DE10345105A1 - Konusverschluss für Laserschweissnaht an einem Bestandteil einer Luftansaugung - Google Patents
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Abstract
Laserschweißen wird verwendet, um einen lasertransparenten Bestandteilsabschnitt an einem absorbierenden Bestandteilsabschnitt in einem Laserschweißverbindungsbereich zu befestigen. Der transparente Bestandteilsabschnitt umfasst eine erste Schweißfläche und eine erste konische Oberfläche, welche gegenüber der ersten Schweißfläche ausgebildet ist. Der absorbierende Bestandteilsabschnitt umfasst eine zweite Schweißfläche und eine zweite konische Oberfläche, welche gegenüber der zweiten Schweißfläche ausgebildet ist. Vor dem Laserschweißen zwingen und arretieren die erste und die zweite konische Oberfläche, die erste und die zweite Schweißfläche bei einem vorbestimmten Druck in Stoßverbindung. Dann wird ein Laserstrahl auf die erste und die zweite Schweißfläche gerichtet, um die Bestandteilsabschnitte dauerhaft aneinander zu befestigen. Die erste und die zweite konische Oberfläche erhalten den vorbestimmten Druck während des Laserschweißvorgangs.
Description
- QUERVERWEIS AUF VERWANDTE PATENTANMELDUNGEN
- Die Patentanmeldung beansprucht Priorität zur vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/415,630, welche am 2. Oktober 2002 eingereicht wurde.
- ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
- Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System, welches einen Konusverschluss für eine Laserschweißverbindung von Bestandteilen von Luftansaugungen verwendet.
- Luftansaugsysteme umfassen typischerweise mehrere verschiedene Ansaugbestandteile, wie beispielsweise Luftfilter, Luftschläuche, Resonatoren, Ansaugkrümmer usw., wobei jeder Bestandteil an wenigstens einem anderen Bestandteil befestigt ist, um einen Luftansaugaufbau bereitzustellen, welcher einen Kanal für die Luft ausbildet, welche durch das Luftansaugsystem strömt. Es können viele verschiedene Befestigungsverfahren verwendet werden, um die Kunststoffbestandteile der Luftansaugung aneinander zu befestigen oder um Abschnitte derartiger Bestandteile miteinander zu verschweißen. Ein bevorzugtes Verfahren setzt Vibrationsschweißen ein, um Abschnitte der Bestandteile dauerhaft miteinander zu verschweißen.
- Bei einem herkömmlichen Vibrationsschweißverfahren umfasst jedes Teilstück des Bestandteils der Luftansaugung einen Kragen, an welchem eine Spannkraft eingesetzt wird, um vor dem Schweißen die Teilstücke des Bestandteils zusammenzuspannen. Wenn die Teilstücke einmal zusammengespannt sind, wird ein Teilstück entlang einer vorbestimmten Schweißnaht an dem anderen in Schwingung versetzt, um den Kunststoff zu schmelzen und die Bestandteile aneinander zu befestigen.
- Das herkömmliche Vibrationsschweißverfahren weist einige Nachteile auf. Beispielsweise ist zusätzliches Material für den Bestandteil erforderlich, um die Kragen, Nähte und Entspanner auf den Bestandteilen auszubilden. Dieses Material verursacht zusätzliches Gewicht und Kosten und stellt für die Bestandteile keinen zusätzlichen Vorteil bereit, wenn das Luftansaugsystem einmal in einem Motor eingebaut ist. Weiterhin führt auch die Ausübung und Erhaltung der Spannkraft während des Vibrationsschweißverfahrens zu höheren Kosten.
- Da das Vibrationsschweißen während des Schmelzvorgangs Material als Grat entfernt, müssen die Schweißnähte mit dem zusätzlichen Material entworfen werden. Da die Materialmenge, welche von jedem Abschnitt der Schweißnaht unter einem Winkel zur Spannkraft entfernt wird, von dem Winkel abhängt, kann die Berechnung der korrekten Materialmenge, welche hinzuzufügen ist, kompliziert sein. Ein anderer Nachteil des Vibrationsschweißens ist, dass die Schweißnaht auf einem Kragen angebracht werden muss, was die Verbindung seitlich zu einer wirklichen Zugbelastung versetzt. Eine derartige Naht ist einem Schälkraftanteil ausgesetzt, welcher die Naht beträchtlich schwächt.
- Ein anderes Verfahren zum Verbinden von Kunststoffbestandteilen von Luftansaugungen ist das Transmissionslaserschweißen. Dieses Verfahren erfordert, dass die beiden Oberflächen, welche miteinander verbunden werden sollen, mit den Spannbestandteilen zusammengespannt werden. Wenn diese beiden Oberflächen einfache, sich überlappende, flache Oberflächen sind, müssen die beiden Spannbestandteile auf der Oberfläche liegen, welche geschweißt werden soll, eines darauf und eines darunter. Bei dieser Konfiguration muss der Laser entweder durch eine der Spannvorrichtungen passieren oder die Spannvorrichtung muss sich wegbewegen, bevor sich der sich bewegende Laser nähert, und dann muss die Spannvorrichtung nach dem Passieren des Lasers wieder angelegt werden. Bei diesem letzteren Beispiel verlangsamen das Öffnen, das sich Wegbewegen, das sich zurück in Position Bewegen und dann das Schließen der Spannvorrichtung das Laserschweißverfahren deutlich. Beim ersteren Fall muss ein Teilstück der Spannvorrichtung aus einem transparenten Material gefertigt sein, so dass der Laserstrahl durch die Spannvorrichtung passieren kann. Die Verwendung eines transparenten Materials für die Spannvorrichtung ist nicht erwünscht, da die Energie des Laserstrahls absorbiert wird, wenn das Material der Spannvorrichtung verschmutzt ist, was bewirken kann, dass die Spannvorrichtung sich erhitzt und schmilzt oder zerbricht. Keine dieser Lösungen ist daher befriedigend.
- Folglich ist es wünschenswert, über ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen zu verfügen, welche einen freien Weg des Lasers zur zu verschweißenden Oberfläche (Stoßfläche) des Bestandteils bereitstellen sowie die anderen oben stehenden Unzulänglichkeiten nach dem Stand der Technik überwinden können. Das Verfahren sollte ferner weniger Material verwenden und keine Veränderung der Geometrie des Bestandteils während des Schweißens erfordern, so dass die entstehenden Schweißnähte viel stärker sind, weil die Schweißnähte so ausgebildet sind, dass sie unter Zugbeanspruchung nachgeben, statt einen Schälkraftanteil aufzuweisen.
- KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Bestandteile von Luftansaugungen sind im Allgemeinen komplizierte Hohlbauteile, durch welche Luft strömt. Die Fertigung eines Hohlbauteils aus Kunststoff im Spritzgussverfahren erfordert entweder die Verwendung von Schmelzkerntechnik oder die Fertigung mehrerer Abschnitte des Bauteils, welche zusammengeschweißt werden. Ein Verfahren zum Laserschweißen eines ersten Abschnitts des Bestandteils an einen zweiten Abschnitt des Bestandteils umfasst die Verwendung von Schweißverbindungen, welche konische Oberflächen auf dem ersten und dem zweiten Abschnitt aufweisen, um die erste und die zweite Schweißfläche mit einem vorbestimmten Druck in Stoßverbindung zu zwingen und so einen Bereich der Laserschweißverbindung festzulegen. Dann wird ein Laserstrahl durch die erste und auf die zweite Schweißfläche gerichtet, um die Flächen zu schmelzen und den ersten und den zweiten Abschnitt des Bestandteils dauerhaft aneinander zu befestigen.
- Ein Abschnitt des Bestandteils wird aus einem lasertransparenten Material gefertigt, und der andere Abschnitt des Bestandteils wird aus einem nichttransparenten Material gefertigt. Der Laserstrahl passiert durch das transparente Material und in das nichttransparente Material, welches als ein Absorber dient. Der Laserstrahl schmilzt das absorbierende nichttransparente Material, welches wiederum das transparente Material schmilzt, um die Laserschweißnaht auszubilden, welche die Bestandteile aneinander befestigt.
- Bei einer offenbarten Ausführungsform ist der Bestandteil vorzugsweise ein Bestandteil einer Luftansaugung, wie beispielsweise ein Krümmer, welcher an einen Fahrzeugmotor montiert wird. Ein Abschnitt des Bestandteils einer Luftansaugung umfasst eine erste Laserschweißfläche und eine erste konische Verschlussfläche, welche der ersten Laserschweißfläche gegenüberliegt. Ein zweiter Abschnitt des Bestandteils einer Luftansaugung umfasst eine zweite Laserschweißfläche und eine zweite konische Verschlussfläche, welche der zweiten Laserschweißfläche gegenüberliegt. Die erste und die zweite konische Verschlussfläche zwingen die erste und die zweite Laserschweißfläche bei einem vorbestimmten Druck in Stoßverbindung. Die erste und die zweite konische Verschlussfläche halten vorzugsweise die erste und die zweite Laserschweißfläche zusammen und wirken zusammen, um den vorbestimmten Druck während des Laserschweißvorgangs zu erhalten.
- Bei einer offenbarten Ausführungsform legen die erste und die zweite Laserschweißfläche eine erste und eine zweite konische Oberfläche fest. Die erste konische Schweißfläche legt einen ersten Winkel fest, und die zweite konische Schweißfläche legt einen Winkel fest, welcher vom ersten Winkel verschieden ist. Wenn der erste Bestandteil aus einem transparenten Material ausgebildet wird, ist der erste Winkel vorzugsweise größer als der zweite Winkel. Die erste und die zweite konische Verschlussfläche legen ferner einen konischen Verschlusswinkel fest, welcher wenigstens zweimal so groß ist wie sowohl der erste als auch der zweite Winkel. Diese zweifach konische Schnittstellenkonfiguration erzeugt und erhält die gewünschten Druckwerte, welche erforderlich sind, um eine befriedigende Laserschweißverbindung zu erzielen.
- Das vorliegende System und Verfahren stellen ein einfaches und wirksames Laserschweißverfahren zum dauerhaften Befestigen von Abschnitten eines Bestandteils aneinander bereit. Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung können am besten durch die folgenden Beschreibungen und Zeichnungen, welche im Folgenden kurz beschrieben sind, verstanden werden.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine schematische Umgebungsansicht einer Laserschweißnaht für Bestandteile eines Ansaugsystems nach der vorliegenden Erfindung. -
2A ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Laserschweißverbindung der vorliegenden Erfindung vor dem Laserschweißen. -
2B zeigt die Ausführungsform der2A während des Laserschweißens. -
3 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
4 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
5 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN
- AUSFÜHRUNGSFORM
- Ein Querschnitt eines idealisierten Bestandteils einer Luftansaugung, wie beispielsweise eines Krümmers für ein Luftansaugsystem, wird allgemein unter
10 in1 gezeigt. Die folgende Beschreibung betrifft als den Bestandteil einer Luftansaugung einen Krümmer, es versteht sich jedoch, dass die Erfindung mit anderen, ähnlichen Bestandteilen eingesetzt werden kann. Der Krümmer10 umfasst wenigstens einen ersten Abschnitt oder einen oberen Mantel12 und einen zweiten Abschnitt oder unteren Mantel14 . Während der erste12 und der zweite14 Mantel des Krümmers10 gezeigt werden, versteht es sich, dass zusätzliche Abschnitte oder Mäntel erforderlich sein können, um einen vollständigen Bestandteil auszubilden. Weiterhin können der erste12 und der zweite14 Mantel verschiedene Abschnitte des gleichen Bestandteils (wie oben) sein, oder sie können verschiedene Bestandteile innerhalb des Luftansaugsystems sein. - Die Bestandteile von Luftansaugungen oder die Mäntel davon werden dauerhaft entlang eines Bereichs einer Laserschweißverbindung aneinander befestigt, welcher allgemein unter
16 gezeigt wird. Zuerst werden die Mäntel12 ,14 aneinander befestigt, um den Luftansaugkrümmer10 auszubilden. Dann wird der Luftansaugkrümmer10 an einen Fahrzeugmotor18 montiert, um saubere Luft an die verschiedenen Zylinder des Motors18 zu verteilen. - Es versteht sich, dass der Luftansaugkrümmer oder das Luftansaugsystem
10 zusätzliche Bestandteile einer Luftansaugung umfassen kann und dass diese zusätzlichen Bestandteile bei Bedarf auch durch Laserschweißen ähnlich zur nachfolgend beschriebenen Weise miteinander verbunden oder aneinander befestigt werden können. Während nur ein Bereich einer Laserschweißverbindung16 gezeigt wird, können weiterhin mehrere Bereiche von Laserschweißverbindungen nötig sein, um die mehreren Mäntel aneinander zu befestigen. - Bei einer offenbarten Ausführungsform umfasst der erste Mantel
12 einen ersten Körperabschnitt20 mit einer ersten Wandverlängerung22 , welche sich quer zum ersten Körperabschnitt20 ausdehnt. Die erste Verlängerung22 umfasst einen ersten Abschnitt24 und einen zweiten Abschnitt26 , welcher dem ersten Abschnitt24 gegenüberliegt. Die erste Verlängerung22 legt eine erste Laserschweißfläche28 auf dem ersten Abschnitt24 fest und umfasst eine erste konische Verschlussfläche30 , welche auf dem zweiten Abschnitt26 ausgebildet ist. - Die erste Laserschweißfläche
28 wird vorzugsweise als eine konische Oberfläche ausgebildet. Die erste Laserschweißfläche28 geht in einen ersten Vorsprung32 über, welcher sich von einem Ende34 der konischen Oberfläche der ersten Laserschweißfläche28 bis zu einer äußeren Oberfläche36 des ersten Abschnitts24 der Verlängerung22 ausdehnt. Die erste konische Ver schlussfläche30 geht in einen zweiten Vorsprung38 über, welcher sich von einem Ende40 der ersten konischen Verschlussfläche30 bis zu einer äußeren Oberfläche42 des zweiten Abschnitts26 der Verlängerung22 ausdehnt. Eine Übergangsfläche44 verbindet ein gegenüberliegendes Ende46 der konischen Oberfläche der ersten Laserschweißfläche28 mit dem gegenüberliegenden Ende48 der konischen Verschlussfläche30 . Vorzugsweise umfasst die Übergangsfläche44 eine gekrümmte Oberfläche mit einer flachen Partie45 am unteren Ende. Die erste Laserschweißfläche28 und die erste konische Verschlussfläche30 zeigen voneinander weg und sind durch die Übergangsfläche44 getrennt. - Der zweite Mantel
14 umfasst einen zweiten Körperabschnitt50 mit einer zweiten Wandverlängerung52 , welche sich quer zum zweiten Körperabschnitt50 erstreckt. Die zweite Verlängerung52 umfasst einen ersten Abschnitt54 und einen zweiten Abschnitt56 , welcher dem ersten Abschnitt54 gegenüberliegt. Die zweite Verlängerung52 legt eine zweite Laserschweißfläche58 auf der ersten Seite54 fest und umfasst eine zweite konische Verschlussfläche60 , welche auf dem zweiten Abschnitt56 ausgebildet ist. - Die zweite Laserschweißfläche
58 wird vorzugsweise als eine konische Oberfläche ausgebildet. Die zweite Laserschweißfläche58 geht in einen ersten Vorsprung62 über, welcher sich von einem Ende64 der konischen Oberfläche der zweiten Laserschweißfläche58 bis zu einer äußeren Oberfläche66 des ersten Abschnitts54 der Verlängerung52 erstreckt. Die zweite konische Verschlussfläche60 geht in einen zweiten Vorsprung68 über, welcher sich von einem Ende70 der zweiten konischen Verschlussfläche60 bis zu einer äußeren Oberfläche72 des zweiten Abschnitts56 der Verlängerung52 erstreckt. Eine Übergangsfläche74 verbindet ein gegenüberliegendes Ende76 der konischen Oberfläche der zweiten Laserschweißfläche58 mit dem gegenüberliegenden Ende78 der konischen Verschlussfläche60 . Vorzugsweise umfasst die Übergangsfläche74 eine vollständig gekrümmte Oberfläche. Die zweite Laserschweißfläche58 und die zweite konische Verschlussfläche60 stehen sich gegenüber und sind durch die Übergangsfläche74 getrennt. Die Oberflächen74 und44 befinden sich nicht in vollem Kontakt, wenn die Verlängerung52 auf die Verlängerung22 trifft (siehe2B ). - Der erste Mantel
12 umfasst einen ersten Spannkragen80 , welcher sich quer zur ersten Verlängerung22 erstreckt. Der zweite Mantel14 umfasst einen zweiten Spannkragen82 , welcher sich quer zur zweiten Verlängerung52 erstreckt. Der erste Spannkragen80 nimmt ein erstes Spannglied84 und der zweite Spannkragen82 ein zweites Spannglied86 auf. Die Spannglieder84 ,86 üben eine Spannkraft CF aus, welche die erste und die zweite Verlängerung22 ,52 auf einem ersten Weg aufeinander zu bewegt. Dies führt die erste30 und die zweite60 konische Verschlussfläche in eine Verbindung miteinander. Die erste30 und die zweite60 konische Verschlussfläche zwingen die erste28 und die zweite58 Laserschweißfläche in Stoßverbindung miteinander. Die erste30 und die zweite60 konische Verschlussfläche führen die erste28 und die zweite58 Laserschweißfläche entlang eines zweiten Wegs, welcher quer zum ersten Weg liegt. Ein Laser90 richtet einen Laserstrahl92 gegen die erste28 und die zweite58 Laserschweißfläche, um eine Laserschweißverbindung16 auszubilden. - Vorzugsweise wird eine kleine Lücke
98 (siehe1 ) zwischen den Kanten32 ,62 erhalten. Die Lücke98 stellt sicher, dass, wenn die Mäntel12 ,14 zusammengebracht werden, der Kontakt zuerst an den konischen Verschlussflächen30 ,60 nahe dem unteren Ende der Schnittstelle hergestellt wird. Wie deutlicher in2A gezeigt, ist die Lücke98 vorzugsweise wenigstens 0,1 mm groß, wenn der Verschlusskontakt hergestellt wird, d.h., wenn Kontakt zwischen den Oberflächen74 ,60 ,68 des zweiten Mantels14 mit den dazu passenden Oberflächen44 ,30 ,38 des ersten Mantels12 hergestellt wird. - Diese Lücke
98 von 0,1 mm kann durch verschiedene geometrische Konfigurationen erzielt werden. Bei einem Beispiel beträgt der Abstand entlang der Oberfläche72 von der Kante68 bis zum Kragen82 genauso wie der Abstand entlang der Oberfläche36 von der Kante32 bis zur Wand des Hauptkörperabschnitts20 2,22 mm. Der vertikale Abstand entlang der Oberfläche52 von der Kante62 bis zur Wand des Hauptkörperabschnitts50 beträgt 7,68 mm, und der vertikale Abstand entlang der Oberfläche42 von der Kante38 bis zum Kragen80 beträgt 7, 78 mm, was 0, 1 mm länger ist als der Abstand entlang der Oberfläche52 . Wenn folglich die Mäntel12 ,14 zusammengebracht werden, führt die Differenz von 0,1 mm zur Lücke98 von 0,1 mm zwischen den Kanten62 und32 . - Die Bedeutung der Lücke
98 liegt darin, dass, wenn die Mäntel12 ,14 zusammengebracht werden, die zweite Verlängerung52 keinen Kontakt mit der ersten Verlängerung22 vor dem Kontakt zwischen den konischen Verschlussflächen30 ,60 bekommt. Falls der anfängliche Kontakt zunächst zwischen den Verlängerungen22 ,52 entsteht, dann bewirkt die Spannkraft CF, dass die Verlängerung52 sich verzieht, was die Presspassung zwischen den Schweißflächen28 ,58 zerstört. Dieses Erhalten der Lücke98 in Verbindung mit der Presspassung zwischen den Schweißflächen28 ,58 , welche durch den anfänglichen Kontakt zwischen den konischen Verschlussflächen30 ,60 hergestellt wird, ist zum Erzielen einer einwandfreien Schweißnaht wichtig. - Es gibt auch eine Lücke
100 zwischen der Oberfläche44 der Verlängerung22 und der Oberfläche74 der Ver 1ängerung52 , welche durch die Fläche45 auf dem unteren Ende der teilweise gekrümmten Oberfläche44 bewirkt wird, welche nicht in die vollständig gekrümmte Oberfläche74 greift. Diese Lücke100 ist nötig, um zu gewährleisten, dass der anfängliche Kontakt zwischen den Oberflächen30 und60 und zwischen den Oberflächen38 und68 entsteht. - Weiterhin wird wenigstens der erste
12 oder der zweite14 Mantel daran gehindert, sich entlang des zweiten Wegs relativ zum anderen des ersten12 oder des zweiten14 Ansaugbestandteils zu bewegen. Diese Hinderung erlaubt der ersten30 und der zweiten60 konischen Verschlussfläche, die erste28 und die zweite58 Laserschweißfläche in Stoßverbindung zu arretieren und diese Stoßverbindung bei einem vorbestimmten Druckwert während des Schweißvorgangs zu erhalten. - In
2A führen die Spannglieder84 ,86 die erste22 und die zweite52 Verlängerung in einer im Allgemeinen vertikalen Richtung aufeinander zu und legen den ersten Weg fest. Die konischen Verschlussflächen30 ,60 bewegen die Kragen22 ,53 in einer im Allgemeinen seitlichen Richtung und legen den zweiten Weg fest. Es versteht sich, dass die Begriffe vertikal und seitlich bloß beschreibende Begriffe sind, welche verwendet werden, um die Richtung der Kräfte zu beschreiben, welche in den Figuren gezeigt sind. - Der vorbestimmte Druckwert wird während des Laserschweißvorgangs auf einem Druck von wenigstens einhundertneunzig (190) Pfund pro Quadratzoll (psi) gehalten. Vorzugsweise wird der Druckwert zum Erzielen einer guten Laserschweißnaht bei einem Druck von ungefähr wenigstens zweihundertzehn (210) psi gehalten.
-
2A zeigt die erste22 und die zweite52 Verlängerung vor der Verbindung zwischen der ersten30 und der zweiten60 konischen Verschlussfläche.2B zeigt die erste22 und die zweite52 Verlängerung in Stoßverbindung während des Laserschweißvorgangs. Der Laser90 richtet den Laserstrahl92 vorzugsweise in eine Richtung, welche senkrecht zu wenigstens der ersten28 oder der zweiten58 Laserschweißfläche steht. - Die Konfiguration, welche in den
2A und2B gezeigt wird, ist die bevorzugte Ausführungsform, wobei die Oberflächen36 und52 innere Wandflächen des Bestandteils und die Oberflächen42 und72 äußere Wandflächen des Bestandteils sind. Bei dieser Konfiguration ist die Oberfläche42 die erste Oberfläche, welche den Laserstrahl92 aufnimmt. Es ist auch möglich, eine spiegelverkehrte Konfiguration des Verbindungsentwurfs zu verwenden, wobei die Oberflächen42 und72 innere Wandflächen und die Oberflächen36 und52 äußere Wandflächen sind. Es ist möglich, bei dieser spiegelverkehrten Konfiguration zu schweißen, der resultierende Bestandteil wird jedoch schwächer sein, da der Laser90 nicht in der Lage ist, eine der Oberflächen hinter der Oberfläche74 zu erreichen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche, welche nicht vom Laser90 erreicht werden kann, d.h. die Oberfläche32 , viel kürzer. Bei beiden Konfigurationen wirken die unverschweißten Oberflächen belastungssteigernd, wenn diese Hohlbestandteile einem Innendruck wie bei einem Bersttest ausgesetzt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der Wand, auf welche die Belastungssteigerung wirkt, größer als bei der spiegelverkehrten Konfiguration. Deshalb kann der Bestandteil einem höheren Innendruck ausgesetzt werden, bevor sich ein Riss durch die Wand ausbreitet. - Die Ausführungsform, welche in
3 gezeigt ist, ist der in den2A und2B gezeigten ähnlich. Während die Ausführungsform der2A und2B jedoch die vorhandenen Spannkragen80 ,82 einsetzt, setzt die Ausführungsform der3 einen ersten und einen zweiten Minikragen94 ,96 ein, welche die Spann vorrichtungen84 ,86 aufnehmen. Die Minikragen94 ,96 reduzieren wesentlich die Materialmenge, welche gebraucht wird, um die Wandverlängerungen22 ,52 auszubilden, was wiederum das Gesamtgewicht des ersten12 und des zweiten14 Bestandteils der Luftansaugung reduziert. - Die in
4 gezeigte Ausführungsform ist der in3 gezeigten Ausführungsform ähnlich, reduziert jedoch die Materialmenge weiter, welche zum Ausbilden der Wandverlängerung22 benötigt wird. Dies wird erreicht, indem die äußere Oberfläche42 der einen Seite der Wandverlängerung22 im Allgemeinen parallel zur ersten Laserschweißfläche28 gefertigt wird. Diese Ausführungsform wird gegenüber der in3 gezeigten Ausführungsform bevorzugt, weil die Materialmenge, durch welche der Laserstrahl92 passieren muss, über den Schweißbereich hinweg gleich ist. Dies gewährleistet eine gleichmäßigere Erwärmung der Oberfläche58 . Da der Laserstrahl jetzt senkrecht zur äußeren Oberfläche steht, tritt ferner ein geringerer Verlust an Laserenergie aufgrund von Reflexion auf. - Die Ausführungsform der
5 ist denen der2A ,2B ,3 und4 ähnlich, eliminiert jedoch die Spannkragen80 ,82 und94 ,96 völlig. Die erforderliche Kraft, um den ersten30 und den zweiten60 konischen Verschlussabschnitt in Verbindung miteinander zu bewegen, wird über die Körperabschnitte20 ,50 des ersten12 und des zweiten14 Bestandteils der Luftansaugung angewandt. - Bei jeder der offenbarten Ausführungsformen ist der erste Mantel
12 aus einem lasertransparenten Material und der zweite Mantel14 aus einem nichttransparenten (absorbierenden) Material angefertigt. Jede Art transparenter und nichttransparenter Materialien, welche in der Technik bekannt sind, kann verwendet werden. Der Laserstrahl92 passiert durch das transparente Material und in das nichttransparente Material, welches als ein Absorber dient. Der Laserstrahl92 heizt das absorbierende, nichttransparente Material auf, was bewirkt, dass es schmilzt, was wiederum das transparente Material schmilzt, um die Laserschweißverbindung16 auszubilden, welche die Mäntel12 ,14 aneinander befestigt. - Jede der offenbarten Ausführungsformen umfasst auch eine ähnliche bevorzugte Geometrie, welche den konischen Verschluss erzielt, d.h. sie erzielt eine Konfiguration, welche die erste
28 und die zweite58 Laserschweißfläche bei den gewünschten Druckwerten für das Laserschweißen zwingt und dort hält. Die erste Laserschweißfläche28 ist eine konische Oberfläche, welche durch einen ersten Winkel festgelegt ist. Die zweite Laserschweißfläche58 ist eine konische Oberfläche, welche durch einen zweiten Winkel festgelegt ist. Vorzugsweise ist der erste Winkel größer als der zweite Winkel. - Auch die erste
30 und die zweite60 konische Verschlussfläche sind durch den gleichen Konuswinkel festgelegt. Dieser Konuswinkel ist vorzugsweise wenigstens zweimal so groß wie der erste und der zweite Winkel. Bei der bevorzugten Konfiguration beträgt der erste Winkel wenigstens vierzehn (14) Grad, der zweite Winkel beträgt. wenigstens zwölf (12) Grad, und der konische Verschlusswinkel beträgt wenigstens sechsunddreißig (36) Grad. Während diese Konfiguration bevorzugt wird, versteht es sich, dass auch andere, ähnliche geometrische Konfigurationen verwendet werden können. - Die vorliegende Erfindung stellt im Vergleich mit herkömmlichen Laserschweißsystemen mehrere Vorteile bereit. Das Merkmal des konischen Verschlusses erlaubt es, dass die Spannvorrichtungen
84 ,86 , welche die Spannkraft CF anwenden, in allen Konfigurationen aus dem direkten Weg des Laserstrahls92 verlegt werden können. Weiterhin liegt die fertige Laserschweißverbindung16 innerhalb des Wandmaterials oder der Wandverlängerungen22 ,52 der Bestandteile12 ,14 und darum nicht außerhalb der Wände des Bestandteils, wie bei herkömmlichen Konfigurationen, wo sie auf den Kragen80 ,82 lokalisiert wäre. Weiterhin stellt das Eliminieren der Kragen80 ,82 einen kleineren und leichteren Bestandteil12 ,14 bereit. Folglich führt bei dieser Konfiguration ein Bersttest (ein bekannter Test, welcher die Festigkeit der Schweißnaht bestimmt) zu einem Zugspannungsbruch statt einem Schälbruch. Bekanntermaßen sind Schweißnähte hinsichtlich Zugspannungsbrüchen stärker als hinsichtlich Schälbrüchen. - Es werden zusätzliche Vorteile bereitgestellt, welche die Schmelzung betreffen, welche herkömmlich während des Laserschweißvorgangs erzeugt wird. Es gibt keine Schmelzung während des Laserschweißens mit dieser einzigartigen Konfiguration der zweifachen konischen Schnittstellenschweißverbindung. Folglich braucht während der Entwurfphase kein Aufmaß für die Schmelzung in die Bestandteile eingebaut werden. Dies ist vorteilhaft, weil das Bestimmen des genauen Rufmaßes für die Schmelzung schwierig ist, wenn die Schweißflächen relativ zur Spannkraft CF abgewinkelt sind. Wenn die Mäntel
12 ,14 erst einmal zusammengespannt sind, weist der Aufbau bei der vorliegenden Konfiguration vor und nach dem Schweißen die gleiche Geometrie auf. - Die vorliegende Erfindung erfüllt ferner die folgenden Anforderungen, welche zum Erzielen einer einwandfreien Schweißverbindung mit einem Transmissionslaser zwischen Bestandteilen aus Kunststoff erforderlich sind. Vorzugsweise beträgt eine Dicke des transparenten Materials an der Schweißnaht vier (4) Millimeter (mm) oder weniger. Eine allgemeine Wanddicke von drei (3) bis zweieinhalb (2,5) mm wird bevorzugt. Auch die Breite der Schweißflächen beträgt vorzugsweise wenigstens fünfeinhalb (5,5) mm, was der maximalen Spurbreite des Laserstrahls
92 entspricht. - Die vorliegende Erfindung stellt auch dort, wo die abgewinkelte Oberfläche lang genug ist, um einen Versatz zuzulassen, welcher durch Verzerrung verursacht wird, eine abgewinkelte Verbindung bereit, welche stark genug ist, um den Kräften zu widerstehen, welche erforderlich sind, um den Versatz zu eliminieren. Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verschlussmerkmal, welches verhindert, dass die Mäntel
12 ,14 relativ zueinander verrutschen, und umfasst ein Konusmerkmal, welches, wenn es beim Spannen einmal verbunden ist, die Schweißflächen28 ,58 zum Schweißen aufeinander zu treibt. - Die vorliegende Erfindung setzt auch eine minimale Materialmenge ein und stellt eine lückenlose Schnittstelle zwischen den Schweißflächen
28 ,58 bereit. Weiterhin ist die konische Schweißverbindung16 so entworfen, dass sie den Kräften widersteht, welche benötigt werden, um die Lücken zu eliminieren. Ungefähr fünfhundert (500) Pfund Spannkraft CF sind ausreichend, um jede Verformung des Bestandteils zu überwinden. Wie oben besprochen wird vorzugsweise ein Druck von wenigstens 210 psi zwischen den Schweißflächen28 ,58 erhalten, um reproduzierbare Schweißnähte zu gewährleisten. - Vorzugsweise sollte die Schweißverbindung
16 so parallel wie möglich zu einer oberen Oberfläche des ersten (transparenten) Bestandteils12 liegen. Dies erlaubt dem Laserstrahl92 , fast senkrecht sowohl zur oberen Oberfläche als auch zur Oberfläche zu liegen, welche geschweißt werden soll, und reduziert Verluste an Strahlenergie aufgrund von Reflexion. Dies lässt ferner zu, dass die Erhitzung durch den Laser90 symmetrisch zur Mitte des Strahls92 erfolgt. - Vorzugsweise werden keine Trennlinien zugelassen, welche die Schweißfläche kreuzen. Die Schweißfläche liegt vorzugsweise nicht an einem Wendepunkt der Innenkrümmung eines Bauteils, d.h., die Schweißnaht liegt nicht an einer Position unmittelbar unter dem Kragen
80 ,82 , sondern ist stattdessen nahe der Mitte eines geraden Abschnitts positioniert, d.h. entlang der Wandverlängerungen22 ,52 . Dies erhält die Integrität der Schweißnaht. - Die vorliegende Laserschweißverbindung erfüllt auch andere bekannte Anforderungen, welche erzielt werden müssen, um eine einwandfreie Schweißnaht auszubilden. Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung offenbart wurde, wird ein Durchschnittfachmann erkennen, dass bestimmte Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung liegen. Aus diesem Grund sollten die nachfolgenden Ansprüche studiert werden, um den wirklichen Schutzumfang und Inhalt dieser Erfindung zu bestimmen.
Claims (20)
- Laserschweißverbindung, umfassend: einen ersten Bestandteilsabschnitt, welcher eine erste Laserschweißfläche festlegt und welcher eine erste konische Oberfläche gegenüber der ersten Laserschweißfläche umfasst; und einen zweiten Bestandteilsabschnitt, welcher eine zweite Laserschweißfläche festlegt und welcher eine zweite konische Oberfläche gegenüber der zweiten Laserschweißfläche umfasst, wobei die erste und die zweite konische Oberfläche zusammen die erste und die zweite Laserschweißfläche bei einem vorbestimmten Druck in Stoßverbindung zwingen, wobei ein Laserstrahlverbindungsbereich ausgebildet wird, und wobei ein Laserstrahl auf den Laserstrahlverbindungsbereich gerichtet wird, um den ersten und den zweiten Bestandteilsabschnitt dauerhaft aneinander zu befestigen.
- Laserschweißverbindung nach Anspruch 1, wobei der erste Bestandteilsabschnitt einen oberen Mantel für einen Bestandteil einer Luftansaugung umfasst und der zweite Bestandteilsabschnitt einen unteren Mantel für den Bestandteil einer Luftansaugung umfasst, wobei der obere und der untere Mantel zusammen den Bestandteil einer Luftansaugung ausbilden, welcher an einen Fahrzeugmotor montierbar ist.
- Laserschweißverbindung nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Druck wenigstens 190 Pfund pro Quadratzoll (psi) beträgt.
- Laserschweißverbindung nach Anspruch 1, wobei einer des ersten und des zweiten Bestandteilsab schnitts ein lasertransparentes Material umfasst und der andere des ersten und des zweiten Bestandteils ein absorbierendes Material umfasst.
- Laserschweißverbindung nach Anspruch 1, wobei wenigstens die erste oder die zweite konische Oberfläche einen Konuswinkel von wenigstens dreißig Grad festlegt.
- Laserschweißverbindung nach Anspruch 1, wobei die erste Laserschweißfläche eine erste konische Schweißfläche umfasst und die zweite Laserschweißfläche eine zweite konische Schweißfläche umfasst und wobei die erste und die zweite konische Oberfläche die erste und die zweite konische Schweißfläche zusammenarretieren und den vorbestimmten Druck während des Laserschweißens erhalten.
- Laserschweißverbindung nach Anspruch 6, wobei die erste und die zweite konische Schweißfläche Schweißkonuswinkel festlegen, welche verschieden voneinander sind, und wobei die erste und die zweite konische Oberfläche einen Konuswinkel festlegen, welcher wenigstens zweimal so groß wie die Schweißkonuswinkel für sowohl die erste als auch die zweite konische Schweißfläche ist.
- Laserschweißverbindung nach Anspruch 7, wobei der Konuswinkel wenigstens sechsunddreißig Grad beträgt, wobei der Schweißkonuswinkel für die erste konische Schweißfläche wenigstens vierzehn Grad beträgt und der Schweißkonuswinkel für die zweite konische Schweißfläche wenigstens zwölf Grad beträgt.
- Bestandteil eines Luftansaugaufbaus, umfassend: einen ersten Mantel, welcher aus einem lasertransparenten Material gefertigt ist und welcher eine erste Laserschweißfläche festlegt und welcher eine erste konische Verschlussfläche gegenüber der ersten Laserschweißfläche umfasst; einen zweiten Mantel, welcher aus einem absorbierenden Material gefertigt ist und welcher eine zweite Laserschweißfläche festlegt und welcher eine zweite konische Verschlussfläche gegenüber der zweiten Laserschweißfläche umfasst; und einen Laserschweißverbindungsbereich, welcher an der ersten und der zweiten Laserschweißfläche ausgebildet ist, um den ersten Mantel dauerhaft am zweiten Mantel zu befestigen, wobei die erste und die zweite konische Verschlussfläche zusammen die erste und die zweite Laserschweißfläche bei einem vorbestimmten Druck während eines Laserschweißvorgangs in Stoßverbindung arretieren.
- Bestandteil eines Luftansaugaufbaus nach Anspruch 9, wobei der vorbestimmte Druck wenigstens 190 Pfund pro Quadratzoll (psi) beträgt.
- Bestandteil eines Luftansaugaufbaus nach Anspruch 10, wobei die erste Laserschweißfläche eine erste konische Schweißfläche umfasst, welche einen ersten Winkel festlegt, und wobei die zweite Laserschweißfläche eine zweite konische Oberfläche umfasst, welche einen zweiten Winkel festlegt, welcher vom ersten Winkel verschieden ist.
- Bestandteil eines Luftansaugaufbaus nach Anspruch 11, wobei ein Laserstrahl im Allgemeinen senkrecht auf wenigstens die erste oder die zweite konische Schweißfläche angewandt wird.
- Bestandteil eines Luftansaugaufbaus nach Anspruch 11, wobei wenigstens die erste oder die zweite konische Verschlussfläche einen Konuswinkel festlegt, welcher wenigstens zweimal so groß ist wie sowohl der erste als auch der zweite Winkel.
- Verfahren zum Verbinden eines ersten Ansaugbestandteilsabschnitts mit einem zweiten Ansaugbestandteilsabschnitt bei einem Luftansaugsystem, die folgenden Schritte umfassend: (a) Ausbilden eines ersten Bestandteilsabschnitts einer Luftansaugung aus einem lasertransparenten Material, welches eine erste Laserschweißfläche festlegt, und Ausbilden einer ersten konischen Oberfläche auf dem ersten Bestandteilsabschnitt einer Luftansaugung gegenüber der ersten Laserschweißfläche; (b) Ausbilden eines zweiten Bestandteilsabschnitts einer Luftansaugung aus einem absorbierenden Material, welches eine zweite Laserschweißfläche festlegt, und Ausbilden einer zweiten konischen Oberfläche auf dem zweiten Bestandteilsabschnitt einer Luftansaugung gegenüber der zweiten Laserschweißfläche; (c) Einrücken der ersten und der zweiten konischen Oberfläche, um die erste und die zweite Laserschweißfläche bei einem vorbestimmten Druck in Stoßverbindung zu zwingen; und (d) Richten eines Laserstrahls auf die erste und die zweite Laserschweißfläche, um eine Laserschweißverbindung auszubilden, welche den ersten Bestandteilsabschnitt einer Luftansaugung dauerhaft mit dem zweiten Bestandteilsabschnitt einer Luftansaugung verbindet.
- Verfahren nach Anspruch 14, umfassend die Schritte des Einrückens der ersten und der zweiten konischen Oberfläche durch Anwenden einer ersten Kraft in einer ersten Richtung, des Bewegens der ersten und der zweiten Laserschweißfläche in Stoßverbindung mit der ersten und der zweiten konischen Oberfläche, die eine zweite Kraft in eine zweite Richtung quer zur ersten Richtung ausüben und des Erhaltens des vorbestimmten Drucks während des Laserschweißvorgangs.
- Verfahren nach Anspruch 14, umfassend die Schritte des Ausbildens der ersten Laserschweißfläche mit einer ersten konischen Schweißfläche, welche einen ersten Winkel festlegt, und des Ausbildens der zweiten Laserschweißfläche mit einer zweiten konischen Schweißfläche, welche einen zweiten Winkel festlegt, welcher vom ersten Winkel verschieden ist.
- Verfahren nach Anspruch 16, umfassend den Schritt des Ausbildens der ersten und der zweiten konischen Oberfläche mit einem Konuswinkel, welcher wenigstens zweimal so groß ist wie sowohl der erste als auch der zweite Winkel.
- Verfahren nach Anspruch 17, umfassend die Schritte des Festlegens des Konuswinkels auf wenigstens sechsunddreißig Grad, des Festlegens des ersten Winkels auf wenigstens vierzehn Grad und des Festlegens des zweiten Winkels auf wenigstens zwölf Grad.
- Verfahren nach Anspruch 16, umfassend den Schritt des Positionierens des Laserstrahls im Allgemeinen senkrecht zu wenigstens dem ersten oder dem zweiten Winkel.
- Verfahren nach Anspruch 14, umfassend den Schritt des Arretierens der ersten und der zweiten Laserschweißfläche in Stoßverbindung mit der ersten und der zweiten konischen Oberfläche.
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