WO2021063661A1 - VERFAHREN ZUM LASERSCHWEIßEN UND BAUTEILVERBUND - Google Patents

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WO2021063661A1
WO2021063661A1 PCT/EP2020/075641 EP2020075641W WO2021063661A1 WO 2021063661 A1 WO2021063661 A1 WO 2021063661A1 EP 2020075641 W EP2020075641 W EP 2020075641W WO 2021063661 A1 WO2021063661 A1 WO 2021063661A1
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WO
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laser beam
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component
effective area
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PCT/EP2020/075641
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French (fr)
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Andreas Heider
Reiner Ramsayer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B23K2101/38—Conductors

Definitions

  • the invention relates to a method for laser welding two components, as it relates in particular to connecting two electrical connection elements to form an electrical connection, for example in the context of e-mobility.
  • the invention also relates to a composite component produced by a method according to the invention.
  • a method for laser welding two components with the features of the preamble of claim 1 is known from DE 102007006 330 A1.
  • the known method is characterized by the use of two laser beams, of which each laser beam acts on an end face of a component in order to melt this in a connection area or to generate a melt pool.
  • the known method is characterized in that different intensity distributions or energy inputs per unit area can be generated in the area of action of the respective laser beam.
  • the energy input into the respective component by the respective laser beam source or the respective laser beam acts up to the respective boundary of the component at which the two components laterally abut one another. In other words, this means that the respective laser beam also acts directly at the location of the boundary. This is particularly disadvantageous if there are gaps or similar geometric inaccuracies between the two components in the joining area, which lead to the effect of the laser beam along the respective Component surface is guided, the laser beam enters the gap or a gap between the two components.
  • the inventive method for laser welding, in particular for end-face laser welding, of two components, in particular two wires, with the features of claim 1 has the particular advantage that even if there are gaps or gaps or if there is a height offset between the two components, in whose area the weld seam is to be formed, the components can be securely connected in terms of process technology.
  • a laser beam reaches the area of the gap or the gap between the components and can thus lead to damage, irregularities, process failures or similar negative phenomena during welding.
  • Height offsets between the components can also be advantageously compensated for or processed in terms of process technology.
  • the teaching of the invention suggests that the at least one laser beam is guided in the effective area in such a way that the effective area is at a distance from the facing component boundaries of the two components, and that the material of the two components up to the component boundaries by heat transfer from the areas of action is melted.
  • weld seam is produced at least approximately simultaneously over its entire length or extent by the at least one laser beam.
  • Such an approximately simultaneous production of the weld seam can take place in that the respective area of action of the component is homogeneously heated by the laser beam.
  • each area of action is heated by means of at least one separate laser beam, in particular by means of at least one partial beam of a laser beam.
  • Such a design makes it possible to adapt each of the at least two laser beams individually to the component or its component geometry and / or the component geometry of the components in the immediate joining area. Furthermore, the process time for forming the weld seam is typically reduced as a result, since there is no need to jump back and forth or alternate heating of the two active areas or components.
  • two different laser beams or laser beam sources can also be used to weld materials of different types to one another in a particularly simple or advantageous manner, since a particularly simple or optimal adaptation of the laser beam parameters is then made possible for each of the two materials.
  • the two active areas on the components are heated by means of a single laser beam, which acts alternately or several times alternately on the two active areas and in particular without the (single) laser beam passing over the facing component boundaries of the two components .
  • the (single) laser beam jumps back and forth between the two effective areas or acts alternately on the two components in the effective area.
  • the two areas of action are heated by means of a single laser beam that acts on the two areas of action in succession and in particular without the (single) laser beam passing over the facing component boundaries of the two components.
  • first one component or the component is liquefied in its area of action, and that only then is the second component heated or melted by the (single) laser beam.
  • such a method reduces the control effort for positioning or switching the (single) laser beam between the two effective areas, but may have the disadvantage that the initially liquefied area is partially in the area of one component has already solidified again until the other area of action has reached its melting temperature.
  • the components to be joined together often have certain tolerances with regard to their arrangement with respect to one another. Tolerances that manifest themselves in a height offset (in the direction of the acting laser beam) are particularly critical. This is due to the fact that, for example, in order to form a high-quality weld seam, the area of the other component that protrudes beyond the end face of one component requires high power for melting, since it is desirable to have the weld seam with a uniform height or uniformity in the finished state of the component assembly. to equip the component assembly with a homogeneous weld seam. For this it is necessary to melt the protruding component more strongly or to ensure that the weld pool extends up to the level of the other component.
  • the energy input into the two areas of action of the components is selected to be of different sizes.
  • a height offset is advantageously determined before the action of the laser beam or beams on the components in a process that takes place beforehand or by a suitable sensor, such as an image-recording device or the like.
  • a first preferred one provides that a homogeneous intensity distribution of the laser beam is set within an effective area. Such a homogeneous intensity distribution is made possible, for example, by a uniform or constant movement of the laser beam with a constant power of the laser beam. Typically, a homogeneous intensity distribution also tends to result in an at least almost simultaneous melting of the material within the area of action of the laser beam.
  • an inhomogeneous intensity distribution of the laser beam is set within an effective area. This is advantageous, for example, if, due to different material thicknesses (in the direction of irradiation) of the components, when the laser beam acts, a different melting rate and non-uniform heat dissipation are achieved if the laser beam would have a homogeneous intensity distribution.
  • weld seams or component geometries can be achieved if the laser beam is moved in such a way that the effective area is at a distance from the delimitation of the component on all sides. This makes it possible that the material in the areas where the two components do not directly adjoin one another is not melted at the corresponding delimitation and thus there is also no weld seam or melted material that changes the geometry at the delimitation.
  • a further improvement in the quality of the laser weld seam can also be achieved if, after the formation of a weld pool reaching up to the boundary of the components, the at least one laser beam traverses the connection area across the direction of the boundary. This is uncritical insofar as the formation of the weld pool means that the two components are directly adjacent to one another in the connection area, i.e. without the formation of a gap or gap. Another process control can then optionally be started for the at least one laser beam.
  • the invention also encompasses a composite component which was produced by a method according to the invention, the two components Are part of an electrical connection.
  • an electrical connection can be designed, for example, as a connection of connecting lines of battery cells in the context of e-mobility, contacting rod conductors in electric motors or as a connection of stamped grids, busbars or the like.
  • Fig. 1 shows in a perspective representation two components to be connected to one another and an associated welding device during the heating of the material of the two components
  • FIG. 2 shows the arrangement according to FIG. 1 at the time of the formation of a weld seam, likewise in a perspective illustration
  • FIG 3 shows a modified arrangement compared to FIGS. 1 and 2 with a plurality of component groups which are each welded to one another at the same time, in a perspective illustration.
  • FIGS. 1 and 2 two components 1, 2 to be connected to one another are shown.
  • the two components 1, 2 have a rectangular cross-section, at least in the area of their respective end face on the side of which the connection is made.
  • the invention is not intended to be limited to the use of rectangular cross-sections in the area of the sections of the components 1, 2 to be connected. Rather, components 1, 2 which are round, oval or flattened on one side or similar in cross-section can also be connected to one another.
  • the components 1, 2 can, for example, be rod conductors or busbars in electric motors, in particular in the context of e-mobility.
  • the material of the two components 1, 2 consists of metal, in particular steel or a steel alloy or aluminum or an aluminum alloy.
  • the two end faces 3, 4 of the two components 1, 2 form a common plane in the illustrated embodiment, i.e. they do not have any height offset from one another.
  • applications are also possible or, due to manufacturing tolerances, cases are possible in which a height offset in the Z direction is formed between the two end faces 3, 4 of the two components 1, 2.
  • the two components 1, 2 lying flat against one another are connected by laser welding by forming a weld seam 5 in a joining area of the two components 1, 2.
  • two laser beams 10, 12 are used, for example, which are preferably implemented by means of two laser beam devices 14 , 15 are generated.
  • the two laser beams 10, 12 are moved along or in the plane of the end faces 3, 4 of the two components 1, 2 by at least the material of the components 1, 2 via optical elements known per se, such as scanners or the like, not shown to melt up to the respective melting temperature.
  • the two laser beams 10, 12 act in the area of the end faces 3, 4 of the components 1, 2 each in the area of an effective area 16,
  • the respective effective area 16, 18 on the mutually facing sides of the components 1, 2 does not reach as far as the respective component boundary 6, 7 or component edge of the component 1, 2. Rather, the respective effective area 16, 18 ends at a distance a in front of the respective component boundary 6, 7 of the component 1, 2. 1 that the effective area 16, 18 extends, for example, to the two opposite side surfaces 20, 22 of the components 1, 2, but a distance b from the side surfaces 24, 26 to the side surfaces 24, 26 facing away from one another is trained.
  • the action of the respective laser beam 10, 12 takes place, for example, in that the laser beam 10, 12 is moved parallel to the component boundaries 6, 7 in the direction of the double arrows 28, 30.
  • the material of the two components 1, 2 is melted up to the component boundaries 6, 7 in the area of the end faces 3, 4 of the components 1, 2 by heat transfer from the respective effective area 16, 18.
  • the movement of the two laser beams 10, 12 in the respective effective area 16, 18 deviate from the illustrated linear movement and can include any desired or possibly advantageous 2D or 3D movement.
  • the two laser beams 10, 12 can be operated either synchronously or offset in time or individually. Both the spot size or the cross section of the respective laser beam 10, 12 in the respective effective area 16, 18 as well as the steel profile, the intensity distribution and other parameters can either be the same for both laser beams 10, 12, or they can be individually different. It is also conceivable that the parameters change over the course of the process over time or are adapted to the process situation by a control loop.
  • Fig. 2 it is shown that the action of the two laser beams 10, 12 has led to the formation of a melt pool 35, which extends to the respective component boundary 6, 7 of the two components 1, 2 and thus after the solidification of the material Melt bath 35, leads to the formation of the desired weld 5. It is essential that the material of the weld pool 35 bridges any gaps, gaps or the like that may be present between the two component boundaries 6, 7 of the two components 1, 2. It can also be provided that, after the weld pool 35 has been formed, the two laser beams 10, 12 are moved across the area of the two component boundaries 6, 7 in order to increase the quality of the weld seam 5, if necessary.
  • 3 shows the case in which a group of three pairs of components 1a, 2a to 1c, 2c are connected to one another quasi-simultaneously.
  • connection takes place between the two components 1a, 2a and 1b, 2b and 1c, 2c.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
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  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Bauteile (1; 1a bis 1c, 2; 2a bis 2c), bei dem das Material der beiden Bauteile (1; 1a bis 1c, 2; 2a bis 2c) mittels wenigstens eines Laserstrahls (10, 12) in einem Einwirkbereich (16, 18) aufgeschmolzen wird und das Material nach dem Erstarren eine gemeinsame Schweißnaht (5) ausbildet.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Laserschweißen und Bauteilverbund
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Bauteile, wie es insbesondere zum Verbinden zweier elektrischer Anschlusselemente zur Ausbildung einer elektrischen Verbindung, beispielsweise im Rahmen der E- Mobilität, betrifft. Ferner betrifft die Erfindung einen nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteilverbund.
Stand der Technik
Aus der DE 102007006 330 A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Bauteile mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Das bekannte Verfahren zeichnet sich durch die Verwendung zweier Laserstrahlen aus, von denen jeder Laserstrahl auf eine Stirnseite eines Bauteils einwirkt, um dieses in einem Verbindungsbereich aufzuschmelzen bzw. ein Schmelzbad zu erzeugen. Weiterhin zeichnet sich das bekannte Verfahren dadurch aus, dass im Einwirkbereich des jeweiligen Laserstrahls unterschiedliche Intensitätsverteilungen bzw. Energieeinträge pro Flächeneinheit erzeugt werden können. Wesentlich dabei ist, dass der Energieeintrag in das jeweilige Bauteil durch die jeweilige Laserstrahlquelle bzw. den jeweiligen Laserstrahl bis an die jeweilige Begrenzung des Bauteils, an denen die beiden Bauteile seitlich aneinander anstoßen, wirkt. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass der jeweilige Laserstrahl auch unmittelbar am Ort der Begrenzung einwirkt. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn sich zwischen den beiden Bauteilen im Fügebereich Spalte o.ä. geometrische Ungenauigkeiten ergeben, die dazu führen, das bei der Einwirkung des Laserstrahls, der entlang der jeweiligen Bauteiloberfläche geführt wird, der Laserstrahl in den Spalt bzw. eine Lücke zwischen den beiden Bauteilen gelangt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserschweißen, insbesondere zum stirnseitigen Laserschweißen, zweier Bauteile, insbesondere zweier Drähte, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat insbesondere den Vorteil, dass auch bei ggf. vorhandenen Spalten bzw. Lücken oder aber bei einem Höhenversatz zwischen den beiden Bauteilen, in deren Bereich die Schweißnaht ausgebildet werden soll, sich die Bauteile prozesstechnisch sicher verbinden lassen. Insbesondere wird es vermieden, dass ein Laserstrahl in den Bereich des Spalts bzw. der Lücke zwischen den Bauteilen gelangt und dadurch zu Beschädigungen, Unregelmäßigkeiten, Prozessaussetzern o.ä. negativen Erscheinungen beim Verschweißen führen kann. Auch können Höhenversätze zwischen den Bauteilen prozesstechnisch vorteilhaft ausgeglichen bzw. bearbeitet werden.
Hierzu schlägt es die Lehre der Erfindung vor, dass der wenigstens eine Laserstrahl in dem Einwirkbereich so geführt wird, dass der Einwirkbereich zu den einander zugewandten Bauteilgrenzen der beiden Bauteile einen Abstand aufweist, und dass das Material der beiden Bauteile bis zu den Bauteilgrenzen durch Wärmeübergang von den Einwirkbereichen aufgeschmolzen wird.
Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass der Einwirkbereich des jeweiligen Laserstrahls auf die jeweilige Bauteiloberfläche nicht bis unmittelbar an die Begrenzung des Bauteils im Fügebereich heranreicht, sondern in einem Abstand davon endet. Dadurch kann der Laserstrahl auch nicht in eine ggf. zwischen den Bauteilen ausgebildete Lücke bzw. einen entsprechenden Spalt im Fügebereich gelangen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen zweier Bauteile sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Zur Erzeugung einer homogenen bzw. gleichmäßigen Schweißnaht im gesamten Verbindungsbereich ist es bevorzugt vorgesehen, dass durch den wenigstens einen Laserstrahl die Schweißnaht über ihre gesamte Länge bzw. Erstreckung zumindest näherungsweise gleichzeitig erzeugt wird. Eine derartige näherungsweise gleichzeitige Erzeugung der Schweißnaht kann dadurch erfolgen, dass der jeweilige Einwirkbereich des Bauteils durch den Laserstrahl homogen erwärmt wird.
Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei der jeder Einwirkbereich mittels jeweils wenigstens eines separaten Laserstrahls, insbesondere mittels jeweils wenigstens eines Teilstrahles eines Laserstrahls, erwärmt wird. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es, jeden der wenigstens zwei Laserstrahlen individuell an das Bauteil bzw. dessen Bauteilgeometrie und/oder der Bauteilgeometrie der Bauteile im unmittelbaren Fügebereich anzupassen. Weiterhin wird dadurch typischerweise die Prozesszeit zum Ausbilden der Schweißnaht verringert, da kein Hin- und Herspringen bzw. keine abwechselnde Erwärmung der beiden Einwirkbereiche bzw. Bauteile erforderlich ist. Theoretisch lassen sich durch zwei unterschiedliche Laserstrahlen bzw. Laserstrahlquellen auch besonders einfach bzw. günstig artungleiche Materialien miteinander verschweißen, da dann für jedes der beiden Materialien eine besonders einfache bzw. optimale Anpassung der Laserstrahlparameter ermöglicht wird.
Alternativ hierzu ist es jedoch auch denkbar, dass die beiden Einwirkbereiche an den Bauteilen mittels eines einzigen Laserstrahls erwärmt werden, der alternierend bzw. mehrmals abwechselnd auf die beiden Einwirkbereiche einwirkt und insbesondere ohne dass der (einzige) Laserstrahl die einander zugewandten Bauteilgrenzen der beiden Bauteile überfährt. Gemeint ist dabei, dass der (einzige) Laserstrahl zwischen den beiden Einwirkbereichen hin- und herspringt bzw. abwechselnd auf die beiden Bauteile im Einwirkbereich einwirkt. Ein derartiges Verfahren hat zwar den Vorteil, dass lediglich eine einzige Laserstrahlquelle bzw. ein einzelner Laserstrahl benötigt wird, jedoch kann ggf. ein erhöhter Aufwand hinsichtlich der örtlichen und zeitlichen Steuerung des Laserstrahls erforderlich sein, da in jedem Fall vermieden werden muss, dass der Laserstrahl beim Hin- und Herbewegen zwischen die beiden Bauteile bzw. deren Begrenzung gelangt. In wiederum alternativer Ausgestaltung des Verfahrens ist es denkbar, dass die beiden Einwirkbereiche mittels eines einzigen Laserstrahls erwärmt werden, der zeitlich aufeinanderfolgend auf die beiden Einwirkbereiche einwirkt und insbesondere ohne dass der (einzige) Laserstrahl die einander zugewandten Bauteilgrenzen der beiden Bauteile überfährt. Gemeint ist hierbei, dass zunächst das eine Bauteil bzw. das Bauteil im seinem Einwirkbereich verflüssigt wird, und dass anschließend erst das zweite Bauteil durch den (einzigen) Laserstrahl erwärmt bzw. aufgeschmolzen wird. Ein derartiges Verfahren verringert zwar im Gegensatz zu den gerade eben erwähnten Verfahren den Steuerungsaufwand zur Positionierung bzw. zum Umschalten des (einzigen) Laserstrahls zwischen den beiden Einwirkbereichen, hat jedoch ggf. den Nachteil, dass sich der zunächst verflüssigte Bereich im Bereich des einen Bauteils teilweise bereits wieder verfestigt hat, bis der andere Einwirkbereich seine Schmelztemperatur erreicht hat.
Die miteinander zu fügenden Bauteile weisen oftmals bestimmte Toleranzen hinsichtlich ihrer Anordnung zueinander auf. Besonders kritisch sind dabei Toleranzen, die sich in einem Höhenversatz (in Richtung des einwirkenden Laserstrahls) äußern. Dies rührt daher, dass dann beispielsweise zur Ausbildung einer qualitativ hochwertigen Schweißnaht der über die Stirnfläche des einen Bauteils herausragende Bereich des anderen Bauteils eine hohe Leistung zum Aufschmelzen benötigt, da es gewünscht ist, im fertigen Zustand des Bauteileverbunds die Schweißnaht mit einer gleichmäßigen Höhe bzw. den Bauteileverbund mit einer homogen Schweißnaht auszustatten. Dazu ist es erforderlich, das überstehende Bauteil stärker abzuschmelzen bzw. dafür zu sorgen, dass sich das Schmelzbad bis in Höhe des anderen Bauteils erstreckt. In diesem Fall ist es daher besonders bevorzugt vorgesehen, dass bei einem Höhenversatz der beiden Bauteile in Bestrahlungsrichtung der Energieeintrag in die beiden Einwirkbereiche der Bauteile unterschiedlich groß gewählt wird. Ein derartiger Höhenversatz wird vorteilhafterweise vor dem Einwirken des bzw. der Laserstrahlen auf die Bauteile in einem vorab stattfindenden Prozess bzw. durch einen geeigneten Sensor, wie eine bildaufnehmende Einrichtung o.ä., ermittelt.
Auch hinsichtlich der Intensitätsverteilung innerhalb des Einwirkbereichs des jeweiligen Bauteils gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Eine erste bevorzugte Variante des Verfahrens sieht vor, dass innerhalb eines Einwirkbereichs eine homogene Intensitätsverteilung des Laserstrahls eingestellt wird. Eine derartige homogene Intensitätsverteilung wird beispielsweise durch eine gleichmäßige bzw. stetige Bewegung des Laserstrahls bei konstanter Leistung des Laserstrahls ermöglicht. Typischerweise bewirkt eine homogene Intensitätsverteilung tendenziell auch ein zumindest nahezu zeitgleiches Aufschmelzen des Materials innerhalb des Einwirkbereichs des Laserstrahls.
Alternativ hierzu ist es jedoch auch denkbar, dass innerhalb eines Einwirkbereichs eine inhomogene Intensitätsverteilung des Laserstrahls eingestellt wird. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn aufgrund unterschiedlicher Materialdicken (in Bestrahlungsrichtung) der Bauteile bei einer Einwirkung des Laserstrahls eine unterschiedliche Aufschmelzrate und eine ungleichförmige Wärmeabfuhr erzielt wird, wenn der Laserstrahl eine homogene Intensitätsverteilung aufweisen würde.
Qualitativ besonders hochwertige Schweißnähte bzw. Bauteilgeometrien lassen sich darüber hinaus erzielen, wenn der Laserstrahl so bewegt wird, dass der Einwirkbereich allseitig einen Abstand zur Begrenzung des Bauteils aufweist. Dies ermöglicht es, dass das Material an den Bereichen, an denen die beiden Bauteile nicht unmittelbar aneinander anschließen, an der entsprechenden Begrenzung nicht aufgeschmolzen wird und sich dadurch an der Begrenzung auch keine Schweißnaht bzw. kein aufgeschmolzenes Material befindet, das die Geometrie verändert.
Eine weitere Verbesserung der Qualität der Laserschweißnaht kann darüber hinaus erzielt werden, wenn nach Ausbildung eines bis zur Begrenzung der Bauteile reichenden Schmelzbads der wenigstens eine Laserstrahl den Verbindungsbereich quer zur Richtung der Begrenzung überfährt. Dies ist insofern unkritisch, da durch die Ausbildung des Schmelzbads die beiden Bauteile im Verbindungsbereich unmittelbar, d.h. ohne Ausbildung einer Lücke bzw. eines Spalt aneinander angrenzen. Auch kann dann ggf. eine andere Prozessführung für den wenigstens einen Laserstrahl gestartet werden.
Zuletzt umfasst die Erfindung auch einen Bauteilverbund, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wobei die beiden Bauteile Bestandteil einer elektrischen Verbindung sind. Eine derartige elektrische Verbindung kann beispielsweise als Verbindung von Anschlussleitungen von Batteriezellen im Rahmen der E-Mobilität, Kontaktierung von Stableitern in Elektromotoren oder als Verbindung von Stanzgittern, Stromschienen o.ä. ausgebildet sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung zwei miteinander zu verbindende Bauteile und eine dazugehörige Schweißeinrichtung während des Erwärmens des Materials der beiden Bauteile,
Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 zum Zeitpunkt des Ausbildens einer Schweißnaht, ebenfalls in perspektivischer Darstellung und
Fig. 3 eine gegenüber den Fig. 1 und 2 modifizierte Anordnung mit mehreren Bauteilgruppen, die jeweils gleichzeitig miteinander verschweißt werden, in perspektivischer Darstellung.
Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In den Fig. 1 und 2 sind zwei miteinander zu verbindende Bauteile 1, 2 dargestellt. Die beiden Bauteile 1, 2 weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel zumindest in dem Bereich ihrer jeweiligen Stirnseite, an deren Seite die Verbindung erfolgt, einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Ergänzend wird erwähnt, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung von im Bereich der zu verbindenden Abschnitte der Bauteile 1 , 2 rechteckförmige Querschnitte beschränkt sein soll. Vielmehr können auch im Querschnitt runde, ovale oder einseitig abgeplattete o.ä. gestaltete Bauteile 1, 2 miteinander verbunden werden.
Bei den Bauteilen 1, 2 kann es sich beispielsweise um Stableiter oder Stromschienen in Elektromotoren handeln, insbesondere im Rahmen der E- Mobilität. Das Material der beiden Bauteile 1, 2 besteht aus Metall, insbesondere Stahl bzw. eine Stahllegierung oder Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung.
Die beiden Stirnflächen 3, 4 der beiden Bauteile 1, 2 bilden im dargestellten Ausführungsbeispiel eine gemeinsame Ebene aus, d.h., dass sie keinen Höhenversatz zueinander aufweisen. Es sind jedoch auch Anwendungsfälle bzw. aufgrund von Fertigungstoleranzen Fälle möglich, bei denen zwischen den beiden Stirnflächen 3, 4 der beiden Bauteile 1, 2 ein Höhenversatz in Z-Richtung ausgebildet ist.
Die Verbindung der beiden flächig aneinander anliegenden Bauteile 1, 2 erfolgt durch eine Laserverschweißung durch Ausbildung einer Schweißnaht 5 in einem Fügebereich der beiden Bauteile 1, 2. Zum Ausbilden der Schweißnaht 5 werden beispielhaft zwei Laserstrahlen 10, 12 verwendet, die vorzugsweise mittels zweier Laserstrahleinrichtungen 14, 15 erzeugt werden. Über nicht dargestellte, an sich bekannte optische Elemente wie Scanner o.ä. werden die beiden Laserstrahlen 10, 12 entlang bzw. in der Ebene der Stirnflächen 3, 4 der beiden Bauteile 1, 2 bewegt, um das Material der Bauteile 1, 2 zumindest bis zur jeweiligen Schmelztemperatur aufzuschmelzen. Wie besonders deutlich anhand der Fig. 1 erkennbar ist, wirken die beiden Laserstrahlen 10, 12 im Bereich der Stirnflächen 3, 4 der Bauteile 1, 2 jeweils im Bereich eines Einwirkbereichs 16,
18 auf die jeweilige Stirnfläche 3, 4 ein.
Wesentlich für die Geometrie der beiden Einwirkbereiche 16, 18 ist, dass der jeweilige Einwirkbereich 16, 18 auf den einander zugewandten Seiten der Bauteile 1, 2 nicht bis zur jeweiligen Bauteilgrenze 6, 7 bzw. Bauteilkante des Bauteils 1, 2 heranreicht. Vielmehr endet der jeweilige Einwirkbereich 16, 18 in einem Abstand a vor der jeweiligen Bauteilgrenze 6, 7 des Bauteils 1, 2. Weiterhin ist anhand der Fig. 1 erkennbar, dass der Einwirkbereich 16, 18 beispielhaft bis zu den beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 20, 22 der Bauteile 1, 2 reicht, jedoch zu den einander abgewandten Seitenflächen 24, 26 ein Abstand b zu den Seitenflächen 24, 26 ausgebildet ist.
Das Einwirken des jeweiligen Laserstrahls 10, 12 erfolgt beispielhaft dadurch, dass der Laserstrahl 10, 12 parallel zu den Bauteilgrenzen 6, 7 in Richtung der Doppelpfeile 28, 30 bewegt wird. Durch Wärmeübergang von dem jeweiligen Einwirkbereich 16, 18 wird das Material der beiden Bauteile 1, 2 bis zu den Bauteilgrenzen 6, 7 im Bereich der Stirnflächen 3, 4 der Bauteile 1, 2 aufgeschmolzen.
Ergänzend wird erwähnt, dass die Bewegung der beiden Laserstrahlen 10, 12 im jeweiligen Einwirkbereich 16, 18 von der dargestellten linearen Bewegung abweichen und jede beliebige bzw. ggf. vorteilhafte 2D- oder 3D-Bewegung umfassen kann. Weiterhin können die beiden Laserstrahlen 10, 12 entweder zeitsynchron oder zeitlich versetzt bzw. individuell betrieben werden. Sowohl die Spot-Größe bzw. der Querschnitt des jeweiligen Laserstrahls 10, 12 im jeweiligen Einwirkbereich 16, 18 als auch das Stahlprofil, die Intensitätsverteilung und sonstige Parameter können entweder bei beiden Laserstrahlen 10, 12 gleich sein, oder aber individuell unterschiedlich. Auch ist es denkbar, dass sich die Parameter über den zeitlichen Prozessverlauf ändern oder durch einen Regelkreis an die Prozesssituation angepasst werden.
In der Fig. 2 ist dargestellt, dass das Einwirken der beiden Laserstrahlen 10, 12 zum Ausbilden eines Schmelzbades 35 geführt hat, das bis zur jeweiligen Bauteilgrenze 6, 7 der beiden Bauteile 1, 2 reicht und somit anschließend, nach dem Erstarren des Materials des Schmelzbads 35, zum Ausbilden der gewünschten Schweißnaht 5 führt. Wesentlich dabei ist, dass das Material des Schweißbads 35 ggf. vorhandene Spalten, Lücken o.ä. zwischen den beiden Bauteilgrenzen 6, 7 der beiden Bauteile 1, 2 überbrückt. Auch kann es vorgesehen sein, dass nach Ausbildung des Schmelzbads 35 die beiden Laserstrahlen 10, 12 quer über den Bereich der beiden Bauteilgrenzen 6, 7 verfahren werden, um ggf. die Qualität der Schweißnaht 5 zu erhöhen. In der Fig. 3 ist der Fall dargestellt, bei dem eine Gruppe von drei Paaren von Bauteilen 1a, 2a bis 1c, 2c quasi simultan miteinander verbunden werden.
Hierbei findet die Verbindung jeweils zwischen den beiden Bauteilen 1a, 2a sowie 1b, 2b und 1c, 2c statt.
Ergänzend zu obigen Erläuterungen kann es selbstverständlich auch vorgesehen sein, auf jeden der Einwirkbereiche 16, 18 mehr als jeweils einen Laserstrahl 10, 12 einwirken zu lassen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Laserschweißen zweier Bauteile (1; 1a bis 1c, 2; 2a bis 2c), bei dem das Material der beiden Bauteile (1; 1a bis 1c, 2; 2a bis 2c) mittels wenigstens eines Laserstrahls (10, 12) in einem Einwirkbereich (16, 18) aufgeschmolzen wird und das Material nach dem Erstarren eine gemeinsame Schweißnaht (5) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Laserstrahl (10, 12) in dem Einwirkbereich (16, 18) so geführt wird, dass der Einwirkbereich (16, 18) zu den einander zugewandten Bauteilgrenzen (6, 7) der beiden Bauteile (1; 1a bis 1c, 2; 2a bis 2c) einen Abstand (a) aufweist, und dass das Material der beiden Bauteile (1; 1a bis 1c, 2; 2a bis 2c) bis zu den Bauteilgrenzen (6, 7) durch Wärmeübergang von dem Einwirkbereich (16, 18) aufgeschmolzen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch den wenigstens einen Laserstrahl (10, 12) die Schweißnaht (5) über ihre gesamte Erstreckung zumindest näherungsweise gleichzeitig erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beid Einwirkbereiche (16, 18) mittels jeweils wenigstens eines separaten Laserstrahls (10, 12) erwärmt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einwirkbereiche (16, 18) mittels eines einzigen Laserstrahls (10, 12) erwärmt werden, der mehrmals abwechselnd auf die beiden Einwirkbereiche (16, 18) einwirkt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einwirkbereiche (16, 18) mittels eines einzigen Laserstrahls (10, 12) erwärmt werden, der zeitlich aufeinanderfolgend auf die beiden Einwirkbereiche (16, 18) einwirkt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Höhenversatz der beiden Bauteile (1; 1a bis 1c, 2; 2a bis 2c) in Bestrahlungsrichtung der Energieeintrag in die beiden Einwirkbereiche (16, 18) unterschiedlich groß gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Einwirkbereichs (16, 18) eine homogene Intensitätsverteilung des Laserstrahls (10, 12) eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Einwirkbereichs (16, 18) eine inhomogene Intensitätsverteilung des Laserstrahls (10, 12) eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10, 12) so bewegt wird, dass der Einwirkbereich (16, 18) allseitig einen Abstand (a, b) zur Begrenzung des Bauteils (1; 1a bis 1c, 2; 2a bis 2c) aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ausbildung eines bis zu den Bauteilgrenzen (6, 7) reichenden Schmelzbads (35) der wenigstens eine Laserstrahl (10, 12) die Bauteilgrenzen (6, 7) überfährt.
11. Bauteilverbund, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bauteile (1; 1a bis 1c, 2; 2a bis 2c) Bestandteil einer elektrischen Verbindung sind.
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