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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Laserstrahlschweißverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges Laserstrahlschweißverfahren ist bereits allgemein bekannt und wird zum stoffschlüssigen Verbinden zweier Bauteile eingesetzt. Hierbei werden z. B. zwei miteinander zu verbindende, zylindrische Bauteile im Bereich eines Laserstrahls gedreht, so dass sich eine Schweißnaht in der Fügezone der beiden Bauteile ausbildet.
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Beim Laserstrahlschweißverfahren werden grundsätzlich zwei verschiedene Schweißverfahren unterschieden: Bei dem ersten, sogenannten Wärmeleitungsschweißen wird beim Bewegen des Laserstrahls entlang der Fügezone ein Schmelzbad konstanter Tiefe erzielt. Weiterhin ist bei dem Wärmeleitschweißen die Schweißtiefe in der Fügezone relativ gering. Demgegenüber wird beim sogenannten Tiefschweißen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine größere Schweißtiefe erzielt. Charakteristisch beim Ausbilden der Schweißnaht beim Tiefschweißen ist, dass beim Bewegen des Laserstrahls entlang der Bewegungsbahn der Fügezone im Bereich des Laserstrahls eine Dampfkapillare ausgebildet wird, in deren Bereich das Schmelzbad seine größte Tiefe erreicht, die identisch zur Schweißnahttiefe ist. Hinter der Dampfkapillare steigt die Grenze zwischen dem flüssigen Schweißbad und dem erstarrten Bereich der Schmelze kontinuierlich an. Wesentlich ist, dass beim Starten des Laserschweißprozesses im ersten Augenblick zunächst ein Bereich mit relativ geringer Tiefe des Schmelzbades erzeugt wird. Dies führt dazu, dass beim Ausbildender Dampfkapillare aufgeschmolzenes Material hinter den bewegten Laserstrahl in den Bereich des Schmelzbades mit relativ geringer Tiefe gelangt. Dadurch wird ein Bereich mit einer Nahtaufwölbung erzeugt, welcher über die Bauteiloberfläche herausragt. Dieser Effekt der Nahtaufwölbung ist relativ unproblematisch, wenn geschlossene Schweißnähte erzielt werden sollen, da dann der Laserstrahl in überlappender Weise über den Bereich der Nahtaufwölbung bewegt werden kann, wobei das entsprechend erstarrte Material im Bereich der Nahtaufwölbung (nochmals) aufgeschmolzen wird und sich anschließend verteilt, ohne dass es zu einer erneuten Nahtaufwölbung kommt.
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Darüber hinaus ist es beispielsweise aus der
DE 10 2007 035 717 A1 der Anmelderin bekannt, einen im Querschnitt ringförmigen Laserstrahl einzusetzen, der gleichzeitig über den gesamten Umfang der miteinander zu verbindenden Bauteile wirkt. Ein derartiges Schweißverfahren ist bzgl. der angesprochenen Nahtaufwölbung grundsätzlich ebenfalls unproblematisch, es ist jedoch nur die Erzeugung von geschlossenen Ringnähten möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Laserstrahlschweißverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass auch nicht geschlossene, d. h. segmentartige Schweißnähte erzielt werden können, ohne dass es zu den beim Stand der Technik bekannten Nahtaufwölbungen kommt. Dadurch wird gegebenenfalls eine Nachbearbeitung der miteinander verbundenen Teile im Bereich der Nahtaufwölbung vermieden, damit bestimmte Bauteiltoleranzen bzw. – Bauteilmaße eingehalten werden können. Alternativ hierzu ist es möglich, z. B. bei ineinander geschobenen Bauteilen, den Spalt zwischen einem inneren, verschweißten Bauteil und dem äußeren Bauteil zu minimieren, da keine Nahtaufwölbung im Bereich des Spaltes am inneren Bauteil vorhanden ist. Diese Aufgabe wird bei einem Laserstrahlschweißverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, den Bereich des Schweißbades, in dem die Laserstrahlquelle bzw. der Laserstrahl keine Dampfkapillare ausbildet, hinsichtlich seines Schmelzbadvolumens zu vergrößern, so dass bei der Bewegung des Laserstrahls in diesem Bereich verdrängtes, aufgeschmolzenes Material sich in einem größeren Bereich verteilen kann, so dass es in Folge zu keiner Nahtaufwölbung oder zu einer reduzierten Nahtaufwölbung, trotz verringerter Schmelztiefe, kommt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißverfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Bei einem besonders bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass die Wärmebehandlung mittels des Laserstrahls erfolgt und, dass der Laserstrahl bevorzugt mehrfach über die erste Schmelzzone geführt wird. Dadurch sind keine zusätzlichen Einrichtungen erforderlich, die zur Wärmebehandlung bzw. zur Vergrößerung des Schmelzbadvolumens der ersten Schmelzzone dienen. Vielmehr wird der Laserstrahl verwendet, der anschließend auch die eigentliche Naht mit der Dampfkapillare ausbildet.
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Hierbei ist es besonders effektiv zur Vergrößerung des Schmelzbadvolumens, wenn die erste Schmelzzone als geschlossener Bereich ausgebildet ist. Dadurch kann sich aufgeschmolzenes Material besonders einfach verteilen.
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Da innerhalb der ersten Schmelzzone die Tiefe des Schmelzbades, verglichen mit der zweiten Schmelzzone, geringer ist, ist es darüber hinaus in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt vorgesehen, dass die erste Schmelzzone eine größere Breite aufweist als dies der Breite ohne stattgefundener Wärmebehandlung entspricht. Somit wird über eine vergrößerte Breite der ersten Schmelzzone das gewünschte größere Schmelzbadvolumen erzeugt.
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Zur Erzeugung der größeren Breite bzw. des vergrößerten Schmelzbadvolumens ist es darüber hinaus in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die erste Schmelzzone durch Überfahren des Laserstrahls entlang einer als geometrischen Form, insbesondere entlang einer rechteckigen, dreieckigen oder spiralförmigen Form ausgebildeten Bewegungsbahn erzeugt wird.
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Zur Beschleunigung des Prozesses ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn die Leistung beim Überfahren der ersten Schmelzzone größer ist als beim nachfolgenden Führen des Laserstrahls entlang der zweiten Schmelzzone. Dadurch lässt sich in relativ geringer Zeit das gewünschte vergrößerte Schmelzbadvolumen erzielen.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmebehandlung mittels einer separaten Wärmequelle erfolgt. Eine derartige separate Wärmequelle kann z. B. in der Verwendung eines zweiten Laserstrahls oder einer sonstigen Wärmequelle vorgesehen sein. Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass die Steuerung des zur Erzeugung der eigentlichen Tiefschweißnaht vorgesehenen Laserstrahls relativ einfach erfolgen kann bzw. dieser als ortsfester Laserstrahl ausgebildet werden kann, zu dem sich die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile relativ bewegen.
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Wenn jedoch keine separate Wärmequelle zur Erzeugung des vergrößerten Schmelzbadvolumens in der ersten Schmelzzone verwendet wird, ist es in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Bewegung des Laserstrahls mittels eines optischen Systems, insbesondere mittels eines Scanners erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Bauteile während der Wärmebehandlung ortsfest angeordnet sein können und dadurch sehr genau positioniert sind. Darüber hinaus sind mittels eines optischen Systems in der Regel relativ schnelle und genaue Bewegungen erzielbar, welche die Genauigkeit des Verfahrens erhöhen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Schmelzbereich durch eine Bewegung des Laserstrahls bei ortsfest angeordneten Bauteilen erzeugt wird und, dass der zweite Schmelzbereich durch eine Bewegung der Bauteile relativ zu einem ortsfesten Laserstrahl erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, dass derartige Bewegungen der Bauteile, welche insbesondere in einer Rotation der Bauteile bestehen, mittels eines mechanischen Aufbaus relativ einfach erzeugt werden können.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1 in Draufsicht und im Längsschnitt eine Darstellung zur Erläuterung des Wärmeleitungsschweißens unter Verwendung eines Laserstrahls,
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2 in Draufsicht und im Längsschnitt eine Darstellung zur Erläuterung des Tiefschweißens unter Verwendung eines Laserstrahls,
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3 bis 5 jeweils in Längsschnitten und Draufsichten die Erzeugung einer segmentierten Schweißnaht bei einem konventionellen Tiefschweißverfahren, bei der sich eine Nahtaufwölbung ausbildet,
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6 im Längsschnitt und in Draufsicht ein erfindungsgemäßes Schweißverfahren, bei dem eine erste Schmelzzone zur Vergrößerung des Schmelzbadvolumens im Bereich der ersten Schmelzzone besonders behandelt bzw. bearbeitet wird,
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7 eine Seitenansicht zweier miteinander verbundener Bauteile mit segmentierten Schweißnähten,
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8 einen Längsschnitt und eine Draufsicht zweier miteinander verbundener Bauteile, bei der sowohl ein Tiefschweißen als auch Wärmeleitungsschweißen verwendet wird und
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9 einen Längsschnitt und eine Draufsicht dreier miteinander verbundener Bauteile unter Verwendung eines Tiefschweißverfahrens und eines Wärmeleitungsschweißens.
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In der 1 ist ein Wärmeleitungsschweißverfahren unter Verwendung eines Laserstrahls 1 dargestellt. Mittels des Laserstrahls 1 werden zwei Bauteile 2 und 3 miteinander verschweißt, wobei im Bereich der Fügezone 5 der beiden Bauteile 2 und 3 mittels des Laserstrahls 1 eine Schweißnaht 7 erzeugt wird. Der mittels einer nicht dargestellten Laserstrahlquelle erzeugte Laserstrahl 1 wird dabei entlang einer Bewegungsbahn, welche identisch zum Verlauf der Schweißnaht 7 ist, geführt. Die Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 1 und den Bauteilen 2 und 3 entlang des Pfeils 8 erfolgt dabei entweder durch eine Bewegung des Laserstrahls 1 bei ortsfest angeordneten Bauteilen 2 und 3 oder aber, bevorzugt, durch eine Relativbewegung der beiden Bauteile 2 und 3 bei ortsfest angeordnetem Laserstrahl 1.
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Bei den beiden Bauteilen 2 und 3 kann es sich z. B. um zylindrische Bauteile 2, 3 handeln, welche an ihren Enden stumpf miteinander verbunden werden sollen, oder aber, wie dargestellt, um eine Hülse als äußeres Bauteil 2 mit darin konzentrisch angeordnetem inneren Bauteil 3.
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In der Draufsicht der 1 erkennt man insbesondere den Bereich 9 des Laserstrahls 1, in dem der Laserstrahl 1 auf die Fügezone 5 auftrifft, sowie einen Bereich 11, in dem das Material der beiden Bauteile 2 und 3 noch aufgeschmolzen ist. Demgegenüber ist ein Bereich 12 aus erstarrtem Material ausgebildet, der sich an den Bereich 11 anschließt. Charakteristisch für das in der 1 dargestellte Wärmeleitungsschweißen ist, dass die Schweißnahttiefe t relativ gering ist.
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In der 2 ist in Draufsicht und im Längsschnitt das sogenannte Tiefschweißen mittels eines Laserstrahls 15 dargestellt, welcher ebenfalls mittels einer nicht dargestellten Laserstrahlquelle erzeugt wird. Wie man insbesondere anhand der Draufsichten der 1 und 2 erkennt, weist der Laserstrahl 15 im Bereich 16, in der dieser auf die Fügezone 5 der beiden Bauteile 2 und 3 trifft, denselben Durchmesser auf wie der Bereich 11 beim Laserstrahl 1. Jedoch ist die Schweißnaht 17 insgesamt breiter ausgebildet als die Schweißnaht 7 beim Wärmeleitungsschweißen gemäß der 1. Ferner erkennt man im Vergleich der Längsschnitte der 1 und 2, dass die Schweißnahttiefe T der Schweißnaht 17 größer ist als die Schweißnahttiefe t bei der Schweißnaht 7. Diese vergrößerte Schweißnahttiefe T ist verbunden mit der Ausbildung einer Dampfkapillare 18 im Bereich 16 der Schweißnaht 17. Man erkennt auch, dass das Schweißbad 20, d. h. der Bereich des aufgeschmolzenen Materials der beiden Bauteile 2 und 3, in Bewegungsrichtung des Laserstrahls 15 betrachtet hinter dem Laserstrahl 15 kontinuierlich entlang einer Linie 21 ansteigt. In einem Bereich 22 jenseits der Linie 21 ist das aufgeschmolzene Material bereits erstarrt zur Schweißnaht 17.
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In den 3 bis 5 wird nunmehr genauer auf den Beginn eines Laserstrahlschweißverfahrens unter Anwendung des in der 2 beschriebenen Tiefschweißens beim Stand der Technik eingegangen: So erkennt man anhand der 3, das den Start des Verfahrens darstellt, dass der Laserstrahl 15 bzw. die Bauteile 2 und 3 in Richtung des Pfeils 23 bewegt werden, wobei zunächst eine erste Schmelzzone 25 erzeugt wird, die eine relativ geringe Schmelztiefe a aufweist. Erst bei der weiteren Bewegung des Laserstrahls 15 in Richtung des Pfeils 23 entsprechend den 4 und 5 bildet sich die Dampfkapillare 18, verbunden mit einer größeren Schmelztiefe A im Bereich einer zweiten Schmelzzone 27, aus. Wesentlich hierbei ist, dass bei der Ausbildung der Dampfkapillare 18 und der sich daran nachfolgenden Bewegung des Laserstrahls 15 aufgeschmolzenes Material im Bereich der ersten Schmelzzone 15 anhäuft und zur Bildung einer Aufwölbung 28 führt.
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Wie man insbesondere auch anhand der 4 und 5 erkennt, weist die erste Schmelzzone 25 hierbei nicht nur eine geringere Schmelztiefe a auf als die zweite Schmelzzone 27 mit der Schmelztiefe A, vielmehr ist auch die Breite b der ersten Schmelzzone 25 geringer als die Breite B im Bereich der zweiten Schmelzzone 27. Dadurch ergibt sich, dass im geschmolzenen Zustand des Materials das Schmelzbadvolumen v im Bereich der ersten Schmelzzone 25 geringer ist als das Schmelzbadvolumen V im Bereich der zweiten Schmelzzone 27, bezogen auf jeweils dieselbe Wegstrecke in Richtung des Pfeils 23.
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Zur Erzeugung eines im Vergleich zum Stand der Technik entsprechend den 3 bis 5 vergrößerten Schmelzbadvolumens v im Bereich der ersten Schmelzzone 25 wird nunmehr auf die 6 eingegangen: Hierbei erkennt man, dass es erfindungsgemäß vorgesehen ist, den Laserstrahl 15 im Bereich der ersten Schmelzzone 25 vorab (d. h. vor der eigentlichen Vorschubbewegung) zu bewegen, um damit die Fläche bzw. den Bereich 29, der von dem Laserstrahl 15 überstrichen wird, zu vergrößern. Hierbei wird der Laserstrahl 15 bevorzugt entlang einer geschlossenen Bewegungsbahn 31 geführt, wobei die Bewegungsbahn 31 insbesondere eine geometrische Form, insbesondere eine rechteckige, dreieckige oder spiralförmige Form, aufweist. Der Bereich 29 ist als geschlossene Fläche ausgebildet, in der die Schmelztiefe a gegenüber dem Stand der Technik nicht vertieft ist, jedoch in Folge der größeren Breite b' gegenüber der Breite b die erste Schmelzzone 25 ein insgesamt größeres Schmelzbadvolumen aufweist.
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Bei dem in der 6 dargestellten Verfahren wird zur Wärmebehandlung bzw. zur Vergrößerung der ersten Schmelzzone 25 der Laserstrahl 15 verwendet, welcher auch anschließend zur Ausbildung der Schweißnaht 17 dient. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Bereich der ersten Schmelzzone 25 mittels einer separaten Wärmequelle, z. B. mittels eines separaten Laserstrahls, wärmebehandelt wird. Ferner kann es vorgesehen sein, dass der Laserstrahl 15 im Bereich der ersten Schmelzzone 25, insbesondere zur Beschleunigung der Wärmebehandlung, mit einer größeren Leistung betrieben wird, als dies nachfolgend zur Ausbildung der Schweißnaht 17 im Bereich der zweiten Schmelzzone 27 erfolgt.
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In der 7 erkennt man, dass mittels des soweit anhand der 6 beschriebenen Laserstrahlschweißverfahrens segmentierte Schweißnähte 17b erzeugt werden, welche an ihrer Oberfläche keine Aufwölbung aufweisen. Hierbei ist es insbesondere vorgesehen, dass während der Wärmebehandlung der ersten Schmelzzone 25 der Laserstrahl 15 bewegt wird, während die miteinander zu verbindenden Bauteile 2 und 3 ortsfest angeordnet sind. Die Bewegung des Laserstrahls 15 wird dabei insbesondere mittels eines optischen Systems, vorzugsweise mittels eines Scanners, erzeugt. Bei dem Ausbilden der eigentlichen Schmelznähte 17b ist hingegen der Laserstrahl 15 ortsfest angeordnet, während die beiden Bauteile 2 und 3 relativ hierzu bewegt, insbesondere gedreht, werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (8) ist es vorgesehen, dass ein Sensor 35 die Temperaturen im Bereich der ersten Schmelzzone 25 und der zweiten Schmelzzone 27 überwacht. Hierbei kann es durch eine Anpassung der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls 15 bzw. der Bauteile 2 und 3 ermöglicht werden, dass Bereiche 37 erzeugt werden, in denen ein Tiefschweißen stattfindet, während in einem anderen Bereich 38 ein Wärmeleitungsschweißen stattfindet. Ein derartiges Vorgehen ist insbesondere bei Bauteilen vorteilhaft, welche entsprechend der 8 ein erstes Bauteil 2 mit konstanter Dicke aufweist, während das zweite Bauteil 3 in dem Bereich 38 eine geringere Dicke aufweist. In ähnlicher Weise kann entsprechend der 9 ein Bauteilverbund aus drei miteinander zu verbindenden Bauteilen 41, 42 und 43 erzeugt werden, bei der das untere Bauteil 43 im Bereich 37 einer Tiefschweißung mit dem mittleren Bauteil 42 und dem oberen Bauteil 41 verbunden wird, während die Bauteile 41 und 42 in den Bereichen 38 im Wärmeleitungsschweißen miteinander verbunden sind.
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Das soweit beschriebene Laserstrahlschweißverfahren kann in vielfältiger Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden. Es ist auch ausdrücklich nicht auf die Verwendung bei zylindrischen Bauteilen 2, 3, 41, 42, 43 beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007035717 A1 [0004]
