DE10048233A1 - Verfahren zum Verbinden von Blechen, insbesondere Karosserieblechen in Automobilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten metallischen Bauteils aus Einzelblechen, welche im Bereich abragender Flansche miteinander gefügt werden sollen. Die Flansche des zusammengebauten Bauteils sollen dabei möglichst kurz sein, um Gewicht einzusparen und/oder die Zugänglichkeit im Bereich der Flansche zu erhöhen. Erfindungsgemäß werden die Einzelbleche mit ungekürzten Flanschen zunächst in Zusammenbaulage fixiert und mittels Punktschweißen miteinander verbunden. Im Bereich der zu kürzenden Flansche wird dann zusätzlich möglichst nahe den Flanschansätzen eine Laserschweißnaht gesetzt. Schließlich werden die Flansche beschnitten, wobei die Laserschweißnaht eine bleibende feste Verbindung der Einzelbleche im Bereich der Flansche sicherstellt. Alternativ können die Einzelbleche nach dem Fixieren mittels Punktschweißen zunächst beschnitten und dann entlang der beschnittenen Ränder mit Hilfe des Plasmaschweißens verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Blechen, insbesondere Karosserieblechen im Automobilbau.

Beim Aufbau einer Karosserie werden zunächst einzelne Karosse­ riebleche zu Baugruppen gefügt, welche dann in unterschiedli­ chen aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstationen relativ zuein­ ander positioniert, gespannt und anschließend vorgeschweißt bzw. geheftet und gegebenenfalls fertiggeschweißt werden. Eine solche Vorrichtung zum Verschweißen von Karosserieblechen ist z. B. aus der DE 198 03 093 A1 bekannt.

Die Schweißoperationen erfolgen in der Regel unter Verwendung von Punktschweißzangen, die vollautomatisch mit Hilfe von Indu­ strierobotern bewegt werden. Um eine stabile Heftung der Karos­ serie sicherzustellen, müssen die Einzelbleche bzw. die Bau­ gruppen so gestaltet sein, daß sie an den entscheidenden Stel­ len, in denen aus Stabilitätsgründen Schweißpunkte gesetzt wer­ den sollen, eine gute Zugänglichkeit für die Schweißzangen ge­ statten. Befinden sich diese Stellen auf Flanschen, die unter einem Winkel vom restlichen Bauteil abragen, müssen diese Flan­ sche daher verhältnismäßig breit gestaltet sein, um genügend Raum für die Positionierung der Schweißzangen bereitzustellen. Die aufgrund dieses Fügeverfahren benötigte Breite der Flansche kann die Zugänglichkeit des zusammengesetzten Bauteils in den folgenden Montageschritten erheblich beeinträchtigen und/oder Einschränkungen in der räumlichen Gestaltung des Endprodukts zur Folge haben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch Verwen­ dung eines geeigneten Fügeverfahrens eine Reduktion der Flanschbreiten zu erreichen. Die Zusammenbaufolge der einzelnen Module soll dabei möglichst unverändert beibehalten werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprü­ che 1 und 3 gelöst.

Danach werden die zu verbindenden Bleche zunächst in Zusammen­ baulage fixiert und dann im Bereich der Flansche mittels Punkt­ schweißen so geheftet, daß ein stabiler Zusammenbau entsteht. Nach Entfernen der Spannvorrichtung werden die Flansche dann durch eine in randfernen Bereichen der Flansche geführte Laser­ schweißnaht miteinander verschweißt. Abschließend werden die Flansche so beschnitten, daß die Schneidlinie zwischen Laser­ schweißnaht und Flanschberandung liegt.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine erhebliche Reduktion der Flanschbreiten erreicht werden, ohne daß dabei Einbußen in der Maßhaltigkeit oder Steifigkeit der Karosserie in Kauf genommen werden brauchen: Durch das Heften wird zu­ nächst ein stabiler Zusammenbau der Zusammenbauteile erreicht, dessen Maßhaltigkeit geprüft und dokumentiert werden kann. In der durch das Heften fixierten Zusammenbaulage wird nun im Flanschbereich eine Laserschweißnaht gesetzt. Da während dieses Schweißvorgangs die Spannmittel bereits entfernt sind, ist da­ bei eine gute Zugänglichkeit des zu verschweißenden Bereiches für den Laser gegeben, so daß die Flansche wahlweise durch eine Strichnaht oder eine durchgehende Schweißnaht verbunden werden können. Das Laserschweißen hat den zusätzlichen Vorteil, daß es mit einer lokal eng begrenzten Erwärmung im Schweißbereich ein­ hergeht, so daß der Zusammenbau vernachlässigbar geringe Schweißverzüge erfährt und die Maßhaltigkeit des Zusammenbaus im wesentlichen erhalten bleibt. Durch das anschließende Be­ schneiden der Flansche wird in den gewählten Bereichen die Zu­ gänglichkeit erhöht und gleichzeitig (durch den Wegfall des überschüssigen Flanschmaterials) das Gewicht der Karosserie reduziert. Da die Bauteile vor dem Laserschweißen zunächst mit­ tels Punktschweißen im Flanschbereich fixiert werden, brauchen dabei keine Genauigkeitseinbußen am fertigen Bauteil in Kauf genommen zu werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß für einen Teil der Verfahrensschritte (Spannen, Heften) die konventionel­ le Technologie verwendet werden kann, so daß zur Umstellung auf das erfindungsgemäße Verfahren nur geringe Umbauten und somit wenig zusätzlichen Investitionen notwendig sind. Die herkömmli­ che Zusammenbaufolge der restlichen Module kann unverändert beibehalten werden. Durch das Heften der Flansche wird sicher­ gestellt, daß zwischen den beiden Flanschen ein minimaler Spalt vorliegt, so daß eine gute, prozeßsichere Laserschweißung er­ reicht werden kann. Weiterhin kann die Laserschweißung der Flansche im gleichen Arbeitsschritt wie evtl. an anderer Stelle anfallende Laserschweißoperationen erfolgen, so daß auch hier nur geringe Zusatzinvestitionen benötigt werden; aufgrund der hohen Schweißgeschwindigkeit der Laser sind diese Schweißopera­ tionen mit vernachlässigbar geringem zeitlichen Zusatzaufwand verbunden.

Als berührungsloses Schweißverfahren benötigt das Laserschwei­ ßen - im Gegensatz zum Punktschweißen - im Schweißbereich nur einen sehr schmalen Zugänglichkeitsbereich; daher kann die Schweißnaht an (fast) beliebiger Stelle auf dem Flansch, insbe­ sondere auch in der Nähe der Flanschansätze, positioniert wer­ den (siehe Anspruch 2). Je näher an den Flanschansätzen die La­ serschweißnaht geführt wird, desto kürzer kann der Flansch im letzten Bearbeitungsschritt beschnitten werden und desto größer ist daher die erzielbare Gewichtsreduktion und der erzielbare Zugänglichkeitsgewinn. Eine Positionierung der Laserschweißnaht in der unmittelbaren Nachbarschaft des Flanschansatzes hat den zusätzlichen Effekt, daß die beim Schweißen freigesetzten Gase schnell und leicht abgeführt werden können, was insbesondere beim Verschweißen beschichteter Bleche große Vorteile mit sich bringt.

Alternativ ist es für manche Anwendungsfälle vorteilhaft, statt des Laserschweißens und des anschließenden Beschneidens der Flansche ein Verfahren zu wählen, bei dem die Flansche mit Hil­ fe des Plasmaschweißens miteinander verbunden werden. Hierzu werden die Flansch nach dem Entfernen der Spannvorrichtung zu­ nächst auf die gewünschte Breite beschnitten und die Flansch­ ränder dann durch eine Plasma-Bördelnaht miteinander ver­ schweißt (siehe Anspruch 3). Auch dieses Verfahren hat den Vor­ zug eines geringen Verzugs des Zusammenbaus und ermöglicht gro­ ße Schweißgeschwindigkeiten und somit kurze Zykluszeiten. Der Einsatz dieses Verfahrens empfiehlt sich insbesondere beim Ver­ schweißen von Aluminiumblechen (welche mit Laserstrahlschweißen nur schwer schweißbar sind) und in Einsatzfällen, bei denen aufgrund der Bauteilgeometrie eine schlechte Zugänglichkeit für den Laserstrahl gegeben ist oder (zu) hohe Reflexionen des La­ serstrahls auftreten. Weiterhin stellt das Plasmaschweißen we­ sentlich geringere Anforderungen an die Breite des Schweiß­ spalts, so daß durch dieses Verfahren auch unregelmäßige oder klaffende Flansche miteinander verschweißt werden können.

Das Beschneiden der Flansche erfolgt vorzugsweise mit Hilfe des Laserschneidens (siehe Anspruch 4), da bei diesem Verfahren aufgrund der hohen Schnittgeschwindigkeiten kurze Zykluszeiten erreicht werden können. Es erfordert außerdem nur einen gerin­ gen Mehraufwand, wenn im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder an anderen Stellen der Karosserie Laserschweißopera­ tionen anfallen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Optimierung aus­ gewählter Bereiche der Fahrzeugkarosserie in bezug auf Zugäng­ lichkeit und Gewicht. Der Einsatz dieses Verfahrens bringt vor allem in solchen Bereichen Vorteile, in denen die Flansche auf­ grund von Steifigkeits- bzw. Festigkeitserwägungen nicht durch andere (weniger versteifende) Konstruktionselemente ersetzt werden können. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es insbesondere möglich, schlankere A-Säulen an Karosserien zu verwirklichen (siehe Anspruch 5): Die A-Säule wird nämlich beim Zusammenbau einer inneren mit einer äußeren Seitenwand erzeugt, indem im Bereich der A-Säule schalenförmige Stege mit abragen­ den Schweißflanschen entlang dieser Schweißflansche miteinander verschweißt werden. Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens an den Schweißflanschen, die das Frontfenster beranden, kann eine erhebliche Kürzung der Flansche und damit einherge­ hend eine Verschlankung der A-Säule erreicht werden. Dies er­ möglicht eine seitliche Vergrößerung des Fensterausschnitts für die Windschutzscheibe und somit eine Erweiterung des Sichtbe­ reiches für Fahrer und Beifahrer.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden. Im folgenden wird die Erfindung an­ hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispie­ les näher erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer A-Säule einer Fahrzeug­ karosserie in einer Schnittdarstellung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung dreier Einzelschritte einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens am Beispiel der A-Säule der Fig. 1:

Fig. 2a Heften der Flansche mittels Punktschweißen;

Fig. 2b Laserschweißen der Flansche;

Fig. 2c Beschneiden der Flansche;

Fig. 3 eine schematische Darstellung dreier Einzelschritte einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel der A-Säule der Fig. 1:

Fig. 3a Heften der Flansche mittels Punktschweißen;

Fig. 3b Beschneiden der Flansche;

Fig. 3c Plasmaschweißen der Flansche (Bördelnaht).

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Rohbau-Fahrzeugkarosserie 1 im Bereich der A-Säule 2, in welchem ein Innenwandmodul 3 ei­ ner Seitenwand 4 mit einem Außenwandmodul 5 dieser Seitenwand 4 gefügt werden soll. Das Innenwandmodul 3 ist im Bereich der A- Säule 2 als U-Profil 6 mit beidseitig abragenden Flanschen 7, 7' ausgebildet. Das Außenwandmodul 5 besteht im Bereich der A- Säule 2 aus einem Innenblech 8 und einem mit diesem verbundehen Beplankungsblech 9 und weist beidseitig abragende Flansche 10, 10' auf, welche in Zusammenbaulage mit den Flanschen 7, 7' des Innenwandmoduls 3 überlappen. Im Zuge des Rohbaus werden die gegenüberliegenden Flansche 7, 10 und 7', 10' auf Innenwand­ modul 3 und Außenwandmodul 5 miteinander verbunden, wobei zwi­ schen einem Frontfensterausschnitt 11 und einem Türausschnitt 12 die A-Säule 2 gebildet wird. Auf die dem Türausschnitt 12 zugewandten Flansche 7', 10' wird in einem späteren Montage­ schritt ein (in Fig. 1 gestrichelt dargestellter) Kantenschutz 13 aufgesteckt, welcher die Karosserie 1 gegenüber der (in Fig. 1 nicht gezeigten) Tür abdichtet. Das andere Flanschpaar 7, 10 überlappt mit der (in Fig. 1 gestrichelt dargestellten, in einem späteren Montageschritt in den Frontfensterausschnitt 11 einzusetzenden) Windschutzscheibe 14; diese abragenden Flan­ sche 7, 10 haben daher eine Einschränkung des Sichtfeldes zur Folge. Da die Flansche 7, 10 selbst steifigkeitserhöhende Ele­ mente der sicherheitsrelevanten A-Säule 2 darstellen, können sie nicht durch eine andere Anordnung der Bleche 3, 5 im Flanschbereich 7, 10 ersetzt werden. Um das Sichtfeld durch die Windschutzscheibe 14 so groß wie möglich zu gestalten, müssen die Flansche 7, 10 jedoch möglichst kurz gehalten werden - ohne daß dabei jedoch Festigkeits- und Steifigkeitseinbußen der A- Säule 2 auftreten.

Hierzu werden die Flansche 7, 10 in Zusammenbaulage erfindungs­ gemäß zunächst mittels Punktschweißen geheftet und dann ge­ kürzt, wobei durch eine zusätzliche Schweißnaht 15 sicherge­ stellt wird, daß die A-Säule 2 keine Festigkeitseinbußen erlei­ det.

Fig. 2a bis 2c zeigen schematisch die Verfahrensschritte ei­ ner bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens: Zunächst werden Innenwandmodul 3 und Außenwandmodul 5 in der gewünschten Zusammenbaulage relativ zueinander fixiert; dies ist in Fig. 2a schematisch durch eine schraffiert dargestellte Spannvor­ richtung 16 angedeutet. In dieser Zusammenbaulage werden nun die Flansche 7', 10' und 7, 10 mit Hilfe des Punktschweißens mit­ einander verbunden. Aufgrund der beengten Raumverhältnisse kön­ nen die Schweißzangen 17 im Bereich des Frontfensterausschnitts 11 nicht nahe an die Flanschansätze 18, 19 herangeführt werden; die Schweißpunkte 22, mit denen die Flansche 7, 10 geheftet wer­ den, befinden sich daher nahe der Flanschränder 20,21. Die für diesen Prozeßschritt benötigte Breite der Flansche 7, 10,7',10' ist somit bestimmt durch die Zugänglichkeit der Flansche in den zu verschweißenden Bereichen und wird so gewählt, daß ein pro­ zeßsicheres Heften der beiden Module 3, 5 gewährleistet werden kann. Die Breite der dem Frontfensterausschnitt 11 zugewandten Flansche 7, 10 beträgt typischerweise 16-20 mm.

Nach dem Heften der Rohbau-Karosserie 1 mittels Punktschweißen hat diese Karosserie eine ausreichende Eigensteifigkeit er­ reicht, so daß die Spannvorrichtung 16 entfernt werden kann. Zu diesem Zeitpunkt ist die Gesamtkarosserie in ihrer Geometrie weitgehend festgelegt und kann z. B. auf ihre Maßhaltigkeit überprüft werden. Im nächsten Prozeßschritt wird nun die gehef­ tete Karosserie 1 in eine Laserbearbeitungsstation transpor­ tiert; auf den dem Frontfensterausschnitt 11 zugewandten Flan­ schen 7, 10 die durch das Punktschweißen bereits relativ zuein­ ander fixiert wurden, mit nun Hilfe einer Laserschweißvorrich­ tung 23 eine Schweißnaht 15 gesetzt (siehe Fig. 2b). Das La­ serschweißen setzt - im Gegensatz zum Punktschweißen - nur eine einseitige Zugänglichkeit zum Schweißbereich voraus und erfor­ dert weiterhin als berührungsloses Schweißverfahren keinen di­ rekten Kontakt des Schweißkopfes 24 mit den zu verschweißenden Bauteilen 7, 10; deswegen kann die Laserschweißnaht 15 - trotz des steilen Abragens der Flansche 7, 10 von der A-Säule 2 - an (fast) beliebiger Stelle auf den Flanschen 7, 10 plaziert wer­ den. Um die Flansche 7, 10 möglichst stark kürzen zu können, ist es vorteilhaft, die Laserschweißnaht 15 so nah wie möglich an den Flanschansätzen 18, 19 anzuordnen; dies hat bei der Verwendung beschichteter Bleche den zusätzlichen Vorteil, daß die während des Laserschweißens entstehenden Dämpfe und Gase unge­ hindert entweichen können und die Gefahr von Lunkern etc. er­ heblich reduziert wird.

Sind die beiden Flansche 7, 10 nun - zusätzlich zu den Schweiß­ punkten 22 - mit der zusätzlichen Laserschweißnaht 15 verbun­ den, werden im nächsten Prozeßschritt die Flansche 7, 10 auf die gewünschte Länge gekürzt (Fig. 2c). Der Flansch 7, 10 wird hierbei um etwa 12-15 mm gekürzt, so daß die Flanschbreite nach dem Beschneiden etwa 2-5 mm beträgt. Wie aus einem Vergleich der Fig. 2c mit der Fig. 1 ersichtlich, kann dadurch eine er­ hebliche seitliche Vergrößerung des nutzbaren Sichtbereiches der Windschutzscheibe 14 erreicht werden; weiterhin reduziert sich dadurch das Gewicht der Karosserie 1. Die Laserschweißnaht 15 kann als Strichnaht oder als durchgängige Naht ausgeführt werden. Da sich die Karosserie bereits in der Laserbearbeitung­ station befindet, erfolgt die Flanschbeschneidung zweckmäßiger­ weise mit Hilfe einer Laserschneidevorrichtung 25. Durch geeig­ nete Einstellung der Bearbeitungsparameter kann hierfür die im vorigen Prozeßschritt verwendete Laserschweißvorrichtung 23 zum Einsatz kommen.

Ein alternativer Verfahrensablauf ist in Fig. 3a bis 3c dar­ gestellt: Auch hier werden Innenwandmodul 3 und Außenwandmodul 5 zunächst mit Hilfe der Spannvorrichtung 16 relativ zueinander fixiert und in dieser Zusammenbaulage mit Hilfe des Punkt­ schweißens miteinander verbunden. Aufgrund der schlechten Zu­ gänglichkeit der Flansche 7, 10 für die Punktschweißzangen 17 müssen die Schweißpunkte 22 nahe der Flanschränder 20, 21 ge­ setzt werden (Fig. 3a).

Die mittels Punktschweißen geheftete Karosserie 1 ist nun aus­ reichend steif, so daß die Spannvorrichtung 16 entfernt und die Karosserie 1 in eine weitere Bearbeitungsstation verbracht wer­ den kann. Hier werden zunächst die Flansche 7, 10 auf die ge­ wünschte Länge beschnitten (siehe Fig. 3b); dies erfolgt vorzugsweise mit Hilfe des Laserschneidens. Die Heftung des Innen­ wandmoduls 3 mit dem Außenwandmodul 5 in den restlichen Über­ lappungsbereichen dieser beiden Module 3, 5 stellt dabei sicher, daß die beschnittenen Flansche 7",10" näherungsweise in der ge­ wünschten Zusammenbaulage verbleiben, obwohl im Bereich dieser Flansche 7",10" keine - oder nur noch teilweise - Schweißpunkte 22 vorhanden sind.

Im letzten Prozeßschritt werden nun die beiden beschnittenen Flansche 7",10" bleibend miteinander verbunden. Hierzu wird vorzugsweise eine Plasmaschweißvorrichtung 26 verwendet, mit Hilfe derer die Ränder 20',21' der beiden Flansche 7",10" mit einer Bördelnaht 15' verschweißt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ganz allgemein zur Anwendung an zusammengesetzten Bauteilen aus Blech in Berei­ chen, in denen Gewicht eingespart und/oder die Zugänglichkeit erhöht werden soll, wobei gleichzeitig die durch Flansche ge­ währleistete Steifigkeitserhöhung beibehalten werden soll.

Claims (6)

1. Verfahren zum Verbinden von Blechen, insbesondere Karosse­ rieblechen im Automobilbau, wobei die Bleche in Zusammenbau­ lage überlappende Flansche aufweisen, mit folgenden Verfahrens­ schritten:

• - die Bleche (3, 5) werden mit Hilfe einer Spannvorrichtung (16) in Zusammenbaulage fixiert,
• - die Bleche (3, 5) werden im Bereich der überlappenden Flan­ sche (7, 10,7',10') mittels Punktschweißen verbunden,
• - die Spannvorrichtung (16) wird entfernt,
• - die Bleche (3, 5) werden im Bereich der Flansche (7, 10) mittels Laserschweißen verbunden,
• - die Flansche (7, 10) werden beschnitten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verschweißen der Bleche (3, 5) die Laserschweißnaht (15) in unmittelbarer Nachbarschaft der Flanschansätze (18, 19) geführt wird.

3. Verfahren zum Verbinden von Blechen, insbesondere Karosse­ rieblechen im Automobilbau, wobei die Bleche in Zusammenbau­ lage überlappende Flansche aufweisen, mit folgenden Verfahrens­ schritten:

- die Bleche (3, 5) werden mit Hilfe einer Spannvorrichtung (16) in Zusammenbaulage fixiert,

• - die Bleche (3, 5) werden im Bereich der überlappenden Flan­ sche (7, 10, 7', 10') mittels Punktschweißen verbunden,
• - die Spannvorrichtung (16) wird entfernt,
• - die Flansche (7, 10) werden auf die gewünschte Länge be­ schnitten,
• - die Bleche (3, 5) werden im Bereich der Flanschränder (20', 21') mittels Plasmaschweißen miteinander verbunden.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschneidung der Flansche (7, 10) der Bleche (3, 5) mit Hilfe des Laserschneidens erfolgt.

5. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zum Verbinden eines Innenwandmoduls (3) mit einem Außenwandmodul (5) einer Kraftfahrzeugkarosserie (1) im Bereich der A-Säule (2) verwendet wird.