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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Schweißnaht nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Bauteil, das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde.
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Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Praxis bereits bekannt. Es wird mittels einer Laserstrahleinrichtung durchgeführt, die einen Laserstrahl zum Verschweißen beispielsweise von zwei Bauteilen erzeugt, wobei die beiden Bauteile aus metallischem Material, insbesondere dem gleichem Material, bestehen. Dabei wird in einer Fügezone das Material wenigstens eines Bauteils auf einem Teilbereich seiner Tiefe bzw. Dicke aufgeschmolzen. Das so erzeugte Schmelzbad weist auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite zum nicht verflüssigten Material einen gerundeten Schmelzgrund auf. Beim Erstarren des aufgeschmolzenen Materials erstarrt dieses von den das Schmelzbad begrenzenden Wänden des wenigstens einen Werkstücks zur Schmelzbadmitte hin, wo zuletzt noch die größten Temperaturen herrschen. In der Praxis hat es sich herausgestellt, dass beim Ausbilden derartiger Schweißnähte die Schweißnähte zu Heißrissen neigen, die die Festigkeit und damit Bauteilesicherheit beeinträchtigen. Diese Heißrisse gehen in der Praxis in etwa von der Mitte der Schweißnaht aus und reichen bis nahe des Schmelzgrunds, erreichen diesen jedoch nicht.
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Zur Lösung des Problems der Heißrisse wurden schon verschiedene Lösungsansätze beschrieben. Zum einen ist es möglich, durch Änderung des Grundwerkstoffs für das wenigstens eine Werkstück ein bezüglich Heißrissen unkritischeres Material zu verwenden. Dies setzt jedoch voraus, dass der (geänderte) Grundwerkstoff für den jeweiligen Anwendungsfall anwendbar und beispielsweise auch aus Kostengründen vertretbar ist. Eine weitere bekannte Maßnahme betrifft die Zugabe von Zusatzwerkstoffen, die die Tendenz zu Heißrissen bei der Erstarrung der Schweißnaht reduzieren sollen. Eine derartige Zugabe von Zusatzwerkstoffen setzt jedoch eine relativ komplizierte Prozesstechnik voraus, die darüber hinaus auch überwacht bzw. protokolliert werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung einer Schweißnaht nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die Tendenz zur Heißrissbildung ohne die angesprochenen zusätzlichen Maßnahmen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, reduziert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Erzeugung einer Schweißnaht mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass durch zeitlich nacheinander stattfindendes Überfahren desselben Bereichs des wenigstens einen Werkstücks durch den Laserstrahl jeweils ein Schmelzbad im Bereich der zuletzt erzeugten, bereits erstarrten Schweißnaht erzeugt wird, wobei die Tiefe des Schmelzbads gegenüber dem zuletzt erzeugten Schmelzbads der bereits erstarrten Schweißnaht reduziert wird, und wobei die Tiefe des Schmelzbads derart gewählt wird, dass das Schmelzbad bis in einen Bereich der unterhalb des jeweiligen Schmelzbads angeordneten, bereits erstarrten Schweißnaht reicht, in der keine Erstarrungslinie ausgebildet ist.
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Die Erfindung macht sich dabei die Beobachtung zunutze, dass Heißrisse üblicherweise nicht bis zum Schmelzgrund reichen. Dieses Verhalten lässt sich dadurch erklären, dass im Bereich des im Querschnitt üblicherweise gekrümmten bzw. mit einer Rundung versehenen Schmelzgrunds beim Erstarren des aufgeschmolzenen Materials das Erstarren der einzelnen Metallkristalle von der Wand des Schmelzbads in senkrechter Richtung zur Wand erfolgt. Durch die Rundung bzw. Krümmung im Bereich des Schmelzgrunds erfolgt das Erstarren des Materials, zumindest näherungsweise, zuletzt in einem Punkt, der in etwa im Bereich des Mittelpunkts eines Radius im Querschnitt des Schmelzbads im Schmelzgrund liegt. Im Gegensatz dazu findet das Erstarren oberhalb des Schmelzgrunds von den beiden Seiten der Wände des Schmelzbads in Richtung zur Schmelzbadmitte hin statt, wodurch das Material des Schmelzbads zuletzt in der Schmelzbadmitte in Form einer durchgehenden Linie erstarrt, die potentiell zu Heißrissen neigt. Durch das erfindungsgemäße mehrmalige Überfahren in der beanspruchten Art und Weise werden demgegenüber, bildlich gesprochen, eine Vielzahl von übereinander angeordneten Schweißnähten erzeugt, wobei nach dem Erstarren der jeweiligen Schweißnaht die einzelnen erstarrten Bereiche jeweils als erstarrter Schmelzgrund angesehen werden können, die aufgrund des angesprochenen Erstarrungsverhaltens nicht zu Heißrissen neigen. Ein derartiges, erfindungsgemäßes Verfahren setzt lediglich ein mehrmaliges Überfahren des Bereichs der Schweißnaht voraus, jedoch beispielsweise keine Zusatzstoffe. Es muss lediglich sichergestellt werden, dass durch geeignete Parameter das jeweils zuletzt erzeugte Schmelzbad eine gegenüber dem zuvor erzeugten Schmelzbad reduzierte Tiefe aufweist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Zur Erzeugung des jeweils nächsten Schmelzbads mit der reduzierten Tiefe gibt es verschiedene Möglichkeiten. Im Rahmen der Erfindung ist es vorgesehen, dass bei jedem Erzeugen eines neuen Schmelzbads die Leistung des Laserstrahls reduziert wird und/oder eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls erhöht wird und/oder eine Einwirkdauer des Laserstrahls reduziert wird. Die angesprochenen Maßnahmen sorgen sowohl einzeln als auch in Kombination dafür, dass die eingebrachte Leistung in die Schmelzzone reduziert wird, sodass eine in der Tiefe reduzierte Schmelzzone erzeugbar ist.
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Insbesondere umfasst das Verfahren ein Schmelzbad, bei dem der Schmelzgrund des jeweiligen Schmelzbads eine Rundung oder Krümmung mit einem Radius aufweist, wobei die Tiefe eines zeitlich nachfolgend erzeugten Schmelzbads der Tiefe des zuvor erzeugten Schmelzbads entspricht, reduziert maximal um den Radius. Durch diese Maßnahme ist insbesondere sichergestellt, dass in dem zuletzt erstarrten Bereich die Erstarrung des Materials des Schmelzbads in der Schmelzbadmitte nicht in Form der angesprochenen Erstarrungsline stattgefunden hat.
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Oftmals neigen Bauteile, die eine Schweißnaht aufweisen, durch unterschiedlichen Wärmeeintrag bzw. Querschnitte zum Verzug. Um die Neigung des wenigstens einen Werkstücks zum Verzug zu vermeiden bzw. zu reduzieren, ist es in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Laserstrahl der Laserstrahleinrichtung derart zu dem wenigstens einen Werkstück ausgerichtet wird, dass bei jedem Überfahren zur Erzeugung eines neuen Schmelzbads ein Versatz des Laserstrahls zum zuletzt erzeugten Schmelzbad stattfindet. Dadurch ist es möglich, bei einem erneuten Überfahren des wenigstens einen Werkstücks einen zuletzt erzeugten Verzug in dem wenigstens einen Werkstück durch Erzeugung eines „Gegenverzuges“ zu egalisieren bzw. auszugleichen.
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In einer ersten Ausgestaltung des zuletzt angesprochenen Verfahrens mit einem Versatz wird vorgeschlagen, dass der Versatz als seitlicher Versatz im Bezug zur jeweils letzten Schweißbadmitte ausgebildet ist. Es kann jedoch zusätzlich oder alternativ auch vorgesehen sein, dass die Kontur der Schweißnaht geschlossen ausgebildet ist, und dass der Versatz ein Versatz entlang der Kontur der Schweißnaht ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt bei einem dendritischen Erstarrungsverhalten des jeweiligen Schmelzbads Verwendung. Das dendritische Erstarrungsverhalten ist durch einen entsprechenden Temperaturgradienten sowie die Erstarrungsgeschwindigkeit beeinfluss- bzw. herstellbar.
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Die Erfindung umfasst auch ein Bauteil, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein Bauteil aus Metall, in besonders bevorzugter Ausgestaltung bzw. Verwendung um ein Bauteil, das im Bereich der Schweißnaht zumindest annähernd rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Ein derartiger typischer Einsatzfall stellt beispielsweise die Fertigung von Gehäusen bei Kraftfahrzeuganwendungen, beispielsweise Gehäusen von Einspritzventilen oder Ähnlichem, dar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 in vereinfachter Darstellung eine Einrichtung zum Erzeugen einer Schweißnaht an zwei miteinander zu verbindenden Werkstücken und
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2 bis 5 jeweils den Bereich der Schweißnaht bei den Bauteilen gemäß 1 in einem Längsschnitt
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine Anordnung zur Erzeugung einer Schweißnaht 10 im Verbindungsbereich zweier, aus gleichem metallischem Material bestehenden Werkstücke 1, 2 dargestellt. Die Werkstücke 1, 2 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisch ausgebildet und weisen im Bereich der Schweißnaht 10 den gleichen Durchmesser auf. Hierbei stoßen die beiden Werkstücke 1, 2 an einem jeweiligen stirnseitigen Ende, eine Schweißnahtebene 11 ausbildend, aneinander an. Die Schweißnaht 10, die lediglich über einen Teilbereich der Tiefe bzw. Dicke der Werkstücke 1, 2 ausgebildet ist, wird mittels einer Laserstrahleinrichtung 100 erzeugt, die einen vorzugsweise kontinuierlichen, alternativ einen gepulsten Laserstrahl 101 erzeugt, wobei der Laserstrahl 101 im dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich der Schweißnaht 10 senkrecht auf die Oberfläche der Werkstücke 1, 2 trifft. Zwischen dem Laserstrahl 101 und den Werkstücken 1, 2 findet im Bereich der Schweißnaht 10 eine Relativbewegung statt, indem beispielsweise die beiden Werkstücke 1, 2 um deren gemeinsame Längsachse 12 in Richtung des Pfeils 13 mittels einer nicht dargestellten Einrichtung gedreht werden. Alternativ hierzu ist es selbstverständlich auch denkbar, die beiden Werkstücke 1, 2 starr anzuordnen bzw. einzuspannen und durch eine entsprechende optische Einrichtung für eine Bewegung des Laserstrahls 101 entlang der Bauteileoberflächen bzw. der Schweißnaht 10 zu sorgen.
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Das Erzeugen der Schweißnaht 10 erfolgt erfindungsgemäß durch Ausbilden und Erstarren einer Vielzahl von zumindest im Wesentlichen fluchtend zur Schweißebene 11 übereinander angeordneter Schweißnähte 10a bis 10d, wobei die Schweißnähte 10a bis 10d zeitlich nacheinander erzeugt werden, und wobei die jeweils zeitlich nachfolgende Schweißnaht 10b bis 10d dann erzeugt wird, wenn die zeitlich zuvor erzeugte Schweißnaht 10a bis 10c zumindest im Wesentlichen vollständig erstarrt ist.
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In der 2 ist erkennbar, dass nach Aktivierung der Laserstrahleinrichtung 100 mittels des Laserstrahls 101 ein erstes Schmelzbad 15a erzeugt wurde, das im Querschnitt einen in etwa gerundet bzw. mit einem Radius r ausgestatteten Schmelzgrund 16 aufweist. An den Schmelzgrund 16 schließt sich ein im Querschnitt in etwa rechteckförmiger Bereich 17 an, der auf der dem Schmelzgrund 16 gegenüberliegenden Seite in einen sich erweiternden Bereich 18 übergeht. Nachdem das erste Schmelzbad 15a erzeugt wurde, wird die Laserstrahleinrichtung 100 abgeschaltet, damit das Material des Schmelzbads 15a erstarrt. Das Erstarren des Materials des Schmelzbads 15a erfolgt von dem (nicht aufgeschmolzenen) Rand des Schmelzbads 15a in Richtung zur Schmelzbadmitte hin, was durch die Pfeile 19 verdeutlicht sein soll. Hierbei sind die Pfeile 19 jeweils senkrecht zu der Begrenzung bzw. zum Rand des Schmelzbads 15a ausgerichtet. Insbesondere erkennt man, dass im Bereich des Schmelzgrunds 16 das Material des Schmelzbads 15a zuletzt in einem gemeinsamen Erstarrungspunkt 21 erstarrt. Das in den Bereichen 17, 18 erstarrte Material bildet demgegenüber eine Vielzahl von Erstarrungspunkten aus, die sich in Form einer durchgehenden Erstarrungslinie 22 formieren. Die Erstarrungslinie 22, die sich in etwa in der Schweißnahtebene 11 befindet, schließt sich an den Erstarrungspunkt 21 an. Diese Erstarrungslinie 22 stellt einen potentiellen Ausgangspunkt für Heißrisse dar.
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Nachdem das Material des Schmelzbads 15a, das eine Tiefe t1 aufweist, im Wesentlichen vollständig erstarrt ist, wird entsprechend der Darstellung der 3 der Laserstrahl 101 nochmals in den gleichen Bereich des zuletzt bzw. zuerst erzeugten Schmelzbads 15a eingeleitet. Wesentlich dabei ist, dass durch eine Variation der Parameter der Laserstrahleinrichtung 100 das beim zweiten Überfahren des Schmelzbads 15a bzw. der Schweißnaht 10a erzeugte Schmelzbad 15b eine Tiefe t2 aufweist, die geringer ist als die Schmelzbadtiefe t1. Insbesondere ist die Schmelzbadtiefe t2 etwas größer als die Schmelzbadtiefe t1, reduziert um den Radius r. Dadurch wird das Material der Schweißnaht 10a in Höhe des Erstarrungspunkts 21 und der Erstarrungslinie 22 vollständig aufgeschmolzen. Nach Erzeugen des zweiten Schmelzbads 15b und Abschalten der Laserstrahleinrichtung 100 erfolgt wiederum das Erstarren des Schmelzbads 15b zur Erzeugung der Schweißnaht 10b. Hierbei bilden sich ein neuer Erstarrungspunkt 21a und eine Erstarrungslinie 22a aus.
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Anschließend erfolgt ein Überfahren der zuletzt erzeugten Schweißnaht 10b, wobei wiederum die Leistung der Laserstrahleinrichtung 100 reduziert wird bzw. die Parameter derart angepasst werden, dass die Tiefe t3 des nunmehr erzeugten Schmelzbads 15c geringer ist als die zuletzt erzeugte Schmelzbadtiefe t2 des zuletzt erzeugten Schmelzbads 15b. Hierbei gilt die Beziehung, dass die Schmelzbadtiefe t3 etwas größer ist als die Schmelzbadtiefe t2, reduziert um den Radius r. Die Erstarrungsrichtung des Materials des Schmelzbads 15c ist durch die Pfeile 24 gekennzeichnet. Es bilden sich ein neuer Erstarrungspunkt 21b und eine Erstarrungslinie 22b aus.
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Zuletzt findet die Erzeugung eines vierten Schmelzbads 15d durch nochmaliges Überfahren der zuletzt erzeugten Schweißnaht 10c statt. Auch hier wiederholen sich die Vorgänge wie oben beschrieben, wobei es wesentlich ist, dass bei dem nunmehr anschließenden Erstarrungsvorgang des Schmelzbads 15d entsprechend der Pfeile 25 keine Risslinie 22 mehr gebildet wird. Somit ist nach dem Erstarren des Schmelzbads 15d, bei der sich die Schweißnaht 10d ausbildet, die so erzeugte Schweißnaht 10, gebildet aus den einzelnen, übereinander angeordneten Schweißnähten 10a bis 10d, vollständig frei von zur Heißrissneigung neigenden Bereichen bzw. Erstarrungslinien 22, 22a, 22b.
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Das soweit beschriebene Verfahren zur Erzeugung einer Schweißnaht 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So kann es insbesondere vorgesehen sein, dass beim Erzeugen der jeweils nächsten bzw. nachfolgenden Schweißnaht 10b bis 10d die jeweilige Schweißnaht 10b bis 10d um einen seitlichen Versatz in Bezug zur zuletzt erzeugten Schweißnaht 10a bis 10c angeordnet wird. Der Versatz findet dabei entweder durch einen Versatz senkrecht zur Ebene der Schweißebene 11 statt oder/und dadurch, dass entsprechend der Darstellung der 1 ein Versatz in Umfangsrichtung der jeweiligen Schweißnaht 10b bis 10d stattfindet. Auch kann es vorgesehen sein, dass lediglich einzelne Schweißnähte 10a bis 10a oder Teilbereiche der einzelnen Schweißnähte 10a bis 10d frei von Risslinien 22, 22a, 22b sind. Auch in einem derartigen Fall wird die Neigung zu (durchgehenden) Heißrissen in den Bauteilen 1, 2 verringert. Auch hängt die Gesamtanzahl der Schweißbäder 15a bis 15d von der Geometrie des Werkstücks 1, 2 bzw. dessen Dicke ab. Die in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildete Anzahl von vier Schweißbädern 15a bis 15d ist daher lediglich exemplarisch.
