DE102024003247A1

DE102024003247A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kühlers

Info

Publication number: DE102024003247A1
Application number: DE102024003247.9A
Authority: DE
Inventors: Steffens Dirk
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2024-10-04
Filing date: 2024-10-04
Publication date: 2025-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlers (1) aus mehreren Bauteilen (2, 3), wobei
- zumindest eines der Bauteile (2, 3) als wellenförmiges Bauteil (2) mit einem wellenförmigen Querschnitt ausgebildet ist und
- das zumindest eine wellenförmige Bauteil (2) im Bereich von an Wellentälern und/oder Wellenbergen ausgebildeten ebenen Anlagebereichen (A1 bis A3) an dem zumindest einen weiteren Bauteil (3) angelegt wird und anschließend in den Anlagebereichen (A1 bis A3) mit diesem unter Ausbildung von Schweißnähten (S1 bis S3) verschweißt wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
- die Schweißnähte (S1 bis S3) in einem Laserstrahlschweißverfahren erzeugt werden, indem eine Anzahl von Laserstrahlen (LS) am jeweiligen Anlagebereich (A1 bis A3) auf eine Oberfläche zumindest eines der Bauteile (2, 3) geführt wird, und
- eine Gesamtbreite (b_L) der Anzahl von Laserstrahlen (LS) derart gewählt wird, dass diese am jeweiligen Anlagebereich (A1 bis A3) an einer Auftreffposition auf der Oberfläche des zumindest einen Bauteils (2, 3) mindestens dem 1,1-Fachen einer Breite (b_F) des Anlagebereichs (A1 bis A3) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der WO 2024 134 402 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers bekannt, der eine Vielzahl von Kühlflüssigkeitszirkulationskanälen umfasst. Dabei werden eine erste Platte und eine zweite Platte kontaktiert. Sobald die Platten in Kontakt stehen, wird zwischen der ersten und der zweiten Platte ein Netzwerk aus Kanalnähten geschweißt. Anschließend werden die erste und die zweite Platte mit dem Netzwerk aus Kanalnähten dazwischen verformt und abgeflacht. Flüssigkeit wird in das Netzwerk aus Kanalnähten eingespritzt, wobei die erste und zweite Platte zusammengeklemmt werden, um die Vielzahl von Kühlflüssigkeitszirkulationskanälen zu bilden. Jeder der Vielzahl von Kühlflüssigkeitszirkulationskanälen ist zwischen einer ersten und einer zweiten Kanalnaht positioniert und definiert einen zentralen Strömungshohlraum, der sich in einen ersten und einen zweiten Spalt neben der ersten und der zweiten Kanalnaht verjüngt. Anschließend wird Flüssigkeit in die Vielzahl der Kühlflüssigkeitszirkulationskanäle eingespritzt, um den Wärmetauscher zu bilden.
Weiterhin ist aus der DE 10 2017 202 552 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlerplatte zur Kühlung einer Elektrobatterie eines Elektrofahrzeugs bekannt. Dabei werden zwei plattenförmige Metallabschnitte unter Bildung einer Kühlerplatte miteinander verbunden. Die Verbindung der Metallabschnitte erfolgt durch Laserstrahlschweißen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Kühlers anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem Verfahren zur Herstellung eines Kühlers aus mehreren Bauteilen,

- ist zumindest eines der Bauteile als wellenförmiges Bauteil mit einem wellenförmigen Querschnitt ausgebildet und
- das zumindest eine wellenförmige Bauteil wird im Bereich von an Wellentälern und/oder Wellenbergen ausgebildeten ebenen Anlagebereichen an dem zumindest einen weiteren Bauteil angelegt und anschließend in den Anlagebereichen mit diesem unter Ausbildung von Schweißnähten verschweißt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass

- die Schweißnähte in einem Laserstrahlschweißverfahren erzeugt werden, indem eine Anzahl von Laserstrahlen am jeweiligen Anlagebereich auf eine Oberfläche zumindest eines der Bauteile geführt wird, und
- eine Gesamtbreite der Anzahl von Laserstrahlen derart gewählt wird, dass diese am jeweiligen Anlagebereich an einer Auftreffposition auf der Oberfläche des zumindest einen Bauteils mindestens dem 1,1-Fachen einer Breite des Anlagebereichs entspricht.

Das vorliegende Verfahren zeichnet sich durch seine einfache Durchführbarkeit bei gleichzeitig hoher Präzision in der Herstellung von Kühlern aus. Hierbei können Strömungsverhältnisse innerhalb des Kühlers dahingehend optimiert werden, dass Verwirbelungen für ein durchfließendes Fluid zumindest verringert werden. Dies wird insbesondere dadurch vermieden, dass Randzonen erzeugter Kühlkanäle von den erzeugten Schweißnähten begrenzt werden und somit im Querschnitt zu den Anlagebereichen hin spitz verlaufende Bereiche reduziert oder vermieden werden. Durch die verbesserte Durchströmung der Kühlkanäle können diese schmaler ausgelegt werden, so dass vielfältige Anordnungsmöglichkeiten dieser möglich sind.
Dabei ist das Verfahren in einfacher und vorteilhafter Weise mit aktueller Anlagentechnik umsetzbar und somit in einfacher und zuverlässiger Weise in aktuelle Prozesse integrierbar. Dabei kann das Verfahren für alle mittels Laserstrahlen verschweißbare Kühlerwerkstoffe, beispielsweise Aluminium- und/oder Stahlwerkstoffe, verwendet werden. Weiterhin ist ein mit dem vorliegenden Verfahren erzeugtes Schmelzbad gegenüber anderen Schweiß-Prozessen, beispielsweise Schweißen mit Strahloszillation, deutlich ruhiger. Somit kann eine Prozesssicherheit bei gleichzeitiger Reduzierung von Ausschussmengen erhöht werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts eines Kühlers nach dem Stand der Technik,
2 schematisch einen Querschnitt eines Ausschnitts einer Bauteilanordnung zur Herstellung eines Kühlers vor einem Verschweißen,
3 schematisch den Querschnitt des Ausschnitts der Bauteilanordnung gemäß 2 nach dem Verschweißen und
4 schematisch einen beispielhaften Strahlprofilquerschnitt und dessen Bewegung während einer Durchführung eines Laserschweißverfahrens.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Querschnitt eines Ausschnitts eines Kühlers 1' nach dem Stand der Technik dargestellt.
Der Kühler 1' weist zwei Bauteile 2', 3' auf, wobei eines der Bauteile 2' einen wellenförmigen Querschnitt aufweist. Das weitere Bauteil 3' ist eben ausgebildet.
Dabei liegt das Bauteil 2' auf dem Bauteil 3' auf und ist im Bereich seiner, in jeweiligen Wellentälern ausgebildeten Anlagebereichen A1', A2' mit dem Bauteil 3' unter Ausbildung von zwei Schweißnähten S1', S2' verschweißt.
Ein dadurch zwischen den Bauteilen 2', 3' ausgebildeter Hohlraum H' ist mit einem Kühlmedium, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit, beaufschlagbar und somit als Kühlmedienkanal verwendbar.
Aufgrund der dargestellten Anordnung und Ausbildung der Schweißnähte S1', S2' weist der Hohlraum H' an seinen Randbereichen im Querschnitt zu den Anlagebereichen A1', A2' hin spitz zulaufende Bereiche auf, welche zu Verwirbelungen und daraus folgend zu schlechten Strömungsverhältnissen für das Kühlmedium führen können.
2 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts einer möglichen Ausgestaltung einer Bauteilanordnung 4 zur Herstellung eines Kühlers 1 vor einem Verschweißen. In 3 ist der Querschnitt des Ausschnitts der Bauteilanordnung 4 gemäß 2 nach dem Verschweißen dargestellt. Die so verschweißte Bauteilanordnung 4 bildet den Kühler 1.
Die Bauteilanordnung 4 weist zwei Bauteile 2, 3 auf, wobei eines der Bauteile 2 einen wellenförmigen Querschnitt aufweist. Das weitere Bauteil 3 ist eben ausgebildet. Alternativ können auch beide Bauteile 2, 3 einen wellenförmigen Querschnitt aufweisen. Die Bauteile 2, 3 sind beispielsweise aus Aluminium- und/oder Stahlwerkstoffen gebildet.
Zur Herstellung der Bauteilanordnung 4 wird das Bauteil 2 auf eine ebene Oberfläche des Bauteils 3 derart aufgelegt, dass dieses mit im Bereich seiner Wellentäler ausgebildeten ebenen Anlagebereichen A1 bis A3 mit einer jeweiligen Breite b_F auf dem Bauteil 3 aufliegt. Insbesondere sind die Bauteile 2, 3 im Bereich der Anlagebereiche A1 bis A3 im Parallelstoß zueinander angeordnet, wobei die Wellentäler an den Anlagebereichen A1 bis A3 beispielsweise flanschartig ausgebildet sind. Eine Breite b_F der Anlagebereiche A1 bis A3 beträgt beispielsweise mindestens 1,5 mm und höchstens 15,0 mm.
Die Verschweißung der Bauteile 2, 3 unter Erzeugung von Schweißnähten S1 bis S3 erfolgt in einem Laserschweißverfahren, wobei ein Laserstrahl LS am jeweiligen Anlagebereich A1 bis A3 auf eine Oberfläche des Bauteils 2 geführt wird. Mittels des Laserstrahls LS wird das Bauteil 2 in seiner Dicke vollständig durchdringend aufgeschmolzen. Das darunter befindliche Bauteil 3 wird im Bereich seiner dem Bauteil 2 zugewandten Oberfläche teilweise aufgeschmolzen, wobei nach einer Erstarrung eines erzeugten Schmelzguts die jeweilige Schweißnaht S1 bis S3 entsteht.
Der Laserstrahl LS weist dabei am jeweiligen Anlagebereich A1 bis A3 an einer Auftreffposition auf der Oberfläche des Bauteils 2 eine Gesamtbreite b_L auf, welche mindestens dem 1,1-Fachen der Breite b_F des jeweiligen Anlagebereichs A1 bis A3 entspricht. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen können auch mehrere nebeneinander angeordnete Laserstrahlen LS auf die Oberfläche des Bauteils 2 gerichtet werden, wobei die aus einer Summe aller Breiten der Laserstrahlen LS gebildete Gesamtbreite b_L mindestens dem 1,1-Fachen der Breite b_F des jeweiligen Anlagebereichs A1 bis A3 entspricht.
Aufgrund der Wahl des Verhältnisses aus Gesamtbreite b_L des zumindest einen Laserstrahls LS und der Breite b_F des jeweiligen Anlagebereichs A1 bis A3 werden die Schweißnähte S1 bis S3 derart erzeugt, dass deren jeweilige minimale Breitenausdehnung b_S mindestens genauso groß wie die Breite b_F des zugehörigen Anlagebereichs A1 bis A3 ist. Hierdurch können die aus dem Stand der Technik bekannten und in 1 dargestellten spitz zulaufenden Bereiche durch die Schweißnähte S1 bis S3 zumindest teilweise verschlossen werden, so dass Randbereiche der Schweißnähte S1 bis S3 zwischen den Bauteilen 2, 3 erzeugte Hohlräume H1, H2 randseitig zumindest abschnittsweise begrenzen. Durch die Reduzierung oder Vermeidung der spitz zulaufenden Bereiche können Verwirbelungen eines durch die Hohlräume H1, H2 geführten Kühlmediums zumindest verringert und daraus folgend Strömungsverhältnisse für das Kühlmedium verbessert werden.
4 zeigt einen beispielhaften Laserstrahlprofilquerschnitt und dessen Bewegung während einer Durchführung eines Laserschweißverfahrens.
Der zumindest eine Laserstrahl LS, welcher zur Erzeugung der in 3 dargestellten Schweißnähte S1 bis S3 verwendet wird, wird beispielsweise derart geformt, dass dieser den dargestellten zumindest im Wesentlichen quadratisch geformter Laserstrahlprofilquerschnitt aufweist. Diese Formung des zumindest einen Laserstrahls LS und dessen Führung über die Oberfläche wird beispielsweise mittels zumindest eines diffraktiven optischen Elements durchgeführt.
Mittels eines derart geformten Laserstrahls LS ist in einer Bearbeitungsebene eine richtungsunabhängige und homogene Bearbeitung möglich, so dass Kurven und Radien bzw. gekrümmte Bahnen mit Umorientierungen richtungsunabhängig mit gleichbleibendem Schweißnahtquerschnitt geschweißt werden können. Dies ermöglicht eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung und Ausformung der Kühlmedienkanäle.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2024 134 402 A1 [0002]
DE 10 2017 202 552 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kühlers (1) aus mehreren Bauteilen (2, 3), wobei - zumindest eines der Bauteile (2, 3) als wellenförmiges Bauteil (2) mit einem wellenförmigen Querschnitt ausgebildet ist und - das zumindest eine wellenförmige Bauteil (2) im Bereich von an Wellentälern und/oder Wellenbergen ausgebildeten ebenen Anlagebereichen (A1 bis A3) an dem zumindest einen weiteren Bauteil (3) angelegt wird und anschließend in den Anlagebereichen (A1 bis A3) mit diesem unter Ausbildung von Schweißnähten (S1 bis S3) verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schweißnähte (S1 bis S3) in einem Laserstrahlschweißverfahren erzeugt werden, indem eine Anzahl von Laserstrahlen (LS) am jeweiligen Anlagebereich (A1 bis A3) auf eine Oberfläche zumindest eines der Bauteile (2, 3) geführt wird, und - eine Gesamtbreite (b_L) der Anzahl von Laserstrahlen (LS) derart gewählt wird, dass diese am jeweiligen Anlagebereich (A1 bis A3) an einer Auftreffposition auf der Oberfläche des zumindest einen Bauteils (2, 3) mindestens dem 1,1-Fachen einer Breite (b_F) des Anlagebereichs (A1 bis A3) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Breite (b_F) der Anlagebereiche (A1 bis A3) mindestens 1,5 mm und höchstens 15,0 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnähte (S1 bis S3) derart erzeugt werden, dass deren jeweilige minimale Breitenausdehnung (b_S) mindestens genauso groß wie die Breite (b_F) des zugehörigen Anlagebereichs (A1 bis A3) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Laserstrahlen (LS) derart geformt wird, dass an der Auftreffposition auf der Oberfläche des zumindest einen Bauteils (2, 3) ein zumindest im Wesentlichen quadratisch geformter Laserstrahlprofilquerschnitt erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlformung und/oder Strahlführung der Anzahl von Laserstrahlen (LS) mittels zumindest eines diffraktiven optischen Elements durchgeführt wird.