AT410416B

AT410416B - Vorrichtung und verfahren zum plasma-schweissen von türen und klappen

Info

Publication number: AT410416B
Application number: AT0107700A
Authority: AT
Inventors: Matthias Dr Ing Kallabis; Thomas Dipl Ing Kuehas
Original assignee: Va Tech Transport & Montagesysteme Gmbh & Co
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2003-04-25
Also published as: ATA10772000A; DE10127714A1

Description


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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stirnseitigen Plasma-Schweissen von gleich oder unter- schiedlich dicken Blechen, insbesondere verzinkte Bleche oder Aluminiumbleche, im Kraftfahr- zeugbau, sowie einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens. 



   Zur Herstellung von Türen und Klappen in der Kraftfahrzeugindustrie waren bisher stets mehre- re aufwendige Arbeitsgänge notwendig Die Kanten der Türen und Klappen sind Sichtkanten im Aussenbereich der Karosserie und müssen deshalb besonderen qualitativen Ansprüchen gerecht werden, da man jede Abweichung durch den Spalt zwischen Karosserie und der Tür oder der Klappe sofort mit freiem Auge erkennen kann.

   Um diese Qualitätsansprüche erfüllen zu können, mussten bis jetzt, aufgrund der hohen Ansprüche bezüglich der Dichtheit von Türen und Klappen, zuerst die Türen- oder Klappenteile durch spezielle Dichtungskleber in eigenen aufwendigen Klebestationen abgedichtet werden, die zu verbindenden Bleche entlang der Tür- oder Klappen- ränder umgebördelt werden und danach wurden sie durch den Einsatz des Widerstandspunkt- schweissens oder des   MIG/MAG-Schweissens   miteinander verschweisst. Dazu ist für jede Ausfüh- rungsform einer Türe oder Klappe ein anderes Bördelwerkzeug notwendig.

   Diese Arbeitsschritte und die notwendigen Werkzeuge machen die Herstellung von Türen und Klappen sehr kostenin- tensiv Bei den oben genannten Schweissverfahren hat man zusätzlich noch das Problem der entstehenden Schweissspritzer, die unter Umständen eine Nachbearbeitung des verschweissten Teiles notwendig machen. 



   Es sind Verfahren gemäss dem Oberbegriff der Erfindung bekannt, wie aus der WO 97/14569 A1; bei denen die Tür- oder Klappenränder vor dem Verschweissen in einer bestimm- ten Form umgebördelt werden müssen Weiters erfolgt die Verschweissung bei diesen Verfahren mit einem Laser-Schweissverfahren 
Durch den Einsatz von Laser-Schweissverfahren erhält man zwar ein Verfahren, das durch die durchgehende Schweissverbindung das Fügen und Abdichten in einem Arbeitsgang erledigen kann, aber bei den bekannten Verfahren in einer gewissen Form immer noch das Umbördeln der Tür- oder Klappenränder erfordert.

   Ausserdem ist der Einsatz von Lasern in der Produktion, unter ande- rem durch den notwendigen hohen Energieeintrag und höhere Wartungs- und Betriebskosten, sehr teuer 
In der WO 99/37523 A1 ist ein Verfahren zum Verschweissen von Fahrzeugteilen mittels des Plasma-Schweissverfahrens für Hohlteile in Verbindung mit dem Innenhochdruckverfahren, ange- geben. Es werden hier verschiedene mögliche Schweissnähte aufgezeigt, wie zum Beispiel eine Stossnaht, eine Kehlnaht oder eine Stumpfnaht 
Es sind auch Druckschriften zum Plasma-Schweissen selbst bekannt, wie die EP 962 277 A1, wo ein besonders kompakter Plasma-Schweisskopf mit einer besonderen Düsengeometrie geoffen- bart wird, oder die EP 933 982 A1 wo ein Plasma-Schweisskopf mit einer Schnellverschluss- Kupplung gezeigt wird.

   In der WO 99/04925 wird das Plasma-Schweissen in Zusammenhang mit der Erzeugung von Karosserien durch das Punktschweissen von sich überlappenden Blechen genannt. 



   Aus der EP 417 595 A1 ist ein Verfahren zur stirnseitigen Verschweissung von Dünnblechen unter Einsatz eines konventionellen Plasma-Schweissverfahrens unter Angabe einer bestimmten Schutzgas-Mischung geoffenbart. 



   Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt ein Plasma-Schweissverfahren, und eine zugehörige Vorrichtung, zur Herstellung von Türen und Klappen anzugeben, das sehr kostengünstig betrieben werden kann, eine hochqualitative, optisch sehr saubere und glatte Schweissverbindung liefert und sowohl auf das Bördeln der Tür- oder Klappenränder als auch auf das Dichtkleben der entstande- nen Schweissverbindung verzichten kann, und dass die Einhaltung der bei der Herstellung von Türen und Klappen kritischen Fertigungstoleranzen sicherstellt. 



   Die Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zumindest ein Innenblech und zumindest ein Aussenblech einer Türe oder Klappe verschweisst werden und dass das Plasma-Schweissverfahren so gesteuert wird, dass die durch die entstehenden Wärmespan- nungen verursachten plastischen Verformungen der zu verschweissenden Bleche, insbesondere Verzug der Bleche, durch das verwendete Plasma-Schweissverfahren auf ein vorbestimmtes Mass beschränkt werden und innerhalb der für Türen und Klappen zulässigen Toleranzgrenzen, insbe- sondere eine Spaltmasstoleranz von kleiner als 0. 1 mm, bleiben. Dadurch ist es erstmals möglich Türen und Klappen mittels dem stirnseitigen Plasma-Schweissen von Blechen herzustellen, die den 

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 hohen Qualitätsansprüchen bei der Produktion von Türen und Klappen entsprechen.

   Die Spalte im Sichtbereich, also beispielsweise der Abstand zwischen einer Aussenkante einer Türe oder Klappe und einem Rahmenteil, unterliegen dabei besonders engen Toleranzen, die mit diesem Verfahren allesamt eingehalten werden können. Damit kann sowohl das Bördeln der Tür- oder Klappenränder als auch das Dichtkleben im Herstellungsprozess vermieden werden. Durch das verwendete Plasma-Schweissverfahren kann ein sehr kleiner Fokusdurchmesser des Plasma-Strahles erreicht werden, wodurch die Energie des Plasma-Strahles sehr scharf gebündelt wird und wodurch die Wärmeeinflusszone sehr schmal gehalten werden kann. 



   Dadurch kann verhindert werden, dass zuviel Wärme in die zu verschweissenden Bleche über- tragen wird, wodurch sich die Bleche verziehen könnten. Ausserdem liefern diese Plasma- Schweissverfahren hochqualitative, optisch sehr saubere und glatte Schweissnahtoberflächen wie sie bei der Herstellung von Türen und Klappen benötigt werden. 



   Diese Plasma-Schweissverfahren ermöglichen weiters einen sehr kostengünstigen Betrieb Dies ergibt sich unter anderem durch niedrige Energiekosten, niedrige Betriebs-, Wartungs- und Anschaffungskosten. Darüber hinaus ist es möglich mit dem Plasma-Schweissverfahren alle in der Automobilindustrie gängigen Materialien, wie zum Beispiel verzinkte Bleche oder Aluminium, zu verschweissen. 



   Ein besonders vorteilhaftes Verfahren erhält man, wenn der Plasma-Strahl durch das verwen- dete Plasma-Schweissverfahren auf einen Fokusdurchmesser von kleiner 1 mm, vorzugsweise zwischen 0. 3 mm und 0. 7 mm, fokussiert wird. Durch einen sehr kleinen Fokusdurchmesser kann die Energie sehr stark gebündelt werden, wodurch sich der gesamte notwendige Energieeintrag zum Plasma-Schweissen der Bleche verringert und das Verfahren dadurch billiger wird. Ausserdem wird weniger Wärme in die Bleche übertragen, wodurch ein Verziehen der Bleche verhindert wer- den kann. Durch die starke Energiebündelung kann ausserdem mit einer höheren Schweissge- schwindigkeit gearbeitet werden, wodurch niedrige Durchlaufzeiten erreicht werden.

   Untersuchun- gen an Schweissproben haben überdies gezeigt, dass man, verglichen mit dem Laser-Schweissen, mit dem erfindungsgemäss verwendeten Plasma-Schweissverfahren schmälere Fügezonen erreicht, was direkten Einfluss auf die Festigkeit der Verbindung hat, aber durch die schmälere Schweissnaht auch optische Verbesserungen mit sich bringt. 



   Die Schweissnaht kann beim erfindungsgemässen Verfahren dadurch gesetzt werden, dass mindestens ein Plasma-Schweisskopf um die in einer Vorrichtung fixierten Innenbleche und Aussen- bleche einer Türe oder Klappe entlang der Stirnseiten dieser Bleche geführt wird. Als Alternative ist es auch möglich, dass die in einer Vorrichtung fixierten Innenbleche und Aussenbleche einer Türe oder Klappe zur Bildung der Schweissnaht entlang der Stirnseite dieser Bleche an mindestens einen fix montierten Plasma-Schweisskopf vorbei geführt werden. Welche Methode letztendlich eingesetzt wird, hängt weitestgehend von der vorhandenen Infrastruktur ab. Von der erreichbaren Qualität der Schweissnaht sind beide Methoden als äquivalent anzusehen. 



   Ein weiteres besonders günstiges Verfahren ergibt sich, wenn der durch das Innenblech und Aussenblech gebildete Hohlraum durch eine mit dem Plasma-Schweissverfahren gesetzte Schweiss- naht gegen die Aussenwelt abgeschlossen wird und dabei entlang dieser Schweissnaht im wesentli- chen gegen das Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtet wird. 



   Dadurch wird die Dichtheit der Verbindung verbessert, wodurch ein nachträgliches Abdichten, beispielsweise durch Dichtkleben, mit grosser Sicherheit nicht erforderlich ist. 



   Ein möglichst einfaches Verfahren ist dann gegeben, wenn zumindest ein Innenblech und zu- mindest ein Aussenblech mit fluchtenden Stirnseiten nebeneinander angeordnet sind und stirnseitig miteinander verschweisst werden. Durch die fluchtenden Stirnflächen spart man einerseits Material, da keines der Bleche über die anderen hinausragen muss, wie es zum Beispiel bei einer Kehlnaht notwendig wäre, und andererseits ergibt sich dadurch direkt eine optisch einwandfreie Kante der Türe oder Klappe. 



   Eine weitere Vereinfachung des Verfahrens ergibt sich, wenn mindestens ein Plasma-Schweiss- kopf im wesentlichen normal auf die durch die Stirnseiten der zu verschweissenden Bleche gebilde- te Ebene steht. Dadurch trifft der Plasma-Strahl optimal auf die Schweissstelle auf und es ergibt sich ein gleichmässiger Energieeintrag und damit auch eine gleichmässige, saubere Schweissnaht. 



   Eine weitere Verbesserung des Verfahrens ergibt sich, wenn mindestens ein Plasma-Schweiss- kopf so positioniert ist, dass der Plasma-Strahl auf die Berührungsfläche der zu verschweissenden 

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 Bleche gerichtet ist, womit erreicht wird, dass die zu verschweissenden Bleche durch den PlasmaStrahl zentral getroffen werden und gleichmässig lokal aufgeschmolzen werden, wodurch sich eine ideale Verbindung zwischen den Blechen ergibt. 



   Die eingangs genannte Aufgabe wurde für die Vorrichtung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine Steuereinrichtung, insbesondere zum Steuern der Schweissparameter und/oder der Schweissgeschwindigkeit, zum Ansteuern einer Anzahl von Plasma-Schweissköpfen vorgesehen ist, mittels der der Plasma-Strahl auf einen Fokusdurchmesser von kleiner 1 mm, vorzugsweise zwischen 0. 3 mm und 0. 7 mm, einstellbar sind, sodass die durch die entstehenden Wärmespannungen verursachten plastischen Verformungen der zu verschweissenden Bleche, insbesondere Verzug der Bleche, durch die Plasma-Schweissköpfe auf ein vorbestimmtes Toleranzmass beschränkbar ist. 



   Durch die Steuereinnchtung hat man die Möglichkeiten die Schweissparameter im Betrieb zu verändern, um auf kleine Variationen, beispielsweise der Blechgeometrie oder Matenaleigenschaften der Bleche, sofort reagieren zu können, um eine gleichbleibend qualitativ hochstehende Schweissnaht zu gewährleisten. 



   Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass Plasma-Schweissköpfe mit unterschiedlichen Düsenaustrittsöffnungen, insbesondere kreisrunde, ovale oder Mehrloch-Düsenaustrittsöffnungen, einsetzbar sind, da die Vorrichtung somit unterschiedliche Anforderungen, wie beispielsweise Material der zu verschweissenden Bleche oder Anzahl der zu verschweissenden Bleche, erfüllen kann. 



   Bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem Plasma-Schweisskopf bei dem die Elektrode des Plasma-Schweisskopfes an ihrem freien Ende kegelförmig ausgebildet ist und zumindest die den kegelförmigen Teil der Elektrode umgebende Düsenbohrung des Plasma-Schweisskopfes ebenfalls kegelförmig ausgebildet ist, ergibt sich ein besonders scharf fokussierter Plasma-Strahl, mit allen bereits genannten Vorteilen eines solchen Plasma-Strahles. 



   Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung erhält man, wenn in der Düsenbohrung des Plasma-Schweisskopfes in axialer Richtung Kanäle vorgesehen sind, durch die eine durch kaltes Schweissgas durchströmte Kammer mit der Mündungsöffnung des Plasma-Schweisskopfes verbunden ist, und durch die kaltes Schweissgas zur Kühlung des Mündungsbereiches des PlasmaSchweisskopfes und zur Abschirmung der Schweissstelle von der Umgebungsluft austretbar ist. 



  Dadurch erreicht man einerseits durch das austretende Schweissgas eine Schutzgaswirkung um die Schweissstelle und andererseits kann durch die verwendete niedrige Schweissenergie auf eine weitere Kühlung des Plasma-Schweisskopfes ganz oder teilweise verzichtet werden. 



   Durch die einfach abnehmbaren Köpfe, können die Plasma-Schweissköpfe sehr schnell gewechselt werden, wodurch sich die wartungsbedingten Stehzeiten wesentlich verkürzen und dadurch der Betrieb von Plasma-Schweissanlagen, die solche Schweissköpfe verwenden, günstiger wird. Ausserdem kann die Schweissanlage sehr einfach umgerüstet werden. 



   Die Erfindung wird im folgenden anhand vereinfachter, beispielhafter und nicht einschränkender Darstellungen, Fig. 1 und Fig. 2, beschrieben, die folgendes zeigen: 
Fig. 1 einen Schnitt durch die Schweissebene
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Schweissens von zwei Blechen 
In Fig. 1 sind zwei Bleche, ein Innenblech 4 und ein Aussenblech 2 einer Türe oder Klappe, nebeneinander mit fluchtenden Stirnseiten 3 und 5 angeordnet. Die beiden Bleche 2 und 4 können dabei unterschiedliche Dicken aufweisen. Ein Plasma-Schweisskopf 1 ist so positioniert, dass er normal auf die Stirnseiten 3 und 5 der beiden Bleche 2 und 4 steht und dass der Plasma-Strahl 9 auf die Berührungsfläche 10 der beiden Bleche 2 und 4 gerichtet ist. Der Plasma-Strahl 9 ist dabei so fokussiert, dass er einen sehr kleinen Fokusdurchmesser aufweist.

   Entweder durch Vorbeiführen des Plasma-Schweisskopfes 1 an den beiden fixierten Blechen oder durch Vorbeiführen der beiden Bleche 2 und 4 am fixierten Plasma-Schweisskopf 1 wird eine Schweissnaht 6 erzeugt, die die beiden Bleche 2 und 4 miteinander verbindet und gleichzeitig den Hohlraum 7 zwischen den beiden Blechen 2 und 4 gegenüber der Aussenwelt abdichtet. Die Bleche 2 und 4 werden dabei in einer nicht dargestellten Positioniereinrichtung schweissgerecht gehalten. 



   In Fig 2 erkennt man wiederum zwei Bleche 2 und 4, die stirnseitig mit einem Plasma- 

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 Schweisskopf 1 verschweisst werden, wobei der Pfeil die Schweissrichtung anzeigt. Mit 6 ist die bereits gesetzte Schweissnaht bezeichnet. Die Schweissbahn, die sich aus der Geometrie der Berührungsflächen 10 zwischen den beiden Blechen 2 und 4 ergibt, muss nicht notwendigerweise gerade sein, sondern kann wie gezeigt einer beliebigen Bahngeometrie folgen. 



   Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist in keiner Weise einschränkend. Insbesondere ist es denkbar auch mehr als zwei Bleche miteinander zu verschweissen. 



   PATENTANSPRÜCHE : 
1. Verfahren zum stirnseitigen Plasma-Schweissen von gleich oder unterschiedlich dicken 
Blechen, insbesondere verzinkte Bleche oder Aluminiumbleche, im Kraftfahrzeugbau, da- durch gekennzeichnet, dass zumindest ein Innenblech (4) und zumindest ein Aussen- blech (2) einer Türe oder Klappe verschweisst werden und dass das Plasma-Schweiss- verfahren so gesteuert wird, dass der Plasma-Strahl (9) auf einen Fokusdurchmesser von kleiner 1 mm, vorzugsweise zwischen 0. 3 mm und 0. 7 mm, fokussiert wird, sodass die durch die entstehenden Wärmespannungen verursachten plastischen Verformungen der zu verschweissenden Bleche, insbesondere Verzug der Bleche, auf ein vorbestimmtes Mass beschränkt werden und innerhalb der für Türen und Klappen zulässigen Toleranzgrenzen, insbesondere eine Spaltmasstoleranz von kleiner als 0. 1 mm, bleiben.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Plasma- Schweisskopf (1) zum Setzen der Schweissnaht (6) um die in einer Vorrichtung fixierten Innenbleche (4) und Aussenbleche (2) einer Türe oder Klappe entlang der Stirnseiten (3,5) dieser Bleche geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Vorrichtung fixierten Innenbleche (4) und Aussenbleche (2) einer Türe oder Klappe zur Bildung der Schweissnaht (6) entlang der Stirnseite dieser Bleche an mindestens einen ortsfesten Plasma-Schweisskopf (1) vorbei bewegt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Innen- blech (4) und Aussenblech (2) gebildete Hohlraum (7) durch die gesetzte Schweissnaht (6) entlang dieser Schweissnaht (6) gegen das Eindringen von Feuchtigkeit im Wesentlichen dicht gegen die Aussenwelt abgeschlossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Innenblech (4) und zumindest ein Aussenblech (2) mit fluchtenden Stirnseiten (3, 5) nebeneinander angeordnet sind und stirnseitig miteinander verschweisst werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Plasma- Schweisskopf (1) im wesentlichen normal auf die durch die Stirnseiten (3,5) der zu ver- schweissenden Bleche (2, 4) gebildete Ebene steht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Plasma- Schweisskopf (1) so positioniert ist, dass der Plasma-Strahl (9) auf die Berührungsfläche (10) der zu verschweissenden Bleche (2,4), oder auf einen eventuell vorhandenen Spalt zwischen den zu verschweissenden Blechen (2, 4) gerichtet ist.

8. Vorrichtung zum stirnseitigen Plasma-Schweissen von gleich oder unterschiedlich dicken Blechen, insbesondere verzinkte Bleche oder Aluminiumbleche, im Kraftfahrzeugbau mit zumindest einer Positioniereinrichtung für Türen- oder Klappenteile, in der die zu ver- schweissenden Bleche (2,4) einer Tür oder Klappe schweissgerecht angeordnet werden, wobei diese Positioniereinrichtung eine Möglichkeit zum Spannen der Bleche (2, 4) auf- weist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung, insbesondere zum Steuern der Schweissparameter und/oder der Schweissgeschwindigkeit, zum Ansteuern einer An- zahl von Plasma-Schweissköpfen (1) vorgesehen ist, mittels der der Plasma-Strahl (9) auf einen Fokusdurchmesser von kleiner 1 mm, vorzugsweise zwischen 0. 3 mm und 0.

7 mm, einstellbar sind, sodass die durch die entstehenden Wärmespannungen verursachten plastischen Verformungen der zu verschweissenden Bleche (2,4), insbesondere Verzug der Bleche, durch die Plasma-Schweissköpfe (1) auf ein vorbestimmtes Toleranzmass be- schränkbar ist. <Desc/Clms Page number 5>

9 Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Plasma- Schweissköpfen (1) an Roboterarmen montiert ist und die Schweissnaht durch Vorbeiführen der Plasma-Schweissköpfe (1) entlang der Stirnseiten der Bleche (3,5) herstellbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Plasma- Schweissköpfen (1) ortsfest montiert ist und zur Herstellung der Schweissnaht die die zu verschweissende Bleche (2, 4) tragende, Positioniereinrichtung mit der zugehörigen Spann- einrichtung an den Plasma-Schweissköpfen (1) entlang der Stirnseiten der Bleche (3,5) vorbeiführbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschwei- #enden Bleche (2,4) in der Positioniereinrichtung mit fluchtenden Stirnseiten (3,5) anor- denbar und spannbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Plasma- Schweisskopf (1) im wesentlichen normal auf die durch die Stirnseiten (2,4) der zu ver- schweissenden Bleche (3, 5) gebildeten Ebene angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Plasma-Schweissköpfe (1) mit unterschiedlichen Düsenaustrittsöffnungen, insbesondere kreisrunde, ovale oder Mehrloch-Düsenaustrittsöffnungen, einsetzbar sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (8) des Plasma-Schweisskopfes (1) an ihrem freien Ende kegelförmig ausgebildet ist und zumin- dest eine den kegelförmigen Teil der Elektrode (8) umgebende Düsenbohrung des Plasma-Schweisskopfes (1) ebenfalls kegelförmig ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Düsenbohrung des Plasma-Schweisskopfes (1) in axialer Richtung Kanäle vorgesehen sind, durch die eine durch kaltes Plasma-Gas durchströmte Kammer mit der Mündungsöffnung des Plasma- Schweisskopfes verbunden ist, und durch die kaltes Plasma-Gas zur Kühlung des Mün- dungsbereiches des Plasma-Schweisskopfes und zur Abschirmung der Schweissstelle von der Umgebungsluft ausbringbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Plasma- Schweissköpfen (1) als, mittels Schnellverschluss-Kupplung, abnehmbare Köpfe ausgeführt ist.

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