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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine geschweißte Bauteilanordnung, bei der wenigstens ein erstes und zweites Bauteil mittels einer Schweißverbindung verbunden ist, ein Verfahren zum Verbinden wenigstens eines ersten und zweiten Bauteils mit Schweißen miteinander sowie eine Laserschweißmaschine zum Ausführen eines Schweißvorgangs.
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Beim Laserschweißen gibt es grundsätzlich verschiedene Schweißnahtformen, deren Anforderungen sich an die zu verbindenden Bauteile und auch eine Positioniergenauigkeit unterscheiden. Beispielsweise gibt es Stumpfnähte, bei denen zwei Bauteile in einer Ebene angeordnet werden und ein Schweißstoß senkrecht in den Spalt zwischen den beiden Bauteilen erfolgt. Ferner sind auch sog. Kehlnähte bekannt, bei denen die Bauteile beispielsweise in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind und am rechten Winkel miteinander verschweißt werden. Auch sind Überlappstöße bekannt, bei denen die zu verbindenden Bauteile zumindest teilweise übereinander angeordnet sind und am Überlappungsbereich ähnlich einem Stumpfstoß senkrecht miteinander verbunden werden. Grundsätzlich sind hierbei jedoch die Anforderungen an eine Positioniergenauigkeit beim Schweißvorgang sehr hoch. Dies führt zu entsprechenden Vorbereitungsmaßnahmen bei der Anordnung der Bauteile, welche vor dem Schweißen exakt positioniert werden müssen. Bei zu großen Abweichungen, beispielsweise einem zu großen Spalt bei einem gewünschten Stumpfstoß, kann dies zu schlechteren Schweißnahtqualitäten führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Schweißverbindung mit einer Schweißnaht sehr einfach und kostengünstig durchgeführt werden kann. Insbesondere sind nicht allzu hohe Anforderungen an eine Positioniergenauigkeit der zu verbindenden Bauteile notwendig. Dadurch kann eine Gesamtdauer des Schweißvorgangs signifikant reduziert werden, was insbesondere bei der Herstellung von Massenbauteilen ein wichtiges Kriterium ist. So muss beispielsweise bei der Herstellung einer Stumpfnaht ein Spalt zwischen einem ersten und zweiten Bauteil erfindungsgemäß nicht mehr exakt getroffen werden. Weiterhin ist es auch möglich, dass die zu verbindenden Bauteile einen Höhenversatz aufweisen, welcher erfindungsgemäß den Schweißvorgang nicht mehr beeinträchtigt. Auch können für die Herstellung der Schweißnaht größere Toleranzen für einen Auftreffpunkt, beispielsweise eines Laserstrahls oder einer anderen Einrichtung zum Schweißen ohne Nachteile auf die Verbindungsqualität ermöglicht werden. Insbesondere ist es auch möglich, dass beispielsweise bei zwei zu verbindenden Bauteilen diese an Funktionsflächen zueinander ausgerichtet werden können und dann eine Fixierung der beiden Bauteile über ungenaue Flächen möglich ist. Dies kann insbesondere bei Schweißverbindungen bei Magnetventilen ausgenutzt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Anordnung wenigstens ein erstes und ein zweites Bauteil sowie eine Schweißverbindung mit einer Schweißnaht umfasst. Die Schweißnaht verbindet das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil, wobei die Schweißnaht in einem Winkel a < 90° zu einer Oberfläche des ersten Bauteils gebildet ist. Dadurch wird die verbindende Schweißnaht schräg durch das erste Bauteil bis zum zweiten Bauteil eingebracht. Die durch die Bauteile verlaufende Schweißnaht verbindet somit die Bauteile insbesondere in einem Innenbereich der Bauteile. Die Schweißnaht weist somit eine lineare, in das Innere der Bauteile reichende Hauptrichtung auf, welche in einem spitzen Winkel α zu einer Oberfläche des ersten Bauteils ausgebildet ist. Dadurch kann eine kostengünstige, aber dennoch ausreichend sichere Verbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen erreicht werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist eine erste Außenfläche der Schweißnaht an einer Schweißseite der Bauteile ausschließlich im ersten Bauteil ausgebildet. Hierdurch können insbesondere Positionsgenauigkeiten für das Ansetzen einer Schweißeinrichtung weiter reduziert werden.
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Weiter bevorzugt ist eine zweite Außenfläche der Schweißnaht an einer von der Schweißseite abgewandten Seite der Bauteile ausschließlich im zweiten Bauteil gebildet. Dadurch ist es möglich, dass die Schweißnaht vorzugsweise derart vollständig durch die beiden zu verbindenden Bauteile verläuft, so dass ein Eintrittsbereich der Schweißnaht ausschließlich im ersten Bauteil gebildet ist und ein Austrittsbereich der Schweißnaht ausschließlich am zweiten Bauteil gebildet ist.
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Vorzugsweise ist der Winkel a, durch welchen die lineare Hauptrichtung der Schweißnaht definiert wird, in einem Bereich von 30° ≤ a ≤ 60°, insbesondere 40° ≤ a ≤ 50°, weiter insbesondere in einem Bereich von 44° ≤ a ≤ 46° und insbesondere beträgt der Winkel α 45°.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Schweißnaht derart ausgebildet, dass diese nicht vollständig durch beide Bauteile verläuft, sondern vollständig durch das erste Bauteil und nur teilweise durch das zweite Bauteil verläuft.
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Die Schweißnaht ist vorzugsweise eine Laserschweißnaht, insbesondere eine Faser-Laser-Schweißnaht. Laser und insbesondere Faser-Laser haben eine sehr hohe Strahlqualität, so dass sehr tiefe und schlanke Schweißnähte erzeugt werden können, welche auch in einem Winkel zu einer Oberfläche der zu verbindenden Bauteile gerichtet werden können.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil, umfassend die Schritte:
- - Anordnen des ersten und zweiten Bauteils in einer gewünschten Verbindungsposition, und
- - Herstellen einer Schweißverbindung mit einer Schweißnaht derart, dass die Schweißnaht in einem Winkel α ≤ 90° zu einer Oberfläche des ersten Bauteils erzeugt wird und in einem Bauteilinnenbereich durch das erste Bauteil bis in das zweite Bauteil reicht, um die Schweißverbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil herzustellen. Dabei werden die voranstehend genannten Vorteile der Bauteilanordnung erreicht.
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Vorzugsweise wird die Schweißnaht derart hergestellt, dass eine erste Außenfläche der Schweißnaht an einer Schweißseite ausschließlich im ersten Bauteil gebildet wird.
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Weiter bevorzugt wird die Schweißnaht derart hergestellt, dass eine zweite Außenfläche der Schweißnaht an einer der Schweißseite abgewandten Seite der Bauteile ausschließlich im zweiten Bauteil gebildet wird. Dadurch kann eine vollständig durchgehende Schweißnaht erzeugt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet vorzugsweise einen Laser, insbesondere einen Faser-Laser zur Herstellung der Schweißnaht.
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Die Schweißnaht kann als eine oder mehrere Punktschweißnähte ausgebildet sein oder alternativ als eine durchgehende Naht ausgebildet sein und insbesondere bei zylindrischen Bauteilen auch eine durchgehende umlaufende Naht sein. Auch können mehrere Schweißnähte nebeneinander vorgesehen werden, um eine Anbindung zwischen den beiden Bauteilen zu erhöhen.
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Insbesondere können bei Vorsehen mehrerer Schweißnähte diese abwechselnd derart vorgesehen werden, dass eine erste Schweißnaht am ersten Bauteil eingebracht wird und ins zweite Bauteil reicht und eine zweite Schweißnaht am zweiten Bauteil eingebracht wird und ins erste Bauteil reicht. Der Winkel α kann somit mit wechselnden Vorzeichen bei den abwechselnd angeordneten Schweißnähten verwendet werden. Dabei können gleiche Winkel α verwendet werden oder alternativ auch unterschiedliche Winkel a.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise derart ausgeführt, dass entweder ausschließlich eine Schweißeinrichtung bewegt wird oder ausschließlich die Bauteilanordnung bewegt wird oder alternativ sowohl die Schweißeinrichtung als auch die Bauteileinrichtung bewegt wird.
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Weiterhin sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund seiner Einfachheit und insbesondere aufgrund der signifikant reduzierten Positionsgenauigkeiten für die Positionierung der Bauteile auch beispielsweise mit Laserschweißmaschinen ausgeführt werden kann, welche schon ein gewisses Alter aufweisen und nicht mehr für hochgenaue Schweißvorgänge eingesetzt werden können. Aufgrund der erhöhten Toleranzfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens können so beispielsweise ältere Laserschweißmaschinen weiterverwendet werden.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Laserschweißmaschine, umfassend einen Laser, insbesondere einen Faser-Laser, wobei die Laserschweißmaschine eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
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Die Anordnung mit dem ersten und zweiten Bauteil und der Schweißverbindung ist vorzugsweise ein Injektor, insbesondere ein Injektor mit einem Magnetaktor, bei welchem ein Deckel an einen Innenpol angeschweißt wird.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Bauteilanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Draufsicht der Bauteilanordnung von 1,
- 3 eine schematische Draufsicht einer Bauteilanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 4 eine schematische Schnittansicht einer Bauteilanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Bauteilanordnung 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Bauteilanordnung ein erstes Bauteil 2 und ein zweites Bauteil 3, welche über eine Schweißverbindung mit einer Schweißnaht 4 miteinander verbunden sind.
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Das erste Bauteil 2 und das zweite Bauteil 3 sind derart zueinander angeordnet, dass eine vertikale Stoßfuge 7 vorhanden ist.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, verläuft die durch die Bauteile verlaufende Schweißnaht 4 dabei schräg zu einer Oberfläche 20 des ersten Bauteils 2. Die Schweißnaht 4 verläuft dabei in einem spitzen Winkel α von 45°.
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In 1 ist eine lineare Hauptrichtung 6 der Schweißnaht 4 in Form einer imaginären Geraden als Mittellinie der Schweißnaht 4 eingezeichnet. Die Schweißnaht 4 verläuft dabei vollständig durch die Bauteilanordnung, so dass eine erste Außenfläche 41 am ersten Bauteil 2 und eine zweite Außenfläche 42 am zweiten Bauteil 3 ausgebildet ist.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die erste Außenfläche 41 ausschließlich an der Oberfläche 20 des ersten Bauteils 2 ausgebildet.
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Die zweite Außenfläche 42 ist, wie ebenfalls aus 1 ersichtlich ist, ausschließlich an einer Außenseite des zweiten Bauteils 3 ausgebildet. Somit verläuft die Schweißnaht 4 vollständig linear durch die beiden Bauteile und bildet die Schweißverbindung zwischen den beiden Bauteilen.
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Wie aus 2 ersichtlich, ist die Schweißnaht 4 dieses Ausführungsbeispiels eine Punktschweißnaht.
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In 1 ist zur Verdeutlichung der Herstellung der Schweißverbindung ein Laser 5, welcher in diesem Ausführungsbeispiel ein Faser-Laser ist, dargestellt. Die Schweißnaht 4 wird dabei mittels eines Laserstrahls 50 erzeugt. Da der Laserstrahl 50 nicht wie im Stand der Technik bei der Herstellung von Stumpfnähten direkt senkrecht auf die Stoßfuge 7 gerichtet werden muss, kann eine Anordnung der beiden Bauteile 2, 3 vor dem Schweißvorgang mit einer signifikant reduzierten Genauigkeit erfolgen. Insbesondere kann auch auf eine Ausrichtung des Laserstrahls 50 auf die Stoßfuge 7 verzichtet werden. Der Laserstrahl 50 kann einfach auf die Oberfläche 20 des ersten Bauteils 20 im spitzen Winkel α gerichtet werden. Es ist selbstverständlich, dass abhängig von spitzen Winkel α ein Abstand der ersten Außenfläche 41 von der Stoßfuge 7 nicht zu groß werden darf, damit eine sinnvolle Schweißverbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil herstellbar ist. Die Ausrichtung des Laserstrahls 50 muss dabei wie in 1 gezeigt, erfolgen, damit die Schweißnaht 4 sowohl durch das erste Bauteil 2 als auch zumindest teilweise durch das zweite Bauteil 3 verläuft.
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3 zeigt eine Bauteilanordnung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, bei dem eine Punktschweißung zur Verbindung zwischen den beiden Bauteilen vorgesehen ist, ist beim zweiten Ausführungsbeispiel eine längliche Schweißnaht 4 vorgesehen. Die Schweißnaht reicht dabei über eine gesamte Breite 8 des ersten Bauteils 2. Dadurch ist die erste Außenfläche 41 des zweiten Ausführungsbeispiels als breiter, linearer Streifen ausgeführt, der parallel zur Stoßfuge 7 verläuft. Die Schweißnaht 4 verläuft wieder durch das erste Bauteil 2 und das zweite Bauteil 3 vollständig hindurch, so dass auch am zweiten Bauteil 3 die zweite Außenfläche ausgebildet ist, was in 3 nicht dargestellt ist. Zur Herstellung der Schweißnaht 4 beim zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Relativbewegung zwischen dem Laser 5 und der Bauteilanordnung 1 notwendig. Hierbei kann ausschließlich der Laser bewegt werden oder ausschließlich die Bauteilanordnung bewegt werden oder sowohl der Laser als auch die Bauteilanordnung bewegt werden.
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4 zeigt eine Bauteilanordnung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, weist die Bauteilanordnung 1 einen Versatz 10 auf. Dabei sind das erste Bauteil 2 und das zweite Bauteil 3 mit ihren Oberflächen nicht mehr in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, sondern parallel versetzt. Im Stand der Technik würde bei einer derart versetzten Anordnung der Bauteile üblicherweise eine Kehlnaht an der Stoßfuge 7 mit entsprechenden Positionierungsnotwendigkeiten hergestellt werden. Gemäß der Erfindung kann nun eine schräge Schweißnaht 4 ohne große Ausrichtungsgenauigkeiten zwischen den beiden Bauteilen 2 und 3 vorgesehen werden. Dabei kann erfindungsgemäß ebenfalls eine sichere Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 2 und dem zweiten Bauteil 3 erreicht werden. Ein Winkel α beträgt ca. 45°. Wie weiter aus 4 ersichtlich ist, ist die Schweißnaht 4 nicht durchgehend durch das zweite Bauteil 3 ausgebildet, sondern verläuft durchgehend durch das erste Bauteil 2 und nur teilweise durch das zweite Bauteil 3. Dadurch hat die Schweißnaht 4 nur eine Außenfläche, nämlich die erste Außenfläche 41. Diese Schweißverbindung ist insbesondere bei Bauteilen mit größerer Dicke anwendbar. Dabei sollte die Schweißnaht 4 in ihrer linearen Hauptrichtung 6 eine gewisse Tiefe in das zweite Bauteil 3 aufweisen, um eine sichere Schweißverbindung bereitzustellen.
