DE102020003202A1 - Verfahren zum schweißenden Verbinden von mindestens zwei übereinanderliegenden Bauteilen, verschweißtes Bauteil für ein Fahrzeug sowie Fahrzeug - Google Patents

Verfahren zum schweißenden Verbinden von mindestens zwei übereinanderliegenden Bauteilen, verschweißtes Bauteil für ein Fahrzeug sowie Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schweißenden Verbinden von mindestens zwei übereinander liegenden Bauteilen (1), insbesondere zum Verbinden eines Zellverbinders mit einem oder mehreren Ableiter/n einer Batteriezelle und/oder einer Stromkontaktschiene eines Batteriemoduls, wobei folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:a) Verschweißen der mindestens zwei übereinander liegenden Bauteile (1) mittels einer geschlossenen Verbindungsschweißnaht (3), wobei die Verbindungsschweißnaht (3) - in einer Draufsicht auf die mindestens zwei Bauteile (1) - zwei jeweils über mindestens 180° verlaufende Teilkreise (9) mit einem Radius raufweist und die zwei Teilkreise (5) jeweils zwei Enden (7) aufweisen, wobei zweimal jeweils eines der Enden (7) der zwei Teilkreise (5) mittels einer Geraden (9) miteinander verbunden sind, und wobei die beiden Geraden parallel ausgerichtet sind und die beiden Geraden einen senkrechten Abstand aaufweisen, welcher kleiner oder gleich einem doppelten Radius - manchmal auch als Durchmesser bezeichnet - der zwei Teilkreise (5) ist,b) Erhalt der verbundenen mindestens zwei Bauteile (11).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schweißenden Verbinden von mindestens zwei übereinanderliegenden Bauteilen, ein verschweißtes Bauteil für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug.
  • Schweißnähte für Überlappverbindungen, sogenannte I-Nähte, unterliegen oftmals einer sehr hohen, mehrachsigen Belastung. Die aus dem Stand der Technik bekannten Schweißnähte können jedoch die genannten Belastungen nur unzureichend aufnehmen.
  • Zudem sind aus dem Stand der Technik verschiedene offene Nahtgeometrien bekannt, welche in einer Aufsicht die Form einer offenen Bogenklammer haben.
  • Es besteht somit weiterhin ein erhöhter Bedarf darin, Schweißgeometrien bereitzustellen, welche es ermöglichen, sowohl eine hohe mechanische Festigkeit als auch - im entsprechenden Anwendungsfall - eine stromführende Verbindung mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit zur Verfügung zu stellen.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 004 787 A1 ist eine Laserschweißnaht mit verkleinertem Endkrater und einem Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Beim Laserschweißen bildet sich am Ende der Schweißnaht ein sogenannter Endkrater. Der Endkrater entsteht in Folge der Volumenschrumpfung der erstarrenden Schmelze nachdem der Laserstrahl am Nahtende ausgeschaltet oder umpositioniert wurde. Der Endkrater wirkt als geometrische Kerbe und verschlechtert die mechanische Eigenschaft der Schweißnaht, sodass es zu Löchern oder Rissen im Bereich des Endkraters kommen kann. Der deutschen Offenlegungsschrift ist insbesondere zu entnehmen, dass das Nahtende an einer Stelle angeordnet wird, welche einen Materialüberschuss gegenüber der umgebenden Oberfläche aufweist, oder dadurch, dass die Naht zum Nahtende hin eine gegenläufige Richtungsänderung ihrer Vorzugsrichtung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass in Folge der Wechselwirkung zwischen erkaltender hin- und gegenlaufender Naht, ein Nachfluss der Schmelze zum Nahtende hin auftritt. Eine ähnliche Lehre ist der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 349 677 A1 , beziehungsweise der parallel erteilten US-Patentschrift US 7 091 444 B2 , zu entnehmen.
  • Ferner ist der US-amerikanischen Patentschrift US 9 138 827 B2 ein Verfahren zum Laserschweißen zu entnehmen. Das Verfahren kann nach dem Überlappen einer oberen Stahlplatte und einer unteren Stahlplatte durchgeführt werden, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Bilden eines Schmelzbades an der oberen Stahlplatte und der unteren Stahlplatte und Schweißen der oberen Stahlplatte und der unteren Stahlplatte durch Bestrahlen eines Laserstrahls mit einem Brennbereich auf einen Schweißabschnitt der oberen Stahlplatte und der unteren Stahlplatte entlang eines Hauptschweißmusters; und Schmelzen eines Umfangsabschnitts eines Keyholes, welches an einem Ende des Hauptschweißmusters gebildet wurde, und Schweißen der oberen Stahlplatte und der unteren Stahlplatte durch Bestrahlen des Laserstrahls des Brennbereichs entlang eines feinen Schweißmusters, das einen Endabschnitt des Hauptschweißmusters hinzugefügt wurde.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum schweißenden Verbinden von mindestens zwei übereinander liegenden Bauteilen, ein verschweißtes Bauteil für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
  • Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten bevorzugten Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele.
  • Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum schweißenden Verbinden von mindestens zwei übereinander liegenden Bauteilen, insbesondere zum Verbinden eines Zellverbinders - manchmal auch als Stromschiene bezeichnet - mit einem oder mehreren Ableiter/n einer Batteriezelle und/oder einer Stromkontaktschiene eines Batteriemoduls, geschaffen wird, wobei folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
    1. a) Verschweißen der mindestens zwei übereinander liegenden Bauteile mittels einer geschlossenen Verbindungsschweißnaht, wobei die Verbindungsschweißnaht - in einer Draufsicht auf die mindestens zwei Bauteile, das heißt vorzugsweise parallel zur Stapelrichtung der mindestens zwei Bauteile
      • - zwei jeweils über mindestens 180° verlaufende Teilkreise mit einem Radius rK1 aufweist und die zwei Teilkreise jeweils zwei Enden aufweisen, wobei zweimal jeweils eines der Enden der zwei Teilkreise mittels einer Geraden miteinander verbunden sind, und wobei die beiden Geraden parallel ausgerichtet sind und die beiden Geraden einen senkrechten Abstand a1 aufweisen, welcher kleiner oder gleich dem doppelten Radius - manchmal auch als Durchmesser bezeichnet - der zwei Teilkreise ist, wobei der senkrechte Abstand vorzugsweise die folgende Bedingung 0 < a1 ≤ 2*rK1 erfüllt,
    2. b) Erhalt der verbundenen zwei Bauteile.
  • Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die mindestens zwei übereinanderliegenden Bauteile durch die Verbindungsschweißnaht eine hohe mehrachsige Festigkeit aufweisen, wobei dies insbesondere auf die Kombination aus Kreis- und Geradenelementen der Verbindungsschweißnaht zurückzuführen ist. Darüber hinaus ist die genannte Verbindungsschweißnaht sehr flexibel einsetzbar und kann daher auch beispielsweise bei kurzen Flanschen eingesetzt werden. Darüber hinaus wird durch die erhaltene Verbindungsschweißnaht eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit erzielt, weswegen die Verbindungsschweißnaht auch eine gute Eignung zum Fügen von Teilen eines elektrischen Antriebsstrangs, wie beispielsweise eine Batteriekontaktierung, hat. Neben der Anwendung der genannten Verbindungsschweißnaht bei einer zweifachen Überlappverbindung, sind auch mehrfache Überlappverbindungen möglich. Zudem können über die Verbindungsschweißnaht hohe statische aber auch dynamische Lasten übertragen werden.
  • Zudem ist es durch die Schweißgeometrie erzielbar, insbesondere durch einen konstanten Einzug der Geometrie, dass ein besonders geringes „Ausknöpfen“ sowie eine Verlängerung der Gesamtschweißnahtlänge erzielt werden kann, wobei dies, wie bereits erwähnt, unter Erzielung einer hohen Schäl- und Scherzugfestigkeit erzielbar ist.
  • Zudem kann durch die vorteilhafte Kombination der Radien, beziehungsweise Kreisbahnen mit den Geraden, eine hohe Gesamtfestigkeit bei einem nahezu isotropen Verhalten erzielt werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindungschweißnaht in eine Schälkräfterichtung und/oder Scherkräfterichtung ausgerichtet ist, wobei die Schälkräfte und/oder die Scherkräfte zwischen den beiden aufeinander liegenden Bauteilen auftreten. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Verbindungsschweißnaht besonders vorteilhaft die entsprechenden Kräfte aufnehmen kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Bauteil ein erstes Material aufweist oder aus einem ersten Material besteht, wobei das erste Material ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Eisen, Eisenbasislegierungen, Kupfer, Kupferbasislegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen und Aluminiumbasislegierungen. Mit der genannten Verbindungsschweißnaht gemäß der Ausführungsform ist es insbesondere möglich, verschiedene Materialien miteinander zu verbinden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Bauteil ein zweites Material aufweist oder aus einem zweiten Material besteht, wobei das zweite Material ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Eisen, Eisenbasislegierungen, Kupfer, Kupferbasislegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen und Aluminiumbasislegierungen. Insbesondere ist es möglich, dass das erste Bauteil der mindestens zwei Bauteile beispielsweise aus Eisen, und das zweite Bauteil der mindestens zwei Bauteile aus Kupfer besteht, und hierbei hervorragende Verbindungsfestigkeiten erzielt werden können.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gesamterstreckung der Verbindungsschweißnaht als LGes bezeichnet wird, wobei die Gesamterstreckung eine Länge von kleiner 50 mm aufweist. Hierdurch wird insbesondere angesprochen, dass sich eine Gesamterstreckung von unter 50 mm als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
  • Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem ein verschweißtes Bauteil für ein Fahrzeug geschaffen wird, hergestellt oder herstellbar nach einem Verfahren gemäß der Erfindung oder nach einem Verfahren gemäß einem der zuvor genannten Ausführungsformen. In Zusammenhang mit dem verschweißten Bauteil werden insbesondere die Vorteile erzielt, welche schon in Zusammenhang mit dem Verfahren zum schweißenden Verbinden von mindestens zwei übereinanderliegenden Bauteilen erläutert wurden.
  • Die Aufgabe wird zudem auch gelöst, indem ein Fahrzeug geschaffen wird, aufweisend ein verschweißtes Bauteil gemäß der Erfindung oder aufweisend ein verschweißtes Bauteil gemäß dem zuvor genannten Ausführungsbeispiel.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Ablaufplans einer Ausführungsform des Verfahrens zum schweißenden Verbinden von mindestens zwei übereinanderliegenden Bauteilen,
    • 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Verbindungsschweißnaht,
    • 3 in einer schematischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der Verbindungsschweißnaht.
  • Der 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Ablaufplan einer Ausführungsform des Verfahrens zum schweißenden Verbinden von mindestens zwei übereinanderliegenden Bauteilen 1, insbesondere zum Verbinden eines Zellverbinders mit einem oder mehreren Ableiter/n (in den Figuren nicht gezeigt) einer Batteriezelle (in den Figuren nicht gezeigt) und/oder einer Stromkontaktschiene (in den Figuren nicht gezeigt) eines Batteriemoduls (in den Figuren nicht gezeigt), zu entnehmen, wobei folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
    1. a) Verschweißen der mindestens zwei übereinander liegenden Bauteile 1 mittels einer geschlossenen Verbindungsschweißnaht 3, wobei die Verbindungsschweißnaht 3 - in einer Draufsicht auf die mindestens zwei Bauteile 1, das heißt vorzugsweise parallel zur Stapelrichtung der mindestens zwei Bauteile - zwei jeweils über mindestens180° verlaufende Teilkreise 5 mit einem Radius rK1 aufweist und die zwei Teilkreise 5 jeweils zwei Enden 7 aufweisen, wobei zweimal jeweils eines der Enden 7 der zwei Teilkreise 5 mittels einer Geraden 9 miteinander verbunden sind, und wobei die beiden Geraden 9 parallel ausgerichtet sind und die beiden Geraden einen senkrechten Abstand a1 aufweisen, welcher kleiner oder gleich dem doppelten Radius - manchmal auch als Durchmesser bezeichnet - der zwei Teilkreise ist,
    2. b) Erhalt der verbundenen zwei Bauteile 11.
  • Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verbindungsschweißnaht 3 in eine Schälkräfterichtung und/oder Scherkräfterichtung ausgerichtet ist, wobei die Schälkräfte und/oder die Scherkräfte zwischen den beiden aufeinanderliegenden Bauteilen 1 auftreten.
  • Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass das erste Bauteil 13 der mindestens zwei Bauteile 1 ein erstes Material aufweist oder aus einem ersten Material besteht, wobei das erste Material ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Eisen, Eisenbasislegierungen, Kupfer, Kupferbasislegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen und Aluminiumbasislegierungen.
  • Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass das zweite Bauteil 15 der mindestens zwei Bauteile 1 ein zweites Material aufweist oder aus einem zweiten Material besteht, wobei das zweite Material ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Eisen, Eisenbasislegierungen, Kupfer, Kupferbasislegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen und Aluminiumbasislegierungen.
  • Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass die Gesamterstreckung 17 der Verbindungsschweißnaht 3 als LGes bezeichnet wird, wobei die Gesamterstreckung 17 eine Länge von < 50 mm aufweist.
  • Der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zu entnehmen, wobei zum besseren Verständnis einem der beiden Teilkreisen 5 der Radius rK1 zu entnehmen ist.
  • Beginnend von einem Startpunk S, wird für die Verbindungsschweißnaht 3 zunächst ein erster über mindestens180° verlaufender Teilkreis 9 ausgeführt, wobei die Verbindungsschweißnaht 3 mittels eines weiteren Teilkreises 19 mit einem Radius rK2 in die Gerade 9 übergeht. Der weitere Teilkreis 19 verläuft dabei über kleiner oder gleich 90°. Nach der Gerade 9 geht die Verbindungsschweißnaht 3 mittels eines weiteren Teilkreises 19 wieder in den mindestens180° verlaufender Teilkreis 9 über und mittels einer weiteren Gerade 9 wird die Verbindungsschweißnaht 3 am Startpunkt S geschlossen.
  • In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll unter dem Begriff „Startpunkt“ lediglich ein Startpunkt zur Beschreibung einer für die Verbindungsschweißnaht 3 wichtigen Abfolge von Teilkreisen und Gerade verstanden werden. Insofern ist ein für alle Ausführungsbeispiele vergleichbarer Startpunkt nur für eine unmissverständliche Beschreibung der Abfolge notwendig.
  • Somit muss in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zwischen einem Startpunkt für das Verfahren zum schweißenden Verbinden, welcher somit entsprechend als Startschweißpunkt zu bezeichnen ist, und dem bisher in der Beschreibung angesprochenen Startpunkt - somit vorteilhafterweise als Beschreibungsstartpunkt zu bezeichnen - unterschieden werden. Aufgrund der Tatsache, dass der Startpunkt zur Beschreibung der Schweißnaht 3 von höherer Bedeutung ist, soll mit dem Begriff Startpunkt in der Beschreibung immer ein solcher Beschreibungsstartpunkt angesprochen werden und nicht ein Startschweißpunkt.
  • In Bezug auf den Startschweißpunkt ist festzustellen, dass dieser vorzugsweise auf einer der beiden Gerade 9 oder besonders bevorzugt in einer Mitte der beiden Geraden 9 platziert wird. Mit anderen Worten das Verfahren zum schweißenden Verbinden gemäß der Erfindung vorzugsweise auf einer der beiden Gerade 9 oder besonders bevorzugt in einer Mitte der beiden Geraden 9 begonnen wird.
  • Um zudem Missverständnissen vorzubeugen, soll in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung folgendes verstanden werden, dass es von den über mindestens180° verlaufenden Teilkreisen 9 immer zwei solcher Kreise für die Verbindungsschweißnaht 3 gibt. Darüber hinaus müssen in dem Fall von a1 < 2*rK1 auch immer zwei der weiteren Teilkreise 19 mit dem Radius rK2 für die Verbindungsschweißnaht 3 ausgeführt werden. Lediglich die Abfolge zwischen den verschiedenen Teilkreisen 5 beziehungsweise 19 ist bei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen (vergleiche die beiden Ausführungsbeispiele aus 2 und 3) der Verbindungsschweißnaht 3 unterschiedlich, wobei dies noch näher in Bezug auf die 3 beschrieben wird.
  • Der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Verbindungsschweißnaht 3 zu entnehmen, wobei ausgehend von dem Startpunkt S, welcher an der gleichen Stelle wie für das erste Ausführungsbeispiel angeordnet ist, zwar ebenfalls der über mindestens180° verlaufende Teilkreis 9 ausgeführt wird, jedoch im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel in die entgegengesetzt Richtung, nämlich in der Bildebene nach unten, statt, wie in 2 zum ersten Ausführungsbeispiel, nach oben. Anschließend wird analog zum ersten Ausführungsbeispiel der weitere Teilkreis 19 ausgeführt, wobei mittels Ausführung einer Gerade 9 die Verbindungsschweißnaht 3 fortgesetzt wird. Danach wird mittels der Ausführung eines über mindestens180° verlaufenden Teilkreis 9 und einem weiteren Teilkreis 19 sowie einer weiteren Gerade 9 die Verbindungsschweißnaht 3 am Startpunkt S geschlossen.
  • Es ist somit im Vergleich der Ausführungsbeispiele gemäß 2 und 3 ersichtlich, dass - ausgehend von dem Startpunkt S, für das erste Ausführungsbeispiel zunächst der über mindestens180° verlaufende Teilkreis 9, dann der weitere Teilkreis 19, dann eine Gerade 9, und erneut wieder der weitere Teilkreis 19 sowie daran anschließend ein zweiter über mindestens180° verlaufender Teilkreise 9 ausgeführt wird und wieder eine Gerade 9, um die Verbindungsschweißnaht 3 am Startpunkt zu schließen.
  • Beim direkten Vergleich der Ausführungsbeispiele ist somit zu erkennen, dass im ersten Ausführungsbeispiel - unter Vernachlässigung der Geraden und ausgehend vom Startpunkt - zunächst ein über mindestens180° verlaufende Teilkreis 9 und anschließend zwei Teilkreise 19 und erst im Anschluss wieder ein über mindestens180° verlaufende Teilkreis 9 für die Verbindungsschweißnaht 3 ausgeführt werden muss, wobei im Vergleich hierzu in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 die über mindestens180° verlaufende Teilkreise 9 und die weiteren Teilkreise 19 abwechselnd ausgeführt werden müssen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005004787 A1 [0005]
    • DE 10349677 A1 [0005]
    • US 7091444 B2 [0005]
    • US 9138827 B2 [0006]

Claims (7)

  1. Verfahren zum schweißenden Verbinden von mindestens zwei übereinander liegenden Bauteilen (1), insbesondere zum Verbinden eines Zellverbinders mit einem oder mehreren Ableiter/n einer Batteriezelle und/oder einer Stromkontaktschiene eines Batteriemoduls, wobei folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden: a) Verschweißen der mindestens zwei übereinander liegenden Bauteile (1) mittels einer geschlossenen Verbindungsschweißnaht (3), wobei die Verbindungsschweißnaht (3) - in einer Draufsicht auf die mindestens zwei Bauteile (1) - zwei jeweils über mindestens180° verlaufende Teilkreise (9) mit einem Radius rK1 aufweist und die zwei Teilkreise (5) jeweils zwei Enden (7) aufweisen, wobei zweimal jeweils eines der Enden (7) der zwei Teilkreise (5) mittels einer Geraden (9) miteinander verbunden sind, und wobei die beiden Geraden parallel ausgerichtet sind und die beiden Geraden einen senkrechten Abstand a1 aufweisen, welcher kleiner oder gleich einem doppelten Radius - manchmal auch als Durchmesser bezeichnet - der zwei Teilkreise (5) ist, b) Erhalt der verbundenen mindestens zwei Bauteile (11).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungschweißnaht (3) in eine Schälkräfterichtung und/oder Scherkräfterichtung ausgerichtet ist, wobei die Schälkräfte und/oder die Scherkräfte zwischen den beiden aufeinander liegenden Bauteilen (1) auftreten.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (13) der mindestens zwei Bauteile (1) ein erstes Material aufweist oder aus einem ersten Material besteht, wobei das erste Material ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Eisen, Eisenbasislegierungen, Kupfer, Kupferbasislegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen und Aluminiumbasislegierungen.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (15) der mindestens zwei Bauteile (1) ein zweites Material aufweist oder aus einem zweiten Material besteht, wobei das zweite Material ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Eisen, Eisenbasislegierungen, Kupfer, Kupferbasislegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen und Aluminiumbasislegierungen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamterstreckung (17) der Verbindungsschweißnaht (3) als LGes bezeichnet wird, wobei die Gesamterstreckung (17) eine Länge von kleiner 50 mm aufweist.
  6. Verschweißtes Bauteil für ein Fahrzeug, hergestellt oder herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Fahrzeug, aufweisend eine verschweißtes Bauteil nach Anspruch 6.
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