DE102005042361A1

DE102005042361A1 - Verfahren zum thermischen Fügen von Bauteilen, insbesondere durch Laserlöten und/oder Laserschweißen, sowie Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102005042361A1
Application number: DE102005042361A
Authority: DE
Inventors: Michael Niemeyer; Hermann Bayerlein; Wolfgang Bloehs
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-09-08
Also published as: DE102005042361B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Fügen von Bauteilen, insbesondere durch Laserlöten und/oder Laserschweißen, bei dem die Bauteile entlang einer vorgegebenen Fügelinie (8) mittels einer Fügenaht (1) verbunden werden, wobei einer durch einen Energieeintrag mittels einer Energiequelle (5) an einer Fügestelle (7) ausgebildeten, vorlaufenden Nahtschmelze (17) ein Schutz-/Arbeitsgasstrom (15) zugeführt wird. Erfindungsgemäß werden die zu fügenden Bauteile und die Fügenaht (1) entlang der Fügelinie (8) so ausgebildet und/oder angeordnet, dass im Bereich unterhalb einer Nahtwurzel (20) ein Freiraum (21) ausgebildet wird, so dass ein bezogen auf die Fügerichtung von vorne auf die Schmelzfront (16) gerichteter Schutz-/Arbeitsgasstrom (15) so auf die Schmelzfront (16) der Nahtschmelze (17) trifft, dass sich der Gasstrom (15) in einen entlang einer Nahtoberfläche (18) strömenden oberen Gasstrom (19) und einem entlang der Nahtwurzel (20) strömenden unteren Gasstrom (22) aufteilt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Fügen von Bauteilen, insbesondere durch Laserlöten und/oder Laserschweißen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum thermischen Fügen von Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Verfahren zum thermischen Fügen von Bauteilen, bei denen Gase, insbesondere als Schutz- bzw. Arbeits- und Formiergase, verwendet werden, sind allgemein bekannt. Mit diesen Gasen sollen regelmäßig störende Bestandteile der umgebenden Atmosphäre eliminiert bzw. minimiert werden. Des weiteren können durch die Zufuhr von Gasen im Bereich der Bearbeitungsstelle gegebenenfalls auch chemisch erwünschte Prozesse an der Bearbeitungsstelle durchgeführt werden.

Aus der DE 199 48 895 A1 sind in Verbindung mit einer Laserschweißeinrichtung eine Mehrzahl von unterschiedlichen Möglichkeiten der Schutzgaszuführung beschrieben, so z. B. koaxial zum Laserstrahl (13), bzw. auch unter einem vorgegebenen Winkel gegen die Werkstückoberfläche geneigt, wobei diese Druckschrift im speziellen eine Anordnung von mehreren Gasdüsen um einen Schweißlaserstrahl herum vorschlägt, um durch den Schutz-/Arbeits gasstrom gegebenenfalls verursachte Einflüsse auf das Metallplasma auszuschließen.

Auch die DE 101 24 345 A1 zeigt ein Laserschweißverfahren mit einer unter einem vorgegebenen Winkel gegen die Werkstückoberfläche geneigten Schutzgasdüse, die einen Schutz-/Arbeitsgasstrom so auf eine Bearbeitungsstelle eines Laserstrahls richtet, dass dieser Schutz-/Arbeitsgasstrom bezogen auf die „Nahtvorschubrichtung" von hinten her auf die Nahtschmelze im Bereich der Fügestelle trifft. Ein ähnlicher Aufbau, bei dem ein Prozessgas- und Schutz-/Arbeitsgasstrom nicht koaxial zu einem Laserstrahl, sondern unter einem vorgegebenen Winkel zwischen 20° und 70° gegen die Werkstückoberfläche geneigt auf eine Bearbeitungs- bzw. Fügestelle auftrifft, ist auch aus der DE 198 58 679 A1 bekannt, bei der der kombinierte Prozess- und Arbeitsgasstrom ebenfalls wiederum in Nahtvorschubrichtung gesehen von hinten her auf die Füge- bzw. Bearbeitungsstelle trifft.

Wie Versuche gezeigt haben, bewirkt eine derartige Schutzgaszuführung zwar eine gute Oberflächenqualität, oft allerdings zu Ungunsten der Festigkeit einer derartigen Fügenaht, was insbesondere in Verbindung mit Bauteilen, wie sie in der Fahrzeugkarosserietechnik eingesetzt werden, zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis führt. In diesem Zusammenhang kommt es zudem immer wieder vor, dass bei derartig bearbeiteten Bauteilen bzw. Werkstücken im Nahtbereich nach oben geöffnete Poren sichtbar werden, die auf Gaseinschlüsse zurückzuführen sind. Diese offenen Poren müssen nachgearbeitet werden, da diese z. B. insbesondere bei Karosserieteilen im Fahrzeugbau ein erhebliches Korrosionsrisiko bewirken.

Weiter ist aus der DE 35 44 280 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Schutz-/Arbeitsgasstroms zu einem Schweißbrenner mitsamt einer Wurzelschutzvorrichtung bekannt, bei der, wie dies insbesondere der dortigen 3 zu entnehmen ist, unterhalb des Fügebereichs zweier zu fügender Bauteile bzw. Werkstücke eine Wurzelschutzvorrichtung angeordnet wird, die unterhalb des Fügebereichs eine Wurzelkammer ausbildet, die über eine separate Gaszuführleitung mit einem WurzelSchutz-/Arbeitsgasstrom beaufschlagt werden kann. Die eigentliche Schutzgaszufuhr erfolgt dagegen hier auf der gegenüberliegenden Oberseite koaxial in Verbindung mit einer Elektrode eines Schweißbrenners. Eine derartige Anordnung ist relativ aufwendig und daher wenig praktikabel. Des weiteren ist ein derartiger Aufbau z. B. in Verbindung mit Bördelnähten völlig ungeeignet, da für eine Bördelnahtkonstruktion keinerlei Bauraum unterhalb der Naht existiert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Fügen von Bauteilen, insbesondere durch bzw. zum Laserlöten und/oder Laserschweißen, zur Verfügung zu stellen, mittels dem bzw. mittels der miteinander zu verbindende Bauteile auf einfache Weise mit einer hohen Funktionssicherheit mittels einer Fügenaht verbunden werden können.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Gemäß Anspruch 1 werden die zu fügenden Bauteile und die Fügenaht entlang der Fügelinie so ausgebildet und/oder angeordnet und/oder dimensioniert, dass im Bereich unterhalb einer Nahtwurzel ein Freiraum ausgebildet wird, so dass ein bezogen auf die Nahtvorschubrichtung bzw. Fügerichtung von vorne auf die Schmelzfront gerichteter Schutz-/Arbeitsgasstrom so auf die Schmelzfront der Nahtschmelze trifft, dass sich der Schutz-/Arbeitsgasstrom in einen entlang einer Nahtoberfläche strömenden oberen Gasstrom und einen entlang der Nahtwurzel strömenden unteren Gasstrom aufteilt. Unter einer Fügelinie wird hier auch aber nicht ausschließlich keine gerade Linie verstanden, son dern jede Art von Fügebereich, d. h. bezogen auf die Fügenaht auch krumme oder gebogene Ausgestaltungen.

Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Verfahrensführung erfolgt eine direkte Begasung der vorlaufenden Schmelzfront, der Nahtwurzel und der Schmelzbadoberfläche im Bereich der Wirkzone einer Energiequelle, beispielsweise eines Laser- oder Plasmastrahls, wodurch einer Oxidation bzw. Schmauchbildung an der Nahtoberfläche, der Schmelzfront und auch der Wurzel auf einfache und vorteilhafte Weise durch eine modifizierte Gaszufuhr entgegengewirkt werden kann. Mit einer derartigen Verfahrensführung lassen sich somit insbesondere für zu fügende Bauteile bzw. Werkstücke im Karosseriebau der Kraftfahrzeugtechnik solche hochwertigen Fügeverbindungen erzielen, bei denen die Gaseinschlüsse drastisch reduziert bis vollständig vermieden sind, so dass das aufwendige Nacharbeiten von geöffneten Poren vorteilhaft erheblich reduziert bzw. sogar gegebenenfalls ganz vermieden werden kann. Des weiteren haben Versuche gezeigt, dass durch ein derartiges Fluten der gesamten Nahtschmelze von der Schmelzfrontseite her auch nicht nur hervorragende Oberflächenqualitätsergebnisse erzielt werden, sondern vor allem auch sehr gute Festigkeitsergebnisse mit einer derartigen Fügeverbindung erzielt werden können. Besonders bevorzugt ist der Einsatz und die Verwendung einer derartigen Verfahrensführung in Verbindung mit zu fügenden Kraftfahrzeugbauteilen insbesondere im Bereich der Heckklappen und/oder Dachfugen.

Besonders bevorzugt ist weiter eine Verfahrensführung, bei der der Schutz-/Arbeitsgasstrom in einer durch die Fügelinien-Hochachsenrichtung z und die Fügelinien-Vorschubrichtung x aufgespannten x,z-Ebene unter einem Winkel α (2) von in etwa 0° gegen die Fügelinie im Bereich der Nahtschmelze geneigt auf die Schmelzfront trifft, da hierdurch eine besonders vorteilhafte Flutung des Nahtschmelzenbereiches mit Schutz-/Arbeitsgas erzielt wird, d. h. ein Teilgasstrom sowohl entlang der Nahtoberfläche als auch entlang der Naht wurzel strömt und auch die Schmelzfront als solche mit einer ausreichenden Menge von Schutz-/Arbeitsgas dauerhaft beaufschlagt wird. Der optimale Winkel α ist jedoch grundsätzlich abhängig von der Art der Bearbeitung, der Zugänglichkeit und der Werkstückgestaltung, so dass der Winkel α gegebenenfalls zwischen –10° und +30°, vorzugsweise 0° bis 10°, bezogen auf die Fügelinie im Bereich der Nahtschmelze und damit der „Werkstückoberfläche" variieren kann.

Um die Füge- bzw. Bearbeitungsstelle fluten zu können, d. h. großflächig abdecken zu können, um z. B. die qualitätsschädigenden Einflüsse der Atmosphäre gänzlich auszuschließen, ist ferner auch noch die Winkelausrichtung des Schutz-/Arbeitsgasstroms in der durch die Fügelinien-Querachsenrichtung y und der Fügelinien-Vorschubrichtung x aufgespannten x,y-Ebene (1) zu beachten. Gemäß einer besonders bevorzugten Verfahrensführung ist der Schutz-/Arbeitsgasstrom in dieser x,y-Ebene in etwa um 0° gegen die Fügelinie im Bereich der Nahtschmelze geneigt auf die Schmelzfront gerichtet, d. h. befindet sich der Gasdüsenauslassquerschnitt in einer zur Schmelzfront parallelen Ebene. Auch hier können jedoch im Einzelfall wiederum in Abhängigkeit von der Art der Bearbeitung, der Zugänglichkeit und der Werkstückgestaltung gegebenenfalls Winkel β von –45° bis 45°, vorzugsweise jedoch von höchstens –15° bis 15° möglich sein, wobei jedoch hier dann zu berücksichtigen ist, dass mit Qualitätseinbußen zu rechnen ist, je größer die Abweichungen von dem Idealwert 0° sind.

Für eine zufriedenstellende Flutung der Schmelzfront und damit der Nahtschmelze wird gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Verfahrensführung vorgesehen, dass der Abstand einer Gasauslassdüse von der Schmelzfront in Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit vorgegeben wird, wobei der Schutz-/Arbeitsgasstrom grundsätzlich mit Geschwindigkeiten von 0,01 bis 50 Meter pro Sekunde auf die Schmelzfront auftreffen kann. Mit einer bevorzugten Gasgeschwindigkeit von 5 Metern pro Sekunde im Bereich der Schmelzfront sind dann Abstände der Gasauslassdüse von der Schmelzfront von zwischen 10 mm bis 30 mm möglich, wobei ein bevorzugter Abstand circa 15 mm beträgt.

Grundsätzlich kann die Energiequelle ortsfest angeordnet sein und das Werkstück relativ zur Energiequelle bewegt werden. Bei der in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung erfolgenden Verbindung von mehreren, vorzugsweise zwei Bauteilen ist jedoch der Vorschub einer Energiequelle und damit einer Gasdüse vorteilhaft, wobei die Vorschubgeschwindigkeit zwischen 0,5 und 20 Metern pro Minute, bevorzugt 3 Meter pro Minute betragen kann.

Die erfindungsgemäße Bauteilanordnung, insbesondere Karosseriebauteilanordnung für Kraftfahrzeuge, lässt sich grundsätzlich in Verbindung mit jeder Fügenaht anwenden, ist jedoch besonders bevorzugt in Verbindung mit einer Bördelnaht. Als thermisches Fügeverfahren wird konkret ein Laserschweißen oder ein Laserlöten mit einem Laser als Energiequelle vorgeschlagen, wobei der Laser dann bevorzugt im Wesentlichen senkrecht auf die Fügestelle gerichtet wird. Als Laser eignen sich z. B. Gaslaser, wie beispielsweise CO₂-Laser, Excimerlaser, Festkörper- bzw. Faserlaser, wie z. B. Nd:YAG-, Yb:YAG-Laser oder Dioden- bzw. Halbleiterlaser. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Verfahrensführung jedoch in Verbindung mit jedem Strahlverfahren geeignet, d. h. auch in Verbindung mit einer Plasmastrahl- bzw. Elektronenstrahlbearbeitung. Insbesondere in Verbindung mit einem Laserstrahl kann auch vorgesehen sein, dass der Laser dabei sowohl fokussiert als auch defokussiert auf die zu bearbeitende Fügestelle geführt werden kann.

Als Schutzgase eignen sich insbesondere Inertgase, wie z. B. Argon, Neon, Helium. Grundsätzlich können aber auch Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe oder Gemische dieser vorher genannten Gase eingesetzt werden.

Die Erfindung wird bezüglich der Vorrichtung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 11.

Gemäß Anspruch 11 ist die Gasdüse der Nahtschmelze bezogen auf die Füge- und Vorschubrichtung vorlaufend angeordnet dergestalt, dass die Gasdüse einen vorgegebenen Abstand von der Nahtschmelze aufweist und ein Schutz-/Arbeitsgasstrom von vorne, d. h. im Wesentlichen Frontal auf die Schmelzfront auftrifft.

Damit ergeben sich die zuvor bereits in Verbindung mit der Würdigung der erfindungsgemäßen Verfahrensführung genannten Vorteile. Dies trifft auch auf die gemäß Anspruch 12 und 13 beanspruchte Winkelanordnung der vorlaufend zur Fügenaht angeordneten Gasdüse zu.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Auslassquerschnitt der Gasdüse im Wesentlichen dem Nahtquerschnitt der Fügenaht entspricht. Dadurch ergeben sich hervorragende Anströmbedingungen, z. B. in Verbindung mit einer dreieckigen Bördelnaht durch eine entsprechend ausgebildete dreieckige Gasdüsenkontur. Für von der Dreiecksform abweichende Fügenahtgeometrien können dann entsprechend an die jeweilige Fügenahtgeometrie angepasste Düsengeometrien vorgesehen sein, z. B. trapezförmige, rechteckige etc. Düsengeometrien.

Besonders bevorzugt ist hierbei eine Ausrichtung der Gasdüse gegenüber der Fügenaht, bei der die Gasdüse so versetzt angeordnet ist, so dass lediglich ein vorgegebener Teilgasstrom des Schutz-/Arbeitsgasstromes frontal auf die Schmelzfront trifft. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte Aufspaltung des Schutz-/Arbeitsgasstromes in einen oberen und unteren Gasstrom möglich.

Die Schutzgasdüse kann ferner Einbauten umfassen, mittels denen eine Homogenisierung des Gasstromes möglich ist. Dazu kann die Düse z. B. einen sogenannten Homogenisatorbereich aufweisen, der durch feine Düsenkanäle oder ein flächiges, gasdurchlässiges Material ausgebildet ist, die bzw. das dem Gasstrom einen möglichst gleichen Strömungswiderstand entgegensetzt und mit dem gegebenenfalls auch ein bestimmtes Strömungsprofil ausgebildet werden kann. Das Strömungsprofil kann hierbei z. B. durch eine bestimmte Verteilung der Gasdurchlässigkeit bzw. des Strömungswiderstandes erzielt werden. Dadurch können beispielsweise Verwirbelungen vermieden werden oder aber auch bestimmte Begasungsintensitäten und/oder Begasungsverteilungen eingestellt werden. Als Einbauten können am Düsenaustritt der Gasdüse auch mehrere Öffnungen vorgesehen sein, die z. B. mittels eines Siebes, eines Bohrungsfeldes oder eines Leitblechgitters ausgebildet werden. Die Düsenaustrittsflächen der Düsen können darüber hinaus plan sein oder aber auch räumlich gekrümmt sein, z. B. sphärisch gekrümmt ausgebildet sein. Derartige gekrümmte Austrittsflächen erlauben es, bezüglich des Gasaustritts an der Düse näher an den Arbeitspunkt des z. B. Laser- oder Plasmastrahls bzw. an die Bearbeitungsspur insgesamt zu gelangen. Vorzugsweise kann der Auslassquerschnitt der Gasdüse eine Fläche zwischen 1 mm² und 50 mm² in Abhängigkeit von der Geometrie der anzuströmenden Schmelzfront aufweisen.

Ferner kann auch eine Gasdüse eingesetzt werden, deren Düsenkanal je nach den konkret gegebenen Verhältnissen eine Verengung und/oder eine Erweiterung des Düsenkanalquerschnittes in Strömungsrichtung aufweist. Beispielsweise kann der Düsenkanal im Bereich des Düsenauslasses einen sich verengenden Querschnitt aufweisen. Grundsätzlich können mit dieser Gestaltung der Gasdüsen diese auch weiter entfernt von der jeweiligen Fügestelle positio niert werden, so dass die Gefahr der Verschmutzung der Gasdüse sinkt. Der Düsenkanal kann z. B. auch einen lavalförmig geformten Bereich umfassen.

Nach Anspruch 18 sind sowohl die Energiequelle als auch die Gasdüse bevorzugt Bestandteil einer mittels der Vorschubeinrichtung verfahrbaren Bearbeitungsvorrichtung. Wie dies bereits zuvor dargestellt worden ist, handelt es sich bei dem Vorschub der Bearbeitungsvorrichtung lediglich um eine bevorzugte Variante. Grundsätzlich könnte die Bearbeitungsvorrichtung, d. h. die Energiequelle und die Gasdüse auch ortsfest angeordnet sein und damit entsprechend die zu fügenden Bauteile verlagert werden, solange nur sichergestellt ist, dass der Schutz-/Arbeitsgasstrom in der zuvor beschriebenen Art und Weise auf die Schmelzfront trifft.

In Verbindung mit der Notwendigkeit der Zuführung eines Zusatzwerkstoffes umfasst die Bearbeitungsvorrichtung ferner eine Zuführeinrichtung, mit der dann ein Zusatzwerkstoff, z. B. als Kaltdraht oder Heißdraht, als Pulver oder als Bandmaterial zugeführt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Bauteilanordnung in Verbindung mit einem Laserlötprozess,
2 eine schematische Seitenansicht der Bauteilanordnung gemäß 1, und
3a bis 3d jeweils Querschnitte durch unterschiedliche Fügenahtgeometrien mit unterschiedlichen Düsenquerschnittskonturen.
Die 1 zeigt schematisch und perspektivisch eine erfindungsgemäße Bauteilanordnung von zwei miteinander durch eine Fügenaht 1 mittels Laserlöten zu verbindenden und aus einem Blechmaterial hergestellten Außenhaut-Karosserieteilen 2, 3 einer Kraftfahrzeugkarosserie. Wie dies insbesondere der eine schematische Seitenansicht der Darstellung der 1 zeigenden 2 zu entnehmen ist, werden die beiden Außenhaut-Karosserieteile 2, 3 mittels einer Laserlötvorrichtung 4 als Bearbeitungsvorrichtung bearbeitet, die einen hier lediglich schematisch und beispielhaft angeordneten Laserbearbeitungskopf 5 aufweist, mittels dem ein Laserstrahl 6, der in der Darstellung der 1 und 2 lediglich strichpunktiert dargestellt ist, auf eine Fügestelle 7 entlang einer Fügelinie 8, entlang derer die beiden Karosserieteile 2, 3 miteinander zu verbinden sind, mit in etwa senkrecht zur Fügelinie 8 ausgerichteter Strahlrichtung gerichtet ist.
Integraler Bestandteil der Laserlötvorrichtung 4 ist eine Zuführeinrichtung 9 für einen Draht 10 als Zusatzwerkstoff sowie eine Gasdüse 11 für einen Schutz-/Arbeitsgasstrom 15. Wie dies in der 2 durch den Pfeil 13 lediglich schematisch eingezeichnet ist, umfasst die Laserlötvorrichtung 4 ferner eine hier nicht dargestellte Vorschubeinrichtung, mittels der die Laserlötvorrichtung 4 und damit der Laserbearbeitungskopf 5, die Zuführeinrichtung 9 und die Gasdüse 11 in Richtung des Pfeiles 13 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit von z. B. 3 Metern pro Minute relativ zu den ortsfest angeordneten Karosserieteilen 2, 3 in X-Richtung vorwärtsbewegt werden kann.
Wie dies den 1 und 2 weiter entnommen werden kann, ist die Gasdüse 11 mit ihrem Düsenauslass 14 bezogen auf die Fügenahtrichtung vorlaufend angeordnet, und zwar um einen Winkel α von 0° gegen die Fügelinie geneigt, so dass der über den Düsenauslass 14 ausströmende Gasstrom 15 unmittelbar und direkt auf eine Schmelzfront 16 einer im Bereich der Fügestelle 7 ausgebildeten, vorlaufenden Nahtschmelze 17 auftrifft.
Wie dies der 1 und auch den später noch näher erläuterten 3a bis 3d entnommen werden kann, sind die beiden zu fügenden Karosserieteile 2, 3 bzw. die Fügenaht 1 entlang der Fügelinie 8 so ausgebildet und/oder angeordnet, dass im Bereich unterhalb einer Nahtwurzel 20 der als Bördelnaht ausgebildeten Fügenaht 1 ein Wurzelkanal 21 ausgebildet wird, so dass der frontal auf die Schmelzfront 16 auftreffende Schutz-/Arbeitsgasstrom in einen entlang einer Nahtoberfläche 18 strömenden oberen Gasstrom 19 und einen entlang der Nahtwurzel 20 strömenden unteren Gasstrom 22 aufgeteilt wird, wie dies insbesondere der 2 entnommen werden kann.
Der Schutz-/Arbeitsgasstrom in der durch die Fügelinien-Hochachsenrichtung z und die Fügelinien-Vorschubrichtung x aufgespannten x,z-Ebene kann, wie dies in der 2 lediglich schematisch und beispielhaft eingezeichnet ist, bezogen auf die Fügestelle 7 und damit bezogen auf die Fügelinie 8 im Bereich der Nahtschmelze 17 in einem Winkelbereich α von –10° bis 30° geneigt sein. Ferner kann der Schutz-/Arbeitsgasstrom auch quer zur x,z-Ebene gesehen, d. h. in in Fügelinien-Querachsenrichtung y gesehen unter einem vorgegebenen Winkel β zugeführt werden, der hier in der in den 1 und 2 dargestellten Anordnung den bevorzugten Winkelwert β von 0° aufweist.
Wie dies insbesondere den 3a bis 3d entnommen werden kann, weist der Querschnitt des Düsenauslasses bevorzugt eine an die jeweilige Nahtgeometrie und damit den Nahtquerschnitt angepasste Kontur auf, so z. B. in Verbindung mit den in den 3a bis 3d dargestellten Bördelnähten als Fügenähten 1 eine jeweils dreieckförmige Geometrie.
Der Abstand des Düsenauslasses 14 der Gasdüse 11 beträgt dabei vorzugsweise ca. 15 mm und der Querschnitt des Düsenauslasses ist so gewählt, dass der gesamte Nahtschmelzenbereich 17, d. h. die Nahtoberfläche 18, die Schmelzfront 16 sowie die Nahtwurzel 20 mit dem Schutz-/Arbeitsgasstrom geflutet werden, wobei durch die in der 1 und 2 beispielhaft gezeigten Anströmungsverhältnisse zudem sichergestellt ist, dass auch die bereits bearbeiteten, dahinterliegenden Fügebereiche der Fügelinie 8 nach wie vor ausreichend mit Schutz-/Arbeitsgas umströmt werden, wodurch ebenfalls sichergestellt wird, dass sich hervorragende Lötergebnisse erzielen lassen.
Wie dies den 3a bis 3d entnommen werden kann, ist der jeweilige Düsenauslass 14 so gegenüber dem Fügenahtquerschnitt nach oben in Fügelinienhochachsenrichtung Z versetzt angeordnet, dass lediglich ein vorgegebener Teilgasstrom des Schutz-/Arbeitsgasstroms 15 frontal auf die Schmelzfront 16 trifft. Dies bewirkt eine vorteilhafte, gewünschte Aufteilung des Gasstroms 15 in den in der 2 schematisch dargestellten oberen Gasstrom 19 und unteren Gasstrom 22.

Claims

Verfahren zum thermischen Fügen von Bauteilen, insbesondere durch Laserlöten und/oder Laserschweißen, bei dem die Bauteile entlang einer vorgegebenen Fügelinie mittels einer Fügenaht verbunden werden, wobei einer durch einen Energieeintrag mittels einer Energiequelle an einer Fügestelle ausgebildeten, vorlaufenden Nahtschmelze ein Schutz-/Arbeitsgasstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Bauteile (2, 3) und die Fügenaht (1) entlang der Fügelinie (8) so ausgebildet und/oder angeordnet werden, dass im Bereich unterhalb einer Nahtwurzel (20) ein Freiraum (21) ausgebildet wird, so dass ein bezogen auf die Fügerichtung von vorne auf die Schmelzfront (16) gerichteter Schutz-/Arbeitsgasstrom (15) so auf die Schmelzfront (16) der Nahtschmelze (17) trifft, dass sich der Schutz-/Arbeitsgasstrom (15) in einen entlang einer Nahtoberfläche (18) strömenden oberen Gasstrom (19) und einen entlang der Nahtwurzel (20) strömenden unteren Gasstrom (22) aufteilt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutz-/Arbeitsgasstrom (15) in einer durch die Fügelinien-Hochachsenrichtung (z) und die Fügelinien-Vorschubrichtung (x) bzw. Fügelinie (8) aufgespannten Ebene unter einem Winkel (α) von –10° bis 30°, vorzugsweise von 0° bis 10°, höchst bevorzugt von 0°, gegen die Fügelinie (8) im Bereich der Nahtschmelze (17) geneigt auf die Schmelzfront (16) gerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutz-/Arbeitsgasstrom (15) in einer durch die Fügelinien-Querachsenrichtung (y) und die Fügelinien-Vorschubrichtung (x) bzw. die Fügelinie (8) aufgespannten Ebene unter einem Winkel von –45° bis 45°, vorzugsweise von –15° bis 15°, höchst bevorzugt von 0°, gegen die Fügelinie (8) im Bereich der Nahtschmelze (17) geneigt auf die Schmelzfront (16) gerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand eines Düsenauslasses (14) einer Gasdüse (11) von der Schmelzfront (16) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit vorgegeben wird und vorzugsweise zwischen 10mm bis 30mm, höchst bevorzugt 15mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Bauteile (2, 3) und die Fügenaht (1) entlang der Fügelinie (8) so ausgebildet und angeordnet werden, dass im Bereich unterhalb einer Nahtwurzel (20) der Fügenaht (1) ein im Wesentlichen geschlossener Wurzelkanal (21) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutz-/Arbeitsgasstrom (15) mit einer Geschwindigkeit von 0,01 bis 50 m/s, vorzugsweise von 5 m/s, auf die Schmelzfront (16) trifft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit der Energiequelle (5) und einer Gasdüse (11) zwischen 0,5 und 20 m/min beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügenaht (1) eine Bördelnaht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Fügeverfahren ein Strahlverfahren ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutz-/Arbeitsgas (15) ein Inertgas eingesetzt wird.
Vorrichtung zum thermischen Fügen von Bauteilen insbesondere zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, mit einer Energiequelle für einen Energieeintrag in eine Fügestelle von entlang einer vorgegebenen Fügelinie mittels einer Fügenaht zu verbindenden Bauteilen, wobei vorzugsweise die Energiequelle mittels einer Vorschubeinrichtung entlang der Fügelinie verfahrbar ist, und mit einer Gasdüse als Schutzgas-Auslassdüse, mittels der einer an der Fügestelle ausgebildeten Nahtschmelze ein Schutz-/Arbeitsgasstrom zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdüse (11) der Nahtschmelze (17) bezogen auf die Füge- und Vorschubrichtung vorlaufend angeordnet ist dergestalt, dass die Gasdüse (11) einen vorgegebenen Abstand von der Nahtschmelze (17) aufweist und ein Schutz-/Arbeitsgasstrom (15) von vorne auf die Schmelzfront (16) trifft.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdüse (11) vorlaufend zur Fügenaht (1) so ausgerichtet ist, dass der Schutz-/Arbeitsgasstrom (15) in einer durch die Fügelinien-Hochachsenrichtung (z) und die Fügelinien-Vorschubrichtung (x) bzw. die Fügelinie (8) aufgespannten Ebene unter einem Winkel von –10° bis 30°, vorzugsweise von 0° bis 10°, höchst bevorzugt von 0°, gegen die Fügelinie (8) im Bereich der Nahtschmelze (17) geneigt auf die Schmelzfront (16) trifft.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdüse (11) vorlaufend zur Fügenaht (1) so ausgerichtet ist, dass der Schutz-/Arbeitsgasstrom (15) in einer durch die Fügelinien-Querachsenrichtung (y) und die Fügeachsen-Vorschubrichtung (x) bzw. die Fügelinie (8) aufgespannten Ebene unter einem Winkel von –45° bis 45°, vorzugsweise von –15° bis 15°, höchst bevorzugt von 0°, gegen die Fügelinie (8) im Bereich der Nahtschmelze (17) geneigt auf die Schmelzfront (16) gerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassquerschnitt der Gasdüse (11) im Wesentlichen dem Nahtquerschnitt der Fügenaht (1) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdüse (1) so gegenüber der Fügenaht (1) nach oben in Fügelinien-Hochachsenrichtung (Z) versetzt angeordnet ist, dass lediglich ein vorgegebener Teilgasstrom des Schutz-/Arbeitsgasstroms (15) frontal auf die Schmelzfront (16) trifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassquerschnitt der Gasdüse (11) eine Fläche von 1 mm² bis 50 mm² aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenabstand zur Schmelzfront (16) zwischen 15mm und 30 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (5) und die Gasdüse (11) wenigstens teilwei se Bestandteil einer mittels der Vorschubeinrichtung verfahrbaren Bearbeitungsvorrichtung (4) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (4) eine Zuführeinrichtung (9) für die Zuführung eines Zusatzwerkstoffes (10) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (5) einen Laser-, Elektronen- oder Plasmastrahl erzeugt, der unter einem vorgegebenen Winkel, vorzugsweise senkrecht, auf die Fügestelle (7) trifft.