DE102017004847A1

DE102017004847A1 - Verfahren zum Verbinden einer dünnwandigen Schlauchleitung mit einem gusseisernen Anschlussteil und ein System zur Einstellung einer konstanten Fokuslage eines Lasers

Info

Publication number: DE102017004847A1
Application number: DE102017004847.9A
Authority: DE
Inventors: Patrick Talmon I'Armée
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2017-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer dünnwandigen Schlauchleitung mit einem gusseisernen Anschlussteil, wobei die Schlauchleitung (3) mit dem Anschlussteil (1) durch ein Laserschweißen verbunden wird. Bei einem Verfahren, bei welchem die Schweißnaht besonders dünn gewählt werden kann, wird zum Laserschweißen ein Single-Mode-Laser verwendet, wobei ein Anbindungsquerschnitt einer Schweißverbindung (5) zwischen Schlauchleitung (3) und Anschlussteil (1) weniger als 50% einer Wandstärke der Schlauchleitung (3) im Schweißbereich beträgt

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer dünnwandigen Schlauchleitung mit einem gusseisernen Anschlussteil, wobei die Schlauchleitung mit dem Anschlussteil durch ein Laserschweißen verbunden wird, sowie ein System zur Einstellung einer konstanten Fokuslage eines Lasers gegenüber sich drehenden Fügekomponenten.
Aus der DE 10 2007 051 765 B4 ist ein Verfahren zum Verbinden einer dünnwandigen Schlauchleitung mit einem kohlenstoffhaltigen Anschlussteil, vorzugsweise einem gusseisernen Anschlussteil, bekannt, bei welchem die Schlauchleitung durch Verschweißen an dem Anschlussteil stoffschlüssig festgelegt wird, wobei der Energieeintrag im Schweißbereich derart erfolgt, dass ein Anbindequerschnitt der Schweißverbindung zwischen Schlauchleitung und Anschlussteil mindestens 50% einer Wandstärke der Schlauchleitung im Schweißbereich beträgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren zum Verbinden einer dünnwandigen Schlauchleitung mit einem kohlenstoffhaltigen Anschlussteil weiter zu verbessern.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe ist mit einem Verfahren dadurch gelöst, dass zum Laserschweißen ein Single-Mode-Laser verwendet wird, wobei ein Anbindungsquerschnitt einer Schweißverbindung zwischen Schlauchleitung und Anschlussteil weniger als 50% einer Wandstärke der Schlauchleitung im Schweißbereich beträgt. Dies hat den Vorteil, dass auch mit einer platzsparenden Schweißnaht, welche von dem Single-Mode-Laser eingestellt wird und die weniger als 50% einer Wandstärke der Schlauchleitung beträgt, eine zuverlässig haltende Schweißverbindung generiert werden kann, die auch bei Erschütterungen, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen auftreten, zuverlässig halten.
Vorteilhafterweise wird ein Laserlicht des Single-Mode-Lasers auf weniger als 100 μm, vorzugsweise weniger als 50 μm fokussiert. Durch eine solche Fokussierung kann einfach eine Breite der Schweißnaht von weniger als 50% der Dicke der Schlauchleitung erreicht werden.
Bei einer besonders kostengünstigen Ausgestaltung wird als Single-Mode-Laser ein Festkörperlaser verwendet.
In einer Variante wird beim Schweißprozess eine konstante Fokuslage des Lasers eingestellt, indem eine Fokuslage während einer Umdrehung der zu verschweißenden Fügekomponenten vor dem Laserschweißprozess gemessen wird und bei mindestens einer weiteren Drehung der Fügekomponenten während des Laserschweißprozesses die Fokuslage durch eine Regelachse nachgefahren wird. Dabei wird die Regelung der Fokuslage durch eine geregelte axiale Bewegung der kompletten Schweißoptik oder durch eine optische Verfahreinheit, z. B. einem Zoom-Objektiv, realisiert.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein System zur Einstellung einer konstanten Fokuslage eines Lasers gegenüber sich drehenden Fügekomponenten, wobei die Fügekomponenten als dünnwandige Schlauchleitung und gusseisernes Anschlussteil ausgebildet sind, welche durch den Laser miteinander verschweißt werden. Insbesondere bei Verwendung von nicht rund laufenden Achsenvorrichtungen bzw. Bauteilen innerhalb einer Serienfertigung wird ein System verwendet mit einer Fokuslagenregeleinheit zur Regelung einer Distanz zwischen einem Fokus einer Laserschweißeinrichtung und den beiden sich gemeinsam drehenden Fügekomponenten während eines Laserschweißprozesses mittels einer Regelachse. Dieses System ist zur Gewährleistung der Prozesssicherheit bei dem Schweißvorgang von besonderer Bedeutung.
Vorteilhafterweise ist eine Fokuslagemesseinrichtung zur Bestimmung eines Abstandes zwischen einem Fokus der Laserschweißeinrichtung und den sich drehenden Fügekomponenten mit einer Speichereinheit zur Abspeicherung der vor dem Laserschweißprozess während einer Umdrehung der zu verbindenden Fügekomponenten aufgenommenen Fokuslage verbunden. Damit wird die Fokuslage vor dem eigentlichen Laserschweißprozess aufgenommen. Nach einem Vergleich dieser abgespeicherten Fokuslage mit der aktuellen Fokuslage während des Schweißprozesses wird die aktuelle Fokuslage nachgeregelt so dass ein konstanter Abstand zwischen Fokus der Laserschweißeinrichtung und den Fügekomponenten eingestellt wird, was eine zuverlässige und gleichmäßige konstante Schweißnaht zur Folge hat.
In einer besonders kostengünstigen Ausführungsform ist die Fokuslagenmesseinrichtung Bestandteil der Fokuslagenregeleinrichtung.
In einer Variante ist eine Schweißoptik der Laserschweißeinrichtung mit der Fokuslagenregeleinheit zum Nachfahren eines sinusförmigen Verlaufes der Fokuslage zu den sich drehenden Fügekomponenten während des Laserschweißprozesses verbunden. Dies ermöglicht die zeitnahe Nachregelung der aktuellen Fokuslage, um Ungleichheiten infolge von nicht rund laufenden Fügekomponenten oder Achsen sofort auszugleichen.
Die vorgeschlagene Messeinrichtung eignet sich insbesondere bei der Verwendung von Lasern der Laserschweißeinrichtung, die eine Fokussierbrennweite von f_koll > f_fok haben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems,
3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems dargestellt, mit welchem ein Krümmerendstück 1 mit einem Faltenbalg 3 mittels einer Schweißnaht 5 stoffschlüssig verbunden werden. Eine solche Komponentenverbindung wird vorzugsweise im Abgasbereich von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Das Krümmerendstück 1 besteht dabei aus Gusseisen, während der Faltenbalg 3 eine Nickel-Basis-Legierung aufweist. Mittels einer Laserschweißeinrichtung 7 wird die Schweißnaht 5 erzeugt, indem mittels einer Spannvorrichtung 9 die Fügekomponenten in Form von Krümmerendstück 1 und Faltenbalg 3 gedreht werden. Die Laserschweißeinrichtung 7 umfasst dabei eine Fokuslagenregeleinheit 11, die mit einer Schweißoptik 15 der Laserschweißeinrichtung 7 verbunden ist. Diese Laserschweißeinrichtung 7 weist weiterhin eine Fokuslagenmesseinrichtung 13 auf, mit welcher eine Distanz zwischen einem Fokus eines Lichtstrahles 17 der Laserschweißeinrichtung 7 zu den sich drehenden Fügekomponenten 1 und 3 vor dem Laserschweißprozess während einer Umdrehung der Fügekomponenten 1 und 3 gemessen und in einer Speichereinheit 19 abgespeichert wird. Anschließend wird während des Schweißvorganges die Schweißoptik 15 der Laserschweißeinrichtung 7 durch die Fokusregellageneinheit 11 mittels einer Regelachse nachgestellt, damit der im Vorfeld aufgenommene sinusförmige Verlauf der Fokuslage auch während des Schweißvorganges erreicht wird, was zu einer konstanten Dicke der Schweißnaht führt. Die Regelachse verstellt dabei die Schweißoptik 15 in ihrer Fokussierbrennweite f_fok. Diese Ausgestaltung ist besonders geeignet bei Anwendung von Scheibenlasern, die eine Fokussierbrennweite von f_koll > f_fok aufweisen, wobei f_Koll einer Kollimatorbrennweite und f_fok einer Fokussierbrennweite entsprechen. Dies ist insbesondere von Vorteil für Serienfertigungen, wobei auch für nicht rundlaufenden Achsen, Vorrichtungen bzw. Bauteilen eine konstante Fokuslage gewährleistet werden kann.
Eine Verbesserung der Qualität des Laserstrahls 17 ist möglich, wenn gemäß 2 ein Single-Mode-Laser verwendet wird, dessen Laserlicht auf einen sehr kleinen Spot fokussiert werden kann. Der Spot soll dabei weniger als 50 μm betragen. Dieser Single-Mode-Laser hat dabei eine sehr lange Fokussierbrennweite, wobei f_fok ≥ f_koll ist. Bei der Verwendung eines solchen Single-Mode-Lasers kann auf die Fokuslagenregeleinrichtung 11 weitgehend verzichtet werden.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei welchem die Enden 21 des Faltenbalges 3 um das Krümmerendstück 1 umgeformt sind. Die Schweißnaht 5 wird dann genau an dem Krümmerendstück 1 erzeugt. Da Materialanhäufungen in Schweißrichtung verringert werden, verringert sich auch die Materialstärke der Schweißnaht 5 in Schweißrichtung.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007051765 B4 [0002]

Claims

Verfahren zum Verbinden einer dünnwandigen Schlauchleitung mit einem gusseisernen Anschlussteil, wobei die Schlauchleitung (3) mit dem Anschlussteil (1) durch ein Laserschweißen verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Laserschweißen ein Single-Mode-Laser verwendet wird, wobei ein Anbindungsquerschnitt einer Schweißverbindung (5) zwischen Schlauchleitung (3) und Anschlussteil (1) weniger als 50% einer Wandstärke der Schlauchleitung (3) im Schweißbereich beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserlicht des Single-Mode-Lasers auf weniger als 100 μm, vorzugsweise weniger als 50 μm fokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Single-Mode-Laser ein Festkörperlaser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Laserschweißprozess eine konstante Fokuslage des Lasers eingestellt wird, indem eine Fokuslänge während einer Umdrehung der zu verschweißenden Fügekomponenten (1, 3) vor dem Laserschweißprozess gemessen wird und bei mindestens einer weiteren Drehung der Fügekomponenten (1, 3) während des Laserschweißprozesses die Fokuslage durch eine Regelachse nachgefahren wird.
System zur Einstellung einer konstanten Fokuslage eines Lasers gegenüber sich drehenden Fügekomponenten, wobei die Fügekomponenten als dünnwandige Schlauchleitung (3) und gusseisernes Anschlussteil (1) ausgebildet sind, welche durch den Laser miteinander verschweißt werden, gekennzeichnet durch eine Fokuslagenregeleinheit (11) zur Regelung einer Distanz zwischen einem Fokus einer Laserschweißeinrichtung (7) und den beiden sich gemeinsam drehenden Fügekomponenten (1, 3) während eines Laserschweißprozesses mittels einer Regelachse.
System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Fokuslagenmesseinrichtung (13) zur Bestimmung eines tatsächlichen Abstandes zwischen dem Fokus der Laserschweißeinrichtung (7) und den sich drehenden Fügekomponenten (1, 3), welche mit einer Speichereinheit (19) zur Abspeicherung der vor dem Laserschweißprozess während einer Umdrehung der Fügekomponenten (1, 3) aufgenommenen Fokuslage verbunden ist.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuslagenmesseinrichtung (13) Bestandteil der Fokuslagenregeleinheit (11) ist.
System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schweißoptik (15) der Laserschweißeinrichtung (7) mit der Fokuslagenregeleinheit (11) zum Nachfahren eines sinusförmigen Verlaufes der Fokuslage zu den sich drehenden Fügekomponenten (1, 3) während des Laserschweißprozesses verbunden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißeinrichtung (7) ein Laser mit einer Fokussierbrennweite von f_koll > f_fok ist.