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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einen Bauteileverbund, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
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Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Praxis bereits bekannt und dient zum Herstellen einer Schweißnaht zwischen zwei Bauteilen. Dabei wird beim Stand der Technik das Material der beiden Bauteile im Bereich der auszubildenden Schweißnaht von einer Seite der beiden Bauteile her aufgeschmolzen. Das bekannte Verfahren ist in der Praxis nur bei Bauteilen anwendbar, die im Bereich der Schweißnaht eine bestimmte Mindestdicke aufweisen. Insbesondere beim Ausbilden von Schweißnähten bei relativ dünnen, aus Metall bestehenden Bauteilen, gemeint sind hier beispielsweise Folien, Bänder, Bleche, Rohre o.ä. Bauteile, die im Bereich der Stumpfnaht eine Dicke zwischen 0,05mm und 2mm aufweisen, ist das bekannte Verfahren jedoch nicht optimal geeignet. Insbesondere kommt es bei dessen Anwendung typischerweise zu qualitätsreduzierenden Fehlern, die sich beispielsweise in Löchern in der Schweißnaht aufgrund eines relativ hohen Energieeintrags, Einschnürungen an den Bauteilekanten bei passendem Energieeintrag oder keiner Verbindung der beiden Bauteile über die gesamte Dicke der Bauteile bei zu geringem Energieeintrag äußern.
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Daher wird in der Praxis bei den angesprochenen, eine relativ geringe Dicke im Bereich der Schweißnaht aufweisenden Bauteile üblicherweise eine I-Schweißnaht an einem Überlappungsstoß zwischen den beiden Bauteilen erzeugt. Jedoch kann es auch hierbei zu qualitätsmindernden Effekten kommen. Darüber hinaus muss ein derartiger Bauteileverbund, wenn dieser insgesamt gesehen eine bestimmte Höchstdicke im Bereich der Schweißnaht nicht überschreiten darf, ggf. aufwendig (mechanisch) nachbearbeitet werden, beispielsweise durch Walzen oder ähnliche Prozesse.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass qualitativ hochwertige Schweißnähte zwischen den Bauteilen erzielt werden können. Insbesondere soll das Verfahren auch dazu dienen, im Bereich der Schweißnaht relativ dünn ausgebildete Bauteile miteinander verschweißen zu können, ohne dass beispielsweise aufwendige Nachbearbeitungen im Bereich der Schweißnaht, wie z.B. Walzen, erforderlich sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Material der beiden Bauteile zur Ausbildung zweier Teilschweißnähte über einen Teilbereich der Dicke der beiden Bauteile von der Oberseite und der Unterseite der Bauteile her aufgeschmolzen wird. Dies hat zur Folge, dass insbesondere die qualitätsmindernden Effekte, die zum Beispiel bei einem relativ hohen Energieeintrag in die Bauteile entstehen, wenn das Material der beiden Bauteile vollständig durch beispielsweise einen Laserstrahl aufgeschmolzen wird, vermieden werden. Dieser positive erfindungsgemäße Effekt lässt sich dadurch erklären, dass sozusagen zwei voneinander getrennte Schweißnähte von beiden Bauteilseiten her ausgebildet werden, wobei die beiden Schweißnähte jeweils nur über einen Teilbereich in der Höhe bzw. Dicke der beiden Bauteile reichen. Somit wird ein vollständiges Aufschmelzen des Materials der beiden Bauteile während eines einzigen Prozessschrittes vermieden. Der Effekt, dass das Material der beiden Bauteile jeweils nur über einen Teilbereich der Höhe bzw. Dicke der beiden Bauteile aufgeschmolzen wird, lässt sich dadurch erzielen, dass entweder (z.B. bei Verwendung einer Laserstrahleinrichtung) ein relativ geringer Energieeintrag von der jeweiligen Seite der Bauteile her erfolgt, die ein vollständiges Aufschmelzen der beiden Bauteile verhindert, oder dass beispielsweise (ebenfalls bei Verwendung eines Laserstrahls) die Einwirkzeit der Energie auf die jeweilige Bauteilseite relativ gering ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die beiden Teilschweißnähte, in denen das Material der Bauteile aufgeschmolzen wird, in etwa die gleiche Schweißnahttiefe aufweisen. Dadurch lassen sich beispielsweise Verzüge an dem aus den beiden Bauteilen hergestellten Bauteileverbund nach dem Erstarren der Schweißnaht vermeiden bzw. minimieren.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Schweißnahttiefen der beiden Teilschweißnähte zusammen mindestens der Dicke der beiden Bauteile im Bereich der Stirnseiten entspricht. Dadurch ist sichergestellt, dass das Material der beiden Bauteile über deren gesamte Höhe bzw. Dicke aufgeschmolzen wird bzw. dass die Schweißnaht über die gesamte Bauteilhöhe ausgebildet wird. Dadurch lassen sich besonders feste Verbindungen zwischen den beiden Bauteilen herstellen.
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Um zu vermeiden, dass das Material der beiden Bauteile zu einem bestimmten Zeitpunkt über deren gesamte Dicke bzw. Höhe aufgeschmolzen ist, ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Ausbilden der beiden Teilschweißnähte zeitlich und/oder örtlich voneinander getrennt erfolgt, derart, dass das Material einer ersten Teilschweißnaht erstarrt ist, bevor das Aufschmelzen des Materials der zweiten Teilschweißnaht erfolgt.
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Besonders bevorzugt ist es, das Aufschmelzen des Materials der beiden Bauteile mittels wenigstens eines Laserstrahls, vorzugsweise mittels zweier Lagerstrahlen durchzuführen. Die bevorzugte Verwendung von Laserstrahlen hat den Hintergrund, dass sich der Energieeintrag von Laserstrahlen in die Oberflächen der Bauteile sehr genau steuern bzw. prozesstechnisch überwachen lässt. Dies ist insbesondere im Zusammenhang bei relativ dünnen Bauteilen sinnvoll bzw. erforderlich. Ergänzend wird erwähnt, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Verwendung von Laserstrahlen zum Aufschmelzen des Materials der Bauteile beschränkt sein soll. Vielmehr können auch andere Schweißtechniken (wie MIG-, WIG-, Plasma-, Elektronenschweißen o.ä.) eingesetzt werden.
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Bei Verwendung wenigstens eines Laserstrahls erfolgt das Aufschmelzen des Materials der Bauteile bevorzugt dadurch, dass der wenigstens eine Laserstrahl entlang der Bauteile auf der Oberseite und/oder der Unterseite im Bereich der Stirnseiten der Bauteile bewegt wird. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, den wenigstens einen Laserstrahl bzw. dessen Brennpunkt ortsfest anzuordnen, und die beiden Bauteile relativ zu dem Brennpunkt des wenigstens eine Laserstrahls zu bewegen. Dies ist jedoch insofern aufwendiger, als bei Verwendung relativ dünner Materialien eine Relativbewegung der beiden Bauteile im Bereich der auszubildenden Schweißnaht vermieden werden muss, so dass in der Regel relativ aufwendige Spann- und Vorschubeinrichtungen für die Bauteile erforderlich wären.
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Zur weiteren Verbesserung der Oberflächenqualität der beiden Bauteile nach dem Ausbilden der Schweißnaht kann es vorgesehen sein, dass der Bereich der Stumpf- bzw. Schweißnaht zur Ausbildung einer ebenen Oberfläche gewalzt wird.
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Die Erfindung umfasst auch einen Bauteileverbund, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Insbesondere weisen die beiden Bauteile des Bauteileverbunds dabei im Bereich der beiden Stirnseiten bzw. der Schweißnaht eine Dicke zwischen 0,05mm und 2mm auf. Derartige Bauteileverbunde finden beispielsweise Verwendung bei Bauteilen der Kraftstoffeinspritzung, bei Gehäuseteilen von Gebrauchsgütern, bei KFZ-Karosseriebauteilen usw. Besonders vorteilhaft ist, dass es aufgrund der Erfindung möglich ist, anstatt der üblicherweise vorgesehenen Überlappungsnähte Stumpfnähte ausbilden zu können, so dass sich insgesamt eine Materialeinsparung an dem Bauteileverbund sowie ohne aufwendiges Nacharbeiten optisch hochwertige Schweißnähte erzielen lassen.
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Bei einer Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Laserstrahleinrichtung aufweist, die zwei Laserstrahlen erzeugt, wobei ein erster Laserstrahl auf die Oberseite und ein zweiter Laserstrahl auf die Unterseite der Bauteile bewirkt, und wobei die Brennpunkte der beiden Laserstrahlen in Bezug zu einer Vorschubrichtung zwischen den Bauteilen und den Laserstrahlen versetzt zueinander angeordnet sind. Eine derartige Ausbildung der Vorrichtung ermöglicht es, dass das Material der beiden Bauteile an einer Stelle durch die zwei Laserstrahlen nicht gleichzeitig aufgeschmolzen ist, wenn der Versatz zwischen den Brennpunkten der beiden Laserstrahlen derart groß gewählt wird, dass ein Erstarren eines zuvor durch einen ersten Laserstrahl aufgeschmolzenen Materials ermöglicht wird, bevor der zweite Laserstrahl in den Bereich des zuvor aufgeschmolzenen Materials gelangt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 zwei, mittels einer Schweißnaht nach einem erfindungsgemäßen Verfahren verbundene Bauteile im Längsschnitt,
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2 den Bereich der Schweißnaht gemäß 1 in vergrößerter Darstellung,
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3 und 4 jeweils eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in unterschiedlichen Ausführungsformen in schematischer Darstellung und
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5 einen Teilbereich der beiden Bauteile während der Herstellung der Schweißnaht nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, im Längsschnitt.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In den 1 und 2 sind zwei Bauteile 1, 2 dargestellt, die mittels einer Schweißnaht 5 im Bereich zweier vorzugsweise unmittelbar aneinander liegender Stirnseiten 3, 4 der Bauteile 1, 2 miteinander verbunden sind. Bei den beiden Bauteilen 1, 2 handelt es sich insbesondere um metallische Bauteile in Form von dünnen Folien oder Bändern, wobei die Dicke d der Bauteile 1, 2 im Bereich der Schweißnaht 5 vorzugsweise zwischen 0,05mm und 2mm beträgt. Die Erfindung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren soll jedoch nicht auf derartig dünne Bauteile 1, 2 beschränkt sein, sondern lässt sich auch bei Bauteilen 1, 2 anwenden, die im Bereich der Schweißnaht 5 eine größere Dicke d aufweisen.
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Wie insbesondere anhand der Darstellung der 2 erkennbar ist, ist die Schweißnaht 5 durch zwei Teilschweißnähte 6, 7 ausgebildet, die jeweils von der Oberseite 8 bzw. der Unterseite 9 des aus den beiden Bauteilen 1, 2 gebildeten Bauteileverbunds 10 ausgehen, wobei die Breite b der jeweiligen Teilschweißnaht 6, 7 mit zunehmender Eindringtiefe in das Material der beiden Bauteile 1, 2 abnimmt. Insbesondere ist aus der Darstellung der 5 erkennbar, dass die beiden Teilschweißnähte 6, 7 jeweils eine Schweißnahttiefe t1 und t2 aufweisen, die etwas größer ist als die Hälfte der Dicke d der beiden Bauteile 1, 2.
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In der 3 ist eine erste Einrichtung 100 zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Einrichtung 100 weist eine im Einzelnen nicht dargestellte Laserstrahleinrichtung 101 zur Erzeugung eines (einzigen) Laserstrahls 102 auf. Der Laserstrahl 102 wird mittels einer optischen Einrichtung 105, die beispielsweise eine Kollimationslinse 106 sowie optische Spiegel 107 bis 110 aufweist, in Richtung der Bauteile 1, 2 gelenkt. Mittels der optischen Einrichtung 105 wird der Laserstrahl 102 in zwei Laserstrahlen 102a, 102b aufgeteilt, die über eine Fokusierlinse 111, 112 auf die Oberseite 8 bzw. der Unterseite 9 der beiden Bauteile 1, 2 auf diese in einem Brennpunkt 113, 114 einwirken. Die Leistung der Laserstrahlen 102a, 102b ist so groß, dass ein Aufschmelzen des Materials der beiden Bauteile 1, 2 im Bereich der aneinander liegenden Stirnseiten 3, 4 ermöglicht wird. Wesentlich ist, dass die beiden Brennpunkte 113, 114 der beiden Laserstrahlen 102a, 102b in Bezug zu einer Vorschubrichtung 15 zwischen den beiden Laserstrahlen 102a, 102b und den Bauteilen 1, 2 im Bereich der auszubildenden Schweißnaht 5 einen Versatz a aufweisen. Die Relativbewegung zwischen den beiden Laserstrahlen 102a, 102b zu den Bauteilen 1, 2 findet entweder durch eine Relativbewegung der beiden Bauteile 1, 2 zu den Brennpunkten 113, 114, oder aber durch eine Bewegung der Laserstrahlen 102a, 102b durch eine entsprechende Stelleinrichtung bzw. optische Einrichtung zu den ortsfest angeordneten Bauteilen 1, 2 statt.
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Beim Erzeugen der Schweißnaht 5 bilden sich entsprechend der Darstellung der 5 infolge des Versatzes a zwischen den beiden Brennpunkten 113, 114 die zwei Teilschweißnähte 6, 7 aus, wobei die beiden Teilschweißnähte 6, 7 jeweils ein noch flüssiges Schmelzbad 115, 116 und einen bereits erstarrten Bereich 117, 118 aufweisen. Insbesondere ist durch die Größe des Versatzes a zwischen den beiden Brennpunkten 113, 114 sowie die Höhe der Relativgeschwindigkeit der beiden Brennpunkte 113, 114 zu den Bauteilen 1, 2 sichergestellt, dass beispielsweise der auf die Unterseite 9 der beiden Bauteile 1, 2 einwirkende Laserstrahl 102b derart auf die Bauteile 1, 2 einwirkt, dass die durch den Laserstrahl 102b ausgebildete Teilschweißnaht 7 an der besagten Stelle bereits erstarrt ist, bevor der andere Laserstrahl 102a die (obere) Teilschweißnaht 6 ausbildet.
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In der 4 ist eine modifizierte Einrichtung 100a dargestellt, die sich von der Einrichtung 100 gemäß der 3 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass zwei getrennte Laserstrahleinrichtungen 120, 121 zur Erzeugung jeweils eines separaten Laserstrahls 122, 123 vorgesehen sind. Die beiden Laserstrahlen 122, 123 werden in Analogie zu der Einrichtung 100 mit einem Versatz a auf die Oberseite 8 bzw. die Unterseite 9 der beiden Bauteile 1, 2 im Bereich der auszubildenden Schweißnaht 5 (senkrecht zur Bauteiloberfläche) geführt.
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Das soweit beschriebene erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Einrichtungen 100, 100a können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es beispielsweise denkbar, das Verfahren bzw. die Einrichtungen 100, 100a derart auszugestalten, dass kein (örtlicher) Versatz a zwischen den beiden Brennpunkten 113, 114 ausgebildet ist, sondern dass die Laserstrahlen zeitlich nacheinander über die Oberseite 8 bzw. die Unterseite 9 der beiden Bauteile 1, 2 geführt werden, derart, dass der zeitlich nachfolgende Laserstrahl auf einen Bereich der beiden Bauteile 1, 2 trifft, bei dem die zuvor ausgebildete Teilschweißnaht 6, 7 bereits erstarrt ist. Ferner kann es vorgesehen sein, anstelle zweier Laserstrahlen einen einzigen Laserstrahl zu verwenden, der zunächst beispielsweise über die Oberseite 8, und anschließend über die Unterseite 9 der beiden Bauteile 1, 2 geführt wird und die jeweilige Teilschweißnaht 6, 7 ausbildet.
