DE102019208119A1 - Process for joining two components to one another by laser welding and component arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen zweier Bauteile (1,3) miteinander durch Laserschweißen, wobei- ein erstes Bauteil (1) und ein zweites Bauteil (3) derart zu einer Bauteil-Anordnung (5) einander benachbart angeordnet werden, dass- die Bauteil-Anordnung (5) eine Bestrahlungsfläche (7) aufweist, die eine erste Bestrahlungs-Teilfläche (7.1) an dem ersten Bauteil (1) und eine zweite Bestrahlungs-Teilfläche (7.2) an dem zweiten Bauteil (3) aufweist, wobei- die Bestrahlungsfläche (7) entlang einer Bestrahlungsrichtung in einem Fügebereich (9) mit einem Laserstrahl (11) bestrahlt wird.Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass- die Bestrahlungsfläche (7) in dem Fügebereich (9) einen Spalt (15) aufweist, der sich ausgehend von der Bestrahlungsfläche (7) in Bestrahlungsrichtung verjüngt, wobei- das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (3) durch Wärmeleitungsschweißen miteinander gefügt werden.The invention relates to a method for joining two components (1, 3) to one another by laser welding, a first component (1) and a second component (3) being arranged adjacent to one another to form a component arrangement (5) such that the Component arrangement (5) has an irradiation surface (7) which has a first partial irradiation surface (7.1) on the first component (1) and a second partial irradiation surface (7.2) on the second component (3), the The irradiation surface (7) is irradiated with a laser beam (11) along an irradiation direction in a joining area (9). The method is characterized in that - the irradiation area (7) has a gap (15) in the joining area (9) which starting from the irradiation surface (7) tapers in the irradiation direction, the first component (1) and the second component (3) being joined to one another by thermal conduction welding.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen zweier Bauteile miteinander durch Laserschweißen sowie eine Bauteil-Anordnung zweier mittels Laser-Wärmeleitungsschweißen miteinander gefügter Bauteile.The invention relates to a method for joining two components to one another by laser welding, and to a component arrangement of two components joined to one another by means of laser thermal conduction welding.
Zum Fügen von Bauteilen durch Laserschweißen sind im Wesentlichen zwei Verfahrensregime bekannt, die auf einer Skala der Leistungsdichte der verwendeten Laserstrahlung voneinander unterschieden werden. Dabei existiert ein erstes Regime des sogenannten Wärmeleitungsschweißens, das auch als Wärmeleitungsnahtschweißen bezeichnet wird. Dieses Regime ist bei Leistungsdichten bis zu einer Größenordnung von 105 W/cm2 gegeben. Hierbei wird eine Oberfläche der zu fügenden Bauteile so stark erhitzt, dass lokal begrenzt ein Schmelzprozess einsetzt. Die dabei von den Bauteilen absorbierte Energie gelangt durch Wärmeleitung ins Bauteilinnere. Eine durch Wärmeleitungsschweißen gebildete Schweißnaht weist - im Querschnitt oder Schliffbild gesehen - typischerweise eine linsenförmige Nahtgeometrie mit einem geringen Aspektverhältnis auf, wobei eine Nahttiefe typischerweise geringer, höchstens aber gleich groß ist wie eine Nahtbreite. Wird die Leistungsdichte an der Oberfläche der Bauteile auf eine Größenordnung von einigen 105 W/cm2 bis zu einigen 106 W/cm2 erhöht, setzt ein starker Verdampfungsprozess ein. Dabei wird eine Dampfkapillare ausgebildet, die wesentlich für das Reflexions- und Absorptionsverhalten der Laserstrahlung ist. Gerade aufgrund der Dampfkapillare wird ein wesentlicher Teil der eingestrahlten Energie in den Fügebereich einkoppelt. Weiterhin kann die Laserstrahlung aufgrund der Dampfkapillare viel tiefer in die zu fügenden Bauteile eindringen, woraus sich auch die Bezeichnung „Tiefschweißen“ für dieses Schweißregime herleitet. Durch Tiefschweißen gebildete Laserschweißnähte weisen ein Aspektverhältnis von größer als 1, typischerweise von größer als 2 auf, wobei die Nahttiefe mehr als doppelt so groß ist als die Nahtbreite.For joining components by laser welding, essentially two process regimes are known, which are differentiated from one another on a scale of the power density of the laser radiation used. There is a first regime of so-called heat conduction welding, which is also referred to as heat conduction seam welding. This regime is given at power densities up to an order of magnitude of 10 5 W / cm 2 . Here, a surface of the components to be joined is heated to such an extent that a locally limited melting process begins. The energy absorbed by the components gets inside the component through thermal conduction. A weld seam formed by thermal conduction welding typically has a lens-shaped seam geometry with a low aspect ratio, viewed in cross section or micrograph, with a seam depth typically being less than, but at most equal to, a seam width. If the power density on the surface of the components is increased to a magnitude of a few 10 5 W / cm 2 up to a few 10 6 W / cm 2 , a strong evaporation process begins. A vapor capillary is formed, which is essential for the reflection and absorption behavior of the laser radiation. It is precisely because of the vapor capillary that a substantial part of the radiated energy is coupled into the joint area. Furthermore, due to the vapor capillary, the laser radiation can penetrate much deeper into the components to be joined, from which the term “deep welding” for this welding regime is derived. Laser weld seams formed by deep welding have an aspect ratio of greater than 1, typically greater than 2, the seam depth being more than twice as large as the seam width.
Problematisch an dem Regime des Tiefschweißens ist, dass oxidationsempfindliche Materialien nicht zuverlässig geschweißt werden können, da sie gerade aufgrund der Ausbildung einer Dampfkapillare Oxide bilden, welche zu einem Verspröden und damit zu einer geringen Festigkeit der gebildeten Laserschweißnaht beitragen. Aufgrund der hohen in den Fügebereich eingekoppelten Leistung kommt es zu Spritzern, was häufig die Ausbildung einer glatten Schweißnaht verhindert und zur Entstehung von Poren beiträgt. Außerdem entsteht im Regime des Tiefschweißens Metalldampf, der sich in der Umgebung der Laserschweißnaht niederschlagen kann. Dies ist zum einen aus ästhetischen Gründen problematisch, zum anderen kann es beim Schweißen elektrischer oder elektronischer Komponenten zu Kriechströmen oder Kurzschlüssen führen. Weiterhin erweist es sich als schwierig, Bauteile aus verschiedenen Materialien miteinander zu verschweißen. Gasdichte Schweißungen sind insbesondere bei Verwendung oxidationsempfindlicher Materialien aufgrund der Nahtversprödung kaum möglich. Besonders problematisch ist die Anwendung dieses Schweißregimes auf Sinter-Bauteile, die beispielsweise additiv oder mittels eines Metallpulver-Spritzgussverfahrens (Metal Injection Molding-Verfahren - MIM-Verfahren) hergestellt sind. Bei der Herstellung solcher Bauteile kann nicht vollständig ausgeschlossen werden, dass Restanteile eines organischen Bindermaterials vorhanden sind, welches dem Metallpulver beigemischt und für das Formen des Grünlings im Metallpulver-Spritzguss wichtig ist, die dann aufgrund der hohen Laserleistung beim Tiefschweißen ausgasen, oxidieren und Rückstände bilden, die eine ästhetische Anmutung der miteinander geschweißten Bauteile stark beeinträchtigen. Weiterhin führen die Oxidationsprodukte des Restbinders auch zu einer Versprödung der Schweißnaht, sodass keine stabile, gasdichte Verschweißung erhalten werden kann. Sinter-Bauteile weisen außerdem typischerweise in ihrem Inneren Poren auf, die gasgefüllt sein können. Auch dieses Gas kann im Regime des Laserschweißens chemisch verändert werden, insbesondere mit dem Material des Sinter-Bauteils reagieren und/oder sich auf der Oberfläche niederschlagen, was eine ästhetische und/oder mechanische Beeinträchtigung der Schweißung zur Folge haben kann. Auch die Erzeugung einer Schweißnaht mit wohldefinierter Nahttiefe ist im Regime des Tiefschweißens kaum möglich, da die Nahttiefe kaum steuerbar ist. Weiterhin können dünnwandige, insbesondere feinmechanische Bauteile kaum im Regime des Tiefschweißens miteinander verschweißt werden, da insbesondere aufgrund der kaum steuerbaren Nahttiefe ein Durchschweißen und damit eine Zerstörung der Bauteile beziehungsweise des entstehenden Bauteilverbunds droht.The problem with the deep welding regime is that oxidation-sensitive materials cannot be welded reliably, since they form oxides precisely due to the formation of a vapor capillary, which contribute to embrittlement and thus to a low strength of the laser weld seam formed. Due to the high power coupled into the joint area, spatter occurs, which often prevents the formation of a smooth weld seam and contributes to the formation of pores. In addition, metal vapor is generated in the deep welding regime, which can be deposited in the vicinity of the laser weld seam. On the one hand, this is problematic for aesthetic reasons; on the other hand, it can lead to leakage currents or short circuits when welding electrical or electronic components. It also proves to be difficult to weld components made of different materials together. Gas-tight welds are hardly possible, especially when using materials that are sensitive to oxidation, due to the embrittlement of the seam. The application of this welding regime to sintered components that are manufactured additively or by means of a metal powder injection molding process (metal injection molding process - MIM process) is particularly problematic. When manufacturing such components, it cannot be completely ruled out that there are residual amounts of an organic binder material that is added to the metal powder and is important for forming the green part in metal powder injection molding, which then outgass, oxidize and form residues due to the high laser power during deep welding that greatly impair the aesthetic appearance of the welded components. Furthermore, the oxidation products of the residual binder also lead to embrittlement of the weld seam, so that a stable, gas-tight weld cannot be obtained. Sintered components also typically have pores in their interior that can be gas-filled. This gas can also be chemically changed in the laser welding regime, in particular react with the material of the sintered component and / or precipitate on the surface, which can result in an aesthetic and / or mechanical impairment of the weld. The creation of a weld seam with a well-defined seam depth is hardly possible in the deep welding regime, since the seam depth can hardly be controlled. Furthermore, thin-walled, in particular precision-engineered components can hardly be welded to one another in the deep-penetration welding regime, since there is a risk of welding through and thus destruction of the components or the resulting component assembly, in particular due to the hardly controllable seam depth.
Das Regime des Wärmeleitungsschweißens weist jedoch ebenfalls Nachteile auf: Dadurch, dass hiermit lediglich vergleichsweise flache Schweißnähte erzeugt werden können, deren Tiefe kaum beeinflussbar ist, kann in diesem Regime ebenfalls keine stabile Verbindung zweier Bauteile miteinander erreicht werden, die auch unter hohem Druck hält und insbesondere unter solchen Bedingungen gasdicht ist.The heat conduction welding regime, however, also has disadvantages: Because it can only produce comparatively flat weld seams, the depth of which can hardly be influenced, no stable connection between two components can be achieved in this regime that also holds under high pressure and in particular is gas-tight under such conditions.
Es ist vorgeschlagen worden, die Nahttiefe beim Wärmeleitungsschweißen durch Anpassen der Temperatur an der Schmelzbadoberfläche und durch Beimischen von Prozessgasen zu beeinflussen, insbesondere zu erhöhen (
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen zweier Bauteile miteinander durch Laserschweißen sowie eine Bauteil-Anordnung mit zwei Bauteilen zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.The invention is based on the object of creating a method for joining two components to one another by laser welding and a component arrangement with two components, the disadvantages mentioned not occurring.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by creating the subjects of the independent claims. Advantageous configurations result from the subclaims.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Fügen zweier Bauteile miteinander durch Laserschweißen geschaffen wird, wobei ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil derart zu einer Bauteil-Anordnung einander benachbart angeordnet werden, dass die Bauteil-Anordnung eine Bestrahlungsfläche aufweist, die eine erste Bestrahlungs-Teilfläche an dem ersten Bauteil und eine zweite Bestrahlungs-Teilfläche an dem zweiten Bauteil aufweist. Die Bestrahlungsfläche wird entlang einer Bestrahlungsrichtung in einem Fügebereich mit einem Laserstrahl bestrahlt. Die Bestrahlungsrichtung entspricht dabei insbesondere der Propagations- oder Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls. Dabei vorgesehen, dass die Bestrahlungfläche in dem Fügebereich einen Spalt aufweist, der sich ausgehend von der Bestrahlungsfläche in Bestrahlungsrichtung verjüngt. Zugleich werden das erste Bauteil und das zweite Bauteil durch Wärmeleitungsschweißen miteinander gefügt. Indem die Bestrahlungsfläche in dem Fügebereich mit dem Spalt versehen wird, ist es möglich, die Bedingungen der Ausbildung der Laserschweißnaht auch im Regime des Wärmeleitungsschweißens so zu beeinflussen, dass die Nahtgeometrie der Laserschweißnaht einstellbar wird. Insbesondere kann die Geometrie der Laserschweißnaht im Querschnitt oder Schliffbild durch die Geometrie des Spalts weitestgehend bestimmt oder vorgegeben werden. Somit ist es insbesondere möglich, mittels des sich ausgehend von der Bestrahlungsfläche in Bestrahlungsrichtung verjüngenden Spalts auch im Regime des Wärmeleitungsschweißens sehr stabile Schweißnähte auszubilden, die insbesondere auch eine Tiefe aufweisen können, die größer ist als ihre Breite. Durch die Laserstrahlung wird nämlich - insbesondere unter Ausbildung von Mehrfachreflexionen der Laserstrahlung in dem Spalt - Material von Wandungen des Spalts abgeschmolzen, welches dann in den sich verjüngenden Spalt hineinfließt und den Spalt quasi von unten her, d.h. von der Seite des Spalts her, die der Bestrahlungsfläche abgewandt ist, auffüllt. Somit wird insbesondere die Tiefe der entstehenden Schweißnaht im Wesentlichen geometrisch durch die Ausgestaltung des sich in Bestrahlungsrichtung verjüngenden Spalts bestimmt/eingestellt. Die Einschweißtiefe kann durch die Geometrie des Spalts vorgegeben werden.The object is achieved in particular by creating a method for joining two components to one another by laser welding, a first component and a second component being arranged adjacent to one another to form a component arrangement such that the component arrangement has an irradiation surface that has a first Having irradiation sub-area on the first component and a second irradiation sub-area on the second component. The irradiation area is irradiated with a laser beam along an irradiation direction in a joining area. The direction of irradiation corresponds in particular to the direction of propagation or propagation of the laser beam. It is provided here that the irradiation surface has a gap in the joining area which tapers in the irradiation direction starting from the irradiation surface. At the same time, the first component and the second component are joined to one another by thermal conduction welding. By providing the irradiation surface in the joint area with the gap, it is possible to influence the conditions for the formation of the laser weld seam in the heat conduction welding regime so that the seam geometry of the laser weld seam can be adjusted. In particular, the geometry of the laser weld seam in cross section or micrograph can be largely determined or specified by the geometry of the gap. It is thus possible, in particular, to use the gap that tapers in the direction of irradiation from the irradiation surface to form very stable weld seams in the heat conduction welding regime, which in particular can also have a depth that is greater than their width. Because of the laser radiation - in particular with the formation of multiple reflections of the laser radiation in the gap - material is melted from the walls of the gap, which then flows into the tapering gap and the gap quasi from below, i.e. from the side of the gap facing away from the irradiation surface, filled. In particular, the depth of the weld seam that is produced is thus determined / set essentially geometrically by the configuration of the gap which tapers in the direction of irradiation. The welding depth can be specified by the geometry of the gap.
Das Verfahren eignet sich in besonderer Weise auch zum Verschweißen dünnwandiger Bauteile miteinander. Dies ergibt sich insbesondere daraus, dass bei dem Verfahren zum einen die Tiefe der Schweißnaht gut definiert werden kann, sodass nicht die Gefahr eines Durchschweißens besteht, wobei zum anderen eine stabile, feste und insbesondere auch druckdichte Verbindung der Bauteile miteinander geschaffen werden kann.The method is particularly suitable for welding thin-walled components together. This results in particular from the fact that in the method, on the one hand, the depth of the weld seam can be well defined so that there is no risk of welding through, while on the other hand, a stable, firm and, in particular, pressure-tight connection of the components to one another can be created.
Die Bestrahlungsrichtung wird bevorzugt parallel zu einer Mittelebene oder Symmetrieebene des Spalts gewählt. Vorzugsweise liegt die Bestrahlungsrichtung in der Mittelebene oder Symmetrieebene. Wenn die Bestrahlungs-Teilflächen miteinander fluchten, steht die Bestrahlungsrichtung bevorzugt senkrecht auf der Bestrahlungsfläche.The direction of irradiation is preferably selected to be parallel to a central plane or plane of symmetry of the gap. The direction of irradiation is preferably in the center plane or plane of symmetry. If the partial areas of irradiation are aligned with one another, the direction of irradiation is preferably perpendicular to the area of irradiation.
Vorzugsweise sind die Wandungen des Spalts Teilflächen der Bestrahlungsfläche.The walls of the gap are preferably partial areas of the irradiation area.
Durch die in dem Spalt auftretenden Mehrfachreflexionen kann wesentlich mehr Energie eingebracht werden, als dies bei Bestrahlung der Bestrahlungsfläche ohne den Spalt möglich wäre. Dies trägt zur Ausbildung stabilerer und/oder tieferer Schweißnähte auch im Bereich des Wärmeleitungsschweißens bei. Somit weisen die derart erzeugten Schweißnähte einerseits alle Eigenschaften und Vorteile von im Regime des Wärmeleitungsschweißens hergestellten Nähten auf, nämlich eine glatte Oberfläche, hohe Duktilität, Freiheit von Spritzern, Metalldampf und Poren, Vermeidung von Oxidbildung bei der Entstehung, und weitere mehr, wobei zugleich aber sehr stabile, gas-und druckdichte Nähte gebildet werden können, die insbesondere auch eine größere Tiefe aufweisen können, als es ihrer Breite entspricht. Es entstehen duktile, zähe Schweißverbindungen, die frei sind von Versprödungen insbesondere durch Oxide.As a result of the multiple reflections occurring in the gap, significantly more energy can be introduced than would be possible if the irradiation surface were irradiated without the gap. This also contributes to the formation of more stable and / or deeper weld seams in the area of thermal conduction welding. Thus, the weld seams produced in this way have on the one hand all the properties and advantages of seams produced in the regime of thermal conduction welding, namely a smooth surface, high ductility, freedom from splashes, metal vapor and pores, avoidance of oxide formation during formation, and more, but at the same time very stable, gas- and pressure-tight seams can be formed, which in particular can also have a greater depth than corresponds to their width. Ductile, tough welded joints are created that are free from embrittlement, in particular due to oxides.
Dabei ist es auch möglich, verschiedene Fügepartner im Regime des Wärmeleitungsschweißens miteinander zu verschweißen. Weiter ist es auch möglich, dünnwandige Bauteile, insbesondere mit Wandstärken von 0,1 mm bis 4 mm, vorzugsweise von 0,2 mm bis 3 mm, miteinander oder mit dickwandigeren Bauteilen zu verschweißen, ohne dass ein Durchschweißen und damit eine Beschädigung der Bauteile zu befürchten ist.It is also possible to weld different joining partners to one another in the thermal conduction welding regime. It is also possible to weld thin-walled components, in particular with wall thicknesses from 0.1 mm to 4 mm, preferably from 0.2 mm to 3 mm, to one another or to thick-walled components without welding through and thus damaging the components is feared.
Sinter-Bauteile, insbesondere additiv gefertigte Bauteile oder solche, die in einem Metallpulverspritzguss-Verfahren hergestellt sind, können ohne weiteres mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren gefügt werden, da Restbinderanteile nicht oxidieren und somit weder zu einer Nahtversprödung beitragen, noch sich unschöne Ablagerungen von Oxidationsprodukten oder Restgasen aus Poren ausbilden.Sintered components, in particular additively manufactured components or those that are manufactured in a metal powder injection molding process, can easily be used with the one proposed here Processes are joined, as residual binder components do not oxidize and thus neither contribute to seam embrittlement, nor do unsightly deposits of oxidation products or residual gases form from pores.
Wichtig ist, dass das Laserschweißen im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens im Regime des Wärmeleitungsschweißens erfolgt. Die Leistungsdichte beträgt dabei vorzugsweise weniger als 106 W/cm2, vorzugsweise weniger als 8·105 W/cm2, vorzugsweise weniger als 6·105 W/cm2, vorzugsweise weniger als 5·105 W/cm2, vorzugsweise weniger als 4·105 W/cm2, vorzugsweise weniger als 3·105 W/cm2, vorzugsweise weniger als 2·105 W/cm2, vorzugsweise weniger als 105 W/cm2, vorzugsweise weniger als 8·104 W/cm2, vorzugsweise weniger als 6·104 W/cm2, vorzugsweise weniger als 5·104 W/cm2. Insbesondere wird beim Wärmeleitungsschweißen die Leistungsdichte so gewählt, dass eine Erwärmung der Bauteil-Anordnung über die Verdampfungstemperatur desjenigen Bauteils der beiden Bauteile, welches die niedrigere Verdampfungstemperatur aufweist, oder über die Verdampfungstemperatur der beiden Bauteile hinaus, vermieden wird.It is important that the laser welding is carried out in the context of the method proposed here in the regime of thermal conduction welding. The power density is preferably less than 10 6 W / cm 2 , preferably less than 8 · 10 5 W / cm 2 , preferably less than 6 · 10 5 W / cm 2 , preferably less than 5 · 10 5 W / cm 2 , preferably less than 4 · 10 5 W / cm 2 , preferably less than 3 · 10 5 W / cm 2 , preferably less than 2 · 10 5 W / cm 2 , preferably less than 10 5 W / cm 2 , preferably less than 8 · 10 4 W / cm 2 , preferably less than 6 · 10 4 W / cm 2 , preferably less than 5 · 10 4 W / cm 2 . In particular, in thermal conduction welding, the power density is selected in such a way that heating of the component arrangement above the evaporation temperature of that component of the two components which has the lower evaporation temperature or above the evaporation temperature of the two components is avoided.
Unter einem Querschnitt wird eine Ansicht verstanden, die in einer Ebene liegt, in welcher die Bestrahlungsrichtung bestimmungsgemäß angeordnet ist, wobei sich eine Längsrichtung des Spalts und auch der gebildeten Laserschweißnaht senkrecht zu dieser Ebene erstreckt. Die Querschnittsebene ist somit insbesondere auch eine Ebene, in der üblicherweise Schliffbilder angefertigt werden, um die Qualität der Schweißung und insbesondere der Laserschweißnaht beurteilen zu können.A cross section is understood to mean a view that lies in a plane in which the direction of irradiation is arranged as intended, a longitudinal direction of the gap and also of the laser weld seam formed extending perpendicular to this plane. The cross-sectional plane is thus in particular also a plane in which micrographs are usually made in order to be able to assess the quality of the weld and in particular the laser weld seam.
Bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens wenigstens ein dünnwandiges Bauteil als erstes Bauteil und/oder als zweites Bauteil verwendet, wobei die Wandstärke des wenigstens einen dünnwandigen Bauteils bevorzugt von wenigstens 0,1 mm bis höchstens 4 mm, vorzugsweise von wenigstens 0,2 mm bis höchstens 3 mm beträgt. Besonders bevorzugt wird sowohl als erstes Bauteil als auch als zweites Bauteil ein dünnwandiges Bauteil, insbesondere mit einer solchen Wandstärke, verwendet, sodass besonders bevorzugt wenigstens zwei dünnwandige Bauteile miteinander verschweißt werden.In the context of the method, at least one thin-walled component is preferably used as the first component and / or as the second component, the wall thickness of the at least one thin-walled component preferably from at least 0.1 mm to at most 4 mm, preferably from at least 0.2 mm to at most 3 mm. A thin-walled component, in particular with such a wall thickness, is particularly preferably used both as the first component and as the second component, so that at least two thin-walled components are particularly preferably welded to one another.
Wenigstens ein Bauteil, ausgewählt aus dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, ist vorzugsweise als Blech ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist wenigstens ein Bauteil, ausgewählt aus dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, vorzugsweise als Draht ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist wenigstens ein Bauteil, ausgewählt aus dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, vorzugsweise als rotationssymmetrisches Bauteil, insbesondere als Welle, Achse, Rohr, oder dergleichen ausgebildet. Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, als Bleche ausgebildete Bauteile miteinander zu fügen, es können aber auch als Drähte ausgebildete Bauteile miteinander gefügt werden. Auch kann ein als Blech ausgebildetes Bauteil mit einem als Draht ausgebildeten Bauteil gefügt werden. Drähte untereinander - oder auch ein Draht in Berührung mit einem Blech - bilden aufgrund ihrer runden Geometrie eine Linienberührung mit dem benachbarten Bauteil aus, die quasi den Spaltgrund des Spaltes bildet, den dann die Bestrahlungsfläche aufweist. Insbesondere weisen auf diese Weise zwei entlang ihrer Längserstreckung nebeneinander angeordnete Drähte, die insbesondere aneinander anliegen, und die senkrecht zu ihrer Längserstreckung mit Laserstrahlung bestrahlt werden, aufgrund ihrer runden Geometrie einen Spalt auf, der sich ausgehend von der Bestrahlungsfläche in Bestrahlungsrichtung verjüngt. Dabei hat sich gerade beim Schweißen solcher Drähte - oder auch einer Anordnung aus einem Draht und einem Blech - mittels des hier vorgeschlagenen Verfahrens herausgestellt, dass das von den Wandungen des Spalts abgeschmolzene Material sehr effizient den Spalt füllt, jedoch nicht auf der der Bestrahlungsfläche abgewandten Seite des Spalts aus diesem austritt. Somit wird selbst eine derart fragile Anordnung nicht durchgeschweißt, sondern es wird vielmehr eine saubere, stabile Schweißnaht erzeugt, wobei die miteinander verbundenen Bauteile auch von einer der Schweißnaht abgewandten Seite her eine ästhetisch günstige Anmutung aufweisen, da hier kein Schweißmaterial austritt und insbesondere keine Spritzer hin gelangen. Insbesondere kann eine optische Qualität wie bei einer Lötnaht erreicht werden. Rotationssymmetrisch ausgebildete Bauteile können mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren insbesondere entlang einer Umfangslinie - insbesondere ringsum entlang des gesamten Umfangs - verschweißt werden. Es ist bevorzugt möglich, dass beide Bauteile als rotationssymmetrische Bauteile ausgebildet sind.At least one component selected from the first component and the second component is preferably designed as a sheet metal. Alternatively or additionally, at least one component selected from the first component and the second component is preferably designed as a wire. Alternatively or in addition, at least one component selected from the first component and the second component is preferably designed as a rotationally symmetrical component, in particular as a shaft, axle, tube, or the like. With the method proposed here it is possible to join components formed as sheet metal with one another, but components formed as wires can also be joined to one another. A component designed as sheet metal can also be joined to a component designed as a wire. Wires with one another - or a wire in contact with a sheet metal - form, due to their round geometry, a line contact with the neighboring component, which quasi forms the gap base of the gap, which then has the irradiation surface. In particular, because of their round geometry, two wires arranged next to one another along their longitudinal extension, which lie against one another and which are irradiated with laser radiation perpendicular to their longitudinal extension, have a gap that tapers in the irradiation direction starting from the irradiation surface. During the welding of such wires - or an arrangement of a wire and a sheet metal - by means of the method proposed here, it has been found that the material melted from the walls of the gap fills the gap very efficiently, but not on the side facing away from the irradiation surface of the gap emerges from this. Thus, even such a fragile arrangement is not welded through, but rather a clean, stable weld seam is produced, the interconnected components also having an aesthetically favorable appearance from a side facing away from the weld seam, since no welding material escapes here and in particular no spatter reach. In particular, an optical quality like that of a soldered seam can be achieved. Components designed to be rotationally symmetrical can be welded with the method proposed here, in particular along a circumferential line - in particular all around along the entire circumference. It is preferably possible for both components to be designed as rotationally symmetrical components.
Die Bestrahlungsfläche kann eben ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass die Bestrahlungsfläche nicht eben oder nur bereichsweise eben ausgebildet ist. Die Bestrahlungsfläche ist also keinesfalls zwingend eine Ebene. Insbesondere ist es möglich, dass die erste Bestrahlungs-Teilfläche einen Winkel mit der zweiten Bestrahlungs-Teilfläche einschließt, insbesondere wenn das erste Bauteil und das zweite Bauteil quasi über Eck auf Stoß miteinander angeordnet sind.The irradiation surface can be flat. However, it is also possible that the irradiation surface is not planar or is only planar in certain areas. The irradiation surface is therefore by no means necessarily a plane. In particular, it is possible for the first partial irradiation surface to form an angle with the second partial irradiation surface, in particular if the first component and the second component are arranged almost at a corner butt against one another.
Vorzugsweise sind die erste Bestrahlungs-Teilfläche und die zweite Bestrahlungs-Teilfläche in dem Fügebereich durch den Spalt voneinander getrennt.The first partial area of irradiation and the second partial area of irradiation are preferably separated from one another by the gap in the joining area.
In dem Fügebereich grenzen die miteinander zu fügenden Bauteile vorzugsweise aneinander, oder sind zumindest nebeneinander bzw. einander benachbart angeordnet.In the joining area, the components to be joined preferably adjoin one another, or are at least arranged next to one another or adjacent to one another.
Es ist möglich, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil unmittelbar einander benachbart angeordnet, insbesondere aneinander angelegt werden, sodass sie sich berühren. Es ist aber auch möglich, dass zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil ein Abstand bleibt, wobei insbesondere geringe Abstände von höchstens 0,3 mm beim Laserschweißen mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren überbrückt werden können. Insbesondere Abstände zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil in der genannten Größenordnung können durch das hier vorgeschlagene Verfahren überbrückt werden, da das von den Wandungen des Spalts abgeschmolzene Material Tropfen bildet, die in den sich verjüngenden Spalt hineinfließen und diesen von unten her verschließen. Dabei erstarrt das aufgeschmolzene Material, bevor es auf der gegenüberliegenden Seite aus dem Spalt wieder austreten kann. Der hier angesprochene Abstand ist insbesondere ein kleinster Abstand zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, der insbesondere in dem Grund des Spalts gegeben sein kann.It is possible for the first component and the second component to be arranged directly adjacent to one another, in particular to be placed against one another, so that they touch one another. However, it is also possible that a distance remains between the first component and the second component, in particular small distances of at most 0.3 mm can be bridged with the method proposed here during laser welding. In particular, distances between the first component and the second component of the order of magnitude mentioned can be bridged by the method proposed here, since the material melted from the walls of the gap forms droplets which flow into the tapering gap and close it from below. The melted material solidifies before it can exit the gap again on the opposite side. The distance discussed here is in particular a smallest distance between the first component and the second component, which can be given in particular in the bottom of the gap.
In Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens wird demnach insbesondere ein Durchschweißen des Spalts oder durch den Spalt gezielt vermieden.In the context of the method proposed here, welding through the gap or through the gap is accordingly specifically avoided.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bauteilanordnung bereitgestellt wird, indem das erste Bauteil und das zweite Bauteil in einem Abstand zueinander angeordnet werden, der von mindestens 0 mm bis höchstens 0,3 mm, vorzugsweise bis höchstens 0,25 mm, vorzugsweise bis höchstens 0,2 mm, vorzugsweise mindestens 0,01 mm, vorzugsweise mindestens 0,02 mm, vorzugsweise mindestens 0,05 mm, vorzugsweise bis höchstens 0,1 mm, beträgt. Dieser Abstand wird insbesondere in dem Fügebereich gemessen. Beträgt der Abstand 0 mm, liegen die Bauteile unmittelbar aneinander an. Es ist aber auch möglich, dass die Bauteile nicht entlang einer gesamten Erstreckung des Fügebereichs in einem selben Abstand zueinander angeordnet werden können, sei es aufgrund nicht vollständig paralleler Oberflächen oder aufgrund von einer Bauteilkrümmung in wenigstens einer Richtung. In diesem Fall können sich entlang des Fügebereichs - insbesondere entlang der Erstreckung der auszubildenden Schweißnaht - verschiedene Abstände ergeben, die insbesondere in den hier genannten Bereichen liegen können, wobei der Abstand insbesondere in den genannten Bereichen variieren kann. Wie bereits hervorgehoben, können solche Abstände ohne weiteres beim Laserschweißen mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren überbrückt werden.According to a further development of the invention, it is provided that the component arrangement is provided by the first component and the second component being arranged at a distance from one another which is at least 0 mm to at most 0.3 mm, preferably to at most 0.25 mm, preferably up to at most 0.2 mm, preferably at least 0.01 mm, preferably at least 0.02 mm, preferably at least 0.05 mm, preferably up to at most 0.1 mm. This distance is measured in particular in the joining area. If the distance is 0 mm, the components are in direct contact with one another. However, it is also possible that the components cannot be arranged at the same distance from one another along an entire extension of the joining area, be it due to surfaces that are not completely parallel or due to a component curvature in at least one direction. In this case, along the joining area - in particular along the extension of the weld seam to be formed - different distances can result, which in particular can lie in the areas mentioned here, wherein the distance can vary in particular in the areas mentioned. As already pointed out, such distances can easily be bridged during laser welding with the method proposed here.
Insbesondere werden das erste Bauteil und das zweite Bauteil mit einem Abstand in den genannten Bereichen einander benachbart angeordnet, wobei auf diese Weise die Bauteil-Anordnung erhalten wird.In particular, the first component and the second component are arranged adjacent to one another at a distance in the areas mentioned, the component arrangement being obtained in this way.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein minimaler Abstand zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil zu mindestens 0 mm bis höchstens 0,3 mm, vorzugsweise bis höchstens 0,25 mm, vorzugsweise bis höchstens 0,2 mm, vorzugsweise mindestens 0,01 mm, vorzugsweise mindestens 0,02 mm, vorzugsweise mindestens 0,05 mm, vorzugsweise höchstens 0,1 mm, gewählt wird. Der minimale Abstand wird dabei bevorzugt in dem Fügebereich gemessen. Der minimale Abstand stellt insbesondere einen kürzesten oder kleinsten Abstand zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil - insbesondere in dem Fügebereich - dar. Der minimale Abstand wird demnach bevorzugt gezielt eingestellt. Wie bereits ausgeführt, können Abstände in den hier genannten Größenordnungen oder Bereichen ohne weiteres im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens durch Laserschweißen überbrückt werden.According to a further development of the invention it is provided that a minimum distance between the first component and the second component is at least 0 mm to at most 0.3 mm, preferably up to at most 0.25 mm, preferably up to at most 0.2 mm, preferably at least 0 .01 mm, preferably at least 0.02 mm, preferably at least 0.05 mm, preferably at most 0.1 mm. The minimum distance is preferably measured in the joining area. The minimum distance represents, in particular, a shortest or smallest distance between the first component and the second component - in particular in the joining area. The minimum distance is accordingly preferably set in a targeted manner. As already stated, distances in the orders of magnitude or ranges mentioned here can easily be bridged within the scope of the method proposed here by laser welding.
Die Begriffe „Spalt“ und „Abstand“ werden hier insbesondere folgendermaßen verwendet: Der Spalt ist in dem Fügebereich ausgebildet und verjüngt sich ausgehend von der Bestrahlungsfläche, sodass eine im Bereich des Spalts gemessene Distanz zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil sich ausgehend von der Bestrahlungsfläche in Bestrahlungsrichtung gesehen verringert. Der Abstand ist nun diejenige Distanz zwischen den Bauteilen, die in Bestrahlungsrichtung im Bereich des Spalts minimal ist, insbesondere die Distanz am Ende oder Fuß des Spalts, oder eine Distanz, die in Bestrahlungsrichtung unterhalb des Spalts, also der Bestrahlungsfläche abgewandt, gemessen wird. Der Begriff „Spalt“ bezeichnet also eine bestimmte geometrische Struktur der Bauteil-Anordnung, während der Begriff „Abstand“ eine bestimmte Distanz zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil bezeichnet, die insbesondere - in Bestrahlungsrichtung gesehen - auf einer bestimmten Höhe gemessen wird, vorzugsweise am Fuß des Spalts oder der Bestrahlungsfläche abgewandt unterhalb des Spalts.The terms “gap” and “distance” are used here in particular as follows: The gap is formed in the joining area and tapers starting from the irradiation surface, so that a distance measured in the area of the gap between the first component and the second component is based on the Irradiation area reduced as seen in the direction of irradiation. The distance is now that distance between the components that is minimal in the irradiation direction in the region of the gap, in particular the distance at the end or foot of the gap, or a distance that is measured in the irradiation direction below the gap, i.e. facing away from the irradiation surface. The term “gap” thus denotes a certain geometric structure of the component arrangement, while the term “distance” denotes a certain distance between the first component and the second component, which in particular - viewed in the irradiation direction - is measured at a certain height, preferably at the foot of the gap or facing away from the irradiation area below the gap.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil ohne Schutzgas miteinander gefügt werden. Mit dem hier offenbarten Verfahren ist es vorteilhaft möglich, ohne Verwendung eines Schutzgases oxidfreie, duktile, zähe, stabile und insbesondere druckdichte Schweißnähte zu erzeugen.It is preferably provided that the first component and the second component are joined to one another without protective gas. With the method disclosed here, it is advantageously possible to produce oxide-free, ductile, tough, stable and, in particular, pressure-tight weld seams without using a protective gas.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in den Spalt ein Zusatzmaterial eingebracht wird. Auf diese Weise können vorteilhaft insbesondere auch größere Abstände zwischen den miteinander zu fügenden Bauteilen überbrückt, insbesondere geschlossen werden, und/oder es ist möglich, das erste Bauteil und das zweite Bauteil auch dann miteinander zu verschweißen, wenn von den Wandungen des Spalts nicht genügend Material abgeschmolzen werden kann, um den Spalt von unten her zu verschließen und/oder aufzufüllen. Insbesondere kann der Abstand zwischen den zu fügenden Bauteilen ohne Durchdringen des Zusatzmaterials während des Wärmeleitungsschweißens überbrückt werden.According to a further development of the invention it is provided that an additional material is introduced into the gap. This way you can be beneficial In particular, larger distances between the components to be joined are bridged, in particular closed, and / or it is possible to weld the first component and the second component to one another even if not enough material can be melted from the walls of the gap in order to to close and / or fill the gap from below. In particular, the distance between the components to be joined can be bridged without the additional material penetrating through during the heat conduction welding.
Das Verfahren ist insbesondere auch bei größeren Bauteilen anwendbar, wenn ein Zusatzmaterial in den Spalt eingebracht wird. Insbesondere ist das Verfahren anwendbar zum Fügen von Blechen miteinander, insbesondere von hochfesten Blechen, insbesondere von Karosserieblechen für eine Karosserie, insbesondere eine Automobil-Karosserie. Insbesondere ist das Verfahren anwendbar zum Fügen von Blechen, die beschichtet sind, insbesondere mit einer Korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere mit Zink. Eine solche Beschichtung, insbesondere Zink, wird dabei vorteilhaft während des Wärmeleitungsschweißens entfernt, sodass die Bleche sicher und stabil miteinander gefügt werden können. Insbesondere ist das Verfahren anwendbar zum Fügen von Blechen im Leichtbau, insbesondere im Karosserie-Leichtbau.The method can also be used in particular for larger components if an additional material is introduced into the gap. In particular, the method can be used for joining metal sheets to one another, in particular high-strength metal sheets, in particular body panels for a body, in particular an automobile body. In particular, the method can be used for joining metal sheets that are coated, in particular with an anti-corrosion coating, in particular with zinc. Such a coating, in particular zinc, is advantageously removed during the heat conduction welding so that the sheets can be joined together safely and stably. In particular, the method can be used for joining metal sheets in lightweight construction, in particular in lightweight body construction.
Bevorzugt wird das Zusatzmaterial während des Bestrahlens mit dem Laserstrahl in den Spalt eingebracht, insbesondere in einen mit dem Laserstrahl bestrahlten Bereich; oder vor dem Bestrahlen mit dem Laserstrahl; oder das Zusatzmaterial wird mit zeitlicher Verzögerung zum Beginn der Bestrahlung eines mit dem Laserstahl bestrahlten Bereichs in diesen Bereich des Spalts eingebracht. Insbesondere kann eine Vorrichtung zum Einbringen des Zusatzmaterials dem Laserstrahl in Bestrahlungsrichtung voreilen, lokal gemeinsam mit dem Laserstrahl verlagert werden, oder dem Laserstrahl nacheilen. Eilt die Vorrichtung zum Einbringen des Zusatzmaterials dem Laserstrahl vor, kann das Zusatzmaterial zuerst in den Spalt eingebracht und dann durch den Laserstrahl erschmolzen werden. Bei einer simultanen Einbringung des Zuatzmaterials und Bestrahlung desselben durch den Laserstrahl wird das Zusatzmaterial unmittelbar bei seiner Einbringung in den Spalt durch den Laserstrahl erschmolzen. Läuft die Vorrichtung zum Einbringen des Zusatzmaterials dem Laserstrahl nach, ist die Verzögerung zwischen der Bestrahlung eines bestimmten Bereichs und dem Einbringen des Zusatzmaterials bevorzugt so eingestellt, dass das Zusatzmaterial in den noch aufgeschmolzenen Bereich eingebracht oder so eingebracht wird, dass der Bereich, in den das Zusatzmaterial eingebracht wird, zum Zeitpunkt des Einbringens des Zusatzmaterials bereits erschmolzen, aber noch durch den Laserstrahl bestrahlt ist. Insbesondere auf diese Weise kann ein etwaiger Abstand zwischen den Bauteilen bereits durch geschmolzenes Material der Wandungen geschlossen sein und anschließend mit dem Zusatzmaterial gefüllt werden, welches dann durch den Laserstrahl erschmolzen wird, ohne dass das Zusatzmaterial auf der in Bestrahlungsrichtung gegenüberliegenden Seite aus dem Spalt wieder austreten kann.The additional material is preferably introduced into the gap during the irradiation with the laser beam, in particular in an area irradiated with the laser beam; or before irradiating with the laser beam; or the additional material is introduced into this region of the gap with a time delay from the start of the irradiation of an area irradiated with the laser beam. In particular, a device for introducing the additional material can lead the laser beam in the irradiation direction, be locally displaced together with the laser beam, or lag behind the laser beam. If the device for introducing the additional material is ahead of the laser beam, the additional material can first be introduced into the gap and then melted by the laser beam. With a simultaneous introduction of the additional material and irradiation of the same by the laser beam, the additional material is melted by the laser beam immediately when it is introduced into the gap. If the device for introducing the additional material follows the laser beam, the delay between the irradiation of a certain area and the introduction of the additional material is preferably set so that the additional material is introduced into the area that is still melted or so that the area in which the Additional material is introduced, has already melted at the time the additional material is introduced, but is still irradiated by the laser beam. In particular, in this way, any distance between the components can already be closed by melted material of the walls and then filled with the additional material, which is then melted by the laser beam without the additional material emerging from the gap on the opposite side in the irradiation direction can.
Bevorzugt ist das Zusatzmaterial ein Metall oder eine Metalllegierung.The additional material is preferably a metal or a metal alloy.
Bevorzugt wird das Zusatzmaterial in den Spalt als Pulvermaterial eingebracht. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Zusatzmaterial in den Spalt als Draht eingebracht wird.The additional material is preferably introduced into the gap as powder material. Alternatively or in addition, it is possible that the additional material is introduced into the gap as a wire.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Zusatzmaterial als Pulvermaterial in den Spalt eingeblasen wird. Insbesondere wird das Pulvermaterial bevorzugt vor der Bestrahlung, während der Bestrahlung oder mit Verzögerung zu der Bestrahlung in den Spalt eingebracht. Insbesondere wird das Pulvermaterial bevorzugt in einen durch den Laserstrahl bestrahlten Schweißbereich des Spalts eingebracht.According to a preferred embodiment it is provided that the additional material is blown into the gap as powder material. In particular, the powder material is preferably introduced into the gap before the irradiation, during the irradiation or with a delay to the irradiation. In particular, the powder material is preferably introduced into a welding area of the gap that is irradiated by the laser beam.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Pulvermaterial durch einen Bearbeitungskopf, insbesondere Laserkopf, in den Spalt eingebracht, insbesondere eingeblasen wird, wobei der Bearbeitungskopf, insbesondere Laserkopf, zugleich zur Bestrahlung der Bestrahlungsflächen mit dem Laserstrahl eingerichtet ist. Insbesondere ist der Bearbeitungskopf als Laserstrahlquelle ausgebildet, und weist bevorzugt einen letzten Teil einer Strahlführungsoptik oder ein Austrittsfenster für den Laserstrahl auf. Insbesondere ist bevorzugt eine Vorrichtung zum Einblasen des Pulvers in den Bearbeitungskopf integriert. Dabei kann die Vorrichtung dem Laserstrahl vorlaufen, simultan auf eine selbe Stelle wie der Laserstrahl einwirken, beispielsweise indem ein Pulverauslass der Vorrichtung den Laserstrahl ringförmig umgreift, oder die Vorrichtung kann dem Laserstrahl nacheilen.It is particularly preferably provided that the powder material is introduced into the gap, in particular blown into it, by a processing head, in particular a laser head, the processing head, in particular a laser head, also being set up to irradiate the irradiation surfaces with the laser beam. In particular, the machining head is designed as a laser beam source and preferably has a last part of a beam guiding optics or an exit window for the laser beam. In particular, a device for blowing the powder into the processing head is preferably integrated. The device can precede the laser beam and act simultaneously on the same point as the laser beam, for example by having a powder outlet of the device encompass the laser beam in a ring, or the device can lag behind the laser beam.
Vorzugsweise wird das Zusatzmaterial in mehreren Schritten oder Iterationen in den Spalt eingebracht. Der Spalt wird also insbesondere mehrfach mit dem Zusatzmaterial und vorzugsweise mit dem Laserstrahl überstrichen.The additional material is preferably introduced into the gap in several steps or iterations. The gap is therefore in particular covered several times with the additional material and preferably with the laser beam.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Spalt mit dem Zusatzmaterial vollständig gefüllt wird. Auf diese Weise können auch größere Spalte vollständig überbrückt und auch größere Bauteile sicher miteinander gefügt werden.It is particularly preferably provided that the gap is completely filled with the additional material. In this way, even larger gaps can be completely bridged and larger components can be securely joined together.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine im Rahmen des Verfahrens gebildete Schweißnaht mit dem Laserstrahl geglättet wird. Das Glätten erfolgt bevorzugt durch Überstreichen der Schweißnaht mit dem Laserstrahl, insbesondere ohne Anwenden von Zusatzmaterial. Auf diese Weise können sehr glatte und ästhetische Schweißnähte gebildet werden. Vorzugsweise überstreicht der Laserstrahl die Schweißnaht zum Glätten mit im Vergleich zum Wärmeleitungsschweißen verringerter Leistung oder verringerter Leistungsdichte.According to a preferred embodiment, it is provided that a weld seam formed in the course of the method is smoothed with the laser beam. The smoothing is preferably carried out by sweeping over the weld seam with the laser beam, in particular without using additional material. In this way, very smooth and aesthetic weld seams can be formed. The laser beam preferably sweeps over the weld seam for smoothing with reduced power or reduced power density compared to thermal conduction welding.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Quotient eines Strahl-Breitenmaßes des Laserstrahls zu einer in der Bestrahlungsfläche gemessenen Breite des Spalts von mindestens 0,2 bis höchstens 2,0 beträgt. Es hat sich herausgestellt, dass in diesem Bereich des Quotienten besonders günstige Ergebnisse mit Blick auf eine stabile Schweißnaht erhalten werden. Weist der Laserstrahl ein gaußförmiges Strahlprofil auf, wird das Strahl-Breitenmaß vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Bestrahlungsrichtung dort gemessen, wo die Intensität des Laserstrahls noch einen Faktor 1/e2 der Intensität des Laserstrahls auf der Strahlmittelachse, also im Intensitätsmaximum des Gaußprofils, beträgt. Weist der Laserstrahl ein Rechteckprofil auf, ist das Strahl-Breitenmaß ohne weiteres durch das Rechteckprofil definiert. Es ist auch möglich, dass der Laserstrahl durch geeignete Strahlblenden oder Strahlformung geformt oder ausgeblendet ist. Auch in diesem Fall weist der Laserstrahl ein dann insbesondere durch den Blendendurchmesser bestimmtes Strahl-Breitenmaß auf.According to a further development of the invention it is provided that a quotient of a beam width dimension of the laser beam to a width of the gap measured in the irradiation area is at least 0.2 to at most 2.0. It has been found that in this area of the quotient particularly favorable results are obtained with a view to a stable weld seam. If the laser beam has a Gaussian beam profile, the beam width is preferably measured in a plane perpendicular to the direction of irradiation where the intensity of the laser beam is a factor of 1 / e 2 of the intensity of the laser beam on the beam center axis, i.e. at the maximum intensity of the Gaussian profile . If the laser beam has a rectangular profile, the beam width dimension is easily defined by the rectangular profile. It is also possible for the laser beam to be shaped or masked out by suitable beam diaphragms or beam shaping. In this case too, the laser beam has a beam width dimension which is then determined in particular by the diaphragm diameter.
Unter einem Strahl-Breitenmaß wird hier insbesondere eine senkrecht zu einer Vorschubrichtung entlang einer Längserstreckung der entstehenden Schweißnaht gemessene Strahlbreite im Querschnitt des Laserstrahls bezeichnet. Bei einem kreisförmigen Strahlquerschnitt ist das Strahl-Breitenmaß insbesondere ein Strahl-Durchmesser. Der Einfachheit wegen werden im Folgenden die Begriffe „Strahl-Breitenmaß“ und „Strahl-Durchmesser“ synonym zueinander verwendet, ohne Rücksicht auf die konkrete Form oder das konkrete Profil des Laserstrahls im Querschnitt.A beam width dimension here denotes, in particular, a beam width in the cross section of the laser beam, measured perpendicular to a feed direction along a longitudinal extension of the weld seam being created. In the case of a circular beam cross-section, the beam width dimension is in particular a beam diameter. For the sake of simplicity, the terms “beam width dimension” and “beam diameter” are used synonymously in the following, regardless of the specific shape or the specific profile of the laser beam in cross section.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Quotient des Strahl-Breitenmaßes zu der Breite des Spalts von mindestens 0,3 bis höchstens 2,0; vorzugsweise von mindestens 0,4 bis höchstens 2,0; vorzugsweise von mindestens 0,5 bis höchstens 2,0; vorzugsweise von mindestens 0,6 bis höchstens 1,9; vorzugsweise von mindestens 0,7 bis höchstens 1,8; vorzugsweise bis höchstens 1,7; vorzugsweise bis höchstens 1,6; vorzugsweise von mindestens 0,8 bis höchstens 1,5; vorzugsweise von mindestens 0,9 bis höchstens 1,4; vorzugsweise von mindestens 1,0 bis höchstens 1,3; vorzugsweise 1,2, beträgt. Es hat sich herausgestellt, dass in den ich hier definierten Bereichen besonders günstige Bedingungen zur Ausbildung einer stabilen Laserschweißnaht im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens gegeben sind.According to a development of the invention it is provided that the quotient of the beam width dimension to the width of the gap is from at least 0.3 to at most 2.0; preferably from at least 0.4 to at most 2.0; preferably from at least 0.5 to at most 2.0; preferably from at least 0.6 to at most 1.9; preferably from at least 0.7 to at most 1.8; preferably to at most 1.7; preferably up to at most 1.6; preferably from at least 0.8 to at most 1.5; preferably from at least 0.9 to at most 1.4; preferably from at least 1.0 to at most 1.3; is preferably 1.2. It has been found that in the areas I have defined here, there are particularly favorable conditions for the formation of a stable laser weld seam within the scope of the method proposed here.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spalt symmetrisch an dem ersten Bauteil und an dem zweiten Bauteil vorgesehen ist. In diesem Fall weist vorzugsweise die Bauteil-Anordnung aus dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil eine sich zwischen den Bauteilen erstreckende Symmetrieebene auf, wobei die gesamte Spaltgeometrie durch Spiegelung der Geometrie des ersten Bauteils im Bereich des Spalts an der Symmetrieebene - oder umgekehrt durch Spiegelung der Geometrie des zweiten Bauteils an der Symmetrieebene - erhalten wird.According to a development of the invention it is provided that the gap is provided symmetrically on the first component and on the second component. In this case, the component arrangement from the first component and the second component preferably has a plane of symmetry extending between the components, the entire gap geometry being mirrored on the plane of symmetry by mirroring the geometry of the first component in the area of the gap - or vice versa by mirroring the Geometry of the second component at the plane of symmetry - is obtained.
Alternativ ist es möglich, dass der Spalt asymmetrisch an dem ersten Bauteil und an dem zweiten Bauteil vorgesehen ist, wobei sich die Wandungen des Spalts an den Bauteilen insbesondere in Hinblick auf ihre Krümmung und/oder ihren Winkel zur Bestrahlungsfläche unterscheiden können.Alternatively, it is possible for the gap to be provided asymmetrically on the first component and on the second component, the walls of the gap on the components being able to differ in particular with regard to their curvature and / or their angle to the irradiation surface.
Alternativ ist es möglich, dass der Spalt einseitig an einem Bauteil, ausgewählt aus dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, ausgebildet ist. Es ist also möglich, dass eines der Bauteile keine Spaltgeometrie, beispielsweise keine Fase oder keine Abrundung oder dergleichen aufweist, sondern beispielsweise - im Querschnitt gesehen - rechteckförmig oder rechtwinklig ausgebildet ist. Das andere Bauteil kann dann beispielsweise eine Fase oder eine Abrundung aufweisen, sodass der Spalt in dem Fügebereich ausgebildet wird.Alternatively, it is possible that the gap is formed on one side on a component selected from the first component and the second component. It is therefore possible that one of the components does not have any gap geometry, for example no bevel or rounding or the like, but rather, for example - as seen in cross section - is rectangular or rectangular. The other component can then, for example, have a chamfer or a rounding so that the gap is formed in the joining area.
Durch die bestimmte Wahl einer Geometrie für den Spalt kann die Geometrie der entstehenden Laserschweißnaht bestimmt werden, wodurch bevorzugt auch deren Eigenschaften mitbestimmt werden.Through the specific choice of a geometry for the gap, the geometry of the laser weld seam that is produced can be determined, whereby its properties are preferably also determined.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Spalt wenigstens eine abgerundete Wandung aufweist. Ein Beispiel für eine solche abgerundete Wandung ergibt sich bei einem Draht, der von sich aus eine runde Geometrie - im Querschnitt gesehen - aufweist. Zwei aneinandergelegte Drähte oder ein an ein Blech gelegter Draht weisen somit aufgrund ihrer eigenen Geometrie einen Spalt mit abgerundeter Wandung auf. Besonders bevorzugt weist der Spalt zwei abgerundete Wandungen auf. Dies ist beispielsweise der Fall bei zwei entlang ihrer Längsrichtung nebeneinander angeordneten Drähten, bei zwei nebeneinander angeordneten Blechen mit abgerundeten Kanten, oder auch bei einem Blech mit abgerundeter Kante, neben dem ein Draht angeordnet wird.According to a development of the invention it is provided that the gap has at least one rounded wall. An example of such a rounded wall results from a wire that inherently has a round geometry - viewed in cross section. Two wires placed next to one another or one wire placed on a metal sheet thus have a gap with a rounded wall due to their own geometry. The gap particularly preferably has two rounded walls. This is the case, for example, with two wires arranged next to one another along their longitudinal direction, with two metal sheets arranged next to one another with rounded edges, or also with a sheet metal with rounded edge, next to which a wire is arranged.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Spalt wenigstens eine ebene Schrägwandung aufweist. Dies ist beispielsweise möglich, wenn wenigstens eines der Bauteile in dem Fügebereich eine Fase oder eine andere Abschrägung aufweist. Bevorzugt weist der Spalt zwei Schrägwandungen auf. Dies ist insbesondere möglich, indem beide nebeneinander angeordneten Bauteile in dem Fügebereich eine Fase oder Abschrägung aufweisen.Alternatively or additionally, it is possible for the gap to have at least one flat inclined wall. This is possible, for example, if at least one of the components has a bevel or some other bevel in the joining area. The gap preferably has two sloping walls. This is possible in particular in that both components arranged next to one another have a bevel or bevel in the joining area.
Auch insoweit trägt die spezifische Auswahl einer Geometrie für den Spalt wesentlich zu den Eigenschaften der gebildeten Laserschweißnaht, insbesondere zu deren geometrischen Ausgestaltung, bei.In this respect, too, the specific selection of a geometry for the gap makes a significant contribution to the properties of the laser weld seam that is formed, in particular to its geometric configuration.
Bevorzugt wird wenigstens ein Blech mit abgerundeter Kante als das wenigstens eine erste und/oder zweite Bauteil verwendet.At least one sheet metal with a rounded edge is preferably used as the at least one first and / or second component.
Ein Spalt, der zwei ebene Schrägwandungen aufweist, ist vorzugsweise im Querschnitt dreieckförmig ausgebildet.A gap, which has two flat sloping walls, is preferably triangular in cross section.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die wenigstens eine abgerundete Wandung einen Radius von mindestens 0,1 mm bis höchstens 5 mm; vorzugsweise von mindestens 0,3 mm bis höchstens 5 mm; vorzugsweise bis höchstens 4,5 mm, vorzugsweise bis höchstens 4 mm; vorzugsweise bis höchstens 3,5 mm; vorzugsweise bis höchstens 3 mm; vorzugsweise bis höchstens 2,7 mm; vorzugsweise von mindestens 0,4 mm bis höchstens 2,6 mm; vorzugsweise von mindestens 0,5 mm bis höchstens 2,5 mm; vorzugsweise von mindestens 0,6 mm bis höchstens 2,4 mm; vorzugsweise von mindestens 0,7 mm bis höchstens 2,3 mm; vorzugsweise von mindestens 0,8 mm bis höchstens 2,2 mm; vorzugsweise von mindestens 0,9 mm bis höchstens 2,1 mm; vorzugsweise von mindestens 1,0 mm bis höchstens 2,0 mm; vorzugsweise von mindestens 1,1 mm bis höchstens 1,9 mm; vorzugsweise von mindestens 1,2 mm bis höchstens 1,8 mm; vorzugsweise von mindestens 1,3 mm bis höchstens 1,7 mm; vorzugsweise von mindestens 1,4 mm bis höchstens 1,6 mm; vorzugsweise 1,5 mm, vorzugsweise 0,65 mm aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass bei den hier definierten Radien für die wenigstens eine abgerundete Wandung, vorzugsweise für die beiden abgerundeten Wandungen des Spalts, besonders günstige Bedingungen für die Ausbildung einer stabilen Laserschweißnaht im Regime des Wärmeleitungsnahtschweißens herrschen, wobei zugleich Schweißnähte gebildet werden können, die bevorzugt eine Tiefe aufweisen, die größer ist als ihre in der Bestrahlungsfläche gemessene Breite.According to a development of the invention it is provided that the at least one rounded wall has a radius of at least 0.1 mm to at most 5 mm; preferably from at least 0.3 mm to at most 5 mm; preferably up to a maximum of 4.5 mm, preferably up to a maximum of 4 mm; preferably up to at most 3.5 mm; preferably up to a maximum of 3 mm; preferably up to a maximum of 2.7 mm; preferably from at least 0.4 mm to at most 2.6 mm; preferably from at least 0.5 mm to at most 2.5 mm; preferably from at least 0.6 mm to at most 2.4 mm; preferably from at least 0.7 mm to at most 2.3 mm; preferably from at least 0.8 mm to at most 2.2 mm; preferably from at least 0.9 mm to at most 2.1 mm; preferably from at least 1.0 mm to at most 2.0 mm; preferably from at least 1.1 mm to at most 1.9 mm; preferably from at least 1.2 mm to at most 1.8 mm; preferably from at least 1.3 mm to at most 1.7 mm; preferably from at least 1.4 mm to at most 1.6 mm; preferably 1.5 mm, preferably 0.65 mm. It has been found that with the radii defined here for the at least one rounded wall, preferably for the two rounded walls of the gap, particularly favorable conditions exist for the formation of a stable laser weld seam in the regime of heat conduction seam welding, with weld seams being able to be formed at the same time preferably have a depth which is greater than their width measured in the irradiation area.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass ein voller Öffnungswinkel des wenigstens eine Schrägwandung aufweisenden Spalts von mindestens 15° bis höchstens 60°; vorzugsweise von mindestens 20° bis höchstens 55°; vorzugsweise von mindestens 30° bis höchstens 45°; vorzugsweise von mindestens 35° bis höchstens 40°; vorzugsweise 37° beträgt. Unter einem vollen Öffnungswinkel wird dabei ein Winkel verstanden, der den gesamten Spalt in der Querschnittsebene übergreift, sich also von einer Wandung des Spalts zu der gegenüberliegenden anderen Wandung des Spalts erstreckt. Es hat herausgestellt, dass die hier vorgeschlagenen Winkelbereiche besonders geeignet sind, um eine stabile Laserschweißnaht im Regime des Wärmeleitungsschweißens zu erhalten, deren Tiefe insbesondere auch größer sein kann als ihre in der Bestrahlungsfläche gemessene Breite.Alternatively or additionally, it is preferably provided that a full opening angle of the gap, which has at least one inclined wall, of at least 15 ° to at most 60 °; preferably from at least 20 ° to at most 55 °; preferably from at least 30 ° to at most 45 °; preferably from at least 35 ° to at most 40 °; is preferably 37 °. A full opening angle is understood to mean an angle which overlaps the entire gap in the cross-sectional plane, that is to say extends from one wall of the gap to the opposite wall of the gap. It has been found that the angle ranges proposed here are particularly suitable for obtaining a stable laser weld seam in the heat conduction welding regime, the depth of which can in particular also be greater than its width measured in the irradiation area.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Quotient aus einer in Bestrahlungsrichtung von der Bestrahlungsfläche ausgehend gemessenen Tiefe des Spalts dividiert durch die in der Bestrahlungsfläche gemessenen Breite des Spalts von mindestens 0,2, vorzugsweise von mindestens 0,3, vorzugsweise von mindestens 0,5, vorzugsweise von mindestens 0,6 bis höchstens 3,2; vorzugsweise von mindestens 0,7 bis höchstens 3,1; vorzugsweise von mindestens 0,8 bis höchstens 3,0; vorzugsweise von mindestens 0,9 bis höchstens 2,9; vorzugsweise von mindestens 1,0 bis höchstens 2,8; vorzugsweise von mindestens 1,2 bis höchstens 2,6; vorzugsweise von mindestens 1,4 bis höchstens 2,4; vorzugsweise von mindestens 1,6 bis höchstens 2,2; vorzugsweise von mindestens 1,8 bis höchstens 2,0; vorzugsweise 1,9 beträgt. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere die hier angegebenen Bereiche für den Quotienten der Tiefe des Spalts zu seiner in der Bestrahlungsfläche gemessenen Breite die Ausbildung einer stabilen Laserschweißnaht im Regime des Wärmeleitungsschweißens ermöglichen.Alternatively or additionally, it is preferably provided that a quotient of a depth of the gap measured in the direction of irradiation starting from the irradiation area divided by the width of the gap measured in the irradiation area of at least 0.2, preferably of at least 0.3, preferably of at least 0, 5, preferably from at least 0.6 to at most 3.2; preferably from at least 0.7 to at most 3.1; preferably from at least 0.8 to at most 3.0; preferably from at least 0.9 to at most 2.9; preferably from at least 1.0 to at most 2.8; preferably from at least 1.2 to at most 2.6; preferably from at least 1.4 to at most 2.4; preferably from at least 1.6 to at most 2.2; preferably from at least 1.8 to at most 2.0; is preferably 1.9. It has been found that, in particular, the ranges specified here for the quotient of the depth of the gap to its width measured in the irradiation area enable the formation of a stable laser weld seam in the heat conduction welding regime.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserstrahl in einem CW-Betrieb oder Dauerstrich-Betrieb erzeugt wird (CW - Continuous Wave). Der Laserstrahl wird also als kontinuierliche Laserstrahlung erzeugt. Mit einem kontinuierlichen Laserstrahl können besonders glatte und homogene Laserschweißnähte erzeugt werden.According to a further development of the invention it is provided that the laser beam is generated in a CW mode or continuous wave mode (CW - Continuous Wave). The laser beam is thus generated as a continuous laser radiation. With a continuous laser beam, particularly smooth and homogeneous laser welds can be produced.
Alternativ ist es möglich, dass Laserstrahl in einem Pulsbetrieb, d.h. als gepulste Laserstrahlung erzeugt wird. Auf diese Weise können besonders gut höhere Leistungsdichten erzeugt werden.Alternatively it is possible that the laser beam is operated in a pulsed mode, i. is generated as pulsed laser radiation. In this way, higher power densities can be generated particularly well.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Bestrahlungsfläche durch den Laserstrahl in einem getakteten Betrieb bestrahlt wird. Dabei kann ein getakteter Betrieb entweder dadurch verwirklicht werden, dass ein kontinuierlicher, im CW-Betrieb erzeugter Laserstrahl durch eine Taktungseinrichtung, beispielsweise einen Shutter, zeitlich zerhackt und damit getaktet wird, oder dass ein gepulster Laserstrahl verwendet wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, einen im Pulsbetrieb erzeugten, gepulsten Laserstrahl zusätzlich durch eine Taktungseinrichtung, beispielsweise einen Shutter, zeitlich zu takten, beispielsweise um eine Taktfrequenz des getakteten Betriebs zu beeinflussen. Im getakteten Betrieb können besonders ästhetische Schweißnähte erzeugt werden.It is preferably provided that the irradiation surface is irradiated by the laser beam in a clocked operation. In this case, clocked operation can be achieved either by chopping a continuous laser beam generated in CW operation by a clocking device, for example a shutter, and thus clocking it, or that a pulsed laser beam is used. Of course, it is also possible to additionally clock a pulsed laser beam generated in pulsed operation by a clocking device, for example a shutter, for example in order to influence a clock frequency of the clocked operation. Particularly aesthetic weld seams can be produced in clocked operation.
In dem getakteten Betrieb wird bevorzugt eine Pulslänge von mindestens 1 ms bis höchstens 5 ms, vorzugsweise bis höchstens 3 ms, für einen Takt oder ein einzelnes Bestrahlungsereignis der Bestrahlungsfläche erzeugt.In the clocked operation, a pulse length of at least 1 ms to at most 5 ms, preferably up to at most 3 ms, is preferably generated for a clock or a single irradiation event of the irradiation surface.
Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Bestrahlungsfläche in einem kontinuierlichen Betrieb mit dem Laserstrahl bestrahlt wird. Hierzu wird bevorzugt ein im CW-Betrieb erzeugter, kontinuierlicher Laserstrahl verwendet, der nicht mittels einer Taktungseinrichtung zeitlich getaktet wird.Alternatively, it is preferably provided that the irradiation surface is irradiated with the laser beam in continuous operation. For this purpose, a continuous laser beam generated in CW operation is preferably used, which is not timed by means of a clocking device.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass der Laserstrahl mit einem Strahl-Durchmesser von mindestens 0,1 mm bis höchstens 2,5 mm; vorzugsweise bis höchstens 2 mm; vorzugsweise bis höchstens 1,5 mm; vorzugsweise bis höchstens 1 mm; vorzugsweise bis höchstens 0,9 mm; vorzugsweise von mindestens 0,2 mm bis höchstens 0,8 mm; vorzugsweise von mindestens 0,3 mm bis höchstens 0,7 mm; vorzugsweise von mindestens 0,4 mm bis höchstens 0,6 mm; vorzugsweise von 0,5 mm oder 0,4 mm erzeugt wird. Es hat sich herausgestellt, dass in den hier angegebenen Bereichen für den Strahl-Durchmesser besonders stabile Laser-Schweißnähte im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens erzeugt werden können.Alternatively or additionally, it is preferably provided that the laser beam has a beam diameter of at least 0.1 mm to at most 2.5 mm; preferably up to a maximum of 2 mm; preferably up to at most 1.5 mm; preferably up to a maximum of 1 mm; preferably up to a maximum of 0.9 mm; preferably from at least 0.2 mm to at most 0.8 mm; preferably from at least 0.3 mm to at most 0.7 mm; preferably from at least 0.4 mm to at most 0.6 mm; preferably 0.5 mm or 0.4 mm is produced. It has been found that, in the ranges specified here for the beam diameter, particularly stable laser weld seams can be produced within the scope of the method proposed here.
Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt vorgesehen, dass der Laserstrahl mit einer - insbesondere zeitlich gemittelten - Leistung von mindestens 50 W bis höchstens 5 kW; vorzugsweise von mindestens 100 W bis höchstens 5 kW; vorzugsweise bis höchstens 4,5 kW; vorzugsweise bis höchstens 4 kW; vorzugsweise bis höchstens 3,5 kW; vorzugsweise bis höchstens 3 kW; vorzugsweise bis höchstens 2,5 kW; vorzugsweise von mindestens 250 W bis höchstens 2 kW, vorzugsweise von 750 W erzeugt wird. Dabei wird insbesondere die Leistung so auf den Strahl-Durchmesser abgestimmt, dass die Leistungsdichte im Regime des Wärmeleitungsschweißens liegt.As an alternative or in addition, it is preferably provided that the laser beam has a power of at least 50 W to at most 5 kW; preferably from at least 100 W to at most 5 kW; preferably up to a maximum of 4.5 kW; preferably up to a maximum of 4 kW; preferably up to a maximum of 3.5 kW; preferably up to a maximum of 3 kW; preferably up to a maximum of 2.5 kW; preferably from at least 250 W to at most 2 kW, preferably from 750 W is generated. In particular, the power is matched to the beam diameter in such a way that the power density is in the regime of thermal conduction welding.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass der Laserstrahl mit einer Wellenlänge von mindestens 400 nm bis höchstens 1200 nm, vorzugsweise von mindestens 920 nm bis höchstens 1064 nm, insbesondere 532 nm oder 515 nm oder 450 nm, erzeugt wird. Dieser Wellenlängenbereich eignet sich in besonders günstiger Weise zum Wärmeleitungsschweißen, insbesondere von MIM-Bauteilen. Die Wellenlänge des Laserstrahls wird vorzugsweise auf die Absorption des für die Bauteile verwendeten Materials oder die Absorption der Materialien der Bauteile abgestimmt.Alternatively or additionally, it is preferably provided that the laser beam is generated with a wavelength of at least 400 nm to at most 1200 nm, preferably from at least 920 nm to at most 1064 nm, in particular 532 nm or 515 nm or 450 nm. This wavelength range is particularly suitable for heat conduction welding, in particular of MIM components. The wavelength of the laser beam is preferably matched to the absorption of the material used for the components or the absorption of the materials of the components.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass der Laserstrahl mit einer Vorschubgeschwindigkeit von mindestens 0,25 m/min, vorzugsweise von mindestens 0,5 m/min bis höchstens 30 m/min, vorzugsweise von mindestens 1 m/min bis höchstens 25 m/min, vorzugsweisen von mindestens 2 m/min bis höchstens 20 m/min, vorzugsweise von mindestens 3 m/min bis höchstens 17 m/min; vorzugsweise von mindestens 4 m/min bis höchstens 16 m/min; vorzugsweise von mindestens 5 m/min bis höchstens 15 m/min; vorzugsweise von mindestens 6 m/min bis höchstens 14 m/min; vorzugsweise von mindestens 7 m/min bis höchstens 13 m/min; vorzugsweise von mindestens 8 m/min bis höchstens 12 m/min; vorzugsweise von mindestens 9 m/min bis höchstens 11 m/min; vorzugsweise von 10 m/min oder von 12 m/min entlang des Spalts relativ zu der Bauteil-Anordnung verlagert wird. Die hier genannten Vorschubgeschwindigkeiten gewährleisten die stabile Ausbildung einer Laserschweißnaht im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens. Besonders bevorzugt wird der Laserstrahl in dem getakteten Betreib mit einer Vorschubgeschwindigkeit von mindestens 0,25 m/min, vorzugsweise von mindestens 0,5 m/min bis höchstens 3 m/min, vorzugsweise bis höchstens 1 m/min, entlang des Spalts relativ zu der Bauteilanordnung verlagert. Alternativ oder zusätzlich wird der Laserstrahl bevorzugt in dem kontinuierlichen Betrieb mit einer Vorschubgeschwindigkeit von mindestens 3 m/min bis höchstens 30 m/min entlang des Spalts relativ zu der Bauteilanordnung verlagert. Auf diese Weise kann die Vorschubgeschwindigkeit vorteilhaft auf den Betriebsmodus der Bestrahlung der Bestrahlungsfläche abgestimmt werden.Alternatively or additionally, it is preferably provided that the laser beam is fed at a feed rate of at least 0.25 m / min, preferably from at least 0.5 m / min to at most 30 m / min, preferably from at least 1 m / min to at most 25 m / min. min, preferably from at least 2 m / min to at most 20 m / min, preferably from at least 3 m / min to at most 17 m / min; preferably from at least 4 m / min to at most 16 m / min; preferably from at least 5 m / min to at most 15 m / min; preferably from at least 6 m / min to at most 14 m / min; preferably from at least 7 m / min to at most 13 m / min; preferably from at least 8 m / min to at most 12 m / min; preferably from at least 9 m / min to at most 11 m / min; is preferably displaced by 10 m / min or 12 m / min along the gap relative to the component arrangement. The feed rates mentioned here ensure the stable formation of a laser weld seam within the scope of the method proposed here. The laser beam is particularly preferred in the clocked operation with a feed rate of at least 0.25 m / min, preferably from at least 0.5 m / min to at most 3 m / min, preferably to at most 1 m / min, along the gap relative to the component arrangement relocated. Alternatively or additionally, the laser beam is preferably displaced in continuous operation at a feed rate of at least 3 m / min to at most 30 m / min along the gap relative to the component arrangement. In this way, the feed rate can advantageously be matched to the operating mode of the irradiation of the irradiation surface.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserstrahl mittels eines Lasers erzeugt wird, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Diodenlaser, einem Faserlaser, einem Nd:YAG-Laser, insbesondere einem blitzlampengepumpten Nd:YAG-Laser, und einem Scheibenlaser, insbesondere einem diodengepumpten Scheibenlaser. Die hier vorgeschlagenen Lasertypen haben sich als besonders geeignet erwiesen, um stabile Laserschweißnähte im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens zu erzeugen.According to a development of the invention, it is provided that the laser beam is generated by means of a laser selected from a group consisting of a diode laser, a fiber laser, an Nd: YAG laser, in particular a flash lamp-pumped Nd: YAG laser, and a disk laser , particularly a diode-pumped disk laser. The laser types proposed here have proven to be particularly suitable for producing stable laser welds within the scope of the method proposed here.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Bauteil, ausgewählt aus dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, wenigstens ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Neusilber, INOX, insbesondere INOX 316L, Kupfer oder einer Kupferlegierung, und Titan. Insbesondere solche Bauteile lassen sich im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens schweißen, ohne dass dabei die Schweißnaht versprödende Oxidationsprodukte auftreten. Dabei eignet sich das hier vorgeschlagene Verfahren in besonderer Weise für diese Materialien. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil jeweils ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, dass aus der zuvor genannten Gruppe ausgewählt ist.According to a development of the invention, it is provided that at least one component selected from the first component and the second component has at least one material or consists of a material selected from a group consisting of nickel silver, INOX, in particular INOX 316L, copper or a copper alloy, and titanium. In particular, such components can be welded within the scope of the method proposed here without the occurrence of oxidation products which embrittle the weld seam. The method proposed here is particularly suitable for these materials. According to a preferred embodiment, it is provided that the first component and the second component each have a material or consist of a material that is selected from the aforementioned group.
Besondere Vorteile ergeben sich bei der Anwendung des hier offenbarten Verfahrens auf ein Material, welches Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist oder Kupfer oder eine Kupferlegierung ist. Insbesondere ergeben sich besondere Vorteile, wenn eine Wellenlänge für den Laserstrahl von 532 nm, 515 nm oder 450 nm, allgemein eine grüne oder blaue Wellenlänge, gewählt wird. Besonders vorteilhaft beim Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen sind die sich im Rahmen des Verfahrens ergebenden Mehrfachreflexionen in dem Spalt. Dabei wird die Möglichkeit des Wärmeleitungsschweißens insbesondere zu größeren Nahttiefen erweitert. Weiterhin ist das hier offenbarte Verfahren insbesondere für dünne Wandstärken geeignet.Particular advantages arise when the method disclosed here is applied to a material which comprises copper or a copper alloy or is copper or a copper alloy. In particular, particular advantages result if a wavelength of 532 nm, 515 nm or 450 nm, generally a green or blue wavelength, is selected for the laser beam. The multiple reflections in the gap resulting from the process are particularly advantageous when welding copper and copper alloys. The possibility of thermal conduction welding is expanded, in particular to greater seam depths. Furthermore, the method disclosed here is particularly suitable for thin wall thicknesses.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass wenigstens ein Bauteil, ausgewählt aus dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, als Sinter-Bauteil hergestellt ist. Bei dem hier offenbarten Verfahren wirken sich insbesondere in Poren des Sinter-Bauteils angeordnete Restgasmengen nicht nachteilig auf die Qualität der erzeugten Schweißnaht oder allgemein die Schweißung aus.Alternatively or additionally, it is preferably provided that at least one component, selected from the first component and the second component, is produced as a sintered component. In the case of the method disclosed here, in particular residual gas quantities arranged in pores of the sintered component do not have a disadvantageous effect on the quality of the weld seam produced or the weld in general.
Unter einem Sinter-Bauteil wird hier insbesondere allgemein ein Bauteil verstanden, welches durch Sintern hergestellt ist, wobei insbesondere wenigstens ein Verfahrensschritt bei der Herstellung des Bauteils Sintern oder ein Sinterschritt ist.A sintered component is understood here to mean, in particular, a component which is produced by sintering, in particular at least one method step in the production of the component being sintering or a sintering step.
Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, dass wenigstens ein Bauteil, ausgewählt aus dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, als additiv gefertigtes Sinter-Bauteil, beispielsweise durch Lasersintern, hergestellt ist.In particular, it is preferably provided that at least one component, selected from the first component and the second component, is manufactured as an additively manufactured sintered component, for example by laser sintering.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass wenigstens ein Bauteil, ausgewählt aus dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, als MIM-Bauteil hergestellt ist, also durch ein Metallpulverspritzgussverfahren (Metal Injection Molding - MIM). Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des Verfahrens, da solche Bauteile mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren ohne das Risiko einer Oxidation von Restbinderanteilen und den sich daraus ergebenden negativen Konsequenzen geschweißt werden können.Alternatively or in addition, it is preferably provided that at least one component selected from the first component and the second component is manufactured as an MIM component, that is to say by a metal injection molding process (Metal Injection Molding - MIM). The advantages of the method are realized in a special way, since such components can be welded with the method proposed here without the risk of oxidation of residual binder components and the negative consequences resulting therefrom.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass beide Bauteile, also das erste Bauteil und das zweite Bauteil, als Sinter-Bauteile, insbesondere als additiv gefertigte Sinter-Bauteile oder als MIM-Bauteile hergestellt sind. Auch ist es selbstverständlich bevorzugt möglich, dass eines der Bauteile als additiv gefertigtes Sinter-Bauteil und das andere Bauteil der Bauteile als MIM-Bauteil hergestellt ist.According to a preferred embodiment, it is provided that both components, that is to say the first component and the second component, are manufactured as sintered components, in particular as additively manufactured sintered components or as MIM components. It is of course also preferably possible for one of the components to be manufactured as an additively manufactured sintered component and the other component of the components to be manufactured as an MIM component.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Laserschweißnaht erzeugt wird, wobei eine in der Bestrahlungsfläche senkrecht zur Längserstreckung der Laserschweißnaht gemessene Breite der Laserschweißnaht von mindestens 0,1 mm bis höchstens 3 mm; vorzugsweise bis höchstens 2,5 mm; vorzugsweise bis höchstens 2 mm; vorzugsweise bis höchstens 1,5 mm; vorzugsweise bis höchstens 1 mm; vorzugsweise bis höchstens 0,9 mm; vorzugsweise von mindestens 0,2 mm bis höchstens 0,8 mm; vorzugsweise von mindestens 0,3 mm bis höchstens 0,7 mm; vorzugsweise von mindestens 0,4 mm bis höchstens 0,6 mm; vorzugsweise 0,5 mm oder 0,4 mm beträgt. Die Laserschweißnaht wird bevorzugt als langgestreckte, durchgezogene oder durch überlappende, abgesetzte Pulse erzeugte Schweißnaht entlang einer Kurve, insbesondere einer Geraden, erzeugt, sodass sie eine Längserstreckung aufweist. Die Breite der Laserschweißnaht wird dabei senkrecht zu der Längserstreckung gemessen. Mit den hier gemessenen Breiten können stabile und auch unter Druck gasdichte Schweißnähte gebildet werden.According to a further development of the invention it is provided that a laser weld seam is produced, a width of the laser weld seam measured in the irradiation surface perpendicular to the longitudinal extension of the laser weld seam of at least 0.1 mm to at most 3 mm; preferably up to at most 2.5 mm; preferably up to a maximum of 2 mm; preferably up to at most 1.5 mm; preferably up to a maximum of 1 mm; preferably up to a maximum of 0.9 mm; preferably from at least 0.2 mm to at most 0.8 mm; preferably from at least 0.3 mm to at most 0.7 mm; preferably from at least 0.4 mm to at most 0.6 mm; is preferably 0.5 mm or 0.4 mm. The laser weld seam is preferably produced as an elongated, continuous weld seam or weld seam generated by overlapping, offset pulses along a curve, in particular a straight line, so that it has a longitudinal extension. The width of the laser weld seam is measured perpendicular to the longitudinal extension. With the widths measured here, stable weld seams that are gas-tight even under pressure can be formed.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass eine in Bestrahlungsrichtung gemessene Tiefe der Laserschweißnaht größer ist als die in der Bestrahlungsfläche senkrecht zur Längserstreckung der Laserschweißnaht gemessene Breite der Laserschweißnaht. Auf diese Weise wird - wie bereits erläutert - eine besonders stabile Laserschweißnaht mit dem geometrischen Charakteristikum einer tiefgeschweißten Schweißnaht, jedoch im Regime des Wärmeleitungsschweißens, erzeugt.Alternatively or additionally, it is preferably provided that a depth of the laser weld seam measured in the irradiation direction is greater than the width of the laser weld seam measured in the irradiation surface perpendicular to the longitudinal extension of the laser weld seam. In this way - as already explained - a particularly stable laser weld seam with the geometrical characteristic of a deep-welded weld seam, but in the regime of thermal conduction welding, is produced.
Besonders bevorzugt wird die Laserschweißnaht mit einem Verhältnis der in Bestrahlungsrichtung gemessenen Tiefe zu der in der Bestrahlungsfläche senkrecht zur Längserstreckung der Laserschweißnaht gemessenen Breite (Aspektverhältnis) von mindestens 1 bis höchstens 3 erzeugt.The laser weld seam is particularly preferably produced with a ratio of the depth measured in the irradiation direction to the width (aspect ratio) measured in the irradiation surface perpendicular to the longitudinal extension of the laser weld seam of at least 1 to at most 3.
Es ist aber ebenso möglich, gezielt eine Laserschweißnaht zu erzeugen, bei der das Verhältnis der in Bestrahlungsrichtung gemessenen Tiefe zu der in der Bestrahlungsfläche senkrecht zur Längserstreckung der Laserschweißnaht gemessenen Breite, mithin das Aspektverhältnis, von mindestens 0,15 bis höchstens 0,5, vorzugsweise von mindestens 0,2 bis höchstens 0,3 beträgt. Mit dem hier offenbarten Verfahren können auch solche Laserschweißnähte sehr stabil, insbesondere duktil und zäh, mit hoher Festigkeit sowie gasdicht erzeugt werden.However, it is also possible to specifically produce a laser weld seam in which the ratio of the depth measured in the direction of irradiation to the width measured in the irradiation surface perpendicular to the longitudinal extension of the laser weld seam, i.e. the aspect ratio, of at least 0.15 to at most 0.5, preferably from at least 0.2 to at most 0.3. With the method disclosed here, such laser welds can also be made very stable, especially ductile and tough, with high strength and gas-tight.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserstrahl mehrfach - insbesondere zeitlich nacheinander - entlang des Spalts relativ zu der Bauteil-Anordnung verlagert wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Laserschweißnaht mehrlagig zu erzeugen. Insbesondere wird die Laserschweißnaht in mehreren Durchgängen, bzw. bei rotationssymmetrischen Teilen, insbesondere Achsen, Wellen oder Rohren, mit mehreren Umdrehungen, ausgeführt. Auf diese Weise können insbesondere Laserschweißnähte erzeugt werden, deren in Bestrahlungsrichtung gemessene Tiefe wesentlich größer ist als die in der Bestrahlungsfläche senkrecht zur Längserstreckung der Laserschweißnaht gemessene Breite, wobei ein Verhältnis dieser Tiefe zu der Breite, das auch als Aspektverhältnis bezeichnet wird, bevorzugt größer ist als 2. Ein solch großes Aspektverhältnis ist sonst in bekannter Weise lediglich durch Tiefschweißen darstellbar, wobei es mittels des hier vorgeschlagenen Verfahrens auch im Regime des Wärmeleitungsschweißens erreicht werden kann.According to a further development of the invention it is provided that the laser beam is displaced several times - in particular one after the other - along the gap relative to the component arrangement. In this way it is possible to produce the laser weld seam in multiple layers. In particular, the laser weld seam is executed in several passes or, in the case of rotationally symmetrical parts, in particular axles, shafts or tubes, with several revolutions. In this way, in particular, laser welds can be produced whose depth measured in the direction of irradiation is significantly greater than the width measured in the irradiation surface perpendicular to the longitudinal extent of the laser weld, a ratio of this depth to the width, which is also referred to as the aspect ratio, is preferably greater than 2. Such a large aspect ratio can otherwise be represented in a known manner only by deep welding, whereby it can also be achieved in the regime of thermal conduction welding by means of the method proposed here.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Laserschweißnaht in einem Durchgang erzeugt wird, wobei der Laserstrahl einmalig entlang des Spalts relativ zu der Bauteilanordnung verlagert wird.Alternatively, it is also possible for the laser weld seam to be produced in one pass, with the laser beam being displaced once along the gap relative to the component arrangement.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserstrahl mehrfach zeitlich nacheinander entlang des Spalts relativ zu der Bauteil-Anordnung verlagert wird, wobei der Laserstrahl von mindestens zweimal bis höchstens fünfmal, vorzugsweise von mindestens zweimal bis höchstens viermal, vorzugsweise von mindestens zweimal bis höchstens dreimal, insbesondere entlang einer selben Verlagerungsstrecke, entlang des Spalts relativ zu der Bauteil-Anordnung verlagert wird. Die Schweißung wird somit unterteilt in mehrere Teil-Schweißungen, was ein besonders gutes Schweißergebnis und insbesondere ein besonders großes Aspektverhältnis für die Laserschweißnaht ermöglicht.According to a development of the invention it is provided that the laser beam is displaced several times in succession along the gap relative to the component arrangement, the laser beam from at least twice to at most five times, preferably from at least twice to at most four times, preferably from at least twice to at most is shifted three times, in particular along the same displacement path, along the gap relative to the component arrangement. The weld is thus divided into several partial welds, which enables a particularly good weld result and, in particular, a particularly large aspect ratio for the laser weld seam.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Einwirkfläche des Laserstrahls, in welcher der Laserstrahl mit den Bauteilen in Wechselwirkung tritt, bei wenigstens zwei Verlagerungen des Laserstrahls entlang des Spalts - entlang einer selben Verlagerungsstrecke - verschieden ist. Der Laserstrahl wird somit also mehrfach entlang des Spalts relativ zu der Bauteil-Anordnung verlagert, wobei die Einwirkfläche zumindest bei einer ersten Verlagerung entlang des Spalts verschieden ist von der Einwirkfläche bei wenigstens einer zweiten Verlagerung. Insbesondere ist es möglich, dass die Einwirkfläche für alle Verlagerungen einer Mehrzahl solcher Verlagerungen des Laserstrahls entlang des Spalts verschieden gewählt wird. Insbesondere wird die Größe der Einwirkfläche, vorzugsweise ein Breitenmaß, insbesondere ein Durchmesser der Einwirkfläche, variiert.According to a further development of the invention, it is provided that an area of action of the laser beam in which the laser beam interacts with the components is different for at least two displacements of the laser beam along the gap — along the same displacement path. The laser beam is thus displaced several times along the gap relative to the component arrangement, the effective area at least for a first displacement along the gap being different from the effective area for at least a second displacement. In particular, it is possible that the effective surface is selected differently for all displacements of a plurality of such displacements of the laser beam along the gap. In particular, the size of the active area, preferably a width dimension, in particular a diameter of the active area, is varied.
Besonders bevorzugt nimmt die Größe der Einwirkfläche, insbesondere das Breitenmaß oder der Durchmesser der Einwirkfläche, von einer ersten Verlagerung zu einer nächsten Verlagerung des Laserstrahls, insbesondere sukzessive von jeder vorhergehenden Verlagerung zu jeder nachfolgenden Verlagerung, zu. Besonders bevorzugt ist die Zunahme der Größe der Einwirkfläche linear.Particularly preferably, the size of the effective area, in particular the width dimension or the diameter of the effective area, increases from a first displacement to a next displacement of the laser beam, in particular successively from each previous displacement to each subsequent displacement. The increase in the size of the effective area is particularly preferably linear.
Vorzugsweise ist das Breitenmaß, insbesondere der Durchmesser, der Einwirkfläche bei einer ersten Verlagerung des Laserstrahls einer Mehrzahl von Verlagerungen kleiner als die Breite des Spalts, vorzugsweise beträgt ein Quotient des Breitenmaßes, insbesondere des Durchmessers, der Einwirkfläche zu der Spaltbreite von mindestens 0,3 bis höchstens 0,9. Vorzugsweise ist das Breitenmaß, insbesondere der Durchmesser, der Einwirkfläche für wenigstens zwei Verlagerungen einer Mehrzahl von Verlagerungen des Laserstrahls entlang des Spalts kleiner als die Spaltbreite, wobei der Quotient des Breitenmaßes zu der Breite des Spalts von mindestens 0,3 bis höchstens 0,9 beträgt. Vorzugsweise ist das Breitenmaß der Einwirkfläche, insbesondere deren Durchmesser, bei einer letzten Verlagerung einer Mehrzahl von Verlagerungen des Laserstrahls entlang des Spalts, insbesondere nur bei der letzten Verlagerung, größer als oder gleich groß wie die Breite des Spalts, wobei der Quotient des Breitenmaßes zu der Breite des Spalts vorzugsweise von mindestens 1,0 bis höchstens 2,0 beträgt.Preferably, the width dimension, in particular the diameter, of the effective area during a first displacement of the laser beam of a plurality of displacements is smaller than the width of the gap, preferably a quotient of the width dimension, in particular the diameter, of the effective area to the gap width is at least 0.3 to at most 0.9. The width dimension, in particular the diameter, of the effective surface for at least two displacements of a plurality of displacements of the laser beam along the gap is preferably smaller than the gap width, the quotient of the width dimension to the width of the gap being at least 0.3 to at most 0.9 . The width dimension of the active surface, in particular its diameter, is preferably greater than or equal to the width of the gap during a last displacement of a plurality of displacements of the laser beam along the gap, in particular only during the last displacement, the quotient of the width dimension to the The width of the gap is preferably from at least 1.0 to at most 2.0.
Eine Unterteilung der Schweißung in mehrere Teilschweißungen, und insbesondere das Beginnen mit einer Teilschweißung bei vergleichsweise kleiner Einwirkfläche mit danach zunehmend größerer Einwirkfläche, ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Optimierung des Fließverhaltens des Materials im Spalt. Dabei wird der Spalt zunächst durch die erste Teilschweißung - und gegebenenfalls weitere, nachfolgende Teilschweißungen - aufgeweitet, sodass später, insbesondere bei nachfolgenden Teilschweißungen mit größerer Einwirkfläche, oberhalb der zunächst erzeugten Aufweitungszone aufgeschmolzenes Material in den aufgeweiteten Spalt nachfließen kann. Auf diese Weise können besonders große Aspektverhältnisse für die Laserschweißnaht erzielt werden. Insbesondere kann der Spalt mit der ersten Teilschweißung nach unten, also in Bestrahlungsrichtung, erweitert oder vertieft werden.A subdivision of the weld into several partial welds, and in particular starting with a partial weld with a comparatively small effective area with an increasingly larger effective area thereafter, advantageously enables the flow behavior of the material in the gap to be optimized. The gap is initially widened by the first partial weld - and possibly further, subsequent partial welds - so that later, especially in subsequent partial welds with a larger effective area, melted material can flow into the widened gap above the widening zone initially created. In this way, particularly large aspect ratios can be achieved for the laser weld seam. In particular, the gap with the first partial weld can be widened or deepened downwards, that is to say in the direction of irradiation.
Eine variierende Einwirkfläche wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung durch Variation des Strahl-Durchmessers des Laserstrahls erzeugt. Dabei kann insbesondere der Strahl-Durchmesser dem Durchmesser der Einwirkfläche entsprechen, und die Strahlfläche, die durch den Strahl-Durchmesser bestimmt ist, ist identisch mit der Einwirkfläche. Alternativ ist es möglich, dass die variierende Einwirkfläche durch eine der Verlagerung entlang des Spalt überlagerte Verlagerungsbewegung, insbesondere eine sogenannte Wobbelbewegung, des Laserstrahls erzeugt wird, sodass die Einwirkfläche aufgrund der Verlagerungsbewegung des Laserstrahls größer ist als der Strahl-Durchmesser. Um die Einwirkfläche zu vergrößern kann insbesondere die Amplitude dieser Verlagerungsbewegung, insbesondere der Wobbelbewegung, vergrößert werden. Die Verlagerungsbewegung zur Variation der Einwirkfläche weist dabei insbesondere eine höhere Verlagerungsgeschwindigkeit auf als die Verlagerung des Laserstrahls entlang des Spalts, sodass quasi instantan an einem Ort des Spalts eine gewünschte Einwirkfläche durch die der Verlagerung des Laserstrahls entlang des Spalts überlagerte Verlagerungsbewegung, insbesondere die Wobbelbewegung, erzeugt wird.According to a preferred embodiment, a varying effective area is generated by varying the beam diameter of the laser beam. In particular, the beam diameter can be the Correspond to the diameter of the effective area, and the jet area, which is determined by the jet diameter, is identical to the effective area. Alternatively, it is possible that the varying effective area is generated by a displacement movement of the laser beam superimposed on the displacement along the gap, in particular a so-called wobble movement, so that the effective area is larger than the beam diameter due to the displacement movement of the laser beam. In order to enlarge the effective area, in particular the amplitude of this displacement movement, in particular the wobbling movement, can be increased. The displacement movement for varying the effective area has a higher displacement speed than the displacement of the laser beam along the gap, so that a desired effective area is generated almost instantaneously at a location of the gap by the displacement movement superimposed on the displacement of the laser beam along the gap, in particular the wobbling movement becomes.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistung des Laserstrahls bei einer ersten Verlagerung des Laserstrahls entlang des Spalts verschieden ist von der Leistung des Laserstrahls bei einer zweiten Verlagerung des Laserstrahls entlang des Spalts, wenn der Laserstrahl mehrfach entlang des Spalts - insbesondere entlang derselben Verlagerungsstrecke - verlagert wird. Die Leistung wird bevorzugt von Verlagerung zu Verlagerung variiert. Insbesondere nimmt die Leistung vorzugsweise von jeder vorhergehenden Verlagerung einer Mehrzahl von Verlagerungen zu einer nachfolgenden Verlagerung der Mehrzahl von Verlagerungen zu. Vorzugsweise wird die Variation der Leistung so gewählt, dass sich eine konstante Leistungsdichte in den jeweiligen Einwirkflächen ergibt. Somit kann die Flächenleistung oder Leistungsdichte über die aufeinanderfolgenden Verlagerungen vorteilhaft konstant gehalten werden.According to a further development of the invention it is provided that the power of the laser beam with a first shift of the laser beam along the gap is different from the power of the laser beam with a second shift of the laser beam along the gap, if the laser beam several times along the gap - in particular along the same Relocation route - is relocated. The performance is preferably varied from relocation to relocation. In particular, performance preferably increases from each preceding displacement of a plurality of displacements to a subsequent displacement of the plurality of displacements. The variation of the power is preferably selected in such a way that a constant power density results in the respective effective areas. Thus, the area performance or the power density can advantageously be kept constant over the successive displacements.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als erstes Bauteil und/oder als zweites Bauteil ein dünnwandiges Bauteil mit einer Wandstärke von mindestens 0,1 mm bis höchstens 4 mm, vorzugsweise von mindestens 0,2 mm bis höchstens 3 mm, verwendet wird. Das hier vorgeschlagene Verfahren eignet sich in besonderer Weise zum Verschweißen dünnwandiger Bauteile. Das dünnwandige Bauteil kann erfindungsgemäß bevorzugt ein Blech oder Rohr sein.According to a further development of the invention it is provided that a thin-walled component with a wall thickness of at least 0.1 mm to at most 4 mm, preferably of at least 0.2 mm to at most 3 mm, is used as the first component and / or as the second component. The method proposed here is particularly suitable for welding thin-walled components. According to the invention, the thin-walled component can preferably be a sheet metal or tube.
Besonders bevorzugt wird als erstes Bauteil ein dünnwandiges Bauteil, insbesondere Blech, mit einer Wandstärke von mindestens 0,1 mm bis höchstens 4 mm, vorzugsweise von mindestens 0,2 mm bis höchstens 3 mm, verwendet, wobei als zweites Bauteil ein Bauteil mit größerer Wandstärke als sie das erste Bauteil aufweist, insbesondere mit einer Wandstärke von mehr als 3 mm, insbesondere ein Blech, verwendet wird. Das hier vorgeschlagene Verfahren eignet sich in besonderer Weise zur Verbindung verschieden dicker oder starker Bauteile.A thin-walled component, in particular sheet metal, with a wall thickness of at least 0.1 mm to at most 4 mm, preferably from at least 0.2 mm to at most 3 mm, is particularly preferably used as the first component, with a component with a greater wall thickness as the second component than it has the first component, in particular with a wall thickness of more than 3 mm, in particular a sheet metal, is used. The method proposed here is particularly suitable for joining components of different thickness or strength.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als erstes Bauteil und/oder als zweites Bauteil ein dünnwandiges Rohr mit einer Wandstärke von mindestens 0,1 mm bis höchstens 4 mm, vorzugsweise von mindestens 0,2 mm bis höchstens 3 mm, verwendet wird. Besonders bevorzugt wird als erstes Bauteil ein dünnwandiges Rohr mit einer Wandstärke von mindestens 0,1 mm bis höchstens 4 mm, vorzugsweise von mindestens 0,2 mm bis höchstens 3 mm, verwendet, wobei als zweites Bauteil ein Flansch verwendet wird. Das hier vorgeschlagene Verfahren eignet sich in besonderer Weise zur Verbindung dünnwandiger Rohre mit - insbesondere vergleichsweise dickwandigen - Flanschen.According to a development of the invention it is provided that a thin-walled tube with a wall thickness of at least 0.1 mm to at most 4 mm, preferably of at least 0.2 mm to at most 3 mm, is used as the first component and / or as the second component. A thin-walled tube with a wall thickness of at least 0.1 mm to at most 4 mm, preferably of at least 0.2 mm to at most 3 mm, is particularly preferably used as the first component, a flange being used as the second component. The method proposed here is particularly suitable for connecting thin-walled pipes to - in particular comparatively thick-walled - flanges.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird wenigstens ein dünnwandiges Bauteil, insbesondere mit einer Wandstärke von mindestens 0,1 mm bis höchstens 4 mm, vorzugsweise von mindestens 0,2 mm bis höchstens 3 mm, mit einem weiteren Bauteil verschweißt.According to a particularly preferred embodiment of the method, at least one thin-walled component, in particular with a wall thickness of at least 0.1 mm to at most 4 mm, preferably from at least 0.2 mm to at most 3 mm, is welded to another component.
Allgemein wird das Verfahren bevorzugt angewendet auf Bauteile, die ein oxidationsempfindliches Material aufweisen oder aus wenigstens einem oxidationsempfindlichen Material bestehen.In general, the method is preferably applied to components that have an oxidation-sensitive material or consist of at least one oxidation-sensitive material.
Mithilfe des Verfahrens sind glatte, saubere Schweißnähte ohne Spritzer darstellbar.With the help of the process, smooth, clean weld seams can be produced without spatter.
Das Verfahren wird besonders bevorzugt angewendet zum Herstellen gasdichter Schweißnähte bei dünnwandigen Rohren in Umfangsrichtung.The method is particularly preferably used for producing gas-tight weld seams in the case of thin-walled pipes in the circumferential direction.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Bauteil-Anordnung geschaffen wird, die ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil aufweist, wobei das erste Bauteil und das zweite Bauteil mittels Laser-Wärmeleitungsschweißen miteinander gefügt sind, wobei eine Laserschweißnaht in einem Fügebereich der Bauteil-Anordnung vorzugsweise eine Tiefe aufweist, die größer ist als ihre Breite, wobei das entsprechende Aspektverhältnis größer ist als 1, vorzugsweise mindestens 2 beträgt, wobei es vorzugsweise größer ist als 2, wobei es vorzugsweise höchstens 3 beträgt. Alternativ kann aber auch eine Laserschweißnaht mit einem Aspektverhältnis von mindestens 0,15 bis höchstens 0,5, insbesondere von mindestens 0,2 bis höchstens 0,3, erzeugt werden. Auf die hier beschriebene Weise wird eine sehr stabile, insbesondere auch unter Druck gasdichte Laserschweißnaht im Regime des Wärmeleitungsschweißens ohne Gefahr einer Nahtversprödung durch Oxidationsprodukte, Spritzer oder Schweißporen, erzeugt. Insbesondere ergeben sich in Zusammenhang mit der Bauteil-Anordnung die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.The object is finally also achieved in that a component arrangement is created which has a first component and a second component, the first component and the second component being joined to one another by means of laser heat conduction welding, a laser weld seam in a joint area of the component Arrangement preferably has a depth which is greater than its width, the corresponding aspect ratio being greater than 1, preferably at least 2, where it is preferably greater than 2, where it is preferably at most 3. Alternatively, however, a laser weld seam with an aspect ratio of at least 0.15 to at most 0.5, in particular of at least 0.2 to at most 0.3, can also be produced. In the manner described here, a very stable laser weld seam, especially gas-tight under pressure, is produced in the heat conduction welding regime without the risk of seam embrittlement due to oxidation products, spatter or weld pores, generated. In particular, the advantages that have already been explained in connection with the method result in connection with the component arrangement.
Dass die Laserschweißnaht in dem Fügebereich der Bauteil-Anordnung ein bestimmtes Aspektverhältnis aufweist, kann insbesondere in Querschnitt-Schliffbildern der Bauteil-Anordnung festgestellt werden.The fact that the laser weld seam has a certain aspect ratio in the joining area of the component arrangement can be determined in particular in cross-sectional micrographs of the component arrangement.
Die Bauteil-Anordnung ist besonders bevorzugt erhalten mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen.The component arrangement is particularly preferably obtained by means of a method according to the invention or a method according to one of the embodiments described above.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass wenigstens ein Bauteil, ausgewählt aus dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, als Sinter-Bauteil, insbesondere als additiv gefertigtes Sinter-Bauteil oder als MIM-Bauteil, d.h. als in ein Metallpulverspritzguss-Verfahren hergestelltes Bauteil, ausgebildet ist. Wie bereits erläutert ergeben sich in diesem Fall in besonderer Weise die Vorteile des Verfahrens. Im Regime des Wärmeleitungsschweißens werden keine Restbinderbestandteile eines solchen MIM-Bauteils oxidiert, wobei gleichwohl mit dem Verfahren stabile, insbesondere auch gas- und druckdichte Laserschweißnähte erhalten werden können. Allgemein wirken sich bei Sinter-Bauteilen Restgasanteile in Poren nicht negativ auf die Schweißung aus, wenn das hier offenbarte Schweißverfahren verwendet wird.Alternatively or additionally, it is provided that at least one component, selected from the first component and the second component, is used as a sintered component, in particular as an additively manufactured sintered component or as a MIM component, i.e. is designed as a component produced in a metal powder injection molding process. As already explained, the advantages of the method result in a special way in this case. In the heat conduction welding regime, no residual binder constituents of such an MIM component are oxidized, although stable, in particular gas- and pressure-tight, laser weld seams can nonetheless be obtained with the method. In general, residual gas fractions in pores of sintered components do not have a negative effect on the weld if the welding process disclosed here is used.
Besonders bevorzugt sind beide Bauteile, nämlich das erste Bauteil und das zweite Bauteil, als Sinter-Bauteile ausgebildet.Both components, namely the first component and the second component, are particularly preferably designed as sintered components.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Bauteil, ausgewählt aus dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist, oder aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Diese Materialien lassen sich besonders gut bei einer Wellenlänge von 532 nm, 515 nm oder 450 nm laserschweißen. In Zusammenhang mit Kupfer oder einer Kupferlegierung verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des hier offenbarten Verfahrens, insbesondere wenn ein grüner oder blauer Laserstrahl, vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 532 nm, 515 nm oder 450 nm, verwendet wird. Dabei wirken sich besonders vorteilhaft die Mehrfachreflexionen in dem Spalt aus, wodurch insbesondere das Regime des Wärmeleitungsschweißens zu größeren Nahttiefen erweitert und auch für dünne Wandstärken eingesetzt werden kann.According to a development of the invention it is provided that at least one component selected from the first component and the second component has copper or a copper alloy, or consists of copper or a copper alloy. These materials can be laser-welded particularly well at a wavelength of 532 nm, 515 nm or 450 nm. In connection with copper or a copper alloy, the advantages of the method disclosed here are realized in a special way, especially if a green or blue laser beam, preferably with a wavelength of 532 nm, 515 nm or 450 nm, is used. The multiple reflections in the gap have a particularly advantageous effect, as a result of which the heat conduction welding regime in particular can be expanded to greater seam depths and can also be used for thin wall thicknesses.
Insgesamt können mit dem hier offenbarten Verfahren zähe, hochwertige Schweißnähte erzeugt werden, die oxidfrei sind und insbesondere keine Versprödungen aufweisen. Die Schweißung kann zudem verzugsfrei, anlauffarbenfrei und schmauchfrei erfolgen. Vorteilhaft kann eine Festigkeit der Verbindung der beiden Bauteile im Bereich der Schweißnaht von mehr als 250 N erreicht werden.Overall, the method disclosed here can produce tough, high-quality weld seams that are oxide-free and, in particular, have no embrittlement. The welding can also take place without distortion, tarnishing and smoke-free. A strength of the connection between the two components in the area of the weld seam of more than 250 N can advantageously be achieved.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Fügen zweier Bauteile miteinander durch Laserschweißen; -
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Bauteil-Anordnung zweier mittels Laser-Wärmeleitungsschweißen miteinander gefügter Bauteile; -
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens; -
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Verfahrens; -
5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Verfahrens; -
6 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des Verfahrens, und -
7 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des Verfahrens.
-
1 a schematic representation of a first embodiment of a method for joining two components to one another by laser welding; -
2 a schematic representation of an embodiment of a component arrangement of two components joined together by means of laser thermal conduction welding; -
3 a schematic representation of a second embodiment of the method; -
4th a schematic representation of a third embodiment of the method; -
5 a schematic representation of a fourth embodiment of the method; -
6th a schematic representation of a fifth embodiment of the method, and -
7th a schematic representation of a sixth embodiment of the method.
Der Laserstrahl
Die Bestrahlungsfläche
Auf diese Weise ist es möglich, eine stabile, versprödungsfreie, insbesondere oxidfreie, Laserschweißnaht
Bei der hier gestellten Ausführungsform des Verfahrens ist der Spalt
Insbesondere sind die Bauteile
Anhand von
Bevorzugt ist zumindest eines der Bauteile
Bei der Ausführungsform gemäß
Es ist möglich, dass der Laserstrahl
Der Laserstrahl
Es ist auch möglich, dass der Laserstrahl
Insbesondere ist eine Bestrahlung der Bestrahlungsfläche
Der Laserstrahl
Der Laserstrahl
Wenigstens ein Bauteil, ausgewählt aus dem ersten Bauteil
Bevorzugt beträgt wenigstens ein Radius von einer der abgerundeten Wandungen
Die Bauteile
Der Spalt
Der Spalt
Bevorzugt beträgt ein Quotient des Strahl-Durchmessers D zu der Breite B des Spalts
Der volle Öffnungswinkel α des Spalts
Ein Quotient der Tiefe T des Spalts
Eine in der Bestrahlungsfläche
Es ist möglich, dass der Laserstrahl
Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass der Laserstrahl
In dem getakteten Betrieb beträgt die Vorschubgeschwindigkeit bevorzugt mindestens 0,25 m/min, vorzugsweise von mindestens 0,5 m/min bis höchstens 3 m/min, vorzugsweise bis höchstens 1 m/min; in dem kontinuierlichen Betrieb beträgt sie bevorzugt von mindestens 3 m/min bis höchstens 30 m/min.In cyclic operation, the feed rate is preferably at least 0.25 m / min, preferably from at least 0.5 m / min to at most 3 m / min, preferably to at most 1 m / min; in continuous operation it is preferably from at least 3 m / min to at most 30 m / min.
Das Zusatzmaterial
Wird das Zusatzmaterial
Das Zusatzmaterial
Es ist möglich, dass eine Vorrichtung zum Einbringen des Zusatzmaterials
Es ist möglich, dass der Spalt
Vorzugsweise wird eine derart gebildete Wärmeleitungsschweißnaht anschließend durch Überstreichen mit dem Laserstrahl
Insgesamt kann mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren eine stabile, geometrisch genau definierte Laserschweißnaht
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- R. Daub, „Erhöhung der Nahttiefe beim Laserstrahl-Wärmeleitungsschweißen von Stählen“, Dissertation, Fakultät für Maschinenwesen, Technische Universität München, 2012 [0005]R. Daub, "Increasing the seam depth in laser-beam thermal conduction welding of steels", dissertation, Faculty of Mechanical Engineering, Technical University of Munich, 2012 [0005]
Claims (15)
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DE102019208119.3A DE102019208119A1 (en) | 2019-06-04 | 2019-06-04 | Process for joining two components to one another by laser welding and component arrangement |
Applications Claiming Priority (1)
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