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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum Schweißen von Ansätzen an ein Zylinderrohr nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1 (siehe US-A-4 477 010). Obwohl nicht
ausschließlich,
betrifft diese Erfindung insbesondere das Schweißen von Ansätzen wie Befestigungsklammern und
Klammern zur Kraftaufnahme an ein Zylinderrohr, das zu einer hydraulischen
Kraftfahrzeugservolenkung gehört.
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Eine hydraulische Servolenkung besteht
unter anderem aus einem Zylinder mit Doppelwirkung, der den manuellen
Kraftübersetzungsvorgang
am Lenkrad ermöglicht.
Der Zylinder besitzt ein Rohr, das seinen Körper begrenzt, und hat darüber hinaus als
Aufgaben, die Servolenkung mit dem Motorblock zu verbinden und als
Halterung für
diverse Bauteile zu dienen, wie beispielsweise Wärmeschild, Haltelement für die Verkabelung,
Kraftaufnahmeklammern, etc. Somit ist für gewöhnlich eine bestimmte Anzahl von
Ansätzen
an verschiedenen Stellen am Zylinderrohr befestigt, wobei die in
Frage kommenden Ansätze
Befestigungsklammern, Kraftaufnahmeklammern, etc. sein können.
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Das Zylinderrohr selbst wird aus
einem Stahlrohblock mit geringem Kohlenstoffgehalt erhalten, der
kaltgezogen wird. Diese Technik ermöglicht es, eine starke Ertragsfähigkeit
mit den folgenden Merkmalen zu erhalten:
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- – Außendurchmesser
des Rohrs der Güte „H11" +0/–0,16 mm
- – Außendurchmesser
des Rohrs der Güte „h9" +0,062/–0 mm.
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Zum Anbringen der Ansätze auf
einem solchen Zylinderrohr sind folgende Verfahren die am häufigsten
verwendeten:
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- – Schweißen mit
Aufschweißlegierung
(„MIG-„ oder „TIG-„ Verfahren).
- – Widerstandsschweißen.
- – Formummantelung
mit Aluminium.
- – Flanschverbindung.
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Die ersten drei Verfahren weisen
als gemeinsamen Nachteil auf, dass es unmöglich ist, die Innenverformung
des Rohrs zu beherrschen, die 0,05 mm bis mehrere Zehntel Millimeter
betragen kann, was eine maschinelle Nachbehandlung des Innenrohrs erforderlich
macht. Wenn sich diese maschinelle Behandlung im Bereich der Verschiebung
des Zylinderkolbens ansiedelt, besteht sie notwendigerweise aus einem
Schleifvorgang, der langwierig (wobei die Zykluszeit 1 bis 4 Minuten
beträgt)
und von daher kostspielig ist, und der sich somit schwerlich in
eine Fließbandproduktion
einbinden lässt.
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Die Flanschverbindung ist nicht direkt
von diesen Nachteilen betroffen, stellt aber keinen vollkommen festen
Zusammenbau dar.
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Eine andere bekannte Lösung, die
sich von den vorhergehenden etwas entfernt, besteht aus einem Rohr
oder aus einem Gehäuse/Rohr
aus formgegossenem Aluminium, das alle Ansätze integriert, aber heikle
maschinelle Bearbeitungen und Endkosten impliziert, die in Relation
gesehen wenig wettbewerbsfähig
sind.
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Verfahren zum Laserschweißen sind
beispielsweise bereits aus den Veröffentlichungen
JP 63 299753 A ,
US 5142118 A ,
EP 0303074 A und
US 4732086 A bekannt.
Diese Verfahren werden nicht auf das lokale Anschweißen von
Ansätzen
an Rohren angewandt und zielen nicht auf das Beherrschen der Verformung
im Inneren des Rohrs ab. Im Falle von Verfahren, die bereits auf
das Anschweißen
von Elementen auf zylindrische Körper
angewandt werden, wie sie in der ersten und letzten der vier vorgenannten
Veröffentlichungen
beschrieben sind, erstrecken sich die Schweißungen im wesentlichen entlang
von Mantellinien der Oberfläche
dieser zylindrischen Körper,
und nicht auf einem berechenbaren Ausschnitt dieser Oberfläche.
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Die Veröffentlichung
US 4477010 A , die als naheliegendster
Stand der Technik erachtet wird, beschreibt bereits ein Verfahren
zum Anschweißen
von Ansätzen
wie Befestigungsklammern an ein Zylinderrohr. Dieses Verfahren besteht
darin, einen Ansatz an der Außenoberfläche des
Zylinderrohrs durch Laserschweißung
anzubringen, die im Bereich des Umfangskontakts zwischen dem Ansatz
und der zylindrischen Außenoberfläche des
Zylinderrohrs durchgeführt
wird. Die Schweißung
findet hier entlang eines großen
Gesamtabschnitts der zylindrischen Oberfläche unter Berücksichtigung
der besonderen Form des Ansatzes statt. Darüber hinaus wird der Ansatz am
Zylinderrohr elastisch festgespannt, wobei die Gefahr besteht, dass
das Rohr verformt wird.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf
ab, die Probleme zu lösen,
die sich gegenwärtig
beim Anbringen von Ansätzen
an einem Zylinderrohr stellen, indem sie ein Schweißverfahren
bereitstellt, das jegliche Verformung des Rohrs verhindert, dabei
aber eine relativ einfache Durchführung, sehr annehmbare Kosten
und die Fähigkeit
einer Einbindung in eine Fließbandproduktion
aufweist.
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Dazu hat die Erfindung ein Verfahren
zum Anschweißen
von Ansätzen
an einem Zylinderrohr zum Gegenstand, wobei das Verfahren im wesentlichen
daraus besteht, mindestens einen Ansatz auf der zylindrischen Außenoberfläche des
Zylinderrohrs durch Laserschweißung
anzu bringen, die im umlaufenden Kontaktbereich zwischen einem Ansatz
und der zylindrischen Außenoberfläche des
Zylinderrohrs entlang eines vorbestimmten Kreisausschnitts der Oberfläche durchgeführt wird,
wobei der Schweißausschnitt,
der dem Kontaktbereich zwischen dem Ansatz und der zylindrischen
Außenoberfläche des Zylinderrohrs
entspricht, in der Umfangsrichtung auf einen Höchstwert von ca. 120° beschränkt ist,
wobei das Anschweißen
jedes Ansatzes mittels zweier Laserstrahlen bewerkstelligt wird,
die auf beide Seiten des anzuschweißenden Ansatzes gerichtet sind.
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Somit beruht die Lösung, die
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellt, auf einer Schweißtechnik,
und zwar der Laserschweißung,
die eine große,
also konzentrierte Energiedichte in einem Minimum an Zeit bereitstellt,
wodurch der mit Wärme
beaufschlagte Bereich maximal eingeschränkt werden und folglich jegliche
Verformung des Zylinderrohrs vermieden werden kann. Die Erfindung
macht somit jede maschinelle Nachbearbeitung durch Schleifen des
Rohrinneren unnötig.
Somit ist die Anzahl an Arbeitsschritten, die während der Herstellung an den
Zylinderrohren vorzunehmen sind, reduziert, und kann von zehn Arbeitsschritten
(mit den Lösungen
der herkömmlichen
Schweißung
oder der Formummantelung mit Aluminium) zu acht Arbeitsschritten übergehen.
In Folge des vorstehend Erwähnten,
kann auch der Durchlauf der Teile in den maschinellen Bearbeitungslinien
vereinfacht werden.
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In dieser Hinsicht besteht eine unvermeidliche
Bedingung, um eine korrekte Laserschweißung zu erhalten und somit
den mechanischen Halt der Verbindung sicherzustellen, darin, zwischen
den zusammenzufügenden
Teilen ein maximales Spiel unter 0,15 mm zu gewährleisten. Nun ist aber die
zylindrische Außenoberfläche des
Rohrs von der Güte „H11" (d. h. +0/–0,16 mm),
wie bereits vorstehend angegeben, und die für gewöhnlich durch Abschneiden erhaltenen
Ansätze
haben eine Formtoleranz von 0,2 mm. Diese Erwägungen führen dazu, den Kontaktbereich
auf einen Ausschnitt von 120° zu
begrenzen, der im Hinblick auf Beanspruchungen bei weitem ausreicht,
denen eine Servolenkung ausgesetzt ist. Im Falle von Klammern, die
das Rohr umschließen, kann
die Bedingung bezüglich
des Betrags des auf 120° eingeschränkten Ausschnitts
immer noch eingehalten werden, indem solche Klammern aus zwei Teilen
hergestellt werden, beispielsweise mit einem Unterteil, das mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren direkt
am Rohr angeschweißt
wird, und einem Oberteil, das in Form eines Aufsatzes ausgebildet
und nicht am Rohr angeschweißt,
sondern am Unterteil der Klammer befestigt wird. Die nachfolgende Schweißung eines
bestimmten Ausschnitts, beispielsweise von 120°, unter Einhaltung des hier
empfohlenen maximalen Betrags, ist in der Praxis mittels einer numerisch
gesteuerten Achse steuerbar.
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Nach einem anderen vorteilhaften
Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserstrahl, der
auf den Kontaktbereich zwischen dem Ansatz und der zylindrischen
Außenoberfläche des
Zylinderrohrs gerichtet ist, einen Winkel von 15° bis 75° mit der Richtung der Längsachse
des Rohrs bildet. Die Wahl dieses Winkels bestimmt die Schweißtiefe,
die 1 ± 0,2
mm betragen muss, um an der Innenwandung des Rohrs eine Verformung
unter 0,01 mm zu erhalten, indem aber gleichzeitig der korrekte
mechanische Halt der Einheit sichergestellt wird.
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Vorzugsweise ist der Laser, der zur
Durchführung
des Verfahrens der Erfindung verwendet wird, ein Laser mit einer
Nd/YAG-Quelle, wobei diese Lösung
den besten Kompromiss zwischen Kosten, Ertragsfähigkeit, Platzbedarf, Flexibilität und Einfachheit
darstellt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass
das Funktionsprinzip einer Laserquelle auf der Wirkung elektrischer
oder auf Licht beruhender Entladungen auf einen mit einem gasförmigen oder
festen aktiven Medium gefüllten
Resonator basiert, in dem der Laserstrahl, d.h. eine elektromagnetische
Welle entsteht, der mehrere kennzeichnende Eigenschaften besitzt: Einfarbigkeit,
Polarisierung, die eine Lichtübertragung
mit einem Minimum an Verlusten in der gegebenen Polarisierungsrichtung
ermöglicht,
Kohärenz,
die die Bündelung
des Laserstrahls auf sehr kleine Flächen zulässt, und Richtfähigkeit,
die den Strahl filiform macht.
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Im Falle des Lasers mit einer Nd/YAG-Quelle sind
die Entladungen von der auf Licht beruhenden Art (Blitzlampen),
und erregen ein festes aktives Medium, das aus einem Kristall besteht,
der aus Sauerstoffatomen, Aluminium und Yttrium zusammengesetzt
ist, das mit Niob dotiert ist. Die im Laserstrahl entstehende Wellenlänge siedelt
sich im Infrarotbereich an und beträgt 1,06 μm, wodurch der Laserstrahl in
einem Lichtwellenleiter übertragen
werden kann.
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Um die Schweißung mittels eines solchen Laserstrahls
durchzuführen,
werden darüber
hinaus starke Energiedichten erforderlich, was zu bewerkstelligen
ist, indem nahe am Brennpunkt eines optischen Systems gearbeitet
wird. Bei spezifischen Stärken,
die ausreichend hoch sind (100.000 bis 1.000.000 W/cm2),
erscheint im Material, am Punkt, an dem der Laserstrahl auftrifft,
eine „Kapillare", d. h. eine Ausnehmung,
die mit bei sehr hoher Temperatur ionisierten Dämpfen gefüllt ist, wodurch eine direkte Übertragung
der Laserstrahlenergie in das Material möglich wird, im Gegensatz zu
den herkömmlichen Verfahren
(Elektroschweißen,
Flammenschweißen, etc.),
die durch ein flächenhaftes
Einbringen der Energie gekennzeichnet sind. Dies ermöglicht es,
den mit der Wärme
beaufschlagten Bereich deutlich zu verkleinern und somit die Ansätze zu schweißen, indem
die Eindringtiefe, also die Rohrverformung, vollkommen gesteuert
wird, was genau das von der Erfindung angestrebte Ergebnis ist.
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Auf alle Fälle wird die Erfindung mittels
der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügte Schemazeichnung
deutlicher, die den Anschweißvorgang
von Ansätzen
an einem Zylinderrohr zeigt und beispielhaft eine Vorrichtung zur
Durchführung dieses
Verfahrens darstellt:
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1 ist
eine Vorderansicht eines Zylinderrohrs einer Servolenkung und von
an diesem Rohr befestigten Ansätzen;
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2 ist
eine schematische Darstellung, die den Vorgang des Anschweißens eines
Ansatzes am Zylinderrohr, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung
ist, darstellt;
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3 ist
eine Stirnansicht des mit einem angeschweißten Ansatz versehenen Zylinderrohrs,
das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
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4 ist
eine Draufsicht auf einen Arbeitsplatz, der zum Anschweißen der
Ansätze
an die Zylinderrohre vorgesehen ist.
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Die von den 2 und 3 dargestellten
Ausführungsformen
sind nicht Teil der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
ein Zylinderrohr 1, das zu einer hydraulischen Servolenkung
gehört,
deren andere Teile nicht dargestellt sind. Das Zylinderrohr 1 besitzt beispielsweise
ein erstes aufgeweitetes Ende 2 und ein zweites Ende mit
Querschnittsverminderung 3 und Querschnittserweiterung 4,
zwischen denen sich ein mittlerer Bereich 5 für die translatorische
Verschiebung des Zylinderkolbens befindet. Verschiedene „Ansätze" sind an der zylindrischen
Außenoberfläche 6 des
Rohrs 1 angebracht, insbesondere im mittleren Bereich 5 der
Kolbenverschiebung, wobei diese Ansätze insbesondere eine Befestigungsklammer 7, eine Kraftaufnahmeklammer 8 und
eine Halteklammer 9 für
den betreffenden Fahrzeugmotor umfassen.
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Jede dieser Klammern 7, 8 und 9 ist
an der zylindrischen Außenoberfläche 6 des
Zylinderrohrs 1 durch Laserschweißtechnik befestigt.
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Eine Laservorrichtung 10 mit
Nd/YAG-Quelle gibt einen Strahl 11 ab, der zum Kontaktbereich 12 zwischen
der anzuschweißenden
Klammer, wie der Kraftaufnahmeklammer 8, und der zylindrischen
Außenoberfläche 6 des
Rohrs 1 gerichtet ist. Der Laserstrahl 11 bildet
mit der Richtung der Längsachse 13 des
Rohrs 1 einen Winkel A, der von 15° bis 75° beträgt, wobei der Winkel A in Abhängigkeit
von der möglichen
Auftreffpräzision
und der gewünschten Eindringtiefe
abhängt.
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Beispielsweise besitzen die anzuschweißenden Ansätze, wie
die Klammer 8, eine Dicke von 2 bis 3,5 mm, während die
Dicke des Zylinderrohrs 1 zwischen 2,5 und 2,75 mm liegt.
Bei einer kontinuierlichen Nd/YAG-Quelle kann die Leistung des Lasers 1 2
KW betragen, wobei seine Brennweite zwischen 100 und 200 mm liegt.
Die Abmessung des vom Laserstrahl berührten Bereichs beträgt um die
0,6 mm, und die Schweißgeschwindigkeit
kann mehr als 4 m/Minute betragen.
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Um unter Berücksichtung der Maßtoleranzen an
der zylindrischen Außenoberfläche 6 des
Rohrs 1 und an den Ansätzen
wie der Halteklammer 9 eine ordnungsgemäße Verschweißung zu
erzielen, ist der Kontaktbereich 12 zwischen dieser Klammer 9 und dem
Rohr 1 in der Umfangsrichtung, wie in 3 gezeigt ist, auf einen Ausschnitt B
von ca. 120° beschränkt.
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Für
die oben angegebenen Abmessungen des Zylinderrohrs 1 muss
die Schweißtiefe
1 ± 0,2 mm
betragen, um eine Innenverformung des Rohrs 1 unter 0,01
mm zu erhalten, wobei gleichzeitig aber ein ordnungsgemäßer mechanischer
Halt der angeschweißten
Ansätze
wie der Klammern 7, 8 und 9 sichergestellt
wird.
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Selbstverständlich wird der in 2 schematisch dargestellte
Laserschweißvorgang
an beiden Seiten jeder Klammer 7, 8 und 9 wiederholt.
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4 zeigt
einen Arbeitsplatz, der in eine industrielle Fabrikationslinie integriert
und speziell für die
Durchführung
des erfindungsgegenständlichen Schweißverfahrens
konzipiert ist. Der Arbeitsplatz umfasst einen Drehteller 14,
und auf einer Seite dieses Arbeitsplatzes hält sich eine Bedienperson 15 auf,
die die Beschickung des Tellers 14 mit den Rohren 1,
die durch ein Förderband 16 zugeführt werden, bewerkstelligt.
Die Bedienperson bewerkstelligt auch die Beschickung und das Einspannen
der aus Vorratslagern entnommenen Ansätze, sowie auch den Austrag
von mit angeschweißten
Ansätzen
versehenen Rohren in einen Behälter 17.
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Die eigentliche Schweißmaschine
umfasst eine Laservorrichtung 18 mit Kühleinheit 19, und
zwei Lichtwellenieiter 20, 21, die in zwei Fokussierungsköpfen 22 bzw.
23 münden,
die die Laserstrahlen auf beide Seiten jeder am Rohr 1 anzuschweißenden Klammer
richten. Dank dieser Einrichtungen, die insgesamt mit 24 angegeben
sind, sind die Fokussierungsköpfe 22, 23 translatorisch
parallel zur Achse des Rohrs beweglich ausgelegt, das vom Drehteller 14 in
die Schweißposition
gebracht wird. Andere, nicht dargestellte Einrichtungen steuern
die Drehbewegung bezüglich
der beiden Köpfe 22, 23 und
des Rohrs 1 um dessen Achse um einen Winkel, der dem Ausschnitt 8 entspricht.
Der Arbeitsplatz umfasst auch noch einen Schaltschrank 25.
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Die Erfindung lässt sich natürlich weiter
anwenden, wie auch immer die Anzahl und Beschaffenheit der am Zylinderrohr
anzuschweißenden
Ansätze sein
mag, und welche Bestimmung der Zylinder auch immer haben mag.