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DE10256254B4 - Verfahren zum Verschweißen - Google Patents

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DE10256254B4
DE10256254B4 DE10256254.7A DE10256254A DE10256254B4 DE 10256254 B4 DE10256254 B4 DE 10256254B4 DE 10256254 A DE10256254 A DE 10256254A DE 10256254 B4 DE10256254 B4 DE 10256254B4
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stop
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laser beam
welding
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DE10256254.7A
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Christian Ohl
Oliver Kohn
Frieder Haag
Michael Honer
Thomas Haalboom
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Verfahren zum Verschweißen eines ersten Bauteils (10; 27; 27a) mit einem zweiten Bauteil (11; 28; 28a), wobei die Energie zum Schmelzen von Schmelzbereichen (13; 30) des ersten und zweiten Bauteils (10, 11; 27, 28; 27a, 28a) durch einen Laserstrahl (22; 29) zur Verfügung gestellt wird, wobei das zweite Bauteil (10; 27; 27a) aus einem Material besteht, welches die Energie des Laserstrahls (22, 29) nur schwach absorbiert und das erste Bauteil (11; 28; 28a) aus einem Material besteht, welches die Energie des Laserstrahls (22; 29) stark absorbiert, wobei der Laserstrahl (22; 29) durch das zweite Bauteil (10; 27; 27a) hindurch auf das erste Bauteil (11; 28; 28a) gerichtet wird und wobei außerhalb der Schmelzbereiche (13; 30) mindestens ein Anschlag (17; 43; 43a) vorgesehen ist, durch den eine Bewegung der beiden Bauteile (10, 11; 27, 28; 27a, 28a) zueinander begrenzt wird,wobei das erste Bauteil (10; 27; 27a) einen stufenförmigen Absatz (16, 42) (16, 42) aufweist zur Aufnahme eines dritten Bauteils (12; 35; 35a) und das zweite Bauteil (11, 28, 28a) den wenigstens einen Anschlag (17, 43, 43a) aufweist, wobei vor einem Einwirken des Laserstrahles (22; 29) zwischen dem wenigstens einen Anschlag (17; 43; 43a) und einer diesem zugewandten Seite des dritten Bauteils (12) ein Spalt (21) ausgebildet ist,wobei während der Einwirkung des Laserstrahles (22; 29) die beiden Bauteile (10, 11; 27, 28; 27a, 28a) ab dem Verschweißen gegeneinander gedrückt werden und der Schmelzbereich (13; 30) plastisch verformt wird, infolge dessen das zweite Bauteil (11, 28; 28a) mit dem wenigsten einen Anschlag (17; 43; 43a) in Richtung des ersten Bauteils (10; 27; 27a) bewegt wird, wobei sobald der wenigstens eine Anschlag (17; 43; 43a) in Kontakt gerät mit dem dritten Bauteil (12; 35; 35a), keine Relativbewegung der beiden Bauteile (10; 11; 27; 28; 27a; 28a) mehr erfolgt, so dass durch den wenigstens einen Anschlag (17; 43; 43a) eine Bewegung der Bauteile (10, 11; 27, 28; 27a, 28a) aufeinander zu während des Verschweißens begrenzt wird, und wobei der wenigstens eine Anschlag (17; 43; 43a) mit dem dritten Bauteil (12; 35; 35a) derart zusammenwirkt, so dass dieses nach dem Verschweißen von dem wenigstens einen Anschlag (17; 43; 43a) gegen die Aufnahme (16, 42) des ersten Bauteils (10, 27, 27a) gedrückt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 196 25 873 A1 bekannt geworden. Bei dem bekannten Verfahren werden zwei Bauteile miteinander verbunden, indem ein erstes, deckelförmiges Bauteil an seinem Umfang zusammengedrückt wird und in Kontakt mit der Innenwandung eines zweiten, ein Bodenteil bildendes Bauteil gebracht wird. An der Innenwandung des zweiten Bauteils ist ein Anschlag vorgesehen, so dass das erste Bauteil nur bis zu dem Anschlag innerhalb des zweiten Bauteils eingeschoben werden kann. Im Übergangsbereich zwischen den beiden Bauteilen wird anschließend die Energie mittels einer Laser- oder Elektronenstrahlschweißvorrichtung eingebracht, so dass sich in Übergangsbereichen eine Verbindung der beiden Bauteile ergibt. Wesentlich dabei ist, dass die beiden Bauteile nach dem Zusammenfügen, bei dem das erste Bauteil bis an den Anschlag des zweiten Bauteils gedrückt wird, relativ zueinander nicht mehr bewegt werden.
  • Bei der Fertigung von Gehäusen, welche beispielsweise auf Leiterplatten angeordnete elektronische Bauelemente aufnehmen, ist es in der Regel erforderlich, die Leiterplatte(n) innerhalb des Gehäuses zu fixieren bzw. zu lagern. Bekannt ist es aus der Fertigung von Gehäusen für Steuergeräte für Kraftfahrzeuge, in der Leiterplatte Öffnungen vorzusehen, welche mit Einpressstiften zusammenwirken, welche in einem der Gehäusebauteile angeordnet sind. Dadurch wird die Leiterplatte relativ zu dem Gehäusebauteil fixiert. Es hat sich in der Praxis jedoch herausgestellt, dass insbesondere bei hohen Schüttelbelastungen, welche in Extremsituationen beim Betrieb eines Kraftfahrzeuges vorkommen können, die bisherige Befestigung der Leiterplatte(n) mittels der Einpressstifte nicht ausreichend ist, insbesondere, wenn die Verbindung nur über eine relativ geringe Anzahl von Einpressstiften erfolgt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Verschweißen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass damit ein drittes Bauteil, beispielsweise eine Leiterplatte, gleichzeitig mit dem Verschweißen der beiden Bauteile zuverlässig relativ zu den beiden Bauteilen fixiert wird, wobei dies ohne zusätzliche Bauteile erfolgen soll.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem Verfahren zum Verschweißen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschweißen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 und 2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschweißen vor bzw. nach dem Schweißvorgang in einer Schnittdarstellung,
    • 3 ein erstes Steuergerät, dessen Bauteile mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verschweißt wurden in einem Querschnitt und
    • 4 ein gegenüber 3 abgewandeltes Steuergerät, ebenfalls im Querschnitt.
  • In der 1 ist ein erstes Bauteil 10 dargestellt, welches mit einem zweiten Bauteil 11 mittels Laserschweißen verbunden werden soll. Ferner ist auch ein drittes Bauteil 12 erkennbar, welches nach dem Verbinden der beiden Bauteile 10, 11 zwischen den beiden Bauteilen 10, 11 fixiert werden soll. Das erste, in der Zeichnung untere Bauteil 10, weist einen Verbindungsbereich 13 auf, in dem die beiden Bauteile 10, 11 mittels der Laserstrahlung miteinander verbunden werden. Der Verbindungsbereich 13 weist eine etwas geringere Breite auf, als der stegförmige Fortsatz 14, auf dem er angeordnet ist. Bevorzugt verläuft der Verbindungsbereich 13 zwischen den beiden Bauteilen 10, 11 über die gesamte, senkrecht zur Zeichenebene dargestellte Länge der beiden Bauteile 10, 11, so dass sich eine linienförmige Berührung der beiden Bauteile 10, 11 in dem Verbindungsbereich 13 ergibt. Alternativ dazu ist es jedoch auch denkbar, den Verbindungsbereich 13 nur punktuell an dem ersten Bauteil 10 vorzusehen, so dass der Verbindungsbereich 13 in Art von Erhebungen von dem Fortsatz 14 hervorstehen.
  • Das erste Bauteil 10 weist ferner einen stufenförmigen Absatz 16 zur Aufnahme des dritten Bauteils 12 auf. Das zweite Bauteil 11 ist im Querschnitt im wesentlichen L-förmig ausgebildet und weist auf der dem dritten Bauteil 12 zugewandten Seite wenigstens einen, an dem zweiten Bauteil 11 angeformten Anschlag 17 auf. Dieser wenigstens eine Anschlag 17 ist in Verlängerung an dem vertikalen Schenkel 18 des zweiten Bauteils 11 angeformt, während der andere, horizontal angeordnete Schenkel 19 des zweiten Bauteils 11 im Verbindungsbereich 13 mit seiner dem ersten Bauteil 10 zugewandten Seite flächig auf dem ersten Bauteil 10 aufliegt.
  • Wesentlich ist, dass entsprechend 1, bei der die Laserstrahlung noch nicht auf die Bauteile 10, 11 einwirkt, zwischen dem wenigstens einen Anschlag 17 und der zugewandten Seite des dritten Bauteils 12 ein Spalt 21 ausgebildet ist.
  • Sowohl das erste Bauteil 10, als auch das zweite Bauteil 11 bestehen aus Kunststoff, wobei das erste Bauteil 10, beispielsweise mittels entsprechender Zusätze, laserstrahlungsabsorbierend ist, während das zweite Bauteil 11 für die Laserstrahlung im Wesentlichen transparent ist.
  • In der 2 ist der Zustand beim Schweißen dargestellt. Dabei wirkt ein Laserstrahl 22 von der dem ersten Bauteil 10 gegenüberliegenden Seite auf den horizontalen Schenkel 19 des zweiten Bauteils 11 ein. Infolge der unterschiedlichen Absorptionseigenschaften der beiden Bauteile 10, 11 wird dabei der Verbindungsbereich 13 zwischen den beiden Bauteilen 10, 11 bis über den Schmelzpunkt des Kunststoffmaterials hinaus erwärmt, so dass sich die beiden Bauteile 10, 11 miteinander verbinden. Während der Einwirkung des Laserstrahls 22 werden die beiden Bauteile 10, 11 gegeneinander gedrückt, was durch die Kraftpfeile F verdeutlicht sein soll. Sobald der Laserstrahl 22 das Kunststoffmaterial im Verbindungsbereich 13 so weit erwärmt hat, dass dieses sich plastisch verformt, wird in Folge des Zusammendrückens der beiden Bauteile 10, 11 das zweite Bauteil 11 mit einem wenigstens einen Anschlag 17 in Richtung des ersten Bauteils 10 sowie des dritten Bauteils 12 bewegt. Sobald der wenigstens eine Anschlag 17 in Kontakt mit dem dritten Bauteil 12 gerät, erfolgt keine Relativbewegung der Bauteile 10, 11 mehr zueinander, da der wenigstens eine Anschlag 17, welcher ja nicht von dem Laserstrahl 22 erfasst wird, das dritte Bauteil 12 gegen den Absatz 16 des ersten Bauteils 10 drückt. Der wenigstens eine Anschlag 17 wirkt somit als Wegbegrenzung bzw. Weganschlag, welcher die Relativbewegung der beiden Bauteile 10, 11 zueinander beim Laserverschweißen begrenzt sowie zusätzlich dazu, das dritte Bauteil 12 zwischen den beiden Bauteilen 10, 11 zu fixieren. Beim Schweißvorgang mittels des Laserstrahls 22 wird der Verbindungsbereich 13 verformt und es wird Schmelze 23 aus den beiden Bauteilen 10, 11 seitlich verdrängt. Dadurch, dass der Verbindungsbereich 13 eine etwas geringere Breite aufweist als der Fortsatz 14, ragt diese Schmelze 23 nicht über die Bauteile 10, 11 hinaus.
  • In der 3 ist ein Ausführungsbeispiel unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem ein aus Kunststoff bestehendes, kastenförmiges Gehäuse 25, welches beispielsweise als Steuergerät in einem Kraftfahrzeug Verwendung findet, hergestellt wurde. Das Gehäuse 25 weist ein für Laserstrahlung absorbierendes Bodenteil 27 sowie einen für Laserstrahlung transparenten Deckel 28 auf. Die Laserstrahlung (Pfeile 29) wirkt dabei im Bereich eines umlaufenden, planen Verbindungsbereichs 30 auf der dem Bodenteil 27 gegenüberliegenden Seite des Deckels 28 auf den Verbindungsbereich 30 ein. Der Deckel 28 weist einen heruntergezogenen Rand 31 auf, welcher nach dem Verbinden des Bodenteils 27 mit dem Deckel 28 zusammen mit einem an der Außenseite des Bodenteils 27 umlaufenden Wulst 32 einen ebenfalls umlaufenden Raum 33 ausbildet, welcher eventuell austretendes Schmelzmaterial aus dem Verbindungsbereich 30 aufnimmt.
  • Im Inneren des Gehäuses 25 ist eine Leiterplatte 35 angeordnet, welche beispielhaft auf ihrer Oberseite elektronische Bauelemente 36 trägt. Die Leiterplatte 35 wurde bereits vor dem Aufsetzen des Deckels 28 innerhalb des Bodenteils 27 positioniert. Dazu weist die Leiterplatte 35 mehrere Löcher 37 auf, die mit sogenannten Einpressstiften 38 zusammenwirken. Die Einpressstifte 38 sind beispielsweise einstückig im Bodenbereich des Bodenteils 27 angeformt und ragen mit ihrem zylindrischen Abschnitt 39 durch die Löcher 37 der Leiterplatte 35 hindurch. Mittels einer entsprechenden Tolerierung des Durchmessers der Löcher 37 und der zylindrischen Abschnitte 39 der Einpressstifte 38 wird dabei erreicht, dass die Leiterplatte 35 von den Einpressstiften 38 gehalten wird. Um beim Montieren der Leiterplatte 35 auf den Einpressstiften 38 die Bewegung der Leiterplatte 35 zu begrenzen, bzw. die Leiterplatte 35 an der gewünschten Sollposition zu positionieren, sind an den Randbereichen des Bodenteils 27 weiterhin Distanzblöcke 41 angeordnet. Auf diesen Distanzblöcken 41 ruht die Leiterplatte 35, bevor der Deckel 28 mit dem Bodenteil 27 verbunden wird. Die Distanzblöcke 41 bilden somit zusammen mit dem Bodenteil 27 jeweils einen Absatz 42 entsprechend dem Absatz 16 bei den 1 und 2 aus.
  • Auf der dem Bodenteil 27 zugewandten Innenseite des Deckels 28 sind in Deckung mit den Distanzblöcken 41 mehrere Anschlagelemente 43 angeordnet. Vorzugsweise sind die Anschlagelemente 43 einstückig am Deckel 28 angeformt. In den Bereichen, in denen die Anschlagelemente 43 angeformt sind, befinden sich auf der Leiterplatte 35 selbstverständlich keine elektronischen Bauelemente 36. Die Anschlagelemente 43 begrenzen beim Schweißvorgang des Deckels 28 auf dem Bodenteil 27 (Pfeile 29) die Relativbewegung des Deckels 28 zum Bodenteil 27, sobald die Anschlagelemente 43 auf der den Distanzblöcken 41 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 35 aufliegen. Ferner wird dadurch nach dem Verbinden des Deckels 28 mit den Bodenteil 27 eine Fixierung der Leiterplatte 35 in dem Gehäuse 25 bewirkt, da nunmehr die Leiterplatte 35 selbst bei hohen Schüttelbeanspruchungen nicht mehr relativ zu den Einpressstiften 38 bewegt werden kann.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß der 4 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 dadurch, dass nunmehr auf der Oberseite der Leiterplatte 35a in den Randbereichen 45 ebenfalls elektronische Bauelemente 36a angeordnet sind. Damit beim Verschweißen des Bodenteils 27a mit dem Deckel 28a das Anschlagelement 43a nicht in Kontakt mit den elektronischen Bauelementen 36a in den Randbereichen 45 gerät, ist das Anschlagelement 43a im mittleren Bereich der Leiterplatte 35a, welcher bauelementefrei ist, angeordnet.
  • Ergänzend wird erwähnt, dass die Anordnung des Anschlagelements 43a selbstverständlich auch bei Leiterplatten verwendet werden kann, welche an ihren Randbereichen keine elektronischen Bauelemente tragen. Die Anordnung des Anschlagelements 43a entsprechend der 4, bei dem auf der dem Anschlagelement 43a gegenüberliegenden Seite an der Leiterplatte kein anderes Anschlagelement bzw. kein Distanzblock angeordnet ist, kann entweder aus Layoutgründen, oder weil es erwünscht ist, auf die Leiterplatte eine gewisse Biegespannung auszuüben, gewählt werden.
  • Zusätzlich wird erwähnt, dass das oben beschriebene Verfahren zum Verschweißen selbstverständlich nicht auf den Einsatz in Steuergeräten in Kraftfahrzeugen beschränkt ist. Vielmehr können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren generell mehrere Teile miteinander verbunden werden, wobei ein drittes Bauteil, in den dargestellten Ausführungsbeispielen beispielhaft eine Leiterplatte, zwischen zwei anderen Bauteilen fixiert ist. Ferner können bei den 3 und 4 die Leiterplatten 35, 35a selbstverständlich auch ohne entsprechende Einpressstifte 38 verwendet werden. Die Einpressstifte 38 dienen bei den Steuergeräten entsprechend der 3 und 4 der Vormontage bzw. dem Handling und der Ausprobe der Steuergeräte, bevor diese mit dem Deckel 28, 28a verschlossen werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Verschweißen eines ersten Bauteils (10; 27; 27a) mit einem zweiten Bauteil (11; 28; 28a), wobei die Energie zum Schmelzen von Schmelzbereichen (13; 30) des ersten und zweiten Bauteils (10, 11; 27, 28; 27a, 28a) durch einen Laserstrahl (22; 29) zur Verfügung gestellt wird, wobei das zweite Bauteil (10; 27; 27a) aus einem Material besteht, welches die Energie des Laserstrahls (22, 29) nur schwach absorbiert und das erste Bauteil (11; 28; 28a) aus einem Material besteht, welches die Energie des Laserstrahls (22; 29) stark absorbiert, wobei der Laserstrahl (22; 29) durch das zweite Bauteil (10; 27; 27a) hindurch auf das erste Bauteil (11; 28; 28a) gerichtet wird und wobei außerhalb der Schmelzbereiche (13; 30) mindestens ein Anschlag (17; 43; 43a) vorgesehen ist, durch den eine Bewegung der beiden Bauteile (10, 11; 27, 28; 27a, 28a) zueinander begrenzt wird, wobei das erste Bauteil (10; 27; 27a) einen stufenförmigen Absatz (16, 42) (16, 42) aufweist zur Aufnahme eines dritten Bauteils (12; 35; 35a) und das zweite Bauteil (11, 28, 28a) den wenigstens einen Anschlag (17, 43, 43a) aufweist, wobei vor einem Einwirken des Laserstrahles (22; 29) zwischen dem wenigstens einen Anschlag (17; 43; 43a) und einer diesem zugewandten Seite des dritten Bauteils (12) ein Spalt (21) ausgebildet ist, wobei während der Einwirkung des Laserstrahles (22; 29) die beiden Bauteile (10, 11; 27, 28; 27a, 28a) ab dem Verschweißen gegeneinander gedrückt werden und der Schmelzbereich (13; 30) plastisch verformt wird, infolge dessen das zweite Bauteil (11, 28; 28a) mit dem wenigsten einen Anschlag (17; 43; 43a) in Richtung des ersten Bauteils (10; 27; 27a) bewegt wird, wobei sobald der wenigstens eine Anschlag (17; 43; 43a) in Kontakt gerät mit dem dritten Bauteil (12; 35; 35a), keine Relativbewegung der beiden Bauteile (10; 11; 27; 28; 27a; 28a) mehr erfolgt, so dass durch den wenigstens einen Anschlag (17; 43; 43a) eine Bewegung der Bauteile (10, 11; 27, 28; 27a, 28a) aufeinander zu während des Verschweißens begrenzt wird, und wobei der wenigstens eine Anschlag (17; 43; 43a) mit dem dritten Bauteil (12; 35; 35a) derart zusammenwirkt, so dass dieses nach dem Verschweißen von dem wenigstens einen Anschlag (17; 43; 43a) gegen die Aufnahme (16, 42) des ersten Bauteils (10, 27, 27a) gedrückt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzbereiche (13; 23; 30) eine längliche Schweißnaht ausbilden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht eine in sich geschlossene Kontur bildet.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das erste und das zweite Bauteil (27, 28; 27a, 28a) im verschlossenen Zustand ein Gehäuse (25; 25a), insbesondere ein Gehäuse (25; 25a) für wenigstens ein elektronisches Bauteil (36; 36a) gebildet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Bauteil als Leiterplatte (35; 35a) ausgebildet ist, welche das wenigstens eine elektronische Bauteil (36; 36a) trägt, und welche an ihren Randbereichen (45) zumindest teilweise auf zumindest einer Auflagefläche des ersten Bauteils (27; 27a) aufliegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Anschlag (43) an dem zweiten Bauteil (28) zumindest teilweise in Deckung mit der wenigstens einen Auflagefläche der Leiterplatte (35) an dem ersten Bauteil (27; 27a) angeordnet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Anschlag (43a) innerhalb der Auflagefläche der Leiterplatte (35a) auf dem zweiten Bauteil (28a) angeordnet ist.
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