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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verwendung eines Laserschweißverfahrens. Die Erfindung betrifft außerdem eine Motorkomponente mit zumindest zwei mit einem derartigen Laserschweißverfahren miteinander verschweißten Teilen.
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Der Stahl-Innovationspreis 2012 wurde an das Fraunhofer Institut für physikalische Messtechnik in Freiburg, an das Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart sowie das Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik der technischen Universität Dresden verliehen, da diesen die Regelung eines Laserschweißverfahrens in Echtzeit und damit auch ein exaktes Einstellen einer Schweißtiefe bei einem Laserschweißverfahren gelungen war. In einem im Internet darüber veröffentlichten Artikel wird dabei beschrieben, dass zur Realisierung des ausgezeichneten Laserschweißverfahrens eine neuartige Bildverarbeitungstechnologie eingesetzt wurde. Bei dieser ist in jedes der insgesamt 25000 Pixel des Aufnahmechips der Kamera ein eigener Mikroprozessor integriert, wobei die Mikroprozessoren über sogenannte zellulare neuronale Netzwerke miteinander verknüpft sind und die gewonnenen Bilddaten parallel verarbeiten können. Mit Bildraten von 14 kHz ist dabei eine statistische Analyse des Durchschweißloches innerhalb der Reaktionszeit des Schweißprozesses möglich. Hierdurch kann eine speziell entwickelte Regelstrategie die Laserleistung bei Prozessschwankungen wie verschmutzter Laseroptik oder Veränderung der Fokuslage erstmals in Echtzeit anpassen, so dass immer nur exakt so viel Laserleistung abgerufen wird, dass der gesamte Querschnitt der Fügeteile für die maximale Festigkeit genutzt wird. Dies soll nicht nur die Qualität der Schweißverbindung verbessern, da Leistungsüberschüsse und somit Schweißrauchen und Spritzer vermieden werden, sondern es soll auch den Energieeinsatz um ca. 5 % senken. Mit dem bekannten Laserschweißverfahren ist auch das geregelte Einschweißen bei Überlappverbindungen möglich, wobei gerade so weit in beispielsweise ein Unterblech geschweißt wird, dass dessen Unterseite nicht verletzt und sich später ohne optische Beeinträchtigung lackieren lässt.
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Beim Einsatz des ausgezeichneten Laserschweißverfahrens in der Karosseriefertigung, insbesondere in dem Fügen von verzinkten Stahlblechen bleibt zudem die Korrosionsschutzwirkung an der Unterseite vollständig erhalten, da hier keinerlei Zink verdampft. Eine derartige Echtzeitregelung war mit bisherigen Bildraten von 1–2 kHz unter Verwendung von Fotodioden nicht möglich.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, zwei Teile einer Motorkomponente so miteinander zu verschweißen, dass insbesondere spezielle Beschichtungen an einer Rück-/Unterseite zumindest eines der beiden miteinander zu verschweißenden Teile nicht beschädigt werden.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das mit dem Stahl-Innovationspreis 2012 ausgezeichnete Laserschweißverfahren mit geregelt einstellbarer Schweißtiefe erstmals zum miteinander Verschweißen zweier Teile einer Motorkomponente, beispielsweise einer Nockenwelle oder eines Ventils oder eines Kolbens, zu verwenden. Bei den bisher zum miteinander Verschweißen solcher Teile eingesetzten Schweißverfahren, insbesondere Laserschweißverfahren, war eine Einstellung der Schweißtiefe nicht oder nur sehr grob möglich, worunter nicht nur die Qualität der Schweißverbindung litt, sondern zudem auch Beschichtungen auf einer Rück- bzw. Unterseite der miteinander zu verschweißenden Teile aufgeschmolzen und damit beschädigt wurde. Durch die erfindungsgemäße Verwendung des bekannten Laserschweißverfahrens mit einstellbarer Schweißtiefe kann die Schweißverbindung ohne zusätzliches Material hergestellt werden, wobei zugleich auch ein geringerer Wärmeeintrag realisiert werden kann, was wiederum zu einem geringeren Verzug führt. Hierdurch kann insbesondere die Maßhaltigkeit der beiden miteinander zu verschweißenden Teile positiv beeinflusst werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird mit dem Laserschweißverfahren mit geregelt einstellbarer Schweißtiefe ein Ventilboden mit einem zugehörigen Ventilschaft und/oder einer zugehörigen Ventilkehle verschweißt. Die Motorkomponente ist in diesem Fall als Ventil einer Brennkraftmaschine ausgebildet, wogegen die beiden miteinander zu verschweißenden Teile als Ventilboden bzw. Ventilschaft und/oder Ventilkehle ausgebildet sind. Durch die erfindungsgemäße Verwendung des bekannten und ausgezeichneten Laserschweißverfahrens ist es hierbei erstmals möglich, einen Ventilboden derart mit einer Ventilkehle eines Ventils einer Brennkraftmaschine zu verschweißen, dass insbesondere eine im Bereich des Ventilbodens bzw. im Bereich der Ventilkehle aufgebrachte Beschichtung nicht beschädigt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird das bekannte Laserschweißverfahren erstmals zum Verschweißen einer Kühlkanalabdeckung mit einem Kolbenteil eines Kolbens einer Brennkraftmaschine verwendet. Auch hier ist unter dem erfindungsgemäßen erstmaligen Einsatz des bekannten Laserschweißverfahrens mit geregelt einstellbarer Schweißtiefe erstmals das Einstellen der Schweißtiefe derart möglich, dass eine Innenwandung des Kühlkanals unbeschädigt bleibt.
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Das ausgezeichnete Verfahren kann gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Verwendung auch zum Verschweißen einer Ventilkehle mit einem zugehörigen Ventilschaft oder zum Verschweißen eines Stopfens mit einem Nockenwellenrohr einer Nockenwelle verwendet werden. Auch in diesen Bereichen bzw. bei diesen Motorkomponenten ist die erfindungsgemäße Verwendung des Laserschweißverfahrens von besonderem Vorteil, da nicht nur eventuell aufgetragene Beschichtungen auf einer Rück- bzw. Unterseite unbeschädigt bleiben, sondern zugleich auch ein geringerer Wärmeeintrag realisierbar ist, was zu einem geringeren Verzug führt, was insbesondere bei Motorkomponenten mit hoher Maßhaltigkeit von großem Vorteil ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Motorkomponente als Kolbenteil, beispielsweise als Kolbenoberteil, ausgebildet, wogegen das mit dem Kolbenteil unter Verwendung des ausgezeichneten Laserschweißverfahrens zu verschweißende Teil als Kühlkanalabdeckung ausgebildet ist. Dabei kann mittels des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens die Schweißtiefe so eingestellt werden, dass diese geringer ist als die Tiefe der beiden miteinander zu verschweißenden Teile, so dass eine Innenoberfläche des Kühlkanals nicht aufgeschmolzen wird und dadurch unbeschädigt bleibt. Die Schweißtiefe kann dabei auch nahezu der Tiefe der beiden miteinander zu verschweißenden Teile entsprechen, wobei die Aufschmelzung in Schweißrichtung von einem Materialwulst begrenzt ist. Mit dem verwendeten Laserschweißverfahren wird die exakte Regelung der Schweißtiefe genutzt, um eine möglichst geringe Abspaltung von Partikeln aus der Schmelze im Vergleich zu einem ungeregelten Schweißen zu erzielen. Der Materialwulst verhindert dann das Austreten der wenigen Partikeln in den Raum auf der Rückseite, beispielsweise in den Kühlkanal. Vorteilhaft ist hierbei, dass prozesssicher geschweißt werden kann, was bei konventionellen Schweißverfahren nicht möglich ist, da eben nicht sicher absehbar ist, ob der Materialwulst auch noch durchgeschweißt wird. Dies hat positive Einflüsse auf die Festigkeit, Kerbwirkung, etc..
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 die Verwendung eines Laserschweißverfahrens mit einstellbarer Schweißtiefe zum Verschweißen eines Stopfens mit einem Nockenwellenrohr einer Nockenwelle,
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2a die Verwendung eines Laserschweißverfahrens mit einstellbarer Schweißtiefe zum Verschweißen eines Ventilbodens mit einem Ventilschaft und einer Ventilkehle,
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2b eine Darstellung wie in 2a, jedoch zusätzlich zum Verschweißen einer Ventilkehle mit einem Ventilschaft,
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2c eine Darstellung wie in 2b, jedoch mit umgekehrt verschweißtem Ventilboden und Ventilkehle,
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3a–d die Verwendung des Laserschweißverfahrens zum miteinander Verschweißen einer Kühlkanalabdeckung mit einem Kolbenteil eines Kolbens einer Brennkraftmaschine.
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Entsprechend der 1, wird ein Stopfen 1 mit einem Nockenwellenrohr 2 einer Nockenwelle 3 unter Verwendung eines mit dem Stahl-Innovationspreis 2012 ausgezeichneten Laserschweißverfahrens verschweißt. Das ausgezeichnete Laserschweißverfahren ermöglicht dabei die exakte Einstellung einer Schweißtiefe t und zwar insbesondere in Echtzeit. Das heißt, die Schweißtiefe t kann insbesondere in Echtzeit angepasst werden. Hierdurch ist nicht nur ein energiearmes Verschweißen der beiden Teile 1 und 2 miteinander möglich, sondern es kann zugleich auch ein Durchschweißen vermieden werden.
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Gemäß der 2a ist die Motorkomponente als Ventil 4 bei einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine ausgebildet, wobei ein Ventilboden 5 mit einem Ventilschaft 6 und einer Ventilkehle 7 unter Verwendung des ausgezeichneten Laserschweißverfahrens verschweißt ist. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass beispielsweise die Schweißtiefe t so eingestellt wird, dass zwar der Ventilboden 5 aufgeschmolzen die Ventilkehle 7 jedoch nicht gänzlich aufgeschmolzen wird, so dass eine im Bereich der Ventilkehle 7 angeordnete Beschichtung 8 unbeschädigt bleibt. Die Schweißtiefe t ist somit geringer als die Tiefe T der beiden miteinander zu verschweißenden Teile. Gemäß den 2b und 2c ist auch die Ventilkehle 7 als separates Bauteil ausgebildet und wird mit dem Ventilschaft 6 bzw. dem Ventilboden 5 verschweißt. Auch hier kann an den jeweiligen Schweißstellen 9 die Schweißtiefe t so eingestellt werden, dass eine Rückseite zumindest eines der miteinander zu verschweißenden Teile 5, 7 keine Aufschmelzung erfährt und dadurch in unverändertem Zustand verbleibt.
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Gemäß den 3a bis 3c ist die Motorkomponente als Kolbenteil 10, beispielsweise als Kolbenoberteil, ausgebildet, wogegen das mit dem Kolbenteil 10 unter Verwendung des ausgezeichneten Laserschweißverfahrens zu verschweißende Teil als Kühlkanalabdeckung 11 ausgebildet ist. Auch hier kann durch die erfindungsgemäße Verwendung des ausgezeichneten Laserschweißverfahrens die Schweißtiefe t so eingestellt werden, dass diese geringer ist als die Tiefe T der beiden miteinander zu verschweißenden Teile und damit eine Innenoberfläche des Kühlkanals 12 nicht aufgeschmolzen wird und dadurch unbeschädigt bleibt. Gemäß der 3c besitzt dabei die Kühlkanalabdeckung 11 einen in den Kühlkanal 12 hineinragenden Zapfen 13, der der zusätzlichen Wärmeabführung dient.
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Die Schweißtiefe t kann dabei auch nahezu der Tiefe T der beiden miteinander verschweißten Teile 10, 11 entsprechen, wobei die Aufschmelzung in Schweißrichtung 15 von einem Materialwulst 14 begrenzt ist, wie dies gemäß den 3c und 3d gezeigt ist. Der Materialwulst 14 kann sich an einem der beiden miteinander verschweißten Teile 10, 11 befinden, wie gezeigt, oder aber an einem dritten Teil.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung des Laserschweißverfahrens mit einstellbarer Schweißtiefe t ist es erstmals möglich, einzelne Teile von Motorkomponenten äußerst exakt und unter deutlich reduziertem Wärmeeintrag miteinander zu verschweißen, wodurch nicht nur ein hinsichtlich des auftretenden Verzugs verbessertes Verschweißen ermöglicht wird, sondern zudem auch das bisher in diesem Bereich oftmals eintretende Durchschweißen und verbunden damit die Beschädigungen von Beschichtungen 8 vermieden werden können.
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Mit dem verwendeten Laserschweißverfahren wird die exakte Regelung der Schweißtiefe t genutzt, um eine möglichst geringe Abspaltung von Partikeln aus der Schmelze im Vergleich zu einem ungeregelten Schweißen zu erzielen. Der Materialwulst 14 verhindert dann das Austreten der wenigen Partikeln in den Raum auf der Rückseite, beispielsweise in den Kühlkanal 12. Vorteilhaft ist hierbei, dass prozesssicher geschweißt werden kann, was bei konventionellen Schweißverfahren nicht möglich ist, da eben nicht sicher absehbar ist, ob der Materialwulst 14 auch noch durchgeschweißt wird. Dies hat positive Einflüsse auf die Festigkeit, Kerbwirkung, etc..
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Das verwendete Laserschweißverfahren ist dabei mit dem Stahl-Innovationspreis 2012 ausgezeichnet und im Internet und dem Begriff „Echtzeit-Laserschweißregelung“ ausführlich beschrieben. Weitere Informationen zu dem Laserschweißverfahren sind auch auf den Internetseiten des Fraunhofer-Instituts für physikalische Messtechnik IPM, dem Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart und dem Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik zu finden.
