Verfahren zur Herstellung einer Schweißbaugruppe und Schweißbaugruppe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißbaugruppe, de- ren Fügepartner insbesondere aus jeweils einer Aluminiumlegierung gebildet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine solche Schweißbaugruppe, insbesondere ein Gehäuse einer elektrischen Maschine.

Schweißbaugruppen werden häufig dann herangezogen, wenn der Einsatz von zusätzlichen Bauteilen, beispielsweise Verbindungselementen wie Schrauben vermieden werden soll. Unter Umständen kann nämlich die durch solche zusätzli- chen Verbindungselemente bedingte Gewichtszunahme der gesamten Baugruppe unerwünscht sein. Ferner kann auch eine Schweißverbindung im vorliegenden Einsatzfall belastungsgerechter sein.

Für den Fall, dass die Schweißbaugruppe aus Aluminium-Bauteilen gebildet ist, treten häufig unterschiedliche zu berücksichtigende Probleme auf. So ist es bei spielsweise für eine Serienfertigung einzelner Bauteile in wirtschaftlicher Hinsicht zweckmäßig, diese durch Kaltumformung, insbesondere Kaltfließpressen herzu- stellen. Dadurch ist eine vergleichsweise hohe Maßhaltigkeit bei gleichzeitig hoher Oberflächengüte und bei keinem oder lediglich geringem Nachbearbeitungs- Aufwand möglich. Allerdings sind gut schweißbare Aluminiumlegierungen wie zum Beispiel AIMg3 nicht mit hinreichend hohen Freiheitsgraden mittels Kaltumformung zu verarbeiten. Aluminiumlegierungen, die sich besonders gut zur Kaltumformung eignen, sind zwar grundsätzlich schweißbar, neigen aber häufig zur Bildung von sogenannten Heißrissen, was im Betrieb zur Zerstörung der Schweißbaugruppe führen kann. Dies ist insbesondere für Aluminiumlegierungen mit einem Massean- teil von etwa ein Prozent Silizium der Fall. Bei einem derartigen Siliziumgehalt weisen Aluminiumlegierungen eine erhöhte Neigung zu Heißrissen auf.

Bei der Herstellung einer Schweißverbindung zwischen zwei Bauteilen, die bei- spielsweise jeweils einen Siliziumgehalt von etwa 1 Prozent aufweisen, wird des- halb üblicherweise ein Schweißzusatzwerkstoff der Schweißzone (auch:

„Schmelzzone“) zugeführt, um diese über den kritischen Siliziumgehalt hinaus aufzulegieren. Dies ist jedoch mit einem vergleichsweise hohen Zusatzaufwand verbunden, da der Zusatzwerkstoff meist in Form eines Drahts zugeführt werden muss, weshalb bei einer automatisierten Fertigung meist eine Kameraüberwa- chung der Drahtzuführung erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Herstellung einer Schweißbaugrup- pe vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkma- len des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Schweißbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere vor- teilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterentwicklun- gen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschrei- bung dargelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer Schweißbaugruppe, insbesondere eines Gehäuses einer elektrischen Maschine. Verfahrensgemäß wird dabei ein erster, kaltumgeformter (vorzugsweise kaltfließgepresster) Füge- partner bereitgestellt, der aus einer kaltumformbaren, insbesondere zum Kaltfließ- pressen geeigneten, ersten Aluminiumlegierung mit geringem Siliziumgehalt ge- bildet ist. Außerdem wird ein zweiter Fügepartner bereitgestellt, der aus einer zweiten Aluminiumlegierung gebildet ist, die gegenüber der ersten Aluminiumle- gierung einen erhöhten Siliziumgehalt aufweist. Der erste und der zweite Füge- partner werden daraufhin mittels Laserstrahlschweißen insbesondere unmittelbar (d. h. insbesondere ohne Zwischenlage von Zusatzbauteilen) aneinander gefügt. Der Siliziumgehalt der zweiten Aluminiumlegierung wird dabei gegenüber der ers- ten Aluminiumlegierung derart erhöht eingestellt (vorzugweise gewählt), dass sich in einer Schweißzone zwischen dem ersten und dem zweiten Fügepartner ein Sili- ziumgehalt von wenigstens etwa 3 Prozent (insbesondere Massenprozent) ein- stellt.

Besonders bevorzugt wird der Siliziumgehalt der zweiten Aluminiumlegierung der- art eingestellt (gewählt), dass nach dem Laserstrahlschweißen in der Schweißzo- ne ein Siliziumgehalt von wenigstens etwa 4 Prozent vorliegt. Der Begriff„etwa“ wird in Bezug auf Prozentangaben der (massenbezogenen) Le- gierungsanteile hier und im Folgenden insbesondere dahingehend verstanden, dass ein Toleranzbereich von +/- 0,5 Prozent vorliegen kann.

Durch den Einsatz von Laserstrahlschweißen wird vorteilhafterweise ermöglicht, die beiden Fügepartner frei zueinander ausrichten zu können, insbesondere ohne Rücksicht auf fest an wenigstens einem der Fügepartner vorgesehene Fügeele- mente, beispielsweise Schraublöcher, Passstifte oder dergleichen, nehmen zu müssen. Insbesondere wird dadurch ermöglicht, Lagetoleranzen, die unter ande- rem von der Positionierung (oder: Ausrichtung) der Fügepartner zueinander ab- hängen, ausgleichen zu können. Beispielsweise können so eine Achsflucht, eine Exzentrizität oder auch Konzentrizität und dergleichen z. B. bei durch die beiden Fügepartner gebildeten Lagerhalterungen besonders einfach ausgeglichen oder eingestellt werden. Beim Schweißprozess erfolgt erkanntermaßen ein Aufschmelzen beider Füge- partner an ihren Fügestellen und somit auch eine lokale Mischung der Materialien beider Fügepartner. Bei einem Siliziumgehalt ab etwa 3 Prozent sinkt das Risiko einer Bildung von Heißrissen. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Auswahl, insbesondere der Einstellung der zweiten Aluminiumlegierung bezüglich ihres Sili- ziumgehalts und der damit verbundenen Auflegierung in der Schweißzone auf den Siliziumgehalt von wenigstens etwa 3, vorzugsweise 4 Prozent, kann das Risiko der Bildung von Heißrissen also vorteilhafterweise gesenkt oder sogar vermieden werden. Insbesondere wird somit auch ermöglicht, für den ersten Fügepartner als erste Aluminiumlegierung eine besonders gut zur Kaltumformung geeignete Alu- miniumlegierung, die regelmäßig einen besonders niedrigen Siliziumgehalt - bei- spielsweise von unter 2 Prozent - und somit eine starke Neigung zur Bildung von Heißrissen aufweist, zu verwenden. Dadurch kann der erste Fügepartner wirt- schaftlich gefertigt und dennoch das Risiko der Bildung von Heißrissen beim schweißtechnischen Fügen gesenkt werden, ohne den Fertigungsaufwand zu er- höhen. Letzteres wird vorteilhafterweise insbesondere dadurch ermöglicht, dass aufgrund der vorstehend beschriebenen Auflegierung der Schweißzone durch die zweite Aluminiumlegierung der Einsatz eines Schweißzusatzwerkstoffs mit hohem Siliziumgehalt entfallen kann.

In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird das Laserstrahlschwei- ßen auch ohne einen solchen Schweißzusatzwerkstoff durchgeführt. Dadurch ent- fällt vorteilhafterweise der Aufwand für eine Drahtzuführung und eine damit ver- bundene Überwachung des Schweißprozesses hinsichtlich der Drahtzuführung, sowie die Material kosten für den Schweißzusatzwerkstoff.

In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante wird für den zweiten Fügepart- ner (und somit als zweite Aluminiumlegierung) eine Aluminiumlegierung, insbe- sondere eine Aluminium- Gusslegierung mit einem Siliziumgehalt von wenigstens etwa 8 Prozent, vorzugsweise von wenigstens 10 Prozent herangezogen. Bei die sem Siliziumgehalt wird die vorstehend beschriebene Auflegierung der Schweiß- zone insbesondere mit vergleichsweise hoher Prozesssicherheit ermöglicht. Als zweite Aluminiumlegierung wird dabei beispielsweise AISH 2 (auch unter der Be- Zeichnung EN AC 44300 bekannt) oder AISH 2Cu1 (auch unter der Bezeichnung EN AC 47100 bekannt) verwendet.

In einer ebenfalls bevorzugten Verfahrensvariante wird als erste Aluminiumlegie- rung (d. h. für den ersten Fügepartner) eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminium-Knetlegierung mit einem Siliziumgehalt von etwa 1 Prozent her- angezogen. Beispielsweise wird als erste Aluminiumlegierung AlMgSM (auch un- ter der Bezeichnung EN AW 6082 bekannt) verwendet. In einer zweckmäßigen Verfahrensvariante wird der zweite Fügepartner mittels Aluminium-Druckguss hergestellt. Dadurch ergibt sich für den zweiten Fügepartner eine besonders hohe Gestaltungsfreiheit (insbesondere hinsichtlich der Bauteilge- ometrie) bei gleichzeitig wirtschaftlicher Serienfertigung.

Die erfindungsgemäße Schweißbaugruppe bildet insbesondere ein Gehäuse einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Elektromotors. Die Schweißbaugrup- pe umfasst dabei den vorstehend beschriebenen ersten, kaltumgeformten Füge- partner, der aus der ersten kaltumformbaren Aluminiumlegierung mit niedrigem Siliziumgehalt gebildet ist. Des Weiteren umfasst die Schweißbaugruppe den zweiten, mit dem ersten Fügepartner mittels eines Laserstrahlschweißprozesses gefügten Fügepartner, der aus der zweiten Aluminiumlegierung mit dem erhöhten Siliziumgehalt gebildet ist. Der erhöhte Siliziumgehalt der zweiten Aluminiumlegie- rung ist dabei derart gewählt, dass in der Schweißzone zwischen dem ersten und dem zweiten Fügepartner der Siliziumgehalt von wenigstens etwa 3 Prozent, vor- zugsweise von wenigstens etwa 4 Prozent ausgebildet ist. D. h., dass die erfin- dungsgemäße Schweißbaugruppe insbesondere mittels des vorstehend beschrie- benen Verfahrens hergestellt ist. Die Schweißbaugruppe weist somit alle sich aus dem vorstehend beschriebenen Verfahren ergebenden (körperlichen) Merkmale auf. Mithin teilen sich das Verfah- ren und die Schweißbaugruppe auch die entsprechenden, vorstehend beschrie- benen Vorteile. In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung handelt es sich bei dem ersten Fügepartner um einen Gehäusekasten, der insbesondere einen topfartigen Teil des Gehäuses der elektrischen Maschine bildet. Bei dem zweiten Fügepartner handelt es sich in diesem Fall um einen den Gehäusekasten stirnseitig abschlie- ßenden Lagerschild. Der Lagerschild dient dabei insbesondere zur Halterung ei- nes Lagers für eine Rotorwelle der elektrischen Maschine, die im bestimmungs- gemäßen Montagezustand der elektrischen Maschine im Inneren des Gehäuse- kastens mit einem Rotor verbunden und gegenüber einem Stator drehbar gelagert ist. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und insbesondere ein Bestandteil eines Nebenaggregats des Kraftfahrzeugs, wie eines Verstellantriebs. Insbesondere ist die elektrische Maschine ein Bestandteil einer Pumpe, wie einer Schmiermittelpumpe, insbesondere einer Motoröl- oder Getrie- beölpumpe. Alternativ hierzu ist die elektrische Maschine ein Bestandteil einer Wasserpumpe, eines Klimakompressors oder eines Heizgebläses (HVAC). In ei- ner Alternative hierzu ist die elektrische Maschine ein Bestandteil eines elektri- schen Fensterhebers, einer elektromotorischen Sitzverstellung, einer elektromoto- risch betriebenen Heckklappe oder eines elektrischen Schiebedachs. In einer wei- teren Alternative ist die elektrische Maschine ein Bestandteil einer Massageein- richtung eines Fahrzeugsitzes. Besonders bevorzugt ist die elektrische Maschine ein Elektromotor, beispielsweise ein Synchronmotor. Zum Beispiel ist der Elektro- motor ein bürstenbehafteter Kommutatormotor. Besonders bevorzugt jedoch ist der Elektromotor bürstenlos ausgestaltet, insbesondere als bürstenloser Gleich- strommotor (BLDC). Besonders bevorzugt ist die elektrische Maschine ein Len- kungsmotor und somit ein Bestandteil einer Lenkvorrichtung des Kraftfahrzeugs. Hierbei wird bei Betrieb insbesondere mittels des Elektromotors eine Lenkstange als Verstellteil bewegt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Vorderansicht schematisch eine Schweißbau- gruppe, die ein Gehäuse einer elektrischen Maschine bildet,

Fig. 2 in einer perspektivischen Rückansicht die Schweißbaugruppe gemäß

Fig. 1 ,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt der Schweißbaugruppe, und

Fig. 4 in einem schematischen Ablaufdiagramm ein Verfahren zur Herstellung der Schweißbaugruppe.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszei- chen versehen. In Fig. 1 und 2 ist eine elektrische Maschine, konkret ein Elektromotor 1 perspekti- visch dargestellt. Der Elektromotor 1 weist einen Gehäusekasten, konkret ein topf- förmiges Gehäuseteil (als„Gehäusetopf 2“ bezeichnet) mit einem hieran ange- formten B-seitigen Lagerschild 4 (s. Fig. 2) auf, an dem ein erstes Wälzlager, kon- kret ein Kugellager 6 zentral gehaltert ist. Der Gehäusetopf 2 mit dem hieran an- geformten B-seitigen Lagerschild 4 ist auf der verbleibenden Seite mittels eines A- seitigen Lagerschilds 8 (der ebenfalls ein Gehäuseteil bildet) verschlossen, der ein zweites Wälzlager (konkret ein Kugellager 10) trägt. Der Gehäusetopf 2 ist aus einer ersten Aluminiumlegierung mittels Kaltumformung, konkret mittels Kaltfließ- pressen hergestellt. Der A-seitige Lagerschild 8 ist aus einer zweiten Aluminium- legierung als Aluminium-Druckgussteil hergestellt.

Der Elektromotor 1 weist eine Rotorwelle 12 auf, die mittels der beiden Kugellager 6 und 10 um eine Drehachse 14 rotierbar gelagert. Zur abtriebsseitigen Kopplung mit einem nachgelagerten Getriebe ist die Rotorwelle 12 endseitig außenverzahnt ausgestaltet. Der A-seitige Lagerschild 8 weist außerdem eine von dem Gehäuse- topf 2 weggerichtete Mulde 16 auf, die zur teilweisen Aufnahme des nachgelager- ten Getriebes dient. Auf Seiten des B-seitigen Lagerschilds 4 ist an dem Gehäu- sestopf 2 ein überstehender Kragen 18 gebildet. Ein innerhalb des Kragens 18 gebildeter Raum 20 dient zur Aufnahme eines Drehgebers sowie einer Ansteuer- elektronik des Elektromotors 1.

An der Rotorwelle 12 ist zwischen den beiden Kugellagern 6 und 10 ein Blechpa- ket 22 mit darin positionierten Permanentmagneten drehfest gehaltert. Das Blech- paket 22 mit den Permanentmagneten bildet gemeinsam mit der Rotorwelle 12 einen Rotor 24 des Elektromotors 1 . Das Blechpaket 22 wird von einem an einer Innenwand des Gehäusetopfs 2 angeordneten Stator 26 umgeben, der eine An- zahl von elektrischen Spulen 28 umfasst.

Der A-seitige Lagerschild 8 wird in einem nachfolgend anhand von Fig. 4 näher beschriebenen Verfahren mittels Laserstrahlschweißen mit dem Gehäusetopf 2 gefügt. Der Gehäusetopf 2 bildet dabei einen ersten Fügepartner und der A-seitige Lagerschild 8 bildet entsprechend einen zweiten Fügepartner. Das aus dem Ge- häusetopf 2 und dem A-seitigen Lagerschild 8 gebildete Gehäuse stellt somit eine Schweißbaugruppe dar. Die erste Aluminiumlegierung (d. h. die des Gehäusetopfs 2) weist konkret einen Siliziumgehalt von etwa 1 Prozent auf. Konkret handelt es sich dabei um eine Aluminium-Knetlegierung, z. B. um AlMgSil , die sich beson- ders gut für das Kaltfließpressen eignet. Die zweite Aluminiumlegierung (also die des A-seitigen Lagerschilds 8) weist konkret einen Siliziumgehalt von größer 10 Prozent auf. Konkret handelt es sich bei der zweiten Aluminiumlegierung um eine Aluminium-Gusslegierung, z. B. um AISM 2.

In einem ersten Verfahrensschritt 40 des in Fig. 4 dargestellten Verfahrens wird der Gehäusetopf 2 mit dem Stator 26 bereitgestellt. Vor dem ersten Verfahrens- schritt 40 wurde der Gehäusetopf 2 in einem Kaltfließpressverfahren aus der ers- ten Aluminiumlegierung hergestellt, der Stator 26 innerhalb des Gehäusetopfs 2 platziert und an dessen Innenwand angebunden. Zudem wurde das erste Kugella- ger 6 an dem B-seitigen Lagerschild 4 angebunden worden.

In einem zweiten Verfahrensschritt 50 wird der Rotor 24 in den Gehäusetopf 24 und somit in den Stator 26 eingebracht. Hierbei wird die Rotorwelle 12 durch das erste Kugellager 6 geführt, sodass die Rotorwelle 12 in den Raum 20 hineinragt.

In einem dritten Verfahrensschritt 60 wird der A-seitige Lagerschild 8, der das zweite Kugellager 10 trägt, auf den Gehäusetopf 2 aufgesetzt. Die Rotorwelle 12 wird dabei in das zweite Kugellager 10 eingefädelt. Der A-seitige Lagerschild 8 wird zunächst stumpf und lediglich lose auf die Stirnseite des Gehäusetopfs 2 auf- gesetzt, die dem B-seitigen Lagerschild 4 und dem Raum 20 gegenüberliegt. An- schließend wird - optional iterativ - der A-seitige Lagerschild 8 derart zum Gehäu- setopf 2 ausgerichtet, dass eine möglichst ungestörte Lagerung des Rotors 24 gegenüber dem Stator 26 vorliegt. Konkret wird der A-seitige Lagerschild 8 unter Ermittlung von Störgrößen, beispielsweise einer Exzentrizität des Rotors 24 zu dem Stator 26, eines Rastmoments des Rotors 24 und/oder einer auf den Rotor 24 wirkende (elektromotorische) Kraft, die bei Bestromung wenigstens eines Teils der elektrischen Spulen 28 auftritt, quer zur Drehachse 14 verschoben, so dass sich auch ein Abstand zwischen den Blechpaketen 22 des Rotors 24 und den Spulen 28 des Stators 26 ändert. Dies führt wiederum zu einer Änderung der vor- genannten Störgrößen. In einem sich anschließenden Verfahrensschritt 70 wird der A-seitige Lagerschild 8 in einer Position mit hinreichend geringen Störgrößen an dem Gehäusetopf 2 befestigt. Hierfür wird der A-seitige Lagerschild 8 mit dem Gehäusetopf 2 laserver- schweisst, so dass sich entlang einer (schematisch angedeuteten) Schweißnaht 72 eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem A-seitigen Lagerschild 8 und dem Gehäusetopf 2 ergibt. Die Schweißnaht 72 ist dabei gasdicht ausgestaltet, so dass ein Eindringen von Fremdpartikeln in das Gehäuse im Bereich der Stoßkan- ten des A-seitigen Lagerschilds 8 mit dem Gehäusetopf 2 unterbunden ist.

Beim Laserstrahlschweißen stellt sich in einer Schweißzone 74, die sich um den auf die beiden Fügepartner auftreffenden Laserstrahl ausbildet, eine Mischlegie- rung zwischen der ersten Aluminiumlegierung und der zweiten Aluminiumlegie- rung ein. Aufgrund der Wahl der zweiten Aluminiumlegierung mit dem Silizium gehalt von größer 10 Prozent für den A-seitigen Lagerschild 8 stellt sich in der Schweißzone 74 dabei ein Siliziumgehalt ein, der gegenüber ersten Aluminiumle- gierung (die einen Siliziumgehalt von etwa 1 Prozent aufweist) derart auflegiert ist, dass die legierungsinhärente Heißrissneigung der ersten Aluminiumlegierung ge- senkt wird. Konkret steigt der Siliziumgehalt in der Schweißzone 74 aufgrund der Verwendung der zweiten Aluminiumlegierung für den A-seitigen Lagerschild 8 auf wenigstens etwa 4 Prozent. Somit kann der aufwendige und kostenintensive Ein- satz eines Schweißzusatzwerkstoffs entfallen und dennoch das Risiko der Heiß- rissbildung effektiv gesenkt werden.

Aufgrund der Ausrichtung des A-seitigen Lagerschilds 8 und des Gehäusetopfs 2 ist es außerdem nicht erforderlich, dass an der Verbindungsstelle zwischen dem Gehäusetopf 2 und dem A-seitigen Lagerschild 8 besondere Anforderungen an Bauteiltoleranzen gestellt werden müssen. Auf diese Weise wird die Herstellung des A-seitigen Lagerschilds 8 sowie des Gehäusetopfs 2 kostengünstiger. Außer- dem sind aufgrund der Schweißnaht 72 keine Dichtungselemente erforderlich, was weiter Herstellungskosten reduziert.

Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausfüh- rungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfin- dung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.

Bezugszeichenliste

1 Elektromotor

2 Gehäusetopf

4 B-seitiger Lagerschild

6 Kugellager

8 A-seitiger Lagerschild

10 Kugellager

12 Rotorwelle

14 Dreachse

16 Mulde

18 Kragen

20 Raum

22 Blechpaket

24 Rotor

26 Stator

28 Spule

40 Verfahrensschritt 50 Verfahrensschritt 60 Verfahrensschritt

70 Verfahrensschritt 72 Schweißnaht

74 Schweißzone