DE102011121596B4

DE102011121596B4 - Lasergeschweißtes Fahrzeugrad und Verfahren zur Herstellung eines solchen

Info

Publication number: DE102011121596B4
Application number: DE102011121596.8A
Authority: DE
Inventors: Dennis Schröder
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-12-17
Filing date: 2011-12-17
Publication date: 2020-12-03
Anticipated expiration: 2031-12-18
Also published as: DE102011121596A1

Abstract

Lasergeschweißtes Fahrzeugrad, umfassend:eine Felge (10, 10') mit einem Felgentiefbett (16, 16') undeine Radscheibe (20),die am Felgentiefbett (16, 16') an einer oder mehreren Schweißstellen (26, 26') durch Laserschweißen ohne zusätzlichen Materialeintrag miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dasssich der Innenumfang des Felgentiefbetts (16, 16') zu der Schweißstelle bzw. zu den Schweißstellen (26, 26') hin derart verjüngt, dass die Schweißstelle bzw. Schweißstellen (26, 26') innerhalb eines zwischen dem Felgentiefbett (16, 16') und der Radscheibe (20) gebildeten Fügespalts (27) durch einen zu dem Fügespalt (27) zwischen Felgentiefbett (16, 16') und Radscheibe (20) ausgerichteten Schweiß-Laserstrahl von der Radinnenseite her durch die Innenkontur der Felge (10, 10') unbeeinträchtigt erreichbar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Fahrzeugräder und insbesondere auf die Herstellung lasergeschweißter Fahrzeugräder nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5.
Aus EP 1 752 311 A1 ist ein Fahrzeugrad bekannt, bei dem eine Felge, die ein Felgentiefbett aufweist, und eine Radscheibe im Bereich des Felgentiefbetts durch Laserschweißen miteinander verbunden sind. Bei praktischen Versuchen hat sich das in EP 1 752 311 A1 vorgeschlagene Verfahren, bei dem der Laserstrahl zur Längsachse des Fahrzeugrads in einem Bereich von 8 bis 10 Grad angestellt wird, nicht reproduzieren lassen.
Weitere lasergeschweißte Fahrzeugräder sind aus GB 2 285 417 A , JP 11192566 und EP 0 714 790 B1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Alternativen zur Herstellung lasergeschweißter Fahrzeugräder aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird zunächst durch ein Fahrzeugrad gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erst durch die anspruchsgemäßen felgenseitigen Maßnahmen wird eine gute Schweißverbindung zwischen dem Felgentiefbett und der Radscheibe erzielt, da der Schweiß-Laserstrahl bei der Fertigung in den zwischen beiden gebildeten Spalt eingebracht werden kann, so dass die einander gegenüberliegenden Spaltwände zuverlässig miteinander verschweißt werden. Im Gegensatz hierzu trifft in EP 1 752 311 A1 der Laserstrahl nicht in den Spalt, sondern vorwiegend auf die Radscheibe. Durch die Verjüngung des Innenumfangs des Felgentiefbetts wird erfindungsgemäß eine Beeinträchtigung des Laserstrahls vermieden. Unterbleibt eine solche Verjüngung, lässt sich der Laserstrahl nicht zuverlässig im Spalt positionieren, da Interferenzen mit davorliegenden Innenwandabschnitten des Felgentiefbetts eine Strahlfokussierung auf die gewünschte Schweißstelle innerhalb des Spalts nahezu unmöglich machen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Verjüngung des Innenumfangs der Felge zur Schweißstelle bzw. zu den Schweißstellen hin durch einen Absatz im Felgentiefbett gebildet, wobei die Schweißstelle bzw. die Schweißstellen im verjüngten Bereich des Felgentiefbetts liegt bzw. liegen. Ein solcher Absatz lässt sich bei der Fertigung der Felge beispielsweise aus Blechmaterial ohne großen zusätzlichen Aufwand realisieren. Er ermöglicht eine gezielte axiale Freistellung der Schweißstellen, so dass diese für einen fügespaltparallelen Laserstrahl gut zugänglich sind. Der Laserstrahl kann bei entsprechender Lage des Fügespalts parallel zur Radachse kollisionsfrei geführt werden.
Es ist jedoch auch möglich, die gute Erreichbarkeit der Schweißstellen dadurch zu gewährleisten, dass sich der Innenumfang des Felgentiefbetts zur Schweißstelle bzw. zu den Schweißstellen hin konisch verjüngt.
Vorzugsweise ist die Verjüngung des Felgentiefbetts bis zur Schweißstelle bzw. zu den Schweißstellen so gewählt, dass diese bezogen auf den Radius im Bereich von 0,8 mm bis 2,0 mm liegt. Hierdurch wird einerseits eine gute Zugänglichkeit des Spaltraums zwischen dem Felgentiefbett und der Radscheibe gewährleistet, andererseits werden hohe Umformgrade an der Felge vermieden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Felge zumindest im Verbindungsbereich des Felgentiefbetts mit der Radscheibe eine gegenüber der restlichen Felge verringerte Wanddicke auf. Durch das verwendete Fügeverfahren lassen sich insbesondere an der Felge und der Radscheibe Wanddicken realisieren, die bei herkömmlich MAG-geschweißten Fahrzeugrädern nicht realisierbar sind. Aufgrund der erforderlichen Betriebssicherheit und der Herstellbarkeit liegt die Wanddicke bei MAG-geschweißten Stahlstrukturrädern, bei denen Felge und Radscheibe aus Stahl gefertigt sind, bei mindestens 2,1 mm. Erfindungsgemäß lassen sich bei Stahlstrukturrädern auf der Seite der Felge nunmehr Wanddicken von 2,0 mm und weniger bis zu etwa 1,5 mm realisieren. Hierdurch ergibt sich insbesondere bei Stahlfelgen eine Verringerung des Gesamtgewichts des Fahrzeugrads.
Durch das Laserschweißen entfällt im Übrigen auch der beim MAG-Schweißen unvermeidliche Materialeintrag, wodurch eine weitere Gewichtsverminderung erzielt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugrads weist die Radscheibe angeformte Schweißlappen auf und ist an diesen mit der Felge verschweißt. Dabei liegt die Überdeckungslänge der Schweißlappen mit der Felge in Richtung parallel zur Radachse im Bereich von 5 bis 11 mm und damit unterhalb dessen, was im Fall von MAG-Schweißen als minimale Überdeckungslänge benötigt wird. Die kleinere Ausführung der Schweißlappen bietet eine weitere Möglichkeit zur Gewichtsverminderung.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Fahrzeugrad gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Auch hier wird eine stabile Verbindung zwischen dem Felgentiefbett und der Radscheibe erzielt und eine prozesssichere Strahlführung des Laserstrahls bei der Herstellung gewährleistet.
Vorzugsweise weist die Schweißnaht hierbei eine Art Zickzack-Muster auf, welches aus einer pendelnden Hin- und Herbewegung des Laserstrahls resultiert und eine besonders gute Verbindung zwischen der Radscheibe und dem Felgentiefbett ermöglicht. Da hierbei der Laserstrahl wechselweise auf die Radscheibe und das Felgentiefbett gerichtet wird, wird im Vergleich zu EP 1 752 311 A1 ein besseres Aufschmelzen auf der Seite des Felgentiefbetts erzielt.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Herstellung eines lasergeschweißten Fahrzeugrads gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
Dies ermöglicht eine prozesssichere Erreichbarkeit der Schweißstellen. Insbesondere werden Ablenkungen des Laserstrahls durch vor den Schweißstellen liegenden Wandabschnitte vermieden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dieses Verfahrens wird der Schweiß-Laserstrahl in einen Spalt zwischen dem verjüngten Abschnitt des Felgentiefbetts und einem an der Radscheibe angeformten Schweißlappen gerichtet und durch die so gebildeten Spaltwände zentriert. Wie bereits oben im Zusammenhang mit dem so hergestellten Fahrzeugrad ausgeführt, ermöglicht dies ein Verschweißen des Felgentiefbetts mit der Radscheibe innerhalb des zwischen diesen beiden gebildeten Spaltraums und damit eine besonders stabile Verbindung, wobei gleichzeitig eine gute Strahlführung des Laserstrahls durch die Spaltwände gewährleistet wird
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines lasergeschweißten Fahrzeugrads gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
Die Pendelbewegung des Laserstrahls ermöglicht dabei eine besonders innige und stabile Verbindung zwischen der Felge und der Radscheibe.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

1 eine räumliche Teilansicht eines Fahrzeugrads nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Längsschnittansicht des Fahrzeugrads aus 1 mit Andeutung des Verlaufs des zum Verschweißen eingesetzten Laserstrahls,
3 eine Längsschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels, welches sich von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich durch die Form des Felgentiefbetts unterscheidet,
4 schematische Darstellungen zweier Abwandlungen der ersten beiden Ausführungsbeispiele,
5 eine räumliche Teilansicht eines Fahrzeugrads nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 eine Längsschnittansicht des dritten Ausführungsbeispiels mit Andeutung des Verlaufs des zum Schweißen eingesetzten Laserstrahls,
7 eine Detailansicht der Schweißnaht des dritten Ausführungsbeispiels, und in
8 eine Detailansicht einer Abwandlung der Schweißnaht des dritten Ausführungsbeispiels.

Das in den 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Fahrzeugrad 1, das aus zwei Komponenten, nämlich einer Felge 10 und einer Radscheibe 20 zusammengesetzt ist. Sowohl die Felge 10 als auch die Radscheibe 20 sind hierbei aus Stahlblech hergestellt.
Die Felge 10 weist ein außenseitiges Felgenhorn 11 sowie ein innenseitiges Felgenhorn 12 auf und ist hier beispielhaft als PKW-Doppelhumpfelge ausgeführt. An einen außenseitigen Hump 13 schließt radinnenseitig eine sich vorwiegend nach radial innen erstreckende Flanke 14 an, in der eine Ventilöffnung 15 ausgebildet ist. Die Flanke 14 geht nach einer erneuten Krümmung in das eigentliche Felgentiefbett 16 über, welches an seinem Innenumfang einen Befestigungsabschnitt 16a zur Anbindung der Radscheibe 20 aufweist. Im weiteren Verlauf in Richtung des innenseitigen Felgenhorns 12 schließt sich an das Felgentiefbett 16 ein zu diesem angewinkelter geneigter Übergangsabschnitt 17 an, der über einen weiteren im Wesentlichen zylindrischen Übergangsabschnitt 18 zu dem innenseitigen Hump 19 führt, von wo aus das Felgenprofil schließlich in das innenseitige Felgenhorn 12 übergeht. Im Bereich des Felgentiefbetts 16 ist die Felge 10 somit am weitesten radial nach innen, das heißt zur Radmitte hin eingezogen.
Die Radscheibe 20 weist in Radmitte eine Nabe 21 auf, über die das Fahrzeugrad 1 an einem Radflansch eines Fahrzeugs zentrierbar ist. Ferner sind um die Nabe 21 Befestigungsöffnungen 22 zur Befestigung des Fahrzeugrads 1 an einem Radflansch mittels Radschrauben oder Radmuttern vorgesehen. Das in 1 gezeigten Design der Außenseite 23 der Radscheibe 20 ist lediglich beispielhafter Natur. Es kann in vielfältiger Weise durch andere Gestaltungsformen ersetzt werden. Die Radscheibe 20 weist an ihrem Außenumfang ferner einen Flanschabschnitt 24 auf, der überwiegend zylindrisch und konzentrisch zur Radachse A ausgebildet ist. Der Flanschabschnitt 24 erstreckt sich in den Befestigungsabschnitt 16a der Felge 10 hinein und ist dort mit der Felge 10 durch Laserschweißen verbunden. Hierzu sind an dem Flanschabschnitt 24 mehrere Schweißlappen 25 ausgebildet, welche über einen ringförmigen Fußbereich 24a des Flanschabschnitts 24 um das Maß s, das vorzugsweise im Bereich von 2 bis 8 mm liegt, hinausstehen. Das Verschweißen mit der Felge 10 erfolgt lediglich im Bereich der Schweißlappen 25, so dass in Umfangsrichtung mehrere, voneinander beabstandete Schweißstellen 26 entstehen. Durch die lokalen Schweißstellen 26 wird ein Verziehen des Fahrzeugrads 1 beim Schweißen vermieden.
Erfindungsgemäß sind die Felge 10 und die Radscheibe 20 ohne zusätzlichen Materialeintrag thermisch, nämlich durch Laserschweißen, miteinander verbunden. In 2 ist bei dem Bezugszeichen L die Strahlrichtung des hierzu verwendeten Laserstrahls L dargestellt. Der Laserstrahl L wird beim Schweißen jeweils auf die betreffende Schweißstelle 26 ausgerichtet, und zwar derart, dass dieser in einen zwischen den Flanschabschnitt 24 bzw. Schweißlappen 25 der Radscheibe 20 einerseits und dem Innenumfang des Felgentiefbetts 16 der Felge 10 andererseits gebildeten Fügespalt 27 eindringen kann. Dementsprechend muss der Laserstrahl L bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zur Achse A des Fahrzeugrads 1 geführt sein. Zur Vermeidung einer Beeinträchtigung des Laserstrahls L durch Innenwandabschnitte der Felge 10 verjüngt sich der Innenumfang des Felgentiefbetts 16 zur Schweißstelle 26 hin. Mit anderen Worten, die Schweißstelle 26 ist gegenüber davorliegenden Wandabschnitten der Felge 10 radial etwas nach innen versetzt. Hierdurch ist es möglich, den Laserstrahl L über die Spaltwände zwischen dem Außenumfang des Flanschabschnitts 24 bzw. Schweißlappens 25 und dem Innenumfang des Feigentiefbetts 16 zu fokussieren, ohne dass davorliegende Wandabschnitte die Ausrichtung des Laserstrahls beeinträchtigen. Ein parallel zur Radachse A verlaufender Schweiß-Laserstrahl L erreicht somit von der Radinnenseite her die jeweilige Schweißstelle 26 unbeeinträchtigt durch den Innenumfang der Felge 10. Durch diese Ausrichtung des Laserstrahls L auf den Fügespalt 27 erhält man ein besonders gutes Schweißergebnis.
Die Erreichbarkeit der Schweißstellen 26 wird durch eine gezielte Profilierung der Felge 10 im Bereich des Felgentiefbetts 16, das heißt des am weitesten radial nach innen gezogen Abschnitts der Felge 10 erzielt. Nachfolgend werden hierzu verschiedene Möglichkeiten erläutert.
Wie 2 entnommen werden kann, weist das Felgentiefbett 16 des ersten Ausführungsbeispiels am Befestigungsabschnitt 16a eine Verjüngung auf, welche vorliegend durch einen Absatz 16b erzielt wird. Durch den Absatz 16b entsteht ein erster, außenliegender Abschnitt mit kleineren Innendurchmesser 16c und ein zweiter, innenliegender Abschnitt mit etwas größerem Innendurchmesser 16d. Die Radscheibe 20 ist mit ihrem Flanschabschnitt 24 bzw. ihren Schweißlappen 25 an dem Abschnitt mit kleinerem Innendurchmesser 16c angeschweißt. Der radiale Versatz x zwischen dem größeren Innendurchmesser 16d und dem kleineren Innendurchmesser 16c ist so gewählt, dass der Abschnitt mit größeren Innendurchmesser 16d den vorbeiführenden Laserstrahl L nicht beeinträchtigt. Bezogen auf den Radius des Innenumfangs liegt dieser radiale Versatz x vorzugsweise im Bereich von 0,8 mm bis 2,0 mm.
Aufgrund der eingesetzten Fügetechnik kann das Bauteilgewicht eines geschweißten Stahlstrukturrads ohne Einbußen für die Betriebsfestigkeit und Lebensdauer weiter reduziert werden.
Insbesondere können die Schweißlappen 25 mit einer besonders geringen Überdeckungslänge ü ausgeführt werden. Unter der Überdeckungslänge ü wird die Überlappung des Flanschabschnitts 24 der Radscheibe 20 mit der Felge 10 in Richtung parallel zur Radachse A verstanden. Diese beträgt bei MAG-geschweißten Stahlrädern an den Schweißlappen 25 mindestens 12 mm, kann bei der Erfindung jedoch auf Werte im Bereich von 5 bis 11 mm reduziert werden. Hierdurch lässt sich die Masse der Radscheibe 20 verringern.
Weiterhin können zumindest im Verbindungsbereich zwischen der Felge 10 und der Radscheibe 20 die Wanddicken verringert werden, wodurch die erfindungsgemäße Lösung eine weitere Gewichtseinsparung ermöglicht.
Insbesondere kann das Felgentiefbett 16 eine gegenüber der restlichen Felge 10 verringerte Wanddicke aufweisen. Dieses kann bevorzugt mit einer Wanddicke t₁ im Bereich von 1,5 mm bis 2,0 mm ausgeführt sein. Im weiteren Verlauf der Felge können größere Wanddicken t₂ gewählt werden, wobei t₂ größer als t₁ ist und vorzugsweise im Bereich von mehr als 1,5 mm bis 2,5 mm liegt.
Im Hinblick auf einen eventuellen Bordsteinanprall können speziell die Felgenhörner 11 und 12 mit einer weiter erhöhten Wanddicke ausgeführt sein, so dass sich insgesamt ein in Axialrichtung variierender Wanddickenverlauf ergibt. Auf eine Wandverdickung im Felgentiefbett 16, wie sie bei geschweißten Stahlrädern oftmals gebräuchlich ist, kann gegebenenfalls verzichtet werden.
Die Wanddicke der Radscheibe 2 liegt vorzugsweise im Bereich von 3 bis 5 mm.
3 zeigt eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels und unterscheidet sich von letzterem lediglich in Bezug auf die Ausgestaltung der Verjüngung des Innenumfangs des Felgentiefbetts 16, so dass nachfolgend lediglich die Ausgestaltung des Felgentiefbetts 16' näher erläutert, im übrigen jedoch auf die obigen Ausführungen zu den 1 und 2 verwiesen wird.
Zur Gewährleistung des Eindringens des Laserstrahls L in den Spalt 27 zwischen dem Innenumfang des Felgentiefbetts 16 und dem Außenumfang des Flanschabschnitt 24 bzw. der Schweißlappen 25 der Radscheibe 20 ist, wie bereits ausgeführt, eine Parallelführung des Laserstrahls L zum Spalt 27 erforderlich, was hier gleichbedeutend mit einer Parallelführung zur Radachse A ist. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird die benötigte Verjüngung bzw. Freistellung der Schweißstellen 26' durch eine konische Ausgestaltung des Innenumfangs des Felgentiefbetts 16' erzielt. Hierzu ist der Innenumfang des Felgentiefbetts 16' zur betreffenden Schweißstelle 26' hin konisch verjüngt. In 3 wird der Laserstrahl L von der Radinnenseite aufgebracht, so dass sich die Konusform zur Radaußenseite hin verjüngt. Die Verjüngung des Felgentiefbetts 16' bis zur Schweißstelle 26' liegt auch hier bezogen auf den Radius im Bereich von 0,8 mm bis 2,0 mm. Die Neigung des Felgentiefbetts 16' bzw. des Innenumfangs desselben liegt im Bereich von 0,5Grad bis max. 4Grad.
Es ist grundsätzlich möglich, wenngleich aus optischen Gründen weniger ansprechend, die Felge 10 und die Radscheibe 20 mittels eines von der Radaußenseite aufgebrachten Laserstrahls zu Verschweißen. In diesem Fall wäre in 3 die Konusform umzukehren bzw. bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Lage der Abschnitte 16c und 16d in Bezug auf den Absatz 16b umzukehren.
Ferner ist es möglich, den Spalt 27 zwischen dem Innenumfang des Felgentiefbetts 16 bzw. 16' und dem Außenumfang des Flanschabschnitts 24 bzw. 24' oder der Schweißlappen 25 bzw. 25' zur Radachse A um einen Winkel α etwas zu neigen, wie dies in 4 schematisch angedeutet ist. Der Winkel α kann im Bereich von 0 bis etwa 10Grad gewählt werden. In diesem Fall wird dann die Ausrichtung des Laserstrahls L entsprechend angepasst, so dass dieser weiterhin in den Spalt 27 trifft. Der Anstellwinkel des Laserstrahls L zur Radachse A wird dementsprechend mit dem gleichen Winkel α des Spalts 27 eingestellt. Um in einem solchen Fall eine Beeinträchtigung des Laserstrahls L durch davorliegende Wandabschnitte des Feigentiefbetts 16 bzw. 16' zu vermeiden, wird auch hier eine entsprechende Verjüngung zur Schweißstelle 26 bzw. 26' hin vorgenommen. Diese kann wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel durch einen Absatz 16b (Variante a in 4) oder entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel durch eine weniger starke Neigung (Variante b in 4) des Innenumfangs des Felgentiefbetts 16' (vgl. Winkel α*) erzielt werden.
Die vorstehend erläuterten lasergeschweißten Fahrzeugräder lassen sich wie folgt herstellen. Zunächst werden die Felge 10 und die Radscheibe 20 mittels geeigneter Fertigungsverfahren aus Stahlblech hergestellt. Dabei wird an der Felge 10 das Felgentiefbett 16 bzw. 16' so ausgeführt, dass sich an dessen Innenumfang eine Verjüngung in Richtung der beabsichtigten Schweißstellen 26 bzw. 26' ergibt. Diese Verjüngung wird vorzugsweise durch Ausbildung eines Absatzes 16b im Felgentiefbett oder aber durch eine Konusform desselben erzielt.
In einem weiteren Schritt wird die Radscheibe 20 in die Felge 10 eingesetzt, wobei die Radscheibe 20 mit ihrem Außenrand in einem Abschnitt des Felgentiefbetts 16 bzw. 16' positioniert wird, der einen verjüngten Innenumfang aufweist.
Danach wird ein Schweiß-Laserstrahl L auf ausgewählte Schweißstellen 26 bzw. 26' zwischen dem verjüngten Abschnitt des Felgentiefbetts 16 bzw. 16' und der Radscheibe 20 gerichtet, um beide ohne zusätzlichen Materialeintrag miteinander zu verschweißen. Der Laserstrahl L wird dabei zu dem zwischen dem Felgentiefbett 16 bzw. 16' und den Flanschabschnitt 24 bzw. Schweißlappen 25 gebildeten Spalt 27 ausgerichtet, so dass die Strahlrichtung mit der Axialerstreckungsrichtung des Spalts 27 zusammenfällt, und durch die so gebildeten Spaltwände zentriert.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 3 ist dabei der Laserstrahl L parallel zur Radachse A geführt. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß 4 wird der Laserstrahl hingegen zur Radachse A um den oben genannten Winkel α des Fügespalts 27 geneigt.
Auf diese Weise werden sämtliche Schweißlappen 25 mit dem. Felgentiefbett 16 verschweißt wobei die Schweißnahtlänge in Umfangsrichtung an den einzelnen Schweißstellen 26 bzw..26' je nach Anzahl der Schweißnähte in der Größenordnung von 20 bis 100 mm liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Schweißlappen 25 kleiner als bisher auszugestalten sowie die Blechdicke der miteinander zu fügenden Radbauteile zu reduzieren. Dies gelingt durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Laser-Spaltstrahlverfahrens, das sich durch eine geringe Kerbwirkung sowie geringe Wärmeverzüge auszeichnet.
Die 5 bis 8 zeigen weitere Möglichkeiten zur Herstellung lasergeschweißter Fahrzeugräder 101, wobei auch hier eine möglichst gleichmäßige Materialaufschmelzung auf Seiten der Felge 110 und der Radscheibe 120 erzielt wird.
Das in den 5 und 7 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel zeigt wiederum ein Fahrzeugrad 101, das aus zwei Komponenten, nämlich einer Felge 110 und einer Radscheibe 120 zusammengesetzt ist. Sowohl die Felge 110 als auch die Radscheibe 120 sind vorzugsweise aus Stahlblech hergestellt.
Die Felge 110 weist ein außenseitiges Felgenhorn 111 sowie ein innenseitiges Felgenhorn 112 auf und ist hier beispielhaft als PKW-Doppelhumpfelge ausgeführt. An einen außenseitigen Hump 113 schließt radinnenseitig eine sich vorwiegend nach radial innen erstreckende Flanke 114 an, in der eine Ventilöffnung 115 ausgebildet ist. Die Flanke 114 geht nach einer erneuten Krümmung in das eigentliche Felgentiefbett 116 über, welches an seinem Innenumfang einen. Befestigungsabschnitt 116a zur Anbindung der Radscheibe 120 aufweist. Im weiteren Verlauf in Richtung des innenseitigen Felgenhorns 112 schließt sich an das Felgentiefbett 116 ein zu diesem angewinkelter geneigter Übergangsabschnitt 117 an, der über einen weiteren im Wesentlichen zylindrischen Übergangsabschnitt 118 zu dem innenseitigen Hump 119 führt, von wo aus das Felgenprofil schließlich in das innenseitige Felgenhorn 112 übergeht. Im Bereich des Felgentiefbetts 116 ist die Felge 110 somit am weitesten radial nach innen, das heißt zur Radmitte hin eingezogen.
Die Radscheibe 120 weist in Radmitte eine Nabe 121 auf, über die das Fahrzeugrad 101 an einem Radflansch eines Fahrzeugs zentrierbar ist. Ferner sind um die Nabe 121 Befestigungsöffnungen 122 zur Befestigung des Fahrzeugrads 1 an einem Radflansch mittels Radschrauben oder Radmuttern vorgesehen. Das in 5 gezeigten Design der Außenseite 123 der Radscheibe 120 ist lediglich beispielhafter Natur. Es kann in vielfältiger Weise durch andere Gestaltungsformen ersetzt werden. Die Radscheibe 120 weist an ihrem Außenumfang ferner einen Flanschabschnitt 124 auf, der überwiegend zylindrisch und konzentrisch zur Radachse A ausgebildet ist. Der Flanschabschnitt 124 erstreckt sich in den Befestigungsabschnitt 116a der Felge 110 hinein und ist dort mit der Felge 110 durch Laserschweißen verbunden. Hierzu sind an dem Flanschabschnitt 124 mehrere Schweißlappen 125 ausgebildet, welche über einen ringförmigen Fußbereich 124a des Flanschabschnitts 124 um das Maß s, das vorzugsweise im Bereich von 2 bis 8 mm liegt, hinausstehen. Das Verschweißen mit der Felge 110 erfolgt lediglich lokal im Bereich der Schweißlappen 125, so dass in Umfangsrichtung mehrere, voneinander beabstandete Schweißstellen 126 entstehen. Hierdurch wird ein Verziehen des Fahrzeugrads 101 beim Schweißen vermieden.
Erfindungsgemäß sind die Felge 110 und die Radscheibe 120 ohne zusätzlichen Materialeintrag thermisch, nämlich durch Laserschweißen, miteinander verbunden. In 6 ist bei dem Bezugszeichen L die Strahlrichtung des hierzu verwendeten Laserstrahls L dargestellt. Der Laserstrahl L wird beim Schweißen jeweils auf die betreffende Schweißstelle 126 ausgerichtet, und zwar derart, dass dieser abwechselnd pendelnd und in Umfangsrichtung fortschreitend auf den Schweißlappen 125 und den Innenumfang des Felgentiefbetts 116 gerichtet wird, so dass sich der in 7 gezeigte Verlauf V des Laserstrahls ergibt. Bei der in 7 gezeigten Variante sind die Auf- und Abstriche des Zickzackverlaufs V mit gleichem Neigungswinkel ausgeführt. Es ist jedoch möglich, diese Auf- und Abstriche zu variieren, wie dies beispielhaft in 8 gezeigt ist. Dort sind die Aufstriche der Pendelbewegung steiler ausgeführt als die Abstriche.
Wie 6 entnommen werden kann, ist der Laserstrahl L, der von der Radinnenseite aufgebracht wird, zur Radachse A mit einem Winkel β im Bereich von 30 bis 60 Grad, vorzugsweise 40 bis 50 Grad, und bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Winkel von 45 Grad angestellt, so dass mit der Pendelbewegung sowohl die Kante des Flanschabschnitt 124 bzw. Schweißlappen 125 als auch die Innenseite des Felgentiefbetts 116 gut erreicht wird.
Aufgrund der eingesetzten Laser-Pendelsghweißtechnik kann das Bauteilgewicht eines geschweißten Stahlstrukturrad 101 ohne Einbußen für die Betriebsfestigkeit und Lebensdauer reduziert werden.
Insbesondere können die Schweißlappen 125 mit einer besonders geringen Überdeckungslänge ü ausgeführt werden. Unter der Überdeckungslänge ü wird die Überlappung des Flanschabschnitts 124 der Radscheibe 120 mit der Felge 110 in Richtung parallel zur Radachse A verstanden. Diese beträgt bei MAG-geschweißten Stahlrädern an den Schweißlappen 125 mindestens 12 mm, kann bei der Erfindung jedoch auf Werte im Bereich von 5 bis 11 mm reduziert werden. Hierdurch lässt sich die Masse der Radscheibe 120 verringern.
Weiterhin können zumindest im Verbindungsbereich zwischen der Felge 110 und der Radscheibe 120 die Wanddicken verringert werden, wodurch die erfindungsgemäße Lösung eine weitere Gewichtseinsparung ermöglicht.
Insbesondere kann das Felgentiefbett 116 eine gegenüber der restlichen Felge110 verringerte Wanddicke aufweisen. Dieses kann bevorzugt mit einer Wanddicke t₁ im Bereich von 1,5 mm bis 2,0 mm ausgeführt sein. Im weiteren Verlauf der Felge können größere Wanddicken t₂ gewählt werden, wobei t₂ größer als t₁ ist und vorzugsweise im Bereich von mehr als 1,5 mm bis 2,5 mm liegt.
Im Hinblick auf einen eventuellen Bordsteinanprall können speziell die Felgenhörner 111 und 112 mit einer weiter erhöhten Wanddicke ausgeführt sein, so dass sich insgesamt ein in Axialrichtung variierender Wanddickenverlauf ergibt. Auf eine Wandverdickung im Felgentiefbett 116, wie sie bei geschweißten Stahlrädern oftmals gebräuchlich ist, kann gegebenenfalls verzichtet werden.
Die Wanddicke der Radscheibe 120 liegt vorzugsweise im Bereich von 3 bis 5 mm.
Zur Herstellung von lasergeschweißten Fahrzeugräder gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel werden zunächst eine Felge 110 mit einem Felgentiefbett 116 und eine Radscheibe 120 mit angeformten Schweißlappen 125 separat voneinander hergestellt.
Anschließend wird die Radscheibe 120 in die Felge 110 eingesetzt.
Danach erfolgt das Verschweißen der Schweißlappen 125 mit dem Felgentiefbett 116 mittels eines Schweiß-Laserstrahls L. Dieser wird unter einem definierten Anstellwinkel β im Bereich von 30 bis 60 Grad hin und her pendelnd und in Umfangsrichtung des Rades 101 fortschreitend auf die Kante eines Schweißlappens 125 und auf das Felgentiefbett 116 gerichtet, wobei beide miteinander verschweißen. Die Pendelbewegung des Laserstrahls lässt sich an der Zickzackstruktur der Schweißnaht 126 erkennen. Die Länge der Schweißnähte 126 in Umfangsrichtung beträgt je nach Anzahl der Schweißnähte 20 bis 100 mm.
Auch dieses Verfahren ermöglicht es, die Schweißlappen 125 kleiner als bisher auszugestalten sowie die Blechdicke der miteinander zu fügenden Radbauteile zu reduzieren, da die Kerbwirkung der Schweißnähte und Wärmeverzüge gering sind.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
Bezugszeichenliste
(ohne Hochkommata)

1: Fahrzeugrad
10: Felge
11: radaußenseitiges Felgenhorn.
12: radinnenseitiges Felgenhorn
13: Hump
14: Flanke
15: Ventilöffnung
16: Felgentiefbett
16a: Befestigungsabschnitt
16b: Absatz
16c: Abschnitt mit kleinerem Innendurchmesser
16d: Abschnitt mit größerem Innendurchmesser
17: geneigter Übergangsabschnitt
18: zylindrischer Übergahgsabschnitt
19: Hump
20: Radscheibe
21: Nabe
22: Befestigungsöffnung
23: Außenseite
24: Flanschabschnitt
24a: ringförmiger Fuß
25: Schweißlappen
26: Schweißstelle
27: Fügespalt
101: Fahrzeugrad
110: Felge
111: radaußenseitiges Felgenhorn
112: radinnenseitiges Felgenhorn
113: Hump
114: Flanke
115: Ventilöffnung
116: Felgentiefbett
116a: Befestigungsabschnitt
117: geneigter Übergangsabschnitt
118: zylindrischer Übergangsabschnitt
119: Hump
120: Radscheibe
121: Nabe
122: Befestigungsöffnung
123: Außenseite
124: Flanschabschnitt
124a: ringförmiger Fuß
125: Schweißlappen
126: Schweißstelle bzw. Schweißnaht
s: Maß für axialen Überstand der Schweißlappen
ü: Überdeckungslänge radial zwischen Felge und Radscheibe
x: radialer Versatz
t₁: Wanddicke im Felgentiefbett
t₂: Wanddicke der Felge außerhalb des Felgentiefbetts
A: Radachse
L: Laserstrahl
V: Verlauf des Laserstrahls beim Pendelschweißen
α: Neigung des Fügespalts zur Radachse
β: Anstellwinkel des Laserstrahls

Claims

Lasergeschweißtes Fahrzeugrad, umfassend: eine Felge (10, 10') mit einem Felgentiefbett (16, 16') und eine Radscheibe (20), die am Felgentiefbett (16, 16') an einer oder mehreren Schweißstellen (26, 26') durch Laserschweißen ohne zusätzlichen Materialeintrag miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innenumfang des Felgentiefbetts (16, 16') zu der Schweißstelle bzw. zu den Schweißstellen (26, 26') hin derart verjüngt, dass die Schweißstelle bzw. Schweißstellen (26, 26') innerhalb eines zwischen dem Felgentiefbett (16, 16') und der Radscheibe (20) gebildeten Fügespalts (27) durch einen zu dem Fügespalt (27) zwischen Felgentiefbett (16, 16') und Radscheibe (20) ausgerichteten Schweiß-Laserstrahl von der Radinnenseite her durch die Innenkontur der Felge (10, 10') unbeeinträchtigt erreichbar sind.
Fahrzeugrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung des Innenumfangs der Felge (16) zur Schweißstelle bzw. zu den Schweißstellen (26) hin durch einen Absatz (16b) im Felgentiefbett (16) gebildet wird, wobei die Schweißstelle bzw. die Schweißstellen (26) im verjüngtem Bereich des Felgentiefbetts (16) liegt bzw. liegen.
Fahrzeugrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innenumfang des Felgentiefbetts (16') zur Schweißstelle bzw. zu den Schweißstellen (26') hin konisch verjüngt.
Fahrzeugrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung des Felgentiefbetts (16, 16') bis zur Schweißstelle bzw. zu den Schweißstellen (26, 26') bezogen auf den Radius im Bereich von 0,8 mm bis 2,0 mm liegt.
Lasergeschweißtes Fahrzeugrad, umfassend: eine Felge (110) mit einem Felgentiefbett (116) und eine Radscheibe (120), die an ihrem Außenrand mit einem Innenumfangsabschnitt des Felgentiefbetts (116) verschweißt ist und mindestens eine Schweißnaht (126) aufweist, wobei die mindestens eine Schweißnaht (126) allein durch erschmolzenes Material der Radscheibe (120) und der Felge (110) gebildet und als Kehlnaht im Überlappstoß zwischen dem Rand der Radscheibe (120) und dem Felgentiefbett (116) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (126) eine Zickzackstruktur zwischen der Radscheibe (120) und der Felge (110) aufweist.
Fahrzeugrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Felge (10, 10', 110) zumindest im Verbindungsbereich des Felgentiefbetts (16, 16', 116) mit der Radscheibe (20, 120) eine gegenüber der restlichen Felge verringerte Wanddicke aufweist.
Fahrzeugrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Radscheibe (20, 120) angeformte Schweißlappen (25, 125) aufweist und an diesen mit der Felge (10, 10', 110) verschweißt ist, wobei die Überdeckungslänge (ü) der Schweißlappen (25, 125) mit der Felge (10, 10', 110) in Richtung parallel zur Radachse (A) im Bereich von 5 bis 11 mm liegt.
Verfahren zur Herstellung eines lasergeschweißten Fahrzeugrads, umfassend: - Fertigen einer Felge (10, 10'), die an ihrem Felgentiefbett (16, 16') einen sich zu beabsichtigten Schweißstellen (26, 26') hin verjüngenden Innenumfang ausbildet, - Fertigen einer Radscheibe (20), - Einsetzen der Radscheibe (20) in die Felge (10, 10'), wobei die Radscheibe (20) mit ihrem Außenrand in einem Abschnitt des Felgentiefbetts (16, 16'), der einen verjüngten Innenumfang aufweist, positioniert wird, - Richten eines Schweiß-Laserstrahls (L) auf ausgewählte Schweißstellen (26, 26') innerhalb eines Fügespalts (27) zwischen dem verjüngten Abschnitt des Felgentiefbetts (16, 16') und der Radscheibe (20), um diese ohne zusätzlichen Materialeintrag miteinander zu verschweißen, wobei der Schweiß-Laserstrahl (L) zu dem Fügespalt (27) zwischen Felgentiefbett (16, 16') und Radscheibe (20) ausgerichtet ist und in den Fügespalt eindringt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweiß-Laserstrahl (L) in den Fügespalt (27) zwischen dem verjüngten Abschnitt des Felgentiefbetts (16, 16') und einem an der Radscheibe (20) angeformten Schweißlappen (25) gerichtet und durch die so gebildeten Spaltwände zentriert wird.
Verfahren zur Herstellung eines lasergeschweißten Fahrzeugrads, umfassend: - Fertigen einer Felge (110) mit einem Felgentiefbett (116), - Fertigen einer Radscheibe (120) mit einem Außenrand, - Einsetzen der Radscheibe (120) in die Felge (110) und Verschweißen des Außenrands der Radscheibe mit dem Felgentiefbett (116), dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschweißen des Außenrands der Radscheibe mit dem Felgentiefbett (116) ein Schweiß-Laserstrahl (L), der zur Radachse (A) mit einem Winkel im Bereich von 30 bis 60 Grad, vorzugsweise 40 bis 50 Grad angestellt ist, hin und her pendelnd und in Umfangsrichtung des Rades fortschreitend auf den Außenrands der Radscheibe und auf das Felgentiefbett (116) gerichtet wird, um beide ohne zusätzlichen Materialeintrag mit einer Zickzacknaht miteinander zu verschweißen.