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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schweißverbindung mittels Energiestrahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung.
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Beim Energiestrahlschweißen, insbesondere beim Laserstrahlschweißen, kann die in Schweißnahtrichtung stattfindende lineare Verlagerung des Energiestrahls mit einer oszillierenden Pendelbewegung überlagert werden. Durch die Überlagerung, was in Fachkreisen als Wobbeischweißen bezeichnet wird, wird die Schweißnaht breiter und tiefer. Gleichzeitig wird eine homogenere Durchmischung der Schweißnaht erreicht, als bei einer rein linearen Verlagerung. Die Überlagerung führt zu einer besseren Anbindung der zu verbindenden Bauteile und somit zu einer stabileren Schweißnaht. Problematisch stellt es sich allerdings dar, wenn der lineare Verlagerungsweg, also die Verlagerung ohne oszillierende Pendelbewegung des Energiestrahls, nicht die Form einer Gerade, sondern die Form einer gekrümmten Bahn, insbesondere die Form eines Halbkreisbogens hat. Wird dieser gekrümmte Verlagerungsweg mit einer oszillierenden Pendelbewegung überlagert, kommt es aufgrund der gekrümmten Form des Verlagerungswegs zu einem ungleichmäßigen Wärmeeintrag in die Fügepartner und somit zu einer inhomogenen Schweißverbindung. Es wäre somit wünschenswert, den Wärmeeintrag, auch bei einer mit einer oszillierenden Pendelbewegung überlagerten gekrümmten linearen Verlagerung des Laserstrahls zu vergleichmäßigen und somit die Schweißverbindung homogener auszubilden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Schweißverbindung mittels Energiestrahlung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile reduziert sind, vorzugsweise nicht auftreten.
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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.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, in dem ein Verfahren zum Herstellen einer Schweißverbindung mittels Energiestrahlung geschaffen wird, wobei wenigstens zwei Bauteile derart relativ zueinander angeordnet werden, dass ein Schweißbereich gebildet wird. Der Schweißbereich wird mit dem Energiestrahl beaufschlagt, wobei die wenigstens zwei Bauteile in dem Schweißbereich unter Ausbildung einer sich in einer bogenförmigen Schweißnahtrichtung erstreckenden Schweißnaht verschweißt werden, indem der Energiestrahl relativ zu den wenigstens zwei Bauteilen entlang der bogenförmigen Schweißnahtrichtung verlagert und in einer Auslenkungsrichtung quer zu der Schweißnahtrichtung oszillierend unter Bildung einer Mehrzahl von periodisch wechselnden ersten und zweiten Bahnabschnitten ausgelenkt wird. Die ersten Bahnabschnitte sind an einem jeweiligen ersten Ende mit einem jeweiligen, auf einer selben ersten Seite der Schweißnaht angeordneten, zweiten ersten Ende der in Schweißnahtrichtung jeweils unmittelbar benachbarten zweiten Bahnabschnitte unter Ausbildung einer ersten Bahnwendekurve verbunden. Die zweiten Bahnabschnitte sind an einem von dem zweiten ersten Ende verschiedenen zweiten Ende mit einem jeweiligen, auf einer selben, von der ersten Seite verschiedenen zweiten Seite der Schweißnaht angeordneten, von dem ersten Ende verschiedenen ersten zweiten Ende der in Schweißnahtrichtung jeweils unmittelbar benachbarten ersten Bahnabschnitte unter Ausbildung einer von der ersten Bahnwendekurve verschiedenen zweiten Bahnwendekurve verbunden. Die ersten Bahnabschnitte und die in Schweißnahtrichtung jeweils unmittelbar benachbarten zweiten Bahnabschnitte sind an ihren der jeweiligen zweiten Bahnwendekurve in Auslenkungsrichtung gegenüberliegenden ersten Enden mit einem ersten Abstand beabstandet voneinander. Die zweiten Bahnabschnitte und die in Schweißnahtrichtung jeweils unmittelbar benachbarten ersten Bahnabschnitte sind an ihren der jeweiligen ersten Bahnwendekurve in Auslenkungsrichtung gegenüberliegenden zweiten Enden mit einem zweiten Abstand beabstandet voneinander, wobei der erste Abstand und der zweite Abstand gleich sind. Auf diese Weise wird vorteilhaft der Wärmeeintrag in das Bauteil vergleichmäßigt, indem der erste und der zweite Abstand gleich sind, wobei damit bevorzugt auch die Abstände der Pendelamplituden-Maxima in Schweißnahtrichtung auf der Außenseite der bogenförmigen Bahn gleich groß sind wie auf der Innenseite der bogenförmigen Bahn.
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Dass die Auslenkungsrichtung quer zu der Schweißnahtrichtung ist, bedeutet insbesondere, dass der Auslenkungswinkel zwischen 0 ° und 180 ° zu der Schweißnahtrichtung beträgt, die Auslenkungsrichtung also schräg zu der Schweißnahtrichtung ist. Insbesondere ist die Auslenkungsrichtung genau 90 °, also orthogonal zu der Schweißnahtrichtung. Insbesondere queren die ersten und zweiten Bahnabschnitte eine gedachte Mittellinie der bogenförmigen Schweißnaht.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle ersten Bahnabschnitte parallel zueinander angeordnet werden. Auf diese Weise werden vorteilhaft die ersten Bahnabschnitte gleichmäßig zueinander angeordnet. Insbesondere wird ein erster Auslenkungswinkel der ersten Bahnabschnitte relativ zu der Schweißnahtrichtung entlang der Schweißnahtrichtung verändert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein erster Auslenkungswinkel der ersten Bahnabschnitte relativ zu der Schweißnahtrichtung entlang der Schweißnaht konstant gehalten wird. Vorteilhafterweise werden so die ersten Bahnabschnitte gleichmäßig entlang der gedachten Mittellinie der bogenförmigen Schweißnaht angeordnet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle zweiten Bahnabschnitte parallel zueinander angeordnet werden. Auf diese Weise werden vorteilhaft die zweiten Bahnabschnitte gleichmäßig angeordnet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Bahnwendekurve und die zweite Bahnwendekurve jeweils bereichsweise kreisbogenförmig ausgebildet werden. Für jede erste Bahnwendekurve wird ein erster Radius und für jede zweite Bahnwendekurve wird ein zweiter Radius gewählt. Der erste Radius und der zweite Radius werden verschieden gewählt. Auf diese Weise werden vorteilhaft die Bahnwendekurven tangential mit den Bahnabschnitten verbunden, auch wenn ein erster Auslenkungswinkel der ersten Bahnabschnitte relativ zu der Schweißnahtrichtung entlang der Schweißnaht konstant gehalten wird.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass alle ersten Bahnabschnitte parallel zueinander angeordnet werden, wobei gleichzeitig alle zweiten Bahnabschnitte parallel zueinander - insbesondere aber schräg zu den ersten Bahnabschnitten - angeordnet werden. Bevorzugt wird ein erster Auslenkungswinkel der ersten Bahnabschnitte relativ zu der Schweißnahtrichtung entlang der Schweißnahtrichtung verändert. Bevorzugt wird ein zweiter Auslenkungswinkel der zweiten Bahnabschnitte relativ zu der Schweißnahtrichtung entlang der Schweißnahtrichtung verändert. Bevorzugt werden die erste Bahnwendekurve und die zweite Bahnwendekurve bereichsweise kreisbogenförmig ausgebildet. Bevorzugt wird für jede erste Bahnwendekurve ein erster Radius und für jede zweite Bahnwendekurve ein zweiter Radius gewählt. Bevorzugt werden der erste Radius und der zweite Radius gleich gewählt.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein erster Auslenkungswinkel der ersten Bahnabschnitte relativ zu der Schweißnahtrichtung entlang der Schweißnaht konstant gehalten wird. Bevorzugt wird ein zweiter Auslenkungswinkel der zweiten Bahnabschnitte relativ zu der Schweißnahtrichtung entlang der Schweißnaht konstant gehalten. Bevorzugt werden die erste Bahnwendekurve und die zweite Bahnwendekurve bereichsweise kreisbogenförmig ausgebildet. Bevorzugt wird für jede erste Bahnwendekurve ein erster Radius und für jede zweite Bahnwendekurve ein zweiter Radius gewählt. Bevorzugt werden der erste Radius und der zweite Radius verschieden gewählt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Leistung des Energiestrahls während der Ausbildung der Schweißnaht moduliert wird. Auf diese Weise können vorteilhaft Schweißspritzer reduziert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Verlagerung des Energiestrahls eine Scanneroptik verwendet wird. Vorteilhafterweise kann so die Pendelbewegung mit einer relativ hohen zeitlichen Frequenz ausgeführt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Energiestrahl ein Laserstrahl verwendet wird, wobei zur Erzeugung des Laserstrahls ein Laser verwendet wird, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Scheibenlaser, einem Faserlaser, einem Festkörperlaser, einem Diodenlaser und einem CO2-Laser. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine gleichmäßige Schweißnaht mittels Laserstrahl gebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für wenigstens ein Bauteil, ausgewählt aus den wenigstens zwei Bauteilen, ein Werkstoff verwendet wird, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem Aluminiumwerkstoff, einer Aluminiumlegierung, einem Kupferwerkstoff, einer Kupferlegierung, einem Stahlwerkstoff und einer Stahllegierung. Vorteilhafterweise kann das Verfahren so auch mit Werkstoffen durchgeführt werden, die beim Fügen von elektrischen Schaltungen, insbesondere beim Verbinden von Batteriezellen, verwendet werden.
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Insbesondere ist die Aluminiumlegierung eine Legierung der Gruppe Al1xxx oder Al3xxx. Insbesondere wird für ein erstes Bauteil, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus den wenigstens zwei Bauteilen, eine Aluminiumlegierung der Gruppe Al1xxx gewählt, wobei für ein von dem ersten Bauteil verschiedenen zweiten Bauteil eine Aluminiumlegierung der Gruppe AI3xxx gewählt wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Schweißverbindung,
- 2a eine vergrößerte Darstellung einer bogenförmigen Schweißnaht, gemäß des mit dem Bezugszeichen 11 versehenen Ausschnitts aus 1,
- 2b eine vergrößerte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Pendelbewegung des Energiestrahls 7, gemäß des mit dem Bezugszeichen 19 versehenen Ausschnitts aus 2a, und
- 3 eine vergrößerte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Pendelbewegung des Energiestrahls 7, und
- 4 eine vergrößerte Darstellung eines dritten und vierten Ausführungsbeispiels einer Pendelbewegung des Energiestrahls 7.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Schweißverbindung, bei diesem Ausführungsbeispiel mit einem unteren Bauteil 1 und einem oberen Bauteil 3.
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In einem ersten Schritt S1 werden wenigstens zwei Bauteile, hier ein unteres Bauteil 1 und ein oberes Bauteil 3, derart relativ zueinander angeordnet, dass ein Schweißbereich 5 gebildet wird.
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In einem zweiten Schritt S2 wird der Schweißbereich 5 mit dem Energiestrahl 7 beaufschlagt, wobei die wenigstens zwei Bauteile 1, 3 in dem Schweißbereich 5 unter Ausbildung einer sich in Schweißnahtrichtung 13 erstreckenden, bogenförmigen Schweißnaht 9 verschweißt werden, indem der Energiestrahl 7 relativ zu den wenigstens zwei Bauteilen 1,3 gemäß der nachfolgend in den 2a, 2b, 3 und 4 dargestellten Pendelbewegung verlagert wird.
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2a zeigt eine vergrößerte Darstellung der bogenförmigen Schweißnaht, gemäß des mit dem Bezugszeichen 11 versehenen Ausschnitts aus 1.
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Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insoweit jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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Der Energiestrahl 7 wird entlang einer bogenförmigen, hier kreisbogenförmigen Schweißnahtrichtung 13 verlagert und in einer Auslenkungsrichtung quer zu der Schweißnahtrichtung 13 oszillierend unter Bildung einer Mehrzahl von periodisch wechselnden ersten und zweiten Bahnabschnitten 15, 19 ausgelenkt.
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2b zeigt eine vergrößerte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Pendelbewegung des Energiestrahls 7, gemäß des mit dem Bezugszeichen 18 versehenen Ausschnitts aus 2a.
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Zur besseren Übersichtlichkeit sind die mit der Oszillation des Energiestrahls 7 zusammenhängenden und periodisch wiederkehrenden Elemente nicht vollständig, sondern nur teilweise mit Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung bezieht sich selbstverständlich auch auf die nicht mit den jeweiligen Bezugszeichen versehenen Elemente.
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Die ersten Bahnabschnitte 15 sind an einem jeweiligen ersten ersten Ende 15.1 mit einem jeweiligen, auf einer selben ersten Seite 17 der Schweißnaht 9 angeordneten, zweiten ersten Ende 19.1 der in Schweißnahtrichtung 13 jeweils unmittelbar benachbarten zweiten Bahnabschnitte 19 unter Ausbildung einer ersten Bahnwendekurve 19.3 verbunden. Die zweiten Bahnabschnitte 19 sind an einem von dem zweiten ersten Ende 19.1 verschiedenen zweiten zweiten Ende 19.2 mit einem jeweiligen, auf einer selben, von der ersten Seite 17 verschiedenen zweiten Seite 21 der Schweißnaht 9 angeordneten, von dem ersten ersten Ende 15.1 verschiedenen ersten zweiten Ende 15.2 der in Schweißnahtrichtung 13 jeweils unmittelbar benachbarten ersten Bahnabschnitte 15 unter Ausbildung einer von der ersten Bahnwendekurve 19.3 verschiedenen zweiten Bahnwendekurve 15.3 verbunden. Die ersten Bahnabschnitte 15 und die in Schweißnahtrichtung 13 jeweils unmittelbar benachbarten zweiten Bahnabschnitte 19 sind an ihren der jeweiligen zweiten Bahnwendekurve 15.3 in Auslenkungsrichtung gegenüberliegenden ersten Enden 15.1, 19.1 mit einem ersten Abstand 23.1 beabstandet voneinander. Die zweiten Bahnabschnitte 19 und die in Schweißnahtrichtung 13 jeweils unmittelbar benachbarten ersten Bahnabschnitte 15 sind an ihren der jeweiligen ersten Bahnwendekurve 19.3 in Auslenkungsrichtung gegenüberliegenden zweiten Enden 15.2, 19.2 mit einem zweiten Abstand 23.2 beabstandet voneinander, wobei der erste Abstand 23.1 und der zweite Abstand 23.2 gleich sind.
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Insbesondere werden alle ersten Bahnabschnitte 15 parallel zueinander angeordnet. Insbesondere werden bei diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich auch alle zweiten Bahnabschnitte 19 parallel zueinander angeordnet. Insbesondere wird ein erster Auslenkungswinkel α der ersten Bahnabschnitte 15 relativ zu der Schweißnahtrichtung 13 entlang der Schweißnahtrichtung 13 verändert. Insbesondere wird ein zweiter Auslenkungswinkel β der zweiten Bahnabschnitte 19 relativ zu der Schweißnahtrichtung 13 entlang der Schweißnahtrichtung 13 verändert.
Insbesondere werden die erste Bahnwendekurve 19.3 und die zweite Bahnwendekurve 15.3 bereichsweise kreisbogenförmig ausgebildet. Insbesondere wird für jede erste Bahnwendekurve 19.3 ein erster Radius R1 und für jede zweite Bahnwendekurve 15.3 ein zweiter Radius R2 gewählt. Insbesondere werden der erste Radius R1 und der zweite Radius R2 gleich gewählt.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Pendelbewegung des Energiestrahls 7.
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Insbesondere wird ein erster Auslenkungswinkel µ der ersten Bahnabschnitte 15 relativ zu der Schweißnahtrichtung 13 entlang der Schweißnaht 9 konstant gehalten. Insbesondere beträgt der erste Auslenkungswinkel µ 90 °. Insbesondere wird ein zweiter Auslenkungswinkel δ der zweiten Bahnabschnitte 19 relativ zu der Schweißnahtrichtung 13 entlang der Schweißnaht 9 konstant gehalten. Insbesondere werden die erste Bahnwendekurve 19.3 und die zweite Bahnwendekurve 15.3 bereichsweise kreisbogenförmig ausgebildet. Insbesondere wird für jede erste Bahnwendekurve 19.3 ein erster Radius R1 und für jede zweite Bahnwendekurve 15.3 ein zweiter Radius R2 gewählt. Insbesondere werden der erste Radius R1 und der zweite Radius R2 verschieden gewählt. Insbesondere ist der erste Radius R1 kleiner als der zweite Radius R2.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten und vierten Ausführungsbeispiels einer Pendelbewegung des Energiestrahls 7.
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Insbesondere entspricht die bogenförmige Schweißnahtrichtung 13 beim vierten Ausführungsbeispiel der Form eines liegenden Ovals 25.
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Insbesondere entspricht die bogenförmige Schweißnahtrichtung 13 beim vierten Ausführungsbeispiel der Form eines stehenden Ovals 27.
