DE102014017921A1

DE102014017921A1 - Bauteilanordnung sowie Verfahren zur Herstellung der Bauteilanordnung

Info

Publication number: DE102014017921A1
Application number: DE102014017921.4A
Authority: DE
Inventors: Gundolf Kreis; Gerhard Gaull
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2034-12-05
Also published as: CN105667267A; US20160159208A1; DE102014017921B4; CN105667267B; US9849758B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bauteilanordnung mit einem ersten Blechprofilteil (17) und einem zweiten Blechprofilteil (19), die an einander überlappenden Bauteilflanschen (21, 23) über eine Laserschweißverbindung (29) miteinander verbunden sind, die sich in einer Schweißbearbeitungsrichtung (S) über eine Schweißnahtlänge (lG) erstreckt. Erfindungsgemäß ist die Laserschweißverbindung (29) aus zumindest zwei mit einem Abstand (a) parallel zueinander verlaufenden Schweißnähten (31, 33) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bauteilanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilanordnung nach dem Patentanspruch 12.
Im Fahrzeugkarosseriebau ist die Fahrzeugtür in gängiger Praxis mit einem Innenblechteil und einem Außenblechteil aufgebaut. Speziell der, ein Seitenfenster umgrenzende Rahmenabschnitt der Fahrzeugtür muss im Hinblick auf die Rahmensteifigkeit hohe Anforderungen erfüllen.
Aus der DE 103 17 552 B3 ist eine gattungsgemäße Fahrzeugtür bekannt, bei der das Innenblechteil und das Außenblechteil randseitig einander überlappende Bauteilflansche aufweisen und unter Bildung eines Überlappstoßes lasergeschweißt werden. Die Laserschweißnaht kann im Querschnittsprofil betrachtet beispielhaft eine Kehlschweißnaht oder eine l-Schweißnaht am Überlappstoß oder eine Laserlötnaht sein. Aus der DE 10 2004 026 427 A1 ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem zwei Profilblechteile miteinander unter Bildung eines Hohlprofils verschweißt werden. Die beiden schalenförmigen Profilblechteile weisen jeweils seitlich nach außen abragende Randflansche auf. Die jeweils einander zugewandten Randflansche der Profilblechteile bilden jeweils einen Überlappstoß, bei dem die Randflansche lasergeschweißt werden, und zwar unter Bildung als einer seitlich neben dem Hohlprofil angeordneten Steppschweißnaht.
Um speziell bei der Herstellung von Fahrzeugtüren die Anforderungen an die Rahmensteifigkeit zu erfüllen, ist es gängige Praxis, das Innen- und/oder Außenblechteil mit einer erhöhten Materialstärke auszuführen, was jedoch zu höheren Bauteilkosten sowie zu einem gesteigerten Bauteilgewicht führt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Bauteilanordnung bereitzustellen, bei der in prozesstechnisch einfacher Weise eine verbindungssteife Schweißverbindung erzeugt wird, die speziell auch die Anforderungen an die Rahmensteifigkeit einer Fahrzeugtür erfüllen kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 12 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ist auf eine Erhöhung der Blechdicke verzichtet und ist anstelle dessen die erfindungsgemäße Laserschweißverbindung zwischen den beiden Blechprofilteilen aus zumindest zwei, mit einem Abstand parallel zueinander verlaufenden Schweißnähten ausgeführt. Die beiden parallel zueinander verlaufenden Schweißnähte erstrecken sich in der Schweißbearbeitungsrichtung betrachtet über eine vorgegebene Schweißnahtlänge.
Die erfindungsgemäße Bauteilanordnung kann im Fahrzeugbau zur Herstellung unterschiedlicher Karosserie-Anbauteile genutzt werden, etwa Fahrzeugtüren, -klappen und/oder Kotflügel, die in gängiger Praxis aus Innen- und Außenblechteile aufgebaut sind, die getrennt voneinander profiliert und anschließend an Randflanschen zusammengefügt werden, und zwar unter Bildung eines Hohlprofils. Besonders bevorzugt kann die oben allgemein beanspruchte Bauteilanordnung eine Fahrzeugtür mit einem Fensterrahmen sein, wie sie im Bereich zwischen der A-Säule und der B-Säule eines Fahrzeugs verbaut ist. Der, das Seitenfenster umgrenzende Fensterrahmen ist dabei im Querschnitt betrachtet ein Hohlprofilteil, das durch schalenförmige Innen- und Außenblechteile aufgebaut ist, die jeweils zwei seitlich nach außen abragende Randflansche aufweisen. Die einander zugewandten Randflansche der Innen- und Außenblechteile werden unter Bildung eines Überlappstoßbereiches in Laserschweißverbindung gebracht, und zwar unter Zwischenordnung eines Hohlprofils. Mittels der erfindungsgemäß in zwei Laserschweißnahte aufgeteilte Schweißverbindung kann die Verbindungssteifigkeit beträchtlich erhöht werden, ohne dass zusätzliche Materialstärken-Erhöhungen erforderlich sind.
In einer technischen Umsetzung der Erfindung können sich die beiden parallel verlaufenden Laserschweißnähte über die Schweiß-Gesamtlänge hinweg durchgängig, das heißt ohne Unterbrechungen erstrecken. Dies führt jedoch während des Laserschweißprozesses zu einem sehr hohen Wärmeeintrag lokal begrenzt auf die beiden Bauteil-Randflansche im Überlappstoßbereich, woraus sich ein Bauteilverzug ergeben kann.
Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn zumindest eine, insbesondere beide Schweißnähte als Steppschweißnähte ausgeführt sind, die aus einzelnen Nahtsegmenten aufgebaut sind, die in der Schweißbearbeitungsrichtung über Zwischenräume voneinander beabstandet sind. Zur weiteren Reduzierung des Wärmeeintrags während des Schweißprozesses ist es bevorzugt, wenn die Nahtsegmente der ersten Steppschweißnaht und die Nahtsegmente der zweiten Steppschweißnaht, in der Schweißbearbeitungsrichtung betrachtet, in zueinander versetzter Abfolge (das heißt alternierend) angeordnet sind.
Die Nahtsegmente der ersten und zweiten Steppschweißnähten können sich dabei in einer ersten Ausführungsform einander quer zur Schweißbearbeitungsrichtung überlappen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Nahtsegmente der beiden Steppschweißnähte in der Schweißbearbeitungsrichtung alternierend oder wechselweise hintereinander angeordnet sind, und zwar so, dass ein Nahtsegment der ersten Schweißnaht von dem, in der Schweißbearbeitungsrichtung benachbarten Nahtsegmenten der zweiten Schweißnaht jeweils über einen Längenversatz beabstandet sind. Ein solches spezielles Schweißbild führt nicht nur zu einem stark reduzierten Wärmeeintrag während des Schweißprozesses und daher zu einer verzugsarmen Bauteilanordnung. Zusätzlich resultiert dieses Schweißbild in einer bandförmigen Versteifungsstruktur, die unter Erhöhung der Rahmensteifigkeit zumindest teilweise entlang des Fensterrahmens der Fahrzeugtür geführt ist.
Im oben definierten Schweißbild können die Nahtsegmente der ersten Steppschweißnaht und der zweiten Steppschweißnaht geometrisch identisch ausgeführt sein, das heißt, in der Schweißbearbeitungsrichtung betrachtet, in etwa die gleiche Segmentlänge aufweisen. Zudem können auch die Zwischenräume der Nahtsegmente, in der Schweißbearbeitungsrichtung betrachtet, von gleicher oder unterschiedlicher Länge sein.
Der Schweißprozess kann bevorzugt in zwei aufeinanderfolgende Prozessschritte aufgeteilt sein: Im ersten Prozessschritt kann die erste Schweißnaht erzeugt werden, wobei zeitlich darauffolgend im zweiten Prozessschritt die zweite Schweißnaht erzeugt wird. Mittels der aufeinanderfolgenden Prozessschritte kann der Wärmeeintrag – im Vergleich zu gleichzeitig erfolgenden Prozessschritten – reduziert werden. Zur weiteren Reduzierung des Wärmeeintrags kann im ersten Prozessschritt die erste Schweißnaht in einer ersten Schweißbearbeitungsrichtung erzeugt werden. Nach Abschluss des ersten Prozessschrittes kann die zweite Schweißnaht in einer gegenläufigen zweiten Schweißbearbeitungsrichtung erzeugt werden.
Wie bereits oben angedeutet, kann die Bauteilanordnung als ein beliebiges Anbauteil einer Fahrzeugkarosserie realisiert sein; beispielhaft kann das Anbauteil auch eine Front- oder Heckklappe sein bzw. ein Kotflügel.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 in einer Seitenansicht eine als Fahrzeug-Seitentür realisierte Bauteilanordnung;
2 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene I-I aus der 1;
3 in einer schematischen Ansicht die erfindungsgemäße Laserschweißverbindung; und
4a und 4b jeweils Ansichten, die den erfindungsgemäßen Laserschweißprozess veranschaulichen.
Die Figuren sind Hinblick auf ein einfaches Verständnis der Erfindung angefertigt. Von daher sind die Figuren lediglich grob vereinfachte Darstellungen, die keinen realitätsgetreuen Aufbau der Bauteilanordnung wiedergeben. So ist in der 1 eine Fahrzeugseitentür 1 mit weggelassenen Verkleidungsteilen sowie in einer angedeuteten Einbaulage im Kraftfahrzeug gezeigt. Demzufolge ist die Fahrzeugseitentür 1 zwischen einer A-Säule 3 und einer B-Säule 5 in einer Seitenstruktur einer nicht gezeigten Fahrzeugkarosserie verbaubar. Die Fahrzeugtür 1 weist oberhalb einer angedeuteten Türbrüstungslinie 7 ein Seitenfenster 9 auf, das durch einen Fensterrahmen 11 begrenzt ist, der ein oberseitig in Fahrzeuglängsrichtung x langgestrecktes Rahmenteil 13 aufweist, an dem sich ein vertikal in z-Richtung verlaufendes Rahmenteil 15 anschließt. Die Fahrzeugtür 1 ist durch ein Innenblechteil 17 und ein Außenblechteil 19 aufgebaut.
Wie aus der 2 hervorgeht, ist der Fensterrahmen 11 als ein Hohlträger ausgeführt, bei dem die beiden Blechteile 17 und 19 jeweils im Profil schalenförmig profiliert sind, und zwar mit jeweils seitlich nach außen abragenden Randflanschen 21, 23. In der 2 sind die seitlich nach außen abragenden Randflansche 21, 23 der beiden Blechteile 17, 19 jeweils an zwei Überlappstoßbereiche 25, 27 mittels einer Laserschweißung 29 aneinandergefügt. Den beiden Überlappstoßbereichen 25, 27 ist ein Hohlprofil 20 zwischengeordnet. Die beiden Laserschweißverbindungen verlaufen durchgängig, das heißt unterbrechungsfrei entlang der beiden Rahmenteile 13, 15 des Fensterrahmens 11.
Wie aus der 2 weiter hervorgeht, ist die außeneitig entlang des oberen Rahmenteils 13 verlaufende Laserschweißverbindung 29 aus zwei, mit einem Abstand a (2 oder 3) parallel zueinander verlaufenden Schweißnähten 31, 33 ausgebildet. Demgegenüber ist die entlang des innenseitigen Überlappstoßbereiches 27 verlaufende Laserschweißverbindung 29 durch lediglich eine Schweißnaht 35 ausgebildet. Die beiden Schweißnähte 31, 33 der außenseitigen Laserschweißverbindung 29 erstrecken über eine Gesamtlänge l_G über nahezu das gesamte obere Rahmenteil 13.
Nachfolgend ist die Schweißgeometrie der beiden Schweißnähte 31, 33 anhand der 3 beschrieben: So sind die beiden Schweißnähte 31, 33 jeweils als Steppschweißnähte ausgeführt, die aus einzelnen Nahtsegmenten 37, 39 aufgebaut sind. Die Nahtsegmente 37, 39 der beiden Schweißnähte 31, 33 sind in einer Schweißbearbeitungsrichtung S alternierend hintereinander angeordnet, das heißt in wechselnder Abfolge positioniert. Dadurch ergibt sich ein Schweißbild, bei dem ein Nahtsegment 37 der ersten Schweißnaht 31 von dem, in der Schweißbearbeitungsrichtung S betrachtet, benachbarten Nahtsegmenten 37 der zweiten Schweißnaht 33 über einen Längenversatz Δl voneinander beabstandet ist. Entsprechend sind die in Schweißbearbeitungsrichtung S alternierend in zwei Spuren angeordneten Nahtsegmente 37, 39 jeweils über Zwischenräume 41 voneinander beabstandet, deren Länge l_ZR jeweils größer als die Segmentlänge l_S der Nahtsegmente 37, 39 sind. Zudem sind sämtliche Nahtsegmente 37, 39 mit identischer Segmentlänge l_S ausgeführt. In gleicher Weise sind auch die Zwischenräume 41 bei beiden Schweißnähten 31, 33 identisch ausgeführt. Bevorzugt kann die Segmentlänge l_S bei ca. 30 mm liegen, wobei der Abstand a exemplarisch bei ca. 5 mm liegt und der Längsversatz Δl ebenfalls bei ca. 5 mm liegen kann. Die Längen, Abstände und Versätze sind jedoch in Abkehr vom gezeigten Ausführungsbeispiel frei an die jeweiligen geometrischen Gegebenheiten anpassbar.
In den 4a und 4b ist der Schweißprozess skizziert. Demzufolge wird mittels eines nicht gezeigten Schweißroboters zunächst die erste Laserschweißnaht 31 erzeugt, und zwar indem der Laserschweißroboter in einer ersten Schweißbearbeitungsrichtung S₁ entlang des äußeren Überlappstoßbereiches 27 des oberen Rahmenteils 13 gefahren wird. Nach Abschluss dieses ersten Prozessschrittes I wird der Laserschweißroboter in einer zur ersten Schweißbearbeitungsrichtung S₁ gegenläufigen Richtung S₂ rückgeführt, und zwar unter Bildung der zweiten Schweißnaht 33, wie es in der 4b angedeutet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10317552 B3 [0003]
DE 102004026427 A1 [0003]

Claims

Bauteilanordnung mit einem ersten Blechprofilteil (17) und einem zweiten Blechprofilteil (19), die an einander überlappenden Bauteilflanschen (21, 23) über eine Laserschweißverbindung (29) miteinander verbunden sind, die sich in einer Schweißbearbeitungsrichtung (S) über eine Schweißnahtlänge (l_G) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißverbindung (29) aus zumindest zwei mit einem Abstand (a) parallel zueinander verlaufenden Schweißnähten (31, 33) ausgebildet ist.
Bauteilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bauteilflansche (21, 23) zu einem Überlappbereich (25, 27) zusammengefügt sind, und/oder dass die beiden Bauteileflansche (21, 23) im Überlappstoßbereich (25, 27) quer zur Schweißbearbeitungsrichtung (S) durchgängig in Anlage sind, und/oder dass sich die beiden Schweißnähte (31, 33) der Laserschweißverbindung (29) im gemeinsamen Überlappstoßbereich (25, 27) in der Schweißbearbeitungsrichtung (S) erstrecken.
Bauteilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Schweißnähte (31, 33) eine Steppschweißnaht ist, die aus Nahtsegmenten (37, 39) aufgebaut ist, die in der Schweißbearbeitungsrichtung (S) über Zwischenräume (41) voneinander beabstandet sind.
Bauteilanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schweißnähte (31, 33) als Steppschweißnähte ausgeführt sind, und dass bevorzugt die Nahtsegmente (37) der ersten Steppschweißnaht (31) und die Nahtsegmente (39) der zweiten Steppschweißnaht (33), in der Schweißbearbeitungsrichtung (S) betrachtet, zueinander versetzt sind.
Bauteilanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahtsegmente (37, 39) der ersten und der zweiten Steppschweißnaht (31, 33) geometrisch identisch ausgeführt sind, und/oder dass die Nahtsegmente (37, 39), in der Schweißbearbeitungsrichtung (S) betrachtet, gleiche Segmentlängen (l_S) aufweisen.
Bauteilanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume (41) der Nahtsegmente (37, 39), in der Schweißbearbeitungsrichtung (S) betrachtet, von gleicher Länge (l_ZR) sind.
Bauteilanordnung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nahtsegment (37) der ersten Schweißnaht (31) von den, in der Schweißbearbeitungsrichtung (S) benachbarten Nahtsegmenten (39) der zweiten Schweißnaht (33) über einen Längenversatz (Δl) beabstandet sind.
Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahtsegmente (37, 39) der beiden Schweißnähte (31, 33) in der Schweißbearbeitungsrichtung (S) alternierend hintereinander angeordnet sind.
Bauteilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Prozessschritt (I) die erste Schweißnaht (31) erzeugt wird, und in einem zeitlich folgenden zweiten Prozessschritt (II) die zweite Schweißnaht (33) erzeugt wird.
Bauteilanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Prozessschritt die erste Schweißnaht (31) in einer ersten Schweißbearbeitungsrichtung (S₁) erzeugt wird, und dass die zweite Schweißnaht (33) nach Erzeugung der ersten Schweißnaht (31) in einer dazu gegenläufigen zweiten Schweißbearbeitungsrichtung (S₂) im zweiten Prozessschritt erzeugt wird.
Bauteilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilanordnung ein Anbauteil einer Fahrzeugkarosserie ist, insbesondere eine Fahrzeugtür (1) mit einem Fensterrahmen (11), und dass der Fensterrahmen (11) ein aus einem Innenblechteil (17) und einem Außenblechteil (19) gebildetes Hohlprofil (20) aufweist, und dass die Innen- und Außenblechteile (17, 19) im Profil jeweils schalenförmig mit zwei seitlich nach außen abragenden Randflanschen (21, 23) sind, und dass die jeweils einander zugewandten Randflansche (21, 23) der Innen- und Außenblechteile (17, 19) in Laserschweißverbindung (29) sind.
Verfahren zur Herstellung einer Bauteilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Laserschweißverbindung (29) durch zumindest zwei, in der Schweißbearbeitungsrichtung (S) parallel verlaufende Schweißnähte (31, 33) aufgebaut ist.