DE102005010269A1

DE102005010269A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus zumindest zwei Bauelementen

Info

Publication number: DE102005010269A1
Application number: DE102005010269A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Meier
Original assignee: KOKI TECHNIK METALLVERARBEITUN; Koki Technik Metallverarbeitung & Co KG GmbH
Current assignee: Koki Technik Transmission Systems GmbH
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2006-09-07

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus zumindest zwei Bauelementen (1, 2), wobei ein Bauelement (1) eine zumindest teilweise gekrümmte Oberfläche (4) aufweist und das andere Bauelement (2) mit einem flachen Berührungsbereich an diese gekrümmte Oberfläche (4) anliegt, soll auf den Berührungsbereich (3) ein Laserstrahl (5) gerichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus zumindest zwei Bauelementen, wobei ein Bauelement eine zumindest teilweise gekrümmte Oberfläche aufweist und das andere Bauelement mit einem flachen Berührungsbereich an dieser gekrümmten Oberfläche anliegt, sowie ein entsprechendes Bauteil.

Beispielsweise in der Automobilindustrie werden viele Bauteile aus zumindest zwei Bauelementen hergestellt. Diese beiden Bauelemente können durch verschiedene Schweissverfahren miteinander verbunden werden. Dabei ist zur Verbindung von Blechen und Bändern das Stumpfnahtschweissverfahren unter Verwendung von Laserschweissen bekannt. Dies wird beispielsweise in der DE 195 00 715 A1 beschrieben. Bei ebenen Flächen und Bändern, die über ihre Kanten miteinander verbunden werden sollen, ist dieses Schweissverfahren ideal.

Zur Verbindung eines rohrförmigen Körpers mit einem anderen Bauteil ist beispielsweise aus der US 4,477,010 bekannt, das andere Bauteil als Klemmelement auszubilden und auf das rohrförmige Bauteil aufzusetzen. Danach erfolgt ein Laserschweissen entlang eines grossen Gesamtabschnittes der zylindrischen Oberfläche unter Berücksichtigung der besonderen Form des zu verbindenden Ansatzes. Das Laserschweissen geschieht entlang der Umfangs- bzw. Mantelfläche des Rohres.

Ferner ist aus der DE 698 10 978 T2 ein Verfahren zum Schweissen von Ansätzen an ein Zylinderrohr bekannt, wobei der Ansatz auf der zylindrischen Aussenoberfläche des Zylinderrohres durch Laserschweissen angebracht wird. Diese Laserschweissung wird im umlaufenden Kontaktbereich zwischen einem Ansatz und der zylindrischen Aussenoberfläche des Zylinderrohrs entlang eines vorbestimmten Kreisausschnitts der Oberfläche durchgeführt, wobei zwei Laserstrahlen auf beide Seiten des anzuschweissenden Ansatzes gerichtet sind. Dabei ist der Kontaktbereich zwischen Ansatz und Zylinderrohr in der Umfangsrichtung auf einen Höchstwert von ca. 120° beschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, bei dem ein Bauelement mit einem flachen Berührungsbereich mit einer gekrümmten Oberfläche verbunden wird.

Lösung der Aufgabe

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass auf den Berührungsbereich ein Laserstrahl gerichtet wird.

Beim bekannten Stand der Technik erfolgt eine Verbindung zwischen einer gekrümmten Oberfläche mit einem Bauteil entlang der Krümmung der Oberfläche. Das bedeutet, dass in der Regel ein sehr offener (bis 90°) Spalt zwischen der gekrümmten Oberfläche und dem Bauteil gegeben ist, in welchem der Laserstrahl wirksam werden kann. Bei der vorliegenden Erfindung geht es jedoch im wesentlichen um die Verbindung eines Flächenkörpers, der stumpf an einer gekrümmten Oberfläche, insbesondere einer zylindrischen Oberfläche, wie beispielsweise an einem Zylinderrohr, anschlägt, wobei der Berührungsbereich bzw. die Anschlagsfläche als flache Stirnfläche ausgebildet ist, die etwa parallel zur Achse des zylindrischen Körpers verläuft. Hier ergibt sich nur ein sehr geringer Schweissspalt zwischen dem flächigen Körper und dem zylindrischen Körper, so dass bislang das Laserschweissen nicht zur Anwendung kam.

Die vorliegende Erfindung schlägt deshalb vor, dass der Laserstrahl so ausgerichtet wird, dass er bis zu dem Berührungsbereich der beiden Bauteile vordringt. Besitzt das Bauteil die oben erwähnte flache Stirnfläche, so sollte bevorzugt ein fokussierter Laserstrahl parallel zu dieser Stirnfläche ausgerichtet sein, so dass er den gesamten Verbindungsbereich durchdringt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Laserstrahl zusätzlich so fokussiert, dass er auch tangential zu der gekrümmten Oberfläche des einen Bauteils verläuft und auch hier tangential den Verbindungsbereich durchdringt.

Im Berührungsbereich schmilzt der Laserstrahl bevorzugt beide Bauelemente auf, so dass von beiden Werkstoffen Schmelzperlen entstehen. Wird der Laserstrahl weitergeführt, laufen diese Schmelzperlen durch die Adhäsionskräfte ineinander und vermischen sich innig, so dass es hier zu dem gewünschten Verschmelzen kommt. Dieser Prozess erfolgt während der Vorwärtsbewegung des Lasers in Schweissrichtung. Die sich ergebende Schweissraupe erstarrt entsprechend ihrer Oberflächenspannung ohne Kanten- und Kraterbildung.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird bevorzugt auch zum Verbinden von Bauelementen angewendet, welche eine relativ geringe Wanddicke im Verhältnis zur Fläche der Schweissverbindung mittels Laser aufweisen. Ferner muss erwähnt werden, dass ein Laser bei dem erfindungsgemässen Verfarhren verwenden werden kann, der gänzlich ohne Zusatzwerkstoff auskommt. Es genügt das Aufschmelzen der beiden zu verbindenden Bauteile.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Herstellung einer flächenhaften Schweissverbindung eines zylindrischen Bauteils mit einem flächigen Körper mittels Laser, wobei ein relativ geringer Wärmeeintrag in die Bauteile erfolgt. Aus diesem Grunde ergibt sich auch nur eine sehr kleine Wärmeeinflusszone, so dass es auch zu einer Minimierung von Schweissverzügen und damit zu einem reduzierten Aufwand an Vorrichtungs- und Zuführtechnik kommt.

Bei der Herstellung der Bauteile ergibt sich eine Taktzeitreduzierung durch das Entfallen der Erzeugung von mehreren Schweissnähten und es kommt zu einer Reduzierung von Schweissfehlern.

Figurenbeschreibung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihrer einzigen Figur eine schematische Draufsicht auf ein herzustellendes Bauteil aus einem zylindrischen Bauelement 1 mit einer Achse A und einem Flächenkörper 2, der mit einem linienförmigen Berührungsbereich 3 an einer gekrümmten Oberfläche 4 des zylindrischen Bauelementes 1 anliegt. Dieser Flächenkörper 2 soll im Berührungsbereich 3 durch Laserschweissen mit dem zylindrischen Bauelement 1 verbunden werden. Zu diesem Zweck wird ein fokussierter Laserstrahl 5 auf den Berührungsbereich 3 gerichtet, wobei der fokussierte Laserstrahl 5 eine Neigung gegen eine Stirnfläche 6 des Flächenkörpers 2 hat, die so ausgelegt ist, dass der Laserstrahl 5 parallel zu dieser Stirnfläche 6 in einen Spalt 7 zwischen gekrümmter Oberfläche 4 und Stirnfläche 6 einfällt. Gleichzeitig verläuft der fokussierte Laserstrahl 5 tangential zur gekrümmten Oberfläche 4 hin bis zu dem Berührungsbereich 3.
Auf diese Weise erschmilzt der Laser beide Werkstückflächen in diesem Berührungsbereich 3 und erzeugt Schmelzperlen. Durch die Additionskräfte laufen diese Schmelzperlen ineinander, sobald der Laserstrahl 5 (Gasdruck des Plasmas) geringer wird. Dieses Ineinanderlaufen erfolgt innerhalb der Vorwärtsbewegung des Lasers in Schweissrichtung. Die sich ergebende Schmelze aus den Schmelzperlen beider Bauelemente 1 und 2 erstarrt entsprechend ihrer Oberflächenspannung ohne Kanten- und Kraterbildung.
Bezugszeichenliste

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus zumindest zwei Bauelementen (1, 2), wobei ein Bauelement (1) eine zumindest teilweise gekrümmte Oberfläche (4) aufweist und das andere Bauelement (2) mit einem flachen Berührungsbereich an diese gekrümmte Oberfläche (4) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Berührungsbereich (3) ein Laserstrahl (5) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Bauteil (1) eine zumindest teilweise zylindrische Oberfläche (4) aufweist, an welcher das andere Bauelement (2) zumindest über eine linienförmige Strecke hin mit einem Berührungsbereich (3) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Berührungsbereich (3) streckenweise parallel zu einer Achse (A) verläuft, um welche die zumindest teilweise zylindrische Oberfläche (4) gekrümmt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Bauelement (2) eine flache Stirnfläche (6) besitzt und ein fokussierter Laserstrahl (5) parallel zu dieser Stirnfläche (6) auf den Berührungsbereich (3) hin ausgerichtet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein fokussierter Laserstrahl (5) tangential zur gekrümmten Oberfläche (4) auf den Berührungsbereich (3) ausgerichtet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) beide Bauelemente (1, 2) im Berührungsbereich (3) aufschmilzt.
Bauteil aus zumindest zwei Bauelementen (1, 2), wobei ein Bauelement (1) eine zumindest teilweise gekrümmte Oberfläche (4) aufweist und das andere Bauelement (2) mit einem flachen Berührungsbereich (3) an dieser gekrümmten Oberfläche (4) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bauteile (1, 2) durch Laserschweissen miteinander verbunden sind.
Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bauelemente (1, 2) eine geringe Wanddicke im Verhältnis zur Fläche der Schweissverbindung aufweisen.