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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeugachsgehäuse gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines Fahrzeugachsgehäuses und
eine Anordnung zum Ausführen
dieses Verfahrens in Übereinstimmung
mit den Oberbegriffen der Ansprüche
4 und 9.
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Stand der
Technik
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Aus
der amerikanischen Patentbeschreibung 4048466 ist bereits ein Fahrzeugachsgehäuse in der
Form eines mittleren Achsgehäuseabschnitts mit
angeschweißten
Wellenlagerzapfengehäusen und
ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Fahrzeugachsgehäuses bekannt.
In diesem Fall werden die axialen Enden der Wellenlagerzapfengehäuse, das
Achsgehäuse
wie auch die axialen Enden des mittleren Achsgehäuseabschnitts, die mit ihnen zusammenwirken,
mit einer besonderen Schulter versehen, die dazu vorgesehen ist,
eine korrekte Anordnung der Lagerzapfengehäuse relativ zu dem mittleren
Achsgehäuseabschnitt
während
des Schweißens
aufrechtzuerhalten. Dieses Verfahren bedingt, dass die Wellenlagerzapfengehäuse als Ganzes
vorgefertigt werden, bevor sie durch Elektronenstrahlschweißen an einen
mittleren Achsgehäuseabschnitt
geschweißt
werden.
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Beim
Laserschweißen
eines Zahnrades an eine Welle besteht eine aus der europäischen Patentbeschreibung
EP 1 053 822 bekannte Praktik
darin, das Laserschweißen
mit einem Induktionserhitzen der Schweißregion zu kombinieren. Eine
ringförmige
Induktionsanordnung umgibt die Welle und weist eine Öffnung auf,
durch die der Schweißstrahl während des
Verfahrens hindurchtreten kann.
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Ein
Fahrzeugachsgehäuse
gemäß den Oberbegriffen
der Ansprüche
1, 4 und 7 ist aus US-A-3 715 935 und aus US-A-4 048 466 bekannt.
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Aufgaben der
Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Fahrzeugachsgehäuse mit
einem steifen mittleren Achsgehäuseabschnitt
zu gestalten, wobei vorgefertigte Wellenlagerzapfengehäuse an die
zugehörigen
Enden des mittleren Achsgehäuseabschnitts
angeschweißt
werden. Das Fahrzeugachsgehäuse
muss strenge Festigkeitserfordernisse erfüllen und ein rationelles Herstellungsverfahren
ermöglichen, insbesondere
bezogen auf ein leichtes und schnelles dauerhaftes Anschweißen der Wellenlagerzapfengehäuse an dem
mittleren Achsgehäuseabschnitt.
Zu diesem Zweck wird die Erfindung durch das gekennzeichnet, was
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ist. Diese Aufgabe
wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erfüllt.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine rationelle Herstellung
von Fahrzeugachsgehäusen
der in Anspruch 1 angegebenen Art zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird
durch die Merkmale des Anspruchs 4 erfüllt.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein rationelles Herstellen
eines Fahrzeugachsgehäuses
nach Anspruch 1 zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 7 erfüllt.
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Weitere
kennzeichnende Merkmale der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung
einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung angegeben.
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Zeichnungsliste
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1 zeigt
schematisch eine Werkzeugsmaschine zum Herstellen eines Fahrzeugachsgehäuses gemäß der Erfindung
in Übereinstimmung mit
dem Verfahren gemäß der Erfindung.
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2 zeigt
eine Endansicht des mittleren Achsgehäuseabschnitts, während
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3 die
Gestaltung eines Wellenlagerzapfengehäuses eines Fahrzeugachsgehäuses gemäß der Erfindung
und seine Verbindung zu dem mittleren Achsgehäuseabschnitt zeigt.
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4 zeigt
schließlich
eine Vergrößerung eines
Schnitts durch die Schweißnaht
und benachbarte Teile eines Wellenlagerzapfengehäuses und des mittleren Achsgehäuseabschnitts.
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Beschreibung
einer Ausführungsform
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1 zeigt
eine Werkzeugmaschine 1 (im Weiteren auch als die Schweißmaschine
bezeichnet) in der ein mittlerer Achsgehäuseabschnitt 2 und
ein damit verbindbares Wellenlagerzapfengehäuse 3 gehalten sind.
Der mittlere Achsgehäuseabschnitt
weist hier die Form einer gewöhnlichen
Art eines schweren Fahrzeughinterachsenträgers auf, von dem nur eine Hälfte in
der Darstellung erscheint. Es ist selbstverständlich, dass die entsprechende
andere Hälfte
des Hinterachsenträgers
in einer entsprechenden anderen Hälfte der Maschine 1 gehalten
wird.
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2 zeigt
den mittleren Achsgehäuseabschnitt 2,
der an jedem seiner jeweiligen Enden eine Endfläche 4a aufweist, die
ringförmig – vorteilhafterweise
rund – ist
und die eine zentrale Achse 5a symmetrisch umgibt, die
im Wesentlichen rechtwinklig zu der Endfläche 4a ist (siehe 2 und 3).
Außerdem
wird ein Bremsenhalter 23 an den mittleren Achsgehäuseabschnitt 2 angeschweißt, um eine durch
nicht dargestellte Gewindeverbindungen in Löchern 24 an der Fahrzeugwelle
befestigte Bremsausrüstung
(nicht dargestellt) zu tragen. Es ist selbstverständlich,
dass jedes der jeweiligen Lagerzapfengehäuse 3 eine entsprechende
runde Endfläche
aufweist und dass der Teilabschnitt der aneinander anliegenden Endflächen nachfolgend
durch das Bezugszeichen 4 bezeichnet wird.
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3 und
die in 4 erscheinende Vergrößerung zeigen einen Schnitt
der Verbindung durch eine Schweißnaht 10 zwischen
einem Wellenlagerzapfengehäuse 3 und
dem mittleren Achsgehäuseabschnitt 2.
Die Darstellung zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Fahrzeugachsgehäuses gemäß der Erfindung,
wobei die inneren Flächen 6 und 7 der
Endabschnitte des mittleren Achsgehäuseabschnitts 2 und
die zugehörige
Wellenlagerzapfengehäuse 3,
die aneinander geschweißt
werden sollen, jeweils mit einer Verringerung 8 und 9 der
Materialstärke
in einem Abstand a von den gegenseitig zugewandten Kontaktflächen 4 versehen
werden. Vorteilhafterweise liegt der Abstand a zwischen 25 und 50%
der Materialstärke
b der Kontaktflächen.
Die Verringerung der Materialstärke
c selbst beträgt
in der Größenordnung
von 15 bis 30% der Materialstärke
b der Kontaktflächen,
vorteilhafterweise etwa bei 25% dieser Stärke. Darüber hinaus nimmt die Materialstärkeverringerung
die Form eines sanft gebogenen Übergangs
von der größeren zu
der kleineren Materialstärke
hin oder einer im Wesentlichen halbrunden Vertiefung an der inneren
Fläche
des Materials an. Die Vertiefung weist einen Radius auf, der gleich
der oder größer als
die halbe Verringerung der Materialstärke ist. Der Endabschnitt des
mittleren Achsgehäuseabschnitts 2 kann
vorteilhafthafterweise in dem erhitzen Zustand gestaucht werden,
um die gewünschte
Veränderung
der Materialstärke
auf seiner inneren Fläche 6 hervorzubringen.
Die innere Fläche 7 des
Wellenlagerzapfengehäuses 3 wird
mit einer entsprechenden Veränderung
der Materialstärke
durch einen Dreharbeitsvorgang versehen.
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Wenn
die Fahrzeugwelle sich unter Last befindet, leiten die Verringerungen
in der Materialstärke den
Kraftfluss jeweils derart durch die Wellenlagerzapfengehäuse 3 und
den mittleren Achsgehäuseabschnitt 2,
dass jegliche Rissanzeichen auf der inneren Fläche der Schweißnaht 10 keine
Verringerung in der Stärke
der zusammengeschweißten
Teile 2 und 3 mit sich zu bringen brauchen.
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Im
Falle von weniger strengen Festigkeitsanordnungen wird der mittlere
Achsegehäuseabschnitt 2 jedoch
lediglich kalt bearbeitet, wobei er in diesem Fall in einer nicht
dargestellten Ausführungsform
keine Änderungen
der Materialstärke
in dem der Endfläche 4a benachbarten
Abschnitt aufweisen kann. In solchen Fällen reicht die Veränderung
der Dimension des Wellenlagerzapfengehäuses aus, um den Kraftfluss
von jeglichen Rissanzeichen nahe der inneren Fläche der Schweißnaht 10 weg
zu richten, wenn sich die Welle unter Last befindet.
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Der
mittlere Achsgehäuseabschnitt 2 wird auf
eine herkömmliche
Art aus schwerem Blech mit einer Materialstärke zwischen 7 und 15 mm hergestellt,
vorteilhafterweise aus einem Spezialstahl mit einem Kohlenstofferhalt,
der 0,2% nicht überschreitet,
z.B. mit der Bezeichnung SSEN 552158, entlang einer zentralen Naht
(hier nicht gezeigt) geschweißt, um
eine hohle Einheit zu bilden. Letztere wird in die gewünschte Form
gebracht und bearbeitet, um die notwendigen Lagersitze und Kontaktflächen zu
erzeugen, um in einer späteren
Produktionsphase Antriebswellen und ein zentrales Antriebsleistungs-Übertragungsgetriebe,
ein sogenanntes Zentralgetriebe, aufzunehmen. In solchen Fällen wird
die ringförmige
runde Endfläche 4a des
mittleren Achsgehäuseabschnitts 2 ebenfalls
auf eine vorbestimmte Oberflächengüte in einer
Ebene normal zu der Zentralachse 5a bearbeitet.
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Die
Wellenlagerzapfengehäuse 3 werden aus
einem Stahlmaterial mit einem Kohlenstoffgehalt der Größenordnung
von weniger als 0,35% hergestellt, z.B. einem Stahl mit der Bezeichnung
SSEN 512225. Ihre äußere Fläche wird
in einem vorhergehenden Bearbeitungsablauf in einer separaten Werkzeugmaschine
gedreht, um jeweils Lagerbahnen 16 und 17 für ein herkömmliches
Radlager zu erzeugen, und, in bestimmten Fällen, wird das äußere Ende
jedes Lagerzapfengehäuses 3 gefräst, um Rillen
zum Ansetzen von Nabenverzahnungen und/oder Schraubengewinde für Muttern
zu erzeugen. Es wird Fräsen
angewendet, um ihre ringförmige
Endfläche entsprechend
der Endfläche 4a des
mittleren Achsegehäuseabschnitts 2 auf
eine vorbestimmte Oberflächengüte zu bearbeiten,
um eine Ebene normal zu einer zentralen Achse 5b für den Wellenlagerzapfen
zu bilden. In alternativen Ausführungsformen
kann die Endfläche
des Wellenlagerzapfens 3 zu einer anderen rotationssymmetrischen
Form bearbeitet werden, die mit einer komplementären Gestaltung der Endfläche 4a des
mittleren Achsgehäuseabschnitts 2 zusammenwirken
kann.
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Ein
Verfahren zum Schweißen
der Fahrzeugwelle wird nachfolgend beschrieben. 1 zeigt,
wie die Werkzeugmaschine 1 den mittleren Achsgehäuseabschnitt 2 in
einer vorbestimmten Position vermittels ringförmiger Vorrichtungen 13 befestigt,
die die den jeweiligen Wellenlagerzapfengehäusen 3 gegenüberliegenden
Endabschnitte des mittleren Achsegehäuseabschnitts 2 umgeben.
Das Befestigen in der vorbestimmten Position wird durch ein zentrales
Element 22 der Maschine 1 erreicht, das geeignet
ist, die Position des mittleren Achsgehäuseabschnitts 2 in
jedem Freiheitsgrad anzupassen. Auf der Werkzeugmaschine 1 gelagerte
angetriebene Walzen 19 können z.B. verwendet werden,
um die Befestigungsringe 13 und daher den mittleren Achsgehäuseabschnitt 2 durch
Getriebewechselwirkung zum Rotieren um ihre Zentralachse 5a mit
einer vorbestimmten Geschwindigkeit zu bringen.
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In
einer hier nicht dargestellten Art werden die jeweiligen Wellenlagerzapfengehäuse 3 entweder
manuell oder durch einen Roboter in einer in der Werkzeugmaschine 1 angeordneten
herkömmlichen Spannvorrichtung 14 angeordnet
und darin fixiert. Die Wellenlagerzapfengehäuse 3 können in
einer herkömmlichen
Art zum Rotieren um ihre jeweiligen Zentralachsen 5b mit
einer vorbestimmten Geschwindigkeit gebracht werden, wobei in diesem
Fall diese Rotation synchron mit der voranstehend erwähnten Rotation
des mittleren Achsgehäuseabschnitts 2 stattfindet.
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Das
Befestigen der Wellenlagerzapfengehäuse 3 in der Maschine 1 bringt
es mit sich, dass sichergestellt werden muss, dass sich die gegenseitigen
Relativpositionen der Wellenlagerzapfengehäuse 3 innerhalb vorbestimmter
Toleranzgrenzen bezüglich
der Parallelität
der jeweiligen zylindrischen Flächen 16 und 17 befinden
(siehe 3). Dazu wird die Werkzeugmaschine 1 mit
konventionellen Lagereinrichtungen zum Lagern der Werkstücke in jedem Freiheitsgrad
versehen. Die Achse zwischen den Mittelpunkten der äußeren Enden
der beiden Wellenlagerzapfengehäuse 3 wird
dann mit der zentralen Achse 5b der bearbeiteten äußeren und
inneren Radlagerbahnen 16, 17 der jeweiligen Wellenlagerzapfengehäuse 3 verglichen.
Der Abstand zwischen den jeweiligen Zentralachsen entlang 100 mm sollte
X mm nicht überschreiten.
Für schwere
Fernstraßenfahrzeuge
muss die Toleranzgrenze X von der Größenordnung von 0.06/100 sein.
Weiterhin wird die Materialstärke
b an den Endflächen 4 sowohl des
mittleren Achsgehäuseabschnitts 2 als
auch des Wellenlagerjournals 3 im Wesentlichen gleich sein, d.h.
innerhalb ± 10%
der Materialdicke b.
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In
dieser Situation werden die Endflächen 4b der jeweiligen
Wellenlagerzapfengehäuse 3 in
Richtung der entsprechenden Endflächen 4a des mittleren
Achsegehäuse abschnitts 2 gebracht.
Dies wird durch eine bestimmte vorbestimmte Kraft erreicht, die
von äußeren Elementen 21 der
Maschine 1 ausgeübt
wird, vorzugsweise eine Kraft von der Größenordnung von 50 kN, die einen
engen gegenseitigen Kontakt der Flächen verursacht. Trotzdem kann
eine Lücke
entlang bestimmter Teile der gegenseitig gegenüberliegenden runden Kontaktflächen 4 auftreten.
Eine überschüssige Verbindungskraft
kann dazu führen,
dass der mittlere Achsegehäuseabschnitt 2 deformiert
wird, mit dem Risiko, dass ein nachfolgendes Zurückspringen nach dem Beenden
des Vorgangs die Konformität
mit bestimmten Erfordernissen bezüglich der Parallelität etc. verhindert.
Eine vorstehend erwähnte
Rotation der Werkstücke 2, 3 kann nur
stattfinden, wenn die letzteren mit der vorbestimmten Kraft in gegenseitigen
Kontakt gebracht worden sind.
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Eine
Induktionsheizanordnung 30, in diesem Fall in der Form
zweier gegenseitig längsseits
konzentrischer Induktionsringe 31, 32, umgibt
das und ist konzentrisch mit dem Wellenlagerzapfengehäuse 3. Die
Induktionsringe 31, 32 sind an einem Träger 34 befestigt
und sind daher für
eine axiale Bewegung als eine Einheit unabhängig von dem Wellenlagerzapfengehäuse 3 angeordnet
und sind mit dem Element 21 (in 1 gezeigt)
der Maschine 1 verbunden, in dem das Wellenlagerzapfengehäuse 3 festgehalten ist.
Die axiale Beweglichkeit wird durch den zweiseitigen Pfeil 35 dargestellt.
In der Ruheposition zur Zeit des Festhaltens des Wellenlagerzapfengehäuses 3 in
der Maschine 1 befinden sich die Induktionsringe 31, 32 in
einer äußeren Position
relativ zu dem Zentrum der Maschine 1 und nahe der Vorrichtung 14,
in der das Wellenlagerzapfengehäuse 3 festgehalten wird.
Die Bewegung der Induktionsringe 31, 32 wird durch
konventionelle krafterzeugende elektrohydraulische Mittel (nicht
gezeigt) hervorgerufen, die durch ein Computerprogramm gesteuert
werden, gemäß dem die
Maschine 1 ihre zum Durchführen der Bearbeitungsabläufe benötigten Bewegung
und Aktivitäten
ausführt.
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Wenn
ein enger Kontakt zwischen den Endflächen 4 des mittleren
Achsgehäuseabschnitts 2 und
der Wellenlagerzapfengehäuse 3 erreicht
worden ist, werden die Induktionsringe 31, 32 dazu
gebracht, derart eine Position relativ zu den gegenseitig anliegenden
Terminalflächen 4 einzunehmen,
dass die Ringe 31, 32 in der axialen Richtung
auf jeder Seite der Endflächen 4 symmetrisch
angeordnet sind. Ihre Abstände
von der äußeren Fläche des
mittleren Achsgehäuseabschnitts 2 und
des Wellenlagerzapfengehäuses 3 wird
in Fällen,
in denen der Außendurchmesser
der Endflächen 4 in
der Größenordnung
von 150 mm liegt, in der Größenordnung von
7 mm ± 1
mm liegen. Der Abstand zwischen den Induktionsringen 31, 32 in
der axialen Richtung wird in der Größenordnung von 5 mm liegen.
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Elektrische
Energie wird den Induktionsringen in einer herkömmlichen Weise von einer elektrischen
Quelle (nicht dargestellt) über
Leitungen 10, 11 zugeführt. Jeder der Ringe 31, 32 ist
vorteilhafterweise aus Kupfer hergestellt, mit einem Kern, durch
den ein Kühlmittel
fließt.
In diesem Fall wird der Kern mit Kühlmittel in der Form von durch
Rohre 12 zu den Ringen 31, 32 gepumptem
Wassers versorgt. Die Ringe und die ihnen zugeführte Energie stellen eine induzierende
Leistung der Größenordnung
von 30 kW bereit. Mit dem herkömmlicherweise
für die
hier betroffenen Wellenteile verwendeten Stahlmaterial und der zum
Erreichen der notwendigen Festigkeit benötigten relativ großen Materialstärke können die Induktionsringe 31, 32 die
relevante Schweißregion auf
beiden Seiten um die aneinander anliegenden Endflächen 4 auf
Temperaturen in dem Intervall von 250 bis 350°C erhitzen. Mit einer Materialstärke, die 7
mm übersteigt,
muss die Stärke
des auf dieses Intervall zu erhitzenden Bereichs mindestens 200%
der Stärke
des Materials sein, vorteilhafterweise verkörpert der induktionserhitzte
Bereich zwischen 300 und 400% der Materialstärke.
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In
Verbindung mit der axialen Bewegung der Induktionsheizanordnung 31, 32 wird
außerdem
eine Laserschweißeinrichtung 40 veranlasst,
eine Position zentral zu den gegenseitig anliegenden Endflächen 4 einzunehmen.
Vorteilhafterweise begleitet die Laserschweißeinrichtung 40 die
oben beschriebene Bewegung der Induktionsringe 31, 32.
Die Einrichtung 40 kann außerdem schwenkbar auf dem Zentralelement 22 der
Maschine angeordnet sein, so dass die gleiche Einrichtung Schweißoperationen
an beiden Wellenenden des mittleren Achsgehäuseabschnitts 2 durchführen kann.
Der Strahl des Laserschweißgeräts ist so
angeordnet, dass er eine zu diesem Zweck hergestellte Öffnung (nicht
gezeigt), die durch eine Erweiterung zwischen den Induktionsringen 31, 32 bereitgestellt
wird, hindurchgeht.
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Die
Laserschweißeinrichtung 40 ist
von einer Art, die an sich dafür
bekannt ist, dafür
geeignet zu sein, eine 10 kW übertreffende
Ausgangsleistung zu liefern. Sobald die vorbestimmte Position erreicht worden
ist, beginnt das Induktionsheizen, während die gegenseitig anliegenden
Werkstücke 2, 3 langsam
rotieren oder stationär
bleiben. Sobald das erhitzte Material die vorbestimmte Temperatur
erreicht, was mit einem Heizen bei einer bestimmten Leistung für eine bestimmte
Zeit vergleichbar ist, beginnt das Laserschweißen.
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Die
Laserschweißeinrichtung 40 bleibt
in einer Position zwischen 9 Uhr und 3 Uhr stationär, vorteilhafterweise
bei einer 12-Uhr-Position, wobei der Laserstrahl im Wesentlichen
radial relativ zu der Zentralachse 5 der aneinander anliegenden
Werkstü cke, d.h.
dem mittleren Achsgehäuseabschnitt 2 und
dem jeweiligen Wellenlagerzapfengehäuse 3, gerichtet ist.
Diese Werkstücke 2, 3 rotieren
im simultanen Kontakt bei einer durch die mit der speziellen Lasereinrichtung 40 gewünschte Schweißrate bestimmten Geschwindigkeit.
Die Schweißrate
und daher die Rotation der Werkstücke 2, 3 sollte
2 cm/s überschreiten und
ist vorteilhafterweise in der Größenordnung
von 8 cm/s.
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Das
Laserschweißen
findet mit Fokussieren des Laserstrahls auf zwischen 0 und 30% der
Materialstärke
innerhalb der äußeren Fläche statt.
In dem Fall einer Materialstärke
zwischen 7 und 15 mm, erzeugt der Strahl vorteilhafterweise eine
Schweißnaht 10,
die nur wenige Millimeter breit sein wird, vorteilhafterweise zwischen
2 und 5 mm. Gleichzeitig wird jedoch die Breite d der radial inneren
Fläche
der Naht ein wenig kleiner sein als die Breite e des äußeren Teils
der Naht 10. Es sollte trotzdem Vorsorge getroffen werden,
sicher zu gehen, dass die innere Endfläche der Schweißnaht 10 sich
bei einem radialen Abstand von mindestens etwa 0,2 mal der Materialstärke der
Kontaktflächen 4 von
ihrer äußeren Fläche befinden
wird. Es wird daher für
den Kraftfluss durch die Kontaktflächen 4 möglich, dass
dieser ausreichend weit weg von jeglichem Rissanzeichen auf der
inneren Endfläche
der Schweißnaht 10 verläuft, wenn
die Welle sich während
des Betriebs unter Last befindet.