-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von zwei Aluminiumbauteilen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
-
Aus dem Serienbau ist es bekannt, dass bei einem Einsatz eines Laserstrahl zum Verschweißen von zwei Bauteilen zeit- und kostenintensive Vor- und/oder Nachbehandlungsmaßnahmen durchzuführen sind, um beispielsweise einen optischen Eindruck einer durch das Verschweißen entstehenden Schweißnaht zu verbessern.
-
Die
DE 198 15 317 A1 offenbart ein Verfahren zum Verschweißen von Blechen mit Hilfe eines Laserstrahls und eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffes, der während des Schweißens in die Schweißstelle geführt wird, wobei die Bleche über einen Stumpfstoß miteinander verbunden sind. Dabei werden als Bleche Aluminiumdünnbleche verwendet. Der Zusatzwerkstoff wird mit Hilfe eines Trägergases zugeführt, und der aus Trägergas und Pulver bestehende Zusatzwerkstoffstrom wird von einem Schutzgasmantel umhüllt. Auch dieses Verfahren weist weiteres Potential auf, insbesondere dem Verfahren nachgelagerte Kosten zu reduzieren.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verschweißen von zwei Aluminiumbauteilen bereitzustellen, welches geringere Kosten verursacht.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Verschweißen von zwei Aluminiumbauteilen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Bei einem solchen Verfahren zum Verschweißen von zwei Aluminiumbauteilen, insbesondere für einen Kraftwagen, werden die Aluminiumbauteile mittels eines Laserstrahls an wenigstens einer Schweißstelle miteinander verschweißt, wobei der Schweißstelle ein Zusatzwerkstoff zugeführt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zusatzwerkstoff als ein zumindest eines der Aluminiumbauteile an der Schweißstelle kontaktierender Zusatzdraht zugeführt wird. Vorteilhafterweise kontaktiert der Zusatzdraht beide Aluminiumbauteile an der Schweißstelle, welche beispielsweise einen überlappungsfreien Stoß bilden, über welchen sie miteinander verschweißt werden.
-
Das Verfahren stellt somit eine taktile Prozessführung mit dem Zusatzdraht, welcher vorteilhafterweise eine hohe Steifigkeit aufweist, dar, bei welcher die Aluminiumbauteile stoffschlüssig miteinander verbunden werden und welche eine zumindest nahezu nacharbeitfreie Oberflächenqualität der Schweißstelle ermöglicht. Eine bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildete Schweißnaht an der Schweißstelle muss somit nicht oder nur äußerst geringfügig nachbearbeitet werden. Die Aluminiumbauteile können somit auch an der Schweißstelle zumindest im Wesentlichen direkt nach dem Verschweißen lackiert werden. Nacharbeiten beispielsweise in Form von Bürsten, ein manuelles Schließen von freigelegten Oberflächenporen und/oder zusätzliche Waschvorgänge zum Entfernen von Flussmittel- und/oder Schweißrückständen etc. sind nicht vonnöten, was insbesondere dem erfindungsgemäßen Verfahren nachgelagerte Kosten vermeidet oder zumindest sehr gering hält. Das erfindungsgemäße Verfahren verursacht somit sehr geringe Kosten, auch da es selbst besonders zeit- und kostengünstig durchzuführen ist.
-
Ferner müssen nach einer Montage der Aluminiumbauteile an einem Aufbau des Kraftwagens keine Abdeckelemente wie Abdeckleisten und/oder Abdeckblenden vorgesehen werden, um die Schweißstelle der Aluminiumbauteile abzudecken. Die Schweißstelle weist bereits zumindest im Wesentlichen direkt nach dem Verschweißen einen für einen Betrachter sehr guten optischen Zustand auf. Ein weiterer kostenreduzierender Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass auch zeit- und kostenintensive Vorbehandlungsmaßnahmen der Aluminiumbauteile insbesondere im Bereich der Schweißstelle nicht und nur sehr geringfügig durchgeführt werden müssen.
-
Darüber hinaus ermöglicht es das Verfahren das Verschweißen von Aluminiumbauteilen, die insbesondere im Vergleich zu Stahlbauteilen ein besonders geringes Gewicht aufweisen. So können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Stahlbauteile durch Aluminiumbauteile substituiert werden, welche eine besonders feste Verbindung durch Verschweißen aufweisen.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Zusatzdraht zumindest im Wesentlichen biegefrei der Schweißstelle zugeführt. Dabei ist eine zumindest im Wesentlichen kraftfreie bezogen auf die Schweißstelle laterale Führung des Zusatzdrahts besonders vorteilhaft. Auch eine vertikale Andruckkraft, also eine Druckkraft des Zusatzdrahts in Richtung der Schweißstelle, ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhafterweise möglichst gering zu halten, um eine sehr gute Oberflächenqualität der Schweißstelle zu gewährleisten. Dabei ist eine seitliche Einstrahlung in Richtung einer normalen auf die Schweißstelle und damit auf die Oberflächen der Aluminiumbauteile günstigerweise einzuhalten. Zusammen mit einem aufgeweiteten Durchmesser des Laserstrahls und einer angepassten Leistung des den Laserstrahl erzeugenden Lasers zum Erzielen der stoffschlüssigen Verbindung der Aluminiumbauteile ergibt sich dadurch eine Prozessführung, die eine besonders günstige Oberflächenqualität der Schweißstelle zur Folge hat. Der Werkstoff und/oder die Steifigkeit des Zusatzdrahts ist in geeigneter Weise zu bestimmen, um eine besonders feste und langlebige stoffschlüssige Verbindung der Aluminiumbauteile zu gewährleisten.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Die Zeichnung zeigt in:
-
1 ausschnittsweise eine schematische Vorderansicht zweier Aluminiumbauteile, welche mittels eines Laserstrahls und eines Zusatzdrahts miteinander verschweißt werden;
-
2 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht der Aluminiumbauteile gemäß 1;
-
3 eine Prinzipdarstellung des Durchmessers des Laserstrahls gemäß den vorhergehenden Figuren im Verhältnis zu dem Durchmesser des Zusatzdrahts gemäß den vorhergehenden Figuren; und
-
4 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Aluminiumbauteile gemäß den 1 und 2 sowie einer durch das Verschweißen ausgebildeten und die Aluminiumbauteile miteinander verbindenden Schweißnaht.
-
Die 1 und 2 zeigen zwei Aluminiumbauteile 10 und 12, welche Fügepartner darstellen, die miteinander an einer jeweiligen Schweißstelle 14 miteinander verschweißt werden. Die Aluminiumbauteile 10 und 12 sind zueinander überlappungsfrei angeordnet und bilden einen überlappungsfreien Stoß, beispielsweise einen Stumpfstoß oder einen Bördelnahtstoß. Die Aluminiumbauteile 10 und 12 werden mittels eines Laserstrahls an der Schweißstelle 14 miteinander verschweißt. Um eine besonders feste und langlebige Verbindung zwischen den Aluminiumbauteilen 10 und 12 auszubilden, wird der Schweißstelle 14 ein Zusatzwerkstoff in Form eines Zusatzdrahts 16 zugeführt. Der Zusatzdraht 16 wird mittels des Laserstrahls aufgeschmolzen und füllt einen Fügespalt zwischen den Aluminiumbauteilen 10 und 12. Der Zusatzdraht 16 wird dabei mittels einer Zuführeinrichtung 18 zugeführt, von welcher eine Kontaktspitze 20 in den 1 und 2 dargestellt ist. Die Zuführeinrichtung 18 wird dabei beispielsweise mittels eines Roboters gehalten und gegebenenfalls bewegt.
-
Zum Ausbilden der Schweißstelle 14 mit einer bestimmten Erstreckung werden der Laserstrahl sowie die Zuführeinrichtung 18 und damit der Zusatzdraht 16 mittels des Roboters oder mittels eines jeweiligen Roboters entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn in wenigstens einer Schweißrichtung bewegt, wodurch eine Schweißnaht ausgebildet wird. Die Bewegungsbahn und damit die Schweißnaht können zumindest im Wesentlichen gradlinig verlaufen. In den 1 und 2 ist die Schweißrichtung mittels eines Richtungspfeils 22 angedeutet.
-
Der Zusatzdraht 16 ist dabei aus einer Legierung ausgebildet, deren Zusammensetzung in direktem Zusammenhang mit der Steifigkeit des als Zusatzwerkstoff ausgebildeten Zusatzdrahts 16 steht und damit die Prozessführung und die Prozessstabilität des Verschweißens beeinflusst. Auch eine Verformung des Zusatzdrahts 16 beim Verschweißen kann eine Verschiebung der Einstrahlrichtung des Laserstrahls, welcher von Oberflächen 24 und 26 der Aluminiumbauteile 10 und 12 auf diese einstrahlt, und/oder eine Änderung eines vorteilhaften und gewünschten Durchmessers des Laserstrahls bewirken.
-
Beim Verschweißen der Aluminiumbauteile 10 und 12 kontaktiert der Zusatzdraht 16 die Aluminiumbauteile 10 und 12. Darüber hinaus erfolgt die Zuführung des Zusatzdrahts 16 in lateraler Richtung gemäß einem Richtungspfeil 28 kraftfrei, so dass sich der Zusatzdraht 16 insbesondere in lateraler Richtung gemäß dem Richtungspfeil 28 nicht verbiegt oder anderweitig verformt. Dadurch ist eine einerseits taktile und andererseits zumindest im Wesentlichen kraftfreie Prozessführung über den als Zusatzwerkstoff ausgebildeten Zusatzdraht 16 dargestellt, welcher zusammen mit einer einseitigen und lokalen Energieeinbringung durch den Laserstrahl die Ausbildung einer zumindest nahezu nacharbeitsfreien Schweißstelle 14 und Schweißnaht mit einer sehr guten Oberflächenqualität ermöglicht. Wie der 1 ferner zu entnehmen ist, werden die Zuführeinrichtung 18 und damit eine Spitze 30 des Zusatzdrahtes 16 auf einer Kreisbahn 32 bewegt. Die aktuelle Position der Zuführeinrichtung 18 des Roboters wird über einen so genannten Werkzeugmittelpunkt (TCP, Tool Center Point) charakterisiert. Dies ist ein gedachter Referenzpunkt, der sich an einer geeigneten Stelle an der als Werkzeug des Roboters ausgebildeten Zuführeinrichtung 18 befindet. Durch diesen Werkzeugmittelpunkt kann die Lage der Zuführeinrichtung 18 und damit der Spitze 30 charakterisiert werden. Mit anderen Worten wird die Zuführeinrichtung 18 mittels des Roboters derart bewegt, dass sich die Spitze bzw. der TCP 30 auf der Kreisbahn 32 bewegt.
-
Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, wird eine vertikale Andruckkraft gemäß einem Richtungspfeil 34 des Zusatzdrahts 16 auf die Aluminiumbauteile 10 und 12 besonders gering eingestellt, so dass sich der Zusatzdraht 16 nicht verbiegt oder anderweitig verformt. Gleichzeitig ist die Andruckkraft so groß zu wählen, dass eine taktile Führung des Zusatzdrahts 16 gewährleistet ist und der Zusatzdraht 16 an den Aluminiumbauteilen 10 und 12 während des Verschweißens anliegt. Dies vermeidet eine Änderung des Durchmessers des Laserstrahls auf den Oberflächen 24 und 26 und/oder eine Änderung eines Winkels, welcher der auf die Oberflächen 24 und 26 einstrahlende Laserstrahl mit den Oberflächen 24 und/oder 26 einschließt. Dadurch kann eine Schweißnaht ausgebildet werden, welche sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Dichtheit, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und insbesondere hinsichtlich einer nacharbeitsfreien Oberflächenqualität erfüllt.
-
Wie der 2 ferner zu entnehmen ist, wird der Zusatzdraht 16 in Schweißrichtung gemäß dem Richtungspfeil 22 der Schweißstelle 14 bezogen auf die Oberflächen 24 und 26 nicht senkrecht zugeführt. Der Zusatzdraht 16 schließt vielmehr in Schweißrichtung gemäß dem Richtungspfeil 22 mit den Oberflächen 24 und 26 einen von 90° zumindest im Wesentlichen unterschiedlichen Winkel ein.
-
Durch das Verschweißen der Aluminiumbauteile 10 und 12 auf die geschilderte Art und Weise lassen sich beispielsweise Oberflächenrauheitswerte der Schweißnaht bzw. der Schweißstelle 14 erzielen, welche zumindest ähnlich vorteilhaft sind wie Oberflächenrauheitswerte, die mittels Laserlöten von Stahlbauteilen erzielt werden. Dadurch sind die Aluminiumbauteile 10 und 12 zumindest im Wesentlichen direkt nach dem Verschweißen mittels des Laserstrahls insbesondere auch an der Schweißstelle 14 lackierbar und weisen insbesondere auch an der Schweißstelle 14 einen sehr guten optischen Eindruck für einen Betrachter auf.
-
Die 3 zeigt ein Intensitätsprofil 36 des Laserstrahls, welches den Durchmesser des Laserstrahls charakterisiert, sowie im Verhältnis dazu den Zusatzdraht 16 und dessen Durchmesser D. Zur Erzielung einer sehr hohen Oberflächenqualität der Schweißstelle ist es zusätzlich zu der kraftfreien und taktilen Führung des Zusatzdrahts 16 von Vorteil, den Durchmesser des Laserstrahls und damit eine Intensitätsverteilung bzw. das Intensitätsprofil 36 auf den Oberflächen 24 und/oder 26 so zu wählen, dass neben einer gleichförmigen Abschmelzung des Zusatzdrahts 16 mittels des Laserstrahls eine ausreichende Erwärmung der Aluminiumbauteile 10 und 12 an der Schweißstelle 14 stattfindet. Vorteilhaft dabei ist ein weicher und stetiger Übergang zwischen der Schweißstelle 14 bzw. der Schweißnaht und dem jeweiligen Aluminiumbauteil 10 und 12.
-
Die 4 zeigt die Aluminiumbauteile 10 und 12 nach dem auf die zuvor geschilderte Art und Weise durchgeführten Verschweißen. Wie der 4 zu entnehmen ist, sind die Aluminiumbauteile 10 und 12 über eine Schweißnaht 38 verbunden, welche eine qualitativ sehr gute Oberfläche 40 aufweist, die keine Nacharbeiten erfordert. Die Aluminiumbauteile 10 und 12 sowie die Schweißnaht 38 können direkt nach dem Verschweißen ohne zwischengeschaltete Bearbeitungsschritte überlackiert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
