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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines Turbinenrads mit einer Welle an einer Fügestelle, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Ein Läufer für eine Turbine weist ein Turbinenrad auf, das mit einer Welle zum Weiterleiten einer Drehbewegung des Turbinenrads verbunden ist. Die Welle kann beispielsweise an das Turbinenrad geschweißt oder gelötet sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines Turbinenrads mit einer Welle an einer Fügestelle, weiterhin eine Vorrichtung zum Verbinden eines Turbinenrads mit einer Welle an einer Fügestelle sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einer Welle und einem Turbinenrad herzustellen, ist es notwendig, ein Material der Welle mit einem Material des Turbinenrads zu verbinden. In der Regel wird zum direkten stoffschlüssigen Verbinden der Materialien an einer Fügestelle ohne Zusatzstoffe eine Temperatur der Fügestelle so weit erhöht, bis beide Materialien schmelzflüssig sind. Dann vermischen sich die Materialien in der Fügestelle und erstarren beim Erkalten. Wenn die Materialien oder eine Materialkombination bei der Umwandlung jedoch unerwünschte Eigenschaften entwickelt, dann ist es notwendig, beide Materialien unterhalb ihrer Schmelztemperaturen zu belassen.
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Durch ein Erzeugen einer oszillierenden Relativbewegung zwischen der Welle, einer Zwischenschicht, und dem Turbinenrad sowie einer gleichzeitigen Anpresskraft zwischen der Welle, der Zwischenschicht und dem Turbinenrad kann aufgrund der Reibung in der Fügestelle eine Temperatur entstehen, die ausreicht, das Material der Welle und das Material der Zwischenschicht sowie das Material der Zwischenschicht und das Material des Turbinenrads ohne Erreichen der schmelzflüssigen Phasen miteinander zu verbinden. Dabei werden die Materialien auf atomarer Ebene verbunden. Da alle beteiligten Materialien nicht schmelzflüssig werden, können vorbestimmte Materialeigenschaften insbesondere des Turbinenrads und der Welle ohne Einschränkungen auch im Bereich der Fügestelle beibehalten werden.
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Es wird ein Verfahren zum Verbinden eines Turbinenrads mit einer Welle an einer Fügestelle vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
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Bereitstellen des Turbinenrads, einer Zwischenschicht und der Welle, wobei das Turbinenrad eine erste Kontaktfläche aufweist, die Zwischenschicht eine zweite Kontaktfläche und eine gegenüberliegende dritte Kontaktfläche aufweist und die Welle eine vierte Kontaktfläche aufweist;
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Anordnen der Zwischenschicht in einer Relativposition zwischen dem Turbinenrad und der Welle, wobei die zweite Kontaktfläche im Bereich der Fügestelle der ersten Kontaktfläche zugewandt angeordnet wird und die dritte Kontaktfläche im Bereich der Fügestelle der vierten Kontaktfläche zugewandt angeordnet wird; und
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Anregen einer Relativbewegung zwischen dem Turbinenrad und der Welle in der Fügestelle durch eine mechanische Schwingung, wobei das Turbinenrad und die Zwischenschicht sowie die Welle und die Zwischenschicht in der Fügestelle mit einem Anpressdruck aneinander gepresst werden, um die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche sowie die dritte Kontaktfläche und die vierte Kontaktfläche an der Fügestelle durch ein Kalt-Pressschweißverfahren zu verbinden.
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Ferner wird eine Vorrichtung zum Verbinden eines Turbinenrads mit einer Welle an einer Fügestelle vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
eine Einrichtung zum Bereitstellen des Turbinenrads, einer Zwischenschicht und der Welle, wobei das Turbinenrad eine erste Kontaktfläche aufweist, die Zwischenschicht eine zweite Kontaktfläche und eine gegenüberliegende dritte Kontaktfläche aufweist und die Welle eine vierte Kontaktfläche aufweist;
eine Einrichtung zum Anordnen der Zwischenschicht in einer Relativposition zwischen dem Turbinenrad und der Welle, wobei die zweite Kontaktfläche im Bereich der Fügestelle der ersten Kontaktfläche zugewandt angeordnet wird und die dritte Kontaktfläche im Bereich der Fügestelle der vierten Kontaktfläche zugewandt angeordnet wird; und
eine Einrichtung zum Anregen einer Relativbewegung zwischen dem Turbinenrad und der Welle in der Fügestelle durch eine mechanische Schwingung, wobei das Turbinenrad und die Zwischenschicht sowie die Welle und die Zwischenschicht in der Fügestelle mit einem Anpressdruck aneinander gepresst werden, um die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche sowie die dritte Kontaktfläche und die vierte Kontaktfläche an der Fügestelle durch ein Kalt-Pressschweißverfahren zu verbinden.
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Unter einem Turbinenrad kann ein rotationssymmetrischer Grundkörper mit beispielsweise radial ausgerichteten Turbinenschaufeln verstanden werden. Die Turbinenschaufeln können strömungsgünstig geformt sein, um Energie aus einem Fluid, das über die Turbinenschaufeln strömt, in eine Drehbewegung des Turbinenrads um eine Hauptrotationsachse des Turbinenrads umzuwandeln. Eine Welle kann einen rotationssymmetrischen Grundkörper aufweisen und dazu ausgebildet sein, die Drehbewegung des Turbinenrads entlang der Hauptrotationsachse zu übertragen. Die Welle kann beispielsweise Lagerbereiche aufweisen, an denen die Welle dazu ausgebildet ist, in einem Gestell bzw. Lagerstellen gelagert zu werden. Die Welle kann hohl ausgeführt sein. Eine Zwischenschicht kann beispielsweise eine Platte, insbesondere eine dünne (duktile) Platte oder eine (duktile) Folie sein, die besonders günstige Eigenschaften zum Verbinden von Materialien auf atomarer Ebene aufweist. Beispielsweise kann die Zwischenschicht bei einer niedrigeren Temperatur als das Turbinenrad und/oder die Welle plastisch verformbar werden. Eine Fügestelle kann eine geplante Verbindungsstelle zwischen dem Turbinenrad und der Welle sein. Eine erste Kontaktfläche kann eine erste Seite der Fügestelle ausbilden. Eine vierte Kontaktfläche kann eine zweite Seite der Fügestelle ausbilden. Eine zweite Kontaktfläche und eine dritte Kontaktfläche können innerhalb der Kontaktfläche angeordnet werden. Die Kontaktflächen können eine zueinanderpassende Kontur aufweisen, wobei eine Kontur der ersten Kontaktfläche unvollständig in einer Kontur der zweiten Kontaktfläche abgebildet sein kann. Ebenso kann die Kontur der zweiten Kontaktfläche unvollständig in der Kontur der ersten Kontaktfläche abgebildet sein. Beispielsweise kann eine der Kontaktflächen eine oder mehrere Aussparungen aufweisen, die in der anderen Kontaktfläche nicht abgebildet sind. Im Schritt des Anordnens können die Kontaktflächen einander gegenüberliegend angeordnet werden. Zwischen den Kontaktflächen kann vor dem Schritt des Anregens ein Spalt sein. Beispielsweise kann das Turbinenrad und/oder die Welle Führungsflächen zum gegenseitigen Positionieren aufweisen. Im Schritt des Anregens sind das Turbinenrad, die Zwischenschicht und die Welle aneinander anliegend angeordnet und werden insbesondere senkrecht zu der Fügefläche mit dem Anpressdruck aufeinander gepresst. Eine mechanische Schwingung kann eine oszillierende Schwingung sein. Die mechanische Schwingung kann eine harmonische Schwingung sein. Durch die mechanische Schwingung und den Anpressdruck können Atome eines Werkstoffs des Turbinenrads in unmittelbaren Kontakt zu Atomen eines Werkstoffs der Zwischenschicht kommen. Atome des Werkstoffs der Zwischenschicht können in unmittelbaren Kontakt zu Atomen eines Werkstoffs der Welle gelangen. Dabei können atomare Bindekräfte wirken und das Turbinenrad kann bei einer Temperatur deutlich unterhalb der Schmelztemperaturen von Turbinenrad und Welle mit der Welle stoffschlüssig verbunden werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Das Turbinenrad kann aus einem ersten Material bereitgestellt werden, die Zwischenschicht kann aus einem zweiten Material bereitgestellt werden und die Welle kann aus einem dritten Material bereitgestellt werden. Das erste Material kann sich von dem zweiten Material unterscheiden. Das zweite Material kann sich von dem dritten Material unterscheiden. Das erste Material kann sich von dem dritten Material unterscheiden. Durch das Kalt-Pressschweißverfahren können schwer verbindbare Materialien miteinander verbunden werden, ohne unwiderrufliche Materialveränderungen zu bewirken.
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Das Turbinenrad kann aus einem titanhaltigen Werkstoff, insbesondere aus Titanaluminium bereitgestellt werden, die Welle kann aus Stahl bereitgestellt werden und die Zwischenschicht kann aus einem duktileren Material als der Stahl bereitgestellt werden. Ein titanhaltiger Werkstoff (wie beispielsweise Titanaluminium) und Stahl können unter Verwendung von Schmelzschweißverfahren nur schwer verbunden werden, da sich spröde intermetallische Phasen bilden können. Durch das Kalt-Pressschweißverfahren kann eine Bildung dieser intermetallischen Phasen verhindert werden.
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Die Welle kann als schwingungsfähiges Bauteil bereitgestellt werden, wobei eine Resonanzfrequenz der Welle ein vorbestimmtes Verhältnis zu einer Frequenz der mechanischen Schwingung aufweisen kann. Abmessungen, beispielsweise Wandstärken und/oder eine Länge der Welle können so ausgelegt werden, dass die Welle eine geringe Dämpfung aufweist und ein Verstärkungsfaktor der Welle einen hohen Wert aufweist. Dadurch kann sich die Welle aufschaukeln und eine Amplitude der Schwingung kann sich von einem Ort des Einleitens der Schwingung in die Welle bis zu der Fügestelle vergrößern. Die Resonanzfrequenz kann beispielsweise ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz sein. Ebenso kann die Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz sein. Dadurch kann die mechanische Schwingung auf einer Strecke zwischen dem Ort des Einleitens in die Welle und der Fügestelle verstärkt werden. Beispielsweise kann die Länge der Welle so gewählt werden, dass zwischen dem Ort des Einleitens und der Fügestelle ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge der Schwingung in der Welle liegt. Dadurch kann die Fügestelle im Bereich eines Schwingungsbauchs der Schwingung angeordnet sein.
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Das Turbinenrad und alternativ oder ergänzend die Welle können mit einer Torsionsschwingung angeregt werden. Eine Torsionsschwingung kann eine Drehschwingung um eine Rotationsachse der Welle und des Turbinenrads sein. Durch die Torsionsschwingung können runde Kontaktflächen besonders gut verbunden werden.
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Die mechanische Schwingung kann von einem Schallwandler über eine Sonotrode auf die Welle oder das Turbinenrad übertragen werden. Ein Schallwandler kann beispielsweise ein piezoelektrisches Bauteil sein, das ein elektrisches Signal in eine mechanische Schwingung, also eine Bewegung, insbesondere eine lineare Bewegung, umwandeln kann. Der Schallwandler kann mit der Welle und/oder der Sonotrode gekoppelt sein, um die Schwingung in die Welle einzukoppeln. Eine Sonotrode kann ein Formstück sein, das dazu ausgebildet ist, die Schwingung beispielsweise über einen Formschluss in die Welle einzukoppeln.
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Das Turbinenrad und die Zwischenschicht können an einem unbeweglichen Amboss fixiert werden und die Welle kann zu der mechanischen Schwingung angeregt werden. Alternativ kann das Turbinenrad an dem unbeweglichen Amboss fixiert werden und die Welle und die Zwischenschicht zu der mechanischen Schwingung angeregt werden. Alternativ können die Welle und die Zwischenschicht an dem unbeweglichen Amboss fixiert werden und das Turbinenrad zu der mechanischen Schwingung angeregt werden. Alternativ kann die Welle an dem unbeweglichen Amboss fixiert werden und das Turbinenrad und die Zwischenschicht zu der mechanischen Schwingung angeregt werden. Alternativ kann das Turbinenrad zu einer ersten Teilschwingung angeregt werden, die Zwischenschicht kann an dem unbeweglichen Amboss fixiert werden und die Welle kann zu einer zweiten Teilschwingung angeregt werden, wobei sich die erste Teilschwingung und die zweite Teilschwingung zu der mechanischen Schwingung ergänzen. Alternativ können das Turbinenrad und die Zwischenschicht zu der ersten Teilschwingung angeregt werden und die Welle kann zu der zweiten Teilschwingung angeregt werden, wobei sich die erste Teilschwingung und die zweite Teilschwingung zu der mechanischen Schwingung ergänzen. Alternativ kann das Turbinenrad zu der ersten Teilschwingung angeregt werden und die Welle und die Zwischenschicht können zu der zweiten Teilschwingung angeregt werden, wobei sich die erste Teilschwingung und die zweite Teilschwingung zu der mechanischen Schwingung ergänzen. Die Relativbewegung in der Fügestelle kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Dadurch kann der Prozess des Verbindens sehr flexibel ausgeführt werden und auf unterschiedliche Bauteilgeometrien und/oder Prozessparameter abgestimmt werden.
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Das Turbinenrad und alternativ oder ergänzend die Welle können in einem Frequenzbereich angeregt werden, wobei eine untere Grenzfrequenz des Frequenzbereichs fünf Kilohertz, insbesondere zehn Kilohertz, insbesondere 20 Kilohertz betragen kann und/oder eine obere Grenzfrequenz des Frequenzbereichs 160 Kilohertz, insbesondere 80 Kilohertz, insbesondere 40 Kilohertz betragen kann. Das Turbinenrad und alternativ oder ergänzend die Welle können in einem Amplitudenbereich angeregt werden, wobei eine untere Grenzamplitude zwei Mikrometer, insbesondere fünf Mikrometer, insbesondere zehn Mikrometer betragen kann und/oder eine obere Grenzamplitude 200 Mikrometer, insbesondere 100 Mikrometer, insbesondere 50 Mikrometer betragen kann.
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Das Turbinenrad kann ein Turbinenrad eines Abgasturboladers sein und die Welle kann eine Welle des Abgasturboladers sein. Insbesondere bei einem Abgasturbolader kann das Verbinden von, auf konventionelle Art schwer verbindbaren Materialien Vorteile bei Ansprechverhalten und Energieeffizienz bringen.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Verbinden eines Turbinenrads mit einer Welle an einer Fügestelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Verbinden eines Turbinenrads mit einer Welle an einer Fügestelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Darstellung einer Einrichtung zum Anregen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Schnittdarstellung durch einen Teil einer Einrichtung zum Anregen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine Darstellung eines Turbinenrads und einer Welle, die mit einem Verfahren zum Verbinden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden worden sind.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zum Verbinden eines Turbinenrads mit einer Welle an einer Fügestelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist eine Einrichtung 102 zum Bereitstellen, eine Einrichtung 104 zum Anordnen und eine Einrichtung 106 zum Anregen auf. Die Einrichtung 102 zum Bereitstellen ist dazu ausgebildet, das Turbinenrad, eine Zwischenschicht und die Welle bereitzustellen. Das Turbinenrad weist eine erste Kontaktfläche auf, die Zwischenschicht weist eine zweite Kontaktfläche und eine gegenüberliegende dritte Kontaktfläche auf und die Welle weist eine vierte Kontaktfläche auf. Die Einrichtung 104 zum Anordnen ist dazu ausgebildet, die Zwischenschicht in einer Relativposition zwischen dem Turbinenrad und der Welle anzuordnen, wobei die zweite Kontaktfläche im Bereich der Fügestelle der ersten Kontaktfläche zugewandt angeordnet wird und die dritte Kontaktfläche im Bereich der Fügestelle der vierten Kontaktfläche zugewandt angeordnet wird. Die Einrichtung 106 zum Anregen ist dazu ausgebildet, eine Relativbewegung zwischen dem Turbinenrad und der Welle in der Fügestelle durch eine mechanische Schwingung anzuregen. Währenddessen werden das Turbinenrad und die Zwischenschicht sowie die Welle in der Fügestelle mit einem Anpressdruck aneinander gepresst, um die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche sowie die dritte Kontaktfläche und die vierte Kontaktfläche an der Fügestelle durch ein Kalt-Pressschweißverfahren zu verbinden.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Verbinden eines Turbinenrads mit einer Welle an einer Fügestelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann auf einer Vorrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Das Verfahren weist einen Schritt 202 des Bereitstellens, einen Schritt 204 des Anordnens und einen Schritt 206 des Anregens auf. Im Schritt 202 des Bereitstellens werden das Turbinenrad, eine Zwischenschicht und die Welle bereitgestellt. Das Turbinenrad weist eine erste Kontaktfläche auf. Die Zwischenschicht weist eine zweite Kontaktfläche und eine gegenüberliegende dritte Kontaktfläche auf. Die Welle weist eine vierte Kontaktfläche auf. Im Schritt 204 des Anordnens wird die Zwischenschicht in einer Relativposition zwischen dem Turbinenrad und der Welle angeordnet. Die zweite Kontaktfläche wird im Bereich der Fügestelle der ersten Kontaktfläche zugewandt angeordnet. Die dritte Kontaktfläche wird im Bereich der Fügestelle der vierten Kontaktfläche zugewandt angeordnet. Im Schritt 206 des Anregens wird eine Relativbewegung zwischen dem Turbinenrad und der Welle in der Fügestelle durch eine mechanische Schwingung angeregt. Währenddessen werden das Turbinenrad und die Zwischenschicht sowie die Welle in der Fügestelle mit einem Anpressdruck aneinander gepresst, um die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche sowie die dritte Kontaktfläche und die vierte Kontaktfläche an der Fügestelle durch ein Kalt-Pressschweißverfahren zu verbinden.
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3 zeigt eine Darstellung einer Einrichtung 106 zum Anregen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Einrichtung 106 ist dazu ausgebildet, eine Relativbewegung zwischen einem ersten Bauteil 300 und einem zweiten Bauteil 302 in einer Fügestelle 304 durch eine mechanische Schwingung 306 anzuregen. Währenddessen werden das erste Bauteil 300, eine im Bereich der Fügestelle 304 angeordnete Zwischenschicht und das zweite Bauteil 302 in der Fügestelle 304 mit einem Anpressdruck bzw. einer Anpresskraft F aneinander gepresst, um eine erste Kontaktfläche des ersten Bauteils 300 und eine zweite Kontaktfläche der Zwischenschicht sowie eine, der zweiten Kontaktfläche gegenüberliegend angeordnete dritte Kontaktfläche der Zwischenschicht und eine vierte Kontaktfläche des zweiten Bauteils 302 an der Fügestelle 304 durch ein Kalt-Pressschweißverfahren zu verbinden. Die mechanische Schwingung 306 ist hier ein Körperschall, der von einem Schallwandler 308 erzeugt wird. Der Schallwandler 308 wird von einem Generator gespeist. Der Schallwandler 308 erzeugt eine lineare Bewegung. Eine Spitze des Schallwandlers 308 ist mechanisch mit einem schwingungsfähigen System aus einem Zwischenstück 310 und einer Sonotrode 312 gekoppelt. Die Spitze koppelt die mechanische Schwingung 306 im Bereich eines ersten Endes des Zwischenstücks 310 in das Zwischenstück 310 ein. Die mechanische Schwingung 306 wird hier zu einer Drehbewegung um eine Drehachse des Systems. Die Drehbewegung regt eine Torsionsschwingung entlang der Drehachse in dem Zwischenstück 310 an. Damit ist die Schwingungsrichtung der Torsionsschwingung um die Drehachse gerichtet. Da das System schwingungsfähig ist und die mechanische Schwingung 306 eine Frequenz aufweist, die das System zu einer Eigenschwingung anregt, vergrößert sich eine Schwingungsamplitude der Torsionsschwingung je weiter entfernt von dem ersten Ende das System betrachtet wird. Ein Verlauf der Schwingungsamplitude ist neben der Einrichtung 106 dargestellt. Ein Graph stellt die Vergrößerung der Schwingungsamplitude über eine Länge des Zwischenstücks 310 und der Sonotrode 312 dar. Die Schwingung ist als stehende Welle ausgebildet und weist damit Schwingungsknoten und Schwingungsbäuche auf. In den Schwingungsknoten ist die Schwingungsamplitude minimal und in den Schwingungsbäuchen maximal.
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An einem, dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende ist das Zwischenstück 310 mit der Sonotrode 312 verbunden. Die Sonotrode 312 ist ein Formstück, das dazu ausgebildet ist, die Torsionsschwingung an einer Übertragerfläche in das erste Bauteil 300 einzukoppeln. Dazu kann die Sonotrode 312 im Bereich der Übertragerfläche einen Formschluss und/oder einen Kraftschluss mit dem ersten Bauteil 300 aufweisen. Das erste Bauteil 300 schwingt dann ebenso mit der Torsionsschwingung. Das System ist so ausgelegt, dass die Sonotrode 312 in einem Schwingungsbauch der Torsionsschwingung mit dem ersten Bauteil 300 gekoppelt ist. Dadurch wird das erste Bauteil 300 mit einer maximal möglichen Amplitude in Schwingung versetzt. Hier ist die Übertragerfläche drei Mal Lambda Halbe, also drei halbe Wellenlängen der Torsionsschwingung von dem ersten Ende des Zwischenstücks 310 entfernt.
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Während das erste Bauteil 300 in Schwingungen versetzt wird, wird das zweite Bauteil 302 von einem feststehenden Amboss 314 an einer Schwingung gehindert. Damit entsteht an der Fügefläche 304 eine maximale Relativbewegung zwischen dem ersten Bauteil 300, der Zwischenschicht und dem zweiten Bauteil 302. Zeitgleich zu der mechanischen Schwingung 306 wird die Anpresskraft F zwischen dem System und dem Amboss 314 aufgebaut. Dabei werden die Bauteile 300, 302 an der Fügestelle 304 zusammengepresst und es entsteht Reibung in der Fügestelle 304. Die Zwischenschicht wird in der Fügestelle 304 zwischen dem ersten Bauteil 300 und dem zweiten Bauteil 302 zusammengepresst. Durch die Anpresskraft F ergibt sich der Anpressdruck in der Fügefläche 304. Das Bauteil 300 und die Zwischenschicht sowie die Zwischenschicht und das zweite Bauteil 302 werden so nah zusammengepresst und durch die Schwingung erwärmt, dass atomare Bindekräfte zwischen Atomen der beiden Bauteile 300, 302 sowie der Zwischenschicht wirksam werden und beide Bauteile 300, 302 sowie die Zwischenschicht stoffschlüssig verbinden.
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Das Ultraschallschweißen ist ein Verfahren zum Fügen von metallischen Werkstoffen. Die benötige Energie wird in Form von hochfrequenten mechanischen Schwingungen, z. B. 20 kHz bis 40 kHz mit Amplituden von 10 µm bis 50 µm, in das Schweißteil 300 eingebracht. Dazu koppelt das Schweißwerkzeug (Sonotrode) 312 an den ihm zugewandten Fügepartner 300 ein und lässt ihn in linearer oder torsionaler Richtung schwingen. Der andere Fügepartner 302 wird über einen Amboss 314 fixiert und bewegt sich deshalb nicht mit. Damit es zu einer Relativbewegung zwischen den beiden Fügepartnern 300, 302 kommen kann, müssen die Sonotrode 312 und der Amboss 314 bestimmte Strukturen aufweisen. Durch das intensive Reiben an der Fügestelle 304 und dem gleichzeitigen Druckaufbau werden die atomaren Bindekräfte wirksam und es entstehen feste stoffschlüssige Verbindungen. Die Temperaturen in der Fügezone 304 liegen weit unter der Schmelztemperatur der Fügepartner 300, 302 und haben einen geringen Einfluss auf die Verbindungsqualität. Dadurch, dass die Fügepartner 300, 302 nicht aufschmelzen, gibt es keine Gefügeumwandlung mit ihren nachteiligen Auswirkungen. Das Ultraschallmetallschweißen wird deshalb den Kalt-Pressschweißverfahren zugeordnet. Aus diesem Grund ist das Ultraschallmetallschweißen, besonders das Ultraschalltorsionsschweißen, gut geeignet, um TiAl mit Stahl zu verbinden.
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Bei dem Ultraschalltorsionschweißen erzeugt die Sonotrode 312 eine kreisförmige Amplitude. Damit ist es möglich, gleichmäßige Verschweißungen entlang einer Ringnaht zu erzeugen.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Teil einer Einrichtung 106 zum Anregen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist eine Draufsicht auf ein Zwischenstück 310, wie es in 3 gezeigt ist. Das Zwischenstück 310 ist als Hohlzylinder ausgebildet. Hier sind zwei baugleiche Schallwandler 308 mit dem Zwischenstück 310 an diametral gegenüberliegenden Stellen mit dem Zwischenstück 310 gekoppelt. Die Schallwandler 306 bewegen sich gegenläufig und erzeugen damit die Rotationsbewegung 400 in dem System. Die Rotationsbewegung regt die Torsionsschwingung an, die letztendlich für die Relativbewegung in der Fügefläche sorgt.
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5 zeigt eine Darstellung eines Turbinenrads 500 und einer Welle 502, die mit einem Verfahren zum Verbinden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden worden sind. Das Turbinenrad 500 kann in der in 3 dargestellten Einrichtung zum Anregen je nach Anforderung das erste Bauteil oder das zweite Bauteil sein. Die Welle 502 kann entsprechend in der in 3 dargestellten Einrichtung zum Anregen je nach Anforderung das zweite Bauteil oder das erste Bauteil sein. Dargestellt ist hier das Turbinenrad 500 als zweites Bauteil und die Welle 502 als erstes Bauteil. Das Turbinenrad 500 und die Welle 502 sind in der Fügefläche bzw. Fügezone 304 über eine dazwischen angeordnete Zwischenschicht 504 verbunden worden. Die Sonotrode 312 ist hohl ausgeführt und ein Teil der Welle 502 ist im Inneren der Sonotrode 312 angeordnet. Die Torsionsschwingung wird mit einer Sonotrodenkontaktfläche 506 in einen Bund der Welle 502 eingekoppelt. Die Zwischenschicht 504 ist aus einem duktileren Material als ein Stahlwerkstoff der Welle 502. Das duktile Material der Zwischenschicht 504 ermöglicht eine hochqualitative Verbindung der Welle 502 mit dem Turbinenrad 500. Die Gitterkräfte zwischen den Atomen der Zwischenschicht 504 und den Atomen der Welle 502 bzw. die Gitterkräfte zwischen den Atomen der Zwischenschicht 504 und den Atomen des Turbinenrads 500 können aufgrund der Bildsamkeit der Zwischenschicht 504 bei einer niedrigeren Temperatur und/oder einem niedrigeren Anpressdruck wirken, als bei einer direkten Verbindung zwischen der Welle 504 und dem Turbinenrad 500. In diesem Ausführungsbeispiel liegt die Zwischenschicht 504 als Halbzeug in Form einer Folie vor. Die Kontaktflächen des Turbinenrads 500 und der Welle 502 sind deutlich kleiner als die Folie. Beim Anregen zu der mechanischen Schwingung wird ein Teilbereich, der einer Größe der Kontaktflächen entspricht, aus der Folie herausgetrennt. Die restliche Folie kann an anderen Stellen zum Verbinden weiterer Turbinenräder mit weiteren Wellen verwendet werden. Beispielsweise kann die Folie auch bereits in Form und Größe der Kontaktflächen ausgestanzt oder geschnitten sein. Zum Handhaben der Zwischenschicht 504 beim Anordnen kann die Zwischenschicht 504 einen leicht entfernbaren „Henkel“ als Handhabungsfläche aufweisen.
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Mit anderen Worten zeigt 5 eine Anbindung eines Turbinenrades 500 an eine Welle 502 mithilfe des Ultraschallmetallschweißens unter Einsatz einer schwingenden Welle 502. Um die gesetzlichen Vorgaben zum Spritsparen bei Verbrennungsmotoren zu erreichen, ist eine wirkungsvolle Maßnahme das Downsizing des Motors. Die geringere Leistung, durch weniger Hubraum und weniger Zylinder, wird durch eine Turboaufladung des Motors ausgeglichen. In modernen Verbrennungsmotoren wird deshalb häufig ein Turbolader eingesetzt. Das zentrale Bauteil des Turboladers ist der Läufer. Er besteht aus Turbinenrad 500 (TR), Welle 502 und Verdichterrad (VR). Das Turbinenrad 500 kann aus einer Nickelbasislegierung hergestellt werden und, durch Schmelzschweißverfahren mit der Stahlwelle 502 verbunden werden.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird das Ultraschallmetallschweißen unter Einsatz einer schwingenden Welle 502 zum stoffschlüssigen Anbinden des Turbinenrads 500 an die Welle 502 verwendet. Besonders interessant ist eine Kombination von Titanaluminid (TiAI) mit Stahl. Eine Anbindung an die Welle 502 durch Schmelzschweißverfahren ist mit diesem Material nur sehr schwer möglich, da sich spröde intermetallische Phasen bilden können.
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Vorteilhaft ist die Ankopplung der Sonotrode 312 an der Stahlwelle 502. Die Sonotrode 312 kann innen hohl sein und die Welle 502 aufnehmen. Als Kontaktfläche 504 für die Sonotrode 312 dient ein Wellenbund 504 in unmittelbarer Nähe der Fügezone.
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Das Turbinenrad 500 wird durch den Amboss kontaktiert. Um einen Fügeweg zu realisieren, kann es vorteilhaft sein, wenn die Stahlwelle 502 duktile Eigenschaften aufweist. Falls die Stahlwelle 502 diese Eigenschaften nicht aufweist, kann ein duktiler Zusatzwerkstoff 504 als Zwischenschicht 504 verwendet werden. Die Fügekonstruktion kann auch anders herum gewählt werden, wobei dann die Sonotrode 312 das Turbinenrad 500 kontaktiert, während der Amboss die Welle 502 kontaktiert.
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Eine Qualität der Verbindung lässt sich vorteilhafterweise mit metallografischen Methoden nachweisen. die für das Ultraschallmetallschweißen typischen Kontaktierspuren an den Oberflächen der Fügepartner beeinträchtigen eine Haltbarkeit der Verbindung nicht.
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Der hier vorgestellte Ansatz kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Turbinenrad 500 mit einer Welle 502 verbunden werden muss wie z. B. im Abgasturbolader, bei Durchflussmessern, bei Triebwerken oder in Drehmomentwandlern.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008059617 A1 [0003]
