Derartige aus Metallblechen bestehende Ventilatorlaufräder
werden üblicherweise durch Elektroschweißen hergestellt,
indem die an die Haltekörper angesetzten Schaufeln durch
Kehlnähte bzw. Doppelkehlnähte fixiert werden. Hierzu muss die
Schweißvorrichtung ins Innere des Ventilatorlaufrads
eingreifen, um entlang der Schaufeln geführt zu werden. Dies ist
insbesondere bei stark gekrümmten oder kompliziert geformten
Schaufelformen oft nicht oder kaum möglich. Ein weiterer
Nachteil besteht darin, dass sich die Materialien beim
Schweißen üblicherweise verziehen, so dass Richtvorgänge
erforderlich werden. Durch den Auftrag des Schweißmaterials
sind anschließende Auswuchtvorgänge des Laufrads
erforderlich. Die Materialauswahl ist im Hinblick auf die
Schweißvorgänge relativ begrenzt. Weitere Nachteile bestehen darin,
dass beim herkömmlichen Elektroschweißen und auch autogenen
Schweißen Schweißraupen und/oder Schweißpunkte entstehen, die
nachteilig für das aerodynamische und akustische Verhalten
des Ventilatorlaufrads sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
verbessertes Verfahren zur Herstellung eines
Ventilatorlaufrads aufzuzeigen, das größere Variabilität der
Formgestaltung und Materialauswahl zulässt und eine größere
Herstellungspräzision gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die
Schweißvorgänge mittels eines Laserstrahls durchgeführt
werden, der von außen her durch die Wandung des jeweiligen
Haltekörpers hindurch die innen anliegenden Stirnseiten der
Schaufeln mit den Haltekörpern verschweißt.
Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass
beim Laserschweißen der Laserstrahl von den Außenseiten des
Laufrads her auf die Haltekörper auftrifft. Hierdurch können
komplizierte Haltekörper- und Schaufelgeometrien realisiert
werden, da Innenschweißvorgänge völlig entfallen können.
Weiterhin entstehen beim Laserschweißen keine Schweißraupen,
schon gar nicht innerhalb des Ventilatorlaufrads bzw. an den
Schaufeln, was das aerodynamische und akustische Verhalten
begünstigt und ein unerwünschtes Anhaften von Partikeln
verhindert. Beim Laserschweißen wird kein Zusatzwerkstoff
aufgebracht, so dass Auswuchtvorgänge eingespart werden können. Es
können sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten mit
Tiefschweißeffekt erzielt werden. Die konzentrierte und gleichmäßige
Wärmeeinbringung durch den Laserstrahl lässt nur wenig Verzug zu
und führt zu einer gleichbleibenden Qualität der Schweißung
bzw. des Ventilatorlaufrads. Geringere Versprödung, höhere
Temperaturbeständigkeit und höhere Laufruhe auch ohne
Spannungsarmglühen sind weitere sich hieraus ergebende Vorteile.
Es können verschiedene Werkstoffe und Werkstoffkombinationen
bei größerer Variabilität gewählt werden, beispielsweise
Stahl oder Edelstahl.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im
Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
Die an den Haltekörpern anliegenden Stirnseiten der Schaufeln
werden in vorteilhafter Weise durch Laserschneiden gebildet
und dadurch an die Gestalt der Haltekörper an den
Kontaktflächen in variabler Weise angepasst. Insbesondere kann eine
im Wesentlichen spaltfreie Anlage der Schaufeln durch
dreidimensionales Laserschneiden auch bei komplizierten Schaufel-
und Haltekörpergeometrien erreicht werden. Dies trägt auch zu
einem spaltfreien Verschweißen bei. Weiterhin liegen die
Stirnseiten der Schaufeln exakt und winkelgenau an den
Haltekörpern an, so dass kein Verzug beim Verspannen vor dem
eigentlichen Schweißvorgang zu befürchten ist.
Die Haltekörper und/oder die Schaufeln werden
zweckmäßigerweise aus Metallblech hergestellt.
Bei der Durchführung des Verfahrens werden vorzugsweise zwei
voneinander wegweisende Stirnseiten der Schaufeln an die
beiden scheiben- oder ringscheibenförmigen Haltekörper oder
entsprechend ausgebildete Bereiche dieser Haltekörper
angeschweißt.
Zur Fixierung der zu verschweißenden Teile des
Ventilatorlaufrads wird wenigstens einer der beiden Haltekörper an die
Schaufeln vor dem Schweißen angepresst, insbesondere mittels
eines Druckrings oder einer anderen Spannvorrichtung. Es
können auch die beiden Haltekörper mit den dazwischen
eingesetzten Schaufeln vor dem Schweißen zusammengespannt oder
-gepresst werden. Dieses Spannen bzw. Pressen trägt zum
spaltfreien Verschweißen und verzugsarmen Schweißen bei,
insbesondere auch in Verbindung mit dem dreidimensionalen
Laserschneiden der Schaufeln, die somit quasi eine 4-Punkt-Anlage
an den Haltekörpern aufweisen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein perspektivisch dargestelltes Ventilatorlaufrad
mit einem auf eine Außenseite eines
scheibenförmigen Haltekörpers gerichteten
Laserschweißstrahl,
Fig. 2 eine Ansicht auf den oberen Endbereich des
Ventilatorlaufrads senkrecht zur Ebene der Haltekörper und
Fig. 3 eine Teilansicht einer an einen Haltekörper
angesetzten Schaufel zur Erläuterung des
Durchschweißvorgangs.
Ein in Fig. 1 dargestelltes Ventilatorlaufrad besteht aus
zwei kreisscheibenförmigen Haltekörpern 10, 11, zwischen
denen in einer ringförmigen Anordnung im Bereich des
Außenumfangs des Ventilatorlaufrads eine Vielzahl von gekrümmten
Schaufeln 12 eingeschweißt werden bzw. eingeschweißt sind.
Die Schaufeln 12 und die Haltekörper 10, 11 bestehen aus
einem Metallblech, beispielsweise aus Stahl oder Edelstahl, und
werden zunächst vorgefertigt, dann zusammengespannt und im
zusammengespannten Zustand durch den Laserstrahl 13 einer
Laserschweißeinrichtung 14 verschweißt.
Die Haltekörper 10, 11 können im einfachsten Falle, wie
dargestellt, als flache Kreisscheiben ausgebildet sein, sie
können jedoch auch eine kompliziertere Geometrie aufweisen und
beispielsweise durch Pressvorgänge gefertigt sein. Eine
weitere Möglichkeit besteht darin, einen der Haltekörper
kreisscheibenartig und den anderen Haltekörper kreisringförmig
auszubilden, wobei die Kreisringgestalt der geometrischen
Anordnung des Schaufelkranzes der Schaufeln 12 angepasst ist,
so dass insgesamt eine topfartige Anordnung entsteht.
Die Schaufeln 12 können insbesondere bei komplizierteren
Geometrien der Haltekörper 10, 11 durch Laserschneiden
hergestellt werden, so dass eine spaltfreie Anlage an den
Haltekörpern 10, 11 möglich ist, beispielsweise auch bei
schräggestellten Schaufeln.
Zur Vorbereitung des Schweißvorgangs können entweder die
beiden Haltekörper 10, 11 mit dazwischen positionierten
Schaufeln 12 zusammengespannt werden, beispielsweise durch einen
oder zwei Spannringe, die die zu schweißenden Bereiche
freilassen, oder aber es wird zunächst ein Haltekörper mit den
Schaufeln 12 verspannt, dann geschweißt und schließlich der
zweite Haltekörper gespannt und geschweißt.
Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, erfolgt der
Schweißvorgang von den Außenseiten des Ventilatorlaufrads
bzw. der Haltekörper 10, 11 her, das heißt, der Laserstrahl
13 wird von außen her auf die Außenseite der Haltekörper 10,
11 gerichtet und entlang von Linien geführt, die mit den
Anlageflächen der Stirnseiten der Schaufeln 12 korrespondieren,
die von innen her an den Haltekörpern 10, 11 anliegen.
Beim Laserschweißen wird durch Fokussierung des Laserstrahls
eine hohe Laserleistung auf eine sehr kleine Fläche
konzentriert, wobei ein lokaler Schmelz- bzw. Verdampfungsprozess
einsetzt. Durch weitere Absorption der Laserenergie wird ein
Gemisch aus verdampftem Werkstoff und zugeführtem Schutzgas
ionisiert, so dass ein laserinduziertes Plasma entsteht. Da
der Absorptionsgrad des Plasmas höher ist als der der
Schmelze, kann die Energie des Laserstrahls nahezu vollständig in
das Werkstück eingekoppelt werden. Es bildet sich ein
Dampf/Plasma-Kanal aus, der von einer flüssigen Phase umgeben
ist, in der die Schmelze auf Grund des enormen Temperatur-
und Druckgefälles heftig zirkuliert. Dieser Kanal kann sich
tief in das zu schweißende Material eingraben, wie dies in
Fig. 3 mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist. Es
bildet sich ein schmaler, tiefer Schweißbereich mit einem
homogenen Gefüge. Durch die kleine, eng begrenzte Wärmequelle mit
hoher Energie ist die Wärmebeeinflussung des zu schweißenden
Werkstücks und dadurch der Verzug nur äußerst gering. Dabei
sind hohe Schweißgeschwindigkeiten und ein hoher
Automatisierungsgrad des Schweißprozesses möglich.
Die Haltekörper 10, 11 und die Schaufeln 12 können aus
gleichen oder unterschiedlichen metallischen Werkstoffen
bestehen, wie beispielsweise Stahl, rostfreie Stähle, Aluminium
und Aluminiumlegierungen, Siliziumstähle, Titan und
Titanlegierungen. An der dem Laserstrahl 13 ausgesetzten Oberfläche
entstehen sehr schmale Schweißnähte 15 mit sehr gleichmäßiger
Schweißnahtoberfläche, die praktisch keine Nacharbeit
erforderlich machen.