-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung mit einem Draht und einem mit dem Draht zu verbindenden Bauteil mittels einer Schweißnaht. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnahtverbindung zwischen einem Draht und einem Bauteil.
-
Verbindungsanordnungen zwischen einem Draht und einem weiteren Bauteil sind beispielsweise bei elektrischen Maschinen und Motoren von Bedeutung, bei denen Drähte mit weiteren metallischen Leitungsträgern, insbesondere mit Kommutator-Hakengeometrien verbunden werden. Hierbei wird häufig das sogenannte ”Hot-Staking-Verfahren” verwendet, wie es beispielsweise in der
DE 10 2004 051 460 A1 beschrieben ist. Hierbei wird ein heißer Pressvorgang durchgeführt, um den Draht mit dem Kommutator zu verbinden. Bei einer Schweißverbindung zwischen einem Draht und einem weiteren Bauteil ist insbesondere eine Positionierung und Fixierung des Drahts vor dem Schweißvorgang problematisch. Hieraus resultieren sehr hohe Anforderungen an die Anlagentechnik, was derartige Schweißverfahren sehr teuer macht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Schweißverbindung in Form einer Schweißnaht zwischen einem Draht und einem weiteren Bauteil möglich ist, welche sehr einfach und kostengünstig ausgeführt werden kann. Die Verbindungsanordnung umfasst dabei eine Schweißnaht, welche eine Mittelachse des Drahtes kreuzt, d. h., zumindest teilweise quer zur Mittelachse des Drahtes angeordnet ist. Die Schweißnaht ist an einer Seite des zu verbindenden Bauteils ausgebildet, die dem Draht abgewandt ist, und wird mittels eines Lasers erzeugt. Hierdurch kann ein kostengünstiges Laserschweißverfahren verwendet werden, welches statt einer Punktschweißung eine längliche Naht verwendet, welche den Draht in einem beliebigen Winkel kreuzt. Hierdurch wird insbesondere das Problem der Positionierung des Drahtes am mit dem Draht zu verbindenden Bauteil entschärft, da durch die Ausrichtung der Laserschweißverbindung quer zum Draht sichergestellt werden kann, dass eine sichere, elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Draht und Bauteil hergestellt wird. Erfindungsgemäß ist somit eine Drahtkontaktierung mittels Laser in Form einer Schweißnaht mit einer bestimmten Nahtlänge möglich.
-
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Vorzugsweise ist die Schweißnaht geradlinig ausgebildet. Hierdurch kann eine einfache und schnelle Verbindung erreicht werden. Eine Länge der Schweißnaht wird vorzugsweise abhängig von einem Drahtdurchmesser bestimmt und beträgt vorzugsweise mindestens das Doppelte des Drahtdurchmessers. Alternativ kann die Schweißnaht auch S-förmig ausgebildet sein oder die Schweißnaht weist eine geschlossene Form, insbesondere eine Kreisform oder eine Ovalform oder eine Form entsprechend der Zahl Acht, auf. Weiter alternativ sind bevorzugt mehrere, insbesondere längliche Schweißnähte nebeneinander angeordnet. Hierdurch kann eine Redundanz der Schweißverbindung erhalten werden. Besonders bevorzugt kreuzt die Schweißnaht die Mittelachse des Drahtes mehrfach.
-
Die geradlinige Schweißnaht ist besonders bevorzugt in einem Winkel von ca. 90° zur Mittelachse des Drahtes angeordnet, um eine sichere Kontaktierung zu ermöglichen.
-
Weiter bevorzugt ist das Bauteil, welches mit dem Draht verbunden werden soll, ein Haken, und der Draht ist in einem Zwischenraum zwischen einem Basisbereich und einem Endbereich des Hakens eingelegt. Hierdurch kann eine sehr einfache und sichere Positionierung des Drahts vor dem Schweißvorgang erreicht werden und der Draht mit dem Haken eingefangen werden.
-
Für eine noch bessere Fixierung des Drahtes an dem mit dem Draht zu verbindenden Bauteil weist das Bauteil vorzugsweise an seiner zum Draht gerichteten Seite eine Riffelstruktur auf. Hierdurch wird ein unbeabsichtigtes Verrutschen des Drahtes vor dem Schweißvorgang vermieden.
-
Der Draht weist vorzugsweise einen kreisförmigen oder ovalförmigen oder profilierten Querschnitt auf. Ferner ist der Draht vorzugsweise aus Kupfer und weiter bevorzugt ist am Draht eine Isolation vorgesehen. Durch die Wärmeentwicklung während des Laserschweißens wird die Isolation, z. B. ein Isolierlack, abgebrannt, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen dem Draht und dem Bauteil hergestellt wird. Weiter bevorzugt ist ein Endbereich des Hakens in Richtung zum Basisbereich umgebogen, um eine besonders sichere Fixierung des Drahtes am Bauteil zu erreichen. Der Vorgang des Umbiegens des Endbereichs des Hakens kann dabei vor einem Anordnen des Hakens am Bauteil erfolgen, wobei das Bauteil dann entweder in den Zwischenraum am Haken von der Seite eingeschoben wird oder der umgebogene Endbereich wird nur derart umgebogen, dass der Draht immer noch zwischen dem Basisbereich und dem umgebogenen Endbereich von oben hindurchgeführt werden kann.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Laserschweißverbindung zwischen einem Draht und einem weiteren Bauteil umfasst die Schritte des Anordnens des Drahts an dem Bauteil, des Erzeugens einer Laser-Schweißverbindung durch eine Schweißnaht, wobei die Schweißverbindung zwischen dem Draht und dem Bauteil erzeugt wird, wobei der Laser zur Herstellung der Schweißnaht auf das Bauteil an einer dem Draht entgegengesetzten Seite des Bauteils gerichtet ist, und eine Schweißnaht erzeugt wird, welche den Draht kreuzt, so dass zumindest ein Teilbereich der Schweißnaht quer zum Draht verläuft. Dies kann beispielsweise durch Bewegung des Lasers quer zum Draht und/oder durch Bewegung des Drahtes mit dem Bauteil quer zum Laserstrahl erzeugt werden. Somit kann erfindungsgemäß ein Laserschweißverfahren zur Drahtkontaktierung verwendet werden, wodurch eine sichere Verbindung zwischen Draht und Bauteil ermöglicht wird, welche auch einen sicheren elektrischen Kontakt ermöglicht.
-
Vorzugsweise ist eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und der Anordnung aus Draht und Bauteil geradlinig, um eine geradlinige Schweißnaht herzustellen. Die geradlinige Schweißnaht ist vorzugsweise in einem Winkel von ca. 90° zu einer Mittelachse des Drahtes ausgerichtet.
-
Besonders bevorzugt kann das Verfahren verwendet werden, wenn das Bauteil einen Haken aufweist oder ein Haken ist und der Draht in einen Zwischenraum zwischen einem Basisbereich und einem Endbereich des Hakens eingelegt wird. Hierdurch kann ein einfaches Positionieren des Drahtes erreicht werden. Vorzugsweise wird dann der Endbereich des Hakens nach dem Einlegen des Drahtes umgebogen, um den Haken festzuklemmen. Alternativ kann der Draht auch in eine entsprechende Ausbildung des Hakens in den Zwischenraum zwischen Basisbereich und Endbereich direkt eingeklemmt werden.
-
Weiter bevorzugt wird der Laser zur Herstellung der Schweißnaht derart geführt, dass eine geschlossene Schweißnaht, insbesondere ein Kreis oder ein Oval oder eine Acht, erzeugt wird. Weiter alternativ werden mehrere, insbesondere parallel zueinander angeordnete, geradlinige Schweißnähte erzeugt.
-
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung sowie das erfindungsgemäße Verfahren werden besonders bevorzugt im Bereich elektrischer Maschinen zur Kontaktierung eines Wickeldrahtes an einem Kommutatorhaken verwendet. Hierbei werden vorzugsweise Kupferdrähte und Haken aus Kupfer miteinander verbunden, wobei im Fall von Kupferwerkstoffen vorzugsweise Hochleistungslaser im sichtbaren Wellenlängenbereich, insbesondere im grünen Wellenlängenbereich, verwendet werden. Weiter bevorzugt werden als Laser Faserlaser oder Scheibenlaser verwendet.
-
Zeichnung
-
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
-
1 eine schematische Draufsicht einer Verbindungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im nicht geschweißten Zustand,
-
2 eine schematische Schnittansicht der Verbindungsanordnung von 1,
-
3 eine Draufsicht der Verbindungsanordnung von 1 im geschweißten Zustand,
-
4 eine Schnittansicht von 3,
-
5–7 Beispiele von Schweißnähten für die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung,
-
8–10 Seitenansichten einer Verbindungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
-
11 eine perspektivische Ansicht einer Verbindungsanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
-
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine Verbindungsanordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
-
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 1 umfasst einen Draht 2, beispielsweise aus Kupfer, und ein Bauteil 3, welches mit dem Draht verbunden werden soll. In den 1 und 2 ist dabei ein Zustand gezeigt, bei dem der Draht 2 und das Bauteil 3 noch nicht miteinander verschweißt sind. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, umfasst das Bauteil 3 einen Haken mit einem Basisbereich 4, einem bogenförmigen Bereich 5 und einen um 180° zum Basisbereich 4 umgebogenen Endbereich 6. Zwischen dem Basisbereich 4 und dem Endbereich 6 ist ein Zwischenraum 7 durch die Hakenform gegeben, in welcher der Draht 2 eingelegt ist.
-
In den 3 und 4 ist die Verbindungsanordnung 1 mit einer ausgebildeten Schweißnaht 8 dargestellt. Das Bezugszeichen 9 deutet dabei einen Laserstrahl eines Lasers 10 an, welcher die Schweißnaht 8 erzeugt. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist der Laserstrahl 9 dabei am Ende des Bearbeitungsprozesses dargestellt. Die erzeugte Schweißnaht 8 ist dabei derart ausgebildet, dass die Schweißnaht quer zu einer Mittelachse X-X des Drahtes 2 im Bereich des Bauteils 3 verläuft. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Schweißnaht eine geradlinige Schweißnaht, welche eine Länge aufweist, die größer als ein doppelter Durchmesser des Drahtes 2 ist, welcher in diesem Ausführungsbeispiel einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Wie aus 4 deutlich wird, wird die Schweißnaht 8 dabei von einer dem Draht 2 abgewandten Seite des Bauteils 3 ausgeführt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt somit einen Laserstrahl 9, um auf dem Endbereich 6 des Hakens eine kurze Schweißnaht 8 herzustellen, die die Mittelachse X-X des Drahtes 2 kreuzt. Abhängig von den zu schweißenden Werkstoffen wird ein entsprechender Laser gewählt, wobei zum Schweißen von zwei Kupferwerkstoffen vorzugsweise Laser mit hoher Strahlqualität, wie z. B. Faserlaser oder Scheibenlaser, verwendet werden. Derartige Laser lassen sich auf kleine Fokusdurchmesser fokussieren, wodurch hohe Leistungsdichten realisierbar sind. Dadurch werden Schweißungen an hochleitfähigen Werkstoffen, insbesondere Kupfer und Aluminium, in reproduzierbarer Weise herstellbar. Ferner wird durch diese eng fokussierten Laser ein Wärmeeintrag in das Bauteil 3 bzw. den Draht 2 reduziert. Da erfindungsgemäß keine Punktschweißung, sondern eine Nahtschweißung ausgeführt wird, kann für den Fertigungsprozess eine höhere Reproduzierbarkeit sichergestellt werden. Ferner hat dies den fertigungstechnischen Vorteil, dass eine Positionierung des Drahtes 2 relativ zum Bauteil 3 mit geringeren Anforderungen ausgeführt werden kann, da aufgrund der Nahtlänge quer zur Mittelachse X-X des Drahtes 2 im Lauf der Schweißnaht immer der quer hierzu liegende Draht angeschweißt werden kann.
-
Bei dem in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kann dabei die Naht entweder, wie aus 3 und 4 ersichtlich, vom bogenförmigen Bereich 5 aus in Richtung des Endbereichs 6 geschweißt werden oder auch beginnend vom Endbereich 6 in Richtung des bogenförmigen Bereichs 5. Dabei ist auch ein Durchschweißen des Bauteils, d. h. bis zum Basisbereich 4, unkritisch, vorzugsweise wird jedoch nur soviel Energie durch den Laserstrahl eingebracht, dass nur der dem Laserstrahl zugewandte Endbereich 6 des Hakens und ein Teil des Drahtes 2 aufgeschmolzen bzw. durchgeschweißt wird, um die Schweißverbindung herzustellen.
-
Ferner sei angemerkt, dass der Draht 2 verschweißt werden kann, wenn er blank ist oder wenn eine verzinnte Kupferoberfläche oder auch eine Isolierung, z. B. ein Lackdraht, vorhanden ist. Insbesondere bei der Hakenform des Bauteils 3 ist eine Abdampfung der Isolierung während des Schweißvorgangs problemlos gewährleistet. Ferner sei angemerkt, dass es auch möglich ist, dass mehrere Drähte gleichzeitig an ein Bauteil geschweißt werden, wenn die Drähte parallel nebeneinander angeordnet sind. Ferner können auch Drahtdurchmesser leicht variiert werden, und das Verfahren kann auch bei verschieden dicken Bauteilen angewandt werden. Ferner kann immer eine Anpassung über die Schweißparameter des Lasers 10 erfolgen.
-
Für die in den 1 bis 4 gezeigte Verbindungsanordnung 1 werden vorzugsweise Kommutatoren von elektrischen Maschinen verwendet, da durch das erfindungsgemäße Fügeverfahren keine Beeinflussung des Wickelverfahrens des Drahtes hervorgerufen wird. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber dem sonst angewandten Hot-Staking-Verfahren, bei dem aufgrund der hohen Wärmeentwicklung große Einflüsse auf die Drahtwicklungen auftreten können.
-
In den 5 bis 7 sind alternative Ausführungsformen der Schweißnaht dargestellt. Die 5 und 6 zeigen beispielsweise geschlossene Schweißnähte, wobei in 5 eine kreisförmige Schweißnaht 18 gezeigt ist und in 6 eine Schweißnaht 28 in Form einer Acht. Hierbei sind die geschlossenen Schweißformen 18, 28 derart vorgesehen, dass zumindest ein Teilbereich der Schweißnaht den Draht 2 wenigstens einmal kreuzt. Bevorzugt werden die geschlossenen Schweißnähte aber derart vorgesehen, dass der Draht zweimal gekreuzt wird. In 7 ist ein Ausführungsbeispiel einer Verbindungsanordnung gezeigt, bei dem drei geradlinige Schweißnähte 8 parallel nebeneinander angeordnet sind. Hierdurch wird eine Redundanz der Schweißung erreicht. Vorzugsweise werden die drei Schweißnähte 8 dabei mittels dreier paralleler Laserstrahlen erzeugt.
-
In den 8 bis 10 ist eine Verbindungsanordnung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind. Wie aus 8 ersichtlich ist, ist beim zweiten Ausführungsbeispiel das Bauteil 3 ebenfalls ein Haken, wobei jedoch der Endbereich 6 des Hakens vor einem Einführen des Drahtes 2 in die Position 6' aufgebogen werden kann (Pfeil A). Nachdem der Draht 2 in den Zwischenraum 7 des Hakens eingelegt ist (9), wird der Endbereich 6, wie in 9 durch den Pfeil B angedeutet, wieder zurückgebogen. Wie aus 10 ersichtlich ist, wird der Endbereich 6 dabei über den Draht 2 hinausgebogen, so dass der Draht 2 nicht mehr in Richtung der Einlegerichtung entnommen werden kann, sondern zwischen dem Basisbereich 4 und dem Endbereich 6 eingeklemmt ist. Dann erfolgt der Schweißvorgang der Schweißnaht 8, um eine sichere Schweißverbindung der Verbindungsanordnung 1 zu erhalten.
-
11 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet sind. Wie aus 11 ersichtlich ist, sind an einem zum Draht 2 gerichteten Bereich des Basisbereichs 4 eine Vielzahl von Rillen 11 gebildet, um eine geriffelte Struktur bereitzustellen. Dadurch kann der Draht 2 in dem Zwischenraum durch Klemmen zwischen dem Basisbereich 4 und dem Endbereich 6 vor dem Schweißvorgang fixiert werden. Die geriffelte Struktur unterstützt dabei den Klemmvorgang. Dadurch kann der Draht 2 sicher am Bauteil 3 gehalten werden, so dass ein nachfolgender Schweißvorgang einfach und sicher ausgeführt werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102004051460 A1 [0002]
