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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
EP 1 640 105 A1 beschrieben, ein Verfahren zum Laserschweißen bekannt. Bei dem Verfahren zum Laserschweißen von Bauteilen aus kohlenstoffhaltigem Stahl wird mithilfe eines ersten Laserstrahls eine Schweißnaht erzeugt. Ein zweiter Laserstrahl ist zum Nachfahren der Schweißnaht für eine Wärmebehandlung der Schweißnaht vorgesehen.
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In der
DE 10 2004 001 166 B4 wird ein Verfahren zum Laserschweißen mit Vor- und/oder Nachwärmung im Bereich der Schweißnaht beschrieben. Das Schweißen und die Wärmebehandlung werden mittels eines einzigen Laserstrahls mit im Wesentlichen gleicher Leistung durchgeführt. Das Schweißen und die Wärmebehandlung werden derart zeitlich beabstandet, dass die Temperaturabnahme der jeweiligen Bestrahlungsfläche vom Zeitpunkt der ersten Bestrahlung bis zum Zeitpunkt der nachfolgenden Bestrahlung weniger als 50 Prozent beträgt. Bei der Wärmebehandlung wird der auf die Bestrahlungsfläche und Zeiteinheit bezogene Laserenergieeintrag durch Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit derart eingestellt, dass die dem Laserstrahl abgewandte Seite der bereits vorhandenen oder zukünftigen Schweißnaht um mindestens 10°C erwärmt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils werden zwei Komponenten aus Metall mittels zumindest einer Schweißeinheit miteinander verschweißt und eine dabei ausgebildete Schweißnaht wird mittels zumindest einer Wärmebehandlungseinheit wärmebehandelt.
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Erfindungsgemäß wird die Schweißnaht am Bauteil im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei das Schweißen und die Wärmebehandlung mit im Wesentlichen feststehenden Einheiten durchgeführt wird, d. h. die zumindest eine Schweißeinheit ist zumindest während des Schweißens im Wesentlichen feststehend und die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit ist zumindest während der Wärmebehandlung im Wesentlichen feststehend. Die beiden Komponenten oder zumindest die miteinander zu verschweißenden Bereiche der beiden Komponenten sind jeweils rotationssymmetrisch ausgebildet, beispielsweise weisen sie einen runden, ovalen oder prismatischen Querschnitt auf. Die beiden Komponenten werden dann derart zueinander positioniert und miteinander verschweißt, dass die Schweißnaht entsprechend der miteinander zu verschweißenden Bereiche der Komponenten ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildet wird, d. h. ein Querschnitt durch das Bauteil entlang der Schweißnaht, senkrecht zu einer Bauteillängsachse, ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Die beiden Komponenten werden während des Schweißens mit derselben Rotationsgeschwindigkeit um die Bauteillängsachse gedreht, um die Schweißnaht mittels der zumindest einen Schweißeinheit auszubilden, und das Bauteil wird während der Wärmebehandlung um die Bauteillängsachse gedreht, um die Schweißnaht und bevorzugt auch an die Schweißnaht angrenzende Wärmeeinflusszonen im Bauteil mittels der zumindest einen Wärmebehandlungseinheit wärmezubehandeln, auch als Anlassen bezeichnet. Die Wärmebehandlung wird erst durchgeführt, nachdem die Schweißnaht vollständig ausgebildet ist. Die Schweißnaht kann dabei durchgängig oder unterbrochen ausgebildet sein.
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Bei solchen Bauteilen, die zumindest eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Schweißverbindung aufweisen, ist oftmals die durch den Fügeprozess entstandene Schweißnaht Schwachpunkt unter dynamischer Belastung. Beim Schweißen wird Material der beiden zu verbindenden Komponenten aufgeschmolzen. Nach der Erstarrung entsteht neben der unvermeidbaren Kerbe an der Schweißwurzel ein aufgehärtetes, nicht entspanntes Schweißgefüge. Die Praxis zeigt, dass unter umlaufender dynamischer Biegebeanspruchung genau diese Schweißnaht bzw. der Schweißwurzelbereich Ausgangsstelle für Schwinganrisse und somit lebensdauerlimitierend sind. Das Verfahren ist beispielsweise zur Herstellung als Nockenwellen ausgebildeter Bauteile verwendbar, wobei die miteinander zu verschweißenden Komponenten zur Ausbildung der Nockenwelle ein Flanschbereich und ein Rohr sind. Bevorzugt wird der Flanschbereich mittels Laserschweißen an das Rohr geschweißt. Unter motorischen Bedingungen tritt eine Umlaufbiegung auf, wobei genau diese Schweißnaht den Schwachpunkt der Nockenwelle darstellt.
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Zur Erhöhung der dynamischen Bauteilfestigkeit bzw. der Lebensdauer des Bauteils, beispielsweise der Nockenwelle, muss genau dieser Schweißnahtbereich optimiert werden. Eine Vermeidung der Kerbwirkung im Bereich der Schweißwurzel, zum Beispiel durch eine Nachbearbeitung, ist aufgrund mangelnder Zugänglichkeit in der Regel nicht möglich, da sich die Schweißwurzel im Bauteilinneren befindet. Daher wird im erfindungsgemäßen Verfahren die Schweißnaht, welche eine Art Härtegefüge darstellt, wärmebehandelt und dadurch entspannt, d. h. die Schweißnaht oder der Schweißnahtbereich des Bauteils wird nach dem Schweißen bei erhöhten Temperaturen angelassen, um eine Erhöhung der Bauteilzähigkeit, eine Reduzierung der Aufhärtung und eine Reduzierung der schädlichen Bauteilzugeigenspannungen zu bewirken. Dies führt zu verbesserten dynamischen Festigkeitswerten.
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Durch ein lokales Anlassen nur im Bereich der Schweißnaht und den angrenzenden Wärmeeinflusszonen mit Hilfe zumindest eines Laserstrahls und/oder zumindest eines Elektronenstrahls kann die Energieeinbringung und damit auch der Bauteilverzug gering gehalten werden. Aufgrund der stark gesunkenen Preise für Laserstrahlquellen wird das Anlassen mittels Laser auch wirtschaftlich interessant, da sich deutliche Einsparungen an Energiekosten und Verschleißteilen erzielen lassen. Des Weiteren ist vorteilhafterweise keine weitere Aufspannung bzw. kein Materialtransport an eine weitere Anlage bzw. an einen weiteren Ofen nötig, da die Wärmebehandlung direkt an der Arbeitsstation erfolgt, in welcher vorher auch das Schweißen durchgeführt wurde.
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Das Verfahren ist sehr wirtschaftlich. Insbesondere für die Wärmebehandlung können ein oder mehrere kostengünstige Laser als Wärmebehandlungseinheiten verwendet werden, welche eine geringere Strahlqualität und/oder Leistung aufweisen, als dies zum Schweißen erforderlich ist. Zudem können speziell für die Wärmebehandlung ausgebildete Laser eingesetzt werden, welche einen breiteren Fokus aufweisen als der oder die zum Schweißen verwendeten Laser, wenn solche als Schweißeinheiten zum Schweißen verwendet werden. Der Fokus der zur Wärmebehandlung eingesetzten Laser entspricht dann beispielsweise in etwa einer Breite einer Wärmeeinflusszone um die Schweißnaht herum, d. h. der Breite der Zone, in welcher das Material des Bauteils durch das Schweißen und den daraus resultierenden Wärmeeintrag beeinflusst wurde. Nachdem das Schweißen abgeschlossen ist und die Wärmebehandlung mit der zumindest einen Wärmebehandlungseinheit durchgeführt wird, kann die Schweißeinheit bereits zum Schweißen eines weiteren Bauteils eingesetzt werden. Bei einem Laser als Schweißeinheit wird hierzu der Laserstrahl mittels einer Strahlweiche an eine andere Arbeitsstation geleitet. Da die Wärmebehandlung eine längere Bearbeitungszeit erfordert als das Schweißen, können auf diese Weise während der Wärmebehandlung des bereits geschweißten Bauteils ein oder mehrere weitere Bauteile geschweißt werden. Zudem ist ein Energieverbrauch der Wärmebehandlung gegenüber einer Wärmebehandlung des gesamten Bauteils in einem Ofen wesentlich geringer.
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Das Verfahren ist einfach in einen bereits vorhandenen Schweißprozess zu integrieren. Dabei ist das Verfahren in einer einzigen Vorrichtung durchzuführen. Ein Transport des Bauteils beispielsweise in einen Ofen zur Wärmebehandlung entfällt. Durch das Verfahren wird die Lebensdauer des Bauteils erhöht, die dynamische Bauteilfestigkeit wird gesteigert und es ist eine Erhöhung konstruktiver Freiheitsgrade ermöglicht. Beispielsweise kann eine Wandstärke des Bauteils verringert werden, wodurch eine Gewichtsreduktion des Bauteils zu erreichen ist. Dies ist insbesondere bei einem als Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs ausgebildeten Bauteil sehr vorteilhaft, da dadurch ein Beitrag zum Leichtbau realisiert wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung zweier zu einem Bauteil miteinander zu verschweißender Komponenten,
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2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Bauteils aus zwei miteinander verschweißten Komponenten,
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3 schematisch eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform eines Bauteils aus zwei miteinander verschweißten Komponenten,
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4 schematisch eine Detailansicht einer zweiten Ausführungsform eines Bauteils aus zwei miteinander verschweißten Komponenten,
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5 schematisch eine Detailansicht einer dritten Ausführungsform eines Bauteils aus zwei miteinander verschweißten Komponenten,
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6 schematisch eine Detailansicht einer vierten Ausführungsform eines Bauteils aus zwei miteinander verschweißten Komponenten,
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7 schematisch eine Detailansicht einer fünften Ausführungsform eines Bauteils aus zwei miteinander verschweißten Komponenten,
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8 schematisch eine Schnittdarstellung eines Bauteils aus zwei miteinander verschweißten Komponenten mit Halterungen der Komponenten,
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9 schematisch eine Schnittdarstellung eines Bauteils aus zwei miteinander verschweißten Komponenten mit Darstellung von Wärmeeinflusszonen, und
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10 schematisch eine Schnittdarstellung eines Bauteils aus zwei miteinander verschweißten Komponenten sowie Halterungen der Komponenten, eine Schweißeinheit und eine Wärmebehandlungseinheit.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Längsschnittdarstellung zweier in einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils 1 miteinander zu verschweißender Komponenten 2, 3 aus Metall. In 2 ist das Bauteil 1, welches aus den beiden miteinander verschweißten Komponenten 2, 3 ausgebildet ist, in einem Längsschnitt gezeigt. Bei dem Bauteil 1 handelt es sich beispielsweise um eine Nockenwelle eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs, wobei als Komponenten 2, 3 zur Ausbildung der Nockenwelle ein Rohr und ein Flanschbereich miteinander verschweißt werden. Die 3 bis 7 zeigen, jeweils in einer Detailansicht eines Schweißnahtbereichs, beispielhaft verschiedene Ausführungsformen der Positionierung der beiden zum Bauteil 1 miteinander verschweißten Komponenten 2, 3.
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Zum Verschweißen werden die beiden Komponenten 2, 3 in einer Rotationsvorrichtung 4 einer Vorrichtung 5 zur Herstellung des Bauteils 1, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung des Bauteils 1, eingespannt und gehaltert. Die Rotationsvorrichtung 4 zur Halterung der Komponenten 2, 3 ist in den 8 und 10 schematisch stark vereinfacht dargestellt. Dabei sind Haltemittel 6 zur Halterung der Komponenten 2, 3 und nach deren Verschweißen zur Halterung des Bauteils 1 durch Pfeile schematisch stark vereinfacht dargestellt. 9 zeigt das Bauteil 1 mit einer durch das Verschweißen ausgebildeten Schweißnaht 7 und Wärmeeinflusszonen 8, welche seitlich der Schweißnaht 7 durch das Schweißen ausgebildet werden. Diese Wärmeeinflusszonen 8 sind Bereiche, in welchen das Material des Bauteils 1 durch das Einbringen von Wärme während des Schweißens beeinflusst und dadurch in seiner Struktur verändert wird. In 10 ist das in der Vorrichtung 5 eingespannte und bereits geschweißte Bauteil 1 dargestellt.
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Im Verfahren werden die beiden Komponenten 2, 3 mittels zumindest einer Schweißeinheit 9 miteinander verschweißt. In 10 ist eine derartige Schweißeinheit 9 schematisch stark vereinfacht dargestellt. Bei den beiden zu verschweißenden Komponenten 2, 3 handelt es sich um im Wesentlichen rotationssymmetrische Teile, so dass durch das Verschweißen auch die Schweißnaht 7 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet wird. D. h. die beiden Komponenten 2, 3 werden zum Verschweißen derart positioniert, dass sich eine rotationssymmetrische Schweißzone ergibt. Die durch das Verschweißen ausgebildete Schweißnaht 7 wird, nachdem das Schweißen abgeschlossen ist, mittels zumindest einer Wärmebehandlungseinheit 11 wärmebehandelt. Dabei werden auch Bereiche des Bauteils 1, welche an die Schweißnaht 7 angrenzen und durch den während des Schweißens erfolgten Wärmeeintrag beeinflusst wurden, wärmebehandelt. Bei diesen Bereichen handelt es sich um die bereits erwähnten und in 9 dargestellten Wärmeeinflusszonen 8, in welchen die Gefügestruktur des Bauteilmaterials durch die Wärmebeeinflussung verändert wurde. In 10 ist eine solche zur Wärmebehandlung verwendeten Wärmebehandlungseinheit 11 schematisch stark vereinfacht dargestellt.
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Die Vorrichtung 5 zur Durchführung des Verfahrens weist mindestens eine Arbeitsstation auf, an welcher die Rotationsvorrichtung 4 zur Aufnahme der beiden zu verschweißenden Komponenten 2, 3, zumindest eine Schweißeinheit 9 zum Verschweißen der beiden Komponenten 2, 3 und zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 zur Wärmebehandlung der Schweißnaht 7 bzw. des Schweißnahtbereichs inklusive der Wärmeeinflusszonen 8 angeordnet sind. Um das Bauteil 1 gemäß dem Verfahren auszubilden, werden die beiden zu verschweißenden Komponenten 2, 3 in die Rotationsvorrichtung 4 eingespannt, wie in 8 schematisch gezeigt. Dazu weist die Rotationsvorrichtung 4 die durch Pfeile angedeuteten Haltemittel 6 auf, welche eine exakte radiale und axiale Positionierung und ein festes Einspannen der beiden Komponenten 2, 3 und später des ausgebildeten Bauteils 1 in der Rotationsvorrichtung 4 sicherstellen.
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Anschließend werden die beiden Komponenten 2, 3 mit derselben Rotationsgeschwindigkeit um ihre jeweilige Rotationsachse gedreht, welche der Bauteillängsachse 10 des auszubildenden Bauteils 1 entspricht. Das Drehen der beiden Komponenten 2, 3 und des durch das Verschweißen ausgebildeten Bauteils 1 ist in 10 durch einen Rotationspfeil P dargestellt.
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Für die Drehbewegung weist die Rotationsvorrichtung 4 zweckmäßigerweise lediglich einen Antrieb auf, so dass die beiden Komponenten 2, 3 zwangsläufig mit derselben Rotationsgeschwindigkeit gedreht werden. Eine Relativbewegung der beiden Komponenten 2, 3 zueinander findet somit nicht statt, da sich die beiden Komponenten 2, 3 mit derselben Rotationsgeschwindigkeit um dieselbe Achse drehen, so dass das Verschweißen der Komponenten 2, 3 ermöglicht ist. Zum Verschweißen sind die beiden Komponenten 2, 3 in der Rotationsvorrichtung 4 derart zueinander positioniert, dass ihre aneinander zu schweißenden Bereiche einander zugewandt sind und aneinander anliegen oder vorgegeben beabstandet sind, um das Verschweißen zu ermöglichen.
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Beispielhafte Positionierungen der beiden Komponenten 2, 3 zueinander sind in den 3 bis 7 dargestellt, wobei hier jeweils nur ein Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer Rohrwandung des durch das Verschweißen ausgebildeten Bauteils 1 im Bereich der Schweißnaht 7 dargestellt ist. Die beiden Komponenten 2, 3 sind hier jeweils bereits miteinander verschweißt. So sind die beiden Komponenten 2, 3 in 3 mit ihren Stirnseiten relativ nah zueinander positioniert und in 4 etwas weiter beabstandet, so dass sich in 4 eine über ihre Tiefenausdehnung hinweg etwas breitere Schweißnaht 7 ergibt. In 3 geht die Schweißnaht 7 nur teilweise durch, in 4 geht die Schweißnaht 7 ganz durch. Die Schweißnaht 7 ist jeweils der durch das Schweißen aufgeschmolzene Bereich der beiden Komponenten 2, 3, an welchen sich die in den 3 bis 7 nicht dargestellten Wärmeeinflusszonen 8 anschließen.
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In den 5 und 6 sind die Komponenten 2, 3 radial versetzt und axial ineinandergeschoben angeordnet, d. h. die Komponenten 2, 3 weisen einen unterschiedlichen Durchmesser auf, wobei ein Außendurchmesser der dünneren Komponente 3 zweckmäßigerweise mit einem Innendurchmesser der dickeren Komponente 2 korrespondiert, so dass die dünnere Komponente 3 in die dickere Komponente 2 eingeschoben werden kann, wodurch die Komponenten 2, 3 aneinander anliegen und miteinander verschweißt werden können. In 5 werden die beiden Komponenten 2, 3 in einem von den Stirnseiten beabstandeten Bereich miteinander verschweißt, so dass sich die Schweißnaht 7 durch die dickere und dadurch außen angeordnete Komponente 2 hindurch und in die dünnere und dadurch innen angeordnete Komponente 3 hinein erstreckt. In 6 werden die Komponenten 2, 3 im Bereich der Stirnseite der dickeren, außen angeordneten Komponente 2 verschweißt, so dass sich die Schweißnaht 7 über einen inneren Randbereich der Stirnseite der außen angeordneten Komponente 2 und in die innen angeordnete Komponente 3 hinein erstreckt.
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In 7 weist die erste Komponente 2 eine Reduzierung ihres Außendurchmessers auf, wodurch eine Stufe zwischen einem Bereich mit großem Außendurchmesser und einem Bereich mit reduziertem Außendurchmesser ausgebildet ist. Die zweite Komponente 3 weist einen Innendurchmesser auf, welcher mit diesem reduzierten Außendurchmesser korrespondiert, so dass diese zweite Komponente 3 auf den Bereich mit reduziertem Außendurchmesser der ersten Komponente 2 aufgeschoben und bis an die Stufe herangeschoben werden kann. Der Außendurchmesser der zweiten Komponente 3 ist geringer als der große Außendurchmesser der ersten Komponente 2, so dass die Komponenten 2, 3 im Bereich der Stufe, in welchem sie aneinander anliegen, verschweißt werden. Die Schweißnaht 7 erstreckt sich dabei über einen Außenrandbereich der an der ersten Komponente 2 anliegenden Stirnseite der zweiten Komponente 3 und in den Bereich mit größerem Außendurchmesser der ersten Komponente 2 hinein.
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Die zumindest eine Schweißeinheit 9 der Vorrichtung 5 ist zumindest während des Schweißens im Wesentlichen feststehend in der Vorrichtung 5 angeordnet, d. h. fest auf den zu verschweißenden Bereich der beiden Komponenten 2, 3 ausgerichtet. Vorzugsweise weist die Vorrichtung 5 eine Mehrzahl von Schweißeinheiten 9 auf, welche um den Umfang der beiden Komponenten 2, 3 vorzugsweise gleichmäßig verteilt positioniert sind. Beispielsweise weist die Vorrichtung 5 zwei Schweißeinheiten 9 auf, welche sich gegenüberliegend positioniert sind, oder mehr als zwei Schweißeinheiten 9, welche beispielsweise sternförmig um die zu verschweißenden Komponenten 2, 3 positioniert sind.
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Die zumindest eine Schweißeinheit 9 oder bevorzugt die mehreren Schweißeinheiten 9 ist/sind jeweils beispielsweise als Laserstrahlschweißeinheiten, als Laserhybridschweißeinheiten, als Elektronenstrahlschweißeinheiten, als Kondensatorentladungsschweißeinheiten oder als Metallschutzgasschweißeinheiten ausgebildet, so dass die beiden Komponenten 2, 3 entsprechend durch Laserschweißen, Laserhybridschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Kondensatorentladungsschweißen (KE) oder Metallschutzgasschweißen, d. h. durch Metallschweißen mit inerten Gasen (MIG-Schweißen) oder mit aktiven, also reaktionsfähigen Gasen (MAG-Schweißen) verschweißt werden. Der Schweißprozess kann mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoff erfolgen. Dies ist beispielsweise abhängig vom jeweiligen Schweißverfahren. Das Verfahren eignet sich insbesondere für Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von bis ca. 0,25 Gewichtsprozent. Bei einem höheren Kohlenstoffgehalt ist die Schweißbarkeit nur noch eingeschränkt möglich und muss durch zusätzliche Maßnahmen erreicht werden.
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Zum Verschweißen werden die Komponenten 2, 3 mittels der Rotationsvorrichtung 4 gedreht und somit relativ zu der zumindest einen feststehenden Schweißeineinheit 9 oder den mehreren feststehenden Schweißeinheiten 9 bewegt, so dass die Schweißnaht 7 durch die zumindest eine Schweißeinheit 9 bzw. durch die mehreren Schweißeinheiten 9 ausgebildet wird. Ist das Schweißen beendet, so wird die ausgebildete Schweißnaht 7 und zweckmäßigerweise die an die Schweißnaht 7 angrenzenden Wärmeeinflusszonen 8 wärmebehandelt. Hierzu weist die Vorrichtung 5 zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 auf, welche zumindest während der Wärmebehandlung im Wesentlichen feststehend in der Vorrichtung 5 angeordnet ist, d. h. fest auf das durch die miteinander verschweißten Komponenten 2, 3 ausgebildete Bauteil 1 ausgerichtet ist. Vorzugsweise weist die Vorrichtung 5 eine Mehrzahl von Wärmebehandlungseinheiten 11 auf, welche um den Umfang des Bauteils 1 vorzugsweise gleichmäßig verteilt positioniert sind. Beispielsweise weist die Vorrichtung 5 zwei Wärmebehandlungseinheiten 11 auf, welche sich gegenüberliegend positioniert sind, oder mehr als zwei Wärmebehandlungseinheiten 11, welche beispielsweise sternförmig um das Bauteil 1 positioniert sind. Um die Anordnung und Ausrichtung der Schweißeinheiten 9 und Wärmebehandlungseinheiten 11 nicht zu behindern, sind die einzelnen Einheiten 9, 11 um den Umfang der Komponenten 2, 3 bzw. um den Umfang des durch Verschweißen der Komponenten 2, 3 ausgebildeten Bauteils 1 herum versetzt zueinander angeordnet, wie in 10 dargestellt.
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Die eine oder mehreren Schweißeinheiten 9 und/oder die eine oder mehreren Wärmebehandlungseinheiten 11 können, insbesondere bei einer Ausbildung als Lasereinheiten, beispielsweise senkrecht zur Bauteiloberfläche bzw. zur Oberfläche der Komponenten 2, 3 ausgerichtet sein oder in einem anderen Winkel, beispielsweise schräg.
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Die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit 11 oder die bevorzugt mehreren Wärmebehandlungseinheiten 11 ist/sind zweckmäßigerweise jeweils als Lasereinheit oder als Elektronenstrahleinheit ausgebildet. Durch die Verwendung unterschiedlicher Einheiten 9, 11 zum Schweißen und zur Wärmebehandlung können zum Schweißen hochwertige Laserschweißeinheiten verwendet werden, wodurch ein hoher Energieeintrag und ein gutes Schweißergebnis ermöglicht sind. Zudem können auf diese Weise zum Schweißen auch andere Schweißverfahren eingesetzt werden, welche entsprechend andere Schweißeinheiten 9 erfordern, welche nicht als Laser- oder Elektronenstrahleinheiten ausgebildet sind, wie oben bereits geschildert. Für die Wärmebehandlung können kostengünstigere und weniger energiestarke Laser- oder Elektronenstrahleinheiten mit geringerer Strahlqualität verwendet werden, zum Beispiel Diodenlaser. Zudem ist zur Wärmebehandlung bei der Verwendung von Lasereinheiten ein breiterer Fokus erforderlich, um nicht nur die Schweißnaht 7 selbst, sondern auch die in 9 dargestellten Wärmeeinflusszonen 8 neben der Schweißnaht 7 wärmezubehandeln. Die Fokusbreite entspricht dabei zweckmäßigerweise in etwa der Breite der Wärmeeinflusszonen 8, d. h. der Breite der Schweißnaht 7 zusätzlich der an die Schweißnaht 7 seitlich angrenzenden Wärmeeinflusszonen 8.
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Um sowohl ein optimales Schweißergebnis als auch ein optimales Wärmebehandlungsergebnis zu ermöglichen, sind an der Rotationsvorrichtung 4 der Vorrichtung 5 zweckmäßigerweise verschiedene Rotationsgeschwindigkeiten einstellbar. So sind die Komponenten 2, 3 zum Verschweißen zweckmäßigerweise mit einer geringeren Rotationsgeschwindigkeit zu drehen als das Bauteil 1 während der Wärmebehandlung. Während des Schweißens werden die Komponenten 2, 3 beispielsweise relativ langsam und um zum Beispiel lediglich eine Umdrehung gedreht, um die Schweißnaht 7 mit einer Schweißeinheit 9 auszubilden, oder lediglich um eine Teilumdrehung bei einem Einsatz mehrerer Schweißeinheiten 9. Dabei wird die Rotationsgeschwindigkeit aus Taktzeitgründen so hoch gewählt, wie dies zur Erreichung eines guten Schweißergebnisses möglich ist. Diese Rotationsgeschwindigkeit ist jedoch sehr viel langsamer als die für die Wärmebehandlung optimale Rotationsgeschwindigkeit.
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Während der Wärmebehandlung wird das Bauteil 1, um einen gleichmäßigen Wärmeeintrag im Bereich der Schweißnaht 7 und der Wärmeeinflusszonen 8 zu ermöglichen, zweckmäßigerweise schneller als beim Schweißen und mehrfach gedreht. Auf diese Weise kann der Wärmeeintrag auch mit geringerer Energie erfolgen. Die Rotationsgeschwindigkeit kann auf diese Weise als eine zentrale Steuer- und/oder Regelgröße verwendet werden.
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Daher ist es vorteilhaft, das Schweißen, welches nur eine kurze Bearbeitungszeit von beispielsweise lediglich einigen Sekunden erfordert, und die Wärmebehandlung, welche eine wesentlich längere Bearbeitungszeit erfordert, um mittels Wärmeleitung eine entsprechende Temperatur unter der Oberfläche des Bauteils 1 zu erreichen, nacheinander durchzuführen, d. h. die Wärmebehandlung erst, nachdem das Schweißen beendet ist, denn eine gleichzeitige Wärmebehandlung mit einer für das Schweißen optimalen Rotationsgeschwindigkeit hätte keinen oder nur einen sehr geringen Erfolg der Wärmebehandlung zur Folge, da dann ein inhomogener, ungleichmäßiger und lokal eng begrenzter Wärmeeintrag erfolgt, der zum Verziehen des Bauteils 1 führen könnte. Durch die Wärmebehandlung als eigener Arbeitsgang werden im Gegensatz dazu aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit und der Mehrzahl von Umdrehungen ein homogener, gleichmäßiger Wärmeeintrag und eine gleichmäßige und tiefe Wärmeverteilung über den gesamten Schweißnahtbereich des Bauteils 1 hinweg erreicht, inklusive der Wärmeeinflusszonen 8. Dadurch werden ein gleichmäßiges Anlassergebnis und eine gleichmäßige Eigenspannungsausbildung ermöglicht.
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Ein weiterer Vorteil der Verwendung unterschiedlicher Einheiten 9, 11 für das Schweißen und die Wärmebehandlung liegt darin, dass während der Wärmebehandlung des Bauteils 1 in der Arbeitsstation, welche eine deutlich längere Bearbeitungszeit als das Schweißen erfordert, bereits in einer oder mehreren weiteren Arbeitsstationen mittels der zumindest einen Schweißeinheit 9 der Vorrichtung 5 oder bevorzugt mittels der mehreren Schweißeinheiten 9 weitere Komponenten 2, 3 zu Bauteilen 1 verschweißt werden können. D. h. nach dem Schweißen wird die Schweißeinheit 9 oder werden die mehreren Schweißeinheiten 9 auf eine andere Arbeitsstation gerichtet, an welcher sie während des Schweißvorgangs ebenfalls wieder im Wesentlichen feststehend sind. Bei Laserschweißeinheiten ist dies zum Beispiel auf einfache Weise mittels einer Strahlweiche zu realisieren, welche den Laserstrahl der jeweiligen Laserschweißeinheit auf eine andere Arbeitsstation ausrichtet.
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So weist die Vorrichtung 5 beispielsweise zwei oder drei oder mehr Arbeitsstationen auf, wobei jede Arbeitsstation mit kostengünstigen Wärmebehandlungseinheiten 11 ausgerüstet ist, beispielsweise kostengünstigen Lasereinheiten mit geringer Energie. Des Weiteren weist die Vorrichtung 5 eine oder mehrere Schweißeinheiten 9 auf, welche auf die einzelnen Arbeitsstationen auszurichten sind und dort während des Schweißvorgangs im Wesentlichen feststehend sind. Es sind daher wesentlich weniger der kostenintensiven Schweißeinheiten 9 erforderlich, welche beispielsweise als kostenintensive hochwertige Laserschweißeinheiten mit einer hohen Brillanz und Strahlqualität ausgebildet sind. Zudem ist dadurch ein schneller und rationeller Produktionsablauf ermöglicht, wobei beispielsweise nacheinander in drei Arbeitsstationen Komponenten 2, 3 zu Bauteilen 1 verschweißt werden und danach wärmebehandelt werden, wobei die Wärmebehandlung des Bauteils 1 in der ersten Arbeitsstation abgeschlossen ist, nachdem das weitere Bauteil 1 in der letzten Arbeitsstation geschweißt ist. Die erste Arbeitsstation ist dann mit neuen Komponenten 2, 3 zu bestücken und die Schweißeinheiten 9 können wieder bei der ersten Arbeitsstation mit dem Schweißen beginnen. Ein Stillstand der Schweißeinheiten 9 während der Wärmebehandlung ist somit vermieden.
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Bei derartigen Bauteilen 1, die zumindest eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Schweißverbindung aufweisen, ist ohne die beschriebene Wärmebehandlung oftmals die durch den Fügeprozess entstandene Schweißnaht 7 Schwachpunkt unter dynamischer Belastung. Beim Schweißen wird Material der beiden zu verbindenden Komponenten 2, 3 aufgeschmolzen. Nach der Erstarrung entsteht neben der unvermeidbaren Kerbe an der Schweißwurzel ein aufgehärtetes, nicht entspanntes Schweißgefüge. Die Praxis zeigt, dass unter umlaufender dynamischer Biegebeanspruchung genau diese Schweißnaht 7 bzw. der Schweißwurzelbereich Ausgangsstelle für Schwinganrisse und somit lebensdauerlimitierend sind. Dies gilt insbesondere beim Fügen von gebauten Nockenwellen durch Schweißen des Flanschbereiches an das Rohr, bevorzugt durch Laserschweißen. D. h. das als Nockenwelle ausgebildete Bauteil 1 wird durch Verschweißen des Flanschbereichs mit dem Rohr ausgebildet. Unter motorischen Bedingungen (Umlaufbiegung) stellt genau diese Schweißnaht 7 den Schwachpunkt dar.
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Zur Erhöhung der dynamischen Bauteilfestigkeit bzw. der Lebensdauer des Bauteils 1, beispielsweise der Nockenwelle, muss genau dieser Bereich optimiert werden. Eine Vermeidung der Kerbwirkung im Bereich der Schweißwurzel, zum Beispiel durch eine Nachbearbeitung, ist aufgrund der Zugänglichkeit nicht möglich, da sich die Schweißwurzel im Bauteilinneren des hohlen Rohres befindet.
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Daher wird die beim Schweißen erzeugte Schweißnaht 7, welche eine Art Härtegefüge darstellt, auf die beschriebene Weise durch die nachfolgende Wärmebehandlung entspannt, d. h. die Schweißnaht 7 wird bei erhöhten Temperaturen nachträglich angelassen, um eine Erhöhung der Bauteilzähigkeit, eine Reduzierung der Aufhärtung und eine Reduzierung der schädlichen Bauteilzugeigenspannungen zu bewirken. Dies führt zu verbesserten dynamischen Festigkeitswerten. Auf diese Weise wird der Schweißnahtbereich nicht geometrisch, sondern werkstofftechnisch optimiert. Durch das Anlassen wird die Bauteilzähigkeit erhöht und schädliche Bauteileigenspannungen werden reduziert, um erhöhte dynamische Festigkeitskennwerte zu erzielen.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dieses Anlassen in einem Ofen oder mittels Induktion durchzuführen. Nachteilig hierbei sind einerseits die hohe Wärmeeinbringung und damit der Verzug des Bauteils 1, gegebenenfalls auch die Verzunderung am Bauteil 1. Des Weiteren ist der Materialtransport von der Schweißanlage zur Anlassstation logistisch aufwändig und kostenintensiv. Zudem tritt bei einer Erwärmung durch Induktion ein hoher Verschleiß der Induktoren auf. Mittels des beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung 5 zu dessen Durchführung wird dies verhindert, da das Anlassen, d. h. die Wärmebehandlung, in derselben Aufspannung wie das Schweißen durchgeführt werden, d. h. das Bauteil 1 bleibt in der Arbeitsstation und in der Rotationsvorrichtung 4 eingespannt. Die Wärmebehandlung kann direkt nach dem Schweißen ohne einen Transport des Bauteils 1 oder ein Neueinspannen des Bauteils 1 erfolgen. Daraus resultiert eine kürzere Verarbeitungszeit und logistisch sowie zeitlich aufwändige und kostenintensive Materialtransporte sind vermieden.
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Durch ein lokales Anlassen nur im Bereich der Schweißnaht 7, inklusive der Wärmeeinflusszonen 8, mit Hilfe zumindest eines Laser- oder Elektronenstrahls, d. h. mit Hilfe einer oder mehrerer Lasereinheiten oder Elektronenstrahleinheiten als Wärmebehandlungseinheiten 11, kann die Energieeinbringung und damit auch der Bauteilverzug gering gehalten werden. Aufgrund der stark gesunkenen Preise für Laserstrahlquellen wird das Anlassen mittels Laser auch wirtschaftlich interessant, da sich deutliche Einsparungen an Energiekosten und Verschleißteilen erzielen lassen. Des Weiteren ist, wie bereits beschrieben, keine weitere Aufspannung bzw. kein Materialtransport an eine weitere Anlage bzw. an einen Ofen nötig.
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Das Verfahren ist sehr wirtschaftlich und kostengünstig, da für die Wärmebehandlung kostengünstige Lasereinheiten verwendet werden können. Zudem ist das Verfahren auf einfache Weise in einen bereits vorhandenen Schweißprozess zu integrieren, beispielsweise durch die Installation einer oder mehrerer Wärmebehandlungseinheiten 11. Im Vergleich zu induktiver Erwärmung mit einem hohen Verschleiß der Induktoren tritt bei dem Verfahren mit als Lasereinheiten oder Elektronenstrahleinheiten ausgebildeten Wärmebehandlungseinheiten 11 ein wesentlich geringerer Verschleiß auf. Ein Energieverbrauch ist, insbesondere im Vergleich zu einer Wärmebehandlung in einem Ofen, wesentlich geringer.
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Mittels des Verfahren ist eine Lebensdauer des Bauteils 1 erhöht, eine dynamische Bauteilfestigkeit ist gesteigert und konstruktive Freiheitsgrade sind erhöht, beispielsweise ist eine Verringerung einer Wandstärke und somit eine Verringerung des Gewichts ermöglicht. Diese Gesichtspunkte spielen insbesondere bei einem als Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs ausgebildeten Bauteil 1 eine erhebliche Rolle. Durch das Verfahren ist somit auch ein Beitrag zum Leichtbau ermöglicht und Motorschäden durch eine zerstörte Nockenwelle werden vermieden oder zumindest auf ein Minimum reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1640105 A1 [0002]
- DE 102004001166 B4 [0003]
