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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil mittels Laserschweißen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Wellenanordnung mit einer als erstes Bauteil ausgebildeten ersten Welle und einer als zweites Bauteil ausgebildeten zweiten Welle, die mittels eines solchen Verfahrens miteinander verschweißt sind.
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Beim Laserschweißen von Wellen, insbesondere von Rotorwellen, ist es günstig, die beiden miteinander zu verschweißenden Wellen zunächst über eine Passung, beispielsweise eine enge Spielpassung, eine Übergangspassung oder eine Presspassung, miteinander zu verbinden. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Bauteile/Wellen eine äußerst exakte Ausrichtung, insbesondere im Hinblick auf eine Koaxialität zueinander haben und ein Schweißspalt bereits beim Fügen der miteinander zu verschweißenden Bauteile fest eingestellt werden kann. Die beiden Bauteile können dabei beispielsweise als Rohre, Wellen, insbesondere Rotorwellen, Wellenendstücke, insbesondere Antriebsstopfen oder Lagerstopfen, ausgebildet sein und werden bereits beim miteinander Fügen über die Passung fest miteinander verbunden. Dies bietet weiter den großen Vorteil, dass diese sich bei einer anschließenden Drehung um ihre Achse um 360° während des Laserschweißprozesses nicht verstellen können, wodurch beispielsweise lediglich eines der beiden Bauteile eingespannt und gegebenenfalls umgespannt werden muss. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch das Fügen mittels Passung selbst, welches vor dem eigentlichen Schweißen erfolgt, da bei dem Fügen mittels Passung keine oder nur geringe Verschmutzungen, wie beispielsweise Schweißperlen, in einen hohlen Innenraum der beiden Bauteile, beispielsweise der Rotorwellen, gelangen können. Hierdurch kann insbesondere eine aufwändige, schwierige und damit auch teure Reinigung der Innenräume der Rotorwellen vermieden werden.
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Nachteilig hierbei ist jedoch, dass durch die Passung im Bereich des Fügesitzes bzw. des Passsitzes, die Luft, welche sich in dem Schweißspalt befindet, nicht mehr entweichen kann und dadurch Poren in der Schweißnaht gebildet werden, welche anschließend eine Schweißnaht in nicht unerheblicher Weise schwächen und auch erheblich zu einer Schädigung der Bauteile, insbesondere einer aus zwei Wellen geschweißten Wellenanordnung, führen können. Außerdem ist hierdurch eine erforderliche Biege-, und Torsionsfestigkeit nicht immer zu gewährleisten.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, mittels welcher insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, sogenannte Entlüftungskonturen an Fügeflächen zweier mittels Laserschweißen miteinander zu verbindender Bauteile vorzusehen, wodurch eine mittels Passung im Bereich eines Passsitzes der miteinander zu verbindenden Bauteile angesammelte Luft während des Laserschweißen problemlos entweichen kann und dadurch eine Porenbildung in einer herzustellenden Schweißnaht verhindert, zumindest aber stark reduziert werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil wird somit zunächst an einer ersten axialen Fügefläche des ersten Bauteils und/oder an einer zweiten axialen Fügefläche des zweiten Bauteils zumindest eine Entlüftungskontur eingebracht, über die zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Bauteile vorhandenes Gas, beispielsweise Luft, während des Laserschweißen entweichen kann. Anschließend wird das erste Bauteil über die erste axiale Flügelfläche mit Passung mit der zweiten axialen Fügefläche des zweiten Bauteils verbunden, woraufhin anschließend die beiden Bauteile mittels Laserschweißen miteinander verbunden werden. Durch das miteinander Fügen mittels Passung, beispielsweise Übergangspassung oder Presspassung, kann eine mechanisch vorfixierte Lage der beiden Bauteile aneinander erreicht werden, sodass sich diese bei einem anschließenden Schweißprozess, beispielsweise bei einer axialen Drehung um 360°, nicht verschieben bzw. generell nicht verstellen können, was den großen Vorteil bietet, dass lediglich eines der beiden Bauteile eingespannt und gegebenenfalls auch umgespannt werden muss. Ein weiterer Vorteil der Kombination der zumindest einen Entlüftungskontur mit der zuvor erfolgenden Verbindung über die Passung der beiden Bauteile miteinander ergibt sich dadurch, dass keine oder nur geringe Verschmutzungen, wie beispielsweise Schweißperlen, in einen Innenraum bzw. einen inneren Hohlraum der beiden Bauteile, insbesondere sofern diese beispielsweise als Rotorwellen ausgebildet sind, gelangen kann. Hierdurch kann insbesondere eine aufwändige und damit auch kostenintensive bzw. sogar manchmal überhaupt nicht mögliche Reinigung des Innenraums in derartigen Rotorwellen zuverlässig vermieden werden. Die erste axiale Flügelfläche bzw. die zweite axiale Fügefläche liegen dabei auf einer Innenmantelfläche bzw. einer Außenmantelfläche im Passungsbereich, wodurch die durch die Passung beim Laserschweißen eingeschlossene Luft im Schweißspalt problemlos entweichen kann. Der Schweißspalt selbst ist dabei üblicherweise als Radialspalt ausgebildet, wogegen die erste und zweite axiale Fügefläche an einer Außenmantelfläche einer Radialstufe oder einer Innenmantelfläche angeordnet sind. In einem Querschnitt mit zwei derartigen als Wellen ausgebildeten Bauteilen ist somit ein radialer Schweißspalt über eine axiale Passung mit den Fügeflächen, in welchen zumindest eine Entlüftungskontur angeordnet ist, mit dem Innenraum der beiden miteinander zu verschweißenden Wellen verbunden, sodass bei einem Verschweißen des Schweißspalts dort vorhandene Luft über die Entlüftungskontur in den Innenraum der beiden Bauteile/Wellen gelangen kann. Hierdurch kann insbesondere eine festigkeitsbeeinträchtigende Porenbildung in der Schweißnaht zuverlässig vermieden werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden das erste Bauteil und das zweite Bauteil über eine Spielpassung, eine Übergangspassung oder eine Presspassung vor dem Laserschweißen miteinander verbunden. Zur Spielpassung ist dabei gesagt, dass diese eng ist und lediglich in manchen Bereichen ein Spiel aufweist, während an anderen Bereichen eine Presspassung erfolgt, sodass mit einer derartigen Spielpassung als auch mit einer Übergangspassung stets eine feste mechanische Verbindung der beiden Bauteile erreicht werden kann, die eine zusätzliche Fixierung der beiden Bauteile oder gar ein Einspannen beider Bauteile, verbunden mit einem damit einhergehenden Umspannen während des Laserschweißprozesses erübrigt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als erstes und zweites Bauteil eine Welle, beispielsweise eine Rotorwelle, verwendet. Alternativ ist auch denkbar, dass als erstes Bauteil eine Welle, insbesondere eine Rotorwelle, und als zweites Bauteil ein Wellenendstück mit der Funktion Lagerträger oder Abtriebselement verwendet werden. Diese nicht abschließende Aufzählung lässt bereits erahnen, welch mannigfaltige Ausführungsformen für das erste und zweite Bauteil zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich sind.
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Zweckmäßig wird die zumindest eine Entlüftungskontur mittels Prägen, Fräsen, Unrunddrehen oder Schleifen eingebracht. Hierdurch kann vergleichsweise einfach nach dem eigentlichen Herstellen der beiden Bauteile, beispielsweise der beiden Wellen, zumindest eine Entlüftungskontur einfach in die jeweilige Fügefläche eingebracht werden. Zusätzlich oder alternativ ist auch denkbar, dass zumindest eine Entlüftungskontur als Vertiefung, als Verzahnung, als Rändelung, als Unrundung oder als Abflachung ausgebildet wird oder auch als zusätzlich überlagertes Drehprofil mit großer Steigung. Besonders eine Unrundung, das heißt eine von einer Kreisform abweichende Form der Welle, bietet dabei bei zwei miteinander zu verbindenden und als Wellen ausgebildeten Bauteilen die Möglichkeit, eine der beiden Wellen nach dem Herstellen bzw. gleichzeitig mit dem Umformen in eine unrunde Form zu überführen, wodurch diese im Querschnitt minimal oval wird. Hierdurch bilden sich aufgrund der Unrundheit der so verformten Welle bereits zumindest zwei Entlüftungskonturen, sofern diese Welle in eine andere als beispielsweise zweites Bauteil ausgebildete zweite Welle eingesteckt wird. Die Unrundheit kann auch durch einen Dreh- oder Schleifvorgang erzeugt werden. Auch eine Rändelung bzw. eine Verzahnung bietet die Möglichkeit, über den gesamten Umfang der ersten und/oder zweiten Fügefläche Entlüftungskonturen vorzusehen und gleichzeitig eine mechanisch fixierende Passung zu erreichen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erste Bauteil mit einem Axialspiel x von 0,05 mm ≤ x ≤ 0,5 mm mit dem zweiten Bauteil verbunden. Bereits ein minimaler Axialspalt mit einem Axialspiel x von 0,05 mm reicht aus, um die gegebenenfalls im Schweißspalt vorhandene Luft über die zumindest eine Entlüftungskontur in einen hohlen Innenraum der beiden Bauteile abzuleiten und dadurch eine Poren-, bzw. Lunkerbildung in der Schweißnaht zu verhindern.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Wellenanordnung mit einer als erstes Bauteil ausgebildeten ersten Welle und einer als zweites Bauteil ausgebildeten zweiten Welle oder einem Lagerstopfen oder einem Antriebsstopfen anzugeben, die mittels des in den vorherigen Absätzen beschriebenen Verfahrens miteinander verschweißt sind. Hierdurch lassen sich die zuvor beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine derartige Wellenanordnung übertragen.
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Konkret sind dies eine mechanische Vorfixierung und damit eine deutlich vereinfachte koaxiale Ausrichtung der beiden Wellen zueinander sowie ein zuverlässiges Fixieren der beiden Wellen während des Schweißvorgangs und ein zuverlässiges Abführen von gegebenenfalls im Schweißspalt vorhandener Luft über die zumindest eine Entlüftungskontur während des Laserschweißens, wodurch die Qualität der herzustellenden Schweißnaht deutlich verbessert werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wellenanordnung weist die erste Welle eine erste Radialstufe auf, auf welcher zumindest eine erste Entlüftungskontur angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ kann auch die zweite Welle eine zweite Radialstufe aufweisen, auf welcher zumindest eine zweite Entlüftungskontur angeordnet ist. Dabei ist denkbar, dass eine derartige Radialstufe nur an einer der beiden Wellen angeordnet ist, während die andere Welle einen durchgängigen rohrförmigen und konstanten Querschnitt aufweist. Beispielsweise weist dabei die zweite Welle eine radial nach außen offene zweite Radialstufe auf, auf welche die erste Welle mit oder ohne erste Radialstufe aufgeschoben wird. Die zweite axiale Fügefläche der zweiten Welle liegt dabei an einem radial nach innen zurückversetzten Bereich der zweiten Radialstufe, während die erste Fügefläche der ersten Welle entweder an einem radial nach außen zurückversetzten Bereich der ersten Radialstufe oder an einer Innenmantelfläche der ersten Welle angeordnet ist. Die beiden Wellen werden dabei über ihre beiden Fügeflächen mittels Passung miteinander verbunden.
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Die beiden Wellen können dabei derart ausgebildet sein, dass diese einen identischen Außen- und Innendurchmesser aufweisen, wobei selbstverständlich auch denkbar ist, dass die erste Welle und die zweite Welle lediglich einen identischen Außendurchmesser, jedoch unterschiedliche Innendurchmesser besitzen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine erste mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenanordnung, bei welcher die beiden Wellen mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens miteinander verschweißt sind,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer Wellenanordnung mit einer ersten und einer zweiten Welle, die gleiche Innen- und Außendurchmesser aufweisen,
- 3 eine Detailschnittdarstellung aus 1 mit einem zusätzlichen Freistich zur Kopplung der Entlüftungskontur mit der Schweißnaht,
- 4 eine Querschnittsdarstellung durch die erfindungsgemäße Wellenanordnung zur Verdeutlichung möglicher Ausführungsformen der Entlüftungskonturen,
- 5 eine Darstellung wie in 4, jedoch mit einer unrunden zweiten Welle zur Erzeugung der Entlüftungskonturen.
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Entsprechend den 1 bis 5, weist eine erfindungsgemäße Wellenanordnung 1 eine als erstes Bauteil 2 ausgebildete erste Welle 3 sowie eine als zweites Bauteil 4 ausgebildete zweite Welle 5 auf. Eines der beiden Bauteile 2, 4 kann dabei selbstverständlich auch als Wellenendstück ausgebildet sein.
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Betrachtet man die 2, so kann man erkennen, dass die erste Welle 3 eine erste Radialstufe 6 aufweist, auf welcher zumindest eine erste Entlüftungskontur 7 angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ kann auch die zweite Welle 5 eine zweite Radialstufe 8 aufweisen, auf welcher zumindest eine zweite Entlüftungskontur 7' angeordnet ist.
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Die einzelnen Ausführungsformen entsprechend den 1 und 2 werden dabei nachfolgend wie folgt beschrieben:
- Die gemäß der 1 gezeigte Wellenanordnung 1 besitzt eine erste Welle 3 mit konstantem Innen- und Außendurchmesser sowie eine zweite Welle 5 mit der dort angeordneten zweiten Radialstufe 8, an welcher eine zweite Entlüftungskontur 7' angeordnet ist. Selbstverständlich kann in dem Bereich der zweiten Radialstufe 8, welche in die erste Welle 3 eingreift, auch an einer Innenmantelfläche 9 der ersten Welle 3 eine erste Entlüftungskontur 7 angeordnet sein. Zudem besitzt die zweite Welle 5 einen zur ersten Welle 3 identischen Außendurchmesser, jedoch einen im Vergleich zur ersten Welle 3 kleineren Innendurchmesser.
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Demgegenüber besitzt die Wellenanordnung 1 entsprechend der 2 eine erste und zweite Welle 3, 5 mit jeweils identischem Innen- und Außendurchmesser. In diesem Fall sind an der ersten Welle 3 eine erste Radialstufe 6 und an der zweiten Welle 5 eine zweite Radialstufe 8 angeordnet. An der ersten Radialstufe 6 kann dabei eine erste Entlüftungskontur 7 angeordnet sein, wobei zusätzlich oder alternativ an der zweiten Radialstufe 8 eine zweite Entlüftungskontur 7' vorgesehen werden kann. Auch bei der gemäß der 2 gezeigten Wellenanordnung 1 greift die zweite Welle 5 über ihre zweite Radialstufe 8 in die erste Welle 3 ein.
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Bei einer Wellenanordnung 1 mit an der jeweiligen Welle 3, 5 angeordneten Radialstufen 6, 8 kann zwischen der ersten Welle 3 und der zweiten Welle 5 ein Axialspiel x von 0,05 mm ≤ x ≤ 0,5 mm vorgesehen sein. Dies gewährleistet eine kommunizierende Verbindung von einem Schweißspalt 10 (vergleiche 2) über die Entlüftungskontur 7, 7' bis zu einem Innenraum 11 der Wellenanordnung 1.
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Bei der gemäß der 3 dargestellten Wellenanordnung 1, die im Wesentlichen der gemäß der 1 dargestellten Wellenanordnung 1 entspricht, ist im Bereich des Schweißspalts 10 zusätzlich noch ein Freistich 12 vorgesehen. Dieser kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen werden, ähnlich wie auch ein Einstich oder eine Nut. Der Freistich 12 ermöglicht bei einem nicht vollständigen Durchgehen einer Schweißnaht 13 bis zur zweiten Radialstufe 8 ein problemloses Entweichen von Gas während des Schweißvorgangs über die Entlüftungskontur 7, 7' in den Innenraum 11 der Wellenanordnung 1, das heißt der Wellen 3, 5.
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Die Entlüftungskontur 7, 7' kann beispielsweise als Vertiefung 14 (vergleiche 4), als Abflachung 15 (vgl. 4) oder als Verzahnung, als Rändelung oder als Unrundung 16 (vgl. 5) ausgebildet sein. Eine Vertiefung 14 kann dabei beispielsweise eine nut- oder rinnenartige Gestalt aufweisen und an einer Umfangsstelle angeordnet sein, wobei eine Rändelung eine Anordnung mehrerer derartiger nutenartiger Vertiefungen über den gesamten Umfang der zweiten Radialstufe 8 ermöglicht. Auch die übrigen Ausführungsformen der Entlüftungskonturen 7, 7' können dabei einzelnen oder in einer Vielzahl, insbesondere auch kombiniert, eingesetzt werden.
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Hergestellt werden die erfindungsgemäßen Entlüftungskonturen 7, 7' beispielsweise mittels Prägen, Fräsen, Unrunddrehen oder Schleifen. Ist die Entlüftungskontur 7, 7' als Unrundung 16 ausgebildet, so kann die Herstellung einer derartigen Entlüftungskontur 7, 7' bereits beim Fertigen der jeweiligen Welle 3, 5 erfolgen.
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Generell sei zu den Wellen 3, 5 angemerkt, dass diese lediglich eine mögliche Ausführungsform eines ersten Bauteils 2 sowie eines zweiten Bauteils 4 darstellen.
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Die Wellenanordnung 1 wird dabei mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden eines ersten Bauteils 2 mit einem zweiten Bauteil 4, hier einer ersten Welle 3 mit einer zweiten Welle 5, hergestellt. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst an einer ersten axialen Fügefläche 17 des ersten Bauteils 2 und/oder an einer zweiten axialen Flügelfläche 18 des zweiten Bauteils 4 eine solche Entlüftungskontur 7, 7' eingebracht, über die zwischen den beiden miteinander zur verbindenden Bauteilen 2, 4 vorhandenes Gas, insbesondere Luft, während des Laserschweißens entweichen kann. Das erste Bauteil 2 wird dabei über die erste axiale Fügefläche 17 mit Passung mit der zweiten axialen Fügefläche 18 bzw. der zweiten Radialstufe 8 verbunden. Durch diese Passung ist eine mechanische Vorfixierung der beiden Bauteile 2, 4 aneinander vor dem eigentlichen Laserschweißvorgang möglich. Dabei können das erste Bauteil 2, insbesondere die erste Welle 3, und das zweite Bauteil 4, insbesondere die zweite Welle 5, über eine enge Spielpassung, eine Übergangspassung oder eine Presspassung vor dem Laserschweißen miteinander verbunden werden. Besonders eine Presspassung ermöglicht dabei eine Vorfixierung der beiden Bauteile 2, 4 aneinander sowie eine optimierte Ausrichtung bezüglich einer Koaxialität. Zugleich wird der Schweißspalt 10 beim Fügen fest eingestellt.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass sich die beiden Bauteile 2, 4 beim Drehen während des Schweißprozesses nicht verschieben können, was einen äußerst positiven Einfluss auf die Koaxialität der so herzustellenden Wellenanordnung 1 hat. Zudem muss nur eines der beiden Bauteile 2, 4 eingespannt und gegebenenfalls gedreht werden. Ein weiterer Vorteil durch das mechanische Fixieren aneinander vor dem eigentlichen Schweißvorgang besteht darin, dass keine oder nur marginale Verschmutzungen, wie beispielsweise Schweißperlen, während des Schweißvorganges in den Innenraum 11 der Wellenanordnung 1 gelangen können. Hierdurch kann insbesondere eine aufwändige und kostenintensive Innenreinigung der Wellenanordnung 1, die zudem bei komplexen Innenformen bzw. Wellenseitig geringen Öffnungsquerschnitten in den Wellenendstücken, nur schwierig möglich ist, vermieden werden.
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Der mit der Passung erreichte Vorteil der mechanischen Vorfixierung hat jedoch den Nachteil, dass sich im Schweißspalt 10 befindliche Luft während des Laserschweißens nicht mehr entweichen kann und diese dann Poren in der Schweißnaht 13 bildet, welche die Schweißnaht 13 in beträchtlicher Weise schwächen können. Eine derart geschwächte Schweißnaht 13 kann auch eine erforderliche Biege- bzw. Torsionsfestigkeit negativ beeinflussen.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene zumindest eine Entlüftungskontur 7, 7' ist es jedoch möglich, dass die während des Laserschweißens noch im Schweißspalt 10 vorhandene Luft über die Entlüftungskontur 7, 7' in den Innenraum 11 entweichen kann, wodurch die zuvor beschriebenen Nachteile eliminiert werden können.
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Um dabei ein Entweichen der Luft aus dem Schweißspalt 10 über die Entlüftungskonturen 7, 7' zusätzlich zu unterstützen, sollte eine axiale Höhe H der zweiten Radialstufe 8 und/oder der ersten Radialstufe 6, abhängig von den zu Verfügung stehenden Querschnitten, zwischen 1,5 mm und 6 mm liegen. Der untere Wert von 1,5 mm soll dabei gewährleisten, dass durch die miteinander in Kontakt stehenden axialen Fügeflächen 17, 18 eine ausreichende Verbindung erfolgen kann. Die obere Grenze der axialen Höhe H soll ein zuverlässiges entweichen von Luft aus dem Schweißspalt 10 während des Laserschweißens gewährleisten.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wellenanordnung 1 lässt sich eine äußerst präzise, insbesondere im Hinblick auf eine Koaxialität, und zudem äußerst hochwertige Wellenanordnung 1 schaffen, da die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellende Schweißnaht 13 aufgrund der Entlüftungskonturen 7, 7' nicht durch Luftporen geschwächt wird.
