DE102006060056A1 - Verfahren zum Fügen von Bauteilen, insbesondere Leichtbauteilen, mittels Kleben - Google Patents

Verfahren zum Fügen von Bauteilen, insbesondere Leichtbauteilen, mittels Kleben Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen, insbesondere Leichtbauteilen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen (z. B. Metall, Kunststoff, Keramik, Holzwerkstoffe) bestehen können, mittels Kleben. Sie ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass auf die zu fügenden Flächen in üblicher Weise ein oder mehrere geeignete Klebstoffe aufgebracht und diese Flächen danach zusammengefügt werden, wobei gleichzeitig mit oder unmittelbar nach dem Aufbringen des oder der Klebstoffe und dem Zusammenfügen der zu fügenden Bauteile diese zu fügenden Bauteile an den geklebten/zusammengefügten Flächen durch einzelne mittels Laserschweißen erzeugte Schweißpunkte fixiert oder durch mehrere mittels Laserschweißen erzeugte Schweißpunkte punktgeschweißt werden. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in der Automobilindustrie, dem Maschinen- und Flugzeugbau, dazu ähnlichen Industriezweigen und überall dort, wo derartige Bauteile mit unterschiedlichsten und auch komplizierten Geometrien mit hoher Geschwindigkeit gefügt werden müssen, einsetzbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen, insbesondere Leichtbauteilen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen (z.B. Metall, Kunststoff, Keramik, Holzwerkstoffe) bestehen können, mittels Kleben. Insbesondere in der Automobilindustrie, dem Maschinen- und Flugzeugbau, dazu ähnlichen Industriezweigen und überall dort, wo Bauteile der hier genannten Art mit unterschiedlichsten und auch komplizierten Geometrien mit hoher Geschwindigkeit gefügt werden müssen, ist das Verfahren besonders vorteilhaft einsetzbar.
  • In der industriellen Fertigung verschiedenster Produkte und insbesondere in der Automobilindustrie werden unterschiedlichste Fügeverfahren eingesetzt. Beispielhaft sei an dieser Stelle auf Kleb-, Löt-, Schweiß-, Clinch- oder Nietverfahren hingewiesen. Auch Kombinationen von Klebverfahren mit Niet-, Clinch- und Schweißverfahren sind bekannt. In der Automobilindustrie wird besonders das Punktschweißkleben entwickelt, um Crashstabilität und Steifigkeit zu erhöhen (vergleiche hierzu Abstract zu FIZ Technik e.V. 01/2001 „Punktschweißkleber – Eigenschaften und Berechnungsmethode für lineare Karosseriesteifigkeiten"). Dabei werden die geklebten Flächen unmittelbar nach dem Fügen durch das Kleben widerstandspunktgeschweißt. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, dass es zum einen langsam ist und dadurch der Gesamtprozess verlangsamt wird und zum anderen keine komplizierten Geometrien gefügt werden können. Weitere Nachteile dieses Verfahrens sind, dass beim Widerstandspunktschweißen eine Zugänglichkeit von beiden Seiten gewährleistet sein muss und dass nur punktförmige Verbindungen erzeugt werden können.
  • In einer Reihe von Veröffentlichungen, beispielsweise DE 42 40 823 C1 und US 6,291,792 B1 , werden die Bauteile mittels Schweißen verbunden, wobei zur Verbesserung der Laserschweißverbindungen bei größeren Fertigungstoleranzen in den Fügespalt Klebstoff eingebracht wird. Als Fügetechnik hat aber das Schweißen gerade in der Automobilindustrie den Nachteil, dass man nur an den Stellen Schweißen kann, die später am Auto unsichtbar sind, da der Schweißprozess an sich Spuren an den geschweißten Bauteilen hinterlässt.
  • Dieser Nachteil des Schweißprozesses, insbesondere an zu fügenden Autoteilen, kommt besonders in der letzten Zeit zum Tragen, da nach dem Stand der Technik der Trend in vielen Industriezweigen, aber gerade auch in der Automobilindustrie, immer mehr zum Einsatz von Leichtbauteilen geht, wo die Schweißspuren noch stärker zum Ausdruck kommen.
  • Das hat zur Folge, dass gerade und insbesondere in der Autoindustrie das Fügeverfahren Kleben in zunehmenderem Maße eingesetzt wird. So wird beispielsweise in H. A. Flegel "Die Zukunft des Klebens als Fügetechnik im Automobilbau", Vortrag auf der FSK-Tagung in Bremen" im Oktober 2001 beschrieben, dass das Kleben als Fügetechnik, insbesondere in der Automobilindustrie immer stärker eingesetzt wird, gerade weil der Trend sich immer mehr zum Einsatz von Leichtbaubauteilen entwickelt.
  • Ein Nachteil des Fügeverfahrens Kleben sind allerdings die meist langen Aushärtezeiten der Klebstoffe, die einerseits den Gesamtprozess deutlich verlangsamen und andererseits Bauteilfixierungen notwendig machen. Darüber hinaus brauchen Klebnähte große Flächen für eine feste Verbindung. Die langen Aushärtezeiten haben insbesondere auch in der Autoindustrie den Nachteil, dass nachfolgende Prozesse negativ beeinflusst werden (beispielsweise sorgt noch nicht vollständig ausgehärteter Klebstoff bei einer an das Kleben angeschlossenen Lackierung eines Karosserieteils für Schäden in der Lackierung). Daraus resultiert, dass das Fügeverfahren Kleben nur in begrenzten Anwendungsbereichen vorteilhaft einsetzbar ist.
  • Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen, insbesondere Leichtbauteilen, anzugeben, mit dem es möglich wird, diese Bauteile aus unterschiedlichsten Werkstoffen mit verschiedenen und auch komplizierten Geometrien mit hoher Festigkeit zu fügen, ohne dass das Bauteil, insbesondere das Leichtbauteil, selbst beschädigt wird und ohne dass eine zusätzliche Fixierung notwendig wird.
  • Dabei ist es weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art vorzuschlagen, durch das keine Nachteile für nachfolgende Prozessschritte entstehen und das darüber hinaus eine hohe Prozessgeschwindigkeit ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mit einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 9 gelöst, wobei die Patentansprüche 2 bis 9 vorteilhafte Ausgestaltungen darstellen.
  • Das Verfahren zum Fügen von Bauteilen, insbesondere Leichtbauteilen, aus unterschiedlichen Werkstoffen, zum Beispiel Metall (z.B. Aluminium, Magnesium, Eisen, Titan), Kunststoff, (z.B. glasfaser- und kohlefaserverstärkte Kunststoffe), Keramik und Holzwerkstoffen, verwendet als Fügeverfahren das Kleben. Erfindungsgemäß werden dabei auf die zu fügenden Flächen in üblicher Weise einer oder mehrere geeignete Klebstoffe aufgebracht und diese danach zusammengefügt. Gleichzeitig oder unmittelbar nach dem Aufbringen des oder der Klebstoffe und dem Zusammenfügen der zu fügenden Bauteile werden diese zu fügenden Bauteile an den geklebten/zusammengefügten Flächen durch einzelne mittels Laserschweißen (vorzugsweise Remote-Laserschweißen) erzeugte Schweißpunkte fixiert oder durch mehrere mittels Laserschweißen (vorzugsweise Remote-Laserschweißen) erzeugte Schweißpunkte punktgeschweißt.
  • Das Laserschweißen, insbesondere das Remote-Laserschweißen, bietet hierbei große Vorteile. Dadurch können mit hohen Geschwindigkeiten an komplizierten Geometrien geklebter Bauteile Fixierpunkte gesetzt werden. Das Weiterrücken der Schweißzange, wie es beim Widerstandspunktschweißen zwingend notwendig ist, entfällt vollständig. Das Remoteschweißen erlaubt eine sehr hohe Flexibilität des Verfahrens. Neben einer freien Programmierbarkeit reicht es aus, wenn das Bauteil nur von einer Seite zugänglich ist. Verbindungslänge und -geometrie der Schweißnaht können frei gewählt werden. Aus der Sicht des Fügeverfahrens Schweißen wird durch das Aufbringen des Klebstoffes ein Fügespalt eingehalten, was z.B. beim Schweißen verzinkter Bleche von Vorteil ist. Außerdem dichtet der Klebstoff die Schweißverbindung ab. Vorteilhaft ist beim Laserschweißen, insbesondere Remote-Laserschweißen, der Einsatz von Lasern, insbesondere von Festkörperlasern vor allem auch Faserlasern, mit einer Leistung im Bereich von 100 Watt bis 10 Kilowatt. Auf Grund der hohen Strahlqualität ist dabei der Faserlaser besonders geeignet. Die Aushärtung des Klebstoffes kann dann beispielsweise während des Katoden-Tauch-Lackier (KTL)-Verfahrens erfolgen. Ist kein solcher Härtungsschritt vorgesehen oder notwendig, kann der Klebstoff zwischen den Schweißpunkten auch durch das Einbringen von Wärme durch den Laser gehärtet werden, was vorzugsweise gleich beim Setzen der Schweißpunkte erfolgt oder aber im Anschluss an die Fixierung.
  • Beim Setzen der Schweißpunkte zur Fixierung der Bauteile, insbesondere Leichtbauteile, sollte vorteilhafterweise darauf geachtet werden, dass die Laserschweißpunkte statistisch oder regelmäßig verteilt oder an den Stellen der größten Belastung angebracht werden.
  • Das Verfahren eignet sich für anorganische Klebstoffe (z.B. solche auf Silikatbasis) und organische Klebstoffe (z.B. Epoxid, -Acrylat und Polyurethanharze). Für bestimmte Anwendungsfälle ist der Einsatz anorganischer Klebstoffe besonders vorteilhaft, da bei deren Verwendung kaum Zersetzungsgase entstehen, so dass hier noch bessere Ergebnisse erzielt werden.
  • Ein weiterer Vorteil für die Festigkeit und Härte der gefügten Flächen kann durch den Einsatz der an sich bekannten Andruckrolle erzielt werden, da dadurch ein konstanter Fügeteilabstand erhalten wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten alle genannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt und eben auch Bauteile, insbesondere Leichtbauteile, mit komplizierten Geometrien mit hoher Prozessgeschwindigkeit gefügt werden.
  • Kleben und Schweißen können innerhalb einer Arbeitsstation „Fügen" noch auf eine andere Art und Weise kombiniert werden. So könnten beispielsweise qualitätskritische Bereiche geklebt und schmale Flanschbereiche geschweißt werden, wobei nur eine Spanntechnik benötigt wird.
  • Darüber hinaus wäre es bei dem gerade in der heutigen Zeit insbesondere in der Autoindustrie üblichen Einsatz von Industrierobotern mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich und für viele Anwendungsfälle vorteilhaft, wenn beispielsweise ein erster Roboter den jeweils einzusetzenden Klebstoff auf einen Fügepartner aufträgt und während dieser Zeit bzw. zeitnah zu dieser beschriebenen Handlung des ersten Roboters ein zweiter Roboter den anderen Fügepartner positioniert. Unmittelbar im Anschluss daran bzw. während der Positionierhandlung durch den zweiten Roboter wechselt der erste Roboter den Bearbeitungskopf und ersetzt den bisherigen Bearbeitungskopf durch einen für den jeweiligen Einsatz entsprechenden Laserbearbeitungskopf (beispielsweise beim Remote-Laserschweißen durch Remote-Laseroptik, die in den Laserstrahlengang gebracht wird). Mit dem neuen Bearbeitungskopf ausgestattet, werden dann mittels des ersten Roboters die notwendigen Laserschweißvorgänge durchgeführt (beispielsweise Laserfixiernähte erzeugt bzw. die Verschweißungen durchgeführt, welche mittels Kleben nicht realisierbar sind). Das wirkt sich besonders vorteilhaft aus, wo nur schmale Flansche (wie beispielsweise bei Fensteröffnungen) geklebt werden können. Im Anschluss daran kann dann der Weitertransport der so bearbeiteten Teile zur nächsten Arbeitsstation (beispielsweise der Katoden-Tauch-Lackierung-KTL-) erfolgen.
  • In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden, wobei diese Ausführungsbeispiele keine Einschränkung der Erfindung bedeuten. Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Verdeutlichung der Erfindung an konkret durchgeführten Prozessen und Versuchen.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Bleche aus Stahl St 12 mit einer Dicke von 1,5 mm (Länge 100 mm, Breite: 25 mm) werden mit Aceton im Ultraschallbad gereinigt und anschließend mit einem heißhärtenden Epoxidharz (Betamate 1496) einschnittig überlappend geklebt. Die Überlappungslänge beträgt 12,5 mm. Mit dem Faserlaser 1070-1080 (IPG) mit einer Leistung von 1000W wird mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s ohne Oszillation eine 20mm lange Naht auf das gefügte Blech geschweißt. Ohne zusätzliche Aushärtung des Klebstoffes wird eine für die Fixierung ausreichende Klebfestigkeit von 13,6 MPa erreicht. Nach der Klebstoffaushärtung werden Klebfestigkeiten erreicht, die auch bei Proben ohne Schweißnaht auftreten, d.h. das Schweißen verursachte keine die Klebfestigkeit beeinträchtigende Fehlstellen.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Bleche aus Stahl St 12 mit einer Dicke von 1,5 mm (Länge 100 mm, Breite: 25 mm) werden mit Aceton im Ultraschallbad gereinigt und anschließend mit einem heißhärtenden Epoxidharz (Betamate 1496) einschnittig überlappend geklebt. Die Überlappungslänge beträgt 12,5 mm. Mit dem Faserlaser 1070-1080 (IPG) mit einer Leistung von 1000W wird mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s und einer Oszillation von 1200 Hz eine 20mm lange Naht auf das gefügte Blech geschweißt. Ohne zusätzliche Aushärtung des Klebstoffes wird eine für die Fixierung ausreichende Klebfestigkeit von 9,7 MPa erreicht. Nach der Klebstoffaushärtung werden Klebfestigkeiten erreicht, die auch bei Proben ohne Schweißnaht auftreten, d.h. das Schweißen verursachte keine die Klebfestigkeit beeinträchtigende Fehlstellen.
  • Ausführungsbeispiel 3
  • Bleche aus Stahl St 12 mit einer Dicke von 1,5 mm (Länge 100 mm, Breite: 25 mm) werden mit Aceton im Ultraschallbad gereinigt und anschließend mit einem heißhärtenden Epoxidharz (Betamate 1496) einschnittig überlappend geklebt. Die Überlappungslänge beträgt 12,5 mm. Mit dem Faserlaser 1070-1080 (IPG) mit einer Leistung von 1000W wird mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s ohne Oszillation eine 10mm lange Naht auf das gefügte Blech geschweißt. Nach der Klebstoffaushärtung werden Klebfestigkeiten erreicht, die auch bei Proben ohne Schweißnaht auftreten, d.h. das Schweißen verursachte keine die Klebfestigkeit beeinträchtigende Fehlstellen.
  • Ausführungsbeispiel 4
  • Bleche aus Stahl St 12 mit einer Dicke von 1,5 mm (Länge 100 mm, Breite 25 mm) werden mit Aceton im Ultraschallbad gereinigt und anschließend mit einem heißhärtenden anorganischen Klebstoff (Cerastil V 336) einschnittig überlappend geklebt. Die Überlappungslänge beträgt 12,5 mm. Mit einem Nd:YAG-Laser mit einer Leistung von 4 Kilowatt wird eine 20 mm lange Naht auf das gefügte Blech geschweißt. Nach der Klebstoffaushärtung werden Klebfestigkeiten erreicht, die auch bei Proben ohne Schweißnaht auftreten, d.h. das Schweißen verursachte keine die Klebfestigkeit beeinträchtigende Fehlstellen.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Fügen von Bauteilen, insbesondere Leichtbauteilen, mittels Kleben, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zu fügenden Flächen in üblicher Weise einer oder mehrere geeignete Klebstoffe aufgebracht und die Flächen danach zusammengefügt werden, wobei gleichzeitig mit oder unmittelbar nach dem Aufbringen des oder der Klebstoffe und dem Zusammenfügen der zu fügenden Bauteile diese an den geklebten/zusammengefügten Flächen durch einzelne mittels Laserschweißen erzeugte Schweißpunkte bzw. -nähte fixiert oder durch mehrere mittels Remote-Laserschweißen erzeugte Schweißpunkte bzw. -nähte punktgeschweißt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung des/der Klebstoffe(s) während des weitergehenden technologischen Prozesses, beispielsweise bei dem Verfahren der Katoden-Tauch-Lackierung (KTL) oder ähnlicher Prozesse, fortgesetzt und abgeschlossen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung des Klebstoffes bereits während des Schweißprozesses oder aber nach der Fixierung durch den Wärmeeintrag des Lasers erfolgt.
  4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Laserschweißen/Laserpunktschweißen ein Laser mit einer Leistung im Bereich von 100 Watt bis 10 Kilowatt eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Laserschweißen/Laserpunktschweißen mit einem Festkörperlaser, vor allem einem Faserlaser, gearbeitet wird.
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung der Leichtbauteile die Laserschweißpunkte über die geklebten Flächen statistisch oder regelmäßig verteilt oder an den Stellen der größten Belastung angebracht werden. Mittels Remoteschweißen können belastungsangepasste Schweißnahtgeometrien erzeugt werden (z.B. Krampen, Stepps, Kreise u.s.w.)
  7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kleben anorganische und/oder organische Klebstoffe verwendet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als organische Klebstoffe Epoxid- Polyurethan- oder Acrylatharze eingesetzt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als anorganische Klebstoffe Kleber auf Silikatbasis eingesetzt werden.
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