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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum stoffschlüssigen
Verbinden von Werkstücken
durch ein thermisches Schweißverfahren,
insbesondere durch Laserschweißen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Verbinden von dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten
durch Laserschweißen,
wobei bevorzugt zumindest eine Fahrzeugkomponente ein I-, L- oder
U-- förmiges Profil
aufweist.
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An
den Randbereichen von miteinander verschweißten Werkstücken kommt es zu Stetigkeitssprüngen im
Materialgefüge
und zu Kerbspannungen, so dass der Kraft- bzw. Momentfluss gestört bzw.
umgelenkt wird und örtliche
Spannungskonzentrationen auftreten. Dies mindert die dynamische Dauerbelastbarkeit
und erhöht
die Bruchanfälligkeit der
Schweißnaht
und der angrenzenden Bauteilquerschnitte.
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Eine
bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung betrifft die Verbindung
von dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten, insbesondere solchen
mit I-, L- oder U-förmigem Profil,
beispielsweise von Haltewinkeln zur Befestigung eines Kraftfahrzeugsitzes
an einer Sitzschiene mit einer länglichen
und im Wesentlichen planen Oberfläche. Bei solchen für die Fahrzeugsicherheit
kritischen Komponenten bestehen hohe Anforderungen an die dynamische
Dauerbelastbarkeit und an die Bruchanfälligkeit der Schweißnaht. Versuchsreihen,
insbesondere Lastwechseltests, haben ergeben, dass Schweißnähte zwischen
dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten in der Regel bei einem
Schweißnahtende
brechen. Deshalb wird herkömmlich
versucht, die Schweißnaht
gerade am Schweißnahtende,
das heißt
an den Randbereichen der miteinander zu verbindenden Werkstücke, zu
verstärken
bzw. zu versteifen, indem beispielsweise die Schweißnahtdicke
im Bereich eines Schweißnahtendes
vergrößert wird.
Dies führt
nicht immer zu befriedigenden Ergebnissen, so dass dynamisch beanspruchte
Fahrzeugkomponenten, insbesondere der vorgenannten Art, herkömmlich zumeist
vernietet oder miteinander verschraubt werden.
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Eine
ganz bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung betrifft ein
Laserschweißverfahren. Bekanntlich
zeichnet sich das Laserschweißen
insbesondere durch seine hohe Flexibilität und Präzision aus. Beim Laserschweißen kann
die Dicke einer Schweißnaht
in einfacher Weise geändert
werden, beispielsweise durch Änderung
der Laserstrahlintensität
aufgrund einer Strahlleistungsmodulation oder einer Änderung
der Laserstrahlfokussierung oder durch Ändern der Relativgeschwindigkeit
zwischen Laserstrahl und zu verbindenden Werkstücken. Diese Ansätze widmen
sich jedoch nicht der Vermeidung negativer Gefügeänderungen im Material oder
der Vermeidung von Kerbspannungseffekten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum stoffschlüssigen
Verbinden von Werkstücken
durch ein thermisches Schweißverfahren,
insbesondere durch Laserschweißen,
bereitzustellen, um für
eine noch belastbarere Schweißverbindung
zu sorgen, insbesondere, um eine höhere Dauerbelastbarkeit von
dynamisch beanspruchten Komponenten, insbesondere Fahrzeugkomponenten,
und eine geringere Bruchanfälligkeit
der Schweißnaht,
insbesondere im Falle dynamischer Belastung, zu erzielen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach
Anspruch 12. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand
der rückbezogenen
Unteransprüche.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird bereitgestellt ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden
von Werkstücken
durch ein thermisches Schweißverfahren,
insbesondere durch Laserschweißen,
bei welchem Verfahren ein Schweißkopf und die zu verbindenden
Werkstücke
relativ zueinander bewegt werden, um eine Schweißnaht auszubilden, wobei eine
in die Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte veränderbar
ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass die in die Schweißnaht eingebrachte
Energiedichte so geändert
wird, dass an jeweiligen Randbereichen der Werkstücke ein
Bereich mit einer zu einem Schweißnahtende hin abnehmenden Schweißnahtdicke
ausgebildet wird. Erfindungsgemäß werden
somit diejenigen Bereiche, an denen die Schweißnaht bricht, nicht zusätzlich verstärkt oder
versteift, sondern wird vielmehr eine zu den Randbereichen hin abnehmende
bzw. auslaufende Schweißnahtdicke
ausgebildet. Untersuchungen, insbesondere dynamische Lastwechseltests,
haben ergeben, dass sich durch diese überraschend einfache Maßnahme eine
höhere
dynamische Dauerbelastbarkeit und eine geringere Bruchanfälligkeit
der Schweißnaht
erzielen lässt. Auch
negative Gefügeänderungen
im Material und Kerbspannungen können
wirkungsvoll verringert werden.
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Unter
dem Begriff "Energiedichte" sei nachfolgend
die in die Schweißnaht
tatsächlich
durch den Schweißvorgang
eingebrachte Energie pro Längeneinheit
in Längsrichtung
der Schweißnaht
verstanden. Die in die Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte kann durch die aus dem Stand der Technik
bekannten Maßnahmen
variiert werden, beispielsweise durch Ändern des Schweißstroms,
der zu Schweißelektroden
fließt,
durch Ändern
der Intensität
eines beim Laserschweißen
verwendeten Laserstrahls, beispielsweise durch Strahlmodulation,
durch Ändern
der Strahlfokussierung oder Veränderung
der Laserausgangsleistung, oder durch Verändern der Geschwindigkeit,
mit welcher der zum Schweißen verwendete
Schweiß-
bzw. Bearbeitungskopf und die zu verbindenden Werkstücke relativ
zueinander bewegt werden.
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Bevorzugt
läuft die
Schweißnaht
geringfügig über die
Randbereiche der jeweils zu verbindenden Werkstücke hinaus. Der Bereich, in
welchem die Schweißnahtdicke
abnimmt, kann grundsätzlich
vollständig
außerhalb
der Randlinie eines der beiden zu verbindenden Werkstücke liegen.
Bevorzugt erstreckt sich der Bereich abnehmender Schweißnahtdicke
jedoch zumindest abschnittsweise auch innerhalb der Randlinie eines
der beiden zu verbindenden Werkstücke.
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Die
Länge des
Bereiches der abnehmenden Schweißnahtdicke, in Schweißrichtung
betrachtet, kann fest vorgegeben werden oder kann in Abhängigkeit
von der Gesamtlänge
der auszubildenden Schweißnaht
variiert werden, beispielsweise in einem festen Verhältnis zu
der Gesamtlänge
der auszubildenden Schweißnaht
vorgegeben werden.
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Bevorzugt
nimmt die Schweißnahtdicke
in dem Bereich abnehmender Schweißnahtdicke zu dem Schweißnahtende
hin kontinuierlich oder stetig ab, so dass Stetigkeitssprünge bei
dem Randbereich der beiden miteinander zu verbindenden Werkstücke noch
weiter verringert werden können
und der Einfluss negativer Gefügeänderungen
im Material und thermischer Verspannungen oder Kerbspannungseffekte
noch weiter verringert werden kann. Als Einhüllende der Schweißnahtdicke,
in Schweißrichtung
betrachtet, welche als mathematische Funktion oder als Steuerparameter
einer Steuervorrichtung zum Steuern der Schweißvorrichtung eingegeben werden kann,
werden somit kontinuierliche oder stetige Funktionen verwendet,
ganz besonders bevorzugt solche, die rampenartig, hyperbolisch oder
sinusförmig
zu dem Schweißnahtende
hin abnehmen. Selbstverständlich
kann die Einhüllende
der Schweißnahtdicke
auch durch eine Vielzahl von diskontinuierlichen Stufen, insbesondere
mit konstanter Stufenhöhe,
approximiert werden.
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Grundsätzlich kann
die Schweißnahtdicke
in dem Bereich abnehmender Schweißnahtdicke zu dem Schweißnahtende
hin bis auf Null kontinuierlich oder stetig abnehmen. Eine hohe
Festigkeit der Schweißnaht
bei hoher dynamischer Dauerbelastbarkeit und geringer Bruchanfälligkeit
lässt sich
jedoch auch erzielen, wenn die Schweißnahtdicke auf eine vorgebbare
Mindestdicke abnimmt, die der die Schweißvorrichtung steuernden Steuervorrichtung beispielsweise
in einem Prozentsatz der maximalen Schweißnahtdicke bzw. der Dicke in
einem Bereich konstanter Schweißnahtdicke
eingegeben werden kann.
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Dem
Bereich abnehmender Schweißnahtdicke
kann stromaufwärts,
in Schweißrichtung
betrachtet, durchaus auch ein Bereich stetiger Zunahme der Schweißnahtdicke
und/oder ein Bereich mit im Wesentlichen konstanter Schweißnahtdicke
und/oder ein Bereich mit im Wesentlichen sinusförmiger Schweißnahtdicke
vorangehen. Somit lassen sich die Gefügeänderungen im Material und Verspannungen
im Bereich der Schweißnaht
variieren und vergleichmässigen,
in Anpassung an die zu erzielende dynamische Dauerbelastbarkeit
und Stabilität
der auszubildenden Schweißnaht.
Zu diesem Zweck kann die Einhüllende
der Schweißnahtdicke,
in Schweißrichtung
betrachtet, durch mathematische Parameter beschrieben werden, welche
eine mathematische Kurve vorgeben, die als Funktion einer die Schweißvorrichtung
steuernden Steuervorrichtung eingegeben werden kann. Auf diese Weise
können die
Ergebnisse von Simulationen der Schweißnahtbelastbarkeit unmittelbar
einfließen
in den Schweißprozess.
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Insbesondere
zur Flexibilisierung der Produktion kann die Position des zum Schweißen verwendeten
Schweißkopfes
bzw. der Schweißvorrichtung
und/oder die Position der zu verbindenden Werkstücke auch aktiv bestimmt werden,
beispielsweise durch Zählen
der Taktimpulse eines zum Relativverfahren von Schweißkopf und
zu verbindenden Werkstücken
verwendeten Schrittmotors, durch Abtasten von Positionsmarkierungen
an dem Schweißkopf
und/oder an den zu verbindenden Werkstücken etc. In Kenntnis der aktuellen
Position und der Randbereiche der Werkstücke bzw. der Position des auszubildenden
Schweißnahtendes
kann die in die Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte geändert werden,
um die Schweißnahtdicke
in der vorstehend beschriebenen Weise zu verändern.
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Wenngleich
sich das erfindungsgemäße Verfahren
grundsätzlich
bei beliebigen thermischen Schweißverfahren anwenden lässt, wird
dieses ganz besonders bevorzugt bei einem Laserschweißverfahren
eingesetzt, bei welchem ein Laserstrahl, beispielsweise im nahen
Infrarotbereich im Falle eines Nd:YAG-Lasers oder im fernen Infrarotbereich
eines CO2-Lasers, zur stoffschlüssigen Verbindung
von Werkstücken
verwendet wird. Beim Laserschweißen wird der Laserstrahl im
Normalfall mittels Umlenkspiegeln oder einer Umlenkoptik, beispielsweise
einer Glasfaser, bis zu einer Fokussiereinrichtung geführt, die
optische Linsen und/oder Spiegel umfasst, um den Laserstrahl auf
die miteinander zu verbindenden Werkstücke zu fokussieren.
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Beim
Laserschweißen
lässt sich
die in die Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte durch Ändern der Laserstrahlintensität in besonders
vorteilhaft einfacher Weise ändern.
Zu diesem Zweck kann grundsätzlich
der Durchmesser des Strahlflecks im Bereich des Brennpunktes der
zur Fokussierung verwendeten Linsen und/oder Spiegel geändert werden. Oder
die Laserstrahlintensität
kann durch Modulation der Intensität des von einem Laser abgestrahlten
Laserstrahls verändert
werden, beispielsweise mit Hilfe von elektrooptischen oder akustooptischen
Modulatoren.
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Bevorzugt
wird die Laserstrahlintensität
unmittelbar durch Ändern
einer Laserausgangsleistung verändert,
beispielsweise durch Modulation der Pumplaserleistung und/oder eines
elektrischen Stroms, der zum Betreiben des Lasers verwendet wird.
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Eine
ganz besonders bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung betrifft
die Verbindung von dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten,
insbesondere solchen mit I-, L- oder U-förmigem Profil. Eine bevorzugte
Anwendung, wie sie von der vorliegenden Erfindung angedacht ist,
betrifft die Verbindung von Befestigungswinkeln zum Halten eines
Kraftfahrzeugsitzes auf einer im Wesentlichen ebenen Oberseite einer
Sitzschiene. Üblicherweise sind
die Haltewinkel aus einem Blech mit I-förmigem Profil ausgebildet,
das stumpf auf die Oberseite der Sitzscheine aufgesetzt ist oder
haben die Haltewinkel zumindest einen im Wesentlichen ebenen Schenkel, der
vollflächig
auf der Oberseite der Sitzschiene aufliegt, um mittels Laserschweißen mit
dieser verbunden zu werden. Bei solchen dynamisch beanspruchten
Fahrzeugkomponenten variieren die zu erwartenden Belastungen, insbesondere
im Falle eines Front- oder Heckcrashs, normalerweise in Fahrtrichtung. Um
bei solchen dynamisch beanspruchten Fahrzeugkomponenten für eine noch
höhere
dynamische Dauerbelastbarkeit und eine geringere Bruchanfälligkeit
der Schweißnaht
zu sorgen, nimmt die Dicke der Schweißnaht bei einem Rand des Werkstückes in Richtung
der zu erwartenden Belastung, für
die die Verbindung zwischen den Fahrzeugkomponenten ausgelegt werden
soll, in Richtung oder entgegen der Richtung der bestimmungsgemäßen Fahrtrichtung zu
dem Schweißnahtende
hin ab.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird auch eine
Vorrichtung zur stoffschlüssigen
Verbindung von Werkstücken durch
ein thermisches Schweißverfahren,
insbesondere durch Laserschweißen,
bereitgestellt, welche ausgelegt ist, um das vorgenannte Verfahren
auszuführen.
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden, woraus weitere Vorteile, Merkmale und zu lösende Aufgaben
ersichtlich werden und worin:
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1a bis 1e beispielhafte Profile der Schweißnahtdicke
in Schweißrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen;
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2a und 2b in einer perspektivischen Ansicht
und in einem Querschnitt eine Sitzschiene mit zwei Befestigungs-
bzw. Montagegruppen darstellt, auf welche die, vorliegende Erfindung
Anwendung findet; und
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3 ein schematisches Blockdiagramm
einer Laserschweißvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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In
den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder
im Wesentlichen gleichwirkende Elemente oder Elementgruppen.
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Anhand
der 3 wird nachfolgend
eine Laserschweißvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung als bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer thermischen Schweißvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben werden. Gemäß der 3 umfasst die Laserstrahlvorrichtung
einen Laser 12, beispielsweise einen Nd:YAG-Laser oder
einen CO2-Laser, welcher einen Laserstrahl
zu den miteinander zu verbindenden Werkstücken hin abstrahlt. Zur Strahlführung werden
geeignete Abbildungsoptiken verwendet, beispielsweise Spiegel- oder
Linsensysteme, oder ein optischer Lichtleiter, dessen vorderes Ende
nahe zu den zu verbindenden Werkstücken positioniert ist. Dem
Laser ist eine Fokussiereinrichtung zugeordnet, um den Laserstrahl
geeignet zu fokussieren, beispielsweise ein Linsenbearbeitungskopf
oder ein Spiegelbearbeitungskopf. Im Fokus hat der Strahlfleck je
nach Lasertyp und Brennweite der Fokussiereinrichtung einen Durchmesser
von typischerweise etwa 0,1 bis 0,6 mm. Die miteinander zu verbindenden
Werkstücke
werden während
des Schweißvorgangs
gesichert und in Anlage zueinander gehalten, beispielsweise in einer
Spannvorrichtung.
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Die
Vorrichtung umfasst ferner eine Einheit 2 zur Bestimmung der Position
der miteinander zu verbindenden Werkstücke und/oder des Laserbearbeitungskopfes.
Zu diesem Zweck können
geeignete Positionsmarkierungen optisch oder mechanisch abgetastet
werden. Oder eine von dem Laserbearbeitungskopf und/oder den zu
verbindenden Werkstücken
bei einem Verfahren zurückgelegte
Wegstrecke wird bestimmt, beispielsweise durch Bestimmen eines Abstands
relativ zu einem Bezugspunkt oder der Anzahl von Verfahrschritten
eines zum Verfahren verwendeten Schrittmotors oder Roboters.
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Die
Vorrichtung umfasst ferner eine Einheit 1 zum Relativverfahren von
Laserbearbeitungskopf und zu bearbeitenden Werkstücken. Durch
Relativverfahren von Laserbearbeitungskopf und zu verbindenden Werkstücken kann
die auszubildende Schweißnaht
vorangetrieben werden. Zweckmäßig erfolgt
die Bewegung in nur einer Richtung, nachfolgend Schweißrichtung
genannt. Während
eines Laserschweißvorgangs
können
der Laserbearbeitungskopf und die miteinander zu verbindenden Werkstücke mit
konstanter Geschwindigkeit relativ zueinander bewegt werden oder
kann die relative Verfahrgeschwindigkeit geeignet verändert werden.
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Wie
in der 3 gezeigt, sind
die Einheit 1 zum Relativverfahren von Laser 12 und zu
verbindenden Werkstücken,
die Einheit 2 zur Positionsbestimmung und der Laser 12 mit
einer als Steuervorrichtung dienenden CPU 13 verbunden,
welche die Bearbeitungsparameter bei einem Laserschweißvorgang
geeignet steuert. Als Parameter werden insbesondere eine oder mehrere
der nachfolgend angeführten
Größen verwendet:,
die Laserintensität;
die elektrische und/oder optische Pumpleistung des Lasers 12;
die Intensität
einer Modulation des von dem Laser 12 abgestrahlten Laserstrahls;
die Fokussierung des Laserstrahls in dem Bereich der auszubildenden
Schweißnaht;
die Relativgeschwindigkeit von Laserstrahl und miteinander zu verbindenden Werkstücken beim
Verfahren während
eines Laserschweißvorgangs.
Durch Variation einer oder mehrerer der vorstehend bezeichneten
Größen lässt sich die
in die auszubildende Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte und somit die Schweißnahtdicke geeignet vorgeben.
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Wie
in der 3 gezeigt, umfasst
die Vorrichtung ferner eine Einheit 3 zum Ändern der in die Schweißnaht eingebrachten
Energiedichte bzw. zum Ändern
der Dicke der Schweißnaht.
Der Einheit 3 kann die zeitliche und/oder örtliche Änderung
der in die Schweißnaht
eingebrachte Energiedichte bzw. der Schweißnahtdicke als mathematische
Funktion eingegeben werden. Wie in der 3 gezeigt, ist die Einheit 3 mit
der CPU 13 verbunden, welche die in die Schweißnaht eingebrachte
Energiedichte in Abhängigkeit
insbesondere der von der Einheit 2 bestimmten Position
von Laserbearbeitungskopf und/oder zu verbindenden Werkstücken geeignet verändert. Wie
durch die gestrichelten Linien in der 3 angedeutet,
kann die Einheit 3 auch unmittelbar mit dem Laser 12 verbunden
sein und kann auch die Einheit 1 zum Relativverfahren von Laser
und zu verbindenden Werkstücken
unmittelbar mit der Einheit 3 und/oder der Einheit 2 verbunden
sein.
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Anhand
der 1a bis 1e werden einige bevorzugte
Profile der Schweißnahtdicke
in Schweißrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben werden. Dabei bezeichnet x die Schweißrichtung,
in welcher die Schweißnaht
während
eines Schweißvorgangs
ausgebildet wird. Mit Xmax sei das Schweißnahtende bezeichnet und mit
X0 der Beginn eines Randbereichs der miteinander zu verbindenden
Werkstücke,
in welchem die Dicke der Schweißnaht
variiert werden soll. In Schweißrichtung
betrachtet, liegt vor der Stelle X0 ein Bereich, in welchem die Schweißnaht bevorzugt
eine im Wesentlichen konstante Schweißnahtdicke aufweist. In den 1a bis 1e wird mit D die Dicke der Schweißnaht bezeichnet.
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Gemäß der 1a nimmt die Schweißnahtdicke
D ausgehend von einer maximalen Dicke Dstart bei dem Bereich X0
stetig zunehmend ab, bis zu dem Schweißnahtende Xmax, wo eine minimale Schweißnahtdicke
Dmin erreicht ist. In dem Bereich B nimmt die Schweißnahtdicke
D kontinuierlich und in Schweißrichtung
betrachtet zunehmend ab.
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Der
Bereich X0 kann innerhalb der Rand- bzw. Begrenzungslinien eines
zu verbindenden Werkstücks
liegen und der Bereich Xmax kann mit dem tatsächlichen Randbereich des zu
verbindenden Werkstücks
bündig
abschließen.
Alternativ kann der tatsächliche
Randbereich des zu verbindenden Werkstücks sich zwischen X0 und Xmax
befinden. Alternativ kann der Bereich X0 bündig mit dem tatsächlichen
Rand eines zu verbindenden Werkstücks abschließen oder
gar von diesem vorstehen.
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Gemäß der 1b nimmt die Schweißnahtdicke
in dem Bereich B linear und mit konstanter Steigung ab.
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Gemäß der 1c ist die Schweißnahtdicke zwischen
den Bereichen X0 und X1 konstant, wobei die Dicke Dstart nicht unbedingt
mit der Dicke der Schweißnaht
vor, in Schweißrichtung
betrachtet, dem Bereich X0 identisch zu sein braucht. Im Anschluss
an den Bereich X 1 nimmt die Schweißnahtdicke dann zu dem Schweißnahtende
Xmax hin mit konstanter Steigung in dem Bereich B ab. Selbstverständlich kann
die Schweißnahtdicke
in dem Bereich B auch, wie in der 1a gezeigt,
abnehmen.
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Gemäß der 1d steigt die Schweißnahtdicke
D in dem Bereich zwischen X0 und X1 zunächst mit konstanter Steigung
an, ist die Schweißnahtdicke in
dem nachgeordneten Bereich zwischen X1 und X2 im Wesentlichen konstant
und nimmt die Schweißnahtdicke
in dem Bereich B, das heißt
zwischen X2 und dem Schweißnahtende
Xmax, mit konstanter Steigung ab, um ein insgesamt im Wesentlichen symmetrisches
Schweißnahtprofil
auszubilden.
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Gemäß der 1e variiert die Schweißnahtdicke
D in dem Bereich zwischen X0 und dem Schweißnahtende Xmax sinusförmig zwischen
einer maximalen Schweißnahtdicke
Dmax, die bei den Bereichen X1 und X3 erreicht wird, und einer minimalen Schweißnahtdicke
Dmin2, die bei dem Bereich X2 erreicht wird. Bei dem Schweißnahtende
Xmax beträgt die
Schweißnahtdicke
Dmin1. Zwischen den Bereichen X3 und Xmax ist ein Bereich B mit
abnehmender Schweißnahtdicke
ausgebildet.
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Die
in den 1a bis 1e gezeigten Verläufe der
Schweißnahtdicke
D und auch andere Verläufe können der
in der 3 gezeigten Einheit
3 zum Ändern
der in die Schweißnaht
eingebrachten Energiedichte als mathematische Funktion eingegeben
werden. Durch Variation der Schweißnahtdicke D in dem Randbereich
zwischen X0 und Xmax, wie in den 1a bis 1e beispielhaft dargestellt,
können
negative Gefügeänderungen
im Material gemindert werden, werden in dem Bereich der Schweißnaht weniger
starke thermische Verspannungen ausgebildet und werden Kerbspannungen
verringert, was zu einer noch höheren
dynamischen Dauerbelastbarkeit und einer geringeren Bruchanfälligkeit
der Schweißnaht
führt.
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Grundsätzlich lassen
sich die vorstehend beschriebenen Schweißnahtprofile bei beliebigen
thermischen Schweißverfahren
realisieren. Verbunden werden können
grundsätzlich
beliebige, durch Energieeinwirkung schmelzbare Materialien, insbesondere
Metalle oder Kunststoffe.
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Anhand
der 2a und 2b soll nachfolgend ein bevorzugtes
Anwendungsbeispiel gemäß der vorliegenden
Erfindung erläutert
werden. Die 2a und 2b zeigen in einer perspektivischen
Ansicht und in einem Querschnitt eine Sitzschiene 4, auf
deren Oberseite 8 zwei Befestigungs- bzw. Montagegruppen 5, 6 befestigt
sind. Die Montagegruppen 5, 6 weisen Befestigungsbereiche 7 auf,
wo ein nicht dargestellter Kraftfahrzeugsitz befestigt wird. Die
Montagegruppe 5 weist in Draufsicht ein im Wesentlichen
I- bzw. rechteckförmiges
Profil auf und liegt mit einer relativ schmalen Stirnseite auf der
Oberseite 8 der Sitzschiene 4 auf. Die Montagegruppe 6 weist
ein im wesentlichen L-förmiges
Profil auf, wobei, wie in der 2b gezeigt,
ein Schenkel der L-förmigen
Montagegruppe 6 im Wesentlichen vollflächig auf der Oberseite 8 der
Sitzschiene 4 aufliegt. Mit dem Pfeil X sei die bestimmungsgemäße Fahrtrichtung
bezeichnet. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet den in Fahrtrichtung
x betrachtet hinteren Randbereich der Schweißnaht und das Bezugszeichen 10 bezeichnet
den in Fahrtrichtung x vorderen Randbereich der Schweißnaht.
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Gemäß den 2a und 2b ist die Fahrtrichtung x identisch
zu der Schweißrichtung,
entlang der die Schweißnaht 11 während eines
Schweißvorgangs
mit dem erfindungsgemäßen Schweißnahtprofil,
wie beispielhaft in den 1a bis 1e dargestellt, ausgebildet
wird. Im Falle einer Auslegung der Schweißnaht für einen zu erwartenden Frontcrash kann
die Schweißnahtdicke
nur in dem Randbereich 10, in Fahrtrichtung betrachtet,
zu dem Schweißnahtende
hin abnehmen. Grundsätzlich
können
aber auch in beiden Randbereichen 9 und 10 entsprechende
Schweißnahtprofile
ausgebildet sein. Im Falle einer Auslegung der Schweißnaht für einen
zu erwartenden Heckcrash kann die Schweißnahtdicke nur in dem Randbereich 9,
entgegen der Fahrtrichtung x, zu dem Schweißnahtende hin abnehmen. Grundsätzlich können aber
auch in den beiden Randbereichen 9 und 10 entsprechende
Schweißnahtprofile
ausgebildet sein.
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Nachfolgend
werden einige bevorzugte Schweißparameter
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 2a und 2b aufgezählt. Bei einer Länge der
Montagegruppe 5, in Fahrtrichtung x betrachtet, von 97
mm wurde die Laserleistung im Bereich der letzten 20 mm bei dem
Randbereich 9 von 100 % auf 10 % der vor diesem Bereich
verwendeten Laserleistung verringert. Es wurde ohne Verwendung von
Zusatzwerkstoffen lasergeschweißt.
Die Einschweißtiefe
beträgt
etwa 2,4 ± 0,6
mm, der Einbrand beträgt mindestens
0,3 mm je Bauteil. Zusätzlich
kann auch bei dem Randbereich 10 die Laserleistung variiert werden.
Insgesamt wurde über
die gesamte Länge der
Baugruppe 5 zwischen den Randbereichen 9 und 10 geschweißt. Es ergab
sich eine Mindestabzugskraft von 22 kN. Geschweißt wurde ausschließlich in der
bestimmungsgemäßen Fahrtrichtung
x, für
den Fall, dass die Auslegung für
einen zu erwartenden Frontcrash erfolgen soll, und entgegen der
bestimmungsgemäßen Fahrtrichtung
x für den
Fall, dass die Auslegung für
einen zu erwartenden Heckcrash erfolgen soll.
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- 1
- Einheit
zum Relativbewegen von Laserstrahl und Werkstück
- 2
- Einheit
zur Positionsbestimmung
- 3
- Einheit
zum Ändern
der in die Schweißnaht
eingebrachten Energiedichte
- 4
- Sitzschiene
- 5
- Montagegruppe 1
- 6
- Montagegruppe 2
- 7
- Befestigungsbereiche
- 8
- Oberseite
der Sitzschiene 4
- 9
- hinterer
Randbereich
- 10
- vorderer
Randbereich
- 11
- Schweißnaht
- 12
- Laser/Schweißkopf
- 13
- CPU
- x
- Fahrtrichtung
- D
- Dicke
der Schweißnaht 11
- Dmax
- maximale
Dicke der Schweißnaht 11
- Dmin
- minimale
Dicke der Schweißnaht 11
- Dmin1
- minimale
Dicke der Schweißnaht 11
- Dmin2
- minimale
Dicke der Schweißnaht 11
- Dstart
- Dicke
der Schweißnaht 11 zu
Beginn von Änderung