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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere zum Verbinden eines Kupplungskörpers mit einem Zahnrad für ein Fahrzeuggetriebe.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 42 11 186 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung eines zweiteiligen Bauteils, nämlich eines Zahnrads mit einem Kupplungskörper auf einem Sitz des Zahnrades, insbesondere für Synchrongetriebe hervor, wobei eines der beiden Teile erwärmt und mit dem anderen Teil dann durch Schrumpfsitz verbunden wird. Den fortschreitenden Drehmomentsteigerungen von Brennkraftmaschinen müssen allerdings auch Schalt- und Automatik-Getriebe standhalten. Dabei besteht insbesondere bei filigranen Schaltelementen das Problem, dass Wanddicken bei gegebenen Einbauverhältnissen nicht beliebig gesteigert werden können. Um eine ausreichende Drehmomentfestigkeit zu erzielen, werden vermehrt massive Kupplungskörper sowie massive Zahnräder eingesetzt und miteinander – insbesondere durch Laserschweißen – verschweißt. Aus Festigkeitsgründen werden diese Bauteile zuvor gehärtet, was beim konventionellen Laserschweißen insbesondere aufgrund von Eigenspannungen in dem gehärteten Materialien zu vermehrter Rissbildung bis hin zum Bruch im Bereich der Fügezone führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere zum Verbinden eines Kupplungskörpers mit einem Zahnrad für ein Fahrzeuggetriebe zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem der Gegenstand des Anspruchs 1 geschaffen wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere zum Verbinden eines Kupplungskörpers mit einem Zahnrad für ein Fahrzeuggetriebe, geschaffen wird, welches folgende Schritte aufweist: Ein massiver, gehärteter Außenkörper, insbesondere ein Kupplungskörper, wird auf einen massiven, gehärteten Innenkörper, insbesondere ein Zahnrad, aufgepresst, wodurch ein Zusammenbau des Innenkörpers und des Außenkörpers gebildet wird. Der Zusammenbau wird in einer Fügezone mit einer Vorwärm-Laserstrahlung bestrahlt, wobei der Innenkörper und der Außenkörper in der Fügezone durch die Vorwärm-Laserstrahlung vorgewärmt, vorzugsweise angelassen, werden, und wobei der Innenkörper und der Außenkörper in der Fügezone durch die Vorwärm-Laserstrahlung vorzugsweise aneinander vorfixiert werden. Die Vorwärm-Laserstrahlung kann also insbesondere zwei Funktionen erfüllen, nämlich zum einen ein Vorwärmen und/oder Anlassen der Bauteile in der Fügezone, wodurch deren Eigenspannungen im Bereich der Fügezone reduziert werden, und eine Vorfixierung der beiden Bauteile aneinander für eine spätere, endgültige Befestigung. Die Fügezone wird mit einer Schweiß-Laserstrahlung bestrahlt – insbesondere nach dem Bestrahlen mit der Vorwärm-Laserstrahlung –, wobei der Innenkörper und der Außenkörper durch die Schweiß-Laserstrahlung mittels Laser-Tiefschweißen miteinander verschweißt werden. Dadurch, dass der Innenkörper und der Außenkörper in der Fügezone durch die Vorwärm-Laserstrahlung vorgewärmt und/oder angelassen werden, werden Eigenspannungen in den Bauteilen im Bereich der Fügezone abgebaut, sodass diese anschließend mittels Laser-Tiefschweißen verbunden werden können, ohne dass es zu einer Rissbildung oder gar zu einem Bruch in der Fügezone kommt. Dadurch, dass das Vorwärmen und/oder Anlassen bevorzugt zugleich auch eine Vorfixierung der Bauteile aneinander bewirkt, kann ein hierzu ansonsten vorzusehender separater Verfahrensschritt eingespart werden, sodass das Verfahren rationell und einfach sowie kostengünstig durchgeführt werden kann. Auf diese Weise kann mit verhältnismäßig geringen Mitteln eine zuverlässig dauerfeste Verbindung des Innenkörpers mit dem Außenkörper geschaffen werden, die auch für hohe mechanische Beanspruchungen geeignet ist.
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Das Vorwärmen und das bevorzugte Vorfixieren geschehen vorzugsweise im selben Schritt. Die Bauteile können aber auch lediglich mit einem oder mehreren großen Brennflecken so vorgewärmt werden, dass noch keine Verbindung oder Schmelze zwischen den Bauteilen entsteht. Dies ist insbesondere beim Bestrahlen durch separate Vorwärm-Laserquellen mit einer von der zum Tiefschweißen vorgesehenen Wellenlänge abweichenden Wellenlänge vorgesehen.
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Die Welle-Nabe-Verbindung und das Verfahren werden im Folgenden insbesondere in Zusammenhang mit einem ein Zahnrad als Innenkörper und einen Kupplungskörper als Außenkörper aufweisenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Ausführungen zu diesem Ausführungsbeispiel sind aber ohne weiteres auf andere Welle-Nabe-Verbindungen übertrag- und anwendbar. Andere mögliche Ausführungen sind stets mitgemeint.
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Es ist insbesondere auch ein Ausführungsbeispiel möglich, bei dem der Innenkörper ein Rad-Grundkörper und der Außenkörper eine Zahnrad ist.
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Das Zahnrad ist insbesondere als Gangrad ausgebildet. Der Kupplungskörper weist vorzugsweise einen Synchronkonus auf, der mit einem Synchronkonus eines Synchronringes zusammenwirken kann, wobei Synchronringe und Kupplungskörper zur Synchronisation des Zahnrades in dem Fahrzeuggetriebe dienen. Das Fahrzeuggetriebe ist insbesondere ein Kraftfahrzeuggetriebe, vorzugsweise ein Schalt- oder Automatikgetriebe.
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Dass der Innenkörper und der Außenkörper massiv ausgebildet sind, bedeutet insbesondere, dass diese aus massivem, durchgängigem Material, insbesondere ohne innenliegende Aussparungen oder Hohlräume, gebildet sind. Aufgrund der massiven Ausbildung weisen der Innenkörper und der Außenkörper eine besonders hohe Stabilität auf.
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Dass der Innenkörper und der Außenkörper gehärtet sind, bedeutet insbesondere, dass deren Materialien vor dem Aufpressen des Außenkörpers auf den Innenkörper einem Härteschritt unterzogen wurden, insbesondere einer härtenden Wärmebehandlung. Die hohe Kernfestigkeit der gehärteten Bauteile, insbesondere in Kombination mit großen Wandstärken bei massiver Ausbildung, gibt den beim Abkühlen der Schweißnaht entstehenden Zugspannungen nicht nach. In der Folge kann die Schweißnaht reißen. Dies gilt insbesondere sogar nach Abdrehen einer Einsatzschicht an den Bauteilen.
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Unter einer Fügezone wird hier insbesondere ein Bereich des Zusammenbaus verstanden, indem später das Laser-Tiefschweißen durchgeführt wird, wodurch die beiden Bauteile endgültig miteinander gefügt und aneinander fixiert werden. Die Fügezone kann beispielsweise durch Simulieren des Laser-Tiefschweißens, durch geeignete Konstruktion, oder durch Schweißversuche ermittelt werden, wodurch ohne weiteres der mit der Vorwärm-Laserstrahlung zu bestrahlende Bereich des Zusammenbaus festgestellt werden kann. Die Ausprägung der Fügezone wird insbesondere bestimmt durch die Geometrie der Bauteile und den Schweißauftrag in der Fertigungszeichnung. Da es im Bauteil unweigerlich zu einem Wärmefluss kommt, kann das Ziel des Vorwärmens auf mehreren Wegen erreicht werden: Eine großflächige Bestrahlung des ganzen Teils mit relativ wenig Wärmefluss in die Tiefe des Bauteils ist ebenso möglich wie eine punktuelle Bestrahlung, die für eine gleichmäßige Erwärmung des Teils durch Wärmefluss dann mehr Zeit in Anspruch nimmt.
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Unter einem Vorwärmen oder Anlassen wird insbesondere eine Erwärmung des Innenkörper und des Außenkörpers im Bereich der Fügezone verstanden, die geeignet ist, um innere Spannungen in der Fügezone abzubauen. Entsprechend wird unter einer Vorwärm-Laserstrahlung ein Laserstrahl oder eine Mehrzahl von Laserstrahlen verstanden, die eingerichtet und insbesondere derart auf die Fügezone ausgerichtet sind, dass durch die mittels der Vorwärm-Laserstrahlung erzielte Erwärmung der Bauteile in der Fügezone ein Vorwärmen und/oder Anlassen im Bereich der Fügezone erfolgen kann. Zugleich ist die Vorwärm-Laserstrahlung bevorzugt so eingerichtet und insbesondere auf die Fügezone ausgerichtet, dass der Innenkörper und der Außenkörper aneinander vorfixiert werden, wenn die Fügezone mit der Vorwärm-Laserstrahlung bestrahlt wird.
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Unter einer Schweiß-Laserstrahlung wird demgegenüber wenigstens ein Laserstrahl oder eine Mehrzahl von Laserstrahlen verstanden, die eingerichtet und derart auf die Fügezone ausgerichtet sind, dass sie ein Laser-Tiefschweißen in der Fügezone bewirken.
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Ein typisches Vorfixieren von miteinander zu verschweißenden Bauteilen mittels Laserstrahlung erfolgt vorzugsweise derart, dass eine geringfügige Schweißnaht mit einer Eindringtiefe von ungefähr 0,2 mm bis 0,3 mm geschaffen wird. Demgegenüber ist eine mittels Tiefschweißen erzeugte Schweißnaht zur Befestigung der Bauteile aneinander typischerweise ungefähr 2 mm bis 3 mm tief.
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Gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren wird insbesondere die für das Vorfixieren typischerweise angewandte Laserstrahlung derart modifiziert, insbesondere bezüglich der Bestrahlungszeit und der eingestrahlten Energie und/oder Leistung derart erhöht, dass neben dem Effekt des Vorfixierens zugleich ein Vorwärm- und/oder Anlasseffekt entsteht. Somit wird insbesondere der Vorgang des Vorfixierens, der für sich genommen bekannt ist, aufgewertet und zusätzlich zum Vorwärmen und/oder Anlassen der Bauteile im Bereich der Fügezone verwendet. Beim Vorwärmen wird insbesondere erreicht, dass die zu schweißenden Bauteile vor dem Schweißen bereits so viel Wärme aufgenommen haben, dass ein sonst übliches rasches Abkühlen und Aufhärten des Gefüges im Bereich der Schweißnaht zumindest reduziert wird. Darüber hinaus soll durch das Vorwärmen und Schweißen in Summe so viel Wärme in die Bauteile eingetragen werden, dass es seitlich der Schweißnaht zu einer Überschreitung der Anlasstemperatur kommt, was zu einer Entfestigung der Bauteile führt, die sich in einem ausgeprägten Härtesack, das heißt einem lokalen Abfall der Härte, äußert und beim Abkühlen entstehende Zugspannungen abfedern kann.
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Unter einem Laser-Tiefschweißen wird insbesondere ein Schweißvorgang verstanden, bei dem die in die zu verschweißenden Bauteile eingebrachte Energie oder Leistungsdichte ausreicht, um eine Dampfkapillare zu erzeugen, die letztlich dazu führt, dass die entstehende Schweißnaht eine hohe Eindringtiefe in die Materialien aufweist, wobei insbesondere die Eindringtiefe der Schweißnaht größer ist als ihre Breite in der Einstrahlebene.
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Die Bestrahlung des Zusammenbaus mit der Vorwärm-Laserstrahlung und auch mit der Schweiß-Laserstrahlung erfolgt bevorzugt in axialer Richtung, wobei die axiale Richtung definiert ist durch eine gedachte Drehachse des Innenkörpers und des Außenkörpers, insbesondere des Zahnrads und des Kupplungskörpers. Dabei werden die Vorwärm-Laserstrahlung und die Schweiß-Laserstrahlung bevorzugt in axialer Richtung auf eine Stirnfläche des Zusammenbaus ausgerichtet. Die mittels Laser-Tiefschweißen erzeugte Schweißnaht wird bevorzugt an dem Zusammenbau entlang einer geschlossenen Umfangslinie erzeugt, insbesondere um volle 360° – vorzugsweise zuzüglich eines Überlapps für eine besonders sichere und stabile Verschweißung.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch das Bestrahlen mit der Vorwärm-Laserstrahlung mindestens eine vorbestimmte Mindest-Wärmemenge in die Fügezone eingebracht wird. Die vorbestimmte Mindest-Wärmemenge ist insbesondere so bestimmt, dass sie ausreicht, um die Bauteile in der Fügezone vorzuwärmen und/oder anzulassen, und um die Bauteile in der Fügezone vorzugsweise aneinander vorzufixieren. Dieser Vorgang des Vorfixierens wird im Übrigen auch als Heften oder als Heftvorgang bezeichnet.
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Insgesamt wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, nach dem Aufpressen des gehärteten Außenkörpers, insbesondere des Kupplungskörpers, auf den gehärteten Innenkörper, insbesondere das Zahnrad, die Fügezone gezielt mittels der Vorwärm-Laserstrahlung aufzuheizen, wobei die Mindest-Wärmemenge im Bereich der Fügezone eingebracht wird, wodurch bevorzugt ein Heftvorgang erzielt wird. Danach erfolgt der eigentliche Schweißvorgang zur Befestigung der Bauteil aneinander im Rahmen einer Tiefschweißung mittels der Schweiß-Laserstrahlung.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Energiedichte, eine Leistung, eine Bestrahlungszeit, eine Strahlgeometrie und/oder eine Strahlführung entlang der Fügezone für die Vorwärm-Laserstrahlung so gewählt wird/werden, dass sich die durch die Vorwärm-Laserstrahlung in den Zusammenbau eingebrachte Wärme mindestens bis in eine Wärmeeinflusszone der Schweiß-Laserstrahlung ausbreitet. Dies bedeutet insbesondere, dass sich überall in der Wärmeeinflusszone mindestens eine vorbestimmte Mindesttemperatur einstellt. Somit kann sichergestellt werden, dass der oben näher beschriebene Anlasseffekt überall dort wirksam ist, wo ansonsten das Risiko einer Rissbildung bestehen würde.
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Unter einer Wärmeeinflusszone der Schweiß-Laserstrahlung wird dabei insbesondere ein räumlich-geometrischer Bereich des Zusammenbaus bezeichnet, in dem das Materialgefüge des Zusammenbaus durch den Wärmeeinfluss der Schweiß-Laserstrahlung verändert wird. Diese Wärmeeinflusszone kann insbesondere durch Simulationen oder Schweißversuche, gegebenenfalls unter Erzeugung und Auswertung von geeigneten Schliffen nach den Schweißversuchen, bestimmt werden, wobei die Vorwärm-Laserstrahlung dann entsprechend so ausgelegt werden kann, dass die durch sie in den Zusammenbau eingebrachte Wärme mindestens bis in die Wärmeeinflusszone, vorzugsweise darüber hinaus, insbesondere durch innere Wärmeleitung, ausgebreitet wird, wobei sich vorzugsweise überall in der Wärmeeinflusszone mindestens die vorbestimmte Mindesttemperatur einstellt.
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Unter einer Strahlgeometrie der Vorwärm-Laserstrahlung wird dabei insbesondere ein Bestrahlungsfleck oder Brennfleck der Vorwärm-Laserstrahlung auf dem Zusammenbau verstanden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schweiß-Laserstrahlung und die Vorwärm-Laserstrahlung eine gleiche Wellenlänge aufweisen. Alternativ oder zusätzlich werden die Schweiß-Laserstrahlung und die Vorwärm-Laserstrahlung bevorzugt von einer gleichen Laserstrahlungsquelle, insbesondere einem gleichen Laser, erzeugt. Auf diese Weise kann das Verfahren ebenso einfach wie kostengünstig durchgeführt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Bestrahlen des Zusammenbaus mit der Vorwärm-Laserstrahlung und mit der Schweiß-Laserstrahlung eine gleiche, insbesondere eine selbe Optik, oder aber verschiedene Optiken verwendet wird/werden. Unter einer Optik wird dabei insbesondere ein optischer Aufbau verstanden, der eingerichtet und geeignet ist, um die Laserstrahlung in die Fügezone einzubringen, auf die Fügezone abzubilden oder auf diese zu fokussieren. Eine solche Optik kann insbesondere wenigstens ein beugendes oder brechendes Element, insbesondere wenigstens ein Linsenelement, oder eine Mehrzahl von Linsenelementen, wenigstens einen Spiegel, wenigstens eine Blende, und/oder wenigstens ein anderes geeignetes optisches Element, beispielsweise auch eine optische Faser oder dergleichen, aufweisen.
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Werden verschiedene Optiken für die Vorwärm-Laserstrahlung einerseits und die Schweiß-Laserstrahlung andererseits verwendet, können dies auf die verschiedenen Bestrahlungsweisen hin optimiert sein, wobei es insbesondere keiner Veränderung oder Umstellung der einzelnen Optiken zwischen dem Bestrahlen mit der Vorwärm-Laserstrahlung und dem Bestrahlen mit der Schweiß-Laserstrahlung bedarf. Somit können zwei verschiedene Optiken für die Vorwärm-Laserstrahlung einerseits und die Schweiß-Laserstrahlung andererseits insbesondere Taktzeitvorteile haben. Dagegen kann ein zur Durchführung des Verfahrens geeigneter optischer Aufbau besonders kostengünstig und einfach gehalten sein, wenn für die Vorwärm-Laserstrahlung einerseits und die Schweiß-Laserstrahlung andererseits die gleiche Optik verwendet wird. Diese wird dann allerdings – besonders bevorzugt in Hinblick auf eine Fokussierung der Laserstrahlung – zwischen dem Bestrahlen mit der Vorwärm-Laserstrahlung und dem Bestrahlen mit der Schweiß-Laserstrahlung verändert, und/oder es wird eine Distanz zwischen dem Fokus der Optik und der bestrahlten Bauteiloberfläche variiert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorwärm-Laserstrahlung defokussiert in die Fügezone eingestrahlt wird. Dies bedeutet insbesondere, dass ein Fokus oder Brennfleck der Vorwärm-Laserstrahlung nicht auf der Fügezone und insbesondere nicht auf einer Stirnseite des Zusammenbaus angeordnet ist. Alternativ ist es möglich, dass die Vorwärm-Laserstrahlung mit einem ersten, breiteren Brennfleck in die Fügezone eingestrahlt wird. In diesem Fall ist die Vorwärm-Laserstrahlung zwar auf die Fügezone fokussiert, jedoch mit einem relativ breiten Fokus. Dabei ist zu beachten, dass kohärente Laserstrahlung grundsätzlich nicht vollständig punktförmig fokussierbar ist, wobei die Breite eines Brennflecks in der Fokusebene insbesondere von der Qualität der optischen Abbildung abhängt.
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Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schweiß-Laserstrahlung fokussiert in die Fügezone eingestrahlt wird. Dadurch kann eine sehr hohe Leistungsdichte erreicht werden, mit der das Laser-Tiefschweißen ohne weiteres durchführbar ist. Besonders bevorzugt wird die Schweiß-Laserstrahlung mit einem zweiten, engeren Brennfleck in die Fügezone eingestrahlt, wobei der zweite, engere Brennfleck eine geringere Breite aufweist, als der erste breitere Brennfleck.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der Vorwärm-Laserstrahlung eine Wärmemenge von mindestens 8 kJ bis höchsten 9 kJ, vorzugsweise von 8,3 kJ, in die Fügezone eingebracht wird. Diese Wärmemenge ist zumindest für ein spezifisches Ausführungsbeispiel eines Zusammenbaus hinreichend, um den beschriebenen Anlasseffekt und zugleich eine Vorfixierung der Bauteile aneinander zu bewirken.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fügezone nach dem Laser-Tiefschweißen mittels Laserstrahlung nachgewärmt wird. Hierdurch können insbesondere ein zu schnelles Abkühlen der Fügestelle und damit einhergehende, in dem Material des Zusammenbaus erzeugte Eigenspannungen verhindert oder reduziert werden. Zum Nachwärmen wird vorzugsweise die Vorwärm-Laserstrahlung verwendet, das heißt insbesondere Laserstrahlung mit denselben Einstellungen und/oder Strahlparametern wie zuvor beim Bestrahlen mit der Vorwärm-Laserstrahlung. Insbesondere kann die gleiche Laseroptik, die auch zum Vorwärmen oder Anlassen, das heißt zum Bestrahlen mit der Vorwärm-Laserstrahlung, eingesetzt wurde, auch verwendet werden, um die Fügezone nachzuwärmen. Es ist aber auch möglich, dass das Nachwärmen mit anderen Strahleinstellungen und/oder -parametern erfolgt als das Bestrahlen mit der Vorwärm-Laserstrahlung einerseits und das Bestrahlen mit der Schweiß-Laserstrahlung andererseits.
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Im Rahmen des Verfahrens wird die Fügezone nach dem Aufpressen des Außenkörpers auf den Innenkörper gezielt aufgeheizt, wobei die derart eingebrachte Wärmemenge sich durch innere Wärmeleitung in beiden Werkstoffen bis in die spätere Wärmeeinflusszone und vorzugsweise sogar darüber hinaus ausbreitet, wodurch auch ein Heftvorgang durchgeführt wird.
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Im Rahmen des Verfahrens kann die Kernhärte in der Fügezone reduziert werden, und/oder es kann ein gleichmäßiger Kernhärteverlauf über den Fügestellenquerschnitt geschaffen werden. Es bedarf keiner separaten Anlagentechnik zur Bauteilvorwärmung, vielmehr kann die gesamte hierzu vorgesehene Technik in eine Laserschweißmaschine integriert sein. Eine Zunderbildung und/oder ein Anlaufen der Oberflächen der Bauteile vor dem Aufpressen und/oder an deren Stirnseite wird vermieden. Das Aufheizen erfolgt gezielt nur dort, wo die Wärme auch benötigt wird. Es bedarf keines Überhitzens vor dem Aufpressen, um eine Abkühlung bis zum Schweißen zu kompensieren.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine Detaildarstellung eines Zusammenbaus eines als Kupplungskörper ausgebildeten Außenkörpers und eines als Zahnrad ausgebildeten Innenkörpers, und
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Verbinden des Kupplungskörpers mit dem Zahnrad gemäß 1.
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1 zeigt eine Detaildarstellung eines als Kupplungskörper 1 ausgebildeten Außenkörpers 2 mit einem als Zahnrad 3 ausgebildeten Innenkörper 4, die zu einem Zusammenbau 5 verbunden sind. Der Zusammenbau 5 aus dem Kupplungskörper 1 und dem Zahnrad 3 wird in einem Fahrzeuggetriebe, insbesondere einem Kraftfahrzeuggetriebe verwendet, wobei der Kupplungskörper 1 insbesondere der Synchronisation des vorzugsweise als Gangrad ausgebildeten Zahnrads 3 dient und zu diesem Zweck einen Synchronkonus 7 aufweist. Die Funktionsweise eines solchen Zusammenbaus 5 ist grundsätzlich bekannt, sodass insoweit hierauf nicht näher eingegangen wird.
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Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden des Kupplungskörpers 1 mit dem Zahnrad 3 wird zunächst der massive, gehärtete Kupplungskörper 1 auf das massive, gehärtete Zahnrad 3 aufgepresst, wodurch der Zusammenbau 5 gebildet wird. Dabei entsteht zugleich eine Fügezone 9, in welcher danach der Kupplungskörper 1 mit dem Zahnrad 3 gefügt werden soll.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schritts einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Im Rahmen des Verfahrens wird zunächst die Fügezone 9 mit einer Vorwärm-Laserstrahlung bestrahlt, wobei der Kupplungskörper 1 und das Zahnrad 3 in der Fügezone 9 durch die Vorwärm-Laserstrahlung vorgewärmt und/oder angelassen und vorzugsweise aneinander vorfixiert, insbesondere aneinander geheftet werden. Anschließend wird die Fügezone 9 mit einer Schweiß-Laserstrahlung 11 bestrahlt, wobei der Kupplungskörper 1 und das Zahnrad 3 durch die Schweiß-Laserstrahlung 11 mittels Laser-Tiefschweißen miteinander verschweißt werden. Mittels der Vorwärm-Laserstrahlung werden innere Spannungen der gehärteten Bauteile im Bereich der Fügezone 9 abgebaut, sodass diese in einfacher und kostengünstiger Weise zuverlässig und dauerfest miteinander verbunden werden können, ohne dass beim Tiefschweißen Risse entstehen, die ansonsten bis zu einem Bruch im Bereich der Fügezone 9 führen könnten.
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Anhand von 2 zeigt sich auch, dass die Schweiß-Laserstrahlung 11 in axialer Richtung in die Fügezone 9 eingestrahlt wird, wobei die axiale Richtung hier durch eine bestimmungsgemäße Drehachse A des Zahnrads 3 beziehungsweise des Zusammenbaus 5 vorgegeben wird. Dabei wird – wie hier durch einen runden Pfeil P schematisch angedeutet – bevorzugt der Zusammenbau 5 gedreht, während er mit der Schweiß-Laserstrahlung 11 bestrahlt wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Schweiß-Laserstrahlung 11 in entsprechender Weise abzulenken und/oder entlang der Fügezone 9 zu führen, während der Zusammenbau 5 ruht. Es ist auch möglich, sowohl die Schweiß-Laserstrahlung 11 in geeigneter Weise abzulenken und/oder zu verfahren als auch den Zusammenbau 5 um die Drehachse A zu drehen.
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Das Tiefschweißen mit der Schweiß-Laserstrahlung 11 erfolgt bevorzugt entlang einer geschlossenen Umfangslinie, besonders bevorzugt überlappend, das heißt um mehr als 360°, um eine besonders sichere Verbindung zu erzielen.
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Auch die hier nicht dargestellte Vorwärm-Laserstrahlung wird bevorzugt – analog zu der Schweiß-Laserstrahlung 11 – axial in die Fügezone 9 eingestrahlt.
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Vorzugsweise wird durch das Bestrahlen mit der Vorwärm-Laserstrahlung mindestens eine vorbestimmte Mindest-Wärmemenge in die Fügezone 9 eingebracht, wodurch der Zusammenbau 5 im Bereich der Fügezone 9 einerseits vorgewärmt und/oder angelassen wird, und wobei andererseits der Kupplungskörper 1 und das Zahnrad 3 aneinander geheftet werden.
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Eine Energiedichte, eine Leistung, eine Bestrahlungszeit, eine Strahlgeometrie, und/oder eine Strahlführung entlang der Fügezone 9 wird für die Vorwärm-Laserstrahlung bevorzugt so gewählt, dass sich die durch die Vorwärm-Laserstrahlung in dem Zusammenbau 5 eingebrachte Wärme mindestens bis in eine Wärmeeinflusszone der Schweiß-Laserstrahlung ausbreitet, wobei sich insbesondere überall in der Wärmeeinflusszone mindestens eine vorbestimmte Mindesttemperatur einstellt. Dabei kann diese Wärmeeinflusszone insbesondere vor der Durchführung des Verfahrens bestimmt, beispielsweise durch Simulieren oder durch Schweißversuche an Test-Bauteilen ermittelt werden.
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Bevorzugt weisen die Schweiß-Laserstrahlung 11 und die Vorwärm-Laserstrahlung eine gleiche Wellenlänge auf. Alternativ oder zusätzlich werden sie von der gleichen Laserstrahl-Quelle, insbesondere von einem gleichen Laser, erzeugt.
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Zum Bestrahlen des Zusammenbaus 5 mit der Vorwärm-Laserstrahlung und mit der Schweiß-Laserstrahlung 11 werden vorzugsweise eine gleiche, insbesondere eine selbe Optik verwendet. Es ist alternativ aber auch möglich, hierzu verschiedene Optiken zu verwenden.
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Die Vorwärm-Laserstrahlung wird bevorzugt defokussiert oder mit einem ersten, breiteren Brennfleck in die Fügezone 9 eingestrahlt. Alternativ oder zusätzlich wird die Schweiß-Laserstrahlung 11 bevorzugt fokussiert, insbesondere mit einem zweiten, engeren Brennfleck in die Fügezone 9 eingestrahlt.
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Vorzugsweise wird mittels der Vorwärm-Laserstrahlung eine Wärmemenge von mindestens 8 kJ bis höchstens 9 kJ, vorzugsweise von 8,3 kJ, in die Fügezone 9 eingebracht.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Fügezone 9 nach dem Laser-Tiefschweißen mittels Laserstrahlung, insbesondere mit denselben Parametern, die auch zur Bestrahlung mit der Vorwärm-Laserstrahlung verwendet wurden, oder aber mit anderen Parametern, besonders bevorzugt mit einer selben Optik, die auch zum Vorwärmen und/oder Anlassen mittels der Vorwärm-Laserstrahlung verwendet wurde, nachgewärmt wird. Dadurch können beim Tiefschweißen entstandene Schweiß-Eigenspannungen im Bereich der Fügezone 9 reduziert werden.
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Insgesamt zeigt sich, dass mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren eine kostengünstige, einfache und zugleich zuverlässige Möglichkeit geschaffen ist, eine dauerfeste Verbindung eines Zahnrades 3 mit einem Kupplungskörper 1 auch zur Verwendung bei hohen mechanischen Beanspruchungen, insbesondere hohen Drehmomenten, zu erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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