DE112013004821T5 - Verfahren zum Herstellen eines Turbinenrotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Turbinenrotors (1), der als Fügepartner ein Turbinenrad (2) aus TiAl und eine aus Stahl hergestellte Welle (3) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Bereitstellen des Turbinenrades (2); Bereitstellen eines Lotes; Bereitstellen der Welle (3); und Verbinden des Turbinenrades (2) und der Welle (3) durch Elektronenstrahllöten mittels eines Elektronenstrahls (5).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Turbinenrotors gemäß Anspruch 1 sowie einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Turbinenrotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6.
• Aus der DE 697 24 730 T2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Turbinenrotors bekannt, bei dem ein Turbinenrad und eine Stahl-Welle durch einen Lötvorgang miteinander verbunden werden. Hierfür werden das Turbinenrad und die Welle durch eine Hochfrequenzinduktionserwärmung in einer Atmosphäre von Inertgas oder Reduktionsgas auf eine Temperatur aufgeheizt, welche höher als die Schmelztemperatur des Lötmetalls ist, aber die Schmelztemperatur nicht um 100°C übersteigt. Das Turbinenrad und die Welle werden auf dieser Temperatur gehalten, um die Verbindung durch den Lötvorgang ausführen zu können.
• Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil eines relativ hohen technischen Aufwandes.
• Es ist demgegenüber Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden eines vorzugsweise aus TiAl bestehenden Turbinenrades und einer aus Stahl ausgebildeten Welle zu schaffen, das einen technisch geringeren Aufwand erfordert. Ferner ist es Aufgabe, einen Turbinenrotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6 zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und eine sichere Verbindung von Turbinenrad und Welle ermöglicht.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 6.
• Erfindungsgemäß ist es möglich, beim Verbinden von Turbinenrad und Welle durch das elektronische Stahllöten eine definierte Diffusionszone im Turbinenrad und an der Welle (Stahlwelle) zu erreichen. Hierzu wird der Wärmeeintrag in das jeweilige Material des Turbinenrades bzw. der Welle genau gesteuert.
• Die Unteransprüche 2 bis 5 haben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Inhalt.
• Vorzugsweise wird der Elektronenstrahl/Lötstrahl (EB-Strahl) so aufgeteilt, dass er abwechselnd die jeweiligen Temperaturfenster auf jedem der Fügepartner (Turbinenrad/Stahlwelle) abfährt.
• Vorzugsweise werden hierbei die Fügepartner gleichzeitig während des Wärmeeintrages gleichförmig mit einer definierten Drehzahl gedreht.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Verbindungsprozess in der Prozesskammer einer EB-Maschine unter Vakuum durchgeführt.
• Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
• Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines Turbinenrotors (Turbinenläufers) 1, der der Turbinenrotor eines Abgasturboladers sein kann. Der Turbinenrotor 1 weist dementsprechend ein Turbinenrad 2 auf, das vorzugsweise aus Titanaluminid hergestellt ist.
• Wie die Figur verdeutlicht, ist das Turbinenrad 2 mit einer Welle, vorzugsweise einer Stahlwelle, z. B. aus Baustahl oder einem martensitischen Stahl, verbunden. Hierfür weist der Turbinenrotor 1 eine Verbindungseinrichtung 8 auf, die als Elektronenstrahl-Lötstelle ausgebildet ist. Die Verbindungseinrichtung 8 kann ergänzend mit einer wählbaren Fügegeometrie versehen sein, wie z. B. mit einem Zapfen an einem Fügepartner, und, am anderen Fügepartner, einer Ausnehmung zum Einsetzen des Zapfens.
• Die Lötstelle 8 ist hierbei zwischen der Rückseite 4 des Turbinenrades 2 und einer Stirnseite 4' der Welle 3 angeordnet, wie sich dies im Einzelnen aus der Darstellung der Figur ergibt.
• Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Turbinenrotors 1 ist strichpunktiert eine Elektronenstrahl-Lötmaschine 6 dargestellt, die eine Prozesskammer 7 aufweist, die unter Vakuum steht. Somit ist es möglich, den durch den Pfeil 5 symbolisierten Elektronenstrahl-Lötprozess unter Vakuum durchzuführen, wobei der EB-Strahl 5 derart aufgeteilt werden kann, dass er abwechselnd die jeweiligen Temperaturfenster der Fügepartner 2, 3 abfährt.
• Wie eingangs erläutert, sind die vom Turbinenrad 2 und der Welle 3 gebildeten Fügepartner während des Lötvorgangs einer definierten gleichförmigen Drehung unterworfen.
• Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit zu deren Ergänzung explizit auf die Zeichnung Bezug genommen.
• Bezugszeichenliste

1

Turbinenrotor/Turbinenläufer

2

Turbinenrad

3

Welle

4

Rücken des Turbinenrades

4'

Stirnfläche der Welle 3

5

EB-Strahl

6

EB-Maschine

7

Vakuumkammer

8

Verbindungseinrichtung (Lötstelle)

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen eines Turbinenrotors (1), der als Fügepartner ein Turbinenrad (2) aus TiAl und eine aus Stahl hergestellte Welle (3) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen des Turbinenrades (2); – Bereitstellen eines Lotes; – Bereitstellen der Welle (3); und – Verbinden des Turbinenrades (2) und der Welle (3) durch Elektronenstrahllöten mittels eines Elektronenstrahls (5).
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt: – Aufteilen des Elektronenstrahls (5) zum abwechselnden Abfahren der den Fügepartnern (2, 3) jeweils zugeordneten Temperaturfenstern.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (2, 3) gleichzeitig während des sich ergebenden Wärmeeintrages gleichförmig mit einer definierten Drehzahl gedreht werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt des Verbindens der Fügepartner (2, 3) unter Vakuum erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum in einer Prozesskammer (7) einer EB-Maschine (6) erzeugt wird.
6. Turbinenrotor (1) – mit einem Turbinenrad (2) aus TiAl; – mit einer Welle (3) aus Stahl; und – mit einer Verbindungseinrichtung (8) zwischen einem Turbinenradrücken (4) und einer Stirnfläche (4') der Welle (3), dadurch gekennzeichnet, – dass die Verbindungseinrichtung (8) als Elektronenstrahl-Lötstelle ausgebildet ist.
7. Turbinenrotor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (8) eine wählbare Fügegeometrie umfasst.

Images