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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Schweißnaht, vorzugsweise eine
Laserschweißnaht, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, ein Bauteil mit einer Schweißnaht gemäß Anspruch
7, eine Bauteilanordnung mit mindestens zwei mittels mindestens
einer Schweißnaht verbundenen Bauteilen gemäß Anspruch
8 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Schweißnaht,
insbesondere einer Laserschweißnaht, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Beim
Laserschweißen entstehen vielfach Risse im sogenannten
Endkrater, d. h. im Endabschnitt einer Schweißnaht. Diese
Risse können zu Undichtigkeiten der Schweißnaht
und/oder zu einer reduzierten Zuverlässigkeit (Belastbarkeit)
der Schweißnaht führen. Vielfach sind bereits
kleinste Risse im Endkrater Ausgangspunkt für ein Bauteilversagen,
weil diese Risse unter der, beispielsweise mechanischen oder thermischen,
Betriebsbelastung weiter wachsen und in der Folge zu dem Bauteilversagen
führen.
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Aus
der
DE 103 49 677
A1 ist es bekannt, die Rissbildung im Endkraterbereich
durch eine Anpassung der Laserleistung zu minimieren. Bei entsprechend
rissanfälligen Werkstoffen kann das Auftreten von Endkraterrissen
aber nicht zuverlässig vermieden werden, sodass aufwändige
und kostspielige Prüfprozesse notwendig werden, um die
fehlerhaften Bauteile mit Endkraterrissen in einer Serienfertigung aufzufinden.
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Vielfach
handelt es sich bei der Bauteilanordnung, umfassend mindestens zwei
mit einer Schweißnaht verbundene Bauteile, um sogenannte Hülsenschweißungen,
bei denen die miteinander durch Verschweißen gefügten
Bauteile im Betrieb unter Innen druck belastet sind. Wenn hier kleinste
Risse wachsen, kann es zu einem Versagen und Undichtwerden der Schweißnaht
kommen. Bei bekannten Schweißnähten kommt der
Endkraterabschnitt mit einem eine Dichtfunktion und/oder eine Verbindungsfunktion
zum Verbinden zweier Bauteile aufweisenden Funktionsabschnitt der
Schweißnaht zur Deckung. Insbesondere bei Umfangsschweißnähten liegt
der Endkraterabschnitt in der einzigen Schweißnahtebene.
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Aus
der
DE 10 2005
004 78 A1 ist es bekannt, einen Endbereich des Funktionsabschnitts
der Schweißnaht in eine Richtung auszulenken, die zu der
Vorzugsrichtung des Funktionsabschnittes gegenläufig ist.
Auch bei einer derartigen Schweißnaht ist jedoch der Endkraterabschnitt
Teil des Funktionsabschnittes, wodurch wiederum Rissbildungen zu Undichtigkeiten
und/oder zur Schwächung der Schweißverbindung
führen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schweißnahtgestaltung
vorzuschlagen, bei der sich Risse im Endkraterabschnitt weniger
stark auf die Dichtheit und/oder Festigkeit (Zuverlässigkeit)
der Schweißnaht, insbesondere einer Schweißverbindung,
auswirken. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Bauteil mit einer
entsprechend optimierten Schweißnaht, sowie eine Bauteilanordnung,
umfassend mindestens zwei mit einer derartigen Schweißnaht
verbundene Bauteile vorzuschlagen. Darüber hinaus besteht
die Aufgabe darin, ein Verfahren zum Herstellen einer entsprechend
optimierten Schweißnahtgestaltung vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Schweißnaht mit den Merkmalen
des Anspruchs 1, hinsichtlich des Bauteils mit den Merkmalen des
Anspruchs 7, hinsichtlich der Bauteilanordnung mit den Merkmalen
des Anspruchs 8 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen
des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den
Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den
Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen
vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart
gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte
Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten
und beanspruchbar sein.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Endkraterabschnitt, also
den Endabschnitt der Schweißnaht, zumindest abschnittsweise,
vorzugsweise vollständig, außerhalb des Funktionsabschnittes
der Schweißnaht anzuordnen. Anders ausgedrückt
ist der Endkraterbereich der Schweißnaht, zumindest abschnittsweise,
vorzugsweise vollständig, funktionslos im Hinblick auf
die Gewährleistung einer Dichtigkeit und/oder im Hinblick
auf eine Verbindungsfunktion der Schweißnaht. Durch zumindest abschnittsweise
Anordnung des Endkraterabschnitts der Schweißnaht außerhalb
des funktionsrelevanten Schweißnahtabschnittes kann die
Dichtheit der Schweißnaht im funktionsrelevanten Bereich und/oder
die Festigkeit (Zuverlässigkeit) der Schweißnaht
unter Belastung auch dann sichergestellt werden, wenn im Endkrater
Risse vorliegen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin,
dass der Prüfaufwand für eine nach dem Konzept
der Erfindung ausgebildete Schweißnaht reduziert werden kann.
Darüber hinaus wird die Fertigungsqualität von mit
derartigen Schweißnähten ausgestatteten Bauteilen
und Bauteilanordnungen wesentlich verbessert. Ganz besonders bevorzugt
handelt es sich bei der Schweißnaht um eine mittels mindestens
eines Laserstrahls erzeugte Laserschweißnaht, wobei zur Herstellung
der Schweißnaht eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl
und dem mindestens einen mit der Laserschweißnaht zu versehenden
Bauteil zu erzeugen ist.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der
Endkraterabschnitt der Schweißnaht in einem zugentlasteten
Bereich mindestens eines, mit der Schweißnaht versehenen Bauteils
angeordnet ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass sich
ein Riss im Endkrater nicht nachteilig auf die Zuverlässigkeit
der Schweißnaht unter Zugbelastung auswirkt. Ein Weiterwachsen
des Risses wird durch die Anordnung im zugentlasteten Bereich des
mindestens einen Bauteils unwahrscheinlicher bzw. bevorzugt sogar
vollständig verhindert.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der
Endkraterabschnitt, zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig,
zumindest näherungsweise, parallel zur Belastungsrichtung,
insbesondere parallel zur Zugbelastungsrichtung, mindestens eines
mit der Schweißnaht versehenen Bauteils ausgerichtet ist.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei
der der Endkraterabschnitt zumindest abschnittsweise, vorzugsweise
vollständig, zumindest näherungsweise parallel zur
(Betriebs-)Belastungsrichtung von mindestens zwei mittels des Funktionsabschnittes
der Schweißnaht miteinander verbundenen Bauteilen verläuft. Die
vorgenannten Ausführungen sind besonders bevorzugt, da
die Risse im Endkraterbereich üblicherweise in Nahtrichtung
verlaufen. Durch die zumindest näherungsweise parallele
Ausrichtung des Endkraterabschnittes zur Belastungsrichtung wird
in der Folge erreicht, dass die Risse im Endkraterbereich ebenfalls
parallel zur Belastungsrichtung verlaufen, wodurch eine Aufweitung
der Risse durch die Betriebsbelastung vermieden wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der
Endkraterabschnitt, zumindest näherungsweise, senkrecht
zur Vorzugsrichtung des Funktionsabschnittes verläuft.
Bei einer Umfangsschweißnaht steht der Endkraterabschnitt
also, zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, zumindest
näherungsweise, senkrecht auf einer die Umfangsschweißnaht
aufnehmenden Schweißebene und erstreckt sich vorzugsweise
in axialer Richtung zweier rotationssymmetrischer, mit Hilfe des Funktionsabschnittes
der Schweißnaht miteinander verschweißter Bauteile.
Diese Ausführungsform ist insbesondere dann von Vorteil,
wenn die Belastungsrichtung senkrecht zur Schweißebene
verläuft.
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Alternativ
zu einer parallelen Ausrichtung des Endkraterabschnittes zur Belastungsrichtung
ist eine Ausführungsform realisierbar, bei der der Endkraterabschnitt,
zumindest abschnittsweise, parallel zum Funktionsabschnitt bzw.
parallel zur Vorzugsrichtung des Funktionsabschnittes verläuft.
Bevorzugt weist der Endkraterabschnitt hierzu eine Haken- bzw. Bogenform
auf, deren Endbereich der Vorzugsbewegungsrichtung des Funktionsabschnittes
bevorzugt entgegengerichtet ist.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die,
vorzugsweise als Laserschweißnaht ausgebildete, Schweißnaht
als Umfangsschweißnaht mit einem umfangsgeschlossenen Funktionsabschnitt
ausgebildet ist. Bevorzugt erstreckt sich der Funktionsabschnitt
der Umfangsschweißnaht dabei mindestens über einen
Winkel von 360°, vorzugsweise über einen Winkel
von größer als 360°, ganz besonders bevorzugt über
einen Umfangswinkel von etwa 370° oder über einen
noch größeren Umfangswinkel.
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Die
Erfindung führt auch auf ein Bauteil mit mindestens einer
Schweißnaht, insbesondere mit mindestens einer Laserschweißnaht,
bei dem der Endkraterabschnitt zumin dest abschnittsweise, vorzugsweise
vollständig, außerhalb des dichtend und/oder verbindend
wirkenden Funktionsabschnitts der Schweißnaht liegt.
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Ferner
führt die Erfindung auf eine Bauteil- bzw. Fügeanordnung,
umfassend mindestens zwei mit Hilfe einer zuvor beschriebenen Schweißnaht, insbesondere
Laserschweißnaht verbundene Bauteile. Besonders bevorzugt
handelt es sich bei den Bauteilen um zumindest im Schweißbereich
rotationssymmetrisch ausgeformte Bauteile. Ganz besonders bevorzugt
wird die Bauteilanordnung bei bestimmungsgemäßer
Verwendung im Betrieb mit einem Innendruck beaufschlagt. Besonders
bevorzugt handelt es sich um eine Bauteilanordnung eines Kraftstoff-Injektors
eines vorzugsweise als Common-Rail-System ausgebildeten Einspritzsystems
für Kraftstoff, bei der Drücke im Betrieb von
1.500 bar und darüber auftreten.
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Die
Erfindung führt auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer
zuvor beschriebenen Schweißnaht, insbesondere einer Laserschweißnaht,
wobei zum Erzeugen der Schweißnaht ein Schweißwerkzeug,
vorzugsweise ein Laserstrahl, relativ zu mindestens einem Bauteil
bewegt wird, wobei es im Rahmen der Erfindung liegt, entweder das
Schweißwerkzeug oder das Bauteil oder sogar sowohl das Schweißwerkzeug
als auch das Bauteil gleichzeitig zu bewegen. Nach Fertigstellen
des Funktionsabschnittes wird der Endkraterabschnitt erzeugt, wobei dies
bevorzugt durch Absenken der Schweißleistung, insbesondere
Laserleistung erfolgt. Wesentlich ist, dass durch eine entsprechende
Relativbewegung zwischen dem Schweißwerkzeug und dem mindestens
einen Bauteil der Endkraterabschnitt zumindest abschnittsweise,
vorzugsweise vollständig nicht zur Deckung mit dem Funktionsabschnitt
kommt, sondern in einem Bereich außerhalb des Funktionsabschnittes
der Schweißnaht angeordnet wird, damit ggf. im Endkraterabschnitt
entstehende Risse sich nicht negativ auf das Dichtverhalten und/oder
die Verbindungsfunktion des Funktionsabschnittes auswirken können.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Verfahrens
bei der der Funktionsabschnitt der Schweißnaht umfangsgeschlossen
ausgebildet wird, wobei der Funktionsabschnitt ganz besonders bevorzugt
einen Überlappungsbereich aufweist. Der Endkraterabschnitt
oder ein Übergangsbereich der Schweißnaht wird
dabei aus dem Funktionsabschnitt, vorzugsweise, zumindest näherungsweise,
in senkrechter Richtung oder bogenförmig herausgeführt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 eine
Darstellung einer Bauteilanordnung, umfassend zwei mittels eines
Funktionsabschnittes einer Schweißnaht miteinander verbundene,
rotationssymmetrische (zylindrische) Bauteile, wobei der Endkraterabschnitt
der Schweißnaht außerhalb des Funktionsabschnittes
der Schweißnaht liegt und aus diesem bogenförmig
herausgeführt ist,
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2 eine
Schnittansicht einer Bauteilanordnung, bei der eine I-Schweißnaht
an einem Stumpfstoß realisiert ist, und
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Bauteilanordnung, bei
der sich der Endkraterbereich sowohl senkrecht zur Vorzugsrichtung
des Funktionsabschnittes einer Schweißnaht, als auch parallel
zur Belastungsrichtung der Bauteilanordnung erstreckt.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
eine Bauteilanordnung 1 (Fügeverbund), umfassend
ein erstes rotationszylindrisches, in der Zeichnungsebene oberes
Bauteil 2 und ein in der Zeichnungsebene darunter angeordnetes, rotationssymmetrisches
zweites Bauteil 3 gezeigt. Die beiden axial benachbarten
Bauteile 2, 3 sind mit Hilfe einer als Laserumfangsschweißnaht
ausgebildeten Schweißnaht 4, genauer mit einem
Funktionsabschnitt 5 der Schweißnaht 4 materialschlüssig
miteinander verbunden (verschweißt). Der Funktionsabschnitt 5 der
Schweißnaht 4 ist kreisringförmig konturiert
und liegt in einer Schweißebene E. Die Schweißnaht 4 ist
mit einem in der Zeichnungsebene unteren Bereich aus dieser Schweißebene
E herausgeführt, sodass ein Schweißnahtendbereich,
also ein Endkraterabschnitt 6 der Schweißnaht 4 vollständig
außerhalb des Funktionsabschnittes 5 zum Liegen
kommt. In einem Bereich außerhalb des Funktionsabschnittes 5 weist
die Schweißnaht 4 eine Bogenform auf, wobei der
eigentliche Endkraterabschnitt 6, der den Endbereich der
aus dem Funktionsabschnitt 5 herausgeführten Schweißnaht 4 bildet,
sich im Wesentlichen parallel zur Schweißebene E bzw. zur
Vorzugsrichtung V des Funktionsabschnittes 5 erstreckt. Zwischen
dem Funktionsabschnitt 5 und dem Endkraterabschnitt 6 befindet
sich ein Übergangsbereich 7 der Schweißnaht 4,
der genauso wie der Endkraterbereich 6 keine Schweißnahtfunktion,
also in diesem Beispiel keine Verbindungsfunktion zum Verbinden der
Bauteile 2, 3 aufweist.
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Wie
sich aus 1 ergibt, können sich
im Endkraterabschnitt 6 lediglich schematisch angedeutete
Risse 8 bilden, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
keinen Einfluss auf die Festigkeit der Schweißverbindung
bzw. des Funktionsabschnittes 5 der Schweißnaht 4 aufweisen.
Die Risse 8 sind in Richtung der Längserstreckung
des Endkraterabschnittes 6 orientiert.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist
eine Schweißnaht 4 bzw. ein Funktionsabschnitt 5 zum
Verbinden zweier Bauteile 2, 3 in einer perspektivischen
Schnittansicht gezeigt. Der als I-Naht ausgeführte Funktionsabschnitt 5 ist
dabei an einem Stumpfstoß angeordnet. Zu erkennen ist,
dass sich ein Endkraterabschnitt 6 analog zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 außerhalb und mit
Abstand zu dem Funktionsabschnitt 5 befindet, wobei der
Endkraterabschnitt 6 bzw. ein Übergangsbereich 7 zusammen
mit dem Endkraterabschnitt 6 bogenförmig aus dem
Funktionsabschnitt 5 herausgeführt ist, und wobei
der Endkraterabschnitt 6 entgegen der Vorzugsrichtung V
des Funktionsabschnittes 5 verläuft. Die Pfeile
B kennzeichnen bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 die
Belastungsrichtung(en) der auf die Bauteilanordnung 1 wirkenden Zugbelastung
während des Betriebs. Der Endkraterabschnitt 6 mit
Rissen 8 erstreckt sich senkrecht zu den Belastungsrichtungen
B.
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In 3 ist
ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Bauteilanordnung 1 gezeigt. Auch
hier ist analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die
Schweißnaht 4 als Laserumfangsschweißnaht
mit einem Überlappungsbereich U gezeigt. Zu erkennen ist,
dass ein Endkraterabschnitt 6 mit Riss 8 außerhalb
des Funktionsabschnittes 5 angeordnet ist und sich senkrecht
zur Schweißebene E bzw. senkrecht zur Vorzugsrichtung V
(Schweißrichtung) des Funktionsabschnittes 5 erstreckt.
Hierdurch sind die Risse 8 parallel zu den Belastungsrichtungen
B orientiert, sodass eine Aufweitung der Risse 8 unter
einer Betriebszugbelastung sicher vermieden wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10349677
A1 [0003]
- - DE 10200500478 A1 [0005]