CN110280901A - 具有光纤激光焊接连接的构件组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种构件组件，包括第一构件(10)、第二构件(20)以及第一构件(10)和第二构件(20)之间的光纤激光焊接连接(2)，以便在接合缝隙(6)上将第一构件与第二构件连接，其中，光纤激光焊接连接(2)至少包括第一焊缝(3)和第二焊缝(4)，并且，第一焊缝(3)和第二焊缝(4)直接并排并且相互接触地布置。本发明还涉及一种用于制造所述光纤激光焊接连接的方法。

Description

具有光纤激光焊接连接的构件组件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有光纤激光焊接连接的构件组件，一种喷射器，尤其是具有这种构件组件燃料喷射器，以及一种用于制造光纤激光焊接连接的方法。
背景技术
由现有技术已知两个构件之间的呈不同构型的焊接连接。例如在制造燃料喷射器时两个构件，即内极和接头套筒，借助焊接连接相互连接。在此，借助盘式激光器制造唯一的焊缝。由于内燃机的环保标准不断提高，柴油内燃机和汽油内燃机的喷射压力也不断提高。现在研究中已经发现，由于在超过800×105Pa范围内的极高压力，在振动负载的情况下，如在用于车辆的内燃机的情况下那样，在目前使用的焊接连接的情况下会由于过载而出现焊缝失效。就此而言，尤其在用于以非常高压力使用的喷射器的情况下，需要改善这种焊接连接。
发明内容
与现有技术相比，本发明构件组件具有这种优点，两个构件之间的焊接连接在高的和困难的条件下也具有非常大的强度。尤其是，即使在持续负载情况下，如同例如在车辆内燃机中的喷射器的情况下那样，可以避免由于振动负载以及高压力引起的焊缝失效。在此，构件组件包括第一和第二构件以及两个构件之间的光纤激光焊接连接。光纤激光焊接连接在构件之间的接合缝隙上将第一构件与第二构件连接。在此，第一和第二部件之间的接合缝隙是待相互连接的部件彼此贴靠的位置。在此，光纤激光焊接连接至少包括第一焊缝和第二焊缝。在此，所述至少两个焊缝直接并排地布置，其中，所述焊缝相互接触并且至少一个焊缝位于待接合的构件之间的接合缝隙上。焊缝全部是光纤激光焊缝，使得在完成焊缝后会存在连续焊缝的印象。
此外给出本发明的优选扩展方案。
进一步优选，第一焊缝部分地布置在第一和第二构件之间的接合缝隙上。特别优选，第二焊缝布置在两个构件之间的接合缝隙上。在此应该说明，此外尤其有利的是，不仅第一焊缝而且第二焊缝都布置在两个构件之间的接合缝隙上。由此得到在接合间隙上第一和第二焊缝的部分重叠，其中，重叠优选尽可能地小。
进一步优选，第一和第二构件分别设置为环绕闭合的构件，并且光纤激光焊接连接也环绕闭合地构造。第一和第二构件特别优选地设置为柱形的、特别是中空柱形的接合配对件。
进一步优选，光纤激光焊接连接构造在柱形的或者说中空柱形的接合配对件的外周上。
根据本发明的进一步优选的构型，在环绕闭合构件的情况下，不同焊缝的起点和终点在纵向上或者说周向上相互错开。由此避免不同焊缝的起点和终点位于周向上的相同高度上。
根据本发明的进一步优选的构型，这样设置光纤激光焊接连接，使得第一和第二构件的穿透是不完全的，尤其存在于小于构件壁厚的90％的区域中。该不完全穿透尤其优选小于等于构件壁厚的80％并且大于等于构件壁厚的50％。
进一步优选，焊缝的深宽比选择得尽可能大。在此，深宽比是构件中的焊缝的深度相对于焊缝最大宽度的比值。在此，焊缝的最大宽度在待接合的构件的表面上。深宽比优选大于5，尤其大于8。
根据本发明的进一步优选的构型，光纤激光连接包括至少一个第三焊缝。在此，焊缝这样定位，使得第二焊缝和第三焊缝布置为与第一焊缝直接并排并且接触。在此，第二焊缝与第一焊缝的第一侧接触并且第三焊缝与第一焊缝的第二侧接触。优选，第一焊缝居中地位于第二和第三焊缝之间。
此外应该说明，优选地也可以设置第四焊缝，或进一步优选地也可以设置第五焊缝。在此，应该相应于在构件的接合缝隙上的焊缝数量选择布置。在四个焊缝的情况下，接合缝隙布置在中间两个焊缝之间并且外部的两个焊缝分别与中间两个焊缝之一接触。在五个焊缝的情况下，中间的焊缝直接布置在构件的接合缝隙上并且在中间焊缝的两侧分别设置两个附加的焊缝，它们相互接触。由此，在设置四个或五个焊缝的情况下也形成唯一焊缝的印象。
进一步优选，焊缝的宽度选择得分别相同。由此，确保向构件中的限定的热量输入并且所有焊缝可以借助同样的光纤激光制造，无需改变光纤激光的设定。由此确保在两个待连接构件中不引入过高的热量输入。优选在构件表面上的焊缝宽度在250-350μm范围内，尤其优选位于260-320μm的范围内。优选，焊缝内端上的缝隙宽度在70-140μm的范围内，尤其优选地位于80-130μm的范围内。因此在横截面中得出逐渐变细的焊缝。由此，焊缝在构件表面上相互接触或者说重叠而在构件内部焊缝相互间隔开。由此，可以有针对性地减少向待接合的构件中的热量输入。
在三个焊缝的情况下尤其优选，中间的焊缝居中地布置在两个待接合构件之间的接合缝隙上。进一步优选地，在构件具有闭合的外周的情况下，例如在圆柱形待接合的构件的情况下，焊缝的起点和终点在周向上相互错开地布置。在此，所述错开尤其这样进行，使得起点和终点相互错开360°除以焊缝数量的角度地布置。例如在三个焊缝的情况下，起点和终点沿着周边相互错开120°的角度地布置。
进一步优选地，在设置三个焊缝的情况下，中间的第一焊缝的第一中心线到第二焊缝的第二中心线之间的第一间距等于第一焊缝的第一中心线与第三焊缝的第三中心线之间的第二间距。由此实现了第二和第三焊缝相对于第一焊缝的对称布置。进一步优选地，所述至少三个焊缝的中心线之间的第一间距和/或第二间距在20μm至100μm的范围内，尤其在40μm至80μm的范围内。
进一步优选地，第一和第二构件由金属材料制造。进一步优选地，两个接合配对件在接合缝隙上设置有相互平行的壁区域。
此外，本发明涉及一种包括根据本发明的构件组件的喷射器，尤其是燃料喷射器。特别优选地，该喷射器是电磁喷射器，并且，第一构件是喷射器的内极，第二构件是套筒，尤其是用于喷射器的液压连接的接头套筒。
此外，本发明涉及用于造第一构件和第二构件之间的光纤激光焊接连接的方法。在此，该方法包括以下步骤：定位第一和第二构件用于借助焊接进行接合步骤，在第一和第二构件之间在接合缝隙的区域中借助光纤激光制造第一焊缝，以及借助光纤激光制造第二焊缝，第二焊缝直接相邻地位于第一焊缝的第一侧。
进一步优选地，所述方法还包括制造第三焊缝的步骤。在此，这样安置这些焊缝，使得第三焊缝在第一焊缝的第二侧直接与第一焊缝相邻并且与第一焊缝接触。
优选地，还附加设置了第四焊缝或者进一步优选还设置了第五焊缝。在此，这些焊缝总是这样相对安置，使得在完成光纤激光焊接连接之后产生唯一缝隙的印象。
优选地，在三个焊缝的情况下，首先完全地制造第一焊缝，接着完全地制造第二焊缝，随后优选完全地制造第三焊缝。然而应该说明，也可以实现，带有时间上的重叠地制造焊缝，例如从第一焊缝开始，优选在一定时间之后开始第二焊缝，最后在另一一定时间之后开始第三焊缝。然而优选三个焊缝相继地制造，因为由此明显减少了用于光纤激光的费用。
优选地，在三个焊缝的情况下，第一焊缝直接安置在第一和第二构件之间的接合缝隙上。在此优选地，第一焊缝在接合缝隙上居中地安置。然而优选地也可以实现，将第一焊缝相对于接合缝隙稍微错开地安置，然而覆盖接合缝隙，然后将另一焊缝居中地安置在接合缝隙上。也就是说，在光纤激光连接焊接时也可以首先安置一个或两个外部的焊缝并且随后安置中间的焊缝。
进一步优选地，光纤激光垂直对准第一和第二构件之间的接合部位。由此可以沿着接合部位精确定位光纤激光焊缝。
特别优选地，所述至少三个焊缝的起点和/或终点沿焊缝方向错开地布置，尤其如果第一和第二元件是环绕闭合的构件，尤其是柱形构件，进一步特别是柱形空心构件。
进一步优选地，光纤激光在待接合构件的表面上的激光点这样选择，使得该激光点具有10μm至60μm、尤其在15μm至40μm范围内的直径。
进一步优选地，在三个焊缝的情况下这样安置这些焊缝，使得中间的第一焊缝的中心线相对于第二焊缝的中心线具有第一间距，该第一间距与第一中心线相对于第三焊缝的第三中心线的第二间距相同。
优选地，用以产生第一、第二和第三焊缝的速度设置在3.0m/min至8.0m/min、尤其4.3m/min至5.3m/min的范围内，尤其为约4.8m/min。
进一步应该说明，为了制造光纤激光焊接连接，可以使光纤激光运动或使两个构件运动，或者不仅光纤激光运动而且两个构件也运动。然而优选一种构型，在这种构型中，使两个构件运动，尤其旋转。
优选地，借助光纤激光进行的焊接过程在氮气氛围中执行。进一步优选地，第一和第二构件在接合部位上以预定的力相互压抵。优选地，该预定的力在200Nm至350Nm的范围内，优选为300Nm。根据本发明的进一步的优选构型，在构件环绕闭合的情况下，三个焊缝分别在周向上带有角度错位量地开始和结束，其中，角度错位量优选为120°。
附图说明
下面参考附图详细描述本发明的优选实施例。在图中示出：
图1具有根据第一实施例的构件组件的喷射器的示意图，
图2图1的构件组件的放大的细节图，具有光纤激光焊接连接，
图3根据本发明第二实施例的构件组件的放大图，
图4和5在根据本发明方法制造图3的光纤激光焊接连接时的中间步骤的示意图，
图6用于解释根据第二实施例的焊缝的起点和终点的定位的焊缝示意图。
具体实施方式
下面参考图1和2根据优选实施例详细说明构件组件1以及用于制造光纤激光焊接连接的方法。
图1示意性地示出了具有纵轴线X-X的喷射器100，其包括根据本发明的构件组件1。在此，构件组件1包括第一构件10和第二构件20。
在该实施例中，第一构件10是喷射器100的内极10并且第二构件20是接头套筒，借助其实现喷射器100的液压连接。
喷射器100包括喷射孔101和电磁促动器102，其中，第一构件10此处是电磁促动器102的一部分。此外，示出了液压接头103和电接头104。
图2详细地示出了构件组件1。在此，光纤激光焊接连接2将第一构件10与第二构件20连接。由图2可以详细地看出，光纤激光焊接连接2包括第一焊缝3和第二焊缝4。
在此，两个焊缝3，4这样布置在待接合的构件10，20之间的接合缝隙6上，使得可以实现构件之间的安全连接。在此，在接合缝隙6上这样布置第一焊缝3，使得第一焊缝3至少部分地覆盖接合缝隙6。然后将第二焊缝4置于第一焊缝3的第一侧。在此，第二焊缝4也部分地覆盖接合缝隙6。在此，第一和第二焊缝3，4的定位优选这样进行，使得接合缝隙6在第一焊缝和第二焊缝3，4之间精确地位于中心。
此外，第一焊缝3的第一宽度B1与第二焊缝4的第二宽度B2相同。在此，参考标记M1表示第一焊缝3的中心线并且参考标记M2表示第二焊缝4的中心线。在此，中心线M1和M2相对于接合缝隙6的距离相同，使得相对于接合缝隙6得到对称的光纤激光焊接连接2。
如进一步由图2可以看出，两个焊缝3，4的深度T也相同。在此，每个焊缝的深度T为待相互连接的柱形空心构件10，20的壁厚W的约50％。在此，焊缝沿深度方向逐渐变细。在此，相对于第一宽度B1或者说相对于第二宽度B2的深宽比T大于5。
因此，优选以相同的设定参数借助光纤激光器产生焊缝3，4。在此，光纤激光优选垂直对准待相互连接的构件10，20的表面。
在此，为了在制造第一和第二焊缝3，4时避免材料堆积，两个焊缝3，4的起点和终点在周向上相互错开。在此，在两个焊缝的情况下，起点和终点在构件上优选相互错开180°地布置。
在此，优选这样选择光纤激光的激光点，使得激光点具有10至60μm的直径，尤其是15至40μm的直径。在此，或者旋转待接合的构件，或者旋转光纤激光器，或者既旋转构件也旋转光纤激光器。在此，旋转速度优选在3转/秒的范围中。
优选地，两个待相互连接的构件10，20在夹紧装置中以300N的预夹紧力夹紧。
下面参考图3至6详细地描述根据本发明第二实施例的构件组件。在此，相同的或功能上相同的件以相同的参考标记表示。
与第一实施例不同，第二实施例的构件组件2具有总共三个焊缝，即第一焊缝3、第二焊缝4和第三焊缝5。
在此，第一焊缝3布置在第二焊缝4和第三焊缝5之间的中部。在此，第二和第三焊缝4，5直接定位在第一焊缝3旁边并且与第一焊缝3接触。
在此，第一焊缝3的第一宽度B1与第二焊缝4的第二宽度B2相同并且与第三焊缝5的第三宽度B3相同。因此，这些焊缝以相同的宽度构造。
如进一步可以由图3看出，三个焊缝3，4，5的深度T也相同。
在该实施例中，第一和第二构件10，20也是空心柱形构件，其中，每个焊缝3，4，5的深度为两个待相互连接的构件10，20的壁厚W的约50％。
因此，以相同的设定参数借助光纤激光器产生三个焊缝3，4，5，它们形成光纤激光焊接连接2。在此，光纤激光器垂直对准待相互连接的构件10，20的表面。
如可以由图3看出，此处第一焊缝3直接置于两个构件10，20之间的接合缝隙6上。在此，第一焊缝3在接合缝隙6上居中地布置。
因为两个待连接的构件10，20是环绕闭合的构件，所以三个焊缝3，4，5也完全环绕地围绕。为了避免材料堆积或已经设置的焊缝的意外解体，三个焊缝3，4，5的起点和终点7，8在周向上相互错开。在此优选，起点和终点7，8分别错开120°地布置，如图6中示意性地说明的那样。
对于用于制造第一构件10和第二构件20之间的光纤激光焊接连接2的本发明方法，首先将两个构件10，20相互对顶地接合，使得存在接合缝隙6。在此，第一构件的外直径与第二构件的外直径相同。然后，首先制造第一焊缝3，其直接在接合缝隙6上产生，在此在接合缝隙6上对称地产生。在下一步骤中则制造第二焊缝4，其中，第二焊缝4制造为直接在第一焊缝3旁边并且与第一焊缝3接触。这在图5中说明。
在下一步骤中则制造第三焊缝5，其布置在第一焊缝3的第二侧，并且同样直接在第一焊缝3旁边产生并且与第一焊缝3接触。在此，光纤激光以90°的角度对准构件10，20的表面。
进一步优选，三个焊缝3，4，5这样定位，使得第一焊缝的第一中心线M1距离第二焊缝的第二中心线M2(间距A1)与第一中心线M1和第三焊缝的第三中心线M3之间的间距A2相同。在此，中心线M1，M2，M3之间的间距A1，A2优选位于40至80μm的范围中，尤其优选为大约60μm。
由于光纤激光的较小的焦点直径，因此，在所描述的实施例中可以制造具有非常小的缝宽度和大的深宽比的焊缝。因此，与其它焊接系统相比，在相同功率的情况下可以实现更高的进给速度。由此也可以减少构件的最大横向变形。此外，可以实现非常短的过程时间，同时实现相对较小的功率需求和减少的构件变热。
光纤激光的相对较小的功率输入也不会引起一个或两个构件10，20的塑性变形。此外，通过大约4.8m/min的高焊接速度可以减小所产生的焊缝的焊缝宽度。由此也得到焊缝外部区域上的所谓钉头的减小。
为了连接喷射器100的两个空心柱形构件10，20，光纤激光示例性地如下设定：最大功率为320W。激光点的直径为25μm。所产生的焊缝在构件的外侧上此时具有300μm的宽度。在连接后的构件的内部，焊缝具有120μm的宽度。激光和构件之间的运动速度为4.8m/min，其中，焊接过程在氮气条件下执行。焊缝在起始处相互错开地开始并且结束。在借助计算机断层扫描仪检查时，在光纤激光焊接连接中证明没有缝隙。通过使用光纤激光，在构件中实现了减少的热量输入。在此，仅通过减少的热量输入以及焊接变形的最小化，就产生了焊接连接强度提高以及焊缝残余应力减小。由此导致焊缝的几何尺寸改善以及在两个待接合的构件之间的焊缝中不出现缝隙形成。
因此，根据本发明，借助光纤激光通过安置至少两个焊缝可以实现两个构件10，20的有效的并且成本低廉的连接。在此，本发明尤其适用于连接喷射器的两个构件，尤其是连接空心柱形的内极和空心柱形的接头套筒，其中，两个构件具有相同的外直径。在此，尽管设置至少两个焊缝，与现有技术相比仍可显著减少有效焊接时间。由此，尤其在制造这种批量构件(如喷射器)的情况下，可以实现大的成本节省。要注意，在空心柱形构件的情况下，也可以在构件的内周上制造光纤激光焊接连接2。

Claims (21)

1.构件组件，包括：
-第一构件(10)，
-第二构件(20)，和
-第一构件(10)和第二构件(20)之间的光纤激光焊接连接(2)，以便在接合缝隙(6)上将第一构件与第二构件连接，
-其中，光纤激光焊接连接(2)至少包括第一焊缝(3)和第二焊缝(4)，并且
-其中，第一焊缝(3)和第二焊缝(4)直接并排地并且相互接触地布置。
2.根据权利要求1所述的构件组件，其中，第一焊缝(3)布置在第一和第二构件(10，20)之间的所述接合缝隙(6)上。
3.按照上述权利要求之一所述的构件组件，其中，第二焊缝(4)布置在第一和第二构件(10，20)之间的所述接合缝隙(6)上。
4.按照上述权利要求之一所述的构件组件，其中，第一和第二构件(10，20)分别是环绕闭合的构件并且光纤激光焊接连接(2)也环绕地闭合。
5.按照上述权利要求之一所述的构件组件，还包括第三焊缝(5)，其中，第二焊缝(4)和第三焊缝(5)布置为与第一焊缝(3)直接并排并且接触。
6.按照权利要求5所述的构件组件，其中，第一焊缝(3)居中地布置在第一构件(10)和第二构件(20)之间的所述接合缝隙(6)上。
7.按照权利要求5或6所述的构件组件，其中，第一焊缝(3)的第一中心线(M1)与第二焊缝(4)的第二中心线(M2)之间的第一间距(A1)和第一中心线(M1)与第三焊缝(5)的第三中心线(M3)之间的第二间距(A2)相同。
8.按照上述权利要求之一所述的构件组件，其中，焊缝的起点和终点在周向上相互错开地布置，尤其错开360°除以焊缝数量的角度。
9.按照上述权利要求之一所述的构件组件，其中，焊缝的宽度(B1；B2；B3)分别相同。
10.按照上述权利要求之一所述的构件组件，其中，光纤激光焊接连接(2)未完全地穿透所述构件(10，20)。
11.按照上述权利要求之一所述的构件组件，其中，在构件表面上的焊缝的宽度处于250μm至350μm的范围中，尤其处于260μm至320μm的范围中。
12.喷射器，尤其是燃料喷射器，包括按照上述权利要求之一所述的构件组件(1)。
13.按照权利要求12所述的喷射器，其中，第一构件(10)是喷射器的内极并且第二构件(20)是喷射器的套筒，尤其是接头套筒。
14.用于制造第一构件(10)和第二构件(20)之间的光纤激光焊接连接(2)的方法，包含以下步骤：
-这样定位第一和第二构件(10，20)，使得所述构件在接合缝隙(6)上彼此贴靠，
-借助光纤激光在接合缝隙(6)的区域中制造第一和第二构件之间的第一焊缝(3)，并且
-制造第二焊缝(4)，其直接紧邻第一焊缝(3)地位于第一侧并且与第一焊缝(3)接触。
15.按照权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：
-制造第三焊缝(5)，其直接紧邻第一焊缝(3)地位于第一焊缝(3)的第二侧并且与第一焊缝(3)接触。
16.按照权利要求14或15所述的方法，其中，所述光纤激光垂直地对准待接合的第一和第二构件(10，20)的表面。
17.按照权利要求14至16之一所述的方法，其中，焊缝(3，4，5)的起点和/或终点沿焊缝的纵向方向错开地布置。
18.按照权利要求14至17之一所述的方法，其中，第一和第二构件是环绕闭合的构件，尤其是柱形构件。
19.按照权利要求18所述的方法，其中，各个焊缝(3，4，5)的起点和终点之间的角度错位量是360°除以焊缝数量的角度。
20.按照权利要求14至19之一所述的方法，其中，在待接合的构件表面上光纤激光的激光点具有10至60μm范围内、尤其15至40μm范围内的直径。
21.按照权利要求14至20之一所述的方法，其中，焊接速度处于3.0m/min至8.0m/min的范围内，尤其是约4.8m/min。
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