DE102024001348A1 - Method for joining at least two components - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei relativ zueinander positionierten Bauteilen (1 bis 3) mittels Schmelzschweißen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass- die zumindest zwei Bauteile (1 bis 3) jeweils an einem Ende in einem vorgegebenen Schweißbereich jeweils um einen gleichen vorgegebenen Winkel (β) zu einer Längsausdehnung des jeweiligen Bauteils (1 bis 3) derart abgewinkelt werden, dass eine Länge (I1, I2) eines abgewinkelten Abschnittes des jeweiligen der zumindest zwei Bauteile (1 bis 3) mindestens 0,5 mm und höchstens 15,0 mm beträgt,- die zumindest zwei Bauteile (1 bis 3) im Parallelstoß derart zueinander angeordnet werden, dass die abgewinkelten Abschnitte parallel zueinander verlaufen und endseitige Stirnseiten der abgewinkelten Abschnitte in die gleiche Richtung weisen und- anschließend eine Schweißnaht (N) ausgehend von den Stirnseiten der abgewinkelten Abschnitte zwischen den abgewinkelten Abschnitten der zumindest zwei Bauteile (1 bis 3) erzeugt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Bauteilanordnung (B).The invention relates to a method for joining at least two components (1 to 3) positioned relative to one another by means of fusion welding. According to the invention, it is provided that - the at least two components (1 to 3) are each angled at one end in a predetermined welding area by an equal predetermined angle (β) to a longitudinal extent of the respective component (1 to 3) in such a way that a length (I1, I2) of an angled section of the respective one of the at least two components (1 to 3) is at least 0.5 mm and at most 15.0 mm, - the at least two components (1 to 3) are arranged in parallel to one another in such a way that the angled sections run parallel to one another and end faces of the angled sections point in the same direction and - a weld seam (N) is then produced starting from the end faces of the angled sections between the angled sections of the at least two components (1 to 3). The invention further relates to a component arrangement (B).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei relativ zueinander positionierten Bauteilen mittels Schmelzschweißen.The invention relates to a method for joining at least two components positioned relative to one another by means of fusion welding.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen mittels Schmelzschweißen und eine Bauteilanordnung anzugeben.The invention is based on the object of specifying a method for joining at least two components by means of fusion welding and a component arrangement.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch eine Bauteilanordnung, welche die in Anspruch 4 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved according to the invention by a method which has the features specified in claim 1 and by a component arrangement which has the features specified in claim 4.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.
Ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei relativ zueinander positionierten Bauteilen mittels Schmelzschweißen, insbesondere Laserstrahlschweißen, sieht erfindungsgemäß vor, dass
- - die zumindest zwei Bauteile jeweils an einem Ende in einem vorgegebenen Schweißbereich jeweils um einen gleichen vorgegebenen Winkel zu einer Längsausdehnung des jeweiligen Bauteiles derart abgewinkelt werden, dass eine Länge eines abgewinkelten Abschnittes des jeweiligen der zumindest zwei Bauteile mindestens 0,5 mm und höchstens 15,0 mm beträgt,
- - die zumindest zwei Bauteile im Parallelstoß derart zueinander angeordnet werden, dass die abgewinkelten Abschnitte parallel zueinander verlaufen und endseitige Stirnseiten der abgewinkelten Abschnitte in die gleiche Richtung weisen und
- - anschließend eine Laserschweißnaht ausgehend von den Stirnseiten der abgewinkelten Abschnitte zwischen den abgewinkelten Abschnitten der zumindest zwei Bauteile erzeugt wird.
- - the at least two components are each bent at one end in a predetermined welding area by an equal predetermined angle to a longitudinal extension of the respective component such that a length of an angled section of the respective one of the at least two components is at least 0.5 mm and at most 15.0 mm,
- - the at least two components are arranged in parallel joints such that the angled sections run parallel to each other and the end faces of the angled sections point in the same direction and
- - a laser weld seam is then created starting from the front sides of the angled sections between the angled sections of the at least two components.
Durch Anwendung des Verfahrens kann das Risiko einer fehlerhaften Laserstrahlschweißung weitestgehend ausgeschlossen werden, da durch die Abwinklung der zumindest zwei Bauteile eine Spaltbildung zwischen den zumindest zwei Bauteilen, insbesondere in dem vorgegebenen Laserschweißbereich, im Wesentlichen verhindert ist beziehungsweise durch die Abwinklung während des Schmelzschweißens ausgeglichen wird.By applying the method, the risk of faulty laser beam welding can be largely excluded, since the bending of the at least two components essentially prevents the formation of a gap between the at least two components, in particular in the predetermined laser welding area, or is compensated for by the bending during fusion welding.
Die stoffschlüssige Verbindung der zumindest zwei Bauteile kann mittels des Verfahrens optimiert werden, wobei eine Qualität der Laserschweißnaht gesteigert und somit ein Ausschuss verringert werden kann. Insbesondere kann mittels der Abwinklung, also einer abschnittsweisen Schrägstellung der Bauteile, erreicht werden, den gegebenenfalls durch Bauteiltoleranzen vorhandenen Spalt zu überbrücken, so dass verhältnismäßig hohe Toleranzen in Bezug auf eine Bauteileinzelfertigung sowie in Bezug auf die Positionierung der zumindest zwei Bauteile zueinander möglich sind. Dadurch sind weniger aufwändige und/oder kostenintensive Vorprozesse hinsichtlich der Bauteileinzelfertigung und der Positionierung der zumindest zwei Bauteile zueinander erforderlich.The material connection of the at least two components can be optimized using the method, whereby the quality of the laser weld seam can be increased and thus rejects can be reduced. In particular, the bending, i.e. a section-by-section inclination of the components, can be used to bridge any gap that may exist due to component tolerances, so that relatively high tolerances are possible with regard to individual component production and with regard to the positioning of the at least two components relative to one another. This means that less complex and/or costly preliminary processes are required with regard to individual component production and the positioning of the at least two components relative to one another.
Die Anzahl der stoffschlüssig zu verbindenden Bauteile ist dabei nicht auf zwei Bauteile beschränkt, es sind auch Mehrfachverbindungen möglich.The number of components to be joined together is not limited to two components; multiple connections are also possible.
Mittels des Verfahrens sind eine Flexibilität in einer Anordnung der zu verbindenden Bauteile und vergleichsweise neue Konstruktionsmöglichkeiten realisierbar, wobei eine Zugänglichkeit eines Fügestoßes verbessert ist. Dabei ist das Verfahren für sämtliche Schweißprozesse geeignet, insbesondere für Laserstrahlschweißen. Im Fall des Laserstrahlschweißens besteht ein erhöhter Schutz der Bauteile, da ein Laserstrahl aufgrund der abgewinkelten Abschnitte der zumindest zwei Bauteile nicht in einen beabsichtigt oder unbeabsichtigt vorhandenen Spalt zwischen zwei stoffschlüssig zu verbindenden Bauteilen eintreten kann.The method enables flexibility in the arrangement of the components to be joined and comparatively new design options, while improving the accessibility of a joint. The method is suitable for all welding processes, in particular laser beam welding. In the case of laser beam welding, there is increased protection of the components, since a laser beam cannot enter an intentional or unintentional gap between two components to be joined by a material bond due to the angled sections of the at least two components.
Insbesondere kann das Verfahren relativ flexibel bei allen zu verschweißenden Parallelstößen, beispielsweise im Karosseriebau eines Fahrzeuges, insbesondere jedoch beim Herstellen einer elektrischen Verbindung, beispielsweise im Bereich einer Leistungselektronik, im Bereich elektrischer Antriebseinheiten, insbesondere in Bezug auf eine sogenannte Hairpin-Technologie, oder auch zum elektrischen Kontaktieren von Einzelzellen, beispielsweise von Pouchzellen, prismatischen Einzelzellen oder Rundzellen angewendet werden.In particular, the method can be used relatively flexibly for all parallel joints to be welded, for example in the body construction of a vehicle, but especially when establishing an electrical connection, for example in the field of power electronics, in the field of electric drive units, in particular with regard to so-called hairpin technology, or also for electrically contacting individual cells, for example pouch cells, prismatic individual cells or round cells.
Mittels des Verfahrens können Bauteile artgleicher Werkstoffe, beispielsweise Aluminium, sowie Bauteile artungleicher Werkstoffe, beispielsweise Aluminium und Kupfer, miteinander verschweißt werden. Dabei kann die stoffschlüssige Verbindung mittels Laserstrahlschweißen mit einer herkömmlichen eine Laserschweißvorrichtung und ein Qualitätsprüfsystem umfassenden Anlagetechnik, zum Beispiel in einer Produktionsumgebung eines Fahrzeugherstellers, sowie gegebenenfalls mit einem geringeren Energiebedarf hergestellt werden.Using the process, components made of the same material, such as aluminum, and components made of dissimilar materials, such as aluminum and copper, can be welded together. The material-locking connection can be achieved using laser beam welding with a conventional system technology comprising a laser welding device and a quality control system, for example in a production environment of a vehicle manufacturer. ler, and possibly with lower energy requirements.
Zudem betrifft die Erfindung eine Bauteilanordnung, welche mittels des Verfahrens hergestellt ist.Furthermore, the invention relates to a component arrangement which is produced by means of the method.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes von zwei abgewinkelten stoffschlüssig miteinander zu verbindenden Bauteilen, -
2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes der mittels einer Laserschweißnaht stoffschlüssig miteinander verbundenen Bauteile, -
3 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes von zwei in einem vorgegebenen Abschnitt zueinander beabstandet angeordneten, abgewinkelten Bauteilen, -
4 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes der zueinander beabstandeten und mittels einer Laserschweißnaht stoffschlüssig miteinander verbundenen Bauteile, -
5 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes von zwei abgewinkelten Bauteilen mit unterschiedlichen Längen abgewinkelter Abschnitte, -
6 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes der zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Bauteile mit unterschiedlichen Längen der abgewinkelten Abschnitte, -
7 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes von drei abgewinkelten stoffschlüssig miteinander zu verbindenden Bauteilen, -
8 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes der drei abgewinkelten mittels einer Laserschweißnaht stoffschlüssig miteinander verbundenen Bauteile, -
9 schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle mit zwei abgewinkelten Polkontakten und -
10 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes eines Zellverbundes mit mehreren Einzelzellen, deren Polkontakte mittels einer Laserschweißnaht stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
-
1 schematically a sectional view of a section of two angled components to be joined together in a material-locking manner, -
2 schematically a sectional view of a section of the components bonded together by means of a laser weld seam, -
3 schematically a sectional view of a section of two angled components arranged at a distance from each other in a given section, -
4 schematically a sectional view of a section of the components spaced apart from each other and joined together by means of a laser weld seam, -
5 schematically a sectional view of a section of two angled components with different lengths of angled sections, -
6 schematically a sectional view of a section of the two materially bonded components with different lengths of the angled sections, -
7 schematically a sectional view of a section of three angled components to be joined together in a material-locking manner, -
8th schematically a sectional view of a section of the three angled components bonded together by means of a laser weld seam, -
9 schematically a sectional view of a single cell with two angled pole contacts and -
10 schematically a sectional view of a section of a cell composite with several individual cells, whose pole contacts are firmly connected to one another by means of a laser weld seam.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference numerals in all figures.
Im Allgemeinen ist bekannt, dass bei einem stoffschlüssigen Verbinden, insbesondere mittels Laserstrahlschweißen, eines herkömmlichen Parallelstoßes mit einer sogenannten I-Naht aufgrund von Toleranzen, beispielsweise resultierend aus einer Bauteileinzelfertigung und/oder einer Positionierung der zu verbindenden Bauteile zueinander, eine Spaltbildung zwischen den Bauteilen 1, 2 auftreten kann. Eine solche Spaltbildung bedingt oftmals eine mangelhafte Verschweißung, insbesondere eine mangelhafte Laserschweißnaht N, so dass die Bauteile lediglich geringfügig oder gar nicht miteinander verbunden sind.In general, it is known that when a conventional parallel joint is joined with a so-called I-seam, in particular by means of laser beam welding, a gap can form between the components 1, 2 due to tolerances, for example resulting from individual component production and/or positioning of the components to be joined relative to one another. Such a gap formation often causes inadequate welding, in particular inadequate laser weld seam N, so that the components are only slightly connected to one another or not connected at all.
Bei Anwendung des Laserstrahlschweißens besteht zusätzlich die Gefahr eines sogenannten Einfalles eines Laserstrahles in einen Spalt S zwischen den Bauteilen 1, 2, so dass nicht nur die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen 1, 2 wegen des Spaltes S mangelhaft ist, sondern gegebenenfalls eine durch den Spalt S hindurch erreichbare Komponente, beispielsweise eine elektrochemische Einzelzelle, deren Polkontakt als Bauteil mit einem Polkontakt als weiteres Bauteil einer benachbarten Einzelzelle stoffschlüssig verbunden werden soll, durch den in den Spalt S einfallenden Laserstrahl beschädigt wird.When using laser beam welding, there is also the risk of a so-called incidence of a laser beam in a gap S between the components 1, 2, so that not only the material connection between the components 1, 2 is defective due to the gap S, but possibly a component that can be reached through the gap S, for example an electrochemical single cell, the pole contact of which as a component is to be materially connected to a pole contact as another component of an adjacent single cell, is damaged by the laser beam incident in the gap S.
Um eine solche Spaltbildung zwischen den zwei mittels Laserstrahlschweißen stoffschlüssig zu verbindenden Bauteilen 1, 2 weitestgehend zu vermeiden, ist ein im Folgenden beschriebenes Verfahren vorgesehen.In order to largely avoid such a gap formation between the two components 1, 2 to be joined by means of laser beam welding, a method described below is provided.
Vor dem stoffschlüssigen Verbinden der beiden Bauteile 1, 2 innerhalb eines vorgegebenen Schweißbereiches, werden die beiden Bauteile 1, 2, wie in
Alternativ oder zusätzlich zu der mittels Freibiegen erzeugten Abwinklung der beiden Bauteile 1, 2 kann die Abwinklung auch durch einen anderen geeigneten Umformprozess, insbesondere integriert in einen Fertigungsprozess der Bauteile 1, 2 erzeugt werden. Dabei wird der Umformprozess, insbesondere in Abhängigkeit von einer Materialstärke des jeweiligen Bauteiles 1, 2 gewählt.Alternatively or in addition to the bending of the two components 1, 2 produced by means of free bending, the bending can also be produced by another suitable forming process, in particular integrated into a manufacturing process of the components 1, 2. The forming process is selected in particular depending on a material thickness of the respective component 1, 2.
Gemäß dem in den
Nachdem die Bauteile 1, 2 abgewinkelt sind, werden die beiden Bauteile 1, 2 in dem abgewinkelten vorgegebenen Schweißbereich mittels einer Laserschweißnaht N stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei die Laserschweißnaht N stirnseitig in die abgewinkelten Abschnitte eingebracht wird. Durch den abgewinkelten Schweißbereich kann ein Durchsacken einer Schmelze, die aus einem partiellen Aufschmelzen der beiden Bauteile 1, 2 entsteht, in einen unter Umständen vorhandenen Spalt S zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 verhindert werden. Auch bei Vorhandensein eines Spaltes S zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 kann eine sichere Laserschweißverbindung mit einem ausreichend großen Anbindungsquerschnitt und ausreichend guter Qualität zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 hergestellt werden. Die beiden Bauteile 1, 2 sind stoffschlüssig miteinander verbunden und bilden somit eine Bauteilanordnung B.After the components 1, 2 have been bent, the two components 1, 2 are joined together in the angled, predetermined welding area by means of a laser weld seam N, whereby the laser weld seam N is introduced into the front of the angled sections. The angled welding area can prevent a melt that results from partial melting of the two components 1, 2 from sagging into a gap S that may be present between the two components 1, 2. Even if a gap S is present between the two components 1, 2, a secure laser weld connection with a sufficiently large connection cross-section and sufficiently good quality can be produced between the two components 1, 2. The two components 1, 2 are joined together in a materially bonded manner and thus form a component arrangement B.
Da die beiden Bauteile 1, 2 jeweils einen abgewinkelten Abschnitt aufweisen, kann trotz des vorhandenen Spaltes S eine sichere Laserschweißverbindung in Form einer Laserschweißnaht N zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 hergestellt werden, wie in
In
Aufgrund der unterschiedlichen Längen I1, I2 der beiden abgewinkelten Abschnitte der Bauteile 1, 2 kann ein Aufschmelzprozess des Laserstrahlschweißens derart positiv beeinflusst werden, dass aufgrund des längeren abgewinkelten Abschnittes des weiteren Bauteiles 2 ein höherer Anteil an Schmelze bereitgestellt werden kann, welche einen Spalt S zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 als Laserschweißnaht N bei einem Erstarren der Schmelze ausreichend ausfüllt.Due to the different lengths I 1 , I 2 of the two angled sections of the components 1, 2, a melting process of the laser beam welding can be positively influenced in such a way that, due to the longer angled section of the further component 2, a higher proportion of melt can be provided, which sufficiently fills a gap S between the two components 1, 2 as a laser weld seam N when the melt solidifies.
Ein abgewinkelter Abschnitt des ersten Bauteiles 1 und ein parallel zu diesem abgewinkelter Abschnitt des dritten Bauteiles 3 weisen dieselbe Länge I1 auf, wohingegen ein parallel abgewinkelter Abschnitt des zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem dritten Bauteil 3 angeordneten zweiten Bauteiles 2 eine geringere weitere Länge I2 aufweist.An angled section of the first component 1 and a section of the third component 3 angled parallel to this have the same length I 1 , whereas a parallel angled section of the second component 2 arranged between the first component 1 and the third component 3 has a smaller further length I 2 .
Insbesondere wird bei drei stoffschlüssig zu verbindenden Bauteilen 1 bis 3 das mittig zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem dritten Bauteil 3 angeordnete zweite Bauteil 3 in erhöhtem Maße aufgeschmolzen, so dass eine alle drei stoffschlüssig miteinander verbindende Laserschweißnaht N erzeugt wird.In particular, in the case of three components 1 to 3 that are to be joined in a material-locking manner, the second component 3 arranged centrally between the first component 1 and the third component 3 is melted to an increased extent, so that a laser weld seam N is produced that connects all three components in a material-locking manner.
Zur Herstellung eines in
Insbesondere zur Verhinderung einer weiter oben beschriebenen Spaltbildung, wobei durch einen solchen Spalt S die Gefahr besteht, dass durch das Laserstrahlschweißen erzeugte Schmelze und/oder der Laserstrahl anteilig selbst in den Spalt S eintritt beziehungsweise durchtritt und die jeweilige Einzelzelle 4 beschädigen kann, werden die Polkontakte P1, P2 benachbarter Einzelzellen 4 in dem vorgegebenen Schweißbereich um den vorgegebenen Winkel β, welcher mindestens 1° und höchstens 79° beträgt, abgewinkelt, insbesondere in ein und dieselbe Richtung. Somit kann weitestgehend vermieden werden, dass bei einer Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung der beiden Polkontakten P1, P2 entstehende Schmelze und/oder der Laserstrahl anteilig selbst in den Spalt S eintritt beziehungsweise durchtritt. Die Gefahr einer Beschädigung einer der Einzelzellen 4 aufgrund von in den Spalt S bis zu dem Zellgehäuse 4.1 der Einzelzelle 4 eindringender beziehungsweise durchdringender Schmelze und/oder dem Laserstrahl anteilig selbst kann durch die abgewinkelten Abschnitte der stoffschlüssig miteinander zu verbindenden Polkontakte P1, P2 als Bauteile 1, 2 weitestgehend verringert werden. Dabei stellen die jeweils mittels einer Laserschweißnaht N miteinander verbundenen Polkontakte P1, P2 eine Bauteilanordnung B dar.In particular, to prevent the formation of a gap as described above, whereby such a gap S poses the risk that melt generated by the laser beam welding and/or the laser beam itself enters or passes through the gap S and can damage the respective individual cell 4, the pole contacts P1, P2 of adjacent individual cells 4 are angled in the predetermined welding area by the predetermined angle β, which is at least 1° and at most 79°, in particular in one and the same direction. This largely prevents melt generated when the material connection of the two pole contacts P1, P2 is created and/or the laser beam itself enters or passes through the gap S. The risk of damage to one of the individual cells 4 due to melt penetrating or passing through the gap S up to the cell housing 4.1 of the individual cell 4 and/or the laser beam itself can be largely reduced by the angled sections of the pole contacts P1, P2, which are to be connected to one another in a materially bonded manner as components 1, 2. The pole contacts P1, P2, which are each connected to one another by means of a laser weld seam N, represent a component arrangement B.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP0565846A1 (en) | 1992-04-12 | 1993-10-20 | Elpatronic Ag | Process and apparatus for welding sheet metal |
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