Verfahren zum Laserschweißen und Bauteilverbund

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Bauteile, wie es insbesondere zum Verbinden zweier elektrischer Anschlusselemente zur Ausbildung einer elektrischen Verbindung, beispielsweise im Rahmen der E- Mobilität, betrifft. Ferner betrifft die Erfindung einen nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteilverbund.

Stand der Technik

Aus der DE 102007006 330 A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Bauteile mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Das bekannte Verfahren zeichnet sich durch die Verwendung zweier Laserstrahlen aus, von denen jeder Laserstrahl auf eine Stirnseite eines Bauteils einwirkt, um dieses in einem Verbindungsbereich aufzuschmelzen bzw. ein Schmelzbad zu erzeugen. Weiterhin zeichnet sich das bekannte Verfahren dadurch aus, dass im Einwirkbereich des jeweiligen Laserstrahls unterschiedliche Intensitätsverteilungen bzw. Energieeinträge pro Flächeneinheit erzeugt werden können. Wesentlich dabei ist, dass der Energieeintrag in das jeweilige Bauteil durch die jeweilige Laserstrahlquelle bzw. den jeweiligen Laserstrahl bis an die jeweilige Begrenzung des Bauteils, an denen die beiden Bauteile seitlich aneinander anstoßen, wirkt. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass der jeweilige Laserstrahl auch unmittelbar am Ort der Begrenzung einwirkt. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn sich zwischen den beiden Bauteilen im Fügebereich Spalte o.ä. geometrische Ungenauigkeiten ergeben, die dazu führen, das bei der Einwirkung des Laserstrahls, der entlang der jeweiligen Bauteiloberfläche geführt wird, der Laserstrahl in den Spalt bzw. eine Lücke zwischen den beiden Bauteilen gelangt.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserschweißen, insbesondere zum stirnseitigen Laserschweißen, zweier Bauteile, insbesondere zweier Drähte, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat insbesondere den Vorteil, dass auch bei ggf. vorhandenen Spalten bzw. Lücken oder aber bei einem Höhenversatz zwischen den beiden Bauteilen, in deren Bereich die Schweißnaht ausgebildet werden soll, sich die Bauteile prozesstechnisch sicher verbinden lassen. Insbesondere wird es vermieden, dass ein Laserstrahl in den Bereich des Spalts bzw. der Lücke zwischen den Bauteilen gelangt und dadurch zu Beschädigungen, Unregelmäßigkeiten, Prozessaussetzern o.ä. negativen Erscheinungen beim Verschweißen führen kann. Auch können Höhenversätze zwischen den Bauteilen prozesstechnisch vorteilhaft ausgeglichen bzw. bearbeitet werden.

Hierzu schlägt es die Lehre der Erfindung vor, dass der wenigstens eine Laserstrahl in dem Einwirkbereich so geführt wird, dass der Einwirkbereich zu den einander zugewandten Bauteilgrenzen der beiden Bauteile einen Abstand aufweist, und dass das Material der beiden Bauteile bis zu den Bauteilgrenzen durch Wärmeübergang von den Einwirkbereichen aufgeschmolzen wird.

Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass der Einwirkbereich des jeweiligen Laserstrahls auf die jeweilige Bauteiloberfläche nicht bis unmittelbar an die Begrenzung des Bauteils im Fügebereich heranreicht, sondern in einem Abstand davon endet. Dadurch kann der Laserstrahl auch nicht in eine ggf. zwischen den Bauteilen ausgebildete Lücke bzw. einen entsprechenden Spalt im Fügebereich gelangen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen zweier Bauteile sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Zur Erzeugung einer homogenen bzw. gleichmäßigen Schweißnaht im gesamten Verbindungsbereich ist es bevorzugt vorgesehen, dass durch den wenigstens einen Laserstrahl die Schweißnaht über ihre gesamte Länge bzw. Erstreckung zumindest näherungsweise gleichzeitig erzeugt wird. Eine derartige näherungsweise gleichzeitige Erzeugung der Schweißnaht kann dadurch erfolgen, dass der jeweilige Einwirkbereich des Bauteils durch den Laserstrahl homogen erwärmt wird.

Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei der jeder Einwirkbereich mittels jeweils wenigstens eines separaten Laserstrahls, insbesondere mittels jeweils wenigstens eines Teilstrahles eines Laserstrahls, erwärmt wird. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es, jeden der wenigstens zwei Laserstrahlen individuell an das Bauteil bzw. dessen Bauteilgeometrie und/oder der Bauteilgeometrie der Bauteile im unmittelbaren Fügebereich anzupassen. Weiterhin wird dadurch typischerweise die Prozesszeit zum Ausbilden der Schweißnaht verringert, da kein Hin- und Herspringen bzw. keine abwechselnde Erwärmung der beiden Einwirkbereiche bzw. Bauteile erforderlich ist. Theoretisch lassen sich durch zwei unterschiedliche Laserstrahlen bzw. Laserstrahlquellen auch besonders einfach bzw. günstig artungleiche Materialien miteinander verschweißen, da dann für jedes der beiden Materialien eine besonders einfache bzw. optimale Anpassung der Laserstrahlparameter ermöglicht wird.

Alternativ hierzu ist es jedoch auch denkbar, dass die beiden Einwirkbereiche an den Bauteilen mittels eines einzigen Laserstrahls erwärmt werden, der alternierend bzw. mehrmals abwechselnd auf die beiden Einwirkbereiche einwirkt und insbesondere ohne dass der (einzige) Laserstrahl die einander zugewandten Bauteilgrenzen der beiden Bauteile überfährt. Gemeint ist dabei, dass der (einzige) Laserstrahl zwischen den beiden Einwirkbereichen hin- und herspringt bzw. abwechselnd auf die beiden Bauteile im Einwirkbereich einwirkt. Ein derartiges Verfahren hat zwar den Vorteil, dass lediglich eine einzige Laserstrahlquelle bzw. ein einzelner Laserstrahl benötigt wird, jedoch kann ggf. ein erhöhter Aufwand hinsichtlich der örtlichen und zeitlichen Steuerung des Laserstrahls erforderlich sein, da in jedem Fall vermieden werden muss, dass der Laserstrahl beim Hin- und Herbewegen zwischen die beiden Bauteile bzw. deren Begrenzung gelangt. In wiederum alternativer Ausgestaltung des Verfahrens ist es denkbar, dass die beiden Einwirkbereiche mittels eines einzigen Laserstrahls erwärmt werden, der zeitlich aufeinanderfolgend auf die beiden Einwirkbereiche einwirkt und insbesondere ohne dass der (einzige) Laserstrahl die einander zugewandten Bauteilgrenzen der beiden Bauteile überfährt. Gemeint ist hierbei, dass zunächst das eine Bauteil bzw. das Bauteil im seinem Einwirkbereich verflüssigt wird, und dass anschließend erst das zweite Bauteil durch den (einzigen) Laserstrahl erwärmt bzw. aufgeschmolzen wird. Ein derartiges Verfahren verringert zwar im Gegensatz zu den gerade eben erwähnten Verfahren den Steuerungsaufwand zur Positionierung bzw. zum Umschalten des (einzigen) Laserstrahls zwischen den beiden Einwirkbereichen, hat jedoch ggf. den Nachteil, dass sich der zunächst verflüssigte Bereich im Bereich des einen Bauteils teilweise bereits wieder verfestigt hat, bis der andere Einwirkbereich seine Schmelztemperatur erreicht hat.

Die miteinander zu fügenden Bauteile weisen oftmals bestimmte Toleranzen hinsichtlich ihrer Anordnung zueinander auf. Besonders kritisch sind dabei Toleranzen, die sich in einem Höhenversatz (in Richtung des einwirkenden Laserstrahls) äußern. Dies rührt daher, dass dann beispielsweise zur Ausbildung einer qualitativ hochwertigen Schweißnaht der über die Stirnfläche des einen Bauteils herausragende Bereich des anderen Bauteils eine hohe Leistung zum Aufschmelzen benötigt, da es gewünscht ist, im fertigen Zustand des Bauteileverbunds die Schweißnaht mit einer gleichmäßigen Höhe bzw. den Bauteileverbund mit einer homogen Schweißnaht auszustatten. Dazu ist es erforderlich, das überstehende Bauteil stärker abzuschmelzen bzw. dafür zu sorgen, dass sich das Schmelzbad bis in Höhe des anderen Bauteils erstreckt. In diesem Fall ist es daher besonders bevorzugt vorgesehen, dass bei einem Höhenversatz der beiden Bauteile in Bestrahlungsrichtung der Energieeintrag in die beiden Einwirkbereiche der Bauteile unterschiedlich groß gewählt wird. Ein derartiger Höhenversatz wird vorteilhafterweise vor dem Einwirken des bzw. der Laserstrahlen auf die Bauteile in einem vorab stattfindenden Prozess bzw. durch einen geeigneten Sensor, wie eine bildaufnehmende Einrichtung o.ä., ermittelt.

Auch hinsichtlich der Intensitätsverteilung innerhalb des Einwirkbereichs des jeweiligen Bauteils gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Eine erste bevorzugte Variante des Verfahrens sieht vor, dass innerhalb eines Einwirkbereichs eine homogene Intensitätsverteilung des Laserstrahls eingestellt wird. Eine derartige homogene Intensitätsverteilung wird beispielsweise durch eine gleichmäßige bzw. stetige Bewegung des Laserstrahls bei konstanter Leistung des Laserstrahls ermöglicht. Typischerweise bewirkt eine homogene Intensitätsverteilung tendenziell auch ein zumindest nahezu zeitgleiches Aufschmelzen des Materials innerhalb des Einwirkbereichs des Laserstrahls.

Alternativ hierzu ist es jedoch auch denkbar, dass innerhalb eines Einwirkbereichs eine inhomogene Intensitätsverteilung des Laserstrahls eingestellt wird. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn aufgrund unterschiedlicher Materialdicken (in Bestrahlungsrichtung) der Bauteile bei einer Einwirkung des Laserstrahls eine unterschiedliche Aufschmelzrate und eine ungleichförmige Wärmeabfuhr erzielt wird, wenn der Laserstrahl eine homogene Intensitätsverteilung aufweisen würde.

Qualitativ besonders hochwertige Schweißnähte bzw. Bauteilgeometrien lassen sich darüber hinaus erzielen, wenn der Laserstrahl so bewegt wird, dass der Einwirkbereich allseitig einen Abstand zur Begrenzung des Bauteils aufweist. Dies ermöglicht es, dass das Material an den Bereichen, an denen die beiden Bauteile nicht unmittelbar aneinander anschließen, an der entsprechenden Begrenzung nicht aufgeschmolzen wird und sich dadurch an der Begrenzung auch keine Schweißnaht bzw. kein aufgeschmolzenes Material befindet, das die Geometrie verändert.

Eine weitere Verbesserung der Qualität der Laserschweißnaht kann darüber hinaus erzielt werden, wenn nach Ausbildung eines bis zur Begrenzung der Bauteile reichenden Schmelzbads der wenigstens eine Laserstrahl den Verbindungsbereich quer zur Richtung der Begrenzung überfährt. Dies ist insofern unkritisch, da durch die Ausbildung des Schmelzbads die beiden Bauteile im Verbindungsbereich unmittelbar, d.h. ohne Ausbildung einer Lücke bzw. eines Spalt aneinander angrenzen. Auch kann dann ggf. eine andere Prozessführung für den wenigstens einen Laserstrahl gestartet werden.

Zuletzt umfasst die Erfindung auch einen Bauteilverbund, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wobei die beiden Bauteile Bestandteil einer elektrischen Verbindung sind. Eine derartige elektrische Verbindung kann beispielsweise als Verbindung von Anschlussleitungen von Batteriezellen im Rahmen der E-Mobilität, Kontaktierung von Stableitern in Elektromotoren oder als Verbindung von Stanzgittern, Stromschienen o.ä. ausgebildet sein.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung zwei miteinander zu verbindende Bauteile und eine dazugehörige Schweißeinrichtung während des Erwärmens des Materials der beiden Bauteile,

Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 zum Zeitpunkt des Ausbildens einer Schweißnaht, ebenfalls in perspektivischer Darstellung und

Fig. 3 eine gegenüber den Fig. 1 und 2 modifizierte Anordnung mit mehreren Bauteilgruppen, die jeweils gleichzeitig miteinander verschweißt werden, in perspektivischer Darstellung.

Ausführungsformen der Erfindung

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

In den Fig. 1 und 2 sind zwei miteinander zu verbindende Bauteile 1, 2 dargestellt. Die beiden Bauteile 1, 2 weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel zumindest in dem Bereich ihrer jeweiligen Stirnseite, an deren Seite die Verbindung erfolgt, einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Ergänzend wird erwähnt, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung von im Bereich der zu verbindenden Abschnitte der Bauteile 1 , 2 rechteckförmige Querschnitte beschränkt sein soll. Vielmehr können auch im Querschnitt runde, ovale oder einseitig abgeplattete o.ä. gestaltete Bauteile 1, 2 miteinander verbunden werden.

Bei den Bauteilen 1, 2 kann es sich beispielsweise um Stableiter oder Stromschienen in Elektromotoren handeln, insbesondere im Rahmen der E- Mobilität. Das Material der beiden Bauteile 1, 2 besteht aus Metall, insbesondere Stahl bzw. eine Stahllegierung oder Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung.

Die beiden Stirnflächen 3, 4 der beiden Bauteile 1, 2 bilden im dargestellten Ausführungsbeispiel eine gemeinsame Ebene aus, d.h., dass sie keinen Höhenversatz zueinander aufweisen. Es sind jedoch auch Anwendungsfälle bzw. aufgrund von Fertigungstoleranzen Fälle möglich, bei denen zwischen den beiden Stirnflächen 3, 4 der beiden Bauteile 1, 2 ein Höhenversatz in Z-Richtung ausgebildet ist.

Die Verbindung der beiden flächig aneinander anliegenden Bauteile 1, 2 erfolgt durch eine Laserverschweißung durch Ausbildung einer Schweißnaht 5 in einem Fügebereich der beiden Bauteile 1, 2. Zum Ausbilden der Schweißnaht 5 werden beispielhaft zwei Laserstrahlen 10, 12 verwendet, die vorzugsweise mittels zweier Laserstrahleinrichtungen 14, 15 erzeugt werden. Über nicht dargestellte, an sich bekannte optische Elemente wie Scanner o.ä. werden die beiden Laserstrahlen 10, 12 entlang bzw. in der Ebene der Stirnflächen 3, 4 der beiden Bauteile 1, 2 bewegt, um das Material der Bauteile 1, 2 zumindest bis zur jeweiligen Schmelztemperatur aufzuschmelzen. Wie besonders deutlich anhand der Fig. 1 erkennbar ist, wirken die beiden Laserstrahlen 10, 12 im Bereich der Stirnflächen 3, 4 der Bauteile 1, 2 jeweils im Bereich eines Einwirkbereichs 16,

18 auf die jeweilige Stirnfläche 3, 4 ein.

Wesentlich für die Geometrie der beiden Einwirkbereiche 16, 18 ist, dass der jeweilige Einwirkbereich 16, 18 auf den einander zugewandten Seiten der Bauteile 1, 2 nicht bis zur jeweiligen Bauteilgrenze 6, 7 bzw. Bauteilkante des Bauteils 1, 2 heranreicht. Vielmehr endet der jeweilige Einwirkbereich 16, 18 in einem Abstand a vor der jeweiligen Bauteilgrenze 6, 7 des Bauteils 1, 2. Weiterhin ist anhand der Fig. 1 erkennbar, dass der Einwirkbereich 16, 18 beispielhaft bis zu den beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 20, 22 der Bauteile 1, 2 reicht, jedoch zu den einander abgewandten Seitenflächen 24, 26 ein Abstand b zu den Seitenflächen 24, 26 ausgebildet ist.

Das Einwirken des jeweiligen Laserstrahls 10, 12 erfolgt beispielhaft dadurch, dass der Laserstrahl 10, 12 parallel zu den Bauteilgrenzen 6, 7 in Richtung der Doppelpfeile 28, 30 bewegt wird. Durch Wärmeübergang von dem jeweiligen Einwirkbereich 16, 18 wird das Material der beiden Bauteile 1, 2 bis zu den Bauteilgrenzen 6, 7 im Bereich der Stirnflächen 3, 4 der Bauteile 1, 2 aufgeschmolzen.

Ergänzend wird erwähnt, dass die Bewegung der beiden Laserstrahlen 10, 12 im jeweiligen Einwirkbereich 16, 18 von der dargestellten linearen Bewegung abweichen und jede beliebige bzw. ggf. vorteilhafte 2D- oder 3D-Bewegung umfassen kann. Weiterhin können die beiden Laserstrahlen 10, 12 entweder zeitsynchron oder zeitlich versetzt bzw. individuell betrieben werden. Sowohl die Spot-Größe bzw. der Querschnitt des jeweiligen Laserstrahls 10, 12 im jeweiligen Einwirkbereich 16, 18 als auch das Stahlprofil, die Intensitätsverteilung und sonstige Parameter können entweder bei beiden Laserstrahlen 10, 12 gleich sein, oder aber individuell unterschiedlich. Auch ist es denkbar, dass sich die Parameter über den zeitlichen Prozessverlauf ändern oder durch einen Regelkreis an die Prozesssituation angepasst werden.

In der Fig. 2 ist dargestellt, dass das Einwirken der beiden Laserstrahlen 10, 12 zum Ausbilden eines Schmelzbades 35 geführt hat, das bis zur jeweiligen Bauteilgrenze 6, 7 der beiden Bauteile 1, 2 reicht und somit anschließend, nach dem Erstarren des Materials des Schmelzbads 35, zum Ausbilden der gewünschten Schweißnaht 5 führt. Wesentlich dabei ist, dass das Material des Schweißbads 35 ggf. vorhandene Spalten, Lücken o.ä. zwischen den beiden Bauteilgrenzen 6, 7 der beiden Bauteile 1, 2 überbrückt. Auch kann es vorgesehen sein, dass nach Ausbildung des Schmelzbads 35 die beiden Laserstrahlen 10, 12 quer über den Bereich der beiden Bauteilgrenzen 6, 7 verfahren werden, um ggf. die Qualität der Schweißnaht 5 zu erhöhen. In der Fig. 3 ist der Fall dargestellt, bei dem eine Gruppe von drei Paaren von Bauteilen 1a, 2a bis 1c, 2c quasi simultan miteinander verbunden werden.

Hierbei findet die Verbindung jeweils zwischen den beiden Bauteilen 1a, 2a sowie 1b, 2b und 1c, 2c statt.

Ergänzend zu obigen Erläuterungen kann es selbstverständlich auch vorgesehen sein, auf jeden der Einwirkbereiche 16, 18 mehr als jeweils einen Laserstrahl 10, 12 einwirken zu lassen.