DE102008052306A1 - Producing welding connection of two workpieces using energy beam, comprises lying the workpiece on joining surfaces to be welded, guiding the energy beam along joining point, and fusing material on the joining surfaces by the energy beam - Google Patents

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Abstract

The method for producing a welding connection of two workpieces (4, 6) using an energy beam, comprises lying the workpiece on joining surfaces (10, 12) to be welded that are partially contacted to each other, guiding the energy beam along a joining point, which is formed through the joining surfaces to be welded that lie on each other, and fusing a material on the joining surfaces to be welded by the energy beam where a weld is formed after cooling. The joining surfaces are designed in a way that results a gap (18), which has a depth of highly 90% of a welding depth, along the joining point. The method for producing a welding connection of two workpieces (4, 6) using an energy beam, comprises lying the workpiece on joining surfaces (10, 12) to be welded that are partially contacted to each other, guiding the energy beam along a joining point, which is formed through the joining surfaces to be welded that lie on each other, and fusing a material on the joining surfaces to be welded by the energy beam where a weld is formed after cooling. The joining surfaces to be welded are designed in a way that results a gap (18), which has a depth of highly 90% of a welding depth, along the joining point. A cross-section through the joining surfaces has a beam direction line (24) and the gap describes a wedge-shaped progression (26) along the beam direction line. A half opening angle of the wedge-shaped gap is 0.1-15[deg] , and is different for each joining surface regarding the beam direction line. The gap has a radius at the joining surface related to the beam direction line, and an opening width at the joining point, where the opening width is larger than the width of the energy beam at the joining point and is larger or equal to the sum of the width of the energy beam and an accuracy of welding positioning regulation. A further wedge-shaped or radial gap is disposed on a beam exit side opposite to the gap. An independent claim is included for a component with a weld.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Bauteil mit einer Schweißnaht nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.The The invention relates to a method for producing a welded joint according to the preamble of patent claim 1 and a component with a Weld according to the preamble of claim 10.

Schweißverbindungen werden zunehmend auf der Basis von Strahlschweißverfahren hergestellt. Unter Strahlschweißverfahren versteht man insbesondere das Laserstrahlschweißen und das Elektronenstrahlschweißen. Bei spanend bearbeiteten Teilen oder einer Kombination aus spanend und durch Umformen bearbeiteten Teilen, wie sie beispielsweise in Getrieben oder Motoren vorkommen, werden die Fügeflächen üblicherweise spaltfrei oder mit sehr geringen Spaltmaßen im Bereich unter 0,1 mm flächig aneinandergesetzt. Liegt ein Spalt zwischen den Fügeflächen vor, wie er sich zum Beispiel durch eine Spielpassung ergibt, ist dieser in seiner Breite konstant. Üblicherweise werden jedoch Übergangs- oder Presspassungen verwendet, da sich durch einen Spalt eine Verlagerung der Bauteile zueinander und damit z. B. Rundlauffehler ergeben. Die Fügeflächen liegen dann entlang der Fügestelle aneinander an. Der Energiestrahl wird beim Schweißvorgang relativ zur Fügestelle bewegt. Alternativ bewegt sich das Werkstück relativ zum Energiestrahl.welds are increasingly based on beam welding produced. Under beam welding process is understood in particular laser beam welding and electron beam welding. For machined parts or a combination of machining and by machining machined parts, such as in Driven or engines occur, the joining surfaces are usually gap-free or with very small gaps in the area Placed under 0.1 mm flat. Is there a gap? between the joining surfaces, as he himself Example by a clearance fit, this is in its width constant. Usually, however, transitional or interference fits used as a shift through a gap the components to each other and thus z. B. concentricity errors. The joint surfaces are then along the joint to each other. The energy beam is during the welding process moved relative to the joint. Alternatively, that moves Workpiece relative to the energy beam.

Bei diesen Schweißverfahren wird eine Nahtgestalt erzeugt, welche sich durch eine Keilform und durch eine hufnagelkopfähnliche Verbreiterung an der Strahlauftreffseite und falls vorhanden an der Strahlaustrittseite auszeichnet. Die Ausbildung des Keils hängt dabei vom verwendeten Energiestrahl, d. h. von dessen Wellenlänge und Strahlqualität sowie dem Fokusdurchmesser und dessen Lage zum Bauteil ab. Verursacht wird die Keilform durch einen Wärmestau, der zur Oberfläche des Werkstückes hin auftritt. So werden im genannten Bereich Schrumpfspannungen induziert, die zu Rissen führen können. Dies wirkt insbesondere in der so genannten Wärmeeinflusszone, die durch die Ausbildung von Grobkorn in diesem Bereich zusätzlich mehr zur Rissbildung neigen kann.at this welding process creates a seam shape, which are characterized by a wedge shape and by a Hufnagelkopfähnliche Broadening at the beam impact side and if present the jet exit side distinguished. The training of the wedge hangs doing so by the energy beam used, d. H. of its wavelength and beam quality as well as the focus diameter and its Position to component off. The wedge shape is caused by a heat accumulation, which occurs towards the surface of the workpiece. Thus, shrinkage stresses are induced in the said range, the can lead to cracks. This works in particular in the so-called heat affected zone, by training of coarse grain in this area additionally tend more to cracking can.

Als Stand der Technik soll hierbei insbesondere auf die DE 10 2005 057 317 A1 verwiesen werden, die einen Laserstrahl zum Schweißen beschreibt, der eine besonders hohe Leistungsdichte aufweist. Ferner sei die DE 10 2007 018 702 A1 genannt, bei der ein Positionierverfahren für eine Schweißnaht beim Laserschweißen beschrieben wird.As state of the art, this is intended in particular on the DE 10 2005 057 317 A1 to be referred, which describes a laser beam for welding, which has a particularly high power density. Furthermore, be the DE 10 2007 018 702 A1 in which a positioning method for a weld during laser welding is described.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schweißverfahren sowie ein Bauteil mit einer Schweißnaht bereitzustellen, die eine möglichst parallel verlaufende Schweißnaht hervorbringt, bzw. aufweist. Hierbei soll die Schweißnaht durch ein Strahlschweißverfahren erzeugt werden.The The object of the invention is a welding process and to provide a component with a weld, the one as parallel as possible weld produces, or has. Here is the weld be generated by a beam welding process.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.The Solution to the problem consists in a method for production a weld having the features of the claim 1 and in a component with the features of claim 10.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung beruht darauf, dass zwei Werkstücke mittels eines Energiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls, verschweißt werden. Hierzu liegen die Werkstücke an Fügeflächen zumindest teilweise berührend an, wobei der Energiestrahl entlang der Fügestelle relativ bewegt wird. Der Energiestrahl schmilzt das Material an den zu verschweißenden Fügeflächen zumindest partiell auf und nach dem Abkühlen entsteht an dieser Stelle die Schweißnaht. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sich entlang der Fügestelle ein Spalt befindet, der beispielsweise durch geeignete Bearbeitung der Fügeflächen gezielt dargestellt wird und der eine Tiefe aufweist, die mindestens 10% einer Einschweißtiefe beträgt. Bevorzugt beträgt die Spalttiefe 20%, besonders bevorzugt 30% und ganz besonders bevorzugt 40% der Einschweißtiefe. Bei sehr tiefen Schweißungen kann auch die Spalttiefe gegebenenfalls auch darüber liegen.The inventive method for producing a Welding is based on the fact that two workpieces by means of an energy beam, in particular a laser beam, welded become. For this purpose, the workpieces are at least joining surfaces partially touching, with the energy beam along the joint is relatively moved. The energy beam melts the material at the joining surfaces to be welded at least partially on and after cooling occurs this place the weld. The invention is characterized characterized in that along the joint a gap located, for example, by suitable processing of the joining surfaces is shown specifically and has a depth that at least 10% of a welding depth. Preferred is the gap depth is 20%, more preferably 30%, and most preferably 40% of the welding depth. For very deep welds If necessary, the gap depth can also be higher.

Durch diese Maßnahme fädelt der Energiestrahl, insbesondere der Laserstrahl, gewissermaßen in die Flügelstelle ein und es wird eine Energieabgabe durch den Laserstrahl erzielt, die für die jeweilige Schweißtiefe unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften notwendig ist. Die Intensität der Beaufschlagung des Laserstrahls ist somit jeweils an die entsprechende Schweißtiefe angepasst. Hierdurch wird verhindert, dass strahlauftreff- und strahlaustrittseitig ein Wärmestau entsteht, der die bereits einleitend beschriebene ungünstige Nahtform erzeugen würde. Vielmehr wird erfindungsgemäß eine nahezu parallele Naht erzeugt. Diese weist idealerweise keine Überwölbung und keine Unterwölbung auf.By this measure threads the energy beam, in particular the laser beam, as it were in the wing area and an energy output is achieved by the laser beam, taking into account the respective welding depth the material properties is necessary. The intensity the application of the laser beam is thus in each case to the corresponding Welding depth adjusted. This prevents that Strahlauftreff- and Strahlaustrittseitig a heat accumulation arises, the unfavorable described in the introduction Seam shape would produce. Rather, according to the invention a created almost parallel seam. This ideally has no over-arching and no underneath.

Unter Einschweißtiefe wird hierbei die Tiefe verstanden, in der, ausgehend von der strahlauftreffseitigen Oberfläche, noch eine Aufschmelzung der beiden Fügepartner durch den Energiestrahl vorzufinden ist.Under Welding depth is understood here as the depth in which, starting from the jet impact surface, still a melting of the two joining partners by the energy beam can be found.

Der Spalt zwischen den Fügeflächen kann in vorteilhafter Weise keilförmig ausgestaltet sein, wobei ein halber Öffnungswinkel des Spaltes zwischen 0,1° und 15° beträgt. Bevorzugt beträgt der halbe Öffnungswinkel mindestens 1°, besonders bevorzugt 3° und ganz besonders bevorzugt 5°. Die keilförmige Öffnung kann beim Fügen von ungleichen Werkstückpartner auch asymmetrisch ausgebildet sein, so dass der halbe Öffnungswinkel des einen Fügepartner ungleich dem halben Öffnungswinkel des zweiten Fügepartners sein kann.The gap between the joining surfaces may advantageously be wedge-shaped, wherein a half opening angle of the gap is between 0.1 ° and 15 °. Preferably, the half opening angle is at least 1 °, more preferably 3 ° and most preferably 5 °. The wedge-shaped opening may also be formed asymmetrically when joining unequal workpiece partner, so that half the opening angle of a joining partner is not equal to half the opening angle of the second Can be joining partner.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Spalt in Form von Radien an den Fügeflächen ausgestaltet. Auch die Radien können sich an beiden Fügepartnern unterscheiden und somit an die Werkstoffpaarung angepasst sein.In In a further advantageous embodiment, the gap is in shape designed by radii at the joint surfaces. Also The radii can affect both joining partners differ and thus adapted to the material pairing.

Durch die Keilform des Spaltes, beziehungsweise durch genau definierte Radien, kann die Eindringtiefe des Laserstrahls genau den Anforderungen angepasst werden, so dass kein Wärmestau entsteht.By the wedge shape of the gap, or by well-defined Radii, the penetration depth of the laser beam can exactly meet the requirements be adapted so that no heat accumulation arises.

Damit der Energiestrahl gut zwischen die beiden Fügeflächen eindringen kann, ist es zweckmäßig, dass eine Öffnung des Spaltes entlang der Fügestelle größer ist als die Breite des Energiestrahls an der Fügestelle. Insbesondere ist die Öffnungsweite an der Fügestelle auch größer oder gleich der Summe der Breite des Energiestrahls und einer Genauigkeit, mit der die Naht positioniert werden kann. Bei Energiestrahlen hoher Intensität kann es auch zweckmäßig sein, die Öffnung des Spaltes kleiner oder gleich dem Energiestrahldurchmesser an der Fügestelle zu gestalten.In order to the energy beam well between the two joining surfaces it is appropriate that an opening the gap along the joint larger is the width of the energy beam at the joint. In particular, the opening width at the joint also greater than or equal to the sum of the width of the Energy beam and an accuracy with which the seam is positioned can be. At high intensity energy beams can It also be appropriate to the opening of the gap is less than or equal to the energy beam diameter to shape the joint.

Ferner kann ein zweiter Spalt vorgesehen sein, der dem ersten Spalt in Strahlauftreffrichtung gegenüber liegt und somit an der Strahlaustrittseite angeordnet ist. Dieser Spalt kann ebenfalls dieselbe vorteilhafte Wirkung erzeugen wie der bereits beschriebene Spalt entlang der Fügestelle.Further a second gap may be provided corresponding to the first gap in Beam impingement opposite and thus at the Beam outlet side is arranged. This gap can also produce the same advantageous effect as that already described Gap along the joint.

Es hat sich ebenfalls herausgestellt, dass der Spalt eine Tiefe aufweisen soll, die nicht höher als 90% der Einschweißtiefe ist.It has also been found that the gap has a depth should not exceed 90% of the welding depth is.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Bauteil mit einer Schweißnaht, die entlang von zwei vormaligen Fügeflächen verläuft, wobei die zu verschweißenden Fügeflächen in der Art ausgestaltet sind, dass entlang einer Fügestelle ein zumindest partieller Spalt vorliegt, der eine Tiefe von mindestens 10% einer Einschweißtiefe aufweist.One Another component of the invention is a component with a weld, which runs along two former joining surfaces, where the joining surfaces to be welded are designed in the way that along a joint there is at least a partial gap having a depth of at least Has 10% of a weld depth.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert.Further advantageous embodiments of the invention and other features The invention will be more apparent from the following figures explained.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine Schweißnaht mit einem hufnagelförmigen Kopf nach dem Stand der Technik, 1 a weld with a hoof nail-shaped head according to the prior art,

2 zwei Werkstücke an Fügeflächen aneinander liegend, mit einem partiellen keilförmigen Spalt, 2 two workpieces lying against each other at joining surfaces, with a partial wedge-shaped gap,

3 zwei Werkstücke an Fügeflächen aneinander liegend, mit einem partiellen radialen Spalt, 3 two workpieces adjoining joining surfaces, with a partial radial gap,

4 eine perspektivische Darstellung zweier aneinander liegender Werkstücke mit einem partiellen keilförmigen Spalt, 4 a perspective view of two adjacent workpieces with a partial wedge-shaped gap,

5 eine vergrößerte Darstellung des keilförmigen Spaltes mit eindringendem Laserstrahl, 5 an enlarged view of the wedge-shaped gap with penetrating laser beam,

6 ein Bauteil mit einer Schweißnaht, die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt ist und nahezu parallel verläuft sowie 6 a component with a weld, which is produced by the described method and runs almost parallel and

7 zwei Werkstücke an Fügeflächen aneinander liegend mit einer alternativen Spaltgeometrie. 7 two workpieces adjoining joining surfaces with an alternative gap geometry.

In der 1 ist exemplarisch eine Schweißnaht nach dem Stand der Technik dargestellt, die einen hufnagelförmigen Kopf aufweist, der bei ungünstigen Bedingungen, insbesondere in der grau schraffierten Wärmeeinflusszone Risse, induzieren kann. In idealer Weise ist demgegenüber die Schweißnaht 16 aus der 6 zu stellen. Diese Schweißnaht verläuft nahezu parallel.In the 1 exemplified a weld according to the prior art, which has a hoof nail-shaped head, which can induce cracks in unfavorable conditions, especially in the shaded gray heat affected zone. In an ideal way, in contrast, the weld 16 from the 6 to deliver. This weld runs almost parallel.

Im Folgenden wird ein Verfahren beschrieben, das die Herstellung einer derartig vorteilhaften Schweißnaht gemäß 6 ermöglicht.In the following, a method is described, which according to the production of such an advantageous weld 6 allows.

In den 2 und 3 ist jeweils ein Querschnitt 22 durch zwei Werkstücke 4 und 6 dargestellt, die an zwei Fügeflächen 10 und 12 aneinander anliegen. Die Fügeflächen 10 und 12 weisen in 2 zueinander einen Spalt 18 auf, der jeweils einen keilförmigen Verlauf 26 aufweist. Der Spalt 18 beschreibt in diesem Ausführungsbeispiel einen zur Strahlachse des Energiestrahls symmetrischen keilförmigen Verlauf. Dieser kann aber ebenso gut, je nach Anwendungsfall, asymmetrisch zur Strahlachse angeordnet sein. Ferner ist eine Strahlrichtungslinie 24 eingezeichnet, die die Richtung bzw. den Verlauf eines Energiestrahls, der die zum Schweißen nötige Energie einbringt, darstellt. Als Energiestrahl wird in der Regel ein Laserstrahl 8, beispielsweise und bevorzugt einen Scheibenlaser oder einen Faserlaser, eingesetzt.In the 2 and 3 is each a cross section 22 through two workpieces 4 and 6 shown at two joining surfaces 10 and 12 abut each other. The joining surfaces 10 and 12 show in 2 to each other a gap 18 on, each a wedge-shaped course 26 having. The gap 18 describes in this embodiment a symmetrical to the beam axis of the energy beam wedge-shaped course. This can just as well, depending on the application, be arranged asymmetrically to the beam axis. Further, a beam direction line 24 drawn, which represents the direction or the course of an energy beam, which brings the necessary energy for welding. As an energy beam is usually a laser beam 8th For example, and preferably a disk laser or a fiber laser used.

Ein halber Öffnungswinkel des Spaltes 18 beträgt zwischen 0,1° und 15°. Dabei kann der keilförmige Verlauf an beiden Fügeflächen 10 und 12 oder lediglich an einer Fügefläche 10, 12 angebracht sein. Wichtig ist, dass der Spalt 18 eine ausreichende Öffnungsweite b (vgl. 5) aufweist und dass er so weit zwischen die beiden Fügeflächen 10, 12 hineinreicht, dass er mindestens 10% der Einschweißtiefe 20 beträgt.A half opening angle of the gap 18 is between 0.1 ° and 15 °. In this case, the wedge-shaped course at both joining surfaces 10 and 12 or only at a joining surface 10 . 12 to be appropriate. The important thing is that the gap 18 a sufficient opening width b (see. 5 ) and that he so far between the two joining surfaces 10 . 12 that it covers at least 10% of the welding depth 20 is.

Die 3 unterscheidet sich von der 2 darin, dass ein Spalt 30 durch zwei Radien R1 und R2 gebildet wird, die in die Fügeflächen 10, 12 eingebracht sind. Der Berührungspunkt der Radien R1, R2 bzw. ein Mittelpunkt von Kreisen, die durch die Radien R1 und R2 beschrieben werden, liegt in einem definierten Abstand (Spalttiefe 37) von einer Oberfläche 38. Auch der durch die Radien R1 und R2 gebildete Spalt erstreckt sich mindestens in eine Tiefe von 10% der Einschweißtiefe 20. Um ungleiche Werkstoffpaarungen zu fügen, kann es zweckmäßig sein, bei keilförmiger Ausgestaltung verschiedene Öffnungswinkel an den beiden Fügeflächen 10, 12 oder bei zylindrischer Ausgestaltung verschiedene Radien an den Fügeflächen 10, 12 vorzusehen.The 3 is different from the 2 in that a gap 30 by two radii R1 and R2 is formed in the joint surfaces 10 . 12 are introduced. The point of contact of the radii R1, R2 or a center of circles, which are described by the radii R1 and R2, lies at a defined distance (gap depth 37 ) from a surface 38 , The gap formed by the radii R1 and R2 also extends at least to a depth of 10% of the welding depth 20 , To add unequal material pairings, it may be expedient, with wedge-shaped design different opening angle at the two joining surfaces 10 . 12 or with cylindrical configuration different radii at the joining surfaces 10 . 12 provided.

Abhängig von der Werkstoffeigenschaft und der Dicke der zu verschweißenden Werkstücke 4, 6 kann der Berührungspunkt der Fügeflächen 10, 12 mit den Radien R1, R2 verschoben werden. Durch Vorspannung hervorgerufene elastische Verformung der Werkstücke 4, 6 kann der Berührungspunkt zu eine Berührungslinie übergehen.Depending on the material properties and the thickness of the workpieces to be welded 4 . 6 may be the point of contact of the joining surfaces 10 . 12 be moved with the radii R1, R2. Bias induced elastic deformation of the workpieces 4 . 6 For example, the touch point may transition to a touchline.

Grundsätzlich sollte die Spalttiefe 37 nicht tiefer sein als 90% der Einschweißtiefe. Dies gilt für den keilförmigen Spalt 18 sowie für den radialen Spalt 30 gleichermaßen.Basically, the gap depth should be 37 not deeper than 90% of the welding depth. This applies to the wedge-shaped gap 18 as well as for the radial gap 30 alike.

Die Fügeflächen 10, 12 können auch einen weiteren Spalt 32 auf der einer Strahleintrittsseite gegenüberliegenden Seite 40 (Strahlaustrittseite 40) haben. Dieser Spalt 32, der sowohl radial als auch keilförmig sein kann, ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Laserstrahl an dieser gegenüberliegenden Seite wieder austritt. So kann auch auf dieser Strahlaustrittseite 40 eine hufnagelförmige Wölbung der Schweißnaht 16 vermieden werden.The joining surfaces 10 . 12 can also have another gap 32 on the opposite side of a jet entrance 40 (Beam exit side 40 ) to have. This gap 32 , which may be both radial and wedge-shaped, is particularly useful when the laser beam exits again on this opposite side. So can also on this beam exit side 40 a hoof nail-shaped curvature of the weld 16 be avoided.

In 4 ist eine perspektivische Darstellung der beiden aneinander liegenden Werkstücke 4, 6 gegeben, die sich an ihren Fügeflächen 10, 12 berühren. In dieser Darstellung ist eine Fügestelle 14 zu erkennen, entlang derer der Laserstrahl 8 zum Verschweißen der beiden Werkstücke 4, 6 geführt wird.In 4 is a perspective view of the two adjacent workpieces 4 . 6 given, based on their joint surfaces 10 . 12 touch. In this illustration is a joint 14 along which the laser beam can be seen 8th for welding the two workpieces 4 . 6 to be led.

In 5 ist dargestellt, wie der Laserstrahl 8 in den Spalt 18 eindringt. Es ist hierbei exemplarisch der keilförmige Spalt 18 gewählt, eine analoge Darstellung ergäbe sich bei einem durch Radien dargestellten Spalt 18.In 5 is shown as the laser beam 8th in the gap 18 penetrates. By way of example, this is the wedge-shaped gap 18 an analogous representation would result in a gap represented by radii 18 ,

Es ist dabei anzumerken, dass der Laserstrahl 8 an der Spaltoberfläche 38 eine Breite w aufweist, die geringer als eine Spaltbreite b des Spaltes 18 an der Spaltoberfläche 38 ist. Bevorzugt ist die Differenz zwischen b und w so groß, dass sie einer Positioniergenauigkeit des Strahls entspricht. Diese Strahlpositioniergenauigkeit wird bevorzugt anhand der Genauigkeit der genannten Nahtpositionsregelung berechnet. Bei Laserstrahlen hoher Intensität kann es auch zweckmäßig sein, dass die Spaltbreite b an der Spaltoberfläche kleiner oder gleich der Breite w des Laserstrahls 8 ist.It should be noted that the laser beam 8th at the gap surface 38 has a width w which is less than a gap width b of the gap 18 at the gap surface 38 is. Preferably, the difference between b and w is so large that it corresponds to a positioning accuracy of the beam. This beam positioning accuracy is preferably calculated based on the accuracy of said seam position control. In the case of high-intensity laser beams, it may also be expedient for the gap width b at the gap surface to be less than or equal to the width w of the laser beam 8th is.

Bevorzugt trifft der Laserstrahl 18 etwa an seiner dünnsten Stelle, der so genannten Strahltaille 36, auf die Fügeflächen 10, 12. In 4 ist durch gestrichelte Linien dargestellt, wie sich der Laserstrahl 8 wieder aufweiten würde, wenn er ungehindert weiterlaufen würde.Preferably, the laser beam hits 18 at its thinnest point, the so-called beam waist 36 , on the joining surfaces 10 . 12 , In 4 is shown by dashed lines, as the laser beam 8th would expand again if he continued to run unhindered.

Durch diese Maßnahme kann der Laserstrahl 8 in den Spalt 18 gewissermaßen eingefädelt werden. Der Laserstrahl 8 tritt zum Teil zwischen die Fügeflächen 10, 12 in die Fügestelle ein. Somit wird nur eine geringere Energiemenge an die Fügeflächen 10, 12 bzw. an die Werkstücke 4, 6 abgegeben. Hierdurch kann ein Wärmestau an den Kanten der Fügestelle vermieden werden, der den bereits beschriebenen, hufnagelförmigen Kopf der Schweißnaht hervorrufen würde. Wenn eine genaue Positionierung der Bauteile zueinander gefordert wird, z. B. bei rotierenden Bauteilen wie Wellen, Zahnräder oder ähnlichem, kann es sinnvoll sein, nicht den ganzen Verbindungsbereich in einer Keilform zu gestalten, sondern einen parallelen Bereich in der Mitte oder am Nahtgrund zu belassen, damit z. B. über eine Presspassung in dem Bereich die Bauteile genau zueinander positioniert sind und nicht verkippen können.By this measure, the laser beam 8th in the gap 18 threaded in a sense. The laser beam 8th occurs in part between the joint surfaces 10 . 12 into the joint. Thus, only a smaller amount of energy to the joint surfaces 10 . 12 or to the workpieces 4 . 6 issued. In this way, a heat accumulation at the edges of the joint can be avoided, which would cause the already described, hoof nail-shaped head of the weld. If an exact positioning of the components to each other is required, for. B. in rotating components such as shafts, gears or the like, it may be useful not to make the whole connection area in a wedge shape, but to leave a parallel area in the middle or at the seam bottom, so z. B. via a press fit in the area the components are positioned accurately to each other and can not tilt.

Eine genaue Spaltgeometrie ist abhängig von der Geometrie der Werkstücke 4, 6, von den Werkstoffen, dem verwendeten Laser und muss für jedes Bauteil empirisch oder durch Simulationen ermittelt werden.An exact gap geometry depends on the geometry of the workpieces 4 . 6 , of the materials, the laser used and must be determined empirically for each component or by simulations.

Die in 6 dargestellte Schweißnaht 16, die durch das beschriebene Verfahren hergestellt wird, weißt einen nahezu parallelen Verlauf auf. Überwölbungen und Unterwölbungen werden nahezu unterbunden. Dies wird erreicht, indem das Volumen des Spalts 18 so gestaltet wird, dass es der Volumenzunahme durch die Prozesse im Schweißprozess und ggf. Umwandlungen im Material entspricht. Die vollständige Füllung des Spalts erfordert eine geeignete Dynamik des Schmelzbades, um eine ausreichende Anbindung und Durchmischung zu erreichen.In the 6 illustrated weld 16 , which is produced by the described method, has a nearly parallel course. Over bulges and lower bulges are almost suppressed. This is achieved by adjusting the volume of the gap 18 is designed so that it corresponds to the volume increase through the processes in the welding process and, if necessary, conversions in the material. The complete filling of the gap requires a suitable dynamics of the molten bath in order to achieve sufficient bonding and mixing.

Ferner ist anzumerken, dass die Werkstücke 4, 6 an der Fügestelle reproduzierbar anliegen müssen, damit sich der gewünschte Spalt 18, 30 genau einstellt. Die Notwendigkeit einer genauen Spaltgeometrie ergibt sich aus der beschriebenen genauen Positionierung des Laserstrahls 8.It should also be noted that the workpieces 4 . 6 must be reproducible at the joint, so that the desired gap 18 . 30 sets exactly. The need for an accurate gap geometry results from the described accurate positioning of the laser beam 8th ,

Damit die Werkstücke 4, 6 entsprechend reproduzierbar anliegen, ist eine ausreichend hohe Anpresskraft bei Radialschweißungen oder eine Presspassung bei Axialschweißungen zweckmäßig.So that the workpieces 4 . 6 abut appropriately reproducible, a sufficiently high contact pressure for radial welding or a press fit for axial welding is appropriate.

In 7 ist eine alternative Ausgestaltung des Spalts 18 dargestellt. 7 zeigt dabei wieder jeweils einen Querschnitt 22 durch zwei Werkstücke 4 und 6, die an zwei Fügeflächen 10 und 12 aneinander anliegen. Die Fügeflächen 10 und 12 weisen den bereits beschriebenen Spalt 18 zueinander auf. Der Spalt 18 beschreibt in diesem Ausführungsbeispiel einen zur Strahlachse des Energiestrahls symmetrischen Verlauf in Form einer Freiformlinie. Diese Linie kann mit für den speziellen Anwendungsfall benötigten Geometrien gestaltet sein, beispielsweise mit einem hier gezeigten abgerundeten Verlauf an der Strahleintrittsseite und einen balligen Verlauf in dem von der Strahleintrittsseite abgewandten Bereich des Spaltes 18. Mit einer derartigen Freiformlinie bzw. Freiformfläche für die Spaltgeometrie kann diese noch besser an den im speziellen Anwendungsfall verwendeten Energiestrahl angepasst werden.In 7 is an alternative embodiment of the gap 18 shown. 7 again shows a cross section 22 through two workpieces 4 and 6 attached to two joining surfaces 10 and 12 abut each other. The joining surfaces 10 and 12 have the gap already described 18 to each other. The gap 18 describes in this embodiment a symmetrical to the beam axis of the energy beam curve in the form of a free-form line. This line can be designed with geometries required for the specific application, for example, with a rounded course shown here at the beam entry side and a convex course in the region of the gap facing away from the beam entry side 18 , With such a free-form line or free-form surface for the gap geometry, this can be adapted even better to the energy beam used in the specific application.

Der verwendete Laser sollte eine ausreichend hohe Leistungsdichte aufweisen, was insbesondere bei Scheiben- oder Faserlasern der Fall ist. Auch bestimmte CO2-Laser fallen in diese Kategorie. Dabei sollte der Laserstrahl gut fokussierbar sein, also eine hohe Strahlqualität aufweisen. Ein vorteilhaftes Maß dafür ist das Strahlparameterprodukt, das bevorzugt kleiner als 11 mm × mrad ist. Unter Strahlparameterprodukt wird eine physikalische Kenngröße des Laserstrahls verstanden, die sich aus der allgemeinen Wellengleichung und der paraxialen Näherung ableiten lässt. Es stellt eine immanente Eigenschaft des Laserstrahls dar.Of the used laser should have a sufficiently high power density, which is the case in particular with disk or fiber lasers. Also Certain CO2 lasers fall into this category. It should be the Laser beam be focused well, so a high beam quality exhibit. An advantageous measure of this is that Beam parameter product, which is preferably less than 11 mm × mrad is. By beam parameter product becomes a physical characteristic understood from the laser wave, resulting from the general wave equation and derive the paraxial approximation. It represents an inherent property of the laser beam.

Mit dem Verfahren ist es möglich, besonders rissgefährdete Werkstoffe und Werkstoffkombinationen miteinander zu verschweißen. Beispielsweise können mit dem Verfahren Werkstoffe wie Titanaluminide und Inconel miteinander in guter Qualität verschweißt werden.With The method is possible, especially at risk of cracking To weld materials and material combinations together. For example, materials such as Titanium aluminides and Inconel in good quality be welded.

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Claims (17)

Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung (2) von zwei Werkstücken (4, 6) mittels eines Energiestrahls (8), wobei die Werkstücke an zu verschweißenden Fügeflächen (10, 12) zumindest teilweise berührend aneinander liegen und der Energiestrahl (8) entlang einer Fügestelle (14) geführt wird, die durch die zwei aneinander liegenden zu verschweißenden Fügeflächen (10, 12) gebildet wird, das Material an den zu verschweißenden Fügeflächen (10, 12) durch den Energiestrahl (8) aufgeschmolzen wird, wodurch nach einem Abkühlen eine Schweißnaht (16) gebildet wird dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschweißenden Fügeflächen (10, 12) in der Art ausgestaltet werden, dass sich entlang der Fügestelle (14) ein Spalt (18, 30) ergibt, der eine Tiefe von mindestens 10% einer Einschweißtiefe (20) aufweist.Method for producing a welded connection ( 2 ) of two workpieces ( 4 . 6 ) by means of an energy beam ( 8th ), wherein the workpieces to be welded to joining surfaces ( 10 . 12 ) are at least partially touching each other and the energy beam ( 8th ) along a joint ( 14 ) passing through the two adjoining joining surfaces ( 10 . 12 ) is formed, the material at the joining surfaces to be welded ( 10 . 12 ) through the energy beam ( 8th ) is melted, whereby after cooling, a weld ( 16 ) is characterized in that the joining surfaces to be welded ( 10 . 12 ) are designed in such a way that along the joint ( 14 ) A gap ( 18 . 30 ), which has a depth of at least 10% of a welding depth ( 20 ) having. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt (22) durch die Fügeflächen (10, 12) eine Strahlrichtungslinie (24) aufweist und der Spalt (18) entlang der Strahlrichtungslinie (24) einen keilförmigen Verlauf (26) beschreibt.Method according to claim 1, characterized in that a cross-section ( 22 ) through the joining surfaces ( 10 . 12 ) a beam direction line ( 24 ) and the gap ( 18 ) along the beam direction line ( 24 ) a wedge-shaped course ( 26 ) describes. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein halber Öffnungswinkel (28) des keilförmigen Spaltes (18) zwischen 0,1° und 15° beträgt.Method according to claim 1 or 2, characterized in that a half opening angle ( 28 ) of the wedge-shaped gap ( 18 ) is between 0.1 ° and 15 °. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der halbe Öffnungswinkel (28) des keilförmigen Spaltes (18) bezüglich der Strahlrichtungslinie (24) zu jeder Fügefläche (10, 12) hin unterschiedlich ist.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that half the opening angle ( 28 ) of the wedge-shaped gap ( 18 ) with respect to the beam direction line ( 24 ) to each joining surface ( 10 . 12 ) is different. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (30) bezüglich der Strahlrichtungslinie (24) zumindest an einer Fügefläche (10, 12) einen Radius (R1, R2) aufweist.Method according to claim 1, characterized in that the gap ( 30 ) with respect to the beam direction line ( 24 ) at least at one joining surface ( 10 . 12 ) has a radius (R1, R2). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (18, 30) an der Fügestelle (14) eine Öffnungsweite (w) aufweist, die größer ist als die Breite des Energiestrahls (8) an der Fügestelle (14).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the gap ( 18 . 30 ) at the joint ( 14 ) has an opening width (w) which is greater than the width of the energy beam ( 8th ) at the joint ( 14 ). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsweite (w) größer oder gleiche der Summe der Breite (b) des Energiestrahls (8) und einer Genauigkeit einer Nahtpositionierungsregelung ist.Method according to Claim 6, characterized in that the opening width (w) is greater than or equal to the sum of the width (b) of the energy beam ( 8th ) and an accuracy of a seam positioning control. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spalttiefe (37) höchstens 90% der Einschweißtiefe (20) beträgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a gap depth ( 37 ) not more than 90% of the welding depth ( 20 ) is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer keilförmiger oder radialer Spalt (34) dem ersten Spalt (18, 30) gegenüberliegend an einer Strahlaustrittseite (40) angeordnet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a further wedge-shaped or radial gap ( 34 ) the first gap ( 18 . 30 ) opposite to a jet exit side ( 40 ) is arranged. Bauteil mit einer Schweißnaht, die entlang zweier vormaligen Fügeflächen (10, 12) zweier Werkstücke (4, 6) verläuft dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschweißenden Fügeflächen (10, 12) in der Art ausgestaltet sind, dass entlang der Fügestelle (14) ein Spalt (18, 30) vorliegt, der eine Tiefe von mindestens 10% einer Einschweißtiefe (20) aufweist.Component with a weld seam that runs along two former joining surfaces ( 10 . 12 ) of two workpieces ( 4 . 6 ) is characterized in that the joining surfaces to be welded ( 10 . 12 ) in such a way that along the joint ( 14 ) A gap ( 18 . 30 ), which has a depth of at least 10% of a welding depth ( 20 ) having. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt (22) durch die Fügeflächen (10, 12) eine Strahlrichtungslinie (24) aufweist und der Spalt (18, 30) entlang der Strahlrichtungslinie (24) einen keilförmigen oder balligen Verlauf (26) beschreibt.Component according to claim 10, characterized in that a cross section ( 22 ) through the joining surfaces ( 10 . 12 ) a beam direction line ( 24 ) and the gap ( 18 . 30 ) along the beam direction line ( 24 ) a wedge-shaped or crowned course ( 26 ) describes. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein halber Öffnungswinkel (28) des keilförmigen Spaltes (18) zwischen 0,1° und 15° beträgt.Component according to claim 11, characterized in that a half opening angle ( 28 ) of the wedge-shaped gap ( 18 ) is between 0.1 ° and 15 °. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (30) bezüglich der Strahlrichtungslinie (24) zumindest an einer Fügefläche (10, 12) einen Radius (R1, R2) aufweist.Component according to claim 10, characterized in that the gap ( 30 ) with respect to the beam direction line ( 24 ) at least at one joining surface ( 10 . 12 ) has a radius (R1, R2). Bauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (18, 30) an der Fügestelle (14) eine Öffnungsweite (b) aufweist, die größer ist als die Breite (w) des Energiestrahls (8) an der Fügestelle (14).Component according to one of claims 10 to 13, characterized in that the gap ( 18 . 30 ) at the joint ( 14 ) has an opening width (b) which is greater than the width (w) of the energy beam ( 8th ) at the joint ( 14 ). Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsweite (b) größer oder gleich der Summe der Breite (w) des Energiestrahls (8) und einer Genauigkeit einer Nahtpositionierungsregelung ist.Component according to Claim 14, characterized in that the opening width (b) is greater than or equal to the sum of the width (w) of the energy beam ( 8th ) and an accuracy of a seam positioning control. Bauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spalttiefe (37) höchstens 90% der Einschweißtiefe (20) beträgt.Component according to one of claims 10 to 13, characterized in that a gap depth ( 37 ) not more than 90% of the welding depth ( 20 ) is. Bauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer keilförmiger oder radialer Spalt (34) dem ersten Spalt (18, 30) gegenüberliegend an einer Strahlaustrittseite (40) angeordnet ist.Component according to one of claims 10 to 13, characterized in that a further wedge-shaped or radial gap ( 34 ) the first gap ( 18 . 30 ) opposite to a jet exit side ( 40 ) is arranged.
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