DE19850763C1 - Verfahren zum Zusammenschweißen von runden, zunächst lose ineinandergesteckten Teilen mittels eines energiereichen Strahles - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenschweißen von runden Teilen mittels einer Laserschweißung, bei dem die Teile entlang eines entsprechenden Paares von Zentrierflächen, die gemeinsam einen zylindrischen Fügespalt einschließen, zunächst lose gefügt und danach mittels einer durchgehenden, entlang des Fügespaltes gelegten Ringnaht zusammengeschweißt werden. Das radial außerhalb des Fügespaltes liegende Teil ist gegenüber dem vorzugsweise radial innerhalb des Fügespaltes liegende Teil zumindest bezüglich seines fügespaltnahen Bereiches mit einer höheren Wärmekapazität und/oder massereicher ausgebildet. Die Zentrierflächen der zu verschweißenden Teile weisen ein Spiel zueinander auf, welches etwa der thermischen Dehnung des inneren Teiles relativ zum äußeren Teil unter dem Einfluß der schweißbedingten Erwärmung entspricht. Zum Schweißen werden die Teile im Rahmen des genannten Spieles exzentrisch so zueinander gefügt, daß die Zentrierflächen sich an einer Umfangsstelle berühren und an den anderen Umfangsstellen ein zunehmendes Spiel zueinander aufweisen, wobei die Exzentrizitätslage während der Schweißung unbeeinflußt bleibt. Die solcherart lose und exzentrisch gefügten Teile werden ohne vorherige Heftschweißung entlang der in einem Zug gelegten Ringnaht zusammengeschweißt, wobei mit der Schweißung an der Umfangsstelle der anfänglichen Berührung der Zentrierflächen begonnen wird. Der entlang des Fügespaltes geführte Schweißstrahl ist zumindest angenähert axial ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenschweißen von von zunächst lose ineinandergesteckten, vorzugsweise im Fügebe­ reich runden Teilen mittels einer Schmelzschweißung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE 37 02 411 A1 als bekannt hervorgeht.

Die EP 582 985 A1 beispielsweise zeigt einen luftspaltisolier­ ten Abgaskrümmer, bei dem zwei im Flanschbereich konzentrisch ineinander gefügte Rohre in die Öffnung des Flansches etwa bis zur Hälfte der Flanschdicke eingesteckt und im Innern der Öff­ nung mit dem Flansch und untereinander durch eine gemeinsame Kehlnaht verschweißt sind. Über die Energieart der Schweißung ist keine Aussage gemacht.

Beim Zusammenschweißen von runden, konzentrisch gefügten Teilen müssen wegen einer Erwärmung der Teile beim Schweißen und wegen der dadurch hervorgerufenen, thermischen Verformung die Teile zunächst in der gewünschten Relativlage aufgedornt und dann bei geringem Wärmeeintrag geheftet werden, damit sie diese gegen­ seitige Lage beim eigentlichen Schweißen trotz der thermischen Verformungen beibehalten. Das Heften kann durch einzelne am Um­ fang des Fügespaltes verteilt angeordnete Schweißpunkte oder kurze Schweißnahtabschnitte oder - bei Laserschweißungen - durch eine durchgehende Laserschweißung mit geringerer Ein­ schweißtiefe als der späteren eigentlichen Fügeschweißung er­ folgen. In jedem Fall stellt das Aufdornen und das Heften der Teile jeweils einen eigenen, gesonderten Arbeitsgang dar, der die Herstellungszeit verlängert und die Produktivität einer Se­ rienschweißanlage beeinträchtigt.

Die eingangs zitierte DE 37 02 411 A1 behandelt ein Verfahren zum Herstellen von Rundnahtgeschweißten Scheibenrädern mittels einer Laserschweißung. Dabei wird ein im Rohzustand annähernd zylindrischer Felgenring mit einer annähernd napfförmigen Rad­ schüssel entlang einer Rundnaht zusammengeschweißt. Die Rad­ schüssel wird unter einer gewissen Vorspannung lagerichtig in den Felgenring eingesetzt, so daß die beiden zu verschweißenden Teile wie ein einziges Teil vorsichtig gehandhabt werden kön­ nen. Damit dieses lagestabile Zusammenpassen der Teile möglich ist, müssen die Teile an den Fügestellen eine entsprechend hohe Paßgenauigkeit aufweisen; außerdem müssen die Teile in einer gesonderten Arbeitsoperation und Fügevorrichtung in die ge­ wünschte Relativlage zueinander gebracht werden. Die so vorbe­ reiteten Teile werden zentrisch auf den drehbaren Werkstückhal­ ter einer Laserschweißmaschine eingespannt. Anschließend wird die Fügestelle unter Drehung des Werkstückes entlang eines Paa­ res von diamtral gegenüber liegenden, simultan zum Einsatz ge­ langenden Laserstrahlen entlanggeführt und dabei aufgrund einer vorübergehenden Aussetzung der Laserenergie an einer unterbro­ chenen Naht rundgeschweißt.

Ausgehend von dem gattungsgemäß zugrundegelegten Verfahren ist es Aufgabe der Erfindung, das Schweißverfahren rationeller zu gestalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Aufgrund einer gezielten Wärme­ kapazität bezüglich der zu verschweißenden Teile, aufgrund ei­ ner bestimmten Spielbemessung der zu fügenden und zu verschwei­ ßenden Teile und aufgrund einer anfänglichen Desaxierung der Teile kann erfindungsgemäß auf ein Aufdornen sowie auf ein ge­ sondertes Heften der Teile verzichtet werden, weil die thermi­ sche Verformung der Teile die genaue konzentrische Lage während des Schweißens selbsttätig herbeiführt. Durch den Entfall des Aufdornens und des gesonderten Heftens vorher der eigentlichen Schweißung ist der Schweißvorgang rationeller gestaltet. Trotz­ dem ist die Schweißung mit keiner Genauigkeitseinbuße verbun­ den.

Die Erfindung ist überall da mit Vorteil, wo das radial außer­ halb des Fügespaltes liegende Teil zumindest bezüglich eines fügespaltnahen Bereiches von etwa 5 bis 10 mm aus einem Materi­ al höherer Wärmekapazität und ggf. massereicher ausgebildet ist als das radial innerhalb des Fügespaltes liegende Teil bzw. dessen fügespaltnahen Bereiches. Der Konstrukteur hat es in der Hand, die Teile in ihrem fügespaltnahen Bereich entsprechend zu gestalten und darauf zu achten, daß die Zentrierflächen der zu verschweißenden Teile ein Spiel zueinander aufweisen, welches etwa der thermischen Dehnung des inneren Teiles relativ zum äu­ ßeren Teil unter dem Einfluß der schweißbedingten Erwärmung entspricht. Die höhere bzw. geringere Wärmekapazität der zu verschweißenden Teile kann bspw. durch ein unterschiedliches Material und/oder insbesondere durch eine entsprechend größere bzw. kleinere Bemaßung und damit eine größere bzw. kleiner Mas­ se der Teile zumindest im Bereich der Verschweißung realisiert werden. Außer den genannten Flanschverbindungen ist die Verbin­ dungstechnik bei mehrteilig zusammengesetzten Getriebeteilen der unterschiedlichsten Art einsetzbar.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigt

Fig. 1 einen partiellen Schnitt durch den Flansch und anschlie­ ßenden Rohrbereich eines luftspaltisolierten Abgassamm­ lers entlang der Schnittlinie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 die Ansicht II-II auf den Ausschnitt des Abgassammlers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Einzeldarstellung der Einzelheit III aus Fig. 1 und

Fig. 4 eine Darstellung von zwei Anwendungsbeispielen erfin­ dungsgemäßer Schweißungen in einem mehrteilig zusammen­ gesetzten Getriebeteil.

Der in den Fig. 1 und 2 ausschnittsweise dargestellte, luft­ spaltisolierte Abgassammler ist im Wesentlichen durch ein zwei­ schaliges Außenrohr 3 mit Längsnaht 5 und nahtlos im Innenhoch­ druck-Umformverfahren hergestellten Formstücken eines Innenroh­ res 3 gebildet, die - abgesehen vom Flanschbereich - einen Luftspalt zwischen sich einschließen. Im Bereich des Flansches 1 weisen die beiden Rohre 3 und 4 praktisch kein Spiel zueinan­ der auf; sie sind in diesem Bereich berührend zu einem konzen­ trischen Verbund zusammengesteckt. Und zwar endigen die Wandun­ gen im Flanschbereich etwa bündig zueinander. Die Formstücke des Innenrohres werden ineinander gesteckt, in die untere Scha­ le des Außenrohres lagegerecht eingelegt, die obere Schale des Außenrohres aufgelegt und daß Außenrohr entlang der Längsnaht 5 geschlossen. An den solcherart vorbereiteten Rohling eines luftspaltisolierten Abgassammlers müssen nun noch die Flansche 1 angeschweißt werden.

Um diese Schmelzschweißung rationell, d. h. ohne vorherige Heft­ schweißung und trotzdem genau durchführen zu können, wird er­ findungsgemäß folgendermaßen vorgegangen:

Das Außenrohr 3 bildet mit seiner runden Außenoberfläche eine Zentrierfläche, die mit der runden Leibung der Öffnung 2 im Flansch 1 als weiterer Zentrierfläche zusammengesteckt und so zunächst lose gefügt wird. Die beiden Zentrierflächen schließen gemeinsam einen zylindrischen Fügespalt 6 ein. Der radial au­ ßerhalb des Fügespaltes liegende Flansch weist eine höhere Wär­ mekapazität und/oder ist massereicher ausgebildet, als die bei­ den radial innerhalb des Fügespaltes liegenden Rohre 3 und 4 im fügespaltnahen Bereich. Die Zentrierflächen der zu verschwei­ ßenden Rohre einerseits und der Flanschöffnung andererseits weisen ein Spiel 7 zueinander auf, welches etwa der thermischen Dehnung der Rohre relativ zum Flansch 1 unter dem Einfluß der schweißbedingten Erwärmung entspricht.

Die Rohre 3 und 4 sind im Fügebereich massearm und/oder weisen eine kleinere Wärmekapazität auf, wogegen der Flansch 1 masse­ reich ausgebildet ist bzw. eine höhere Wärmekapazität aufweist. Durch diese Kostrktive und/oder Materialseite Auswahl erwärmen sich beim Zusammenschweißen die Rohre relativ stark, weil die eingetragene Wärme nicht rasch in angrenzende Werkstoffvolumina abfließen kann. Hingegen bleibt der Flansch beim Schweißen ver­ gleichsweise kalt, da die eingetragene Wärme über breite Quer­ schnitte rasch in die angrenzende Werkstückmasse abfließen und sich auf den gesamten Flansch verteilen kann. Aufgrund der Un­ terschiedlichen Erwärmung dehnen sich die Rohre beim Schweißen radial aus wogegen der Flansch thermisch weitgehend formstabil bleibt.

Zum Schweißen werden die Teile im Rahmen des genannten Spieles 7 exzentrisch zueinander gefügt, derart, daß die Zentrierflä­ chen sich an einer Umfangsstelle 9 berühren und an den anderen Umfangsstellen ein zunehmendes Spiel zueinander aufweisen, wo­ bei die zur Berührungsstelle 9 hin weisende Exzentrizitätsrich­ tung 8 während der Schweißung unverändert bleibt. Die solcher­ art lose und exzentrisch gefügten Teile werden ohne vorherige Aufdornung und ohne vorherige Heftschweißung in einem Zug mit einer Ringnaht 13 zusammengeschweißt, wobei mit der Schweißung an der Umfangsstelle 9 der anfänglichen Berührung der Zentrier­ flächen begonnen wird. Die Schweißung wird mittels eines Laser­ strahles 10 durchgeführt, der besonders wenig Energie in die Teile, insbesondere in den Flansch einträgt, so daß thermisch bedingte, bleibende Verzüge des Flansches nicht zu befürchten sind. Der Flansch bleibt dadurch mit guter Genauigkeit eben und können mit einer preisgünstigen und dauerhaften Flachdichtung geringer Stärke gepaart werden. Ausgehend von dem Startpunkt 9 dehnen sich die Rohre im Maß des Fortschreitens der Schweißnaht durch die zunehmende Erwärmung aus, so daß in dem vorauslaufen­ den Umfangsbereich die zu verschweißenden Teile sich gerade ge­ genseitig berühren. Auf diese Weise können ohne vorheriges Hef­ ten die Rohre 3, 4 und der Flansch 1 lagegenau mit der Ringnaht 13 zusammengeschweißt werden.

Bei einer für die Serienfertigung vorbereiteten Schweißung wur­ den folgende Parameter für den Schweißprozeß vorgesehen:

• - Wandstärke s des Außenrohres etwa 1,5 mm;
• - Wandstärke w des Innenrohres etwa 1,0 mm;
• - Wandstärke f des Flansches etwa 8 mm;
• - Spiel 7 des Außenrohres in der Flanschöffnung etwa 0,2 mm.
• - Der entlang des Fügespaltes 6 geführte Laserstrahl 10 war zumindest angenähert axial ausgerichtet, wobei er mit seiner Strahlachse 12 etwa 8° gegen die Rohrachse zur Rohrmitte hin geneigt war (Neigungswinkel α).
• - Es wurde stark defokussiert geschweißt, um einen großen Brennfleck zu erhalten. Der Abstand a des Fokus' 11 lag etwa 10 mm oberhalb der Werkstückoberfläche.
• - Der Brennfleck - gemessen bei 86% der Strahlenergie - hatte einen Durchmesser d von etwa 1,25 mm. Durch eine entspre­ chend hohe Ausgangsleistung des Laserstrahles mußte dafür gesorgt werden, daß die Energiedichte im Brennfleck ausrei­ chend hoch für das Schweißen war. Der große Brennfleck- Durchmesser wurde im Hinblick auf eine Spalt- oder Spiel­ überbrückung gewählt.
• - Beim Schweißen wurde der Strahl so eingestellt und relativ zum Werkstück geführt, daß der Mittelpunkt des Brennfleckes etwa in der Mitte der Wandstärke der Wandung des Außenrohres 3 lag.

Im Zusammenhang mit der Darstellung nach Fig. 4 sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Schweißung auch bei ande­ ren Bauteilen, beispielsweise Getriebeteilen, mit Vorteil durchführbar ist. Und zwar zeigt Fig. 4 zwei Ringschweißungen 20 bzw. 21 entlang axial ausgerichteter Fügespalte.

Die erste Schweißung 20 ist zwischen einen aus Blech gefertig­ ten Lamellenträger 15 und einem Zahnrad 16 angebracht. Am In­ nenrand des Lammellenträgers ist eine zylindrische Aushalsung 22 hoher Form- und Paßgenauigkeit angeformt, die in eine genau gearbeitete, zentrische Bohrung des Zahnrades mit definiertem Spiel eingreift. Die Aushalsung 22 ist massearm, wogegen das Zahnrad 16 massereich ausgebildet ist. Dadurch erwärmt sich beim Zusammenschweißen die Aushalsung relativ stark, weil die eingetragene Wärme nicht rasch in angrenzende Werkstoffvolumina abfließen kann. Hingegen bleibt das Zahnrad 16 beim Schweißen vergleichsweise kalt, da die eingetragene Wärme über breite Querschnitte rasch in die angrenzende Zahnradmasse abfließen und sich auf das gesamte Zahnrad verteilen kann. Aufgrund der Unterschiedlichen Erwärmung dehnt sich die Aushalsung beim Schweißen radial aus wogegen das Zahnrad thermisch weitgehend unverändert bleibt. Das oben genannte definierte Spiel zwischen Aushalsung und Nabenbohrung im Zahnrad ist entsprechend der Re­ lativdehnung der Aushalsung zur Zahnradbohrung unter dem Ein­ fluß der beim Schweißen auftretenden Erwärmung bemessen.

Zum Zusammenschweißen von Lamellenträger und Zahnrad wird die in die Nabenbohrung eingesteckte Aushalsung im Rahmen des Spie­ les exzentrisch in eine bestimmte Richtung maximal bis zur Be­ rührung an einer Umfangsstelle verschoben und an dieser Um­ fangsstelle mit dem Schweißen begonnen, wobei die Richtung der Exzentrizität beim Schweißen beibehalten wird. Durch die zuneh­ mende Erwärmung dehnt sich die Aushalsung im Maß des Fort­ schreitens der Schweißnaht aus, so daß in dem dem jeweiligen Arbeitspunkt des Schweißens vorauslaufenden Umfangsbereich die zu verschweißenden Teile sich gerade gegenseitig berühren. Auf diese Weise können ohne vorheriges Heften die Teile 15 und 16 lagegenau mit der - ersten - Ringnaht 20 zusammengeschweißt werden.

Der so hergestellte Teileverbund 15/16 aus Lamellenträger und Zahnrad muß auch noch mit einer Welle 17 zusammengeschweißt werden, wozu an dieser ein Flansch 18 angeformt ist, der mit seinem Umfang in einen Absatz der Nabenbohrung des Zahnrades mit definiertem Spiel eingreift. Damit entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung das radial innerhalb der - zweiten - Fügestelle liegende Teil, nämlich hier der Flansch 18, zumin­ dest im Fügebereich massearm ist, sind nahe des Außenumfangs des Flansches Wärmedämmnuten 19 eingearbeitet, die nur einen geringen Wärmeflußquerschnitt zur Basis des Flansches hin übrig lassen, der jedoch unter Festigkeitsgesichtspunkten ohne weite­ res noch ausreichend ist. Durch die Querschnittsverengung kommt es beim Schweißen zu einem Wärmestau in dem außerhalb der Wär­ medämmnuten liegenden Bereich des Flansches, so daß dieser sich beim Schweißen ausdehnt, wogegen das massereiche Zahnrad 16 den beim Schweißen zahnradseitig eingetragenen Wärmeanteil aufgrund der großen Wärmeflußquerschnitte darin weiträumig verteilen kann und es sich demgemäß wenig erwärmt.

Beim Schweißen dieser beiden Teile mit der zweiten Ringnaht 21 wird völlig analog zu dem Schweißen der ersten Ringnaht 21 vor­ gegangen, so daß darauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.

Claims (5)

1. Verfahren zum Zusammenschweißen von zunächst lose ineinan­ dergesteckten, vorzugsweise im Fügebereich runden Teilen (1, 3, 4 oder 16, 15 oder 16, 18) mittels einer Schmelzschweißung, bei dem die Teile (1, 3, 4 oder 16, 15 oder 16, 18) entlang eines entsprechenden Paares von Zentrierflächen, die gemeinsam einen umlaufenden, vorzugsweise zylindrischen Fügespalt (6) ein­ schließen, an einer durchgehenden, entlang des Fügespaltes (6) gelegten Ringnaht mittels eines energiereichen Schweißstrahles, insbesondere mittels eines Laserstrahles (10) zusammenge­ schweißt werden, wobei zumindest der fügespaltnahe Bereich des vorzugsweise radial außerhalb des Fügespaltes (6) liegenden Teiles (1, 16) gegenüber zumindest dem fügespaltnahen Bereich des vorzugsweise radial innerhalb des Fügespaltes (6) liegenden Teiles (3, 4 oder 15, 18) mit einer höheren Wärmekapazität und/oder massereicher ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. die Zentrierflächen der zu verschweißenden Teile (1, 3, 4 oder 16, 15 oder 16, 18) ein Spiel (7) zueinander aufweisen, welches etwa der thermischen Dehnung des inneren Teiles (3, 4 oder 15, 18) relativ zum äußeren Teil (1, 16) unter dem Einfluß der schweißbedingten Erwärmung entspricht,
• 2. zum Schweißen die Teile (1, 3, 4 oder 16, 15 oder 16, 18) im Rahmen des genannten Spieles (7) exzentrisch zueinander an­ geordnet werden, derart, daß die Zentrierflächen sich an ei­ ner Umfangsstelle (9) berühren und an den anderen Umfangs­ stellen ein zunehmendes Spiel zueinander aufweisen, wobei die Exzentrizitätslage (8) während der Schweißung unbeein­ flußt bleibt,
• 3. die solcherart lose und exzentrisch angeordneten Teile (1, 3, 4 oder 16, 15 oder 16, 18) ohne vorherige Heftschweißung entlang der in einem Zug gelegten Ringnaht (13, 20, 21) zu­ sammengeschweißt werden, wobei mit der Schweißung an der Um­ fangsstelle (9) der anfänglichen Berührung der Zentrierflä­ chen begonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der entlang des Fügespaltes (6) geführte Schweißstrahl (10) zumindest angenähert axial ausgerichtet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in die Öffnung (2) eines Flansches (1) eingestecktes Rohr (3) mit diesem zusammengeschweißt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in die Öffnung (2) eines Flansches (1) eingestecktes Rohrpaar (3, 4), dessen Wandungen im Flanschbereich bündig zu­ einander endigen und zumindest im Flanschbereich einander un­ mittelbar berühren, untereinander und mit dem Flansch (1) zu­ sammengeschweißt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Parameter für den Schweißprozeß:

• 1. Neigung (α) der Laserstrahlachse (12) 8° ± 3° gegen die Rohrachse zur Rohrmitte hin,
• 2. Abstand (a) des Fokus' oberhalb der Werkstückoberfläche 10 ± 3 mm,
• 3. Brennfleck-Durchmesser (d) größer als 1 mm,
• 4. Lage des Mittelpunktes des Brennfleckes radial etwa in der Mitte der Stirnfläche der Wandung des Außenrohres (3) des Rohrpaares,
• 5. Wandstärke (s) des Außenrohres (3) etwa 1,5 mm,
• 6. Wandstärke (w) des Innenrohres (4) etwa 1,0 mm,
• 7. Wandstärke (f) des Flansches (1) etwa 8 mm,
• 8. Spiel (7) des Rohrpaares (3, 4) in der Flanschöffnung (2) etwa 0,2 mm.