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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Bauteilen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 11 2015 006 504 T5 beschrieben, ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels, der mindestens zwei sich überlappende Werkstücke aus Stahl enthält, bekannt. Ein Laserstrahl wird auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels gelenkt, um ein Schlüsselloch auszubilden, das von einem Schmelzbad aus Stahlschmelze umgeben ist. Der Laserstrahl wird entlang eines vordefinierten Schweißmusters befördert, das nichtlineare innere Schweißpfade und einen umschließenden Schweißpfad am Außenumfang enthält, der die nichtlinearen inneren Schweißpfade umgibt. Bei der Beförderung des Laserstrahls entlang der nichtlinearen inneren Schweißpfade durchdringt das Schlüsselloch den Werkstückstapel vollständig von der oberen Oberfläche zu der unteren Oberfläche.
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In der
DE 10 2017 117 992 A1 wird ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückstapels offenbart, der sich überlappende Werkstücke aus Metall enthält. Das Verfahren umfasst das Lenken eines Laserstrahls auf eine obere Oberfläche des Werkstückstapels, um ein Schmelzbad aus Metallschmelze und optional ein Schlüsselloch zu erzeugen, und das Kreisenlassen des Laserstrahls, um einen Brennpunkt des Laserstrahls entlang einer spiralförmigen Strecke zu bewegen, die eine zentrale Spiralenachse aufweist, die quer zu der oberen und unteren Oberfläche des Werkstückstapels orientiert ist.
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Aus der
DE 10 2021 131 399 A1 wird eine Pressvorrichtung für ein Laserschweißgerät beschrieben. Die Pressvorrichtung umfasst ein Armelement mit gegenüberliegenden Montage- und Pressenden. Ein Presskissen am Pressende hat eine Öffnung, durch die ein Laserstrahl eine Werkstückanordnung bestrahlen kann, die durch die Pressvorrichtung gepresst wird. Das Montageende weist eine Befestigungsstruktur auf, um die Pressvorrichtung abnehmbar an der Laserschweißvorrichtung zu befestigen. Das Armelement ist so geformt, dass die Öffnung in einem bekannten festen Abstand zu einer Laserquelle des Laserschweißgeräts positioniert wird. Das Presskissen hat eine Pressfläche auf einer dem Werkstück zugewandten Seite, um eine Verbindungskraft auf die Werkstückanordnung an einer Schweißstelle auszuüben. Mindestens eines der Merkmale Größe, Form und Glätte der Pressfläche ermöglicht eine Gleitkontaktbewegung der Pressfläche entlang einer Oberfläche der Werkstückanordnung während des Aufbringens der Presskraft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Bauteilen anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Bauteilen durch Herstellen einer Überlappverbindung mittels Laserschweißen, auch als Laserstrahlschweißen bezeichnet, wird erfindungsgemäß das erste Bauteil auf dem zweiten Bauteil angeordnet, wobei das erste Bauteil mindestens eine kreisrunde und/oder konische Materialausnehmung als Einlass für einen Laserstrahl einer Laserschweißvorrichtung aufweist. Kreisrund oder rund bezieht sich dabei auf den Querschnitt der Materialausnehmung, wobei diese dann über ihre Länge einen konstanten Durchmesser aufweist. Die als rund oder kreisrund bezeichnete Materialausnehmung ist somit insbesondere hohlzylindrisch ausgebildet.
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Die Materialausnehmung verläuft mit ihrer Axialrichtung ausgehend von einer Oberseite des ersten Bauteils in Richtung einer Unterseite des ersten Bauteils. Die konische Materialausnehmung verengt sich nach unten, d. h. in Richtung des unter dem ersten Bauteil angeordneten zweiten Bauteils. Die Materialausnehmung kann beispielsweise in Axialrichtung auch abschnittsweise konisch und/oder abschnittsweise rund ausgebildet sein, insbesondere mehrere verschiedene konische Abschnitte aufweisen oder abwechselnd konische und runde Abschnitte aufweisen.
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Durch die Materialausnehmung wird eine Materialstärke des oberen ersten Bauteils lokal ausgedünnt oder die Materialausnehmung durchdringt das erste Bauteil, d. h. sie ist durchgängig.
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Die Laserschweißvorrichtung wird über der Materialausnehmung fluchtend positioniert. Die Herstellung der Überlappverbindung erfolgt durch zumindest eine punktförmige Einschweißung des Laserstrahls in der mindestens einen Materialausnehmung des oberen ersten Bauteils, d. h. über eine punktförmige Fügegeometrie durch, insbesondere gepulstes, Laserschweißen in die Materialausnehmung des oberen ersten Bauteils. Das Laserschweißen erfolgt somit exakt positioniert in der Materialausnehmung.
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In einer möglichen Ausführungsform erfolgt die Verschweißung beispielsweise mittels eines einzigen Pulses in Kombination mit verändertem Intensitätsprofil. Die Verschweißung gelingt somit mittels eines einzigen Pulses des Laserstrahls mit verändertem, über den Querschnitt steuer- bzw. einstellbarem, Intensitätsprofil, sodass in den dickeren Randbereichen der konischen Materialausnehmung jeweils ringsherum verteilt eine größere Energiemenge eingebracht wird und die Verbindung dadurch gut und gleichmäßig eingeschweißt wird. Das Intensitätsprofil des Laserstrahls wird oder ist vorteilhafterweise auf die veränderliche Materialstärke angepasst. Der Laserstrahl wird dabei nicht bewegt, sondern steht für die Länge des Pulses starr auf der Stelle, nämlich über der Position der Materialausnehmung.
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In einer möglichen Ausführungsform erfolgt die Verschweißung beispielsweise mit bewegtem Laserstrahl und Strahloszillation, auch als wobbeln bezeichnet, kombiniert mit einer Leistungsmodulation oder mehrfachem Überfahren in Randbereichen der, insbesondere konischen, Materialausnehmung. Die Auswahl dieser Ausführungsform oder der vorgenannten Ausführungsform erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit vom Durchmesser der Materialausnehmung. Bei der konischen Materialausnehmung kann dies beispielsweise ein oberer Durchmesser an der Oberseite des ersten Bauteils, ein unterer Durchmesser am unteren Ende der Materialausnehmung oder ein Durchmesser in einem Ausnehmungsbereich dazwischen oder ein Durchnittswert davon sein.
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In einer möglichen Ausführungsform wird in dickeren Randbereichen der konischen Materialausnehmung jeweils homogen verteilt eine größere Energiemenge eingebracht, wodurch die Verbindung gut und gleichmäßig eingeschweißt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird insbesondere das Problem gelöst, dass bisher das Verbinden von Bauteilen, insbesondere mit unterschiedlichen Materialstärken, mit einem Überlappstoß mittels Laserschweißen nur schwierig ausgeführt werden kann. Insbesondere bei einem oberen ersten Bauteil, welches dicker als das untere zweite Bauteil ist, besteht bisher die Gefahr eines unerwünschten Durchschweißens durch das untere zweite Bauteil. Zudem können temperaturempfindliche Bauteile durch hohe Energieeinträge aufgrund eines erforderlichen hohen Leistungseinsatzes beschädigt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung, insbesondere durch die mindestens eine Materialausnehmung im oberen ersten Bauteil, werden diese Probleme und Gefahren vermieden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein prozesssicheres Verschweißen von Bauteilverbindungen aus unterschiedlich dicken Materialien und temperaturempfindlichen Bauteilen.
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Die Materialausnehmung wird beispielsweise direkt im Produktionsprozess, zum Beispiel in einem Stanzprozess, zur Herstellung des ersten Bauteils in dieses erste Bauteil eingebracht, d. h. insbesondere durch das gleiche Bearbeitungsverfahren, welches zur Herstellung des ersten Bauteils verwendet wird, zum Beispiel im gleichen Verfahrensschritt, der zur Herstellung des ersten Bauteils verwendet wird. Damit ist dieses Einbringen der Materialausnehmung kostenneutral. Alternativ kann die Materialausnehmung auch auf andere Weise eingebracht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Fügen von Mischverbindungen, beispielsweise zum Fügen eines Bauteils aus Aluminium mit einem Bauteil aus Kupfer, da durch die Materialausnehmung ein Anteil an Schmelze des oberen ersten Bauteils sowie ein Durchmischungsverhältnis eingestellt werden kann.
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Ist die Materialausnehmung durchgängig, d. h. das erste Bauteil durchdringend, ausgebildet, kann über eine Höhenmessung auf das untere zweite Bauteil ein Spalt identifiziert werden, falls dieser vorhanden ist. Ein solcher Spalt wirkt sich negativ auf das Schweißergebnis aus. Durch die Kenntnis des Vorhandenseins des Spalts können Maßnahmen ergriffen werden, um diesen Spalt zu beseitigen und/ oder den Schweißparameter anzupassen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Verbinden von elektrischen Komponenten, besonders für einen Zellverbinder als oberes erstes Bauteil. Ein solcher Zellverbinder verbindet insbesondere Pole von Batteriezellen einer Batterie, beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, insbesondere einer Antriebsbatterie.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Materialausnehmung können auch dickere Bauteile prozesssicher verschweißt werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine besonders hohe Festigkeit der Verbindungen erreicht.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren können je nach Bedarf mehrere Materialausnehmungen und eine entsprechende Anzahl punktueller Schweißungen auf einem Bauteil, d. h. auf dem ersten Bauteil, appliziert werden, um dieses mit dem zweiten Bauteil zu verschweißen.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch mehr als zwei Bauteile miteinander verschweißt werden, d. h. mehrere Bauteillagen, entsprechend beispielsweise drei oder mehr übereinander angeordnete Bauteile, zum Beispiel eine 3-Blechverbindung. Dabei ist das erste Bauteil das obere Bauteil und dieses ist auf die beschriebene Weise ausgebildet, d. h. es weist die mindestens eine Materialausnehmung auf.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens zum Verbinden von mindestens zwei Bauteilen durch Herstellen einer Überlappverbindung mittels Laserschweißen, und
- 2 schematisch verschiedene beispielhafte Ausführungsformen eines ersten Bauteils der Überlappverbindung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt beispielhaft einen Ablauf eines Verfahrens zum Verbinden von mindestens zwei Bauteilen B1, B2 durch Herstellen einer Überlappverbindung mittels Laserschweißen. Mittels eines dreidimensionalen Koordinatensystems wird eine Ausrichtung der beiden Bauteile B1, B2 verdeutlicht. Die beiden Bauteile B1, B2 sind im dargestellten Beispiel flach ausgebildet, d. h. sie weisen jeweils eine Längserstreckung parallel zu einer x-Achse X und eine Quererstreckung parallel zu einer y-Achse Y auf. Das erste Bauteil B1 weist parallel zu einer z-Achse Z eine Dicke t1 auf. Das zweite Bauteil B2 weist parallel zur z-Achse Z eine Dicke t2 auf.
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Das erste Bauteil B1 weist mindestens eine kreisrunde oder, wie im Beispiel gemäß 1 gezeigt, konische Materialausnehmung 1 als Einlass für einen Laserstrahl 2 einer Laserschweißvorrichtung 3 auf. Im dargestellten Beispiel weist das erste Bauteil B1 zwei solche Materialausnehmungen 1 auf. Die jeweilige Materialausnehmung 1 verläuft, wie in einem linken Detailausschnitt in 1 dargestellt, mit ihrer Axialrichtung ausgehend von einer Oberseite des ersten Bauteils B1 in Richtung einer Unterseite des ersten Bauteils B1, d. h. die Axialrichtung verläuft parallel zur z-Achse Z. Die jeweilige im dargestellten Beispiel konisch ausgebildete Materialausnehmung 1 verengt sich nach unten.
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Durch die jeweilige Materialausnehmung 1 wird eine Materialstärke des oberen ersten Bauteils B1 lokal ausgedünnt, wie in 1 gezeigt, oder die Materialausnehmung 1 durchdringt das erste Bauteil B1, d. h. sie ist durchgängig, wie in mehreren der beispielhaft in 2 dargestellten Ausführungsformen des ersten Bauteils B1 gezeigt. In 2 sind beispielhaft verschiedene Ausführungsformen des ersten Bauteils B1 dargestellt. Dabei sind verschiedene Formen der Materialausnehmungen 1, die durchgängig oder unten geschlossen sind, und verschiedene Grundkörperformen des ersten Bauteils B1 dargestellt.
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Wie bereits beschrieben, ist die jeweilige Materialausnehmung 1 in 1 konisch ausgebildet und nicht durchgängig, sondern als ein Sackloch ausgebildet. Beispielsweise weist die jeweilige Materialausnehmung 1 einen größten Durchmesser d an der Oberseite des ersten Bauteils B1 von 7,5 mm oder weniger als 7,5 mm auf.
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In 2 sind auf der linken Seite beispielhaft fünf verschiedene Ausführungsformen ebener erster Bauteile B1 gezeigt, d. h. sie weisen eine ebene Grundkörperform auf. Auf der rechten Seite sind beispielhaft zwei Ausführungsformen geformter, insbesondere spezifisch geformter, erster Bauteile B1 gezeigt, beispielsweise um einen Toleranzausgleich zu ermöglichen.
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Die Ausführungsformen in 2 weisen beispielhaft verschieden ausgebildete Materialausnehmungen 1 auf. Auf der linken Seite weist das ganz oben angeordnete erste Bauteil B1 kreisrunde Materialausnehmungen 1 auf, die einen konstanten Durchmesser aufweisen, d. h. nicht konisch ausgebildet sind. Diese Materialausnehmungen 1 sind das erste Bauteil B1 vollständig durchdringend ausgebildet. Sie sind somit jeweils als ein an beiden Stirnseiten offener Hohlzylinder ausgebildet, d. h. als eine Durchgangsöffnung.
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Die darunter dargestellte Ausführungsform des ersten Bauteils B1 weist konische Materialausnehmungen 1 mit einer konstanten Konusform auf, d. h. mit einem konstanten Neigungswinkel zur Achse der Materialausnehmung 1. Diese Materialausnehmungen 1 sind das erste Bauteil B1 vollständig durchdringend ausgebildet.
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Die darunter dargestellte Ausführungsform des ersten Bauteils B1 weist konische Materialausnehmungen 1 mit einer konstanten Konusform auf, d. h. mit einem konstanten Neigungswinkel zur Achse der Materialausnehmung 1. Diese Materialausnehmungen 1 enden an der Unterseite des ersten Bauteils B1, d. h. die Unterseite ist beispielsweise noch geschlossen, so dass diese Materialausnehmungen 1 das erste Bauteil B1 nicht vollständig durchdringen und somit jeweils als ein Sackloch ausgebildet sind, oder durch eine untere Spitze der jeweiligen Materialausnehmung 1 kann beispielsweise bereits ein Loch in der Unterseite des ersten Bauteils B1 ausgebildet sein, so dass diese Materialausnehmungen 1 dann das erste Bauteil B1 vollständig durchdringen.
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Die vorletzte dargestellte Ausführungsform des ersten Bauteils B1 auf der linken Seite von 2 weist Materialausnehmungen 1 mit einem konischen oberen Abschnitt und einem kreisrunden, insbesondere hohlzylindrischen, unteren Abschnitt auf, der somit einen konstanten Durchmesser aufweist. Dabei ist dieser Durchmesser des kreisrunden unteren Abschnitts kleiner als ein kleinster Durchmesser des konischen oberen Abschnitts, so dass zwischen den beiden Abschnitten ein Absatz ausgebildet ist. Diese Materialausnehmungen 1 sind das erste Bauteil B1 vollständig durchdringend ausgebildet.
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Die letzte dargestellte Ausführungsform des ersten Bauteils B1 auf der linken Seite von 2 weist kreisrunde Materialausnehmungen 1 auf, die einen konstanten Durchmesser aufweisen, d. h. nicht konisch ausgebildet sind. Diese Materialausnehmungen 1 durchdringen das erste Bauteil B1 nicht. Sie sind somit als ein Hohlzylinder mit einer geschlossenen unteren Stirnseite und einer offenen oberen Stirnseite ausgebildet. Diese jeweilige Materialausnehmung 1 bildet somit ein Sackloch.
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Die obere Ausführungsform des ersten Bauteils B1 auf der rechten Seite von 2 weist konische Materialausnehmungen 1 mit einer konstanten Konusform auf, d. h. mit einem konstanten Neigungswinkel zur Achse der Materialausnehmung 1. Diese Materialausnehmungen 1 sind das erste Bauteil B1 vollständig durchdringend ausgebildet. Sie sind jeweils in einem Wellental der wellenförmigen Grundkörperform des ersten Bauteils B1 ausgebildet.
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Die untere Ausführungsform des ersten Bauteils B1 auf der rechten Seite von 2 weist konische Materialausnehmungen 1 mit einer konstanten Konusform auf, d. h. mit einem konstanten Neigungswinkel zur Achse der Materialausnehmung 1. Diese Materialausnehmungen 1 durchdringen das erste Bauteil B1 nicht vollständig, sondern nur einen oberen flachen Teil der Grundkörperform des ersten Bauteils B1, und erstrecken sich in darunter ausgebildete Sockelabschnitte dieser Grundkörperform hinein. Diese Sockelabschnitte sind beispielsweise als umgedrehte, d. h. auf dem Kopf stehende, Kegelstümpfe oder Pyramidenstümpfe ausgebildet. Die Materialausnehmungen 1 dieser Ausführungsform des ersten Bauteils B1 sind somit jeweils als ein Sackloch ausgebildet.
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Im in 1 schematisch dargestellten Verfahren zum Verbinden der beiden Bauteile B1, B2 wird das erste Bauteil B1 auf dem zweiten Bauteil B2 angeordnet, wie in 1 links dargestellt. Die Laserschweißvorrichtung 3 wird über der jeweiligen Materialausnehmung 1 fluchtend positioniert, wie in 1 rechts dargestellt. Die Herstellung der Überlappverbindung erfolgt durch zumindest eine punktförmige Einschweißung des Laserstrahls 2 in der mindestens einen Materialausnehmung 1 des oberen ersten Bauteils B1, d. h. über eine punktförmige Fügegeometrie durch, insbesondere gepulstes, Laserschweißen in die jeweilige Materialausnehmung 1 des oberen ersten Bauteils B1. Das Laserschweißen erfolgt somit exakt positioniert in der jeweiligen Materialausnehmung 1.
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Die Verschweißung erfolgt beispielsweise mittels eines einzigen Pulses in Kombination mit verändertem, insbesondere veränderbarem, Intensitätsprofil. Die Verschweißung gelingt somit mittels eines einzigen Pulses des Laserstrahls 2 mit verändertem, insbesondere veränderbarem, über den Querschnitt steuer- bzw. einstellbarem, Intensitätsprofil. Der Laserstrahl 2 verfügt somit in den Randbereichen der jeweiligen Materialausnehmung 1 über eine höhere Intensität I, sodass in den dickeren Randbereichen der konischen Materialausnehmung 1 jeweils ringsherum verteilt eine größere Energiemenge eingebracht wird und die Verbindung dadurch gut und gleichmäßig eingeschweißt wird. Durch die höhere Intensität I in den Randbereichen der jeweiligen Materialausnehmung 1 wird die dort vorhandene größere Materialstärke prozesssicher aufgeschmolzen und durchmischt. Das Intensitätsprofil des Laserstrahls 2 wird oder ist vorteilhafterweise auf die veränderliche Materialstärke angepasst. Der Laserstrahl 2 wird dabei nicht bewegt, sondern steht für die Länge des Pulses starr auf der Stelle, nämlich über der Position der Materialausnehmung 1.
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In 1 ist die höhere Intensität I des Laserstrahls 2 in den Randbereichen der jeweiligen Materialausnehmung 1 schematisch dargestellt, indem der Laserstrahl 2 in den Randbereichen der Materialausnehmung 1, in denen er die höhere Intensität I aufweist, mit durchgezogenen Linien und im Zentrum der Materialausnehmung 1 mit gestrichelten Linien für die geringere Intensität I dargestellt ist. Anhand eines Intensitätsdiagramms ist schematisch ein Verlauf der Intensität I in x-Richtung, d. h. in Richtung parallel zur x-Achse X, über den Durchmesser der Materialausnehmung 1 hinweg dargestellt. Auch daraus wird deutlich, dass die Intensität I des Laserstrahls 2 in den Randbereichen der Materialausnehmung 1 höher und im Zentrum der Materialausnehmung 1 geringer ist.
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Die Intensität I des Laserstrahls 2 ist der Quotient aus Leistung P und Strahlfläche A des Laserstrahls 2:
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In einem rechten Detailausschnitt in 1 ist die geschweißte Verbindung im Bereich einer der Materialausnehmungen 1 dargestellt. Es ist Material des ersten Bauteils B1 aus Randbereichen der Materialausnehmung 1 und unterhalb der Materialausnehmung 1 und Material des zweiten Bauteils B2 aufgeschmolzen und vermischt worden. Diese Schmelze ist wieder erstarrt, wodurch die beiden Bauteile B1, B2 miteinander verschweißt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112015006504 T5 [0002]
- DE 102017117992 A1 [0003]
- DE 102021131399 A1 [0004]
