DE69206900T2 - Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrads mit geschlossenen Kanälen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrads mit geschlossenen Kanälen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie findet insbesondere Anwendung bei der Herstellung von zentrifugal- und Heukozentrifugal-(Diagonal-)Rädern, die in Pumpen oder Kompressoren verwendet werden, die Fluiden eine Energie verleihen. Sie kann jedoch auch auf Räder angewandt werden, die zum Aufnehmen einer durch ein Fluid zugeführten Energie dienen.
• Ein solches Schaufelrad besteht aus einem Metall, z.B. Stahl. Es umfaßt einen einteiligen Radkörper, der einen Basiskranz bildet, der mit Schaufeln versehen ist, die in Umfangsrichtung um die Radachse um eine an der Radwelle montierte Nabe herum aufeinanderfolgen. An obere Platten der Schaufeln wird ein Flansch angeschweißt, der den gleichen Außendurchmesser wie der Basiskranz hat.
• Herkömmlicherweise wird die Verschweißung des Flansches von Hand durch Lichtbogenschweißung vorgenommen, nachdem der Flansch am Ort einer jeden Schaufel ausgefräst worden ist.
• Die verschiedenen Schritte dieses Verfahrens haben den Nachteil, daß sie schwierig zu automatisieren sind.
• Andere Verfahren wie etwa das Diffusionslöten sind entwickelt worden, die jedoch die Hinzufügung eines Metalls erfordern, das sich vom Basismetall, das den Radkörper und den Flansch bildet, unterscheidet. Ein solcher Zusatz schadet der Beständigkeit des Rades in korrosiver Umgebung.
• Es sind auch Elektronenstrahlschweißverfahren angewandt worden (siehe z.B. FR-Al-2 312 671), doch ist die Verbindung, die mit ihnen zwischen den Schaufeln und dem Flansch erzeugt werden kann, lediglich partiell und kann Probleme hinsichtlich der zeitlichen Beständigkeit, insbesondere gegen Ermüdung, aufwerfen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist insbesondere, auf automatischem Wege eine vollständige und widerstandsfähige Verbindung ohne Verwendung von zusätzlichem Metall herzustellen.
• Zu diesem Zweck ist ihr Gegenstand ein Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrades mit geschlossenen Kanälen, bei dem ein Radkörper hergestellt wird, der Schaufeln des Rades aufweist, und ein Flansch an diese Schaufeln angeschweißt wird, um zwischen den Schaufeln gebildete Kanäle zu verschließen, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Flansch an die Schaufeln mit Hilfe eines Lichtschweißstifts angeschweißt wird, der durch einen durch einen flexiblen Lichtleiter geführten Hochleistungslichtstrahl gespeist wird und die Kanäle innen durchläuft.
• Vorzugsweise läuft die Verschweißung des Flansches mit den Schaufeln in zwei Schritten ab. Zunächst wird eine Außenschweißoperation vorgenommen, in der der Flansch mit den Schaufeln in einem Bereich des Flansches verschweißt wird, der die Schaufeln überdeckt und einen Abdeckkranz bildet. Diese Verschweißung wird mit Hilfe eines energiereichen Strahls vorgenommen, der ein Elektronenstrahl sein kann, wobei in diesem Fall die Verschweißung im Vakuum vorgenommen wird. Dieser Strahl bildet im Metall eine Schmelzzone, deren Tiefe größer ist als die Dicke des Abdeckkranzes. Dieser Strahl wird auf einen Auftreffpunkt gerichtet, der auf der Oberseite des Abdeckkranzes liegt. Dieser Punkt liegt oberhalb einer Schaufel, so daß eine Schmelzzone gebildet wird, die diesen Kranz und die obere Platte dieser Schaufel durchquert. Sie liegt in einem Abstand von den zwei oberen Seitenkanten der Schaufel, um ein Fließen von Metall ins Innere der durch den Flansch und die Schaufeln gebildeten geschlossenen Kanäle zu vermeiden.
• Anschließend wird eine Innenschweißoperation an diesen Kanten durchgeführt, die die Ränder der oberen Platte der Schaufel bilden und die in Kontakt mit dem Flansch sind. Hierfür wird ein Lichtschweißstift verwendet, der durch einen durch einen flexiblen Lichtleiter geführten Hochleistungslichtstrahl gespeist wird. Dieser Stift durchläuft das Innere der Kanäle.
• Mit Hilfe der beigefügten schematischen Zeichnungen wird im folgenden die Ausführung der Erfindung beispielhaft genauer beschrieben. Wenn ein gleiches Element in mehreren Figuren dargestellt ist, wird es durch dasselbe Bezugszeichen bezeichnet.
• Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schaufelrad im Schnitt durch eine durch die Achse des Rades verlaufende Ebene im Laufe der Herstellung des Rades.
• Figur 2 zeigt dieses Rad im Querschnitt entlang einer Ebene II-II aus Figur 1.
• Gemäß dieser Figuren umfaßt der Körper 12 des Rades einen Basiskranz 2, der sich um eine Radachse A erstreckt.
• Wenn die Achse vertikal orientiert ist, hat dieser Kranz eine Unterseite 2A und eine Oberseite 2B. Dieser Körper umfaßt ferner einteilig mit dem Basiskranz verbundene Schaufeln 4. Diese Schaufeln folgen in Richtung des Umfangs um die Achse aufeinander und stehen über die Oberseite des Kranzes über. Das Rad umfaßt ferner einen Abdeckkranz 10, der um die Achse herum verläuft und eine Unterseite 10A und eine Oberseite 10B aufweist, die durch eine Dicke dieses Kranzes getrennt sind. Die Unterseite dieses Kranzes 10 ist in Kontakt mit den oberen Platten 4C der Schaufeln 4.
• Eine jede Schaufel hat eine Länge L ausgehend von einem inneren, achsnahen Ende 4A bis zu einem äußeren, achsferneren Ende 4B, eine Höhe H von der Oberseite 2B des Dasiskranzes bis zur oberen Platte 4C dieser Schaufel, und eine Breite B zwischen den zwei oberen Seitenkanten 4D, die die zwei Ränder der oberen Platte 4C bilden. Die zwei zwischen diesen zwei Rändern und der Oberseite des Basiskranzes liegenden Oberflächen bilden zwei Flanken 4E dieser Schaufel. Die Schaufeln begrenzen untereinander eine Folge von Fluidzirkulationskanälen 6, 8. Ein jeder dieser Kanäle hat einen Boden 6A, der aus einem Bruchteil der Oberseite 2B des Basiskranzes besteht, zwei Seitenwände, die aus zwei einander zugewandten Flanken zweier in Umfangsrichtung benachbarter Schaufeln 4 bestehen, und eine Decke 6B, die aus einem Teil der Unterseite 10A des Abdeckkranzes besteht.
• Die anderen Teile dieser Unterseite sind an den oberen Platten (4C) der Schaufeln befestigt.
• Das Verfahren zum Herstellen dieses Rades umfaßt bekanntermaßen folgende Schritte:
• - Herstellen eines einteiligen metallischen Radkörpers 12, der nicht nur den Basiskranz 2 und die Schaufeln 4, sondern auch eine Nabe bildet, die für die Montage an der Radwelle vorgesehen ist,
• - Herstellen eines metallischen Radflansches, der nicht nur den Abdeckkranz 10, sondern auch eine Eingangsführung 34 für das Fluid bildet, das das Rad durchlaufen wird,
• - Anbringen dieses Flansches auf den oberen Platten 4C dieser Schaufeln,
• - Verschweißen des Flansches mit den Platten 4C.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Schweißverfahren Innen- und Außenschweißoperationen.
• Zu Beginn werden die oberen Platten 4C der Schaufeln 4 nacheinander mit der Unterseite 10A des Flansches durch eine bekannte Außenschweißprozedur verbunden, die eine Folge von Schweißoperationen unter Vakuum erfordert. Hierzu wird ein energiereicher Elektronenstrahl 26 gebildet, der geeignet ist, im Metall eine Schmelzzone zu erzeugen, die tiefer ist als die Dicke des Abdeckkranzes 10. Dieser Strahl wird auf einen Auftreffpunkt 28 gerichtet, der auf der Oberseite 10B des Kranzes oberhalb einer Schaufel 4 liegtf um eine Schmelzzone zu bilden, die diesen Kranz und die Oberseite 4C der Schaufel durchquert. Dieser Strahl muß einen Abstand von den oberen Kanten 4D und den Flanken 4E dieser Schaufel einhalten, um ein störendes Fließen des flüssigen Metalls zu vermeiden. Es gibt daher an der oberen Platte zwei seitliche Streifen, die nicht geschmolzen werden können. Der Auftreffpunkt wird über die Länge L der Schaufel verschoben, um eine mittlere Schweißnaht 30 zu bilden, die den Flansch 14 an der Schaufel befestigt. Diese Operation wird an jeder Schaufel wiederholt. Es ist festgestellt worden, daß, wenn bestimmte Kräfte auf das Rad wirken, diese nichtverschweißten seitlichen Streifen 32 dieselbe Wirkung wie in einer monolithischen Struktur gebildete Verjüngungen haben und die Ausbreitung von Rissen begünstigen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung werden anschließend Innenschweißoperationen durchgeführt, um den Flansch vollständiger mit den Schaufeln zu verbinden. Jede Innenschweißoperation umfaßt ihrerseits die folgenden Schritte.
• Ein Lichtschweißstift 16 wird in einen Fluidzirkulationskanal 8 eingeführt. Der Stift ist optisch mit einem Ausgang eines Lichtleiters 18 verbunden, um einen von diesem geführten Lichtstrahl 20 zu fokussieren. Der Strahl wird auf einen Schweißpunkt 22 fokussiert, der außerhalb dieses Stiftes liegt und bezüglich des Stiftes unbeweglich ist. Der Lichtleiter 18 ist eine flexible Transportfaser, die einen Eingang 18A außerhalb des Kanals aufweist.
• Anschließend wird der Lichtschweißstift in dem Kanal mit Hilfe von Führungsmitteln so positioniert, daß der Brennpunkt 22 an der oberen Seitenkante 4D einer Schaufel 4 liegt, die eine Seitenwand des Kanals 8 bildet. Dann wird ein Hochleistungslichtstrahl in den Eingang 18A der Transportfaser 18 eingespeist. Der Strahl ist so gewählt, daß er das Metall des Flansches 14 und der Schaufel 4 in einer Oberflächenschmelzzone schmilzt, die den Brennpunkt umfaßt.
• Anschließend wird der Lichtschweißstift 16 über die Länge L der Schaufel verschoben. Die Führungsmittel erhalten die Position des Stiftes bezüglich dieser Kante, so daß die Schmelzzone verschoben wird und eine seitliche Schweißnaht 24 entlang dieser Kante gebildet wird.
• Diese Operation wird an jeder Seite eines jeden Kanals wiederholt. Der verwendete Strahl ist vorzugsweise ein energiereicher Strahl eines YAG-Lasers 36. Seine Leistung kann so hoch sein, daß die seitliche Schweißnaht sich mit der mittleren vereinigt.
• Die vorliegende Erfindung hat folgende Vorteile:
• - Keine Hinzufügung eines anderen Metalls als des Basismetalls, daher Beseitigung der Korrosionsgefahr,
• - keine Verformung durch Schweißschrumpfung, die bei manuellen Techniken erheblich sein kann,
• - Verringerung der Belegungszeit der Vakuumkammer und Automatisierung der Operationen mit Hilfe des Elektronenstrahls und des Laserstrahls,
• - Verbesserung der mechanischen Beständigkeit durch Unterdrückung des Verjüngungseffekts, der auftritt, wenn nur Elektronenstrahlschweißung eingesetzt wird. Durch Kombination der zwei Arten des Schweißens, mit Elektronenstrahl und Laserstrahl, wird eine vollständigere Verbindung des Flansches mit den Schaufeln sichergestellt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrads mit geschlossenen Kanälen, bei dem ein Radkärper (12) hergestellt wird, der Schaufeln (4) des Rades aufweist, und ein Flansch (14) an diese Schaufeln angeschweißt wird, um zwischen den Schaufeln gebildete Kanäle (8) zu verschließen,

dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch an die Schaufeln mit Hilfe eines Lichtschweißstifts (16) angeschweißt wird, der durch einen durch einen flexiblen Lichtleiter (18) geführten Hochleistungslichtstrahl gespeist wird und die Kanäle innen durchläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Rades mit einer Drehachse (A) und

- einen um die Achse, wenn diese vertikal steht, im wesentlichen horizontal verlaufenden Basiskranz (2), und

- mit dem Basiskranz fest verbundenen, in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden, über den Kranz überstehenden Schaufeln (4), die zwischeneinander eine Folge von Fluidzirkulationskanälen (6, 8) begrenzen, von denen jede von einem achsnahen Ende zu einem achsfernen Ende eine Länge (L) und vom Basiskranz bis zu einer oberen Platte (4C) der Schaufel eine Höhe hat,

- einem Abdeckkranz (10), der um die Achse verläuft und eine untere Seite (10A) und eine obere Seite (10B) aufweist, die durch eine Dicke dieses Kranzes getrennt sind, wobei die Unterseite in Kontakt mit den oberen Platten (4C) der Schaufeln (4) ist,

mit den Schritten:

- Herstellen eines einteiligen metallischen Radkörpers (12), der wenigstens den Basiskranz (2) und die Schaufeln (4) bildet,

- Herstellen eines Metallflansches (14), der wenigstens den Abdeckkranz (10) bildet,

- Anschweißen des Flansches an die oberen Platten (4C) der Schaufeln,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Anschweißens des Flansches (14) an die Schaufeln (4) eine Folge von Innenschweißschritten umfaßt, die jeweils in der Folge von Fluidzirkulationskanälen (6, 8) durchgeführt werden, und von denen jede ihrerseits folgende Schritte umfaßt:

- Einführen eines Lichtschweißstifts (16) in einen Fluidzirkulationskanal (8), wobei der Stift durch einen flexiblen Lichtleiter versorgt wird, um einen Hochleistungslichtstrahl (20) zu empfangen und diesen Strahl auf eine außerhalb des Stiftes liegende und mit diesem Stift bewegliche Schweißstelle (22) zu fokussieren, wobei der Lichtleiter ein Transportleiter ist, der mit einem Eingang (18a) außerhalb des Kanals versehen ist, damit er seinerseits den Strahl aufnehmen kann,

- Positionieren des Lichtschweißstifts im Kanal, um die Schweißstelle (22) auf die obere Seitenkante (40) einer den Kanal (8) begrenzenden Schaufel (4) zu legen,

- Einspeisen eines Hochleistungslichtstrahls in den Eingang (18A) des Transportleiters (18), um das Metall des Flansches (14) und der Schaufel (4) in einem Oberflächenschmelzabschnitt zu schmelzen, der die Schweißstelle umfaßt,

- Bewegen des Lichtschweißstifts (16) auf der Länge (L) der Schaufel unter Beibehaltung der Position dieses Stifts bezüglich dieser oberen Kante, um den Schweißbereich zu verschieben und eine seitliche Schweißnaht (24) entlang der Kante zu bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Anschweißens des Flansches (14) an die Schaufeln (4) ferner eine Folge von äußeren Schweißschritten umfaßt, die durch den Abdeckkranz (10) hindurch durchgeführt werden, und von denen jeder seinerseits folgende Schritte umfaßt:

- Bilden eines energiereichen Strahls (26), der geeignet ist, im Metall einen Schmelzbereich zu erzeugen, dessen Tiefe größer als die Dicke des Abdeckkranzes (10) ist, wobei der Strahl auf einen Auftreffpunkt (28) gerichtet wird, der auf der Oberseite (10B) dieses Kranzes oberhalb einer Schaufel (4) liegt, um einen Schweißbereich zu bilden, der den Kranz und die obere Platte (4C) der Schaufel durchquert und von den oberen Seitenkanten (4D) dieser Schaufel Abstand hält, um ein störendes Fließen von flüssigem Metall zu vermeiden,

- Bewegen dieses Auftreffpunkts (28) über die Länge (L) dieser Schaufel, um eine Mittelschweißnaht (30) zu bilden, die den Flansch (14) an der Schaufel (4) befestigt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Schweißschritte vor den inneren Schweißschritten stattfinden, um die Positionierung des Lichtschweißstifts (16) zu erleichtern.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der energiereiche Strahl ein Elektronenstrahl (26) ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Radkörper (12) nicht nur den Basiskranz (12) und die Schaufeln (4), sondern auch eine Radnabe (32) für die Befestigung an einer Welle des Rades umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Flansch (14) nicht nur den Abdeckkranz (10), sondern auch eine Fluideinführung (34) zum Führen eines in das Rad eintretenden Fluids bildet.

8. Verfahren zur Herstellung eines Rades nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochleistungslichtstrahl von einem YAG-Laser (36) geliefert wird.