der Oberflächengüte, beim Herstellen der Welle eingehalten werden. Eine gleichbleibende Qualität der so hergestellten Wellen kann somit sichergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein dritter Wellenabschnitt mit der dem ersten Wellenabschnitt abgewandten Seite des zweiten Wellenabschnitts verbunden wird, wobei der zweite Wellenabschnitt eine Steckaufnahme und der dritte Wellenabschnitt einen Steckvorsprung zum Eingriff in die Steckaufnahme des zweiten Wellenabschnitts aufweist, wobei der zweite und der dritte Wellenabschnitt jeweils eine radiale oder im Wesentlichen radiale erste Kontaktfläche und jeweils eine axiale oder im Wesentlichen axiale zweite Kontaktfläche aufweisen. Insbesondere ist das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- a) Einstecken des Steckvorsprungs in die Steckaufnahme,
- b) Fixieren des zweiten Wellenabschnitts und des dritten Wellenabschnitts derart aneinander, dass zumindest die ersten Kontaktflächen formschlüssig aneinander liegen und
- c) Elektronenstrahlverschweißen des zweiten Wellenabschnitts und des dritten Wellenabschnitts an den ersten Kontaktflächen derart, dass beim Elektronenstrahlverschweißen eine Aufschmelzungszone der Elektronenstrahlverschweißung gebildet wird, die über das achsennahen Ende der ersten Kontaktflächen hinausgeht und im Material des zweiten Wellenabschnitts endet.
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Durch das Einstecken des Steckvorsprungs des dritten Wellenabschnitts in die Steckaufnahme des zweiten Wellenabschnitts werden die beiden Wellenabschnitte zueinander positioniert. Die relative Positionierung der beiden Wellenabschnitte wird dabei durch die Steckaufnahme und den Steckvorsprung vorgegeben.
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Durch das Fixieren des zweiten und dritten Wellenabschnitts aneinander im zweiten Schritt des Verfahrens, wobei das Fixieren derart vorgenommen wird, dass zumindest die ersten Kontaktflächen formschlüssig aneinander liegen, kann sichergestellt werden, dass die beiden Wellenabschnitte ihre relative Position auch nicht mehr ändern. Dies ist von Vorteil, da ein Verrutschen der beiden Wellenabschnitte gegeneinander vor der Verschweißung derselben die Qualität der resultierenden Welle vermindern könnte. Durch den Formschluss zumindest der ersten Kontaktflächen der beiden Wellenabschnitte kann ferner sichergestellt werden, dass die bei der Planung und Konstruktion vorgesehene relative Positionierung der beiden Wellenabschnitte zueinander realisiert ist.
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In einem dritten Schritt werden die beiden Wellenabschnitte an den ersten Kontaktflächen miteinander elektronenstrahlverschweißt. Die Wellenabschnitte an den ersten Kontaktflächen, welche formschlüssig aneinander liegen, werden dabei aufgeschmolzen. Die verwendete Elektronenstrahlschweißvorrichtung wird derart eingestellt, dass der Elektronenstrahl der Elektronenstrahlschweißvorrichtung entlang der ersten Kontaktflächen gerichtet ist. Zusätzlich wird die Energie des Elektronenstrahls derart gewählt, dass der Elektronenstrahl über das achsennahe Ende der ersten Kontaktflächen hinaus in das Material des zweiten Wellenabschnitts eindringt und dieses ebenfalls lokal aufschmilzt. Die sich bildende Aufschmelzungszone geht somit über das achsennahe Ende der ersten Kontaktflächen hinaus.
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Die durch die Elektronenstrahlverschweißung gebildete stoffschlüssige Verbindung zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenabschnitt, an dem beim Betrieb der Welle Kräfte zwischen den Wellenabschnitten übertragen werden und Spannungen auftreten können, befindet sich nur zwischen den ersten Kontaktflächen der beiden Wellenabschnitte. Am Ende der Aufschmelzungszone besteht die Gefahr, dass sich Schweißfehler, insbesondere Poren, bilden. Dieses Ende der Aufschmelzungszone befindet sich bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Welle vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig im Material des zweiten Wellenabschnitts und damit entfernt vom Ende der Aufschmelzungszone. Mögliche Schweißfehler, insbesondere Poren, befinden sich somit in einem mechanisch nicht oder nur wenig belasteten und damit spannungsfreien oder zumindest spannungsarmen Bereich der Welle. Eine Ausbreitung von Schweißfehlern entlang von Spannungslinien im Material kann auf diese Weise vermieden werden, wodurch wiederum die Betriebsfestigkeit der Welle deutlich erhöht wird.
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Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass nach Abschluss des Elektronenstrahlverschweißens zumindest Teile der Außenmantelflächen der Wellenabschnitte der Welle durch ein Werkzeug spanend bearbeitet werden. Durch diese spanende Endbearbeitung kann sichergestellt werden, dass auch die Außenmantelflächen der Wellenabschnitte der Welle keine ungewollten Massenverteilungen, insbesondere durch Anschmelzungen entstandene ungewollte Massenverteilungen, aufweisen. Eine Unwucht der so hergestellten Welle kann somit noch weiter reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass nach der Elektronenstrahlverschweißung nicht elektronenstrahlverschweißte Bereiche des ersten und des zweiten Wellenabschnitts und/oder des zweiten und des dritten Wellenabschnitts, insbesondere einem elektronenstrahlverschweißten Bereich benachbart angeordnete Bereiche, durch ein Lichtbogenschweißverfahren miteinander verschweißt werden. Dies kann insbesondere dann durchgeführt werden, wenn es sich bei der Welle um eine Welle für einen hoch beanspruchten Läufer einer Turbomaschine handelt und die durch das Elektronenstrahlverfahren verschweißte Materialstärke nicht ausreicht, um die in der Turbomaschine auftretenden Kräfte sicher zu bewältigen. Es kann dabei vorgesehen sein, die Schweißnaht des Elektronenstrahlschweißverfahrens einer spanenden Anlassbehandlung zu unterziehen, und im Anschluss durch ein Lichtbogenschweißverfahren die Schweißnaht auf die gewünschte verschweißte Materialstärke zu erhöhen. Dabei kann insbesondere das Lichtbogenschweißverfahren als ein Engspaltschweißverfahren ausgeführt werden. Die verschweißte Materialstärke wird dabei deutlich erhöht, wodurch eine sichere Bewältigung der Kräfte, die bei einer Welle eines hoch beanspruchten Läufers einer Turbomaschine auftreten können, ermöglicht werden kann.
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Bei einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Lichtbogenschweißverfahren ein MIG- oder ein MAG-Schweißverfahren ist. Bei den beiden Lichtbogenschweißverfahren handelt es sich um Metallschutzgasschweißverfahren, wobei das verwendete Gas ein inertes Gas (MIG) oder ein aktives Gas (MAG) ist. Das MIG-Schweißverfahren kann dabei auch als ein WIG-Schweißverfahren (Wolfram-Inertgasschweißverfahren) ausgeführt werden. Dabei wird eine Elektrode aus Wolfram verwendet, wodurch ein Abbrand der Elektrode verhindert werden kann. Das WIG-Schweißverfahren zeichnet sich dadurch durch eine sehr hohe Güte der Schweißverbindung aus. Durch das Gas wird jeweils das verflüssigte Metall im Schweißprozess vor dem Kontakt mit der Umgebungsluft und der damit verbundenen Oxidation geschützt. Durch das Verhindern der Oxidation wird die Qualität der Schweißnaht deutlich erhöht, die Stärke der Verbindung der Wellenabschnitte durch das Schweißverfahren gesteigert.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Welle eines Läufers einer Turbomaschine, wobei die Welle zumindest zwei Wellenabschnitte aufweist und wobei zumindest ein zweiter Wellenabschnitt einen von außen zugänglichen axialen Hohlraum aufweist, gelöst, wobei ein erster und der zweite Wellenabschnitt nach einer Fixierung aneinander elektronenstrahlverschweißt sind und nach dem Verschweißen zumindest Teile der Oberflächen wenigstens des ersten und/oder des zweiten Wellenabschnitts im Inneren der Welle durch ein in den Hohlraum eingeführtes Werkzeug spanend bearbeitet sind. Durch den Einsatz eines Elektronenstrahlschweißverfahrens zum Verbinden der Wellenabschnitte ist die Verformung der Wellenabschnitte nach dem Verbinden reduziert und eine endkonturnahe Endbearbeitung der äußeren Oberflächen der Wellenabschnitte ist damit möglich. Die spanende Endbearbeitung im Inneren der Welle ergibt ein geringeres Gewicht der so entstandenen Welle. Zusätzlich ist der Verbindeprozess zwischen den Wellenabschnitten reproduzierbar und weist durch die spanende Endbearbeitung im Inneren der Welle keine oder kaum Unsicherheiten bezüglich des Endes der Schweißnaht im Inneren der Welle auf.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung kann bei einer erfindungsgemäßen Welle ferner vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Wellenabschnitt nach einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung miteinander verbunden sind. Sämtliche in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung beschriebenen Vorteile ergeben sich somit auch für eine Welle eines Läufers einer Turbomaschine, die gemäß einem derartigen Verfahren ausgestaltet ist.
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Gemäß einer weiteren Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Welle kann vorgesehen sein, dass die Welle einen dritten Wellenabschnitt aufweist, wobei der zweite Wellenabschnitt eine Steckaufnahme und der dritte Wellenabschnitt einen Steckvorsprung zum Eingriff in die Steckaufnahme des zweiten Wellenabschnitts aufweisen, wobei der zweite und der dritte Wellenabschnitt jeweils eine radiale oder im Wesentlichen radiale erste Kontaktfläche und jeweils eine axiale oder im Wesentlichen axiale zweite Kontaktfläche aufweisen. Beim einem Eingriff des Steckvorsprungs in die Steckaufnahme liegen zumindest die ersten Kontaktflächen formschlüssig aneinander und der zweite und der dritte Wellenabschnitt sind an den ersten Kontaktflächen miteinander elektronenstrahlverschweißt, wobei eine Aufschmelzungszone der Elektronenstrahlverschweißung über das achsennahen Ende der ersten Kontaktflächen hinausgeht und sich in das Material des zweiten Wellenabschnitts erstreckt.
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Zur Fertigung der Welle werden der zweite und der dritte Wellenabschnitt zueinander fixiert. Die Steckaufnahme des zweiten Wellenabschnitts und der Steckvorsprung des dritten Wellenabschnitts sind derart ausgebildet, dass sie ineinandergreifen, wobei zumindest ihre ersten Kontaktflächen formschlüssig aneinander liegen. Die ersten Kontaktflächen der Steckaufnahme und des Steckvorsprungs sind radial oder im Wesentlichen radial ausgerichtet, das heißt, sie erstrecken sich senkrecht zur Achse der resultierenden Welle oder in einem Winkel zur Achse der resultierenden Welle, der insbesondere größer als 45°, vorzugsweise größer als 70°, ist. Die zweiten Kontaktflächen der Steckaufnahme und des Steckvorsprungs sind axial oder im Wesentlichen axial ausgerichtet, das heißt, sie erstrecken sich parallel zur Achse der resultierenden Welle oder in einem Winkel zur Achse der resultierenden Welle, der insbesondere kleiner als 45° vorzugsweise kleiner als 20°, ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass die jeweils ersten und die jeweils zweiten Kontaktflächen einen Winkel einschließen, vorzugsweise aufeinander senkrecht stehen. Besonders bevorzugt können eine senkrechte Ausrichtung der ersten Kontaktflächen und/oder eine parallele Ausrichtung der zweiten Kontaktflächen zur Achse der resultierenden Welle sein.
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Durch den Einsatz eines Elektronenstrahlschweißverfahrens zum Verbinden der Wellenabschnitte ist die Verformung der Wellenabschnitte nach dem Verbinden reduziert und eine endkonturnahe Endbearbeitung der äußeren Oberflächen der Wellenabschnitte ist möglich. Für das Elektronenstrahlschweißverfahren werden die zu verschweißenden Oberflächen des zweiten und dritten Wellenabschnitts aneinandergepresst und durch den Elektronenstrahl aufgeschmolzen, so dass sie sich miteinander verbinden. Die Aufschmelzung durch den Elektronenstrahl geschieht dabei sehr lokal, wodurch es möglich ist, die beiden Wellenabschnitte vor dem Verschweißen bereits einer endkonturnahen Bearbeitung zu unterziehen. Nach dem Verschweißen kann lediglich direkt an der Schweißnaht die Oberfläche der entstandenen Welle geglättet werden. Dies stellt eine deutliche Arbeitsersparnis im Vergleich zu einem konventionellen Lichtbogenschweißverfahren dar, bei dem, insbesondere durch das Einbringen des Schweißdrahtes als zusätzliches Material, große Masseungleichheiten auftreten können. Durch den deutlich höheren Wärmeeintrag bei einem konventionellen Lichtbogenschweißverfahren kann zusätzlich auch ein Bauteilverzug auftreten.
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Am Ende der Aufschmelzungszone der Elektronenstrahlverschweißung, der sogenannten Wurzellage, können Schweißfehler auftreten. Insbesondere können dabei Poren im Material entstehen, die die Betriebsfestigkeit der Welle negativ beeinflussen können. Dies ist insbesondere am Verbindungsort dieser beiden Wellenabschnitte der Fall, da dort beim Betrieb große Kräfte übertragen werden und die Schweißfehler sich entlang von Spannungslinien im Material der beiden Wellenabschnitte ausbreiten können. Durch die spezielle Geometrie der beiden Wellenabschnitte, insbesondere der Steckaufnahme und des Steckvorsprungs und des Winkels zwischen den jeweils ersten und den jeweils zweiten Kontaktflächen, ist es möglich, dieses für die Betriebsfestigkeit kritische Ende der Aufschmelzungszone nicht zwischen den beiden Wellenabschnitten, sondern komplett im Material des ersten Wellenabschnitts zu realisieren. Dafür wird durch Erhöhung der Energie des Elektronenstrahls die Eindringtiefe der Elektronen des Elektronenstrahls vergrößert. Dadurch befindet sich das Ende der Aufschmelzungszone, und damit die dort entstandenen, oftmals nicht zu vermeidenden, Schweißfehler, in einem mechanisch nicht oder nur wenig belasteten und damit spannungsfreien oder zumindest spannungsarmen Bereich der Welle. Eine Ausbreitung von Schweißfehlern entlang von Spannungslinien im Material kann auf diese Weise vermieden werden, wodurch wiederum die Betriebsfestigkeit der Welle deutlich erhöht wird.
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Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Welle vorgesehen sein, dass zumindest zwei Wellenabschnitte jeweils einen Passungsabschnitt aufweisen, wobei die beiden Passungsabschnitte eine Passung ausbilden, durch die zumindest zwei Wellenabschnitte beim Fixieren aneinander formschlüssig zueinander zentriert und dabei die vorgegebenen Passungstoleranzen eingehalten werden können. Durch das Vorsehen von zwei zu- und ineinander passenden und dadurch eine Passung ausbildenden Passungsabschnitten an den Wellenabschnitten ist das Fixieren zweier Wellenabschnitte vor dem Verschweißen deutlich erleichtert. Die jeweiligen Wellenabschnitte müssen nicht extern zueinander zentriert werden, sondern werden durch die Passungsabschnitte zueinander zentriert. Dies stellt eine besonders einfache und sichere Art der Fixierung und der Zentrierung dar. Durch die Passungsabschnitte kann sichergestellt werden, dass die Achsen der jeweiligen Wellenabschnitte zueinander koaxial und auch zur Achse der resultierenden Welle koaxial sind. Dies gewährleistet eine hohe Laufruhe der resultierenden Welle.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung einer erfindungsgemäßen Welle kann vorgesehen sein, dass die Passungsabschnitte an dem ersten und dem zweiten Wellenabschnitt vorgesehen sind und dass die Passungsabschnitte des ersten und des zweiten Wellenabschnitts nach der spanenden Bearbeitung im Inneren der Welle entfernt sind. Die beiden Wellenabschnitte sind somit nur durch die Verschweißung aneinander gehalten. Diese stoffschlüssige Verbindung hat dabei gegenüber der rein formschlüssigen Verbindung der Passungsabschnitte, die insbesondere als Steckverbindung ausgestaltet sein kann, den Vorteil, dass die beiden Wellenabschnitte in Bezug auf alle Raumrichtungen aneinander fixiert sind. Ein Verrutschen oder zum Beispiel eine Vibration der beiden Wellenabschnitte gegeneinander ist dadurch sicher vermieden. Zusätzlich oder alternativ kann bei einer Welle vorgesehen sein, dass die Passungsabschnitte an dem zweiten und dem dritten Wellenabschnitt vorgesehen sind und dass der Passungsabschnitt des zweiten Wellenabschnitts zumindest teilweise durch die Steckaufnahme und der Passungsabschnitt des dritten Wellenabschnitts zumindest teilweise durch den Steckvorsprung gebildet sind. Die zumindest teilweise Ausbildung der Passungsabschnitte durch die Steckaufnahme und den Steckvorsprung stellt eine besonders kostengünstige Variante dar, da keine oder nur weniger zusätzliche Passungsabschnitte vorgesehen sein müssen. Der Aufwand bei der Fertigung des zweiten und des dritten Wellenabschnitts kann dadurch ebenfalls vermindert werden.
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Gemäß einer weiteren Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Welle kann vorgesehen sein, dass zwischen zwei Wellenabschnitten beim Fixieren eine umlaufende, insbesondere geschlossene, Nut gebildet ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Schweißnaht, die beim Verbinden zweier Wellenabschnitte entsteht, in der Nut endet. Dadurch kann ein definiertes Ende der Schweißnaht erreicht werden.
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Ferner kann gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung bei einer Welle vorgesehen sein, dass eine Wurzellage der Verschweißung der jeweiligen Wellenabschnitte am Rand der umlaufenden Nut angeordnet ist. Durch diese definierte Positionierung der Wurzellage am Rand der Nut ist es möglich, diese durch eine, an das Verschweißen der beiden Wellenabschnitte anschließende, spanende Bearbeitung von zumindest Teilen der Oberfläche im Inneren der Welle zu entfernen. Dies hat den Vorteil, dass eine prüffähige Schweißnaht zurückbleibt, da die Wurzellage oftmals Schweißnahtfehler aufweist oder ungewollte Massenverteilungen durch Anschmelzungen vorhanden sein können. Dadurch, dass die Wurzellage am Rand der Nut angeordnet ist, kann sie beim spanenden Bearbeiten leicht entfernt werden und stellt somit keinen qualitätsmindernden Bereich der Verschweißung dar.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung kann bei einer erfindungsgemäßen Welle ferner vorgesehen sein, dass die zweiten Kontaktflächen des zweiten und des dritten Wellenabschnitts beim Eingriff des Steckvorsprungs in die Steckaufnahme formschlüssig oder im Wesentlichen formschlüssig aneinander liegen. Durch das zusätzliche formschlüssige Anliegen der zweiten Kontaktflächen aneinander sind die beiden Wellenabschnitte nach dem Einstecken des Steckvorsprungs in die Steckaufnahme positionssicher zueinander angeordnet. Ein Versatz dieser beiden Wellenabschnitte zueinander, und damit ein mögliches fehlerhaftes Verschweißen dieser beiden Wellenabschnitte, kann somit noch sicherer vermieden werden. Die Qualität einer so erzeugten Welle ist dadurch erhöht.
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Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Welle vorgesehen sein, dass die Aufschmelzungszone im Material des zweiten Wellenabschnitts mindestens 20% der radialen oder im Wesentlichen radialen Erstreckung der Aufschmelzungszone einnimmt. Durch die eingestellte Energie des Elektronenstrahls kann nur die mittlere Position des Endes der Aufschmelzungszone eingestellt werden. Um diesen Mittelwert schwankt jedoch die exakte Position des Endes der Aufschmelzungszone, zum Beispiel aufgrund einer Aufweitung des Elektronenstrahls im Material der Wellenabschnitte. Auch sind Schweißfehler, wie beispielsweise Poren, in einem Gebiet um die Position des Endes der Aufschmelzungszone möglich. Durch eine Aufschmelzungszone im Material des ersten Wellenabschnitts, die mindestens 20% der radialen oder im Wesentlichen radialen Erstreckung der gesamten Aufschmelzungszone einnimmt, kann sichergestellt werden, dass alle oder im Wesentlichen alle im Gebiet um die Position des Endes der Aufschmelzungszone entstandenen Schweißfehler im mechanisch nicht oder zumindest nur wenig belasteten Material des zweiten Wellenabschnitts angeordnet sind. Dadurch werden wiederum die Betriebsfestigkeit und entsprechend die Qualität der Welle erhöht.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung einer erfindungsgemäßen Welle kann vorgesehen sein, dass die Steckaufnahme und der Steckvorsprung umlaufend, insbesondere radialsymmetrisch umlaufend, an dem jeweiligen Wellenabschnitt vorgesehen sind. Durch eine derartige umlaufende Ausgestaltung der Steckaufnahme und des Steckvorsprungs werden der zweite und der dritte Wellenabschnitt nach dem Einstecken des Steckvorsprungs in die Steckaufnahme in zumindest zwei Raumrichtungen zueinander fixiert. Aufwendige externe Fixierungseinrichtungen können so vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden. Eine radialsymmetrische Ausgestaltung der Steckaufnahme und des Steckvorsprungs ist dabei besonders einfach und kostengünstig zu realisieren.
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Gemäß einer weiteren Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Welle kann vorgesehen sein, dass die jeweils erste und die jeweils zweite Kontaktfläche des zweiten oder dritten Wellenabschnitts zueinander senkrecht angeordnet sind. Die Aufschmelzungszone der Elektronenstrahlverschweißung erstreckt sich entlang der ersten Kontaktflächen und in der Verlängerung der ersten Kontaktflächen. Durch die senkrechte Orientierung der zweiten Kontaktflächen in Bezug auf die ersten Kontaktflächen kann besonders gut sichergestellt werden, dass sich am Ende der ersten Kontaktflächen die Aufschmelzungszone nur in das Material des zweiten Wellenabschnitts erstreckt. Ein Verschweißen dieser beiden Wellenabschnitte entlang der zweiten Kontaktflächen kann auf diese Weise vermieden werden.
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Die Erfindung und ihre Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 eine Schnittansicht von Teilen von zwei Wellenabschnitten nach dem zweiten Schritt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden der beiden Wellenabschnitte,
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2 eine Schnittansicht von Teilen von zwei Wellenabschnitten nach dem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden von zwei Wellenabschnitten,
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3 eine Schnittansicht von Teilen von zwei Wellenabschnitten vor dem dritten Schritt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden der beiden Wellenabschnitte,
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4 eine Schnittansicht von Teilen von zwei Wellenabschnitten nach dem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden von zwei Wellenabschnitten und
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5 eine Schnittansicht eines Teiles einer Welle, die aus zwei Wellenabschnitten gebildet ist, bei der zwei verschiedene Schweißverfahren zum Verbinden der beiden Wellenabschnitte verwendet wurden.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 5 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist eine schematische Schnittansicht von Teilen eines ersten Wellenabschnitts 2 und eines zweiten Wellenabschnitts 3 einer Welle 1 gezeigt. Die beiden Wellenabschnitte 2, 3 weisen eine gemeinsame, koaxiale Wellenachse 5 auf und sind durch einen Passungsabschnitt 6 am ersten Wellenabschnitt 2 und einen Passungsabschnitt 7 am zweiten Wellenabschnitt 3 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zueinander zentriert fixiert. Der zweite Wellenabschnitt 3 weist einen zentralen Hohlraum 4 auf, der von außen zugänglich ist. Dadurch ist es möglich, zum Beispiel ein Werkzeug in den Hohlraum 4 einzuführen. In der gezeigten Ausführungsform ist nach dem Zentrieren der beiden Wellenabschnitte 2, 3 der zentrale Hohlraum 4 durch eine Stirnseite 12 des ersten Wellenabschnitts 2 und eine Innenmantelfläche 13 des zweiten Wellenabschnitts 3 begrenzt. Auf der der Stirnseite 12 gegenüberliegenden Seite des zweiten Wellenabschnitts 3 bleibt der zentrale Hohlraum 4 von außen weiterhin zugänglich. Ferner sind wenigstens am zweiten Wellenabschnitt 3 Aufnahmen 30 für Turbinenschaufeln vorgesehen.
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Zwischen den beiden Wellenabschnitten 2, 3 ist eine geschlossene, umlaufende Nut 8 gebildet. Die Nut 8 ist dabei ringförmig ausgebildet. Die Seitenflächen der Nut 8 sind durch die Wellenabschnitte 2, 3 gebildet. Das Verschweißen der beiden Wellenabschnitte 2, 3 durch ein Elektronenstrahlschweißverfahren ist in dem abgebildeten Zustand der Welle 1 ebenfalls bereits durchgeführt worden. Am Rand der geschlossenen Nut 8 befindet sich die Wurzellage 11 der Schweißnaht 9, welche durch das Elektronenstrahlschweißverfahren entstanden ist.
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Die beiden Wellenabschnitte 2, 3 sind dadurch stoffschlüssig miteinander verbunden. Durch das Elektronenstrahlverfahren ist es ferner möglich, die Außenkonturen der Wellenabschnitte 2, 3 bereits vor dem Verbinden einer endkonturnahen Endbearbeitung zu unterziehen. Dadurch ist nach dem Verbinden der beiden Wellenabschnitte 2, 3 nur noch eine geringe Nacharbeitung an den äußeren Oberflächen der Welle 1 nötig.
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2 zeigt eine Welle 1 mit einem ersten Wellenabschnitt 2 und einem zweiten Wellenabschnitt 3 gemäß der in 1 gezeigten Ausgestaltungsform der Welle 1, bei der die spanende Bearbeitung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden der Wellenabschnitte 2, 3 durchgeführt worden ist. In diesem Schritt wurden die Stirnseite 12 des ersten Wellenabschnitts 2 und die Innenmantelfläche 13 des zweiten Wellenabschnitts 3 spanend bearbeitet. Für diese spanende Bearbeitung wurde in den zentralen Hohlraum 4 ein Werkzeug von außen eingeführt. Durch die spanende Bearbeitung wurde die Wurzellage 11 der Schweißnaht 9 entfernt (nicht mehr sichtbar). Die Stirnseite 12, die Schweißnaht 9 und die Innenmantelfläche 13 bilden nach diesem spanenden Verarbeitungsschritt eine prüffähige Oberfläche. Zusätzlich wird durch die spanende Entfernung von Material der beiden Wellenabschnitte 2, 3 die resultierende Welle 1 leichter, wodurch sich im Betrieb der Turbomaschine, bei der die Welle 1 eingesetzt wird, Energie einsparen lässt.
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In der 3 ist eine schematische Schnittansicht von Teilen von des zweiten und des dritten Wellenabschnitts 3, 26 gezeigt. Der Steckvorsprung 15 des Wellenabschnitts 26 ist bereits in die Steckaufnahme 14 des zweiten Wellenabschnitts 3 eingesteckt. Die Steckaufnahme 14 und der Steckvorsprung 15 bilden in dieser Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Welle 1 einen Passungsabschnitt 22 am zweiten Wellenabschnitt 3 beziehungsweise einen Passungsabschnitt 23 am dritten Wellenabschnitt 26. Durch die durch die Passungsabschnitte 22 und 23 gebildete Passung sind die beiden Wellenabschnitte 3 und 26 zueinander zentriert. Die jeweils ersten Kontaktflächen 16, 17 und die jeweils zweiten Kontaktflächen 18, 19 sind senkrecht zueinander. Deutlich zu erkennen ist, dass daher am achsennahen Ende 21 der ersten Kontaktflächen 16, 17, in Verlängerung der ersten Kontaktflächen 16, 17, sich nur Material des zweiten Wellenabschnitts 3 befindet.
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4 zeigt eine Welle 1 mit einem zweiten Wellenabschnitt 3 und einem dritten Wellenabschnitt 26 gemäß der in 3 gezeigten Ausgestaltungsform der Welle 1. Nach dem Elektronenstrahlverschweißen hat sich an der Position der ersten Kontaktflächen 16, 17 der beiden Wellenabschnitte 3, 26 eine Aufschmelzungszone 20 gebildet. Erfindungsgemäß erstreckt sich diese Aufschmelzungszone 20 über das achsennahe Ende 21 der Kontaktflächen 16, 17 der beiden Wellenabschnitte 3, 26 hinaus und endet im Material des zweiten Wellenabschnitts 3. Mögliche Schweißfehler, insbesondere Poren, die im Wesentlichen am Ende einer derartigen Aufschmelzungszone 20 auftreten können, befinden sich somit in einem mechanisch nicht oder nur wenig belasteten und damit spannungsfreien oder zumindest spannungsarmen Bereich der Welle 1. Eine Ausbreitung von Schweißfehlern entlang von Spannungslinien im Material kann auf diese Weise vermieden werden wodurch wiederum die Betriebsfestigkeit der Welle 1 deutlich erhöht wird.
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In 5 ist schematisch die Verbindung von zwei Wellenabschnitten 3, 26 einer Welle 1 gezeigt, wobei zwei verschiedene Schweißverfahren zum Verbinden der beiden Wellenabschnitte 3, 26 verwendet wurden. Den unteren Teil der Verschweißung bildet eine Schweißnaht 24, die mit einem Elektronenstrahlverfahren erzeugt wurde. Sie ist in der gezeigten Abbildung als Einschweißung ausgeführt. Erfindungsgemäß endet die Aufschmelzungszone 20 der Elektronenstrahlverschweißung nicht am achsennahen Ende 21 der ersten Kontaktflächen 16, 17, sondern erst im Material des zweiten Wellenabschnitts 3. Wie bereits in 4 dargelegt, befinden sich mögliche Schweißfehler, insbesondere Poren, die im Wesentlichen am Ende einer derartigen Aufschmelzungszone 20 auftreten können, dadurch in einem mechanisch nicht oder nur wenig belasteten und damit spannungsfreien oder zumindest spannungsarmen Bereich der Welle 1. Im Anschluss an die Schweißnaht 24 des Elektronenstrahlschweißbereiches schließt sich eine Schweißnaht 25 an, die durch ein Lichtbogenschweißverfahren erzeugt wurde. Insbesondere wurde hierbei ein Engspaltschweißverfahren eingesetzt. Durch die Kombination der beiden Schweißnähte 24, 25 ergibt sich als Resultat eine deutlich größere verschweißte Materialstärke, wodurch im Betrieb der Welle 1 deutlich höhere Kräfte zwischen den beiden verschweißten Wellenabschnitten 3, 26 übertragen werden können. Die Welle 1 kann dadurch auch bei Turbomaschinen mit hoch beanspruchten Läufern eingesetzt werden.
