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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteilen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Ein derartiges Verfahren ist aus der
DE 10 2009 057 997 A1 bekannt. Zwei Metallbauteile werden in einem Schweißbereich mittels einer Schweißvorrichtung unter Ausbildung einer Schweißnaht miteinander verschweißt und anschließend wird unter teilweisem Aufschmelzen der Schweißnaht eine Oberfläche der Schweißnaht geglättet. Dabei ist eine Beule auf der Rückseite des nicht durchgeschweißten Bauteils ein Indiz dafür, dass die nötige Einschweißtiefe erreicht worden ist. Nachteilig bei diesem Verfahren ist eine relativ aufwendige und langsame Prüfung, wodurch das gesamte Schweißverfahren insgesamt relativ zeitaufwendig ist.
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Die
DE 101 20 251 B4 zeigt ein Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs. Dabei werden kleine Auswürfe/Spritzer und Löcher in der Schweißnaht optisch erfasst, um anhand dieser Elemente die Qualität der Schweißnaht zu überprüfen.
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Die
DE 102 59 177 A1 beschreibt ganz allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Schweißprozesses mittels eines Laserstrahls durch eine Messung der Temperatur der Fügeparameter, wobei auf Grundlage der gemessenen Temperatur die Schweißparameter angepasst werden.
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Die
DE 10 2006 015 383 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Laserverschweißung zweier Werkstücke. Dabei wird eine Online-Messung der Einschweißtiefe während des Schweißprozesses beschrieben.
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Die
DE 10 2011 102 010 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln der Qualität einer Schweißnaht anhand optischer Bilddaten, wofür zumindest ein Bereich der Oberfläche der Schweißnaht mittels einer Bilderfassungseinheit erfasst wird, wonach die entsprechenden Daten hinsichtlich eines vordefinierten Oberflächenparameters ausgewertet werden.
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Die
DE 102 21 210 A1 beschreibt ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Prozessüberwachung und/oder Prozesssteuerung beim Laserschweißen. Die Steuerung erfolgt dabei über einen Strahlungssensor, welcher die von der Prozesszone ausgehende Strahlung erfasst. Um eine einwandfreie Durchschweißkontrolle zu ermöglichen kann der Strahlungssensor dabei die von der Schweißnahtwurzel ausgehende Wurzelstrahlung aufnehmen.
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Die
DE 10 2004 016 669 B3 beschreibt ein Verfahren zur Prüfung einer Laserschweißnaht. Dabei werden charakteristische Signale aus dem Bereich der Schweißnaht mittels eines Sensors empfangen und mit geeigneten Sollwerten verglichen, um nicht zu tolerierende Qualitätseinbußen erkennen zu können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Bauteilen bereitzustellen, mittels welchem eine vereinfachte und schnellere Prüfung der Verbindung erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Bauteilen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum zum Verbinden von zwei oder mehr Bauteilen zeichnet sich dadurch aus, dass gemeinsam mit dem Durchführen des Fügeprozesses im oder nahe beim Fügebereich an einem oder beiden Bauteilen ein Prüfelement ausgebildet wird, welches für die Funktion der Verbindung nicht notwendig ist, anhand dessen die Qualität der Fügeverbindung überprüft werden kann. Unter Funktion der Verbindung sind hier die direkten Qualitätsmerkmale der Verbindung wie z.B. Dichtigkeit oder Festigkeit zu verstehen.
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Auf diese Weise kann auf einfache Weise gemeinsam mit dem eigentlichen Fügevorgang ein Element erzeugt werden, anhand dessen die Qualität der Verbindung beurteilt werden kann. Da dieses Element für die Funktion der Verbindung nicht notwendig ist, kann es im Hinblick auf verschiedene Faktoren wie gute Detektierbarkeit oder schnelle Herstellbarkeit optimiert werden. Durch das einfach zu erkennende Prüfelement kann eine hohe Prüfgeschwindigkeit bei einer höheren Prozessstabilität erzielt werden.
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Dabei ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass das Prüfelement nach der Durchführung des Verbindungsverfahrens wieder entfernt wird. Auf diese Weise ist es möglich, ein Prüfelement zu verwenden, dass nicht nur für die eigentliche Funktion der Verbindung nicht benötigt wird, sondern im Gegenteil bei der erzeugten Verbindung der Bauteile sogar nicht erwünscht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Erzeugen der Verbindung durch Verschweißen der Bauteile vorgenommen. Besonders vorteilhaft ist dabei ein Laserschweißverfahren. So können hohe Fügegeschwindigkeiten mit qualitativ hochwertigen Fügebereichen in Form von Schweißnähten erreicht werden.
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Als Schweißverfahren kann vorteilhafterweise ein Remote-Laserschweißverfahren verwendet werden. Dadurch können die beiden Metallbauteile besonders schnell und exakt miteinander verschweißt werden, wobei insbesondere bei einem Einsatz eines Laserscanners auch eine Mehrzahl von Schweißnähten ohne signifikante Übersetzzeiten geschweißt werden können.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Prüfelement direkt beim Fügeprozess erzeugt wird. Auf diese Weise kann die Gesamtzeit zur Durchführung des Verbindungsverfahrens minimiert werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Erzeugung des Prüfelements direkt durch den Fügeprozess erfolgt. Dies ist zum Beispiel beim Schweißen der Fall, wenn beispielsweise durch beide Bauteile durchgeschweißt wird und die beim Schweißen erzeugte sichtbare Nahtwurzel auf der Rückseite der Bleche als Prüfelement dient. Auf diese Weise kann ein schneller Fügeprozess durchgeführt werden, bei dem das Prüfelement automatisch ohne weiteres Zutun mit erzeugt wird.
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Vorteilhafterweise erfolgt das Entfernen des Prüfelements mit Hilfe der Fügevorrichtung. Dies kann beispielsweise beim Laserschweißen geschehen, indem nach dem Erzeugen der Schweißnaht und des Prüfelements mit Hilfe der Laserschweißvorrichtung das Prüfelement durch ein Glättverfahren mit derselben Schweißvorrichtung wieder entfernt wird. Zum einen kann dadurch eine zusätzliche Vorrichtung zum Entfernen des Prüfelements eingespart werden, zum anderen wird dadurch entsprechende Arbeitszeit eingespart, sodass das Verfahren zum Verbinden der Bauteile insgesamt kostengünstiger und schneller realisiert werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1a - 1d einzelne Verfahrensschritte zum Verschweißen von zwei Metallbauteilen, welche mittels einer Überlappschweißnaht aneinandergefügt, die ausgebildete Schweißnaht überprüft und die jeweiligen Oberflächen der Überlappschweißnaht geglättet werden.
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Das in den 1a bis 1d gezeigte Verfahren dient zum Verbinden zweier Bauteile 10,12 durch ein Fügeverfahren. Diese Bauteile 10,12 sind in diesem Ausführungsbeispiel Metallbauteile, und dabei speziell Blechbauteile, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen können. Solche Blechbauteile, insbesondere Aluminiumbleche, können mit dem Verfahren besonders zuverlässig und schnell hergestellt werden. Denkbar sind daneben andere Materialien, beispielsweise Blechbauteile aus Stahl-, Aluminium- oder Magnesiumlegierungen. Es können aber auch Bauteile aus anderen Materialien, insbesondere aus Kunststoff, miteinander verbunden werden.
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Als Fügeverfahren ist im folgenden Ausführungsbeispiel ein Verfahren zum Laserschweißen beschrieben. Alternativ kann das Verfahren aber auch bei anderen Fügeverfahren wie bei sämtlichen anderen Schweißverfahren, bei mechanischen Fügeverfahren oder beim Kleben verwendet werden.
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Zwei Metallbauteile 10, 12, welche mittels einer hier nicht dargestellten Schweißvorrichtung unter Ausbildung einer Schweißnaht 14 miteinander verschweißt worden sind, sind in 1a in einer schematischen Schnittansicht gezeigt. Bei den beiden Metallbauteilen 10, 12 handelt es sich vorliegend um zwei Aluminiumbleche, welche zu einem Blechbauteil 16 verschweißt worden sind.
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Die Schweißnaht 14 ist als Überlappschweißnaht ausgebildet, wobei beide Metallbauteile 10, 12 durchgeschweißt worden sind. Während des Verschweißens der beiden Metallbauteile 10, 12 ist in einem Fügebereich 18 ein Prüfelement 20 ausgebildet worden. Das Prüfelement 20 ist dabei an einer Unterseite 22 des Metallbauteils 12 in Form einer beulenförmigen Erhebung bzw. in Form der Nahtwurzel ausgebildet. Dieses Prüfelement 20 ist für die eigentliche Funktion der Fügeverbindung nicht notwendig, es wird also nicht im Hinblick auf beispielsweise Festigkeit, Haltbarkeit oder Dichtheit der Naht benötigt.
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Hier handelt es sich bei der Nahtwurzel um ein Beispiel für ein geometrisches Prüfelement. Neben diesen geometrischen Elementen sind auch optische Prüfelemente möglich.
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Das Prüfelement 20 kann sich, wie hier gezeigt, direkt im Fügebereich 18 befinden, es kann aber auch nur in der Nähe außerhalb des eigentlichen Fügebereichs 18 erzeugt werden.
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Die Erzeugung dieses Prüfelements 20 findet in diesem Ausführungsbeispiel immer statt, das heißt mit jeder Schweißnaht wird auch automatisch ein Prüfelement 20 erzeugt.
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In 1b ist in einer schematischen Schnittansicht gezeigt, wie eine Oberfläche 24 der Schweißnaht 14 unter teilweisem Aufschmelzen der Schweißnaht 14 geglättet wird. Zum Glätten der Oberfläche 24 der Schweißnaht 14 wird dabei eine als Laserschweißvorrichtung ausgebildete Schweißvorrichtung 26 verwendet. Vorliegend handelt es sich bei der Schweißvorrichtung 26 um eine so genannte Remote-Laserschweißvorrichtung, welche einen hier nicht näher bezeichneten Laserschweißkopf aufweist, welcher beispielsweise mittels eines Roboters geführt wird. Dabei wird ein so genannter Laserscanner eingesetzt, mittels welchem die Metallbauteile 10, 12, insbesondere wenn eine Mehrzahl von Schweißnähten 14 anzubringen sind, im Wesentlichen ohne Nebenzeiten besonders schnell miteinander verschweißt werden können.
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Die Schweißvorrichtung 26 wird dabei ebenfalls dazu verwendet, die beiden Metallbauteile 10, 12 unter Ausbildung der Schweißnaht 14 miteinander zu verschweißen. Die Parameter an der Schweißvorrichtung 26 werden dabei in Abhängigkeit davon, ob eine Glättung der Oberfläche 24 der Schweißnaht 14 vorgenommen oder ob die beiden Metallbauteile 10, 12 unter Ausbildung der Schweißnaht 14 miteinander verschweißt werden sollen, entsprechend eingestellt. Die Glättung der Schweißnaht 14 an der Oberfläche 24, die in Schritt 1 b gezeigt ist, ist dabei nur ein optionaler Verfahrensschritt, der je nach der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit auch weggelassen werden kann.
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In 1c ist in einer schematischen Schnittdarstellung ein Prüfschritt dargestellt, bei welchem die Schweißnaht 14 auf ihre korrekte Ausbildung hin überprüft wird. Mittels einer optischen Prüfeinrichtung 28 wird dabei das beulenförmig ausgebildete Prüfelement 20 erkannt und überprüft. Eine entsprechende Prüfeinrichtung 28 kann besonders einfach unterhalb des Fügebereichs 18 angeordnet werden, falls die Schweißvorrichtung 26 oberhalb der Metallbauteile 10,12 angeordnet wird. Beispielsweise kann mittels eines bildgebenden Verfahrens das aktuell aufgenommene Bild mit einem Referenzbild verglichen werden, sodass auf einfache Weise festgestellt werden kann, ob das Prüfelement 20 in der wünschenswerten Weise ausgebildet ist, welches wiederum ein Indiz dafür ist, dass die Schweißnaht 14 in gewünschter Weise ausgebildet worden ist.
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Alternativ zur optischen Prüfung des Prüfelements 20, welches in diesem Fall ein geometrisches Prüfelement 20 ist, kann das Prüfelement 20 aber auch auf andere Art und Weise geprüft werden. Beispielsweise kann es durch einen Topografiesensor geprüft werden. Liegt ein optisches Prüfelement vor, kann die Prüfung auch mithilfe eines bildgebenden Verfahrens durchgeführt werden.
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Hier wird das Prüfelement 20 nach dem eigentlichen Fügeprozess überprüft, es ist aber bei anderen Ausführungsformen des Verfahrens auch möglich, dieses gleichzeitig mit der Durchführung des Fügeprozesses zu überprüfen.
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Anschließend wird wie in 1d gezeigt, eine Oberfläche 30 der Schweißnaht 14 ebenfalls mittels der Schweißvorrichtung 26 geglättet, wobei das Prüfelement 20 durch das Glätten vollständig entfernt wird. Je nach Geometrie der verwendeten Metallbauteile 10, 12 kann zum Glätten der Oberfläche 30 der Schweißnaht 14 entweder das gesamte Blechbauteil 16 entsprechend verdreht oder die Schweißvorrichtung 26 entsprechend an der Unterseite 22 positioniert werden. Im Gegensatz zu der erläuterten Reihenfolge der Schritte zum Verschweißen, Prüfen und anschließenden Glätten der Schweißnaht 14 ist es alternativ ebenfalls möglich, dass nach dem Herstellen der Schweißnaht 14 zuerst die Überprüfung des Prüfelements 20 erfolgt und danach erst die Oberflächen 24, 30 der Schweißnaht 14 geglättet werden.
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Durch das Glätten der Oberfläche der Schweißnaht 14 an beiden voneinander abgewandten Seiten der Metallbauteile 10,12 wird auch beim Durchschweißen der beiden Metallbauteile 10,12 sichergestellt, dass die Oberflächengüte der Schweißnaht 14 sowohl an dem einen als auch an dem anderen Metallbauteil 10,12 entsprechenden Qualitätsanforderungen genügen kann.
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Wird ein anderes Fügeverfahren als das oben beschriebene Laserschweißen verwendet, so sind andere Ausgestaltungen des Prüfelements denkbar. Beispielsweise könnte beim mechanischen Fügen neben der eigentlichen Fügestelle mit dem Fügewerkzeug als Prüfelement ein Eindruck in die Bauteile erzeugt werden, anhand dessen die Festigkeit der Verbindungsstelle beurteilt werden kann.
