Abgasturboladers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Turbinenrad und einer Welle eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen durch ein solches Verfahren hergestellten Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Bei einem Abgasturbolader liegt das Turbinenrad im heißen Abgasstrom des Motors. Mit dem Turbinenrad unlösbar verbunden ist eine gelagerte Welle, welche von Öl umflossen ist. Um eine ausreichende Dichtheit zwischen dem mit Öl gefüllten Wellengehäuse und dem gasbefüllten Turbinenradgehäuse zu erreichen, weist die Welle in der Nähe der Verbindungsstelle mit dem Turbinenrad einen Dichtbereich mit mehreren ringförmigen Nuten zur Aufnahme von Kolbenringen auf. Dieser Bereich zwischen Turbinenrad und Welle ist jedoch aufgrund steigender spezifischer Literleistungen moderner Motoren und verschärfter gesetzlicher Vorgaben sehr hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt .

Aus der DE-OS 27 34 747 ist ein Verfahren zur Verbindung der Welle mit dem Turbinenrad eines Abgasturboladers mittels Schweißen bekannt. Um trotz der hohen thermischen Belastung eine hohe Dichtheit und Verschleißbeständigkeit des

Dichtbereichs zu erzielen, werden sowohl für die Welle als auch für das Turbinenrad hochwertige Werkstoffe verwendet.

Dies führt jedoch zu hohen Kosten für die Herstellung des Abgasturboladers .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

Abgasturbolader sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen, der bei geringen Kosten für seine Herstellung im Dichtbereich der Welle eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst .

Danach wird ein Verfahren zur Verbindung eines Turbinenrades mit einer Welle eines Abgasturboladers vorgeschlagen, bei dem mit einem energiereichen Strahl im gleichen Arbeitsschritt die schweißtechnische Verbindung der Welle mit dem Turbinenrad sowie eine Oberflächenbehandlung des Dichtbereichs der Welle durchgeführt werden. Dadurch, dass im gleichen Verfahrensschritt mit dem Fügen die besonders beanspruchten Bereiche einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden und damit ihre Verschleißfestigkeit lokal erhöht wird, können Welle und Turbinenrad an sich aus weniger hochwertigen und damit kostengünstigeren Werkstoffen gefertigt werden.

Durch die Tatsache, dass für das gesamte Verfahren nur eine Strahlquelle verwendet wird, werden die Investitionskosten für das Verfahren gesenkt .

Weiterhin ist es mit diesem Verfahren möglich, das Fügen und die Oberflächenbehandlung in einer einzigen Einspannung für die Bauteile in einer Spannvorrichtung durchzuführen. So ist

man in der Lage, die Prozesskosten und die Taktzeiten zu senken.

Ferner wird zur Durchführung des Verfahrens nur eine Arbeitskammer benötigt. Dies ist besonders beim Elektronenstrahlschweißen vorteilhaft, da dann nur einmal ein Vakuum erzeugt werden muss.

Vorteilhafterweise wird als energiereicher Strahl ein Elektronenstrahl verwendet. Dies bietet den Vorteil, dass mit einem Elektronenstrahl hohe Strahlleistungen zur Verfügung stehen, was die Bearbeitungszeiten und somit die Taktzeiten entsprechend gering hält (Anspruch 2) .

Alternativ wird als energiereicher Strahl ein Laserstrahl verwendet. Dieser besitzt den Vorteil, dass mit einem Laserstrahl Arbeiten unter Atmosphärendruck möglich sind, dass also kein Vakuum erzeugt werden muss. Weiterhin sind auch bei der Verwendung von Laserstrahlen hohe Strahlleistungen mit entsprechend kurzen Bearbeitungszeiten verfügbar (Anspruch 3) .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Oberflächenbehandlung ein lokales Aufhärten der Welle im Dichtbereich. Dieses Verfahren ist besonders einfach durchführbar, da im Dichtbereich die Oberfläche lediglich durch den energiereichen Strahl auf die Härtetemperatur erhitzt werden muss und sich anschließend die gewünschte Gefügeumwandlung des oberflächennahen Bereichs infolge von Selbstabschreckung vollzieht (Anspruch 4) .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Oberflächenbehandlung ein lokales Auflegieren der Welle im Dichtbereich. Im Vergleich zum Härten können hier durch das

Einbringen eines neuen Legierungselements in das Grundmaterial der Welle die Stoffeigenschaften im weiten Umfang geändert werden (Anspruch 5) .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Oberflächenbehandlung ein lokales Aufschweißen eines Zusatzwerkstoffes auf den Dichtbereich der Welle. Dies bietet den Vorteil, dass völlig unabhängig vom Grundwerkstoff der Welle eine verschleißfeste Schicht gewünschter Ausprägung auf den Dichtbereich aufgebracht werden kann (Anspruch 6) .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden im Zuge der Oberflächenbehandlung lokal Hartstoffe in den durch den energiereichen Strahl aufgeschmolzenen Dichtbereich der Welle eingebracht. Durch dieses Verfahren wird eine zusätzliche Härtesteigerung der Oberfläche gegenüber dem Werkstoff des Kolbenringes ermöglicht (Anspruch 7) .

Vorteilhafterweise erfolgt die Oberflächenbehandlung durch eine Umlenkung des energiereichen Strahls auf den Dichtbereich. So kann die Oberflächenbehandlung direkt im Anschluss an das Fügen vorgenommen werden, ohne dass die Position der Quelle des energiereichen Strahls verändert werden muss . Die Oberflächenbehandlung kann auf diese Weise sogar gleichzeitig mit dem Fügen vorgenommen werden (Anspruch 8).

Weiterhin wird ein Abgasturbolader vorgeschlagen, bei dem die Schweißverbindung zwischen Welle und Turbinenrad durch einen energiereichen Strahl hergestellt ist, mit welchem im gleichen Arbeitsschritt eine lokale Oberflächenbehandlung des Dichtbereichs erfolgt (Anspruch 9) .

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Turbinenrad, Welle und Verdichterrad eines

Abgasturboladers , Fig. 2 Welle und Turbinenrad während der Durchführung des

Verfahrens sowie Fig. 3 eine Detailansicht der Fügestelle und des

Dichtbereichs .

In Fig. 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Zusammenbau der rotierenden Komponenten eines Abgasturboladers 5 dargestellt. Dabei handelt es sich zum einen um ein Turbinenrad 3, welches im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordnet ist und von diesen heißen Abgasen in Rotation versetzt wird. Das Drehmoment des Turbinenrades 3 wird über eine drehfest damit verbundene Welle 1 an ein Verdichterrad 17 weitergeleitet, welches seinerseits die zum Motor führende Ansaugluft verdichtet . Welle 1 und Turbinenrad 3 sind an einer Fügestelle 7 miteinander verbunden. So können sie aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

Während Turbinenrad 3 und Verdichterrad 17 von Gasen umströmt werden, wird die Welle 1, welche an zwei Lagerstellen 21,23 gelagert ist, von Öl umflossen. Aus diesem Grund müssen die Gehäuse von Turbinenrad 3, Welle 1 und Verdichterrad 17 gut gegeneinander abgedichtet sein.

Die Abdichtung zwischen Turbinenrad 3 und Welle 1 erfolgt in einem Dichtbereich 9 mit Hilfe von Dichtringen in Form von Kolbenringen aus einem hochwertigen Stahlwerkstoff, welche in

einer oder mehreren, in diesem Ausführungsbeispiel zwei ringförmigen Nuten 11 liegen. Da diese Stelle wegen der hohen Temperaturen des Abgases hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist, werden an die Oberflächengüte der Welle 1 im Dichtbereich 9 hohe Anforderungen gestellt. Ist dieser Bereich nicht ausreichend verschleißfest, so können die Kolbenringe im Laufe der Betriebsdauer das Material der Welle 1 abtragen oder sich darin einarbeiten oder verkeilen, was zu Undichtigkeiten und evtl . einer darauf folgenden bleibenden Schädigung des Abgasturboladers 5 führen kann.

Wenn nun aus Kostengründen oder aus Gründen der Gewichtsersparnis nicht die gesamte Welle 1 aus einem hochwertigen, verschleißfesten Material hergestellt werden soll, besteht die Möglichkeit der lokalen, auf den Dichtbereich 9 begrenzten Veränderung der

Oberflächeneigenschaften der Welle 1. So kann die Welle 1 an sich aus einem kostengünstigeren Stahlwerkstoff gefertigt werden. Im folgenden Ausführungsbeispiel wird als Oberflächenbehandlung ein Härteverfahren gewählt.

Fig. 2 zeigt den Zusammenbau aus Welle und Turbinenrad während der Durchführung des Verfahrens. Die Figur zeigt weiterhin einen dabei verwendeten energiereichen Strahl 13.

Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den energiereichen Strahl 13 um einen Elektronenstrahl 15.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst die vorgefertigte Welle 1 sowie das vorgefertigte Turbinenrad 3 in eine hier nicht dargestellte

Spannvorrichtung eingesetzt. Die beiden Werkstücke 1,3 werden dabei exakt zueinander ausgerichtet. Anschließend wird die Baugruppe 4, bestehend aus Welle 1 und Turbinenrad 3,

gemeinsam mit der Spannvorrichtung in eine Arbeitskammer eingebracht . Dann wird in dieser Arbeitskammer ein Vakuum erzeugt. In der gleichen Arbeitskammer befindet sich auch der Elektronenstrahl 15. Im nächsten Verfahrensschritt werden mit Hilfe des Elektronenstrahls 15 die Welle 1 und das Turbinenrad 3 an der Fügestelle 7 miteinander verbunden. Dies kann beispielsweise geschehen, indem die Baugruppe 4 durch die Spannvorrichtung um ihre Mittelachse 16 unter dem ortsfest angeordneten Elektronenstrahl 15 hindurch rotiert wird. Umgekehrt kann auch der Elektronenstrahl 15 während der Bearbeitung in Umfangsrichtung der Welle 1 um die Fügestelle 7 herum bewegt werden.

Ist der Fügevorgang abgeschlossen, verbleibt der nunmehr hergestellte Verbund 8 aus Welle 1 und den damit fest verbundenen Turbinenrad 3 in der Spannvorrichtung. Nun wird die lokale Oberflächenbehandlung bzw. die Veränderung der Stoffeigenschaften der Oberfläche der Welle 1 im Dichtbereich 9 durchgeführt, und zwar auch mit Hilfe des Elektronenstrahls 15. Dazu wird durch eine geeignete Ablenkung des Elektronenstrahls 15, ohne seine Position zu verändern, durch geeignete optische Maßnahmen ein Umlenkmuster 25 erzeugt, welches, wie in Fig. 2 dargestellt, eine gleichmäßige Bestrahlung des Dichtbereichs 9 realisiert. Dieses Umlenkmuster 25 ist auf die spezielle Geometrie des Dichtbereichs 9 der Welle 1 angepasst.

Im Zuge der Oberflächenbehandlung rotiert beispielsweise, wie schon beim Fügevorgang dargestellt, der Verbund 6 unter dem umgelenkten Elektronenstrahl 15 hindurch. Auf diese Weise wird die gesamte Oberfläche des Dichtbereichs 9 auf die Härtetemperatur des Werkstoffs erwärmt . Da bei der Oberflächenbehandlung nur die Oberfläche und oberflächennahe Gebiete mit geringer Eindringtiefe erwärmt werden, erfolgt

die anschließende Abkühlung mit Gefügeveränderung durch Selbstabschreckung bzw. durch Wärmeabfuhr an die Umgebung sowie die vom Elektronenstrahl 15 nicht erwärmten Bereiche der Welle 1. Durch diese schnelle Abkühlung wird lokal die Härte in den bestrahlten Bereichen erhöht . Dadurch wird für den gesamten Bauteilverbund 8 an dem stark beanspruchten Dichtbereich 9 die gewünschte hohe Verschleißfestigkeit erreicht.

Das Ergebnis des Verfahrens ist in Fig. 3 dargestellt. Dort ist ein Schnitt durch Welle 1 und Turbinenrad 3 nach der Durchführung des Verfahrens dargestellt. Zu erkennen ist die Fügestelle 7, an der Welle 1 und Turbinenrad 3 mit Hilfe des Elektronenstrahls 15 zusammengefügt wurden. In dem benachbarten Dichtbereich 9, der die beiden Nuten 11 umfasst, ist durch ein entsprechend angepasstes Umlenkmuster 25 des Elektronenstrahls 15 ein veränderter Bereich 27 mit höherer Härte als die übrige Welle 1 erzeugt worden. Die Eindringtiefe des Elektronenstrahls 15 und somit die Tiefe des veränderten Bereichs 27 ist dabei beispielsweise über die Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit des Verbundes 8 in der Spannvorrichtung und die dadurch bedingte Steuerung der Verweildauer des abgelenkten Elektronenstrahls 15 auf der Oberfläche des Dichtbereichs 9 exakt einstellbar.

Während das Verfahren in diesem ^' Ausführungsbeispiel mit einem Elektronenstrahl 15 durchgeführt wird, ist es alternativ auch möglich, einen Laserstrahl als energiereichen Strahl 13 zu verwenden. Wird ein Laserstrahl verwendet, der kein Vakuum benötigt, so kann die Oberflächenbehandlung auch in einer von der für den Fügeprozess verwendeten separaten Arbeitskammer durchgeführt werden. Es ist dann beispielsweise möglich, die Oberflächenbehandlung gemeinsam mit einem sich daran anschließenden Bearbeitungsvorgang, wie z.B. einer spanenden

Bearbeitung der Oberfläche der Fügestelle 7, in einer folgenden Bearbeitungsmaschine durchzuführen, da sich die Laserleistung zwischen räumlich getrennten Bearbeitungsstationen umschalten lässt.

Neben der oben beschriebenen Oberflächenbehandlung durch Härten sind prinzipiell drei andere Arten der Oberflächenbehandlung mit diesem Verfahren realisierbar:

Zum einen können Hartstoffe in den Dichtbereich 9 eingebracht werden, indem dieser zunächst durch den energiereichen Strahl 13 aufgeschmolzen wird. Anschließend werden in die Schmelze Hartstoffe eingebracht, um die Verschleißbeständigkeit lokal zu erhöhen. Hierbei wird die Beständigkeit des Legierungssystems durch Art, Menge, Größe und Verteilung der Hartstoffe beeinflusst. Mögliche Hartstoffe sind dabei Vanadinkarbid (VC) , Wolframkarbid (WC) , Titankarbid (TiC) , Chromkarbid (Cr ₃ C ₂ ) , Molybdänkarbid (Mo ₂ C) , Niobkarbid (NbC) oder Stahl . Von den hier aufgeführten Werkstoffen weist Vanadinkarbid die größte Härte auf .

Eine weitere mögliche Oberflächenbehandlung ist das Aufschweißen eines Zusatzwerkstoffes auf die Oberfläche des Dichtbereichs 9. Die Zusammensetzung dieses Zusatzwerkstoffes ist dabei unabhängig von der des Grundwerkstoffs der Welle 1. So entsteht eine verschleißfeste Schicht auf dem Dichtbereich 9.

Die dritte alternative Oberflächenbehandlung besteht im Auflegieren des Dichtbereichs 9. In diesem Fall wird der Dichtbereich 9 an der Oberfläche durch den energiereichen Strahl 13 lokal aufgeschmolzen. Anschließend wird ein Legierungswerkstoff in die Schmelze eingebracht, der sich mit

dem Grundwerkstoff der Welle 1 verbindet. So bildet sich eine verschleißfeste legierte Schicht auf der Oberfläche.

In allen vier Fällen ist es mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens möglich, mit einem einzigen StrahlWerkzeug in einer Arbeitskammer in einem Verfahrensschritt gleichzeitig das Fügen der Einzelbauteile 1,3 sowie die gewünschte Erhöhung der Verschleißfestigkeit der besonders beanspruchten Bereiche 9 durch eine lokale Änderung der Stoffeigenschaften durchzuführen.

Das Verfahren sowie der durch das Verfahren hergestellt Abgasturbolader 5 sind nicht beschränkt auf die oben aufgeführten Ausführungsbeispiele .

Vielmehr entspricht die Reihenfolge der aufgeführten Verfahrensschritte nicht zwingend der oben angegebenen. Es kann beispielsweise zunächst die Oberflächenbehandlung mit Hilfe des energiereichen Strahls 13 und erst dann der Fügeprozess durchgeführt werden.

Statt des oben beschriebenen Umlenkmusters 25, welches durch eine geeignete Ablenkung des energiereichen Strahls 13 erzeugt wird, sind auch andere Verfahren denkbar, mit Hilfe des energiereichen Strahls 13 den Dichtbereich 9 lokal zu erwärmen, beispielsweise das Überstreichen des Dichtbereichs 9 durch einen sich entlang der Mittelachse 16 der Welle 1 bewegenden energiereichen Strahl 13.