DE102018106663A1

DE102018106663A1 - Method for producing a shaft-hub connection

Info

Publication number: DE102018106663A1
Application number: DE102018106663.5A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schäfer; Nico Reinheimer; Mark Kempa
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: Wolf Technologie De GmbH; MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2018-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung, wobei die Welle (1) und die Nabe (3) mittels Spielpassung, Übergangspassung oder Presspassung gefügt werden, wobei mindestens ein Verbindungsbereich (3a, 3b) zwischen Welle (1) und Nabe (3) gebildet wird, wobei die Welle (1) und die Nabe (3) im Verbindungsbereich (3a, 3b) mittels eines Laserstrahls (4a) punktförmig aufgeschmolzen werden und sich ein Bohrkanal (5) bzw. Schmelzkanal innerhalb der Nabe (3) sowie zumindest partiell innerhalb der Welle (1) bildet, wobei das aufgeschmolzene Material (3') der Nabe (3) durch den Bohrkanal (5) zumindest teilweise in das Material der Welle (1) eindringt und eine formschlüssige Verbindung bildet. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Materialpaarung vom ersten Bauteil (1) und zweiten Bauteil (2) derart gewählt, dass eine formschlüssige Verbindung durch Eindringen des Schmelzmaterials des ersten Bauteils (1') in den Bohrkanal (5) des zweiten Bauteils (2) gebildet wird.

The invention relates to a method for producing a shaft-hub connection, wherein the shaft (1) and the hub (3) are joined by means of clearance fit, transition fit or interference fit, wherein at least one connection region (3a, 3b) between shaft (1) and Hub (3) is formed, wherein the shaft (1) and the hub (3) in the connection region (3a, 3b) by means of a laser beam (4a) are melted punctiform and a drilling channel (5) or melt channel within the hub (3 ) and at least partially within the shaft (1), wherein the molten material (3 ') of the hub (3) at least partially penetrates through the drill channel (5) in the material of the shaft (1) and forms a positive connection. According to another embodiment of the invention, the material pairing of the first component (1) and second component (2) is selected such that a positive connection by penetration of the melt material of the first component (1 ') in the bore channel (5) of the second component (2 ) is formed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Bauteilen, insbesondere einer Welle-Nabe-Verbindung mit hoher Festigkeit nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method for producing a compound of components, in particular a shaft-hub connection with high strength according to the preamble of the independent claims.

Eine Welle-Nabe-Verbindung wird im Maschinenbau häufig verwendet, um Kräfte, Drehmomente und Leistungen von einer Welle oder einem Zapfen auf eine rotierende Nabe zu übertragen oder umgekehrt von der Nabe auf die Welle. Eine Verbindung von Bauteilen, insbesondere eine Welle-Nabe-Verbindung ist auch für eine Übertragung von Axialkräften, Querkräften und Biegemomenten geeignet, wie sie an Zahnrädern, Schneckengetrieben oder sonstigen Bauteilverbindungen entstehen.A shaft-hub connection is often used in mechanical engineering to transmit forces, torques and power from a shaft or pin to a rotating hub or vice versa from the hub to the shaft. A compound of components, in particular a shaft-hub connection is also suitable for a transmission of axial forces, shear forces and bending moments, as they occur at gears, worm gears or other component connections.

Je nach Art der Kraftübertragung kann die Verbindung als kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise Pressverbindung, als formschlüssige Verbindung, bei der die Kraftübertragung über eine bestimmte Formgebung der Bauteile erreicht wird, oder als stoffschlüssige Verbindung, z. B. durch Kleben, Löten oder Schweißen, ausgebildet werden.Depending on the type of power transmission, the compound as a non-positive connection, such as press connection, as a positive connection in which the power transmission is achieved via a specific shape of the components, or as cohesive connection, for. B. by gluing, soldering or welding, are formed.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Welle-Nabe-Verbindung in der Feinmechanik, bei der die Welle typischerweise einen Durchmesser von weniger als 10 Millimeter, vorzugsweise weniger als 5 Millimeter, aufweist.The invention particularly relates to a shaft-hub connection in precision mechanics in which the shaft typically has a diameter of less than 10 millimeters, preferably less than 5 millimeters.

Aufgrund der kleinen Dimensionen der Welle und der Nabe ist z. B. eine Pressverbindung mit Hilfe eines Heißschrumpfverfahrens nicht möglich, da das Material der Nabe aufgrund der hohen benötigten Temperaturen ausglühen und somit degenerieren würde oder es werden auf diese Weise keine ausreichenden Auspresskräfte erreicht.Due to the small dimensions of the shaft and the hub z. B. a press connection using a heat shrink process is not possible because the material of the hub annealed due to the high temperatures required and thus degenerate or it will not be achieved in this way sufficient Auspresskräfte.

Eine Klebeverbindung ist arbeitsintensiv und erreicht in der Regel nicht die erforderlichen Verbindungskräfte bzw. ist teuer und darüber hinaus eine unsichere Verbindung.An adhesive bond is labor intensive and usually does not reach the required connection forces or is expensive and beyond an unsafe connection.

Eine Schweißverbindung der beiden Teile kommt nur in Betracht, wenn die verwendeten Werkstoffe schweißbar sind. Wenn beispielsweise ein Fügepartner einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt von 0,4 Gew.-% oder mehr aufweist, kann eine beanspruchungsgerechte Schweißverbindung nicht mehr gewährleistet werden. Auch Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen können nicht oder nur mit hohem Aufwand geschweißt werden.A welded joint of the two parts is only considered if the materials used are weldable. If, for example, a joining partner has a relatively high carbon content of 0.4% by weight or more, a stress-reliant welded joint can no longer be guaranteed. Even components made of different materials can not be welded or only with great effort.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2013 017 387 A1 offenbart ein sogenanntes Keyhole-Laserschweißverfahren, bei dem das Material teilweise verdampft und mit dem vergleichsweise tiefe Schweißverbindungen hergestellt werden können.The publication DE 10 2013 017 387 A1 discloses a so-called keyhole laser welding process in which the material can be partially vaporized and made with the comparatively deep welded joints.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Verbindung von Bauteilen, insbesondere eine Welle-Nabe-Verbindung, vorzugsweise für feinmechanische Teile, zu schaffen, mit welcher hohe Haltekräfte erreicht werden können. Hierbei sollen insbesondere auch Materialien, die als nichtschweißbar gelten, etwa basierend auf einer Eisenlegierung mit hohem Kohlenstoffgehalt, miteinander formschlüssig verbunden werden. Ferner sollen auch nicht schweißbare Bauteile aus unterschiedlichen Materialien stabil miteinander verbunden werden können.It is the object of the invention to provide a connection of components, in particular a shaft-hub connection, preferably for precision mechanical parts, with which high holding forces can be achieved. Here, in particular, materials which are considered non-weldable, for example based on an iron alloy with a high carbon content, are connected to one another in a form-fitting manner. Furthermore, non-weldable components made of different materials should be able to be connected to one another stably.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder des Patenanspruchs 13 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1 or the patent claim 13.

Eine Verbindung von Bauteilen, z. B. eine Welle-Nabe-Verbindung mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ist im Patentanspruch 6 oder im Patentanspruch 19 beschrieben.A compound of components, eg. As a shaft-hub connection with the features according to the invention is described in claim 6 or in claim 19.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Preferred embodiments of the invention and further advantageous features emerge from the dependent claims.

Die Erfindung umfasst zwei bevorzugte AusführungsformenThe invention comprises two preferred embodiments

Die erste Ausführungsform der Erfindung eignet sich insbesondere für Welle-Nabe-Verbindungen, bei denen für die Welle und die Nabe Werkstoffe verwendet werden, deren Schmelztemperaturen vergleichsweise geringfügig, vorzugsweise um höchstens 10 % voneinander abweichen.The first embodiment of the invention is particularly suitable for shaft-hub connections in which materials are used for the shaft and the hub whose melting temperatures differ relatively slightly, preferably by more than 10% from each other.

Das Verfahren zur Herstellung der Welle-Nabe-Verbindung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst einen ersten Schritt, in welchem die Welle und die Nabe mittels Spielpassung, Übergangspassung oder Presspassung gefügt werden, wobei mindestens ein Verbindungsbereich zwischen Welle und Nabe gebildet wird.The method for producing the shaft-hub connection according to the first embodiment of the invention comprises a first step in which the shaft and the hub are joined by means of a clearance fit, transition fit or press fit, wherein at least one connection area between shaft and hub is formed.

Gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden in einem zweiten Schritt die Welle und die Nabe im Verbindungsbereich mittels eines Laserstrahls punktförmig aufgeschmolzen. Hierbei bildet sich ein Bohrkanal bzw. Schmelzkanal, wobei das aufgeschmolzene Material der Nabe durch den Bohrkanal zumindest teilweise in das Material der Welle eindringt und eine insbesondere formschlüssige Verbindung bildet.According to the first preferred embodiment of the invention, in a second step, the shaft and the hub in the connection region are melted in a punctiform manner by means of a laser beam. Here, a drilling channel or melt channel, wherein the molten material of the hub penetrates through the drill channel at least partially into the material of the shaft and forms a particular positive connection.

Dabei werden nicht die Randbereiche von Welle und Nabe miteinander verschweißt, sondern es wird durch die Nabe hindurch in die Welle hinein Schmelze eingebracht, welche zu einer teils formschlüssigen und teils stoffschlüssigen Verbindung führt.In this case, not the edge regions of the shaft and hub are welded together, but it is introduced through the hub into the shaft melt, which in part positive and partially cohesive connection leads.

Das Verfahren wird vorzugsweise ohne Vorbohrung durchgeführt, und es genügt ein einziger Laserimpuls, um die Nabe formschlüssig mit der Welle zu verbinden.The method is preferably performed without pre-drilling, and it is sufficient a single laser pulse to positively connect the hub with the shaft.

Bei dem beschriebenen Verfahren handelt es sich nicht um eine typische Verschweißung, denn erfindungsgemäß wird der Energieeintrag durch den Punktlaser derart gesteuert, dass keine rein stoffschlüssige, sondern darüber hinaus eine formschlüssige Schweißverbindung zwischen der Welle und der Nabe entsteht.The method described is not a typical welding, because according to the invention the energy input is controlled by the point laser so that no purely cohesive, but beyond a positive weld between the shaft and the hub is formed.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung wird vorzugsweise ein Faserlaser verwendet, der mit einer Impulsdauer von 2 bis 100 Millisekunden betrieben wird.In a preferred embodiment of the first embodiment of the invention preferably a fiber laser is used, which is operated with a pulse duration of 2 to 100 milliseconds.

Das Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung eignet sich insbesondere für Welle-Nabe-Verbindungen, wobei die Welle und/oder die Nabe vorzugsweise aus einer Eisenlegierung mit einem Kohlenstoffanteil von mindestens 0,4 Gew.-% bestehen, bei der eine saubere und ausreichend feste Schweißverbindung nicht ohne Weiteres erreicht werden kann.The method according to the first embodiment of the invention is particularly suitable for shaft-hub connections, wherein the shaft and / or the hub are preferably made of an iron alloy with a carbon content of at least 0.4 wt .-%, in which a clean and sufficient firm weld can not be readily achieved.

Vorzugsweise werden über den Umfang des Verbindungsbereichs mehrere solche formschlüssige Verbindungen durchgeführt, um die Festigkeit der formschlüssigen Verbindung zu erhöhen.Preferably, a plurality of such positive connections are performed over the circumference of the connecting region in order to increase the strength of the positive connection.

Die Welle-Nabe-Verbindung kann besonders vorteilhaft für Bauteile verwendet werden, die aus Werkstoffen bestehen, deren Schmelztemperaturen sich höchstens um 10 % unterscheiden.The shaft-hub connection can be used particularly advantageously for components which consist of materials whose melting temperatures differ by at most 10%.

Dadurch wird sichergestellt, dass beim Eintrag des Lasers die beiden Verbindungspartner im Wesentlichen gleichzeitig aufschmelzen und der Laserimpuls ausreichend kurz gehalten werden kann, damit die gewünschte formschlüssige Verbindung zustande kommt.This ensures that upon entry of the laser, the two connection partners melt substantially simultaneously and the laser pulse can be kept sufficiently short, so that the desired positive connection is established.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Wandstärke der Nabe im Verbindungsbereich derart gewählt, dass diese höchstens 50 % des Durchmessers der Welle beträgt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Laserimpuls den entsprechenden Verbindungsbereich der Nabe schnell durchdringt und in die Welle eindringt, wobei das aufgeschmolzene Material der Nabe direkt durch den Bohrkanal in die Welle eindringt und die formschlüssige Verbindung bildet.In a further preferred embodiment of the first embodiment of the invention, the wall thickness of the hub in the connection region is selected such that it is at most 50% of the diameter of the shaft. This ensures that the laser pulse quickly penetrates the corresponding hub connection region and penetrates the shaft, with the melted material of the hub penetrating directly into the shaft through the drill channel and forming the positive connection.

Hierbei wird die Leistung des Lasers vorzugsweise derart geregelt, dass die Tiefe des Bohrkanals in der Welle zwischen 10 % und 90 % des Durchmessers der Welle beträgt.In this case, the power of the laser is preferably regulated such that the depth of the drilling channel in the shaft is between 10% and 90% of the diameter of the shaft.

Hierbei kann der Bohrkanal sowohl senkrecht zur Längsachse der Welle ausgeführt werden als auch in einem spitzen Winkel von ≤ 90° in Bezug auf die Längsachse der Welle, was der Verbindung eine höhere Festigkeit bezüglich axialen Kräften und Scherkräften gibt.In this case, the drilling channel can be carried out both perpendicular to the longitudinal axis of the shaft and at an acute angle of ≤ 90 ° with respect to the longitudinal axis of the shaft, which gives the compound a higher strength with respect to axial forces and shear forces.

Die zweite Ausführungsform der Erfindung eignet sich insbesondere für Verbindungen von Bauteilen, beispielsweise Welle-Nabe-Verbindungen, bei denen für das zweite Bauteil ein Werkstoff verwendet wird, dessen Schmelztemperatur deutlich, vorzugsweise um mindestens 25 % geringer ist als die Schmelztemperatur des Werkstoffs des ersten Bauteils. Es können demnach nicht nur Bauteile aus gleichartigen Werkstoffen miteinander verbunden werden, sondern insbesondere auch Bauteile aus verschiedenen Werkstoffen, wie z. B. Eisenlegierungen, Nichteisen-Legierungen, Aluminiumlegierungen, Bronze, Messing, gesinterte oder kunststoffgebundene Magnetwerkstoffe oder sogar Kunststoffe.The second embodiment of the invention is particularly suitable for connections of components, such as shaft-hub connections, in which a material is used for the second component whose melting temperature is significantly, preferably at least 25% less than the melting temperature of the material of the first component , It can therefore not only components of similar materials are connected to each other, but in particular also components made of different materials, such. As iron alloys, non-ferrous alloys, aluminum alloys, bronze, brass, sintered or plastic bonded magnetic materials or even plastics.

In einem ersten Verfahrensschritt der zweiten Ausführungsform der Erfindung werden das erste Bauteil, z. B. die Welle und das zweite Bauteil, z. B. die Nabe mittels Spielpassung, Übergangspassung oder Presspassung gefügt, wobei mindestens ein Verbindungsbereich zwischen Welle und Nabe gebildet wird.In a first method step of the second embodiment of the invention, the first component, for. B. the shaft and the second component, for. B. the hub by means of clearance fit, transition fit or interference fit, wherein at least one connection region between the shaft and hub is formed.

In einem zweiten Schritt des Verfahrens werden die Welle und die Nabe im Verbindungsbereich mittels eines Laserstrahls punktförmig aufgeschmolzen. Hierbei bildet sich ein Schmelzkanal bzw. Bohrkanal in der Nabe und der Welle, wobei das aufgeschmolzene Material der Nabe weitgehend aus dem Bohrkanal verdampft. Das darunterliegende Material der Welle wird ebenfalls erhitzt, verflüssigt sich zunächst im Schmelzkanal und ein Teil wird verdampft und wird gasförmig. Der flüssige Anteil des Materials der Welle im Schmelzkanal wird durch den Gasdruck, der bei dem rapiden Erhitzen der Welle entsteht, durch den entstandenen Schmelzkanal nach außen in Richtung der Öffnung des Schmelzkanals gedrückt, wobei das aufgeschmolzene Material der Welle zumindest teilweise in den Bohrkanal innerhalb der Nabe eindringt und eine formschlüssige Verbindung bildet.In a second step of the method, the shaft and the hub are melted in the connecting area by means of a laser beam punctiform. This forms a melt channel or drill channel in the hub and the shaft, wherein the molten material of the hub evaporates largely from the drilling channel. The underlying material of the shaft is also heated, liquefies first in the melt channel and a part is vaporized and becomes gaseous. The liquid portion of the shaft material in the melt channel is forced outwardly toward the mouth of the melt channel by the gas pressure generated by the rapid heating of the shaft, with the molten material of the shaft at least partially entering the bore within the channel Hub penetrates and forms a positive connection.

Durch das Verdampfen des Materials der Nabe aus dem Bohrkanal, das einen geringeren Schmelzunkt als das Material der Welle aufweist, kann das aufgeschmolzene Material der Welle in den Bohrkanal der Nabe eindringen, sodass sich eine formschlüssige Verbindung ähnlich einer Nietverbindung ergibt, wobei das Material der Welle die Niete ausbildet.By evaporating the material of the hub from the wellbore, which has a lower melting point than the material of the shaft, the molten material of the shaft can penetrate into the bore of the hub, resulting in a positive connection similar to a rivet connection, wherein the material of the shaft the rivet is forming.

Das Verfahren wird vorzugsweise ohne Vorbohrung durchgeführt, und es genügt ein einziger Laserimpuls, um die Nabe formschlüssig mit der Welle zu verbinden. The method is preferably performed without pre-drilling, and it is sufficient a single laser pulse to positively connect the hub with the shaft.

Der Energieeintrag durch den Punktlaser wird derart gesteuert, dass überwiegend eine formschlüssige Verbindung zwischen der Welle und der Nabe erfolgt.The energy input through the point laser is controlled so that predominantly a positive connection between the shaft and the hub takes place.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird vorzugsweise ein Faserlaser verwendet, der mit einer Impulsdauer von 2 Millisekunden bis 100 Millisekunden, vorzugsweise einer kurzen Impulsdauer von 2 Millisekunden bis Millisekunden, betrieben wird.In a preferred embodiment of the second embodiment of the invention, a fiber laser is preferably used, which is operated with a pulse duration of 2 milliseconds to 100 milliseconds, preferably a short pulse duration of 2 milliseconds to milliseconds.

Das Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung eignet sich für Verbindungen von Bauteilen, insbesondere für Welle-Nabe-Verbindungen von Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien, wobei die Welle vorzugsweise aus einer Eisenlegierung und die Nabe vorzugsweise aus einer Nichteisen-Legierung bestehen, sodass eine herkömmliche Schweißverbindung nicht oder nur mit erheblichem Aufwand anwendbar ist.The method according to the second embodiment of the invention is suitable for connections of components, in particular for shaft-hub connections of components made of different materials, the shaft preferably made of an iron alloy and the hub preferably made of a non-ferrous alloy, so that a conventional welded joint is not or only with considerable effort applicable.

Vorzugsweise werden über den Umfang des Verbindungsbereichs mehrere solche formschlüssige Verbindungen durchgeführt, um die Festigkeit der Welle-Nabe-Verbindung zu erhöhen.Preferably, a plurality of such positive connections are performed over the circumference of the connecting region in order to increase the strength of the shaft-hub connection.

Die Verbindung von Bauteilen, insbesondere für Welle-Nabe-Verbindungen gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung kann besonders vorteilhaft für Bauteile verwendet werden, die aus Werkstoffen bestehen, deren Schmelztemperaturen deutlich, vorzugsweise um mindestens 25 % voneinander abweichen, wobei für das zweite Bauteil, z. B. für die Nabe, also das außenliegende Bauteil, ein Werkstoff mit einem niedrigeren Schmelzpunkt verwendet wird als für das erste Bauteil, z. B. die Welle. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Eintrag des Lasers zunächst das außenliegende Material des zweiten Bauteils mit dem niedrigeren Schmelzpunkt aufschmilzt und teilweise verdampft. Nachfolgend schmilzt dann das innenliegende Material des ersten Bauteils, z. B. der Welle mit dem höheren Schmelzpunkt. Durch den entstehenden Dampfdruck wird die Schmelze des ersten Bauteils, z. B. der Welle nach außen in den Bohrkanal des zweiten Bauteils, z. B. der Nabe gedrückt, wo sie nach dem Ausschalten des Lasers aushärtet und die gewünschte formschlüssige Verbindung ähnlich einer Nietverbindung bildet.The connection of components, in particular for shaft-hub connections according to the second embodiment of the invention can be used particularly advantageously for components which consist of materials whose melting temperatures significantly, preferably differ by at least 25%, wherein for the second component, for , B. for the hub, so the outer component, a material having a lower melting point is used as for the first component, for. B. the shaft. This ensures that the entry of the laser initially melts the outer material of the second component with the lower melting point and partially evaporated. Subsequently, then melts the inner material of the first component, for. B. the shaft with the higher melting point. Due to the resulting vapor pressure, the melt of the first component, for. B. the shaft outward into the bore of the second component, z. B. the hub, where it hardens after turning off the laser and forms the desired positive connection similar to a riveted joint.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird der Bohrkanal in einem spitzen Winkel β ≤ 45° in Bezug auf die Längsachse des ersten Bauteils, z. B. der Welle ausgeführt. Dadurch kann eine besonders große Verbindungslänge erreicht werden, was der Verbindung eine höhere Festigkeit bezüglich axialen Kräften und Scherkräften gibt.In a preferred embodiment of the second embodiment of the invention, the drilling channel at an acute angle β ≤ 45 ° with respect to the longitudinal axis of the first component, for. B. the shaft running. This allows a particularly large connection length can be achieved, which gives the compound a higher strength with respect to axial forces and shear forces.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hieraus ergeben sich weitere vorteilhafte Merkmale und Vorteile der Erfindung.

1 zeigt eine Welle-Nabe-Verbindung zwischen einer Welle 1 und einer Zylinderschnecke 3.
2 zeigt schematisch einen Teilschnitt der Welle 1 und der Zylinderschnecke 3 im Bereich der formschlüssigen Verbindung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt schematisch einen Teilschnitt der Welle 1 und einen Verbindungsbereich 2a der Nabe 2 im Bereich der formschlüssigen Verbindung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt schematisch einen weiteren Teilschnitt der Welle 1 und einen Verbindungsbereich 2a der Nabe 2 im Bereich der formschlüssigen Verbindung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.

The invention will be explained in more detail below with reference to two preferred embodiments with reference to the drawings. This results in further advantageous features and advantages of the invention.

1 shows a shaft-hub connection between a shaft 1 and a cylindrical screw 3rd
2 schematically shows a partial section of the shaft 1 and the cylindrical screw 3 in the region of the positive connection according to the first embodiment of the invention.
3 schematically shows a partial section of the shaft 1 and a connecting portion 2a of the hub 2 in the region of the positive connection according to the second embodiment of the invention.
4 schematically shows a further partial section of the shaft 1 and a connecting portion 2a of the hub 2 in the region of the positive connection according to the second embodiment of the invention.

In 1 ist eine Welle 1 dargestellt, die beispielsweise einen Durchmesser von 2 Millimeter aufweist. Auf der Welle 1 kann ein Stirnzahnrad 2 befestigt sein.In 1 is a wave 1 represented, for example, has a diameter of 2 millimeters. On the wave 1 can be a spur gear 2 be attached.

Ferner ist auf der Welle 1 eine Zylinderschnecke 3 (Nabe) angeordnet, die erfindungsgemäß mittels einer formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung an der Welle 1 befestigt ist.Further, on the shaft 1 a cylindrical screw 3 (Hub) arranged, which is fastened according to the invention by means of a positive shaft-hub connection to the shaft 1.

Hierzu sind die Welle 1 und die Zylinderschnecke 3 derart gefertigt, dass sie mit einer Übergangspassung oder Spielpassung gefügt werden können.These are the wave 1 and the cylindrical screw 3 manufactured so that they can be joined with a transition fit or clearance.

Dabei ist der Durchmesser der Welle 1 vorzugsweise kleiner oder gleich dem Durchmesser der Bohrung in der Zylinderschnecke 3.Here is the diameter of the shaft 1 preferably smaller than or equal to the diameter of the bore in the cylindrical screw 3 ,

Die Zylinderschnecke 3 wird beim Fügen in ihrer vorgesehenen Position auf der Welle 1 positioniert.The cylindrical screw 3 is positioned during the joining in its intended position on the shaft 1.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird als Werkstoff für die Welle 1 und/oder die Zylinderschnecke 3 beispielsweise eine Eisenlegierung mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,4 Gew.-% verwendet.According to a first embodiment of the invention is as a material for the shaft 1 and / or the cylindrical screw 3 For example, an iron alloy having a carbon content of at least 0.4 wt .-% used.

Mittels eines Faserlasers wird nun erfindungsgemäß eine formschlüssige Verbindung zwischen der Zylinderschnecke 3 und der Welle 1 geschaffen.By means of a fiber laser is now according to the invention a positive connection between the cylindrical screw 3 and the wave 1 created.

Hierbei kann ein Faserlaser mit einer maximalen Leistung von beispielsweise einigen hundert Watt bis einigen Kilowatt verwendet werden.Here, a fiber laser with a maximum power of, for example, a few hundred watts to a few kilowatts can be used.

Die Zylinderschnecke 3 ist vorzugsweise an beiden Enden mit jeweils einem Ansatz versehen, welche einen von dem Laser zugänglichen Verbindungsbereich 3a und 3b bilden.The cylindrical screw 3 is preferably provided at both ends with a respective approach, which is accessible from the laser connection area 3a and 3b form.

Die Laserbehandlung erfolgt nun vorzugsweise an beiden Verbindungsbereichen 3a und 3b und an jedem Verbindungsbereich, vorzugsweise an mehreren punktförmigen Stellen, beispielsweise an drei Stellen, die über den Umfang der Ansätze der Zylinderschnecke 3 in einem Winkel von beispielsweise jeweils 120° verteilt angeordnet sind.The laser treatment is now preferably carried out at both connection areas 3a and 3b and at each connection region, preferably at a plurality of point-shaped locations, for example at three points, which extend beyond the circumference of the projections of the cylindrical screw 3 are arranged distributed at an angle of, for example, 120 °.

Der Laser wird auf eine vorgesehene Position auf den Verbindungsbereich 3a gerichtet, wobei die Leistung des Lasers auf beispielsweise 750 Watt eingestellt wird.The laser is moved to a designated position on the connection area 3a directed, wherein the power of the laser is set to, for example, 750 watts.

Mittels eines Laserpulses mit einer Dauer von 2 bis 100 Millisekunden, vorzugsweise 15 bis 25 Millisekunden, wird eine formschlüssige Verbindung zwischen der Zylinderschnecke 3 und der Welle 1 hergestellt.By means of a laser pulse with a duration of 2 to 100 milliseconds, preferably 15 to 25 milliseconds, a positive connection between the cylindrical screw 3 and the wave 1 produced.

Über den Umfang der Verbindungsbereiche 3a bzw. 3b werden jeweils eine oder mehrere der beschriebenen formschlüssigen Verbindungen mittels Laser erzeugt.About the extent of the connection areas 3a respectively. 3b In each case one or more of the described positive connections are generated by means of laser.

2 zeigt schematisch einen Teilschnitt der Welle 1 und der Zylinderschnecke 3 im Bereich der formschlüssigen Verbindung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. 2 schematically shows a partial section of the shaft 1 and the cylindrical screw 3 in the region of the positive connection according to the first embodiment of the invention.

Die Welle 1 und die Zylinderschnecke 3 werden zunächst zusammengefügt und entsprechend positioniert.The wave 1 and the cylindrical screw 3 are first joined together and positioned accordingly.

Danach wird beispielsweise auf den Verbindungsbereich 3a der Zylinderschnecke 3 ein Laserstrahl 4a eines Faserlasers 4 gerichtet. After that, for example, on the connection area 3a the cylindrical screw 3 is a laser beam 4a a fiber laser 4 directed.

Die notwendige Leistung des Lasers 4 hängt ab von der Größe der zu verbindenden Bauteile.The necessary power of the laser 4 depends on the size of the components to be connected.

Bei einer Welle 1 mit einem Durchmesser von 2 Millimeter und einer Zylinderschnecke 3 mit einer Wandstärke im Verbindungsbereich 3a von beispielsweise 0,4 bis 0,5 Millimeter wird eine Laserleistung von beispielsweise 750 Watt benötigt. Dabei wird bevorzugt eine Energie von 3 Joule bis 15 Joule bei einem Laserstrahl-Durchmesser von etwa 0,2 mm pro Laserpuls verwendet.In a wave 1 with a diameter of 2 millimeters and a cylindrical screw 3 with a wall thickness in the connection area 3a For example, from 0.4 to 0.5 millimeters, a laser power of 750 watts, for example, is needed. In this case, an energy of 3 joules to 15 joules is preferably used at a laser beam diameter of about 0.2 mm per laser pulse.

Der Laserstrahl 4a kann entweder senkrecht auf die Oberfläche der zu verbindenden Bauteile 1, 3 gerichtet werden, oder, wie im Beispiel dargestellt, auch in einem Winkel α im Bereich von 0° bis 90° bezüglich der Senkrechten auf die Längsachse 6 der Welle 1. Insbesondere ist es möglich, die Laserstrahlung in einem Winkel von 90°, d. h. parallel zur Längsachse 6 der Welle, auf den stirnseitigen Zwischenraum der Welle und der Nabe zu richten, um somit beide Bauteile zu verkeilen, wodurch diese ein vergleichsweise hohes Drehmoment übertragen können. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Laserstrahl 4a in einem Winkel von kleiner als 45° bezüglich der Senkrechten auf die Längsachse 6 der Welle 1 auftrifft, da somit aufgrund der geringeren Weglänge durch das Material der Nabe entsprechend weniger Laserenergie benötigt wird.The laser beam 4a can be either perpendicular to the surface of the components to be joined 1 . 3 be directed, or, as shown in the example, even at an angle α in the range of 0 ° to 90 ° with respect to the perpendicular to the longitudinal axis 6 the wave 1 , In particular, it is possible for the laser radiation to be at an angle of 90 °, ie parallel to the longitudinal axis 6 the shaft, to the frontal space of the shaft and the hub to direct, so as to wedge both components, whereby they can transmit a relatively high torque. However, it is particularly advantageous if the laser beam 4a at an angle of less than 45 ° with respect to the perpendicular to the longitudinal axis 6 the wave 1 impinges, since thus due to the shorter path length through the material of the hub correspondingly less laser energy is needed.

Der Laserstrahl 4a wird in Form eines Einmalimpulses von einer Pulsdauer von 20 Millisekunden auf die zu verbindenden Bauteile 1, 3 gerichtet. Bevorzugt beträgt die Pulsdauer - abhängig von der Leistung und der erwünschten Eindringtiefe des Laserstrahls -zwischen 2 Millisekunden und 100 Millisekunden. Dabei kann der Laserstrahl über die gesamte Pulsdauer eine weitgehend konstante Leistung aufweisen, oder es kann bevorzugt eine Modulation der Laserleistung über das Zeitintervall der Pulsdauer erfolgen. Besonders bevorzugt ist die Leistung der Laserstrahlung zu Beginn des Laser-Verbindungsverfahrens gering und wird über die Pulsdauer zunehmend größer, um Materialspritzer zu vermeiden.The laser beam 4a is in the form of a one-time pulse of a pulse duration of 20 milliseconds on the components to be connected 1 . 3 directed. Preferably, the pulse duration is between 2 milliseconds and 100 milliseconds, depending on the power and the desired depth of penetration of the laser beam. In this case, the laser beam over the entire pulse duration may have a substantially constant power, or it may preferably be carried out a modulation of the laser power over the time interval of the pulse duration. Particularly preferably, the power of the laser radiation at the beginning of the laser connection method is low and becomes increasingly larger over the pulse duration in order to avoid splashes of material.

Aufgrund der Laserenergie wird zunächst das Material der Zylinderschnecke 3 im Verbindungsbereich 3a punktförmig aufgeschmolzen, wobei der Laserstrahl 4a dann in das Material der Welle 1 eindringt und das Material der Welle 1 ebenfalls punktförmig aufgeschmolzen wird. In der Zylinderschnecke 3 und der Welle 1 bildet sich ein etwa kegelförmiger Bohrkanal 5 bzw. Schmelzkanal 5 aus.Due to the laser energy is first the material of the cylindrical screw 3 melted punctiform in the connection region 3a, wherein the laser beam 4a then into the material of the shaft 1 penetrates and the material of the shaft 1 is also melted punctiform. In the cylindrical screw 3 and the wave 1 An approximately conical drill channel forms 5 or melt channel 5 out.

Das aufgeschmolzene Material 3' der Zylinderschnecke 3 kann nun zumindest teilweise durch den Bohrkanal 5 der Zylinderschnecke 3 in den Bohrkanal 5 der Welle 1 eindringen.The molten material 3. ' the cylindrical screw 3 can now at least partially through the drill channel 5 the cylindrical screw 3 in the drilling channel 5 penetrate the shaft 1.

Nach dem Abschalten des Lasers 4 härtet das Material der Welle 1 und der Zylinderschnecke 3 wieder aus. Im Bohrkanal 5 der Welle 1 verbleibt ein Pfropfen des Materials der Zylinderschnecke 3, und es bildet sich eine formschlüssige Verbindung zwischen der Zylinderschnecke 3 und der Welle 1 durch das im Bereich des Bohrkanals 5 verbleibende Material 3' der Zylinderschnecke 3.After switching off the laser 4 hardens the material of the shaft 1 and the cylindrical screw 3 again. In the drill channel 5 the wave 1 a grafting of the material of the cylindrical screw remains 3 , And it forms a positive connection between the cylindrical screw 3 and the wave 1 through that in the area of the drilling channel 5 remaining material 3. ' the cylindrical screw 3 ,

Erfindungsgemäß können über den Umfang des Verbindungsbereichs 3a der Zylinderschnecke 3 verteilt mehrere solche Laserverbindungen hergestellt werden. Ferner können anstelle einer Zylinderschnecke andere Zahnradformen mit der Welle verbunden werden, wie beispielsweise Globoidschnecken, Stirnzahnräder oder Ähnliches. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die formschlüssige Verbindung der Zylinderschnecke 3 und der Welle 1 mittels des Lasers an den beiden axialen Enden der Zylinderschnecke 3a/b. Alternativ oder zusätzlich kann die formschlüssige Verbindung der Zylinderschnecke und der Welle mittels des Lasers auch im Zwischenbereich zwischen zwei benachbarten Zahnflanken erfolgen.According to the invention, over the circumference of the connection area 3a the cylindrical screw 3 distributed several such laser connections are made. Furthermore, instead of a Cylindrical screw other gear shapes are connected to the shaft, such as globoid screws, spur gears or the like. In the exemplary embodiment, the positive connection of the cylindrical screw 3 and the shaft 1 by means of the laser at the two axial ends of the cylindrical screw 3a / B. Alternatively or additionally, the positive connection of the cylindrical screw and the shaft by means of the laser can also take place in the intermediate region between two adjacent tooth flanks.

Durch die formschlüssige Verbindung mittels des Lasers lassen sich Auspresskräfte erzielen, die um ein Vielfaches größer sind als die einer beispielsweise reinen Pressverbindung, bei der die Fläche der Pressverbindung der aufgeschmolzenen Fläche entspricht.By means of the positive connection by means of the laser, it is possible to achieve extrusion forces that are many times greater than, for example, a pure press connection in which the surface of the press connection corresponds to the molten surface.

Der kegelförmige Bohrkanal 5 entsteht durch Verdampfen des Materials infolge des Einbringens des Laserstrahls 4a, wobei das Material der Zylinderschnecke 3 aufschmilzt und in den Bohrkanal 5 der Welle 1 hineinläuft.The cone-shaped drill channel 5 is created by evaporation of the material due to the introduction of the laser beam 4a , where the material of the cylindrical screw 3 melts and into the drill hole 5 the wave 1 into running.

Das Material der Zylinderschnecke 3 dringt demnach auf einen bestimmten Weg in das Material der Welle 1 ein.The material of the cylindrical screw 3 penetrates accordingly to a certain way into the material of the wave 1 one.

Es ergibt sich eine im Wesentlichen punktförmige, in der Tiefe kegelförmige, in die Zylinderschnecke 3 und Welle 1 eindringende, insbesondere formschlüssige Verbindung zwischen der Zylinderschnecke 3 und der Welle 1.The result is a substantially punctiform, conical in depth, in the cylindrical screw 3 and shaft 1 penetrating, in particular positive connection between the cylindrical screw 3 and the wave 1 ,

Die Laserleistung und die Impulsdauer müssen derart angepasst werden, dass ein ausreichend tiefer Bohrkanal 5 in der Welle 1 erzeugt wird. Dabei wird die der Laser-Einstrahlung gegenüberliegende Seite der Nabe nicht von dem Laserstrahl durchbohrt. Vorzugsweise wird auch die Welle 1 zumindest nicht vollständig durchbohrt.The laser power and the pulse duration must be adjusted so that a sufficiently deep drill channel 5 in the wave 1 is produced. The laser radiation opposite side of the hub is not pierced by the laser beam. Preferably, the shaft is also 1 at least not completely pierced.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere einsetzbar bei der Verbindung von Materialien, insbesondere Eisenlegierungen, mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,4 Gew.-%.The process according to the invention can be used in particular in the combination of materials, in particular iron alloys, with a carbon content of more than 0.4% by weight.

Derartige Eisenlegierungen lassen sich herkömmlicherweise nur unbefriedigend schweißen.Conventionally, such iron alloys can only be welded unsatisfactorily.

Für die Massenproduktion wäre ein Schweißverfahren zur rein stoffschlüssigen Verbindung zu fehleranfällig, sodass die erfindungsgemäße formschlüssige Verbindung vorteilhaft angewendet werden kann.For mass production, a welding process for purely material connection would be prone to failure, so that the positive connection according to the invention can be advantageously used.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist keine Vorbearbeitung oder Vorbehandlung der beiden Verbindungspartner notwendig. Es wird eine reproduzierbare Festigkeit und Qualität der Verbindung erreicht.For the method according to the invention no pre-processing or pretreatment of the two connection partners is necessary. It is achieved a reproducible strength and quality of the connection.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass auch Bauteile aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise aus Eisenlegierungen und Nichteisen-Legierungen, und insbesondere auch mit deutlich unterschiedlichen Schmelzpunkten miteinander verbunden werden können.According to a second embodiment of the invention, it is provided that components made of different materials, for example, iron alloys and non-ferrous alloys, and in particular with significantly different melting points can be connected to each other.

Als Werkstoff für das erste Bauteil 1 kann beispielsweise eine Eisenlegierung, insbesondere Stahl, und besonders bevorzugt martensitischer nichtrostender Stahl, verwendet werden, während das zweite Bauteil 2 beispielsweise aus einer Nichteisen-Legierung, wie beispielsweise Aluminium, Aluminium-Legierungen, Bronze, Messing oder Ähnlichem besteht. Auch Verbindungen zwischen zwei Kunststoffen oder einer Metalllegierung, Magnetwerkstoffen und Kunststoff sind denkbar.As material for the first component 1 For example, an iron alloy, especially steel, and most preferably martensitic stainless steel may be used while the second component 2 For example, consists of a non-ferrous alloy, such as aluminum, aluminum alloys, bronze, brass or the like. Also, connections between two plastics or a metal alloy, magnetic materials and plastic are conceivable.

Mit Bezug auf 3 und 4 wird mittels des Faserlasers 4 erfindungsgemäß eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungsbereich 2a der Nabe 2 und der Welle 1 geschaffen.Regarding 3 and 4 is by means of the fiber laser 4 According to the invention, a positive connection between the connection area 2a the hub 2 and the wave 1 created.

Die Welle 1 und der Verbindungsbereich 2a der Nabe 2 werden zunächst zusammengefügt und entsprechend positioniert.The wave 1 and the connection area 2a the hub 2 are first joined together and positioned accordingly.

Danach wird beispielsweise auf den Verbindungsbereich 2a ein Laserstrahl 4a eines Faserlasers 4 gerichtet. Hierbei kann ein Faserlaser 4 mit einer Leistung von vorzugsweise einigen Kilowatt, beispielsweise 5 bis 10 Kilowatt, verwendet werden.After that, for example, on the connection area 2a a laser beam 4a a fiber laser 4 directed. This can be a fiber laser 4 with a power of preferably a few kilowatts, for example 5 to 10 kilowatts.

Die Laserbehandlung erfolgt vorzugsweise am Verbindungsbereich 2a zwischen der Welle 1 und der Nabe 2 und an jedem weiteren Verbindungsbereich vorzugsweise an mehreren punktförmigen Stellen, beispielsweise an drei Stellen, die über den Umfang der Ansätze des Verbindungsbereichs 2a in einem Winkel von beispielsweise jeweils 120° über den Umfang verteilt angeordnet sind.The laser treatment is preferably carried out at the connection area 2a between the wave 1 and the hub 2 and at each further connection region, preferably at a plurality of point-shaped locations, for example at three locations, which extend beyond the circumference of the projections of the connection region 2a are arranged at an angle of, for example, 120 ° distributed over the circumference.

Der Laserstrahl 4a wird auf eine vorgesehene Position auf den Verbindungsbereich 2a der Nabe 2 gerichtet. Die notwendige Leistung des Lasers 4 hängt ab von der Größe bzw. der Dicke der zu verbindenden Bauteile. Die Leistung des Lasers 4 wird auf beispielsweise 6000 Watt eingestellt.The laser beam 4a is set to an intended position on the connecting portion 2a of the hub 2 directed. The necessary power of the laser 4 depends on the size or thickness of the components to be connected. The power of the laser 4 is set to, for example, 6000 watts.

Mit Bezug auf 4 wird der Laserstrahl 4a vorzugsweise in einem spitzen Winkel β bezüglich der Längsachse 6 der Welle 1 auf die Verbindungsstelle gerichtet. Insbesondere wird der Laserstrahl 4a in einem Winkel β < 45° auf den Bereich des stirnseitigen Zwischenraums der Welle 1 und der Nabe 2 gerichtet. Aufgrund des spitzen Winkels β und der damit verbundenen großen benötigten Eindringtiefe bzw. großen Länge des Bohrkanals 5 bzw. Schmelzkanals ist eine relativ hohe Laserleistung notwendig.Regarding 4 becomes the laser beam 4a preferably at an acute angle β with respect to the longitudinal axis 6 the wave 1 directed to the connection point. In particular, the laser beam becomes 4a at an angle β <45 ° to the region of the end-side gap of the shaft 1 and the hub 2 directed. Due to the acute angle β and the associated large required penetration or long length of the drilling channel 5 or melt channel is a relatively high laser power necessary.

Mittels eines Laserpulses mit einer Dauer von 2 bis 100 Millisekunden, insbesondere bevorzugt 5 bis 15 Millisekunden, wird eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungsbereich 2a und der Welle 1 hergestellt.By means of a laser pulse with a duration of 2 to 100 milliseconds, particularly preferably 5 to 15 milliseconds, a positive connection between the connection area 2a and the wave 1 produced.

Bei einer Welle 1 aus Stahl mit einem Durchmesser von 5 Millimeter und einem Verbindungsbereich 2a der Nabe 2 aus Aluminium mit einer Wandstärke im Verbindungsbereich von beispielsweise 3 Millimeter wird eine Laserleistung von 6000 Watt benötigt. Es kann sich um einen Infrarot-Laser mit einer Wellenlänge von beispielsweise 1070 Nanometer handeln. Dabei wird bevorzugt eine Energie von etwa 40 Joule bis 60 Joule bei einem Laserstrahl-Durchmesser von etwa 0,2 mm pro Laserpuls verwendet. (BITTE DIE WERTE ÜBERPRÜFEN!)In a wave 1 made of steel with a diameter of 5 millimeters and a connecting portion 2a of the hub 2 made of aluminum with a wall thickness in the connection region of, for example, 3 millimeters, a laser power of 6000 watts is needed. It may be an infrared laser with a wavelength of, for example, 1070 nanometers. In this case, an energy of about 40 joules to 60 joules is preferably used with a laser beam diameter of about 0.2 mm per laser pulse. (PLEASE CHECK THE VALUES!)

Der Laserstrahl 4a wird in Form eines Einmalimpulses von einer Pulsdauer von beispielsweise 10 Millisekunden auf die zu verbindenden Bauteile 1, 2 gerichtet. Dabei kann der Laserstrahl über die gesamte Pulsdauer eine weitgehend konstante Leistung aufweisen. Falls notwendig, kann eine Modulation der Laserleistung über das Zeitintervall der Pulsdauer erfolgen.The laser beam 4a is in the form of a one-time pulse of a pulse duration of, for example, 10 milliseconds on the components to be connected 1 . 2 directed. In this case, the laser beam can have a largely constant power over the entire pulse duration. If necessary, a modulation of the laser power over the time interval of the pulse duration can take place.

Aufgrund der Laserenergie wird zunächst das Material der Nabe 2 im Verbindungsbereich 2a entlang der Längsache 6 aufgeschmolzen, wobei der Laserstrahl 4a dann in das Material der Welle 1 eindringt und das Material der Welle 1 ebenfalls aufgeschmolzen wird. Im Verbindungsbereich 2a und der Welle 1 bildet sich ein Bohrkanal 5 bzw. Schmelzkanal aus.Due to the laser energy, first the material of the hub 2 in the connection area 2a along the longitudinal axis 6 melted, the laser beam 4a then into the material of the shaft 1 penetrates and the material of the shaft 1 is also melted. In the connection area 2a and the wave 1 a drilling channel forms 5 or melt channel.

Der größte Teil des Aluminiums des Verbindungsbereichs 2a im Brennpunkt erhitzt sich rapide und verdampft unter der hohen Leistung des Laserstrahls 4a. Ein geringerer Anteil des Aluminiums des Verbindungsbereichs 2a bleibt in flüssiger Form an den Rändern des Schmelzkanals 5 zurück. Der darunterliegende Stahl der Welle 1 wird ebenfalls erhitzt, verflüssigt sich zunächst im Schmelzkanal 5, und ein Teil wird verdampft und wird gasförmig. Der flüssige Teil 1' des Stahls im Schmelzkanal 5 wird durch den Gasdruck, der bei dem rapiden Erhitzen des Stahls entsteht, durch den entstandenen Schmelzkanal 5 nach außen in Richtung der Öffnung des Schmelzkanals 5 gedrückt. Durch die kurze Dauer des Energieimpulses des Laserstrahls 4a bleiben die Bauteile 1, 2 außerhalb des Schmelzkanals relativ kalt. Das herausdrängende Material 1' der Welle 1 legt sich an die Wandung des Schmelzkanals 5 und erkaltet, da der Laserimpuls bereits abgeschlossen ist. Hierbei legt sich der Stahl 1' insbesondere auch an die Wandung des Schmelzkanals innerhalb des Verbindungsbereichs 2a.Most of the aluminum of the joint area 2a at the focal point heats up rapidly and evaporates under the high power of the laser beam 4a , A smaller proportion of the aluminum in the bond area 2a remains in liquid form at the edges of the melt channel 5 back. The underlying steel of the shaft 1 is also heated, first liquefies in the melt channel 5 and a part is vaporized and becomes gaseous. The liquid part 1 'of the steel in the melt channel 5 is due to the gas pressure generated by the rapid heating of the steel through the resulting melt channel 5 outwards towards the opening of the melt channel 5 pressed. Due to the short duration of the energy pulse of the laser beam 4a stay the components 1 . 2 outside the melt channel relatively cold. The extruding material 1' the shaft 1 lays against the wall of the melt channel 5 and cooled, since the laser pulse is already completed. This puts the steel 1' in particular also to the wall of the melt channel within the connection area 2a ,

Ein kleiner Teil der beiden flüssigen Metalle wird durch die Materialbewegung vermischt und bildet eine Legierung. Der Stahl der Welle 1 bildet zudem eine Art Niete, die in den Aluminiumkörper des Verbindungsbereichs 2a hineinreicht, wobei sich eine formschlüssige Verbindung zwischen der Welle 1 und des Verbindungsbereichs 2a durch das im Bereich des Bohrkanals 5 verbleibende Material 1' der Welle 1 bildet.A small part of the two liquid metals is mixed by the movement of material and forms an alloy. The steel of the shaft 1 also forms a kind of rivet, which in the aluminum body of the connection area 2a extends, with a positive connection between the shaft 1 and the connection portion 2a by that in the region of the drilling channel 5 remaining material 1 'of the shaft 1 forms.

Es entsteht eine punktuell stabile Fixierung beider Bauteile 1, 2. Wichtiger Bestandteil des Wirkprinzips sind die unterschiedlichen Schmelztemperaturen der verwendeten Werkstoffe. Während der Großteil des Aluminiums des Verbindungsbereichs 2a schlagartig verdampft, wird der Stahl der Welle 1 erst verflüssigt, wobei nur ein Teil verdampft. Dieser Dampf wird genutzt, um den flüssigen Stahl durch den Schmelzkanal 5 nach außen zu treiben.The result is a point-stable fixation of both components 1 . 2 , An important component of the active principle is the different melting temperatures of the materials used. While most of the aluminum in the joint region 2a evaporates abruptly, the steel becomes the shaft 1 first liquefied, with only a part evaporated. This steam is used to move the liquid steel through the melt channel 5 to drive to the outside.

Mit Bezug auf 4 wird der Laserstrahl 4a so positioniert, dass er in vorzugsweise sehr spitzen Winkel β erst das Aluminium des Verbindungsbereichs 2a durchdringt und dann auf die Stahlwelle 1 trifft. Der Winkel β ist so gewählt, dass, auf die Verbindungsflächen betrachtend, ein möglichst langer elliptischer Kanal entsteht. Somit wird an der Verbindung der beiden Bauteile 1, 2 ein Maximum an Schmelzkanalfläche erzeugt.Regarding 4 becomes the laser beam 4a positioned so that it at preferably very acute angle β only the aluminum of the connection area 2a penetrates and then onto the steel shaft 1 meets. The angle β is chosen so that, looking at the connecting surfaces, as long as possible elliptical channel is formed. Thus, at the connection of the two components 1 . 2 creates a maximum of melt channel surface.

Erfindungsgemäß können über den Umfang des Verbindungsbereichs 2a des Verbindungsbereichs 2a mit der Welle 1 verteilt mehrere solche Laserverbindungen hergestellt werden. Ferner können anstelle eines Verbindungsbereichs 2a andere Bauteile mit der Welle 1 verbunden werden, wie beispielsweise Globoidschnecken, Stirnzahnräder, Scheiben, Flansche Bremsscheiben, Naben oder Ähnliches. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die formschlüssige Verbindung des Verbindungsbereichs 2a und der Welle 1 mittels des Lasers an den beiden axialen Enden der Nabe 2. Alternativ oder zusätzlich kann die formschlüssige Verbindung des Verbindungsbereichs 2a und der Welle 1 mittels des Lasers auch im Zwischenbereich zwischen zwei benachbarten Zahnflanken erfolgen.According to the invention, over the circumference of the connection area 2a of the connection portion 2a with the shaft 1 distributed several such laser connections are produced. Further, instead of a connection portion 2a, other components may be connected to the shaft 1 connected, such as globoid screws, spur gears, discs, flanges brake discs, hubs or the like. In the exemplary embodiment, the positive connection of the connection area takes place 2a and the wave 1 by means of the laser at the two axial ends of the hub 2 , Alternatively or additionally, the positive connection of the connection area 2a and the wave 1 by means of the laser also in the intermediate region between two adjacent tooth flanks.

Durch die formschlüssige Verbindung mittels des Lasers lassen sich Auspresskräfte erzielen, die um ein Vielfaches größer sind, als die einer beispielsweise reinen Pressverbindung, bei der die Fläche der Pressverbindung der aufgeschmolzenen Fläche entspricht.By means of the positive connection by means of the laser, it is possible to achieve extrusion forces which are many times greater than those of, for example, a pure press connection in which the surface of the press connection corresponds to the molten surface.

Die Laserleistung und die Impulsdauer müssen derart angepasst werden, dass ein ausreichend tiefer Bohrkanal 5 in der Welle 1 erzeugt wird. Dabei wird die der Laser-Einstrahlung gegenüberliegende Seite der Nabe nicht von dem Laserstrahl durchbohrt. Vorzugsweise wird auch die Welle 1 zumindest nicht vollständig durchbohrt.The laser power and the pulse duration must be adjusted so that a sufficiently deep drill channel 5 in the wave 1 is produced. there the laser radiation opposite side of the hub is not pierced by the laser beam. Preferably, the shaft is also 1 at least not completely pierced.

Die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere einsetzbar bei der Verbindung von unterschiedlichen metallischen Materialien, insbesondere von Eisenlegierungen und Nichteisen-Legierungen mit deutlich unterschiedlichen Schmelzpunkten.The second embodiment of the method according to the invention is particularly useful in the connection of different metallic materials, in particular iron alloys and non-ferrous alloys with significantly different melting points.

Die Verbindung von Aluminium mit Stahl mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hat mehrere Vorteile. Es handelt sich um einen wiederholbaren Prozess mit genau definierten Prozessparametern. Ferner ist es ein sehr schneller Prozess, der z. B. gut in eine bestehende Fertigungslinie integriert werden kann. Die Verbindung der Bauteile gelingt präzise, wobei keine sonstigen Betriebsmittel notwendig sind. Es ist beispielsweise kein Ofenprozess notwendig wie oftmals bei hochbelastbaren Klebeverbindungen. Die Herstellung der Verbindung erfolgt ohne Krafteinwirkung. Es sind auch keine speziellen Bauteilgeometrien, wie z. B. Rändel, notwendig, da ein Formschluss durch das Verfahren selbst erzielt wird.The combination of aluminum with steel using the method according to the invention has several advantages. It is a repeatable process with well-defined process parameters. Furthermore, it is a very fast process, the z. B. can be well integrated into an existing production line. The connection of the components succeeds precisely, with no other resources are necessary. For example, no oven process is necessary, as is often the case with heavy-duty adhesive joints. The preparation of the connection takes place without force. There are also no special component geometries, such. As knurls, necessary because a positive connection is achieved by the process itself.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Erstes Bauteil, z. B. WelleFirst component, z. B. wave
1'1': Schmelzmaterial des ersten Bauteils, z. B. WelleMelting material of the first component, eg. B. wave
22: Zweites Bauteil, z. B. Nabe/ZahnradSecond component, for. B. hub / gear
2a2a: Verbindungsbereich der Bauteile, z. B. NabenflanschesConnection area of the components, eg. B. hub flange
33: Nabe/ZylinderschneckeHub / cylindrical worm
3'3 ': Schmelzmaterial der ZylinderschneckeMelting material of the cylindrical screw
3a3a: Verbindungsbereichconnecting area
3b3b: Verbindungsbereichconnecting area
44: Laserlaser
4a4a: Laserstrahllaser beam
55: Bohrkanal/SchmelzkanalDrill hole / melt channel
66: Längsachse der Welle 1 Longitudinal axis of the shaft 1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102013017387 A1 [0008]

Claims

A method for producing a shaft-hub connection, wherein the shaft (1) and the hub (3) are joined by means of clearance fit, transition fit or press fit, wherein at least one connection region (3a, 3b) between shaft (1) and hub (3) is formed, characterized in that the shaft (1) and the hub (3) in the connection region (3a, 3b) by means of a laser beam (4a) are melted punctiform and a drilling channel (5) within the hub (3) and at least partially within the shaft (1), wherein the molten material (3 ') of the hub (3) at least partially penetrates through the drill channel (5) in the material of the shaft (1) and forms a positive connection.

Method according to Claim 1 , characterized in that for the shaft (1) and the hub (3) materials are used whose melting temperatures differ by more than 10%.

Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the laser beam (4a) emits a laser pulse having a pulse duration of 2 milliseconds to 100 milliseconds.

Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that as the material for the shaft (1) and / or the hub (3), an iron alloy having a carbon content of at least 0.4 wt .-% is used.

Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that a plurality of positive connections over the circumference of the connecting region (3a, 3b) are performed.

Shaft-hub connection, in which a shaft (1) and a hub (3) are joined by means of clearance fit, transition fit or press fit, wherein at least one connection region (3a, 3b) between the shaft (1) and the hub (3) characterized in that the shaft (1) and the hub (3) in the connecting region (3a, 3b) are connected by at least one positive connection which comprises a punctiform melted by a laser beam (4a) Bohrkanal (5), within the hub (3) and at least partially extends within the shaft (1), wherein the material of the hub (3) along the Bohrkanal (5) at least partially penetrated into the material of the shaft (1) and forms the positive connection.

Shaft-hub connection after Claim 6 , characterized in that the shaft (1) and the hub (3) consist of materials whose melting temperatures differ by more than 10%.

Shaft-hub connection to one of the Claims 6 or 7 , characterized in that the shaft (1) and / or the hub (3) consists of an iron alloy having a carbon content of at least 0.4 wt .-%.

Shaft-hub connection to one of the Claims 6 to 8th , characterized in that the wall thickness of the hub (3) in the connection region (3a, 3b) is at most 50% of the diameter of the shaft (1).

Shaft-hub connection to one of the Claims 6 to 9 , characterized in that the depth of the drilling channel (5) in the shaft (1) is between 10% and 90% of the diameter of the shaft (1).

Shaft-hub connection to one of the Claims 6 to 10 characterized in that the depth of the drilling channel (5) in the shaft (1) corresponds at least to the wall thickness of the hub (3).

Shaft-hub connection to one of the Claims 6 to 11 characterized in that the drilling channel (5) with the longitudinal axis (6) of the shaft (1) in the connecting region (3a, 3b) forms an acute angle between 0 ° and 90 °.

Method for producing a connection between two components, wherein the first component (1) and the second component (2) are joined by means of clearance fit, transition fit or press fit, wherein at least one connection region (2a) between the first component (1) and the second component (2) 2) is formed, characterized in that for the second component (2) a material is used, the melting temperature is significantly lower than the melting temperature of the material of the first component (1), wherein the first component (1) and the second component ( 2) in the connection region (2a) are melted punctiformly by means of a laser beam (4a) and a bore channel (5) forms within the second component (2) and at least partially within the first component (1), wherein the molten material of the second component ( 2) partially evaporated from the drilling channel (5) and the molten material of the first component (1 ') at least partially into the drilling channel (5) within d it second component (2) penetrates and forms a positive connection.

Method according to Claim 13 , characterized in that for the second component (2) a material is used whose melting temperature is at least 25% lower than the melting temperature of the material of the first component (1).

Method according to Claim 13 or 14 , characterized in that the laser beam (4a) has a Laser pulse emitted with a pulse duration of 2 milliseconds to 100 milliseconds.

Method according to one of Claims 13 to 15 , characterized in that as material for the first component (1) an iron alloy and as a material for the second component (2) a non-ferrous alloy is used.

Method according to one of Claims 13 to 16 , characterized in that as material for the first component (1) martensitic steel and / or as a material for the second component (2) aluminum is used.

Method according to one of Claims 13 to 17 , characterized in that a plurality of positive connections over the circumference of the connecting region (2a) are performed.

Connection in which a first component (1) and a second component (2) are joined by means of clearance fit, transition fit or press fit, wherein at least one connection region (2a) is formed between the first component (1) and the second component (2), characterized in that the second component (2) consists of a material whose melting temperature is significantly lower than the melting temperature of the material of the first component (1), wherein the first component (1) and the second component (2) in the connecting region (2a ) are connected by at least one positive connection, which comprises a punctiform melted by a laser beam (4a) Bohrkanal (5) extending within the second component (2) and at least partially within the first component (1), wherein the material of the second Component (2) is at least partially evaporated and the melt material of the first component (1 ') at least partially into the drilling channel (5) within the second Ba uteils (2) has penetrated and forms the positive connection.

Connection to Claim 19 , characterized in that the second component (2) consists of a material whose melting temperature is at least 25% lower than the melting temperature of the material of the first component (1).

Connection to Claim 19 or 20 , characterized in that the first component (1) consists of an iron alloy and the second component (2) consists of an aluminum alloy.

Connection to one of the Claims 19 to 21 , characterized in that the first component (1) consists of martensitic steel.

Connection to one of the Claims 19 to 22 , characterized in that the drilling channel (5) with the longitudinal axis (6) of the first component (1) in the connecting region (2a) forms an acute angle β ≤ 45 °.