DE10151257A1 - Verfahren zum Verbinden von karosserieteilen und Framingstation - Google Patents
Verfahren zum Verbinden von karosserieteilen und FramingstationInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Framingstation (1) und ein Verfahren zum Verbinden von gespannten und positionierten losen Karosserieteilen (3, 4, 5, 6) einer Fahrzeugkarosserie (2). Die Karosserieteile (3, 4, 5, 6) werden durch Hybridschweißen mit mindestens einem Laserstrahl (14) und mit mindestens einem Lichtbogen (15) geschweißt, wobei beim Schweißprozess vorzugsweise Zusatzmaterial, insbesondere Zusatzdraht und auch Schutzgas, zugeführt wird. In der Framingstation (1) stehen ein oder mehrere mit Hybridschweißwerkzeugen (1) ausgerüstete Schweißroboter (9), die eine Lasereinheit (11) und eine Lichtbogenschweißeinheit (12) aufweisen.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Karosserieteilen und eine Framingstation mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruches.
- Eine solche Framingstation ist aus der EP 0 933 161 A1 bekannt. In der Framingstation wird die Rohkarosserie aus verschiedenen vorgefertigten Karosserieteilen, üblicherweise einer Bodengruppe, zwei Seitenteilen und einem Dachteil aufgebaut. Hierbei werden die Karosserieteile durch Punktschweißen mit elektrischen Widerstandspunktschweißzangen an einer Vielzahl von Punkten miteinander verbunden. Das Punktschweißen kostet erheblich Taktzeit und bietet auch keine optimale Festigkeit der Verbindungsstellen und der Rohkarosserie. In nachfolgenden Ausschweißlinien wird die in der Framingstation zunächst geheftete Rohkarosserie weiter mit Schweißnähten gefestigt und stabilisiert. Hierbei werden auch weitere Bauteile ergänzt.
- Aus der EP 0 440 001 ist es bekannt, Laserköpfe in die Spannelemente von Spannrahmen zu integrieren und damit die Karosserieteile direkt an der Spannstelle punktzuschweißen. Wegen der hohen Energiedichte der Laserstrahlen und der Gefahr eines Durchbrennens der Bleche hat sich diese Technik in der Praxis nicht bewährt.
- Aus der Praxis ist es ferner bekannt, punktweise Verbindungen der Karosserieteile in einer Framingstation auf andere Weise herzustellen, z. B. durch Stanznieten oder Durchsetzfügen.
- Aus der EP 0 857 536 ist es bekannt, in den nachfolgenden Ausschweißlinien, in denen die Rohkarosserie bereits eine ausreichende Eigenstabilität besitzt, Schweißnähte mit Laserschweißeinrichtungen anzubringen. Hierbei werden bahnförmige Schweißnähte gesetzt.
- Ansonsten ist es in den Ausschweißstationen üblich, mit Lichtbogen-Schweißeinrichtungen zu schweißen, z. B. mit WIG- oder MIG- bzw. Plasma-Schweißeinrichtungen.
- Die DE-A-199 16 831 lehrt den Einsatz eines sog. Hybridschweißverfahrens, nämlich dem Laser-WIG-Schweißen zum Verbinden beschichteter Stahlbleche. Hierbei werden ein Laserstrahl und ein Lichtbogen im wesentlichen auf den gleichen Fußpunkt am Werkstück gerichtet. Ähnliche Hybridschweißverfahren sind auch aus der DE-A-198 49 117 und der DE-A-195 00 512 bekannt. Bei letzterer wird mit einem Laserstrahl und zwei WIG-Elektroden geschweißt.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein besseres Verbindungsverfahren und eine hierfür ausgelegte Framingstation zum Verbinden von Karosseriebauteilen aufzuzeigen.
- Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
- Die Erfindung geht von der bisher auf breiter Front üblichen punktweisen Verbindungstechnik durch Widerstandsschweißen in der Framingstation ab und ersetzt diese durch ein bahnförmiges Hybridschweißen. Hierbei können unterschiedlichste Nahtformen gesetzt werden.
- Bei Hybridschweißen kommen mindestens ein Lichtbogen und mindestens ein Laserstrahl zum Einsatz, die gemeinsam und in räumlicher Nähe auf das Bauteil einwirken. Der Laserstrahl und der Lichtbogen können sich am gleichen Fußpunkt am Bauteil treffen. Sie können aber auch etwas distanziert sein.
- Das Hybridschweißen verbindet die Vorteile des Laserschweißens und des Lichtbogenschweißens unter gleichzeitiger Eliminierung deren spezifischer Nachteile. Mit der Erfindung wurde erkannt, dass durch diese Vorteilskombination ein Einsatz des Bahnschweißens im Framingbereich unter Abkehr von der bisherigen punktweisen Verbindungstechnik möglich ist. Hierbei können nicht nur Blech auf Blech, sondern auch Blech auf Hohlprofil und Hohlprofil auf Hohlprofil geschweißt werden, was den Einsatz der Erfindung auch bei den neuen Karosseriebauteilformen mit einem Rohrrahmen, einem sog. Spaceframe, ermöglicht.
- Das Hybridschweißen erfolgt vorzugsweise unter Schutzgas und ggf. auch unter Zufuhr von Zusatzmaterial, vorzugsweise Zusatzdraht. Besondere Vorteile ergeben sich beim Laser-MIG-Schweißen und Laser-Plasma-Schweißen. Das Hybridschweißen verbindet den Vorteil einer sehr hohen Prozessgeschwindigkeit mit einer sehr guten Spaltverträglichkeit und Spaltüberbrückbarkeit, wobei außerdem der Wärmeeintrag im Vergleich zum reinen Schutzgasschweißen (z. B. MIG-Schweißen) deutlich verringert wird und eine sehr hohe Prozessstabilität erreichbar ist. Bauteilverzüge und sonstige negative Einwirkungen des Schweißprozesses können dabei weitgehend vermieden werden.
- Beim reinen Schutzgasschweißen, z. B. MIG-, MAG- oder WIG-Schweißen bestand bisher das Problem eines sehr hohen Wärmeeintrags in das Bauteil, was zu inneren Verspannungen und zu Bauteilverzug führte. Die reine Lichtbogenschweißtechnik war daher für eine Framingstation, in der der aus losen Bauteilen zusammengesetzten Rohkarosserie die geometrisch bestimmte Form gegeben wird, nicht möglich. Das reine Laserschweißen ließ sich wegen seiner schlechten Spaltüberbrückbarkeit in einer Framingstation ebenfalls nicht einsetzen. Bei beschichteten Stahlblechen ist hierbei auch das Ausgasen der Zinkbeschichtung oder einer anderen Beschichtung sicherzustellen. Allgemein erfordert das reine Laserschweißen eine starke Einschränkung der zulässigen Bauteiltoleranzen und bedingt einen sehr hohen Spannaufwand.
- Mit dem Hybridschweißen werden diese Probleme überwunden. Wenn ein hochenergetischer Laserstrahl zum Schweißen eingesetzt wird, schmilzt er ein Loch in das Werkstück und verbessert zugleich die Umgebungsbedingungen für den Lichtbogen. Der Laserstrahl stabilisiert durch die Ionisierung der Atmosphäre an der Schweißstelle und durch die Ausbildung einer Plasmasäule den Lichtbogen, der zum einen stabiler brennt und zum anderen besser und zielsicherer geführt wird. Hierdurch kann die über den Lichtbogen eingebrachte Wärmeenergie reduziert und optimiert werden. Andererseits behebt das Lichtbogenschweißen im Hybridprozess die Spaltempfindlichkeit des Laserschweißens. Die Schweißenergie kann hierbei von beiden Schweißquellen Laser und Lichtbogen zu gleichen Teilen eingebracht werden. Das Verhältnis kann aber auch beliebig variieren, wobei zum Beispiel die Laserstrahlenergie zugunsten der Lichtbogenenergie reduziert wird. In diesem Fall dient der Laserstrahl vorrangig der Ionisierung und Plasmabildung sowie der zielsicheren Führung des Lichtbogens.
- Laserstrahlquellen und Lasereinheiten gibt es in verschiedenen Ausführungen. In der Materialbearbeitung kommen Eximerlaser (z. B. ArF, KrF, XeCl), Festkörperlaser (z. B. Rubin, Nd:YAG, Nd-Glas), Halbleiterlaser bzw. Diodenlaser (GaAs, GaAlAs) und Gaslaser (CO2) zum Einsatz. Die Lasertypen unterscheiden sich in ihrer Wellenlänge und in der Intensität der Laserstrahlung. Zur Optimierung des Lasereinsatzes ist es vorteilhaft, einen solchen Laser einzusetzen, der in seiner Wellenlänge an das Absorptionsverhalten des jeweils bearbeiteten Werkstoffs angepasst oder zumindest angenähert ist. Hierdurch wird das Einkoppelverhalten des Laserstrahls verbessert, was den Einsatz leistungsschwächerer Lasertypen erlaubt.
- Andererseits können schwächere und kostengünstigere Lasereinheiten eingesetzt werden, wenn es sich um gepulste Laser handelt, die eine hohe Pulsleistung und eine niedrige mittlere Leistung besitzen. Solche gepulsten Laser lassen sich vor allem für die vorerwähnten Führungszwecke optimal und wirtschaftlich einsetzen, sind aber auch selbst zum Schweißen brauchbar. Hierbei empfiehlt sich eine steuerbare Pulsfrequenz, um mit der Repetitionsrate unterhalb der Rekombinationszeit der Gasumgebung zu bleiben, so dass die Ionisierung durch rechtzeitige Pulswiederholungen aufrecht erhalten bleibt. Der Einsatz von in der Wellenlänge angepassten und ggf. auch gepulsten Lasern ist vor allem für den Einsatz beim Hybridschweißen in einer Framingstation von Vorteil, kann mit Erfolg aber auch in anderen Bereichen, z. B. in Ausschweißstationen oder sonstigen beliebigen Hybridschweißprozessen und -anwendungen eingesetzt werden.
- Die beim Hybridschweißen verringerbare Laserstrahlenergie hat im weiteren den Vorteil, dass der Aufwand bei der Laserstrahlquelle wesentlich verringert werden kann. Insbesondere können mehrere Hybridschweißwerkzeuge gemeinsam an einer einzigen oder einigen wenigen Laserstrahlquellen angeschlossen sein. Außerdem kann die Laserstrahlenergie zwischen mehreren Hybridschweißwerkzeugen hin- und hergeschaltet werden, wobei die Schweißroboter abwechselnd arbeiten. Während der eine Roboter schweißt, kann der andere Roboter sich umorientieren. Der insgesamt erforderliche Bauaufwand und der Energieaufwand können dadurch in der Framingstation wesentlich reduziert werden.
- Das Hybridschweißen hat außerdem den Vorteil, dass die Spanntechnik in der Framingstation verringert werden kann. Dies reduziert nicht nur die Kosten, sondern verbessert auch die Zugänglichkeit der Rohkarosserie und erleichtert die Schweiß- und Verbindungsprozesse. Beim Hybridschweißen sind durch die hohe Prozessgeschwindigkeit auch nur wenige Schweißroboter zur Schaffung der Verbindungsstellen in der vorgegebenen Taktzeit erforderlich. Die Verringerung der Roboterzahl reduziert den Bau- und Kostenaufwand und erleichtert die Auslegung der Anlage, weil sich unter anderem durch die geringere Zahl die Roboter auch untereinander weniger behindern.
- Beim Hybridschweißen können nicht nur einfache Bahnnähte geschweißt werden. Dies sind z. B. strichweise kurze Bahnnähte, sogenannte Steppernähte, oder über längere Strecken durchgehende Bahnnähte. Darüber hinaus können auch Geometrienähte geschweißt werden, die Auslenkungen quer oder schräg zum Bahnverlauf haben. Derartige Geometrienähte können die Schweißnähte sehr viel besser stabilisieren als einfache Punktschweißlinien. Hierdurch kann die Rohkarosserie mit der Framingstation eine wesentlich höhere Formfestigkeit und Steifigkeit erhalten als in vorbekannten Ausführungsformen. Geometrienähte haben darüber hinaus den Vorteil, dass sie auch das Schwingungsverhalten der Bauteile in der Karosserie verbessern können. Hierdurch lassen sich unter Umständen zusätzliche Geräuschminderungsmaßnahmen, z. B. Anti-Dröhn-Klebstoff, Dämmmatten etc. vermeiden. Zudem können durch die über die Nahtform gezielt steuerbaren Festigkeiten günstige Auswirkungen auf das Crash- und Verformungsverhalten erzielen. Ein weiterer Vorteil des Hybridschweißens liegt in der Möglichkeit, die Nähte und die Verbindungsstellen dicht zu schweißen. Zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen über Klebstoff oder dergleichen können entfallen.
- In der Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
- Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:
- Fig. 1 Eine Framingstation mit Hybridschweißtechnik in der Draufsicht,
- Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht eines Schweißroboters mit einem Hybridschweißwerkzeug an einer Rohkarosserie und
- Fig. 3 bis 5 verschiedene Schweißnahtformen.
- Fig. 1 zeigt in der Draufsicht eine Framingstation (1). Diese ist Bestandteil einer größeren Fertigungsanlage zur Herstellung von Kraftfahrzeugen. In der Framingstation (1) wird die Rohkarosserie (2) aus mehreren zugeführten Karosserieteilen (3, 4, 5, 6) erstellt, wobei die Rohkarosserie (2) ihre geometrisch bestimmte kubische Form erhält. In anschließenden Ausschweißlinien (nicht dargestellt) wird die Rohkarosserie (2) mit weiteren Teilen ergänzt und durch Schweißnähte oder dergleichen weiter verfestigt.
- In der gezeigten Ausführungsform wird auf einem geeigneten Förderer (nicht dargestellt) ein erstes Karosserieteil (3) in Form einer vorgefertigten Bodengruppe auf einer Palette (20) oder einem anderen Träger in die Framingstation (1) gebracht und entweder dort oder in einer vorgeschalteten Zwischenstation mit weiteren Karosserieteilen, z. B. einem linken oder einem rechten Seitenteil (4, 5) und einem Dachteil (6), z. B. einfachen Querträgern, sog. Dachspriegeln, ergänzt. Diese Karosserieteile (3, 4, 5, 6) bilden die kubische Grundform der Rohkarosserie (2). Sie werden in der Framingstation (1) in die geometrisch bestimmte Position zueinander gebracht, in dieser Position gespannt und anschließend durch das nachfolgend näher beschriebene Hybridschweißen miteinander verbunden. Durch diese Verbindung erhält die Rohkarosserie (2) eine ausreichende Eigenstabilität.
- In der gezeigten Ausführungsform werden die Karosserieteile (3, 4, 5, 6) einzeln zugeführt und erst in der Framingstation (1) oder in einer vorgeschalteten Zwischenstation mittels einer Zuführ- und Spanneinrichtung (7) zueinander in Position gebracht und mit Spannrahmen (8) oder dergleichen innerhalb der Framingstation (1) in dieser Position gespannt. Die Spannrahmen (8) können zugleich auch ein Transportgehänge für die Zuführung der Karosserieteile (3, 4, 5, 6) bilden.
- Alternativ können die Karosserieteile (3, 4, 5, 6) auch vorab in einer Rüststation in eine Vorposition zueinander gebracht werden und provisorisch durch Laschen oder dergleichen miteinander verbunden werden. Diese provisorische Rohkarosserie (2) kann dann auf einer Palette (20) oder einem sonstigen Träger in die Framingstation (1) gebracht werden. In der Framingstation (1) werden in beiden Fällen die Karosseriebauteile (3, 4, 5, 6) in der erforderlichen Position zueinander durch Spannrahmen (8) oder dergleichen andere Positionier- und Spannmittel gespannt.
- Die Framingstation (1) kann mit ihrer Zuführ- und Spanntechnik in beliebig geeigneter Weise ausgebildet sein, z. B. gemäß der EP 0 351 377, der EP 0 579 160 oder der EP 585 584, wobei in diesen Fällen mit zugeordneten Trommelmagazinen oder dergleichen für die Bevorratung und Zuführung von Spannrahmen mit Karosserieteilen gearbeitet wird. Alternativ können die vorgefertigten Karosserieteile, z. B. die linken und rechten Teile (4, 5) wie im gezeigten Ausführungsbeispiel auch von einer Vorfertigungslinie direkt mitsamt ihren Spannrahmen (8) über einen Förderer (21) seitlich zugeführt und in die Framingstation (1) gebracht werden. Das Dachteil (6) wird z. B. von einem nicht dargestellten Förderer von oben in die Framingstation (1) gebracht. Der Vorfertigungsbereich kann auch in unmittelbarer Nachbarschaft zur Framingstation (1) entsprechend der EP 0 977 651 angeordnet sein. Als weitere mögliche Varianten für die Ausbildung der Framingstation und das Zuführen und Händeln der Spannrahmen und der Karosserieteile kommen die EP 0 933 161 und die EP 0 760 770 mit einem von Roboter gehaltenen Spannrahmengehäuse in Betracht.
- In der Framingstation (1) sind mehrere Schweißroboter (9) angeordnet, von denen der Übersicht halber in Fig. 1 nur jeweils ein Schweißroboter (9) zu beiden Seiten der positionierten Rohkarosserie (2) dargestellt ist. Darüber hinaus können weitere stationäre oder verfahrbare Schweißroboter an den Seiten- und Frontbereichen sowie hängende Portalroboter und dgl. eingesetzt werden.
- Die Schweißroboter (9) sind zumindest teilweise mit Hybridschweißwerkzeugen (10) ausgerüstet, die in Fig. 2 schematisch dargestellt sind. Zusätzlich können ein oder mehrere Schweißroboter (9) auch mit anderen Schweißwerkzeugen ausgestattet sein. Zudem können die Schweißroboter (9) Wechselkupplungen aufweisen, mit denen Werkzeuge getauscht werden können.
- Die Hybridschweißwerkzeuge (10) bestehen jeweils aus einer Lasereinheit (11), die als energiereiche Laser-Schweißeinheit oder als schwächere Laser-Führungseinheit ausgebildet sein kann und einer Lichtbogen-Schweißeinheit (12). Ferner können sie noch eine Zuführeinrichtung (13) für Zusatzmaterial, insbesondere Zusatzdraht aufweisen. Desgleichen kann auch eine Zuführeinrichtung für Schutzgas (nicht dargestellt) vorhanden sein. Die Lichtbogen-Schweißeinheit (12) kann eine abschmelzende oder nichtabschmelzende Elektrode haben und ansonsten in beliebig geeigneter Weise ausgerüstet sein. Die Lasereinheit (11) und die Lichtbogen-Schweißeinheit (12) sind vorzugsweise so zueinander angeordnet, dass der Laserstrahl (14) und der Lichtbogen (15) am gleichen Ort oder in räumlicher Nähe gemeinsam am beaufschlagten Teil der Rohkarosserie (2) auftreffen. Vorzugsweise ist die Hybridschweißeinheit (10) als Laser-MSG(Metallschutzgas)-Schweißeinrichtung, insbesondere als Laser-MIG-, Laser-MAG, Laser-WIG- oder Laser-Plasma-Schweißeinrichtung ausgebildet.
- Mit der Hybridschweißeinrichtung (10) werden die zueinander positionierten und gespannten Karosserieteile (3, 4, 5, 6) geschweißt, wobei bahnförmige Schweißnähte (16) gebildet werden. Diese können die in Fig. 2 gezeigte einfache Nahtform haben und als durchgehende Schweißnähte (16) gestaltet sein. Sie können alternativ auch aus einer Vielzahl hintereinander in Linie angeordneten kürzeren oder längeren Strichen bestehen und als sog. Steppernaht ausgebildet sein. Beide Nahtformen sind in Fig. 2 beispielsweise dargestellt. Alternativ können auch die in Fig. 3 bis 5 dargestellten Geometrienähte (17, 18) geschweißt werden. Hierbei haben die Schweißnähte (16) eine Auslenkung quer oder schräg zum Bahnverlauf (19). Die Geometrienaht (17) von Fig. 3 ist z. B. als durchgehende Schweißnaht (16) ausgebildet, die eine sinusähnliche Form mit großer Amplitude und niedriger Pendelfrequenz haben. Eine derartige Geometrienaht (17) kann z. B. über eine entsprechende Bewegung der Roboterhand erzeugt werden.
- In Fig. 4 ist eine andere Geometrienaht (17) mit einer Pendellinie dargestellt, die eine kleinere Amplitude und höhere Pendelfrequenz aufweist. Eine solche Pendelnaht kann z. B. durch einen sog. Pendelkopf des Hybridschweißwerkzeugs (10) ausgeführt werden, welcher einen eigenen motorischen Antrieb hat und eine Bewegung der Laser-Schweißeinheit (11) und der Lichtbogen-Schweißeinheit (12) relativ zur Roboterhand ermöglicht. Alternativ kann auch die Laser-Schweißeinheit (11) eine eigene Stellvorrichtung und eine eigene Kinematik relativ zur Lichtbogen-Schweißeinheit (12) aufweisen. Hierdurch kann auf trägheitsarme Weise der Laserstrahl (14) gependelt werden, welcher dann als Führung für den Lichtbogen (15) dient und ihn in der Pendelbewegung nachzieht und auslenkt. Die Lichtbogen-Schweißeinheit (12) kann hierbei starr im Gehäuse der Hybridschweißeinheit (10) bleiben.
- Eine weitere Variante einer Geometrienaht (18) ist in Fig. 5 dargestellt. Sie besteht hier aus mehreren getrennt voneinander und mit Abstand geführten einzelnen Schrägstrichen, die quer oder im schrägen Winkel zum Bahnverlauf (19) ausgerichtet sind. Daneben sind auch beliebige andere Formen von Geometrienähten (17, 18) möglich, die irgendeine oder mehrere Auslenkungen der Schweißnaht (16) quer oder schräg zum Bahnverlauf (19) haben.
- Die Karosserieteile (3, 4, 5, 6) können an den Verbindungsstellen eine beliebige Ausbildung und Form haben. Üblicherweise werden hierbei Bleche gegen Bleche geschweißt. Vorzugsweise werden die Bleche hierbei mit Überlappung aufeinander gespannt und im Überlappstoß hybridgeschweißt. Hierbei können über geschlossene Schweißnähte (16) Dichtschweißungen erzielt werden. Alternativ können Bleche auch schräg zueinander angestellt und im Kontaktbereich mit einer Kehlnaht geschweißt werden. Eine solche Form ist vor allem bei beschichteten Blechen zum Ausgasen der Beschichtung vorteilhaft. Zudem können in weiterer Variation auch Bleche gegen Profile und insbesondere Hohlprofile geschweißt werden, was z. B. im Überlappstoß oder im Schrägstoß geschieht. In einer dritten Variante können auch Profile und insbesondere Hohlprofile gegeneinander geschweißt werden. Dies ist insbesondere bei Rohkarosserien (2) der Fall, die aus Gitterrahmenteilen geformt und als sog. Spaceframe ausgebildet sind. Auch Knotenverbindungen können hierbei hybridgeschweißt werden. Die Schweißstöße können grundsätzlich in beleibig geeigneter Weise ausgebildet sein.
- Die Lasereinheiten (11) sind über Leitungen (24) an ein oder mehrere Laserstrahlquellen (23) in der Framingstation (1) angeschlossen. Die Leitungen (24) können flexible Lichtleitfaserkabel sein. Alternativ können auch teleskopierbare Spiegelkanäle verwendet werden oder kleine Laserstrahlquellen, z. B. Diodenlaser, direkt am Schweißroboter (9) angeordnet sein. Vorzugsweise sind mehrere Leitungen (24) und mehrere Schweißroboter (9) an eine gemeinsame Laserstrahlquelle (23) angeschlossen. Die Schweißroboter (9) bzw. ihre Hybridschweißwerkzeuge (10) können hierbei gleichzeitig oder abwechselnd angeschaltet und beaufschlagt werden.
- Die Laserstrahlquelle (23) ist vorzugsweise nach dem Absorptionsverhalten des bearbeiteten Werkstoffs der Karosserieteile (3, 4, 5, 6) ausgewählt. Eximerlaser (z. B. ArF, KrF, XeCl) haben z. B. eine Wellenlänge, die etwa im Bereich von 0,2 µm bis 0,4 µm liegt. Festkörperlaser (z. B. Rubin, Nd:YAG, Nd-Glas) liegen z. B. im Bereich von 0,9 µm bis 1,2 µm. Halbleiterlaser bzw. Diodenlaser (z. B. GaAs, GaAlAs) liegen je nach Ausführung bei ca. 0,8 µm bis 1 µm. Gaslaser (CO2) sind im Bereich von ca. 10,6 µm angesiedelt. Die mittlere Laserleistung ist bei Gaslasern und bei Halbleiter- bzw. Diodenlasern hoch, wobei diese Geräte relativ teuer sind.
- Der Absorptionsgrad des auftreffenden Laserlichts bzw. das sogenannte Einkoppelverhalten sind werkstoffspezifisch von der Wellenlänge des Laserlichts abhängig und können extrem schwanken. Ein Metall, z. B. Kupfer, hat z. B. im Bereich von ca. 0,3 µm einen sehr Absorptionsgrad, der in den angrenzenden Bereichen insbesondere zu höheren Wellenlängen rapide abfällt. Unterschiedliche Werkstoffe haben hierbei ein unterschiedliches Absorptionsverhalten.
- Zur Optimierung des Lasereinsatzes werden Laserstrahlquellen verwendet, deren Wellenlänge an das Absorptionsverhalten des beaufschlagten Werkstoffs angepasst oder zumindest in dessen Nähe angesiedelt ist. Für Kupfer mit dem Absorptionsmaximum bei 0,3 µm eignet sich ein KrF-Eximerlaser. Ein Nd:YAG-Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von ca. 1 µm ist wegen des hier wesentlich schlechteren Einkoppelverhaltens weniger geeignet. Für isolierende Werkstoffbeschichtungen, z. B. Oxide oder dergleichen ist wegen des völlig anderen Absorptionsverhaltens eher ein CO2-Gaslaser mit mehr als 10 µm Wellenlänge geeignet, wobei ein KrF-Eximerlaser mit ca. 0,25 µm Wellenlänge ebenfalls gute Ergebnisse bringt.
- Die nach dem Absorptionsverhalten des Werkstoffs und der dafür geeigneten Wellenlänge optimierte Wahl der Laserstrahlquelle (23) gestattet es in vielen Fällen mit Laserstrahlquellen (23) auszukommen, die eine relativ niedrige mittlere Laserleistung haben, z. B. Eximerlaser, Diodenlaser oder dgl.
- Die Laserstrahlquelle (23) kann außerdem ein gepulster Laser sein, der eine relativ geringe mittlere Laserleistung besitzt und dafür hohe Pulsleistungen erzeugt. Ein solcher gepulster Laser eignet sich vor allem für den Einsatz für eine leistungsschwächere Laser-Führungseinheit, die vor allem für die Führung und Stabilisierung des Lichtbogens (15) sorgt. Sie kann alternativ bei geeigneter Auslegung und Anpassung an das Absorptionsverhalten, aber auch als Laser-Schweißeinheit eingesetzt werden. Die Pulsleistung und Pulsfrequenz sind vorzugsweise steuerbar. Hierbei ist es günstig, die Pulswiederholzeit kürzer als die Rekombinationszeit der in der Gasumgebung bzw. in der Plasmasäule gebildeten positiven und negativen Ionen zu wählen bzw. einzustellen. Auf diese Weise kommen die Pulse stets so rechtzeitig, dass die Ionisierung in der Gasumgebung bzw. der Plasmasäule für die Optimierung der Umgebungsbedingungen für den Lichtbogen (15) aufrecht erhalten bleibt.
- Die Hybridschweißtechnik kann in der Einzelauslegung der Prozessparameter beliebig variieren. Insbesondere können die vom Laserstrahl (14) und vom Lichtbogen (15) eingebrachten Energiemengen relativ zueinander unterschiedlich eingestellt werden. In der einen Ausführungsform wird die erforderliche Schweißenergie von beiden gemeinsam aufgebracht, was eine relativ hohe Laserleistung erfordert. Andererseits ist es auch möglich, den Laserstrahl (14) in erster Linie zum Ionisieren und zur Plasmabildung sowie zum Führen des Lichtbogens (15) einzusetzen und dementsprechend in der Leistung zu verringern. Die vom Lichtbogen (15) eingebrachte Schweißenergie ist demgegenüber entsprechend höher. Bei dieser Konfiguration kann wegen der Verringerten Laserleistung eine kleinere Laserstrahlquelle (23) eingesetzt werden. Alternativ kann auch eine stärkere Laserstrahlquelle (23) mit Leistungsteiler und mehreren parallelen Leitungsanschlüssen genutzt werden, welche eine gleichzeitige Versorgung mehrerer Hybridschweißeinrichtungen (10) mit entsprechend verminderter Laserleistung erlaubt.
- In der Framingstation (1) können durch das Hybridschweißen und durch die bahnförmigen Schweißnähte (16) Heftverbindungen der Karosserieteile (3, 4, 5, 6) geschaffen werden, die in der Art und Anordnung der Verbindungsstellen in etwa den vorbekannten Heftschweißverbindungen mit Punktschweißtechnik entsprechen. Durch die wesentlich höhere Prozessgeschwindigkeit beim Hybridschweißen ist es jedoch möglich, in der gleichen Taktzeit darüber hinaus zusätzliche Schweißverbindungen an der Rohkarosserie (2) herzustellen, die beim Stand der Technik erst in den nachfolgenden Ausschweißlinien geschaffen wurden. Insofern können mit der Hybridschweißtechnik zusätzliche Schweißaufgaben aus den Ausschweißlinien in die Framingstation verlegt werden. Die Rohkarosserie .(2) kann hierdurch einerseits eine höhere Eigenstabilität mit mehr Verbindungsstellen als in einer Framingstation nach dem Stand der Technik erhalten. Andererseits ist es auch möglich, in der beanspruchten Framingstation (1) über die genannten Karosserieteile (3, 4, 5, 6) hinaus weitere zusätzliche Bauteile bereits in der Framingstation (1) mit der Rohkarosserie (2) zu verbinden und zu verschweißen. Auch hierdurch werden erst in nachfolgenden Ausschweißlinien erfolgende Prozesse in die Framingstation (1) vorverlegt. Die nachfolgenden Ausschweißlinien können hierdurch entsprechend schlanker mit geringerem Kosten-, Bau- und Platzaufwand ausgebildet werden, wobei auch in diesen Ausschweißlinien mit Hybridschweißen gearbeitet werden kann, was dort ebenfalls die beschriebenen Vorteile gegenüber der konventionellen Lichtbogen- Schutzgasschweißtechnik bringt.
- Abwandlungen der gezeigten Ausführungsform sind in verschiedener Weise möglich. Zum einen können am Hybridschweißwerkzeug (10) die Zahl und Anordnung der Laser-Schweißeinheit (11) und der Lichtbogen-Schweißeinheit (12) variieren. Zum Beispiel kann mit zwei MIG- oder WIG-Brenner in Verbindung mit einem Laserstrahl gearbeitet werden. Desgleichen ist es auch möglich, mehrere Laserstrahlen (14) über eine Mehrfachanordnung von Laser-Schweißeinheiten (11) oder über einen Strahlteiler oder dergleichen zu erzeugen. Ansonsten können im Detail die Laser-Schweißtechnik und die Lichtbogen-Schweißtechnik beliebig ausgebildet sein.
- Variationen sind auch hinsichtlich der sonstigen Ausgestaltung der Framingstation (1) möglich. Dies betrifft sowohl die Form und Anordnung der Zuführ- und Spanneinrichtung (7), wie auch der Schweißroboter (9) und sonstiger Anlagenteile. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Framingstation
2 Rohkarosserie
3 Karosserieteil, Bodengruppe
4 Karosserieteil, Seitenteil links
5 Karosserieteil, Seitenteil rechts
6 Karosserieteil, Dachspriegel
7 Zuführ- und Spanneinrichtung
8 Spannrahmen, Transportgehänge
9 Roboter, Schweißroboter
10 Hybridschweißwerkzeug
11 Lasereinheit, Laser-Schweißeinheit
12 Lichtbogen-Schweißeinheit
13 Zuführeinrichtung Zusatzmaterial, Zusatzdraht
14 Laserstrahl
15 Lichtbogen
16 Schweißnaht
17 Geometrienaht, Pendellinie
18 Geometrienaht, Schrägstriche
19 Bahnverlauf
20 Palette
21 Förderer
22 Förderrichtung
23 Laserquelle
24 Zuführung Laserstrahl, Leitung,
Claims (18)
1. Verfahren zum Verbinden von gespannten und
positionierten losen Karosserieteilen (3, 4, 5, 6)
einer Fahrzeugrohkarosserie (2) in einer
Framingstation (1), dadurch
gekennzeichnet, dass die
Karosserieteile (3, 4, 5, 6) durch Hybridschweißen mit
mindestens einem Laserstrahl (14) und mit mindestens
einem Lichtbogen (15) geschweißt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass beim Schweißen
Zusatzmaterial, insbesondere Zusatzdraht zugeführt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass beim Schweißen
Schutzgas zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die
Karosserieteile (3, 4, 5, 6) mit Laser-MIG-Schweißen,
Laser-WIG-Schweißen oder Laser-Plasma-Schweißen
verbunden werden.
5. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
strichweise oder durchlaufende Schweißnähte (16)
geschweißt werden.
6. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
Geometrienähte (17, 18) mit Auslenkungen quer oder
schräg zur Nahtbahn geschweißt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Karosserieteile (3, 4, 5, 6) im Überlappstoß geschweißt
werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass beim
Hybridschweißen ein Laserstrahl (14) mit
verringerter Leistung zum Führen des Lichtbogens
(15) und zum Ionisieren der Gasumgebung eingesetzt
wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass beim
Hybridschweißen eine Lasereinheit (11) mit einer an
das spezifische Absorptionsverhalten der
Karosserieteilwerkstoffe angepasster Wellenlänge
eingesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass beim
Hybridschweißen eine gepulste Lasereinheit (11) mit
hoher Pulsleistung und geringer mittlerer Leistung
eingesetzt wird, deren Pulsrepititionszeit unterhalb
der Rekombinationszeit der Ionen in der Gasumgebung
liegt.
11. Framingstation mit einer Zuführ- und
Spanneinrichtung (7) und ein oder mehreren
Schweißrobotern (9) zum Verbinden von gespannten und
positionierten losen Karosserieteilen (3, 4, 5, 6)
einer Fahrzeugrohkarosserie (2), dadurch
gekennzeichnet, dass die Schweißroboter
(9) mit Hybridschweißwerkzeugen (10) ausgerüstet
sind, die eine Lasereinheit (11) und eine
Lichtbogen-Schweißeinheit (12) aufweisen.
12. Framingstation nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, dass das
Hybridschweißwerkzeug (10) eine Zuführeinrichtung
(13) für Zusatzmaterial, vorzugsweise Zusatzdraht,
aufweist.
13. Framingstation nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, dass das
Hybridschweißwerkzeug (10) eine Zuführeinrichtung
für Schutzgas aufweist.
14. Framingstation nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die
Lichtbogen-Schweißeinheit (12) als MIG-, WIG-, MAG-
oder Plasma-Schweißeinheit ausgebildet ist.
15. Framingstation nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Lasereinheit (11) als Laser-Schweißeinheit mit einer
zum Schweißen ausreichenden Leistungshöhe
ausgebildet ist.
16. Framingstation nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Lasereinheit (11) als Führungseinheit mit
verringerter Leistung zum Führen des Lichtbogens
(15) und zum Ionisieren der Gasumgebung ausgebildet
ist.
17. Framingstation nach einem der Ansprüche 11 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Lasereinheit (11) eine an das spezifische
Absorptionsverhalten der Karosserieteilwerkstoffe
angepasster Wellenlänge ihres Laserstrahls (14)
aufweist.
18. Framingstation nach einem der Ansprüche 11 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass die
Lasereinheit (11) als gepulste Lasereinheit (11) mit
hoher Pulsleistung und geringer mittlerer Leistung
ausgebildet ist, deren Pulsrepititionszeit unterhalb
der Rekombinationszeit der Ionen in der Gasumgebung
liegt.
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