DE10053789A1

DE10053789A1 - Laserschweißverfahren

Info

Publication number: DE10053789A1
Application number: DE10053789A
Authority: DE
Inventors: Rene Polensky; Christian Elsner; Dieter Paethe; Thomas Franz; Jochen Mueller-Rogait
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: DE10053789B4; CN1278816C; CN1350903A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren zur Verbindung von zwei Materialien (2, 3), insbesondere Blechen. Hierbei ist ein Zwischenraum (5) vorgesehen, durch den die dabei freigesetzten Schweißemissionen entweichen können, um so eine Beeinträchtigung der Schweißverbindung zu vermeiden. Der Zwischenraum (5) wird erfindungsgemäß durch eine Strukturierung (4) erreicht, die beispielsweise als eine mit Aussparungen versehene Folie auf die Materialien (2, 3) aufgetragen wird. Der Zwischenraum (5) wird dadurch ohne eine konstruktive Veränderung der Materialien (2, 3) erreicht, wobei eine abschnittsweise unterschiedliche Ausgestaltung des Zwischenraumes (5) ebenso möglich ist wie das Auftragen der Strukturierung (4) auf komplexe, beispielsweise gewölbte Materialien (2, 3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserschweißverfahren zur Verbindung von zwei Materialien, wobei zumindest eines der beiden Materialien eine Beschichtung aufweist und zwischen den Materialien ein Zwischenraum vorgesehen wird, durch den die bei der Erwärmung freigesetzten Schweißemissionen entweichen können.

Ein solches Laserschweißverfahren ist bereits Gegenstand der EP 01 57 913 B1. Durch ein hierzu vorgesehenes, bewegliches Abstandsstück wird nach einer speziellen Ausführungsform zwischen den zwei Materialien ein Zwischenraum festgelegt, durch den die flüchtigen Bestandteile der Beschichtung, beispielsweise Öl oder Farbe, entweichen können.

Die DE 39 33 408 A1 beschreibt auch bereits eine Schweißnaht, bei der zwei Bleche durch eingeprägte Noppen auf Distanz gehalten werden. Bei einem Laserschweißverfahren nach der EP 10 05 944 A2 wird für insbesondere zinkbeschichtete Stahlbleche ebenfalls ein Zwischenraum vorgesehen, der in ähnlicher Weise auch bei einem Schweißverfahren nach der EP 01 78 394 A2 vorgeschlagen wird, um das ungehinderte Austreten der freiwerdenden Gase zu ermöglichen.

Hierzu kann nach der US 49 16 284 auch eine V-förmige Abwinkelung an einem der beiden miteinander zu verschweißenden Bleche vorgesehen werden, um auf diese Weise eine Entlüftung zu erreichen.

Bei einem anderen Schweißverfahren nach der EP 07 71 605 A2 wird ein Entgasungsbereich für die freiwerdenden Dämpfe dadurch geschaffen, daß die Bleche vor dem Verschweißen im Nahtbereich unter einem spitzen Winkel aufeinander stoßend angeordnet werden und die Schweißnaht als Kehlnaht ausgebildet wird.

Die beiden Materialien können nach der DE 196 05 341 A1 auch bereits konstruktiv so gestaltet werden, daß sich einander überlappende Bereiche unter Bildung eines Spaltes längs der anzubringenden Schweißnaht lediglich beinahe berühren.

Die vorgeschlagenen Maßnahmen zur Erzeugung des erforderlichen Zwischenraumes weisen sämtlich den Nachteil auf, daß hierzu eine zusätzliche Formgebung bzw. bereits eine entsprechende konstruktive Gestaltung der zu verschweißenden Materialien erforderlich ist, wodurch bei der praktischen Umsetzung ein erheblicher Aufwand entsteht. So sind beispielsweise bei der Karosserie eines Kraftfahrzeuges eine Vielzahl zusätzlicher Ausformungen erforderlich, die insbesondere unter Berücksichtigung der Festigkeit und Belastbarkeit der fertigen Karosserie zu einer Reihe von zusätzlichen Arbeits- und Konstruktionsschritten führen.

Es ist ferner durch die DE 197 57 245 A1 auch bekannt, ein Grundblech und ein Deckblech mittels eines Klebestreifens unter Druck miteinander zu verkleben. Dabei ist die äußere Kontur des Klebestreifens kleiner als die äußere Kontur des Deckbleches, so daß die Bleche an ihrem klebestreifenfreien Randbereich durch eine Laserschweißnaht miteinander verbunden werden können. Die Dicke des verwendeten Klebestreifens soll dabei mindestens 0,2 mm betragen, um ein ungehindertes Entweichen von verdampftem Beschichtungsmaterial aus dem Schweißnahtbereich zu ermöglichen.

Als nachteilig hat sich bei diesem Verfahren der zusätzliche Aufwand für die Klebeverbindung des Deckbleches mit dem Grundblech durch den Klebestreifen erwiesen. Hierdurch wird insbesondere die Positionierung der beiden Bleche relativ zueinander erschwert, da eine Korrektur der Position zunächst ein Ablösen der Klebeverbindung erfordert. Weiterhin eignet sich das Verfahren nur für Schweißverbindungen im Randbereich der Bleche.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art wesentlich zu vereinfachen und dadurch den Aufwand bei der Durchführung des Verfahrens zu verringern.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem der Zwischenraum durch Auftragen einer Strukturierung geschaffen wird. Hierdurch wird in einfacher Weise der für das Entweichen der freigesetzten Schweißemissionen bestimmte Zwischenraum durch die Strukturierung geschaffen, ohne daß hierzu ein konstruktiver Eingriff, beispielsweise eine Umformung, an den beiden Materialien erforderlich ist. Daher kann der Aufwand bei der Herstellung zur Einbringung des Zwischenraumes wesentlich reduziert werden, wobei das Verfahren problemlos in bereits bestehende Fertigungsabläufe eingebunden werden kann. Die Materialien werden dabei durch die aufgetragene Strukturierung nicht miteinander verklebt, so daß die Positionierung durch eine Relativbewegung der hierbei bereits durch die Strukturierung verbundenen Materialien mühelos durchgeführt werden kann. Weiterhin kann die Strukturierung bereits derart beschaffen sein, daß eine lokal unterschiedliche Freisetzung von Schweißemissionen ebenso berücksichtigt wird, wie Abweichungen der Material- oder Beschichtungsstärke. So kann beispielsweise der Zwischenraum in solchen Bereichen, in denen eine erhöhte Entwicklung von Schweißemissionen unvermeidbar ist, erweitert werden. Die Strukturierung ist dabei weitgehend unabhängig von den Materialien einsetzbar, so daß eine flexible Anpassung an unterschiedliche Umgebungs- oder Fertigungsbedingungen mühelos möglich ist, wobei die Strukturierung zusätzlich auch verstärkende Eigenschaften aufweisen kann.

Die Strukturierung kann aus einzelnen Segmenten bestehen, die jeweils auf die Materialien aufgetragen werden, um dadurch die gewünschte Beschaffenheit zu erreichen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hingegen dadurch geschaffen, daß die Strukturierung durch Auftragen einer flexiblen Schicht mit mehreren, den Zwischenraum bildenden Aussparungen erreicht wird. Eine solche Zwischenschicht ermöglicht in einfacher Weise das großflächige Auftragen der Strukturierung auf den Materialien, wobei die Zwischenschicht zur erleichterten Durchführung auch an einem der Materialien anhaften kann. Die flexible Schicht ermöglicht so auch die Anwendung des Verfahrens bei gewölbten Materialien, ohne daß hierdurch eine unerwünschte Veränderung des Abstandes der Materialien verursacht wird. Zugleich wird die Verarbeitung und der Einsatzbereich der Schicht erleichtert, wobei die Schicht insbesondere als standardisiertes Bauelement mit verschiedenen, das Zwischenraumvolumen bestimmenden Strukturstärken bereitgestellt werden kann.

Besonders einfach ist das Verfahren auch dann gestaltet, wenn die Strukturierung mittels einer Folie aufgetragen wird. Die Strukturierung kann hierzu an ihrer Unterseite mit der Folie ausgestattet sein, so daß die Strukturierung problemlos als Einheit auch großflächig aufgetragen werden kann. Die Folie kann zudem mit einer Haftfläche versehen sein, durch die eine unerwünschte Verlagerung der Strukturierung bezüglich der Materialien vermieden werden kann.

Eine andere, ebenfalls sehr erfolgversprechende Weiterbildung des Verfahrens wird dadurch erreicht, daß die Strukturierung durch ein drucktechnisches Verfahren aufgetragen wird. Hierdurch entfällt eine zusätzliche, die einzelnen Abschnitte der Strukturierung miteinander verbindende Tragschicht, so daß der Durchführungsaufwand weiter reduziert werden kann. Dabei kann die Stärke der Strukturierung verringert werden und auch lokal unterschiedlich ausgeführt werden. Ferner kann die Strukturierung dabei bereits auf die Ursprungsmaterialien aufgetragen werden, um so das umständliche Auftragen im Anschluß an eine Weiterverarbeitung, beispielsweise eine Umformung, zu vermeiden.

Die Strukturierung kann durch Aufsprühen oder Aufspritzen von schnell erstarrenden Flüssigkeiten, beispielsweise Lacken, Farben oder Kunststoffen, aufgebracht werden. Eine besonders einfache Abwandlung wird hingegen dadurch geschaffen, daß die Strukturierung durch Rakeln aufgetragen wird. Hierdurch kann mit geringem Aufwand die Strukturierung in einem beispielsweise auch manuellen Arbeitsgang aufgetragen werden, wobei die Strukturierung durch die Ausprägung des Rakels bestimmt ist. Dadurch können unterschiedlichste Materialien mit der gewünschten Strukturierung versehen werden.

Besonders zweckmäßig ist es auch, wenn die Strukturierung durch Auftragen einer viskosen Flüssigkeit erzeugt wird. Diese derart auf die Materialien beispielsweise durch Aufsprühen auftragbare Strukturierung haftet selbsttätig an dem jeweiligen Material an und bildet einen formbaren Zwischenraum, dessen Abmessungen beispielsweise durch äußere Druckbelastungen definiert beeinflußt werden können. Dabei können selbst komplex geformte Materialien mühelos mit der Strukturierung versehen werden.

Eine andere ebenfalls besonders praxisnahe Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch dadurch erzielt werden, daß zum Erreichen der Strukturierung eine körnige Substanz auf eines der beiden Materialien aufgebracht wird. Eine solche, beispielsweise durch rieselfähige Festkörper gegebene Substanz wird hierzu auf einem der Materialien verteilt und wirkt dadurch als Abstandhalter zwischen den Materialien. Hierzu kann beispielsweise Zucker verwendet werden, der als umweltfreundliche und kostengünstig verfügbare Substanz einen geringen Verarbeitungsaufwand verursacht.

Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn durch eine Vorbehandlung des Materials ein Anhaften der Substanz erreicht wird. Die Substanz haftet durch die Vorbehandlung lediglich an den gewünschten Abschnitten der Materialien an. Die Vorbehandlung kann dabei beispielsweise in einem Befeuchten der Materialabschnitte bestehen.

Eine andere besonders zweckmäßige Abwandlung wird dadurch erreicht, daß die Strukturierung als ein Feststoff aufgetragen wird, der kurzzeitig auf seine Erweichungstemperatur erwärmt wird und anschließend an dem Material anhaftet. Hierdurch wird die Durchführung des Verfahrens wesentlich vereinfacht, indem an den gewünschten Stellen der körnige Feststoff, beispielsweise ein Staub, aufgetragen und durch eine kurzzeitige Erwärmung an der Oberfläche des Materials anhaftet oder mit dieser verschmolzen wird. Hierzu kann beispielsweise auch eine UV-Lampe eingesetzt werden, durch die der Feststoff chemisch oder physikalisch reagiert.

Besonders hilfreich ist dabei auch eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Strukturierung lösbar mit den Materialien verbunden wird. Hierdurch kann die Strukturierung im Anschluß an die erfolgte Verschweißung der Materialien entfernt werden, so daß eine Einschränkung oder Behinderung nachfolgender Produktionsprozesse ausgeschlossen ist.

Die Strukturierung dient der räumlichen Trennung der beiden zu verschweißenden Materialien. Darüber hinaus kann die Strukturierung jedoch auch selbst Träger von Substanzen sein, die den Schweißprozess begünstigen oder die Beschaffenheit der Materialien im Hinblick auf das Endprodukt verbessern. Beispielsweise kann die Strukturierung mit einem Korrosionsschutzmittel versehen sein. Ferner kann die Strukturierung auch eine Eignung zur Absorption der Schweißemissionen aufweisen und dadurch einer Verbesserung des Laserschweißverfahrens bewirken. Es kann auch zweckdienlich sein, daß die Strukturierung durch geeignete äußere Einflüsse ihren Aggregatzustand wechselt, so daß die Strukturierung beispielsweise als Feststoff aus der flüssigen oder gasförmigen Phase abgeschieden wird.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens mit einer den Zwischenraum bildenden Strukturierung;

Fig. 2 mehrere Strukturierungen in einer Draufsicht.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens in einer seitlichen Ansicht. Dargestellt ist ein Spannelement 1, durch das zwei miteinander zu verschweißende, durch beschichtete Bleche gegebene Materialien 2, 3 in einer vorbestimmten Position fixiert sind. Zwischen den Materialien 2, 3 ist eine Strukturierung 4 angeordnet, die einen Zwischenraum 5 begrenzt. Durch diesen Zwischenraum 5 können die bei der Erwärmung der Materialien 2, 3 freigesetzten Schweißemissionen entweichen, um so eine dadurch verursachte Beeinträchtigung der Schweißverbindung zu vermeiden.

Die hierzu dienende Strukturierung 4 wird anhand der Fig. 2 näher dargestellt, die eine Draufsicht auf verschiedene Ausprägungen der Strukturierung 4 zeigt. Die Strukturierung 4 ist dabei durch eine mit Aussparungen 6 und Vorsprüngen 8 versehene Folie 7 gebildet, um so durch die Größe und Anordnung eine gezielte Begrenzung des in Fig. 1 dargestellten Zwischenraumes 5 zu erreichen. Die Folie 7 wird hierzu auf eines der beiden in Fig. 1 gezeigten Materialien 2, 3 haftend aufgetragen, um so eine unerwünschte Verschiebung beim Schweißprozess zu vermeiden. Die Folie 7 kann in einem anschließenden Arbeitsgang nach der erfolgten Schweißverbindung entfernt werden, so daß eine Oberflächenbeeinträchtigung vermieden wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Spannelement

2

Material

3

Material

4

Strukturierung

5

Zwischenraum

6

Aussparung

7

Folie

8

Vorsprung

Claims

1. Laserschweißverfahren zur Verbindung von zwei Materialien, wobei zumindest eines der beiden Materialien eine Beschichtung aufweist und zwischen den Materialien ein Zwischenraum vorgesehen wird, durch den die bei der Erwärmung freigesetzten Schweißemissionen entweichen können, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum durch Auftragen einer Strukturierung geschaffen wird.

2. Laserschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung durch Auftragen einer flexiblen Schicht mit mehreren, den Zwischenraum bildenden Aussparungen erreicht wird.

3. Laserschweißverfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung mittels einer Folie aufgetragen wird.

4. Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung durch ein drucktechnisches Verfahren aufgetragen wird.

5. Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung durch Rakeln aufgetragen wird.

6. Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung durch Auftragen einer viskosen Flüssigkeit erzeugt wird.

7. Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen der Strukturierung eine körnige Substanz auf eines der beiden Materialien aufgebracht wird.

8. Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Vorbehandlung des Materials ein Anhaften der Substanz erreicht wird.

9. Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung als ein Feststoff aufgetragen wird, der kurzzeitig auf seine Erweichungstemperatur erwärmt wird und anschließend an dem Material anhaftet.

10. Laserschweißverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung lösbar mit den Materialien verbunden wird.