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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmalichtbogenpunktschweißen einer
Mehrblechverbindung aus zwei oder mehr Fügepartnern.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, um (metallische)
Mehrblechverbindungen dauerhaft und nicht lösbar miteinander zu verbinden.
Hierzu sind zum einen die Schweißverfahren zu nennen, die unter
anderem das Schutzgasschweißen,
das Laserschweißen
sowie das Widerstandspunktschweißen umfassen.
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Für das Schutzgasschweißen ist
eine Überlappnaht
erforderlich, so dass eine Mehrblechverbindung mittels Schutzgasschweißen lediglich
an der Blechkante schweißbar
ist oder es ist durch das Einbringen eines Langlochs eine Blechvorbereitung
erforderlich, wodurch der Aufwand und somit die Kosten für das Verschweißen erhöht werden.
Die gleichzeitige Verbindung von drei oder noch mehr Blechen ist
mittels Schutzgasschweißen
nicht möglich.
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Für das Laserschweißen ist
eine Fügestellenvorbereitung
erforderlich, da ein Entgasungsspalt vorgesehen werden muss. Zudem
setzt das Laserschweißen
enge Toleranzen bei der Fügestelle
und eine aufwändige
Spanntechnik voraus, die eine hohe Anlageninvestition bedingen.
Weiterhin ist mit dem Laserschweißen ein hoher Energieverbrauch
verbunden.
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Das
Widerstandspunktschweißen
hat sich beispielsweise im Rohbau von Kraftfahrzeugkarosserien vielfach
durchgesetzt. Ein wesentlicher Nachteil hierbei ist jedoch, dass
für das
konventionelle Widerstandspunktschweißen eine beidseitige Zugänglichkeit
der Fügestelle
erforderlich ist. Um an schlecht zugänglichen Stellen auch ein einseitiges
Widerstandspunktschweißen
zu ermöglichen,
wurde daher das Verfahren des sogenannten Stoßpunktens entwickelt. Dieses
Verfahren hat sich jedoch als nicht prozesssicher genug hinsichtlich
der Verbindungsfestigkeit erwiesen. Zudem müssen durch die einseitige Krafteinbringung
beim Stoßpunkten über paarweise Elektroden
erhebliche Kräfte
vom Bauteil bzw. der Spanntechnik aufgenommen werden, was nicht
immer ohne Beschädigung
des Bauteils durchführbar ist.
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Ein
neueres Schweißverfahren,
mit dem die Herstellung von Schweißverbindungen auch bei Mehrblechverbindungen
möglich
ist und die lediglich eine einseitige Zugänglichkeit der Fügestelle
erfordert, ist das Plasmalichtbogenpunktschweißen. Bei diesem Verfahren wird
mittels eines Lichtbogens ein ionisiertes Plasmagas erzeugt, mittels
dessen an einer Schweißstelle
durch die Fügepartner
durchgestochen wird, um diese punktuell zunächst auf- und dann miteinander
zu verschmelzen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass das Plasmalichtbogenpunktschweißen nicht
immer zufrieden stellende Ergebnisse liefert, insbesondere wenn
Mehrblechverbindungen aus drei oder mehr Fügepartnern erzeugt werden sollen.
Als besonders kritisch hat sich herausgestellt, wenn die Fügepartner
mit einer Zink- und/oder Klebstoffschicht bzw. mit einer Zink- und/oder
Lack- oder Klebstoffschicht versehen sind.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Plasmalichtbogenpunktschweißen einer
Mehrblechverbindung anzugeben. Insbesondere soll durch das erfindungsgemäße Verfahren
eine verbesserte Festigkeit der Verbindung bei einer erhöhten Standzeit
des Schweißkopfes
erzielt werden.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche.
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Der
Kern der Erfindung sieht vor, das Durchstechen der Fügepartner
stufenweise mit einem sich an jede Stufe anschließenden Ausgasen
durchzuführen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Plasmalichtbogenpunktschweißen
einer Mehrblechverbindung aus zwei oder mehr Fügepartnern, bei dem mittels
eines Lichtbogens ein ionisiertes Plasmagas erzeugt wird, mittels
dessen an einer Schweißstelle
durch die Fügepartner
durchgestochen wird, um diese punktuell zunächst auf und dann miteinander
zu verschmelzen, wird folglich das Durchstechen der Fügepartner
stufenweise mit einem sich an jede Stufe anschließenden Ausgasen durchgeführt.
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Insbesondere
für den
Fall, dass die Fügepartner
ein- oder beidseitig mit einer Zink- und/oder Klebstoffschicht bzw.
mit einer Zink- und/oder Lack- oder Klebstoffschicht versehen sind,
weist das erfindungsgemäße Verfahren
den wesentlichen Vorteil auf, dass Zinkgasexplosionen bzw. Klebstoff-
bzw. Lackrauch und entsprechende Gase und damit einhergehende Prozessstörungen und
Verschmutzungen der Schweißvorrichtung
durch ein ausreichendes Ausgasen zwischen den einzelnen Durchstechschritten
vermieden werden können.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden je Stufe höchstens zwei der Fügepartner
mit ihren jeweiligen Beschichtungen durchstochen, so dass ein ausreichendes
zwischenzeitiges Ausgasen sichergestellt werden kann.
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In
einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform
wird der durch den Lichtbogen erzeugte Stromfluss, die Art und/oder
die Menge des Plasmagases, die Art und/oder Menge des Schutzgases
und/oder die Zufuhr des Zusatzwerkstoffs unabhängig voneinander gesteuert.
Durch diese unabhängige
Steuerung der Parameter kann auf vorteilhafte Weise ein an den jeweiligen
Fügeprozess
angepasster Schweißprozess
erhalten werden.
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Um
eine verminderte Anwenderfreundlichkeit des Verfahrens durch die
unabhängige
Steuerung einer Mehrzahl von Parametern des Schweißprozesses
zu vermeiden, kann weiterhin vorgesehen sein, Synergiekennlinien
zu erzeugen, in denen die Parameter für den Stromfluss, das Plasmagas
sowie die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes für die Mehrblechverbindungen
in Abhängigkeit
von den jeweiligen Blechdicken der Fügepartner festgelegt sind.
Da sich die Blechdicke der Fügepartner
als wesentlicher Ausgangswert für
die Variation der genannten Schweißparameter herausgestellt hat,
kann durch die Erzeugung der Synergiekennlinien eine besonders einfache
Anwendbarkeit des Verfahrens erhalten werden, indem die Anwender
lediglich die Blechdicken der zu fügenden Fügepartner einstellen müssen. Selbstverständlich können anstelle
der Blechdicke auch beliebige andere Parameter als Basiswert für die Erzeugung
der Synergiekennlinien herangezogen werden.
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In
einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird ein Schutzgas verwendet, das einen Anteil ein Helium von mindestens
40% aufweist. Durch die Verwendung eines solchen Schutzgases kann
auf vorteilhafte Weise eine Aufweitung des Schweißpunktdurchmessers
erzielt werden. Durch einen großen Schweißpunktdurchmesser
kann die Festigkeit der Fügestelle
verbessert werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigt
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1:
in einem Prozessdiagramm den Ablauf einer Plasmalichtbogenpunktschweißung in
einem Verfahren gemäß dem Stand
der Technik; und
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2:
in einem entsprechenden Prozessdiagramm den Ablauf einer Plasmalichtbogenpunktschweißung gemäß einem
erfindungsgemäßen Verfahren.
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1 zeigt
in einem Prozessdiagramm den Ablauf einer Plasmalichtbogenpunktschweißung einer
Mehrblechverbindung aus insgesamt drei Stahlblechen in einem Verfahren
gemäß dem Stand
der Technik. Jedes der drei Stahlbleche ist beidseitig mit einer
Zinkschicht versehen, die die Stahlbleche vor Korrosion schützen. Neben
den einzelnen Prozessschritten, die im oberen Teil des Prozessdiagramms dargestellt
sind, ist in einem zusätzlichen
Diagramm der Verlauf der durch den Lichtbogen erzeugten Stromstärke sowie
des Vorschubs des in Drahtform vorliegenden Zusatzwerkstoffs dargestellt.
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Der
Prozess beginnt mit dem Ansetzen des Schweißkopfes des Plasmaschweißgerätes an der gewünschten
Fügestelle.
Hierbei besteht bereits der Pilotlichtbogen zwischen der Elektrode
und der Plasmadüse
des Schweißkopfs.
Zudem kann bereits Schutzgas zugeführt werden.
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In
einem zweiten Prozessschritt wird der Hauptlichtbogen zwischen der
Hauptelektrode sowie dem oberen Stahlblech gezündet und das nunmehr zugeführte Plasmagas
ionisiert.
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Mittels
des ionisierten Plasmagases werden die drei Stahlbleche der Mehrblechverbindung
an der Schweißstelle
aufgeschmolzen. Bei diesem „Durchstechen” genannten
Prozessschritt 2 werden alle drei Stahlbleche gleichzeitig durchstochen.
Bei dem darauffolgenden Prozessschritt 3 wird der Durchstich durchgeblasen
und daraufhin im Prozessschritt 4 die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes
in Form eines Drahts initiiert. Die Zufuhr des Zusatzwerkstoffs
dient dazu, den Durchstich an der Fügestelle so weit aufzufüllen, dass
eine möglichst
ebene Schweißverbindung
ohne Einfallstellen erhalten wird. In dem abschließenden Prozessschritt
5 wird nach der Beendigung des eigentlichen Schweißvorganges
die Schutzgaszufuhr noch für
einen definierten Zeitraum fortgesetzt.
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Wie
in dem unteren Teil des Prozessdiagramms der 1 dargestellt
ist, weist der Verlauf der Stromstärke während des Prozessablaufs zwei Scheitel
auf, wobei der erste, höhere
Scheitel, bei der Erzeugung des Durchstichs und der zweite, niedrigere
Scheitel des Stromstärkeverlaufs
bei der Zufuhr des Zusatzwerkstoffs anliegen kann. Bei dem in der 1 dargestellten,
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es möglich, diesen
zweiten niedrigeren Scheitel beliebig oft zu wiederholen, jedoch
ohne Änderung
des Verlaufs. Dies ist in dem Zeit-Verlauf-Diagramm im unteren Teil
des Prozessdiagramms schraffiert dargestellt. Der Zusatzwerkstoff
kann nur einmalig zu einem definierten Zeitpunkt zugeführt werden,
wobei Drahtmenge und Geschwindigkeit einstellbar sind.
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In
dem Prozessdiagramm der 2 ist das Plasmalichtbogenpunktschweißen einer
identischen Mehrblechverbindung aus drei beidseitig mit Zink beschichten
Stahlblechen in einem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt. Wiederum
sind in dem Prozessdiagramm in dem oberen Teil die einzelnen Prozessschritte
und in dem unteren Teil in einem Zeit-Verlauf-Diagramm der Verlauf
der einzelnen, frei einstellbaren Parameter (Volumenstrom des Plasmagases, Volumenstrom
des Schutzgases, Spannung zur Erzeugung des Hauptlichtbogens, durch
den Lichtbogen erzeugte Stromstärke
sowie Zuführgeschwindigkeit
des Drahts aus Zusatzwerkstoff) dargestellt.
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Der
Schweißprozess
beginnt wiederum mit dem Ansetzen des Schweißkopfes an der gewünschten
Fügestelle.
Hierbei besteht bereits der Pilotlichtbogen zwischen der Elektrode
und der Plasmadüse des
Schweißkopfs.
Zudem kann bereits Schutzgas zugeführt werden.
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In
dem zweiten Prozessschritt wird der Hauptlichtbogen zwischen der
Hauptelektrode sowie dem oberen Stahlblech gezündet und das nunmehr zugeführte Plasmagas
ionisiert. Durch das ionisierte Plasmagas erfolgt das Durchstechen
des obersten Stahlblechs einschließlich der beidseitigen Zinkschichten.
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Nach
dem Durchstechen des obersten Stahlblechs erfolgt im Prozessschritt
3 eine Ausgasungsphase, wozu die Stromstärke sowie die Zufuhr des Plasmagases
verringert werden.
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In
dem darauffolgenden Prozessschritt 4 erfolgt auf ähnliche
Weise das Durchstechen des mittleren Stahlblechs einschließlich der
beidseitig hierauf angeordneten Zinkschichten, wozu die Spannung und
folglich die Stromstärke
sowie die Zufuhr des Plasmagases wieder erhöht wird.
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Nachfolgend
erfolgt wiederum ein Ausgasen (Prozessschritt 5) mit einer entsprechenden
Reduzierung der Spannung, der Stromstärke sowie der Plasmagaszufuhr.
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In
dem Prozessschritt 6 wird daraufhin das untere, letzte Stahlblech
durchstochen, wozu erneut die Spannung, Stromstärke sowie die Plasmagaszufuhr
erhöht
wird.
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Daran
schließt
sich ein Ausblasen der Ausgasungen aus dem Durchstich an, wozu erneut
die Spannung, Stromstärke
sowie die Plasmagaszufuhr abgesenkt werden (Prozessschritt 7).
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In
dem darauffolgenden Prozessschritt 8 wird unter einer leichten Erhöhung der
Stromstärke sowie
der Plasmagaszufuhr das Schließen
und das Auffüllen
des Durchstichs initiiert, wozu mit einer Zufuhr des in Drahtform
vorliegenden Zusatzwerkstoffes begonnen wird.
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Die
Drahtzufuhr kann in Abhängigkeit
der Schweißaufgabe
in mehreren Schritten und frei wählbarer
Rampenform ausgeführt
werden, um ein möglichst
planes und Endkrater freies Auffüllen
zu ermöglichen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
der 2 erfolgt die Drahtzufuhr zwischen Schritt 8–11.
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In
dem darauffolgenden Prozessschritt 11 wird der Schweißprozess
beendet, wozu die Spannung, die Stromstärke und auch die Zufuhr von Schutzgas und
drahtförmigem
Zusatzwerkstoff auf Null reduziert wird. Lediglich die Schutzgaszufuhr wird
für einen
definierten Zeitraum weiter aufrecht erhalten.
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Selbstverständlich sind
die Prozessschritte in Anzahl und Ausprägung variabel und beliebig
erweiterbar.