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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von drei Metallblechen
und einer Vorrichtung, die unter Verwendung derselben gebildet wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Schweißverfahren
werden oft als ein Mittel zum Verbinden von Metallkomponenten verwendet. Es
gibt viele Arten von Schweißverfahren
wie z. B. Punktschweißen,
Laserschweißen
oder Rührreibschweißen. Typischerweise
sind Schweißmarken
an dem Bereich einer Schweißnaht
auf Grund der hohen Temperaturen und physikalischen Änderungen
in dem Material anschließend
an die Schweißnaht
deutlich zu erkennen. Es ist daher oft erforderlich, „Reinigungs”-Verfahren
anschließend
an das Schweißen auszuführen, um
das Auftreten der Schweißmarken zu
minimieren, insbesondere bei Anwendungen, bei denen das ästhetische
Erscheinungsbild der geschweißten
Komponente von Bedeutung ist. Solche zusätzlichen Arbeitsschritte erhöhen die
Herstellungsdauer und -kosten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
wird ein Verfahren zur Herstellung von geschweißten Metallblechen dargelegt,
welches freiliegende (d. h. sichtbare) Flächen der Bleche im Wesentlichen
frei von jeglichen Schweißmarken
hinterlässt,
ohne dass jegli che zusätzliche
Schritte im Bereich der Schweißnaht
anschließend
an die Schweißnaht
ausgeführt
werden. Somit können
die Herstellungseffizienz erhöht
und Kosten gesenkt werden. Eine Vorrichtung mit drei gestapelten
Metallblechen, die in Übereinstimmung
mit dem Herstellungsverfahren geschweißt werden können, ist ebenfalls offenbart.
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Das
Verfahren zur Herstellung umfasst das Bilden eines ersten Buckelabschnitts,
der sich von einer Seite eines ersten Metallblechs weg erstreckt, und
eines zweiten Buckelabschnitts, der sich von einer gegenüberliegenden
Seite desselben ersten Metallblechs weg erstreckt. Die Buckelabschnitte
können
unter Verwendung eines Stempel- und Matrizensatzes in einer gewünschten
Form gebildet werden. Vor dem Bilden der Buckel können die
Metallbleche z. B. mit einem Zinküberzug als Korrosionsschutz
beschichtet werden. Bei dem Verfahren wird das erste Metallblech
mit den daran gebildeten Buckeln zwischen einem zweiten und einem
dritten Metallblech angeordnet (d. h. die Bleche werden gestapelt),
sodass sich der erste Buckelabschnitt zu einer inneren Fläche des
zweiten Metallblechs hin erstreckt und sich der zweite Buckelabschnitt
zu einer inneren Fläche
des dritten Metallblechs hin erstreckt. Als Nächstes werden Schweißelektroden
neben den Metallblechen in Ausrichtung mit den Buckelabschnitten
angeordnet. Dann wird das erste Metallblech an das zweite und das
dritte Metallblech an den Buckelabschnitten geschweißt. Die
freiliegenden äußeren Flächen des
zweiten und des dritten Metallblechs sind im Wesentlichen frei von
Schweißmarken,
da die Buckelabschnitte an die inneren Flächen des zweiten und des dritten
Blechs geschweißt
sind. Das weitgehende Fehlen von Schweißmarken ist auch auf die in
dem Verfahren zugelassenen Schweißparameter zurückzuführen wie
z. B. das Verwenden von Schweißelektroden
mit im Wesentlichen flachen Schweißkontaktbereichen, die die
gesamte Breite des Bereiches des inneren Blechs mit den Buckelabschnitten überspannen,
wodurch Wärme
und Kraft gleichmäßiger verteilt werden,
das Anlegen von Spannung an die Elektroden für nicht mehr als etwa 4 Millisekunden
und die Verwendung einer Schweißkraft
von nicht mehr als etwa 200 Pfund tragen ebenfalls zum Fehlen der Schweißmarken
bei. Das Verfahren kann höchstens zu
einer Oberflächenvertiefung
an den äußeren Flächen des
zweiten und des dritten Metallblechs von nicht mehr als 0,1 Millimeter
führen,
was viel weniger ist als die Vertiefungen von 0,3 bis 1,0 Millimeter,
die typischerweise aus Schweißverfahren
resultieren. Des Weiteren sind infolge der relativ kurzen Schweißdauer keine
Abkühlperiode
oder Kühlschritte erforderlich,
bevor die Schweißelektroden
wieder verwendet werden können,
um einen weiteren Bereich der gestapelten Bleche oder einen weiteren Satz
von gestapelten Metallblechen wie z. B. an einer Produktionslinie
zu schweißen.
Das Verfahren kann besonders Kraftfahrzeugkarosseriebleche, Haushaltsgeräte und andere
Produkte mit hohen Anforderungen an das Oberflächenerscheinungsbild geeignet
sein.
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Gemäß dem Verfahren
kann eine Vorrichtung hergestellt werden, die drei gestapelte Metallbleche
mit zwei äußeren Metallblechen
umfasst, die an beiden Seiten eines inneren Metallblechs nebeneinandergelegt
sind. Das innere Metallblech besitzt einen ersten Buckelabschnitt,
der sich zu einer inneren Fläche
eines der äußeren Metallbleche
hin erstreckt, und einen zweiten Buckelabschnitt, der sich zu einer
weiteren inneren Fläche
des anderen äußeren Metallblechs
hin erstreckt. Die inneren Flächen der äußeren Metallbleche
sind an das innere Metallblech an den jeweiligen Buckelabschnitten
geschweißt,
sodass sich die äußeren Flächen der äußeren Bleche
durch ein weitgehendes Fehlen von Schweißmarken auszeichnen. Die Buckelabschnitte können verschiedene
Formen aufweisen, die derart ausgebildet sind, um das Ziel zur Erreichung
einer sicheren Schweißnaht
ohne weitgehende Beeinträchtigung
des sichtbaren Erscheinungsbilds der äußeren Bleche 26 begünstigen.
Es können
beispielsweise dreieckige oder abgerundete Erweiterungen verwendet
werden. Es können
sich auch zwei Buckelabschnitte zu einem der äußeren Bleche an beiden Seiten
eines weiteren Buckelabschnitts hin erstrecken, der sich zu dem
anderen äußeren Metallblech
hin erstreckt. Dieser ausgeglichene Aufbau kann dabei hilfreich
sein, jedes Verdrehen des inneren Metallblechs zu vermindern, das
während
der Bildung der Buckelabschnitte auftreten kann.
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Die
oben stehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung der besten Arten, die Erfindung auszuführen, in
Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Veranschaulichung in Seitenansicht eines Buckelschweißsystems,
das drei gestapelte Metallbleche umfasst, wobei ein inneres Blech
eine erste Ausführungsform
von gegenüberliegenden
Buckelabschnitten mit einer im Wesentlichen dreieckigen Form aufweist;
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2 ist
eine schematische Veranschaulichung in seitlicher Querschnittsansicht
der drei gestapelten Metallbleche von 1;
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3 ist
eine schematische Veranschaulichung in seitlicher Querschnittsansicht
eines Werkzeugsatzes, der verwendet wird, um die Buckelabschnitte
in dem inneren Blech der 1 und 2 zu bilden;
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4 ist
eine schematische Veranschaulichung in seitlicher Querschnittsansicht
einer zweiten Ausführungsform
der drei ge stapelten Metallbleche, wobei ein inneres Blech gegenüberliegende
Buckelabschnitte mit einer im Wesentlichen abgerundeten Form aufweist;
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5 ist
eine schematische Veranschaulichung in seitlicher Querschnittsansicht
einer dritten Ausführungsform
der drei gestapelten Metallbleche, wobei ein inneres Blech gegenüberliegende
Buckelabschnitte mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form aufweist,
wobei sich einer zu einem oberen Blech hin erstreckt und sich zwei
zu einem unteren Blech hin erstrecken;
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6 ist
eine schematische Veranschaulichung in Draufsicht des inneren Metallblechs
der 1 und 2, welche die gegenüberliegenden Buckel
zeigt;
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7 ist
eine schematische Veranschaulichung in Querschnittsansicht der drei
gestapelten Metallbleche der 1, 2 und 6 nach
dem Schweißen;
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8 ist
eine schematische Veranschaulichung in Draufsicht der geschweißten Metallbleche von 7,
die das Fehlen von Schweißmarken
auf einer freiliegenden äußeren Fläche des
oberen Blechs veranschaulicht; und
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9 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Schweißen von Metallblechen veranschaulicht.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche
Komponenten bezeichnen, zeigt 1 ein Buckelschweißsystem 10,
das in der Lage ist, drei gestapelte Metallbleche zusammenzuschweißen, ohne
Schweißmarken
auf den freiliegenden äußeren Flächen der äußeren Bleche
zu hinterlassen, wie unten stehend beschrieben. Die gestapelten
Metallbleche umfassen ein inneres Blech 12, das zwischen
zwei äußeren Blechen 14, 16 verschachtelt
ist. Die gestapelten Metallbleche 12, 14, 16 sind
zwischen einem feststehenden Element 18 und einer verstellbaren
Klemme 20 sicher gehalten. Schweißelektroden 22, 24 sind
in Kontakt mit den äußeren Blechen 14, 16 angeordnet.
Aufgrund des speziellen Aufbaus des inneren Blechs 12 und der
Elektroden 22, 24 befestigt das Schweißverfahren
die Bleche 12, 14, 16 auf eine effiziente
und zuverlässige
Weise aneinander, wobei offensichtlich ist, dass die Schweißnaht auf
den freiliegenden Flächen der
verbundenen Metallbleche 12, 14, 16 beinahe
unsichtbar ist.
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Unter
Bezugnahme auf 2 zeigt eine Querschnittsansicht
der gestapelten Bleche 12, 14, 16 vor
dem Schweißen
einen ersten und einen zweiten Buckelabschnitt 26, 28,
die in dem inneren Metallblech 12 gebildet sind. Der erste
Buckelabschnitt 26 weist eine im Wesentlichen dreieckige
Form auf und erstreckt sich von der Fläche 29 des inneren
Blechs 12 nach außen
zu einer inneren Fläche 30 des
Metallblechs 14 hin. Der zweite Buckelabschnitt 28 weist ebenfalls
eine im Wesentlichen dreieckige Form auf und erstreckt sich von
der Fläche 31 des
inneren Blechs 12 nach außen zu einer inneren Fläche 32 des
Metallblechs 16 hin. Unter Bezugnahme auf 3 umfasst
ein Werkzeugsatz 34, der verwendet wird, um die Buckelabschnitte 26, 28 an
dem inneren Blech 12 zu bilden, einen Stempel 36,
der durch die Wirkung eines oberen Werkzeugs 38 zu einem
unteren Werkzeug 40 hin bewegbar ist, sodass im Wesentlichen
dreieckige Hohlräume 42 und
Formationen 44 die Buckelabschnitte 26, 28 in
dem inneren Blech 12 erzeugen, wenn das zuvor flache innere Blech 12 der 1 und 2 zwischen
dem oberen und dem unteren Werkzeug 38, 40 angeordnet
ist. Unter Bezugnahme auf 6 ist das
innere Blech 12 von oben gezeigt und um 90 Grad in Bezug
auf 2 gedreht. Der erste Buckelabschnitt 26 erscheint
als eine Erhebung, während
der zweite Buckelabschnitt 28 als eine Vertiefung erscheint.
Jedes der Bleche 12, 14, 16 ist vorzugsweise
aber nicht unbedingt auf beiden Seiten davon mit einem Zinküberzug 52 beschichtet,
wie in 2 veranschaulicht, um sowohl die Korrosionsbeständigkeit
zu verbessern, als auch die Fähigkeit
zu unterstützen,
die Buckelabschnitte 26, 28 zu ziehen.
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Unter
neuerlicher Bezugnahme auf 1 sind die
Elektroden 22, 24 speziell mit einem im Wesentlichen
flachen Kontaktabschnitt 54 bzw. 56 entworfen,
der die Breite W (siehe 2) des inneren Blechs 12 vom
Beginn bis zum Ende der Buckelabschnitte 26, 28 überspannt.
Die flachen Kontaktabschnitte 54, 56 lassen zu,
dass durch die Elektroden 22, 24 fließender Strom
(wenn Spannung angelegt ist) über
die gesamte Breite W der Buckelabschnitte 16, 28 hinweg
verteilt wird und die Wärme
und Kraftbelastung der Elektroden 22, 24 besser
verteilt wird, um eine sichere Schweißnaht zu erreichen, wie in 7 veranschaulicht,
wobei der erste Buckelabschnitt 26 in die innere Fläche 30 des
Metallblechs 14 schmilzt und der zweite Buckelabschnitt 28 in
die innere Fläche 32 des
Metallblechs 16 schmilzt. Es hat sich gezeigt, dass eine
Kraftbelastung von 200 Pfund mit einem für 4 Millisekunden angelegten
Strom Schweißnähte mit
ausreichender Integrität
für Verwendungen
wie z. B. in Kraftfahrzeugkarosserieblechen erzielt. Wie in 7 gezeigt,
ist eine Oberflächenvertiefung
D von 0 bis 0,1 mm an der äußeren Fläche 48 des äußeren Blechs 14 gebildet.
Diese Oberflächenbeeinträchtigung
ist in der schematischen Drauf sicht des Blechs 14 in 8 nicht
erkennbar. Die Verformung der äußeren Fläche 50 des äußeren Blechs 16 beträgt gleichermaßen nicht
mehr als eine Vertiefung von 0,1 mm im Bereich der Schweißnaht. Die
minimale Oberflächenvertiefung, die
mit den hierin beschriebenen Buckelschweißverfahren erzielt wird, ist
eine Funktion der mit den Elektroden 22, 24 auf
den Stapel der Bleche 12, 14, 16 aufgebrachten
Kraft, der relativ kurzen Zeitspanne, in der Strom angelegt ist,
und der Elektrodenzustände. Weder
die Länge
der Dauer des angelegten Stromes noch die Temperatur der Metallbleche 12, 14, 16 an dem
Bereich der Buckelabschnitte 26, 28, wo die Schweißnaht auftritt,
sind Faktoren, die die Oberflächenvertiefung
D beeinflussen. Die Schweißdauer und
-temperatur sind im Vergleich mit anderen Schweißtechniken minimal. Diese Faktoren,
die die Oberflächenvertiefung
mit dem vorliegenden Verfahren und System beeinflussen, stehen im
Gegensatz zu der größeren Anzahl
von Faktoren, die die Oberflächenvertiefung
beim typischen Widerstandsschweißen beeinflussen, die typischerweise
zwischen 0,3 und mehr als 1 Millimeter beträgt. Für solche typischen Schweißverfahren
umfassen solche Faktoren zusätzlich
zu der Schweißkraft,
dem angelegten Strom und den Elektrodenzuständen auch die Eigenschaften
des geschweißten
Metalls, die Länge der
Zeit, für
die der Strom angelegt ist, den Winkel der Schweißnaht (d.
h. den Winkel der Elektroden in Bezug auf die Metallbleche), die
Elektrodengröße und die
Qualität
der Elektrodenzurichtung, wie für den
Fachmann einzusehen ist.
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Es
können
Buckelabschnitte mit verschiedenen Formen gleichermaßen wie
auch die dreieckigen Buckelabschnitte 26, 28 verwendet
werden. Zum Beispiel zeigt 4 eine weitere
Ausführungsform der
gestapelten Metallbleche 112, 114, 116,
die vor dem Schweißen
gezeigt sind. Das innere Metallblech 112 ist mit Buckelabschnitten 126, 128 gebildet,
die im Wesentlichen abgerundet sind. Solche Buckelabschnitte 126, 128 können mithilfe
eines Werkzeugpaares ähnlich
dem von 3 mit anders geformten Hohlräumen und
Formationen gebildet werden, wie für den Fachmann ohne weiteres
verständlich. 5 zeigt
eine noch weitere Ausführungsform
der gestapelten Bleche 212, 214, 216 innerhalb
des Schutzumfanges der Erfindung. In dieser Ausführungsform erstreckt sich ein
erster Buckelabschnitt 226 zu einer inneren Fläche des
Metallblechs 214 hin, ein zweiter Buckelabschnitt 228 erstreckt
sich zu der inneren Fläche
des Metallblechs 216 hin und ein dritter Buckelabschnitt 230 erstreckt
sich zu der inneren Fläche
des Metallblechs 216 hin, wobei sich der erste Buckelabschnitt 226 zwischen
den Buckelabschnitten 228 und 230 befindet. Das
Hinzufügen
des Buckelabschnitts 230 kann ein Verdrehen des inneren Metallblechs 212 im
Bereich der Buckelabschnitte 226, 228, 230 um
die durch das innere Metallblech 212 gebildete Ebene im
Vergleich mit Ausführungsformen
mit nur zwei Buckelabschnitten vermindern. Jede der Ausführungsformen
der 4 und 5 kann in dem Buckelschweißsystem 10 von 1 anstelle
von gestapelten Blechen 12, 14, 16 verwendet werden,
um das Schweißen
mit tatsächlich
keinen auf den freiliegenden äußeren Flächen der äußeren Bleche 114, 116 bzw. 214, 216 sichtbaren
Schweißmarken
zu bewerkstelligen.
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Unter
Bezugnahme auf 9 ist ein Verfahren zum Schweißen von
Metallblechen 300 zur Erläuterung in Bezug auf das Buckelschweißsystem 10 von 1 und
die gestapelten Metallbleche 12, 14 und 16 beschrieben.
Es sollte jedoch einzusehen sein, dass das Verfahren 300 nicht
auf die Verwendung mit diesen speziellen Vorrichtungen und Komponenten
beschränkt
ist. Das Verfahren 300 umfasst den Schritt 302 zum
Bereitstellen eines ersten Metallblechs (inneres Metallblech 12)
mit Buckelabschnitten 26, 28, die sich von gegenüberliegenden
Flächen 29 bzw. 31 nach
außen
erstrecken. Der Schritt 302 kann optional den Schritt 304 zum
Beschichten der Metallbleche 12, 14, 16 mit
einer Beschichtung wie z. B. einem Zinküberzug umfassen. Der Schritt 302 kann
auch den Schritt 306 zum Bilden der Buckelabschnitte mit
einem Stempel und einer Matrize anschließend an den Schritt 304 umfassen.
Die Schritte 304 und 306 können alternativ durch eine
oder mehrere andere Einheiten als die Schritt 302 durchführende Einheit
ausgeführt
werden.
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Anschließend an
Schritt 302 umfasst das Verfahren 300 den Schritt 308 zum
Anordnen eines zweiten und eines dritten äußeren Metallblechs 14, 16 neben
den jeweiligen gegenüberliegenden
Flächen 29, 31 des
ersten (inneren) Metallblechs 12, um einen Satz von gestapelten
Blechen zu bilden. Als Nächstes
umfasst das Verfahren 300 den Schritt 309 zum
Anordnen der Schweißelektroden 22, 24 neben den
Metallblechen 12, 14, 16 in Ausrichtung
mit den Buckelabschnitten 26, 28. Die Schritte 308 und 309 erfolgen
in Vorbereitung auf Schritt 310 zum Schweißen der
Buckelabschnitte 26, 28 an jeweilige innere Flächen 20, 32 der äußeren Metallbleche 14, 16.
Der Schritt 310 wird derart bewerkstelligt, dass die äußeren Flächen 48, 50 der äußeren Bleche 14, 16 mit
einem weitgehenden Fehlen von Schweißmarken im Anschluss an die
Schweißnaht
(d. h. mit einer Oberflächenvertiefung
D (von 7) von nicht mehr als im Bereich von 0–0,1 mm)
hinterlassen werden. Es ist zu beachten, dass der Schritt 310 mit
Schweißelektroden 22, 24,
die im Wesentlichen flache Kontaktabschnitte 54, 56 aufweisen,
welche die Buckelabschnitte 26, 28 überspannen,
mit einer Schweißkraft von
ca. 200 Pfund, wobei ca. 4 Millisekunden lang Spannung an die Elektroden 22, 24 angelegt
wird, ausgeführt
werden kann. Da der Schritt 310 mit solch einer relativ
geringen Schweißkraft
und -dauer ausgeführt
werden kann, können
die Elektroden in Schritt 312 für einen weiteren Schweißvorgang
wiederverwendet werden wie z. B. zum Schweißen eines nachfolgenden Satzes
von gestapelten Metallblechen oder eines nachfolgenden Satzes von
Buckeln an denselben gestapelten Metallblechen, ohne dass irgendwelche
speziellen Abkühlverfahren
oder eine Abkühlperiode
vor der Wiederverwendung notwendig sind.
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Während die
besten Arten, die Erfindung auszuführen, im Detail beschrieben
wurden, wird der Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung
bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen
erkennen, um die Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beiliegenden Ansprüche praktisch
umzusetzen.
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zu 9
- 302
- Bereitstellen
eines ersten Metallblechs mit Buckelabschnitten, die sich von gegenüberliegenden
Flächen
davon nach außen
erstrecken
- 304
- Beschichten
der Metallbleche mit einer Zinküberzug
- 306
- Bilden
der Buckelabschnitte mit einem Stempel und einer Matrize
- 308
- Anordnen
eines zweiten und eines dritten äußeren Metallblechs
neben den jeweiligen gegenüberliegenden
Flächen
des ersten (inneren) Metallblechs, sodass sich das erste Metallblech
zwischen dem zweiten und dem dritten Metallblech befindet
- 309
- Anordnen
einer Schweißelektrode
neben den Metallblechen in Ausrichtung mit den Buckelabschnitten
- 310
- Schweißen der
Buckelabschnitte an die jeweiligen inneren Flächen der äußeren Metallbleche, um die
Bleche starr zu verbinden, wobei die äußeren Flächen der äußeren Metallbleche weitgehend
frei von Schweiß marken
sind
• wobei
obere und untere Schweißelektroden jeweils
einen im Wesentlichen flachen Aktabschnitt aufweisen, der die Buckelabschnitte überspannt
• wobei die
Elektroden die Metallbleche mit einer Kraft von ca. 200 Pfund kontaktieren
• wobei etwa
4 Millisekunden lang Spannung an die Elektroden angelegt wird
- 312
- Wiederverwenden
der Elektroden ohne irgendwelche speziellen Ab kühlverfahren oder eine Wartezeit
zum Abkühlen.