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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen zweier Bauelemente, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren zum Verschweißen eines ersten Bauelements mit einem zweiten Bauelement, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ist beispielsweise bereits der
DE 10 2014 105 941 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren werden die Bauelemente mittels eines Laserstrahls unter Ausbildung wenigstens einer eine Nahtbreite und eine Nahttiefe aufweisenden Schweißnaht miteinander verschweißt, wobei der Laserstrahl bei der Ausbildung der Schweißnaht in Längsrichtung der Schweißnaht hin- und herbewegt wird. Das Verfahren ist somit als Laserstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißverfahren ausgebildet, bei welchem der Laserstrahl beispielsweise gependelt und somit pendelnd bewegt wird, um dadurch den Laserstrahl in Längsrichtung der Schweißnaht hin- und herzubewegen. Dadurch wird der Laserstrahl mehrmals über denselben Bereich der Bauelemente beziehungsweise der Schweißnaht bewegt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Schweißnaht als besonders schlanke und gleichzeitig besonders tiefe Naht ausgebildet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die Schweißnaht als besonders schlanke und gleichzeitig besonders tiefe Naht hergestellt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verhältnis aus Nahtbreite und Nahttiefe kleiner oder gleich 1 ist. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass Folgendes gilt:
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Hierbei bezeichnet bNaht die Nahtbreite, wobei tNaht die Nahttiefe bezeichnet. Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass die Nahttiefe und somit die Einschweißtiefe beim Laserschweißen von dem Werkstoff beziehungsweise dem Material abhängig sind, aus welchem die Bauelemente gebildet sind. Ferner wird die Einschweißtiefe durch die verfügbare Leistung eines Lasers zum Bereitstellen des Laserstrahls und durch die Schweißgeschwindigkeit, mit welcher beispielsweise der Laserstrahl relativ zu den Bauelementen, insbesondere in Längsrichtung der Schweißnaht, bewegt wird, begrenzt. Vor diesem Hintergrund sind große Einschweißtiefen und somit Nahttiefen nicht oder nur sehr aufwendig zu realisieren. Werden eine hohe Laserleistung und eine nur geringe Vorschubgeschwindigkeit, mit welcher der Laserstrahl relativ zu den Bauelementen in Längsrichtung der Schweißnaht bewegt wird, eingesetzt, so sind die Bauelemente hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Schweißnaht kann sich dann ungünstig ausbilden und das jeweilige Bauelement durch eine besonders große Wärmeeinflusszone stark schwächen. Ferner ist es denkbar, den Laserstrahl quer zur Längsrichtung der Schweißnaht hin- und herzubewegen, insbesondere zu pendeln, wobei dies beispielsweise einer Spaltüberbrückung dient.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun vorgesehen, den Laserstrahl mehrmals in Längsrichtung der Schweißnaht hin- und herzubewegen, indem beispielsweise Pendelbewegungen des Laserstrahls entlang der Längsrichtung der Schweißnaht durchgeführt werden. Im Rahmen dieser Pendelbewegungen wird der Laserstrahl in Längsrichtung der Schweißnaht hin- und hergependelt, sodass derselbe Bereich der Bauelemente beziehungsweise der Schweißnaht mehrmals von dem Laserstrahl getroffen beziehungsweise mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird.
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Optional kann beispielsweise eine leichte Kerbe vorgesehen werden, welche beispielsweise jeweils von den Bauelementen begrenzt wird. Der Laserstrahl wird dabei in die Kerbe eingestrahlt, wobei die Kerbe genutzt wird, um den Laserstrahl zu führen und somit die Schweißnaht besonders schlank auszugestalten. Durch das beschriebene Verhältnis aus Nahtbreite und Nahttiefe kann dabei die Schweißnaht als besonders schlanke und tiefe Naht ausgestaltet werden, sodass die Bauelemente, ohne diese übermäßig zu schwächen, besonders fest und stabil miteinander gefügt werden können.
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Da sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die erforderliche Laserleistung gering halten lässt, kann auch eine kostengünstige Anlagentechnik zum Durchführen des Verfahrens eingesetzt werden. Ferner kann eine solche Nahtpositionierung realisiert werden, dass die Schweißnaht als Stirn- und/oder Frontalnaht ausgebildet wird. Dadurch bieten sich im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren neue Gestaltungsmöglichkeiten. Außerdem kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Belastung der Bauelemente besonders gering gehalten werden, wobei gleichzeitig eine besonders hohe Festigkeit der Schweißnaht dargestellt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner flexibel für alle schweißbaren Werkstoffe anwendbar, sodass die Bauelemente beispielsweise aus einem Stahl oder aus einer Aluminiumlegierung gebildet sein können. Das Einbringen der zuvor beschriebenen leichten Kerbe steigert den Wirkungsgrad des Verfahrens, da die Nahttiefe besonders positiv beeinflusst werden kann. Das Verfahren kann ferner an vielen Nahtgeometrien eingesetzt werden, sodass die Schweißnaht als Stirnnaht, I-Naht, Kehlnaht oder als anderweitige Naht ausgebildet sein kann.
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Ferner ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dass die Bauelemente aus Aluminium beziehungsweise einer Aluminiumlegierung gebildet sind. Insbesondere ist es dabei denkbar, dass die Bauelemente auf ihrer jeweiligen, der Schweißnaht zugewandten Seite, insbesondere bei 6xxx-Legierungen, eine Schicht mit einer niedrigschmelzenden Legierung aufweisen, um dadurch Heißrisse zu vermeiden. Beispielsweise ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Bauelemente jeweils aus einem mehrschichtigen Aluminium-Werkstoff gebildet sind und jeweilige, einander und der Schweißnaht zugewandte Schichten, insbesondere aus einer niedrigschmelzenden Aluminiumlegierung, aufweisen, um dadurch die Heißrissneigung besonders gering halten zu können. Ferner ist es möglich, bei Aluminium eine Verbindung aus einem 5xxx-Blech und einem 6xxx-Blech besonders vorteilhaft zu durchmischen und anzubinden. Außerdem ist eine besonders gute Nahterfassung durch aktuelle Systeme möglich.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine schematische Darstellung zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform zum Verschweißen zweier Bauelemente, wobei die Bauelemente bei dem Verfahren mittels eines Laserstrahls unter Ausbildung wenigstens einer eine Nahttiefe und eine Nahtbreite aufweisenden Schweißnaht miteinander verschweißt werden, wobei der Laserstrahl bei der Ausbildung der Schweißnaht in Längsrichtung der Schweißnaht hin- und herbewegt wird, und wobei das Verhältnis aus Nahtbreite und Nahttiefe kleiner oder gleich 1 ist;
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2 eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform; und
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4 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer Verbindungsanordnung der Bauelemente, wobei die Verbindungsanordnung mittels des Verfahrens hergestellt ist.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zum Verschweißen eines ersten Bauelements 10 mit einem zweiten Bauelement 12, insbesondere für ein Kraftfahrzeug wie beispielsweise einen Kraftwagen. Bei dem Verfahren werden die Bauelemente 10 und 12 mittels eines Laserstrahls 14 unter Ausbildung wenigstens einer eine aus 4 erkennbare Nahttiefe t und eine Nahtbreite b aufweisenden Schweißnaht 16 miteinander verschweißt. Im Rahmen des Verfahrens wird der Laserstrahl 14 beispielsweise relativ zu den Bauelementen 10 und 12, insbesondere mit einer vorgebbaren Vorschubgeschwindigkeit und/oder translatorisch, bewegt, um dadurch die Schweißnaht 16 auszubilden, das heißt herzustellen. Ferner ist es im Rahmen des Verfahrens vorgesehen, dass der Laserstrahl 14 während der Ausbildung der Schweißnaht 16 in Längsrichtung der Schweißnaht 16 hin- und herbewegt wird. Um den Laserstrahl 14 dabei hin- und herzubewegen, sind in 1 durch einen Pfeil 18 veranschaulichte Pendelbewegungen des Laserstrahls 14 vorgesehen, sodass der Laserstrahl 14 im Rahmen der Pendelbewegungen beziehungsweise mittels der Pendelbewegungen in Längsrichtung der Schweißnaht 16 hin- und herbewegt wird. Durch diese Pendelbewegungen beziehungsweise durch das Hin- und Herbewegen des Laserstrahls 14 wird derselbe Bereich der Bauelemente 10 und 12 beziehungsweise der Schweißnaht 16 mehrmals mit dem Laserstrahl 14 beaufschlagt, sodass die Nahttiefe t besonders groß ausgestaltet und die Nahtbreite b besonders gering gehalten werden kann.
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Um dabei die Schweißnaht 16 als besonders schlanke und besonders tiefe Naht auszugestalten, das heißt um eine besonders große Nahttiefe t und eine besonders geringe Nahtbreite b zu realisieren, ist es vorgesehen, dass das Verhältnis aus Nahtbreite b und Nahttiefe t kleiner oder gleich 1 ist. Mit anderen Worten gilt: b / t ≤ 1.
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Ferner ist es beispielsweise vorgesehen, dass zwischen den Bauelementen 10 und 12 eine Kerbe 20, insbesondere vor dem Herstellen beziehungsweise Ausbilden der Schweißnaht 16, vorgesehen wird, wobei der Laserstrahl 14 in die Kerbe 20 eingestrahlt wird. Im Bereich der Kerbe 20 sind die Bauelemente 10 und 12 voneinander beabstandet, sodass die Bauelemente 10 und 12 beispielsweise in jeweiligen, sich an die Kerbe 20 anschließenden Bereichen aneinander anliegen.
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Üblicherweise lassen sich große Einschweißtiefen, das heißt große Nahttiefen, beim Laserstrahlschweißen nur durch das Verwenden einer hohen Laserleistung und/oder einer geringen Strahlgeschwindigkeit beziehungsweise Vorschubgeschwindigkeit erzeugen. Dabei kommt es jedoch zu einem hohen Energieeintrag in die Bauelemente 10 und 12, wobei durch den hohen Energieeintrag die Schweißnaht 16 in ihrer Ausdehnung sehr breit gerät, und die Bauelemente 10 und 12 sind einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Ferner kommt es zu einer sehr großen Wärmeeinflusszone (WEZ), wodurch die Bauelemente 10 und 12 herkömmlicherweise stark geschwächt werden.
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Diese Probleme und Nachteile können durch das in 1 veranschaulichte Verfahren vermieden werden. Durch eine überlagerte, schnelle Pendelbewegung des Laserstrahls 14 in Längsrichtung der Schweißnaht 16 wird der Laserstrahl 14 in Längsrichtung der Schweißnaht 16 hin- und herbewegt, wodurch ein besonders vorteilhaftes Schweißergebnis bei Einsatz einer sehr geringen Laserleistung realisiert werden kann. Alternativ zu der Kerbe 20 an der zu verschweißenden Stelle kann eine äquivalente Bauteilumformung vorgesehen sein, welche eine der Kerbe 20 ähnliche Geometrie bedingt. Hierdurch kann die Nahtausprägung positiv beeinflusst werden.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Verfahrens. Sind die Bauelemente 10 und 12 beispielsweise aus Aluminium beziehungsweise aus einer Aluminiumlegierung gebildet, so können im Hinblick auf die Vermeidung einer Heißrissbildung unterschiedliche Legierungen zum Einsatz kommen. Bei diesen Legierungen handelt es sich beispielsweise um 5xxx beziehungsweise 5xxx-Legierungen, insbesondere in Mischbauweise oder aber nur mehrschichtige 6xxx-Legierungen, welche zusätzlich über eine zur Schweißnaht 16 gerichtete und somit der Schweißnaht 16 zugewandte Schicht 22 beziehungsweise 24 aufweisen.
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Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Bauelemente 10 und 12 aus einem mehrschichtigen Aluminium-Werkstoff gebildet sind und dabei jeweilige, einander und der Schweißnaht 16 zugewandte Schichten 22 und 24 aufweisen, wobei die Schichten 22 und 24 beispielsweise aus einer niedrigschmelzenden Aluminiumlegierung gebildet sind. Die Schichten aus niedrigschmelzenden Aluminiumlegierungen ermöglichen die Realisierung besonders hoher Einschweißtiefen bei geringen Nahtbreiten, da die Schichten sozusagen den Laserstrahl 14 in die Tiefe ziehen.
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3 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform des Verfahrens. Bei der dritten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Bauelemente 10 und 12 derart relativ zueinander angeordnet werden, dass zwischen den Bauelementen 10 und 12 ein Spalt 26 mit einer Spaltbreite bSpalt angeordnet ist. Ferner weist der Laserstrahl 14 einen Strahldurchmesser auf, welcher vorzugsweise größer oder gleich dem 0,99-fachen der Spaltbreite bSpalt beträgt. Der Strahldurchmesser wird auch mit dStrahl bezeichnet.
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Somit gilt vorzugsweise: dStrahl > 0,99·bSpalt
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Als ferner besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Laserstrahl 14 beim Herstellen beziehungsweise Ausbilden der Schweißnaht 16 relativ zu den Bauelementen 10 und 12 mit einer Geschwindigkeit bewegt wird, welche auch als Vorschubgeschwindigkeit oder Strahlgeschwindigkeit bezeichnet wird und in einem Bereich von einschließlich 2 Metern pro Minute bis einschließlich 50 Metern pro Minute liegt. Die Anzahl an überlagerten Überfahrten kann je nach Bedarf an Einschweißtiefe, dem eingesetzten Material usw. angepasst werden.
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Generell wirkt sich ein kleinerer Strahldurchmesser mit Abstimmung auf das anliegende Spaltverhältnis sehr positiv aus. Beispielsweise kann bei einem technischen Nullspalt ein Strahldurchmesser von weniger als 600 Mikrometern gewählt werden. Mit anderen Worten gilt vorzugsweise: dStrahl ≤ 600 Mikrometer.
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Das Anwendungsfeld für das Verfahren stellt sich durch die große Vielfalt der möglichen Nahtgeometrien breit dar. So ist eine Vielzahl von Schweißungen im automobilen Karosseriebau denkbar, insbesondere von Blechdicken unter 1 Millimeter bis über 2,5 Millimeter. Auch Guss- oder Strangpressprofile können mittels des Verfahrens vorteilhaft verschweißt werden.
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4 zeigt eine Verbindungsanordnung 28 des Bauelements 10 am Bauelement 12, wobei die Bauelemente 10 und 12 bei der Verbindungsanordnung 28 mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens miteinander verschweißt sind. Die Bauelemente 10 und 12 sind somit bei der Verbindungsanordnung 28 mittels der Schweißnaht 16 miteinander verschweißt. Bei dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel beträgt die Breite b beispielsweise 2.629 Mikrometer, wobei die Tiefe t beispielsweise 4.090 Mikrometer beträgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014105941 A1 [0002]
