DE102012201353A1 - Method for connecting shaft with impeller of turbo supercharger e.g. exhaust gas turbocharger used in automotive industry, involves heating regions of impeller and shaft on sides of secondary weld seam extended toward rotational axis - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Turbolader oder besser Abgasturbolader, wie sie etwa in der Automobilindustrie eingesetzt werden, sind Anordnungen die eine Turbine und einen Verdichter ausweisen. Dabei sind die Turbine und der Verdichter, die sehr ähnlich aufgebaut sind, häufig auf einer gemeinsamen Welle montiert. Der Abgasstrom versetzt die Turbine in Rotation, diese treibt über die Welle den Verdichter an, die (Verbrennungs-) Luft ansaugt und verdichtet.Turbochargers or better turbochargers, such as those used in the automotive industry, are arrangements that identify a turbine and a compressor. The turbine and the compressor, which are constructed very similar, often mounted on a common shaft. The exhaust gas flow turns the turbine into rotation, which drives the compressor via the shaft, which sucks (compresses) and compresses the (combustion) air.
Da der Abgasstrom gerade bei Benzinmotoren Temperaturen von über 1050°C erreichen kann, werden besondere Anforderungen u. a. an die verwendeten Werkstoffe des Turboladers und seiner Komponenten gestellt. Wegen hoher Korrosions- und Warmfestigkeit werden Turbinen- bzw. Schaufelräder zumindest an der Abgasseite aus sogenannten eisenfreien Werkstoffen auf Nickel-, Wolfram- oder Titanbasis gebildet, während die Welle, welche im Vergleich zu dem Schaufelrad andere Eigenschaften haben muss, in aller Regel aus Stahl oder einer Stahllegierung mit Chrom- und/oder Vanadiumanteilen hergestellt ist.Since the exhaust gas flow can reach temperatures of over 1050 ° C, especially in gasoline engines, special requirements u. a. to the materials used in the turbocharger and its components. Due to their high resistance to corrosion and heat, turbine or paddle wheels are formed at least on the exhaust gas side from so-called nickel, tungsten or titanium-based non-ferrous materials, while the shaft, which must have different properties compared to the paddle wheel, is usually made of steel or a steel alloy with chromium and / or vanadium proportions.
Wegen der verschiedenen Werkstoffe von Welle und Schaufelrad müssen beim Verbinden beider Teile besondere Vorkehrungen getroffen werden, damit auch später beim Betrieb des Turboladers angemessene Standzeiten erreicht werden. Um dies zu gewährleisten, werden in aller Regel Welle und Schaufelrad reibverschweißt. Hierzu wird auf
Daneben ist aber auch aus
Da diese Verfahren sehr aufwendig sind, bezieht sich die Erfindung auf eine Verbindung im Schweißverfahren, bei welchem eine Seite des Schaufelrads auf eine Endfläche der Welle aufgesetzt wird und der Fügeverband aus Welle und Schaufelrad im Vakuum durch Aufschmelzen des Bereichs verschweißt werden, an welcher Schaufelrad und Welle nach dem Fügeschritt in körperlichem Kontakt stehen. Ein solches Verfahren wird etwa in
Abgesehen davon, dass das Herstellen einer entsprechenden Zwischenschicht selbst schon sehr aufwendig ist, ist auch das Verbinden der aus verschiedenen Lagen bestehenden Zwischenschichten mit dem entsprechenden Bauteil ein zusätzlicher Schritt zur Bewältigung des Rißbildungsproblems.Apart from the fact that the production of a corresponding intermediate layer itself is already very expensive, also the joining of the intermediate layers consisting of different layers with the corresponding component is an additional step for coping with the cracking problem.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welches in sehr einfacher Weise das rissfreie Verschweißen von Werkstücken aus Stahl und aus Nickelbasiswerkstoff erlaubt.Therefore, the invention has for its object to provide a method and an apparatus which allows in a very simple manner the crack-free welding of workpieces made of steel and nickel-base material.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens ist in Anspruch 5 angegeben. Eine entsprechend dem Verfahren hergestellte Kombination aus Welle und Schaufelrad wird in Anspruch 8 beansprucht. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 und 6 und 7 angegeben.This object is procedurally achieved with the features of
Werden gemäß Anspruch 1 vor, während und/oder nach dem Schweißschritt zumindest Bereiche von Welle und Schaufelrad, die sich beidseitig der späteren Schweißnaht in Richtung der Rotationsachse erstrecken, einer Erwärmung ausgesetzt, lassen sich Kombinationen aus Welle und Schaufelrad herstellen, die vollständig rissfrei sind. Besonders vorteilhaft ist es, nicht nur durch eine gezielte, auch eine Wärmezugabe einschließende Abkühlung nach dem Schweißvorgang zu sorgen. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass eine Rissbildung ausgeschlossen wird, wenn vor dem Schweißvorgang zumindest Bereiche von Welle und Schaufelrad, die sich beidseitig der späteren Schweißnaht in Richtung der Rotationsachse erstrecken, eine Erwärmung erfahren.If according to
Wie die Erwärmung letztlich durchgeführt wird, ist gleichgültig. Spielt der Zeitfaktor keine Rolle, kann die Erwärmung auch mit dem Strahl herbeigeführt werden, mit welchem später auch die Verschweißung durchgeführt wird. Zu bevorzugen ist allerdings gemäß Anspruch 2 eine induktive Erwärmung der Bauteile, weil mit dieser Art der Erwärmung eine schnelle und sehr temperaturgenaue Prozessführung erlaubt wird. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang auch, dass die Erwärmung nach dem Fügen der beiden Bauteile durchgeführt wird. Würde man die fraglichen Bauteile vor ihrem Fügen durch entsprechende Maßnahmen erwärmen und die Bauteile dann fügen und verschweißen, ist keine genaue Prozessführung mehr möglich, weil es durch das Einspannen und spätere Fügen zu unkontrollierbaren Wärmeverlusten kommen kann, was dann eine Rissbildung zur Folge haben kann.How the warming is ultimately done is indifferent. If the time factor does not matter, the heating can also be brought about with the jet, with which the welding is later carried out. To prefer, however, according to
Eine besonders gute Durchwärmung wird dann erreicht, wenn gemäß Anspruch 3 eine Anordnung zum Einbringen von Wärme in Bauteile vorhanden ist und mittels der Anordnung nur die Welle und/oder das Schaufelrad direkt erwärmt wird. Dadurch, dass die Wärme von einem Bauteil an das andere Bauteil abgegeben wird, lässt sich auch ein gezieltes Temperaturgefälle zwischen den Bauteilen einhalten. Ganz besonders vorteilhaft ist, wenn wegen der hohen Wärmeaufnahmakapazität das Bauteil mit der größeren Masse direkt erwärmt wird und das andere Bauteil mit der geringen Masse von dem Bauteil mit der größeren Masse durch Körperkontakt erwärmt wird.A particularly good heating is achieved when according to
Besonders gute Schweißverbindungen werden dann erhalten, wenn gemäß Anspruch 4 die Verschweißung als Laser- oder Elektrodenstrahlverschweißung ausgeführt wird.Particularly good welds are obtained when according to
Die Schrittfolge gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 lässt sich gemäß Anspruch 5 besonders gut in einer Vorrichtung ausführen, welche eine Anordnung zum Fügen eines Bauteils in der Form einer Welle und eines Bauteils in der Form eines Schaufelrades, eine Vakuumpumpe, mittels welcher ein Raum, in welchem die Welle und das Schaufelrad gefügt angeordnet sind, evakuiert wird, einer Schweißanordnung, mit welcher die Welle und das Schaufelrad verschweißt werden, und eine Anordnung zum Erwärmen von Welle und/oder Schaufelrad umfasst.The sequence of steps according to
Eine sichere und gezielte Erwärmung des späteren Schweißbereichs ist dann erreicht, wenn gemäß Anspruch 6 die Anordnung zum Erwärmen nur auf ein Bauteil – Schaufelrad oder Welle – direkt wirkt und ein Temperatursensor vorhanden ist, der nur mit dem Bauteil – Schaufelrad oder Welle – in Verbindung steht, auf welches die Anordnung zum Erwärmen nur indirekt wirkt. Wird nämlich die Temperatur an dem Bauteil ermittelt, welches nicht direkt von der Anordnung zum Erwärmen erwärmt wird, können durch die am anderen Bauteil gemessenen Temperaturen exakte Rückschlüsse auf die Erwärmung der Bereiche von Welle und Schaufelrad gezogen werden, die sich beidseitig der späteren Schweißnaht in Richtung der Rotationsachse erstrecken. Wirkt beispielsweise die Anordnung zum Erwärmen nur auf das Schaufelrad, wird dieses wegen seiner im Vergleich zur Welle großen Masse relative langsam auf Temperatur gebracht. Diese vergleichweise langsame Erwärmung des Schaufelrads bewirkt, dass sich die Welle mit ihrer verhältnismäßig geringen Masse sehr schnell erwärmt bzw. der Temperatur des Schaufelrads anpasst, so dass die Temperatur der Welle sehr gut als Temperaturindikator für die Bereiche beidseits der späteren Schweißnaht verwendet werden kann.A safe and targeted heating of the subsequent welding area is achieved when according to
Eine besonders schnelle Erwärmung ist dann gegeben, wenn die Welle und/oder das Schaufelrad induktiv erwärmt werden. Auch wenn denkbar ist, dass die Welle und das Schaufelrad außerhalb des Vakuumbehälters gefügt und induktiv erwärmt werden, ist es vorteilhafter, wenn das Fügen und das induktive Erwärmen gleich innerhalb des Raumes ausgeführt wird, der später auch evakuiert wird. Letzteres schließt auch ein, dass die Fügeanordnung, die Anordnung zum Erhitzen und die Schweißvorrichtung vollständig im Vakuumbehälter angeordnet sind.A particularly rapid heating is given when the shaft and / or the impeller are heated inductively. Even if it is conceivable that the shaft and the impeller are joined outside the vacuum container and inductively heated, it is more advantageous if the joining and the inductive heating is carried out immediately within the room, which is later also evacuated. The latter also implies that the joining assembly, the heating assembly and the welding device are completely disposed in the vacuum container.
Das Fügen von Welle und Schaufelrad ist gemäß Anspruch 9 dann besonders einfach, wenn die Welle und das Schaufelrad zueinander komplementäre, einen Zapfen und eine Sacklochbohrung aufweisende Fügemittel haben, und wenn im gefügten Zustand der Zapfen in die Sacklochbohrung eingreift. Außerdem wird durch das Eingreifen des Zapfens in die Sacklochbohrung sichergestellt, dass auch beim Schweißprozeß die gewünschte gegenseitige Zuordnung von Welle und Schaufelrad erhalten bleibt.The joining of shaft and impeller is particularly easy according to
Da nun mal das Schaufelrad, welches dem bis zu 1100°C heißen Abgasstrom ausgesetzt wird, und i. ü. die Welle während des Betriebs des Turboladers mit mehreren zigtausend Umdrehungen in den Lagerstellen des Ladergehäuses rotiert, muss zur Vermeidung einer übermäßigen Temperaturausdehnung sichergestellt werden, dass möglichst wenig Temperatur vom Schaufelrad in die Welle übertragen wird. Dies kann gemäß Anspruch 10 dadurch realisiert werden, dass innerhalb der vom Zapfen verschlossenen Sacklochbohrung ein Luftvolumen verbleibt, welches durch die Isolationswirkung der Luft wie eine Wärmedrossel wirkt.Since now times the paddle wheel, which is exposed to the up to 1100 ° C hot exhaust gas flow, and i. above sea level. The shaft rotates during operation of the turbocharger with several thousand turns in the bearings of the charger housing, it must be ensured to avoid excessive temperature expansion that as little as possible temperature is transmitted from the paddle wheel in the shaft. This can be realized according to
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Es zeigen:Show it:
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
Die Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert werden. In
Auf der Basisplatte
Im in
Ist das Absenken der Welle
Außerdem wird in
Hat das Schaufelrad
Auch wenn in den
Wesentlich vorteilhafter ist es, wenn gemäß
Um sicherzustellen, dass im Betrieb des Turboladers das Schaufelrad
Hat das Schaufelrad
Zeitgleich mit dem Anwärmen des Schaufelrads
Die Verschweißung selbst ist in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Anordnungarrangement
- 22
- Wellewave
- 33
- Schaufelradpaddle wheel
- 44
- Basisplattebaseplate
- 55
- Kuppeldome
- 66
- Aufnahmeadmission
- 77
- Bohrungdrilling
- 88th
- Schweißanordnungwelding arrangement
- 99
- AnwärmanordnungAnwärmanordnung
- 1010
- Zu- und AbführeinrichtungSupply and discharge device
- 1111
- Greifergrab
- 1212
- Endflächeend face
- 1313
- Flächearea
- 1414
- Zapfenspigot
- 1515
- Sacklochbohrung LuftvolumenBlind hole air volume
- 1616
- Luftvolumen TemperatursensorAir volume temperature sensor
- 1717
- Temperatursensortemperature sensor
- 1818
- SchweißnahtWeld
- 1919
- Innenrauminner space
- 2020
- Vakuumpumpevacuum pump
- 2121
- Laser- oder ElektronenstrahlLaser or electron beam
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 4413100 [0003] DE 4413100 [0003]
- DE 102009049695 [0004] DE 102009049695 [0004]
- DE 10112062 [0005, 0005] DE 10112062 [0005, 0005]
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