废气涡轮机的涡轮机转子以及用于制造涡轮机转子的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于废气涡轮机的涡轮机转子(1)以及一种用于制造这种涡轮机转子(1)的方法，其中，涡轮机转子(1)具有由耐高温的金属合金构成的涡轮机叶轮(2)和由钢构成的转子轴(4)，叶轮轮毂(3)和转子轴端部通过钎焊连接而材料配合地(6)相互连接。在叶轮轮毂(3)与转子轴端部的端面之间，与涡轮机转子旋转轴线同心地设置有充有钎焊合金的钎焊缝隙，其中，钎焊缝隙宽度由在叶轮轮毂端面上的或者在转子轴端部的端面上的圆形环绕的材料去除部分预定，钎焊连接采用电子束钎焊方法来产生。
【专利说明】废气涡轮机的涡轮机转子以及用于制造涡轮机转子的方法
[0001]本发明涉及一种废气涡轮机的涡轮机转子以及一种用于制造涡轮机转子的方法。
[0002]这种涡轮机转子由作为结构单元的涡轮机叶轮和转子轴构成，且例如是废气涡轮增压机的工作轮的一部分，并用于把在内燃机废气中含有的废气能量转变为工作轮的旋转能量，还把这种旋转能量传递到于涡轮机转子连接的压缩机轮上，借助于压缩机轮，利用旋转能量来使得输送给内燃机的空气产生提高的压力，进而提高内燃机的功率和效率。
[0003]替代地，例如也可以使得发电机与涡轮机转子耦接，借助于发电机使得旋转能量转变为电能，电能又能在多方面得到利用。
[0004]但这种主要应用领域涉及用于汽车中的内燃机的废气涡轮增压机，因此，为便于理解，此后在说明书中参见废气涡轮增压机。
[0005]废气涡轮增压机广泛地应用于提高汽车内燃机的功率。此点日益频繁，其目的是，在功率相同或者甚至提高的情况下，减小内燃机的结构尺寸和重量，同时针对日益严格的法律规定在此方面减少消耗，进而减少CO2排放。工作原理在于，利用废气流中含有的能量来提高内燃机进气道中的压力，从而改善对燃烧室的空气-氧气填充度，进而能在每次燃烧过程中都利用更多的动力燃料即汽油或柴油，因而提高内燃机的功率。
[0006]为此，废气涡轮增压机具有设置在内燃机废气道上的涡轮机和设置在进气道上的压缩机，压缩机带有能建立压力的压缩机叶轮。涡轮机叶轮和转子轴材料配合地相互连接，由此形成一个结构单元。压缩机叶轮抗扭地固定在涡轮机转子的转子轴的与涡轮机叶轮相对的端部上，其中，转子轴可转动地支撑在布置于涡轮机与压缩机之间的轴承单元中。由此借助于废气质量流驱动涡轮机转子，而通过转子轴又驱动压缩机叶轮，由此利用废气能量在进气道中建立压力。
[0007]涡轮机轮在工作时位于热的废气流中，进而受到很大的温度波动，其中，尖峰温度乃至达到高于1000°C。同时，涡轮机转子以高达300000U/min的很高的转速旋转，因此，由于所出现的大的离心力而使得涡轮机叶轮特别是涡轮机轮叶片遭受很大的机械负荷。此夕卜，特别是涡轮机轮的质量对于涡轮机的动态响应特性意义重大，这与按照大负荷对涡轮机叶轮进行的大质量设计背道而驰。
[0008]因此针对涡轮机叶轮广泛地采用耐高温的金属合金，比如钛-铝合金(TiAl合金或铝化钛)或Ni基合金，其特点尤其在于其在高温情况下的高的比强度还有低的比重。此夕卜，这种耐高温的金属合金的热膨胀系数很接近于在涡轮机制造中常用的金属，这有助于避免因热膨胀不同引发的问题。实际上使用内部金属混合物，其主要成分为钛和铝或镍。
[0009]例如由DE 10 2007 048 789 Al也已知，对于TiAl合金来说，完全可以改变具体的合金组分，还可以含有其它成分，其通常的特点为，钛含量介于50%和60%之间(重量含量)，而铝含量>25% (重量含量)。其它成分例如可以为Cr、Nb、B、C或Mo。钛合金形成四方晶系的所谓的Y-TiAl相(伽马-铝化钛)，且根据其它不同相的含量而称为伽马合金、二相合金或片层合金。
[0010]Ni 基合金例如是 Inco 713C、Inco 713LC、MAR-M246、MAR-M 247、B1964、IN100 或GMR-235。
[0011]在下面的论述中，所有这些合金组织都统一地称为“耐高温的金属合金”。
[0012]另一方面，转子轴是涡轮机转子的支撑系统的一部分，且必须能够承受较大的变化弯曲负载，必须至少在支撑区域具有足够硬的外层，以便避免轴承卡住。另一方面，转子轴不像涡轮机叶轮那样遭受极高的温度。
[0013]适合于这种应用的相应材料例如为钢、特别是结构钢、低合金的或高合金的调质钢，比如 42CrMo4(l.7225)、X22CrMoV12-l (1.4923)或 X19CrMoNbVNll_l (1.4913)，或者还有超合金比如Inconel或Incoloy (也参见DE 10 2007 048 789 Al)。这些材料在下面的论述中简单地统一地称为钢。
[0014]为了能够利用相应材料的各自优点，涡轮机转子因而由上述组分制成，涡轮机叶轮由耐高温的金属合金制成，转子轴由钢制成，结果必须有利地借助于材料配合连接而接合成一个结构单兀。
[0015]材料配合连接的连接各方借助原子力或分子力而接合，是不可松开的连接，只有在损坏的情况下才能再松开。相关地，材料配合连接尤其系指焊接和钎焊连接。
[0016]例如由DE 697 24 730 T2已知，相关地结合其它材料组分已知的摩擦焊接法只能有限地使用。其原因是，若采用摩擦焊接法，钢在冷却时由奥氏体转变为马氏体，这种转变引起钢的延展，造成剩余应力，即使涡轮机叶轮的材料具有高硬度，室温下的形变也要大约小于1%，因而叶轮会出现断裂。此外，TiAI与钢中的碳C会发生反应，进而在连接接口处形成碳化钛，接口处的硬度因而急剧下降。
[0017]焊接法的共同之处是，由于高温，甚至超过要连接的材料的熔点，也由于在冷却时产生固有应力，常常在焊缝区域形成裂纹，进而造成连接消弱。
[0018]为了避免该问题，在DE 697 24 730 T2中提出了一种钎焊方法，据此，在连接双方即涡轮机叶轮与转子轴之间加入钎焊材料，这种钎焊材料例如具有奥氏体组织。
[0019]根据DIN 8505，钎焊是一种用来使得材料按材料配合方式接合的热学方法，其中，通过焊料熔化而产生液相，因焊料在边界面扩散而产生连接。与焊接相比，另一主要区别是，这里并未达到连接各方的基本材料的固相线温度。
[0020]因此，这种过程是在比焊接低的温度下进行的，在接合部位很少产生固有应力。另夕卜，使用相应的焊料作为焊接各方之间的中间材料，这样能防止形成对硬度不利的组织结构。根据DE 697 24 730 T2，作为钎焊材料，有利地主要采用基于镍、铜、银或钛的金属合金。
[0021]这些连接工艺的一个特殊问题在于对连接双方之间的钎焊层厚度的控制，进而在于对制成的涡轮机转子的总长度的控制。
[0022]另一问题在于，即使钎焊温度较低也有可能超过转子轴所用的钢的奥氏体温度，致使钢发生软化。这种问题越严重，钎焊连接周围的变热区域就越大，有时甚至蔓延至转子轴的支撑区域。尤其在采用燃烧器、感应线圈或者甚至加热炉进行加热的常用方法中会出现这种情况。因此，不可避免地要事后重新对转子轴进行耗成本又耗时的再加工以及硬化。这对工业大批量生产来说极为不利。
[0023]因此，本发明的目的在于，提出一种用于废气涡轮机的涡轮机转子，它由涡轮机叶轮和钢质转子轴构成，涡轮机叶轮由耐高温的金属合金制成，转子轴采用钎焊方法与所述涡轮机叶轮连接，其中，焊缝宽度是确定的，进而制成的涡轮机转子的确切长度是确定的，以及转子轴的特别是轴承区域的硬度是确定的，而无需额外的事后处理。目的还在于提出一种用于制造这种涡轮机转子的方法，该方法可成本低廉地在工业上在大批量生产中采用。
[0024]所述目的通过一种具有根据权利要求1的特征的涡轮机转子以及一种具有根据权利要求5的特征的用于制造这种涡轮机转子的方法得以实现。从属权项所述为有利的设计和改进，其可单独使用，或者相互组合地使用，只要不是相互抵触的替代式设计。
[0025]本发明的用于废气涡轮机的涡轮机转子具有涡轮机叶轮和转子轴，涡轮机叶轮带有叶轮轮毂，转子轴带有面向叶轮根部的转子轴端部。涡轮机叶轮由耐高温的金属合金构成，且优选采用常见的精铸方法制得。涡轮机叶轮具有基体以及叶轮轮毂，基体在前侧带有叶片组，叶轮轮毂的形式为同心地设置在基体的背侧的柱形区段。
[0026]转子轴由钢构成，且优选为了以后的应用而加工好，并至少在以后的轴承部位的区域被硬化。
[0027]叶轮轮毂和转子轴端部通过钎焊连接而材料配合地相互连接，其中，在叶轮轮毂与转子轴端部的端面之间，与涡轮机转子旋转轴线同心地设置有充有钎焊合金的钎焊缝隙。作为钎焊材料，有利地主要采用基于镍、铜、银或钛的金属合金。本发明的涡轮机转子的特点主要是，钎焊缝隙宽度由在叶轮轮毂端面上的或者在转子轴端部的端面上的材料去除部分预定，该材料去除部分圆形环绕地从外边缘仅沿着半径的一部分延伸，钎焊连接采用电子束钎焊方法来产生。钎焊缝隙同心地布置，且由在端面之一上的圆形环绕的材料去除部分构成，其中，材料去除部分进而钎焊缝隙并非沿着相应端面的整个半径延伸，这意味着，原端面的一部分保留下来，从而在叶轮轮毂和转子轴的端面相互贴靠时，材料去除部分形成规定的钎焊缝隙。相应的材料去除可以有选择地既可以在叶轮轮毂端面上进行，又可以在转子轴端部的端面上进行，或者在两个侧面上进行。
[0028]本发明的涡轮机转子的优点主要在于，在任何情况下都能保证规定的优化的钎焊缝隙宽度，而与在两个工件接合时所施加的力无关。这有助于钎焊连接的恒定的质量及其强度。而且，由于在空间上受限地引入热量，转子轴的硬化在轴承部位区域不会受到不利影响，且可以省去额外的硬化过程。由于温度整体较低，在连接区域中也不会出现形成裂纹。这是本发明的涡轮机转子在大批量生产中应用比如在汽车内燃机的涡轮增压器中应用的主要前提条件。
[0029]在本发明的涡轮机转子的有利设计中，作为涡轮机叶轮的耐高温的金属合金，采用TiAl合金或Ni基合金，而针对转子轴则采用低合金的或高合金的调质钢或者采用奥氏体钢。其优点是，可以由大量已知的材料进行优化的组合。
[0030]本发明的涡轮机转子的一个有利设计的特点是，圆形环绕的材料去除部分形成带有一定梯段高度的环形梯段，或者形成相对于相应工件以一定的缝隙角度α向外倾斜的锥形面，从而形成向外开口的钎焊缝隙和在涡轮机转子旋转轴线方向上与该钎焊缝隙连接的圆形的端侧接触面，该接触面直接贴靠在相对的端面上。因此，从转子轴或叶轮轮毂的外围起，沿旋转轴线的方向，仅在半径的一部分内进行材料去除，从而在相应的中央留下一部分最初的端面，且形成用于正相对的那个工件的接触面。由此规定了具有规定宽度和长度的钎焊缝隙，进而规定了连接面。这在批量生产中使得钎焊连接的强度保持一致。同时，涡轮机转子具有恒定的总长度。
[0031]在前述有利设计的改进中，叶轮轮毂或转子轴端部在相应的端面上具有居中布置的盲孔，该盲孔在涡轮机叶轮与转子轴之间的通路上用作热量节制件。在这里，盲孔直径比端侧接触面的直径小很多，从而形成环形接触面，其环宽度至少为0.5_。盲孔既可以设置在与材料去除部分相同的工件即涡轮机转子或转子轴上，或者也可以有选择地设置在没有材料去除部分的其它的相应工件上。在第二种情况下，端侧接触面只有在接触面与盲孔相搭叠的区域内才贴靠在对面的工件上。
[0032]这种设计的优点是，尽管在叶轮轮毂或转子轴的端面之一上设置有作为热量节制件的盲孔，却能保证规定的钎焊缝隙宽度。
[0033]按照本发明的涡轮机转子的第一次提到的有利设计的改进方案，环形梯段的梯段高度在0.05_和0.15_之间选择，或者缝隙角度α经过适当选择，使得钎焊缝隙的外围宽度不超过0.20mm。在钎焊缝隙宽度或几何尺寸处于前述范围内情况下，涡轮机叶轮与转子轴之间的连接部位具有最佳的强度值。
[0034]本发明的用于制造前述涡轮机转子的方法的特点在于如下方法步骤:
[0035]-首先准备由耐高温的金属合金构成的带叶轮轮毂的涡轮机叶轮，并准备由钢构成的转子轴。涡轮机叶轮优选采用常用的精铸方法制得，且具有基体以及叶轮轮毂，基体在前侧带有叶片组，叶轮轮毂的形式为同心地设置在基体的背侧的柱形区段。
[0036]-然后在叶轮轮毂或转子轴的端面之一上产生圆形的同心的材料去除部分，其中，材料去除部分进而钎焊缝隙从外面开始并不沿着相应端面的整个半径延伸，从而圆形环绕的材料去除部分形成带有一定梯段高度的环形梯段，或者形成相对于相应工件以一定的缝隙角度α向外倾斜的锥形面，从而在叶轮轮毂和转子轴的端面之间形成向外开口的钎焊缝隙和在涡轮机转子旋转轴线方向上与该钎焊缝隙连接的圆形的端侧接触面。
[0037]-随后在前一步骤之后，在叶轮轮毂或转子轴的端面之一上，在材料去除部分的相应区域中涂敷钎焊材料，其中最好使用基于镍、铜、银或钛的金属合金。
[0038]-然后把两个工件即涡轮机叶轮和转子轴接合起来，并彼此对中地朝向。这通过工件的夹紧在为此而设计的装置中进行，使得端侧接触面直接贴靠在另一工件的正相对的端面上，并使得钎焊材料位于钎焊缝隙中。
[0039]-然后借助于电子束在钎焊缝隙中对钎焊材料和紧接着的叶轮轮毂及转子轴的端面区域进行加热，直至达到预定的高于钎焊材料熔点的钎焊温度。
[0040]-在达到钎焊温度之后，利用电子束受控地输送能量，由此在预定的时间内将该钎焊温度尽可能保持恒定。这能实现用焊料把连接面润湿，进而改善使焊料扩散到相对的连接面中的扩展过程。
[0041]用来执行加热和保温过程的一个可行方案例如在于，使得电子束成点状地聚焦到钎焊缝隙的一个区段上，并使得涡轮机转子即涡轮机叶轮和转子轴共同地以预定的转速围绕其旋转轴线旋转。
[0042]-随后冷却工件，熔融的焊料因而发生凝固，由此在涡轮机叶轮和转子轴之间产生钎焊连接；
[0043]-在钎焊部位硬化之后，把涡轮机转子从装置中取出。
[0044]根据本发明的用于制造本发明的涡轮机转子的方法的优点主要在于，在任何情况下都能产生具有恒定质量的钎焊连接，同时产生规定的钎焊缝隙宽度，进而使得涡轮机转子有规定的总长度。在空间上受限地快速引入能量，这样就能实现短暂的处理时间，而无需转子轴的事后硬化过程。这是本发明的方法在大批量生产中应用比如在汽车内燃机的涡轮增压器中应用的主要前提条件。
[0045]用于制造本发明的涡轮机转子的方法的一种有益改进的特点是，在一个附加的方法步骤中在叶轮轮毂或转子轴端部上开设出居中布置的盲孔，使得盲孔直径比端侧接触面的直径小很多，从而形成环形接触面，其环宽度至少为05mm。
[0046]开设出的该盲孔在涡轮机叶轮与转子轴之间用作热量节制件，并减少在工作中热量传递到转子轴上。同时可以实现具有规定长度和宽度的钎焊缝隙，由此提高钎焊连接的质量。
[0047]简短地总结一下，本发明涉及一种废气涡轮机的涡轮机转子以及一种用于制造这种涡轮机转子的方法，其中，涡轮机转子具有由TiAl合金构成的涡轮机叶轮和由钢构成的转子轴，叶轮轮毂和转子轴端部通过钎焊连接而材料配合地相互连接。在叶轮轮毂与转子轴端部的端面之间，与涡轮机转子旋转轴线同心地设置有充有钎焊合金的钎焊缝隙，其中，钎焊缝隙宽度由在叶轮轮毂端面上的或者在转子轴端部的端面上的材料圆形环绕的去除部分预定，钎焊连接采用电子束钎焊方法来产生。
[0048]下面参照附图详述本发明的具体实施例。
[0049]其中:
[0050]图1为本发明的涡轮机转子的一个实施方式的并非尺寸精准的简化的示意图；
[0051]图2以放大图的形式示出在图1中标出的采用两种不同设计的细节；
[0052]图3为本发明的涡轮机转子的另一实施方式的并非尺寸精准的简化的示意图；
[0053]图4以放大图的形式示出在图3中标出的细节；
[0054]图5以放大图的形式示出在图3中标出的细节的另一种设计；
[0055]图6为本发明的涡轮机转子的另一实施方式的并非尺寸精准的简化的示意图；
[0056]图7以放大图的形式示出在图6中标出的细节；
[0057]图8非常简化地示出用于实施本发明的方法的至少一部分的装置。
[0058]在这些附图中，相同功能和相同名称的部分标有相同的附图标记。
[0059]图1中所示为本发明的涡轮机转子I的简化图。该涡轮机转子具有涡轮机叶轮2和转子轴4，涡轮机叶轮带有叶轮轮毂3。涡轮机叶轮优选采用常见的精铸方法由耐高温的金属合金制得，且具有基体以及叶轮轮毂3，基体在前侧(该图的左侧)带有叶片组，叶轮轮毂的形式为同心地设置在基体的背侧(该图的右侧)的柱形区段。轴在此也被简化地示出，且在具体情况下可以具有台阶、梯段、缩窄部和类似的特征。
[0060]涡轮机叶轮与转子轴之间的连接部位在“断裂的”视图中示出，且被标明为细节X，该细节在随后的图2中为明了起见被放大地示出。
[0061]图2中示出按照两个互补的实施方式的在叶轮轮毂3和转子轴4之间的接口，其中，在叶轮轮毂3的端面与转子轴4的端面之间，与涡轮机转子I的旋转轴线10同心地设置有充有钎焊合金的钎焊缝隙6。在作为细节X示出的视图的上半部中，钎焊缝隙宽度8由在转子轴端部的端面上的形式为直角梯段的材料去除部分预定，该材料去除部分圆形环绕地从外边缘仅沿着半径的一部分延伸。在中央，转子轴端面的保持竖直的部分形成接触面7，转子轴端部以该接触面贴靠在叶轮轮毂3的端面上。这可在图2的下面部分中清楚地看出，在那里专门地以放大图再次示出了钎焊缝隙6和接触面7的区域。在作为细节X示出的视图的下半部中，所示的钎焊缝隙6具有相同的造型，但与前述设计相反，它由叶轮轮毂端面上的材料去除部分预定。
[0062]钎焊连接采用电子束钎焊法建立。
[0063]图3示出与图1原理相同的涡轮机转子I。然而，在这里作为细节Y示出的在叶轮轮毂3与转子轴4之间的接口区域中，还在转子轴端部设有布置在中央的盲孔5，该盲孔在涡轮机叶轮与转子轴之间的过渡部分用作阻热件。
[0064]在图4的对图3的细节Y进行放大的视图中可看到，在该设计中钎焊缝隙宽度8也由在转子轴端部的端面上的形式为直角梯段的材料去除部分预定，该材料去除部分圆形环绕地从外边缘仅沿着半径的一部分延伸。这里也在图4的下面部分中专门地以放大图再次示出了钎焊缝隙6和接触面7的区域。在此可清楚地看出，盲孔5的直径d小于端侧接触面7的直径D，从而形成具有环宽度9的环形接触面7。在特定设计中，该环宽度9应至少为0.5mm,以便保证对要在接合过程中施加的压紧力有足够的承受能力。
[0065]图5对图3的细节Y进行了放大，其示出了与盲孔5连接的规定的钎焊缝隙6的另一种变型设计。无论是用于设计钎焊缝隙6的材料去除部分，还是盲孔5，都设置在转子轴4的端面上。这里也在图5的下面部分中专门地以放大图再次示出了钎焊缝隙6、盲孔5和接触面7的区域。在该设计中，钎焊缝隙6为楔形。为了设计钎焊缝隙6，构造有以一定的缝隙角向外相对于转子轴倾斜的锥形面，从而产生向外开口的钎焊缝隙，该钎焊缝隙楔形地朝向涡轮机转子旋转轴线10变窄，且在到达盲孔边缘之前就已经终止，从而在转子轴4的端面上保持有个与该盲孔连接的楔形接触面7，该接触面直接贴靠在叶轮轮毂的相对的端面上。盲孔5的直径d在此同样小于端侧接触面7的直径D，从而形成具有足够环宽度9的环形接触面7。
[0066]材料去除部分和盲孔的可能的布置方式和组合方式的所示范例仅仅是其它可能的组合方式和材料去除部分的其它造型或钎焊缝隙的设计的范例。
[0067]这在图6和7中再次示出，其示出了涡轮机转子I的一种变型，据此，用于设计钎焊缝隙的材料去除部分设置在转子轴4的端面上，而盲孔5却设置在转子轮毂3上。盲孔5的直径d在此同样小于端侧接触面7的直径D，从而通过重叠区域在此也形成具有足够环宽度9的环形接触面7。
[0068]图8非常简化地示出用于实施本发明的方法的不同的方法步骤的装置。所示装置尤其用来实施钎焊过程，以便在叶轮轮毂3与转子轴4之间进行材料配合的连接。在分开地实施第一方法步骤之后:
[0069]-提供涡轮机叶轮和转子轴；
[0070]-在叶轮轮毂或转子轴的端面之一上制造同心的圆形材料去除部分；
[0071]-在端面之一上敷设钎焊材料，在使用如图8中所示的装置的情况下至少执行如下方法步骤。
[0072]该装置具有夹紧装置20和带有聚焦机构18的电子束源17。夹紧装置20具有下述功能单元:
[0073]-装置床11，作为其它功能单元的基座；
[0074]-叶轮夹盘12，它由至少两个夹板构成，用于在中央夹持涡轮机叶轮2，其中，叶轮夹盘12借助旋转轴承16可围绕涡轮机转子旋转轴线10转动地支撑在装置床11上，且可通过驱动轴15来驱动；
[0075]-夹紧滑板14，它可沿涡轮机转子旋转轴线10的方向轴向移动地支撑在装置床11中；
[0076]-转子轴夹盘13，它由至少两个夹板构成，用于在中央夹持转子轴4，该转子轴借助旋转轴承16可围绕涡轮机转子旋转轴线10转动地支撑在夹紧滑板14上。
[0077]所提供的按照第一方法步骤准备的涡轮机叶轮2在叶轮夹盘12中居中地被夹紧，箭头22表示各个夹板的为此所需要的夹紧运动。同样，所提供的按照第一方法步骤准备的转子轴在转子轴夹盘13中居中地被夹紧，箭头23表示各个夹板的为此所需要的夹紧运动。然后，通过夹紧滑板14的在图8中用箭头24示出的直线运动，使得涡轮机叶轮2和转子轴4彼此相向地在中间接合，从而端侧的接触面直接贴靠在相应的另一工件的相对的端面上，并将钎焊材料布置在钎焊缝隙6中。然后，夹紧滑板14施加预定的夹紧力，利用该夹紧力使得两个工件相互压紧。结果，在驱动轴15的驱动下，涡轮机叶轮2与借助力配合与其耦接的转子轴4 一起以预定的受控的转速围绕涡轮机转子旋转轴线10旋转，这在图8中用箭头21示出。于是，借助于电子束源17和聚焦机构18产生电子束19，该电子束从外面指向钎焊缝隙6。于是，通过涡轮机转子I的均匀的转动，在电子束19的配合作用下，在钎焊缝隙6中对钎焊材料进行加热，并对叶轮轮毂3和转子轴4的直接的端面区域进行加热，直至达到预定的高于钎焊材料熔化温度的钎焊温度。在此，通过涡轮机转子的转速和电子束19的强度对加热速度和要达到的温度水平施加影响。现在，为了保证焊料良好地润湿相对的端面，在涡轮机转子转速保持恒定的情况下，利用电子束19受控地输送能量，由此把钎焊温度保持预定的时间。接下来，对工件进行冷却，由此在涡轮机叶轮与转子轴之间产生钎焊连接。在这里，由夹紧滑板14产生的夹紧力至少保持一段时间，直到焊料凝固、连接稳固。然后才从装置松开涡轮机转子。
[0078]在此，借助于相应的驱动装置和可编程的中央控制/调节机构，可以自动地执行所述的全部过程。通过设置其它功能单元，先前的方法步骤比如制造圆形的同心的材料去除部分、敷设钎焊材料，至少部分地也可以在所述装置中实施。
【权利要求】
1.一种用于废气涡轮机的涡轮机转子，具有涡轮机叶轮和转子轴，涡轮机叶轮带有叶轮轮毂，转子轴带有面向叶轮根部的转子轴端部，涡轮机叶轮由耐高温的金属合金构成，转子轴由钢构成，其中，叶轮轮毂和转子轴端部通过钎焊连接而材料配合地相互连接，在叶轮轮毂的端面与转子轴端部的端面之间，与涡轮机转子旋转轴线同心地设置有充有钎焊合金的钎焊缝隙，其特征在于， 钎焊缝隙宽度由在叶轮轮毂端面上的或者在转子轴端部的端面上的材料去除部分预定，该材料去除部分圆形环绕地从外边缘仅沿着半径的一部分延伸，钎焊连接采用电子束钎焊方法来产生。
2.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，涡轮机叶轮的耐高温的金属合金是TiAl合金或Ni基合金，转子轴的钢是低合金的或高合金的调质钢，或者是奥氏体钢。
3.如权利要求1或2所述的涡轮机转子，其特征在于，圆形环绕的材料去除部分形成带有一定梯段高度的环形梯段，或者形成相对于相应工件以一定的缝隙角度α向外倾斜的锥形面，从而形成向外开口的钎焊缝隙和在涡轮机转子旋转轴线方向上与该钎焊缝隙连接的圆形的端侧的接触面，该接触面直接贴靠在相对的端面上。
4.如权利要求1-3中任一项所述的涡轮机转子，其特征在于，叶轮轮毂或转子轴端部具有居中布置的盲孔，该盲孔在涡轮机叶轮与转子轴之间的通路上用作热量节制件，其中，盲孔直径比端侧接触面的直径小很多，从而形成具有至少为0.5mm的环宽度的环形接触面。
5.如权利要求3所述的涡轮机转子，其特征在于，环形梯段的梯段高度在0.05mm和0.15mm之间选择，或者缝隙角度α经过适当选择，使得钎焊缝隙的外围宽度不超过0.20mm。
6.一种用于制造根据权利要求1的涡轮机转子的方法，其特征在于如下方法步骤: -准备由耐高温的金属合金构成的带叶轮轮毂的涡轮机叶轮，并准备由钢构成的转子轴； -在叶轮轮毂或转子轴的端面之一上产生圆形的同心的材料去除部分，从而圆形环绕的材料去除部分形成带有一定梯段高度的环形梯段，或者形成相对于相应工件以一定的缝隙角度α向外倾斜的锥形面，从而在叶轮轮毂和转子轴的端面之间产生向外开口的钎焊缝隙和在涡轮机转子旋转轴线方向上与该钎焊缝隙连接的圆形的端侧接触面； -在叶轮轮毂或转子轴的端面之一上，在材料去除部分的相应区域中涂敷钎焊材料； -通过对工件的夹紧在为此而设计的装置中把涡轮机叶轮和转子轴接合起来并对中地朝向，使得端侧接触面直接贴靠在另一工件的正相对的端面上，并使得钎焊材料位于钎焊缝隙中； -借助于电子束在钎焊缝隙中对钎焊材料和紧接着的叶轮轮毂及转子轴的端面区域进行加热，直至达到预定的高于钎焊材料熔点的钎焊温度； -利用电子束受控地输送能量，由此在预定的时间内保持该钎焊温度； -冷却工件，由此在涡轮机叶轮和转子轴之间产生钎焊连接； -把涡轮机转子从装置中取出。
7.如权利要求5所述的用于制造涡轮机转子的方法，其特征在于如下附加的方法步骤: -在产生同心的材料去除部分之后，在材料去除部分的区域中在叶轮轮毂及转子轴的两个要连接的端面上敷设流动剂。
8.如权利要求5所述的用于制造涡轮机转子的方法，其特征在于如下附加的方法步骤: -在叶轮轮毂或转子轴端部上产生居中布置的盲孔，使得盲孔直径比端侧接触面的直径小很多，从而形成具有至少为0.5mm的环宽度的环形接触面。
【文档编号】B23K1/005GK104379289SQ201380018226
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年3月20日 优先权日:2012年3月29日
【发明者】A·科赫, T·梅伦达, P·梅内, M·托马斯, G·明希 申请人:大陆汽车有限公司