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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine neue Geometrie von Kontaktflächen zwischen einem Turbinenrad und einer Welle vorzugsweise für einen Turbolader bereit, die ein kontinuierliches Zentrieren der Teile während des Schweißprozesses gestattet.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Turbolader werden mit einer sehr hohen Drehzahl von bis zu 80.000 RPM für große Turbolader und bis zu 300.000 RPM für kleine Turbolader betrieben. Die die Turbinenräder antreibenden Abgase können in Abhängigkeit von der Verbrennungsart im Motor von 740°C bis 1050°C reichen. Deshalb werden ein Turbinenrad und eine Welle aus hochfesten Metallen mit hoher Temperaturbeständigkeit hergestellt, die einer Fliehkraftbelastung und Temperaturschwankungen standhalten können, ohne eine signifikante Verformung (die Auswuchtung ändern, Lärm erzeugen und die Lebensdauer der Anordnung reduzieren könnte usw.) zu erfahren.
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Es ist bekannt, das Rad und Welle unter Verwendung einer Schwungradreibschweißtechnik zu verbinden, in der eine Welle mit einem Schwungrad gekoppelt werden kann, das kinetische Energie aus Drehung mit fester Geschwindigkeit speichert, und diese rotierende Welle gegen ein stationäres Turbinenrad gepresst wird. Es wird Reibungswärme erzeugt, wenn die beiden Flächen gegeneinander reiben, um eine Schweißstelle zu bilden. Verschiedene im Schwungradreibschweißprozess enthaltene Einschränkungen umfassen die Erzeugung einer Gratschicht, die durch maschinelle Bearbeitung nach dem Schweißen entfernt werden muss. Darüber hinaus kann der Grat in einer zylindrischen Verbindung eingeschlossen sein, wodurch ein größerer Aufwand zum Auswuchten der Radwellenanordnung nach dem Verbindungsvorgang erforderlich ist. Ferner erfordern hohe Schubdrücke die Verwendung von großen, starren und teuren Maschinen.
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Weiterhin ist bekannt, einen Elektronenstrahlschweißprozess zum Verbinden einer Turbinenrad- und Wellenanordnung zu verwenden. Elektronenstrahlschweißen (EB-Schweißen, EB – electron beam / Elektronenstrahl) verwendet einen Strahl mit hoher Leistungsdichte, der auf eine Verbindung in einem Vakuum fokussiert ist. Der Elektronenstrahl erzeugt eine tiefe, schmale Schmelzzone mit wenig Schweißverzug. Aufgrund der qualitativ hochwertigen Schweißstelle mit wenig Verzug und weniger Arbeitsaufwand bei der Bearbeitung nach dem Schweißen wird EB-Schweißen oftmals für hochbeanspruchte Turboladeranwendungen gewählt.
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Eine andere auf einem Energiestrahl basierende Technik verwendet einen oder mehrere Laserstrahlen zur Abgabe von ausreichend Energie zum Miteinanderverschweißen von Bauteilen. Gaslaser wie zum Beispiel CO2-Laser und Festkörperlaser, wie zum Beispiel Nd:YAG-Laser, können zum Schweißen eines Turbinenrads und einer Welle aus Titan verwendet werden.
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Unabhängig davon, ob Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen verwendet wird, schrumpft das durch den Strahl aufgeschmolzene Material während des Abkühlens nach dem Erstarren, was unerwünschte Konsequenzen, wie zum Beispiel Verformung und Änderungen der Form des Produkts, haben kann. Es besteht das Erfordernis der Verbesserung einer Verbindungstechnik zur zuverlässigen Erzeugung einer Verbindung mit hoher Verbindungsgenauigkeit.
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Eine andere mögliche Gefahr ist das Entstehen von Rissen in der Schweißstelle. Da das Turbinenrad und die Welle starr sind, erzeugt das Schrumpfen der Schweißstelle eine hohe Spannung in der Schweißstelle, was zu Querrissen entlang der Oberfläche einer Schweißnaht (6a) oder Längsrissen in Richtung der Tiefe der Schweißstelle (6b) führen kann. Ferner könnten im Bereich der Schweißnaht verbleibende Restspannungen während des Betriebs des Turboladers unter der oben beschriebenen hohen Wärmespannung und Fliehkraftbelastung zu einem Lockern der Verbindung führen. Dies führt wiederum zu einer Unwucht des Rotors mit zugehörigen Lärmemissionen und zugehörigem Verschleiß.
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Das
US-Patent 6,848,180 lehrt, dass die Verbindung eines Rads und einer Turbinenwelle durch (a) Anordnen eines an einem Ende einer Turbinenwelle gebildeten zylindrischen Vorsprungs in ein im Turbinenrad ausgebildetes Pass-Loch zum radialen Positionieren der Teile (das heißt, zur koaxialen Positionierung) und (b) Anlegen eines Endes der Turbinenwelle an das Turbinenrad an einen Anlageteil zum axialen Positionieren der Teile bekannt ist. Dann werden die Teile durch Elektronenstrahlschweißen des gesamten Umfangs des Anlageteils miteinander verschmolzen. In dem Patent wird ein verbessertes Verbindungsverfahren gelehrt, bei dem sich der Teil der Innenumfangswand des Pass-Lochs des Turbinenrads nach innen verjüngt, und das Ende der Turbinenwelle, das mit dem Rad verbunden werden soll, einen sich entsprechend verjüngenden Anlageteil aufweist. Die sich berührenden sich verjüngenden Flächen gewährleisten eine genaue koaxiale und axiale Positionierung und unterdrücken eine Verformung zum Zeitpunkt des Verschmelzens. Die Ausführung der Passteile ist bei redundanter Dimensionierung der Passteile jedoch komplex. Ferner erfolgt Schweißen um den Umfang der Kontaktzone an herkömmlichen planaren Anlageteilen, was zu oben besprochenen Schweißspannungen führt, die zu einer Biegeverformung führen können.
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Unabhängig davon, ob Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen verwendet wird, schrumpft das durch den Strahl aufgeschmolzene Material während des Abkühlens nach dem Erstarren, was in Abhängigkeit von den Bedingungen zu Verformung und Änderungen der Form führen kann. Es besteht ein Erfordernis nach der Bereitstellung einer Verbindungstechnik zum Verbinden eines Turbinenrads mit einer Welle unter hoher Verbindungsgenauigkeit und ohne Verformung. Es besteht ein Erfordernis nach einer Verbindungstechnik, die das Bilden von hochfesten und qualitativ hochwertigen Verbindungen auf wirtschaftliche Weise gestattet, während zu Spannungs- und Rissbildung in der Verbindung führende Bedingungen vermieden werden.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde teilweise basierend auf der Realisierung gemacht, dass die herkömmliche planare Geometrie von Kontaktflächen an der Schweißverbindung zwischen einem Turbinenrad und einer Welle einerseits die Möglichkeit einer Fehlausrichtung aufgrund von Verformung während des Schweißens und andererseits einer Konzentration von Spannungen in der zweidimensionalen Ebene der Verbindung, wodurch Rissbildung begünstigende Bedingungen erzeugt werden, bieten.
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Die Erfindung stellt eine neue Geometrie von Kontaktflächen zwischen einem Turbinenrad und einer Welle bereit, die ein kontinuierliches Zentrieren der Teile während des Schweißprozesses gestattet und gleichzeitig ein Abführen von Spannungen in einem dreidimensionalen Raum gestattet, wodurch die sich ergebende Verbindung hochgenau ist und weniger zu Verzug oder Rissbildung neigt.
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Die Erfindung erfolgt durch Ändern der Geometrie der Schweißzonenkontaktflächen zwischen einem Turbinenrad und einer Welle, das heißt, des Außenumfangkontaktbereichs, von einer planaren Geometrie zu einer schrägen oder sich verjüngenden (im Querschnitt betrachtet) oder kegelstumpfförmigen (in drei Dimensionen betrachtet) Geometrie. Diese kegelstumpfförmige Geometrie gestattet nicht nur kontinuierliches Zentrieren der Teile während des Verbindens, sondern beseitigt auch das Problem von Spannungsausbreitung entlang einer Ebene, da nicht planare Kontaktflächen verschweißt werden. Ferner erfordert die Erfindung eine Modifikation des Elektronenstrahls, derart, dass die Schweißstelle weder so tief noch so schmal wie herkömmlich ist. Schließlich wird die Position des Elektronenstrahls so verschoben, dass nur das äußere oder Umfangssegment der kegelstumpfförmigen Kontaktflächenzone durch Schweißen verbunden wird, wodurch sich eine innere, nicht aufgeschmolzene und nicht geschweißte Zone zum Halten von festem Kontakt der schrägen Flächen durch den gesamten Schweißprozess hinweg ergibt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen ähnliche Teile bezeichnen, beispielhaft und nicht einschränkend dargestellt. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine herkömmliche Verbindung, bei der ein Turbinenrad und eine Turbinenwelle entlang einer senkrecht zur Wellenachse verlaufenden Ebene miteinander verbunden sind;
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2 das Zusammenfügen eines Turbinenrads mit einer Welle gemäß der vorliegenden Erfindung mit kegelstumpfförmigen Kontaktflächen vor dem Schweißen;
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3 das Zusammenfügen eines Turbinenrads mit einer Welle gemäß der vorliegenden Erfindung mit kegelstumpfförmigen Kontaktflächen nach dem Schweißen;
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4 eine vergrößerte Darstellung der Schweißstelle, entnommen von 3, die die Schweißwurzel in der Welle zeigt;
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5 eine alternative Ausführungsform mit der Schweißwurzel im Turbinenrad;
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6a, b Spannungs- und Rissbildungen, die in einer durch herkömmliche Elektronenstrahl- oder Laserschweißung gebildeten Schweißstelle möglich sind; und
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7 eine mögliche Änderung der Form einer Schweißstelle durch Ändern der Eigenschaften des Elektronenstrahls.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wenn ein Elektronenstrahl oder ein Laserstrahl zum Verschmelzen eines Turbinenrads mit einer Welle verwendet wird, wird der Strahl senkrecht zur Drehachse der Welle und des Rads auf die Schweißverbindung radial ausgerichtet, und die Welle und das Rad werden so gedreht, dass um den gesamten Umfangskontaktbereich eine Schweißstelle gebildet wird, während die Welle und das Rad gedreht werden, wie nachfolgend näher beschrieben wird. Durch eine Elektronenkanone werden Elektronen erzeugt, die auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden, durch elektrische Felder zu einem Strahl geformt werden, weiter kollimiert oder parallel gemacht werden und dann durch eine elektromagnetische Linse fokussiert werden. Dies gestattet die Erzeugung von extrem tiefen und schmalen Schweißstellen (siehe 7, Schweißstelle "d", "e" und "f"). Da der Strahl senkrecht zur Welle gerichtet wird, erzeugt die herkömmliche tiefe und schmale Schweißstelle eine planare scheibenförmige Verbindungszone, und demgemäß sind die Turbinenrad- und Wellenkontaktflächen dahingehend geformt, sich in dieser planaren scheibenförmigen Zone zu berühren, das heißt, die Wellen- und Radkontaktflächen in dieser Umfangskontaktzone sind planar.
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Wie in 1 gezeigt, weist eine herkömmliche Welle 1 einen zylindrischen Zentriervorsprung 2 auf, der in eine zylindrische Aufnahme 3 im Turbinenrad 4 unter Belassen eines Spalts 6 eingeführt werden kann. Für eine axiale Positionierung berühren sich das Rad und die Welle entlang einer Anlagezone 5, wobei sich die Kontaktflächen in einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Ebene 7a befinden. Aus den oben besprochenen Gründen wurde dies bis zur vorliegenden Erfindung als ein ideales Verfahren zur Herstellung einer Verbindung erachtet.
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Die vorliegende Erfindung erfolgte basierend auf der Entdeckung, dass die in dieser schmalen planaren Verbindungszone beschränkten unerwünschten Spannungen durch Ändern der Ausführung der Kontaktflächen zu einer schrägen oder kegelstumpfförmigen Konfiguration 7b, wie in 2 gezeigt, vor dem Schweißen weitgehend abgeführt werden können. Die Umfangskontaktzone der Welle 1 ist vorzugsweise in einem Winkel von mindestens 5° zur Radialen, vorzugsweise mindestens 10°, besonders bevorzugt ca. 15–25°, vorzugsweise weniger als 30° und nicht über 45° leicht abgeschrägt. Die am Turbinenrad 4 gebildete Passkontaktfläche ist stumpfwinklig und komplementär zu dem Winkel der an der Welle gebildeten Kontaktfläche, so dass die Flächen bündig aneinander anliegen.
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Andererseits kann die Verjüngung in die entgegengesetzte Richtung verlaufen, wobei die Abschrägung am Turbinenrad in der Kontaktzone gebildet ist und die Welle mit einer Gegen-Kontaktfläche, die stumpfwinklig zur radialen Ebene verläuft, wie in 5 gezeigt, versehen ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Fuß der Schweißung im Turbinenrad liegt, das im Allgemeinen aus einem härteren Material besteht.
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In beiden Fällen lassen sich die Kontaktflächen mit herkömmlichen Techniken leicht bilden, und die Ausführung erfordert keine komplexe und redundante Dimensionierung von Passteilen.
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Die geometrische Konfiguration der Schweißausrüstung wird nicht geändert, so dass der EB oder Laserstrahl weiter senkrecht zur Drehachse auf die Welle und das Rad auftrifft. Das Schweißen der erfinderischen schrägen oder kegelstumpfförmigen Kontaktzone erfordert jedoch (a), dass die Schweißnaht axial verschoben wird, entweder zur Welle (4) oder zum Rad (5), und (b), dass statt einer tiefen und schmalen Schweißstelle (7, Schweißstellen "d", "e" und "f") der Strahl dahingehend gesteuert wird, eine Schweißstelle mit einer größeren Breite und geringeren Tiefe (7, Schweißstelle "c"; 4 und 5) als die herkömmliche tiefe und schmale Schweißstelle zu erzeugen. Vorzugsweise beträgt die Eindringtiefe der Aufschmelzung das 2-3-Fache der Breite der Aufschmelzung an der Oberfläche der Schweißstelle. Die Schrägheit der Kontaktzone und die Form und die Position der Schweißstelle sind bezüglich einander so eingestellt, dass die Schweißung ungefähr die äußere Peripherie auf 1/3 bis 3/4 der Kontaktzone, vorzugsweise ca. 1/2 bis 2/3 der Umfangskontaktzone, aufschmilzt aber nicht die gesamte Länge der schrägen Kontaktzone aufschmilzt. Siehe 4, in der die Schweißstelle 8 von 3 vergrößert gezeigt wird, wobei die Form des Außendurchmessers der Welle und des Rads und die Kontaktzone vor dem Aufschmelzen gestrichelt gezeigt werden. Nach dem Aufschmelzen werden die Metalle des Turbinenrads und der Welle zu der Schweißstelle 8 verschmolzen. Wie zu sehen, ist der radial innere Abschnitt “y” der Kontaktzone nicht aufgeschmolzen, nur der radial äußere Abschnitt der Kontaktzone “x” (wobei “x” + “y” = Kontaktzone). Auf diese Weise wird ein Bereich festen Kontakts der schrägen Flächen, der nicht geschweißt ist, aufrechterhalten. Gleichzeitig befindet sich die Fußkerbe – die Stelle erhöhter Spannungen – im Material der Welle (4) oder des Turbinenrads (5). Ferner tragen herkömmliche zylindrische Zentrierflächen des Turbinenrads zum radialen Positionieren der Teile auch zu einem zuverlässigen Zentrieren der Bauteile während des Schweißprozesses bei.
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Die Welle kann aus dem gleichen Material wie das Turbinenrad gebildet werden oder kann aus einem anderen Material gebildet werden. Zum Beispiel können sowohl das Turbinenrad als auch die Welle aus einer Titanlegierung gebildet werden, oder die Welle kann aus einem Legierungsstahl, wie zum Beispiel AISI 8740-Stahl gebildet werden, und das Turbinenrad kann aus einer auf Nickel basierenden Legierung, wie zum Beispiel der Superlegierung Inconel 713, gebildet werden. Zwischen dem Turbinenrad und der Welle kann zum Fördern des Schweißens und der Verbindung eine Zwischen- oder Lötmasse bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise ist die Welle aus einem niedriger schmelzenden Metall als das Turbinenrad hergestellt, so dass die Welle vor dem Turbinenrad aufzuschmelzen beginnt. Wahlweise ist die Außenfläche der Welle mit einem kleinen Wulst aus zusätzlichem Material unmittelbar neben der Kontaktzone versehen, wobei das Material vor Aufschmelzen des Turbinenrads aufschmilzt und jegliche Spalte in der Kontaktzone füllt. Überschüssiges Material wird in einem Arbeitsgang nach dem Schweißen vor dem Auswuchten entfernt.
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Die Einstellung des Strahls zur Erzeugung der gewünschten Breite und Tiefe der Schweißstelle kann von dem Durchschnittsfachmann durchgeführt werden. Die Wirksamkeit des Elektronenstrahls hängt von vielen Faktoren ab. Die wichtigsten sind die physikalischen Eigenschaften der zu verschweißenden Materialien, insbesondere die Leichtigkeit, mit der sie unter Niederdruckbedingungen aufgeschmolzen werden können.
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Die Wärmeverteilung einzelner Elektronen ist sehr gering, aber die Elektronen können durch sehr hohe Spannungen beschleunigt werden, und durch Erhöhen ihrer Anzahl (des Strahlenstroms) kann die Leistung des Strahls auf einen beliebigen gewünschten Wert erhöht werden. Durch Fokussieren des Strahls auf einen kleinen Durchmesser auf der Fläche eines festen Objekts lassen sich Werte der planaren Leistungsdichte von bis zu 104 bis zu 107 W/mm2 erreichen. Da Elektronen ihre Energie in einer sehr dünnen Schicht des Festkörpers zu Wärme umwandeln, kann die Leistungsdichte in diesem Volumen äußerst hoch sein. Die Volumenleistungsdichte in dem kleinen Volumen, in dem die kinetische Energie der Elektronen in Wärme umgewandelt wird, kann Werte in einem Größenbereich von 105–107 W/mm3 erreichen. Folglich erhöht sich die Temperatur in diesem Volumen äußerst schnell um 108–109 K/s.
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Der Elektronenstrahl kann zur Erzeugung verschiedener Schweißstellenformen, wie in 4 gezeigt, gesteuert werden. Obgleich die herkömmliche " senkrechte" planare Verbindung vorzugsweise EB-geschweißt wird, um eine Verbindung mit der Schweißstellenform “d”, “e” oder “f” in 6 zu erzeugen, weist die vorliegende Schweißstelle vorzugsweise eine Form eher wie die Schweißstellenform c” in 6 auf.
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Die Größe und die Form der durch den Strahl beeinflussten Zone hängt von Folgendem ab:
- (1) der Strahlleistung – Die Leistung des Strahls [W] ist das Produkt der Beschleunigungsspannung [kV] und des Strahlstroms [mA], wobei dies Parameter sind, die sich leicht messen und genau steuern lassen. Die Leistung wird durch den Strahlstrom bei einer konstanten Beschleunigungsspannung, in der Regel der höchstmöglichen, gesteuert.
- (2) der Leistungsdichte (Fokussieren des Strahls) – die Leistungsdichte an der Auftreffstelle des Strahls auf das Werkstück hängt von Faktoren wie der Größe der Elektronenquelle an der Kathode, der optischen Qualität der elektrischen Beschleunigungslinse und der magnetischen Fokussierungslinse, der Ausrichtung des Strahls, dem Wert der Beschleunigungsspannung und der Fokallänge ab. Alle diese Faktoren (mit Ausnahme der Fokallänge) hängen von der Ausführung der Maschine ab.
- (3) der Schweißgeschwindigkeit – die Ausführung der Schweißausrüstung sollte eine Einstellung der relativen Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks bezüglich des Strahls innerhalb ausreichend weiter Grenzen, zum Beispiel zwischen 2 und 50 mm/s, ermöglichen.
- (4) der Materialeigenschaften, und in einigen Fällen auch von
- (5) der Geometrie (Form und Abmessungen) der Verbindung.
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Eine endgültige Auswirkung des Strahls hängt von der besonderen Kombination dieser Parameter ab
- • Die Wirkung des Strahls bei geringer Leistungsdichte oder über eine sehr kurze Zeit führt zu einem Aufschmelzen nur einer dünnen Oberflächenschicht.
- • Ein defokussierter Strahl dringt nicht ein, und das Material bei geringen Schweißgeschwindigkeiten wird nur durch Leitung der Wärme von der Oberfläche erwärmt, wodurch eine halbkugelförmige aufgeschmolzene Zone erzeugt wird.
- • Bei hoher Leistungsdichte und geringer Geschwindigkeit wird eine tiefere und leicht konische aufgeschmolzene Zone erzeugt.
- • Im Falle einer sehr hohen Leistungsdichte dringt der Strahl (gut fokussiert) proportional zu seiner Gesamtleistung tiefer ein.
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Ein Test der neuen Geometrie der Kontaktflächen zwischen einem Turbinenrad und einer Welle im Anschluss an das Schweißen und Glühen bestätigte, dass in der Praxis eine anfängliche Unwucht verbessert wurde.
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Obgleich hierin eine neue Geometrie der Kontaktflächen zwischen einem Turbinenrad und einer Welle in Bezug auf eine Ausführungsform, die für die Automobil- oder Lastwagenindustrie geeignet ist, ausführlich beschrieben worden ist, geht leicht hervor, dass sich das (die) verbundene Turbinenrad und Welle und das Verfahren zur Herstellung davon zur Verwendung in mehreren anderen Anwendungen, wie zum Beispiel Luftfahrzeugen oder brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen, eignen. Obgleich die vorliegende Erfindung in ihrer bevorzugten Form mit einer gewissen Besonderheit in Bezug auf ein(e) durch Abgas eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors betriebenes Turbinenrad und Welle eines Turboladers beschrieben worden ist, versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung der bevorzugten Form rein beispielhaft erfolgte und dass auf zahlreiche Änderungen an den Details von Strukturen und der Anordnung der Kombination zurückgegriffen werden kann, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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Nach der erfolgten Beschreibung der Erfindung folgen nun die Ansprüche.
