DE102014209473A1 - Method for joining components - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen (10, 20), wobei zumindest ein Bauteil (10) ein Außenhautbauteil einer Fahrzeugkarosserie ist, mit den Schritten: – Positionieren einer Laserschweißvorrichtung (30) an einem Überlappbereich der zu verbindenden Bauteile (10, 20); – Aufbringen eines Anpressdrucks auf die Bauteile (10, 20) mittels der Laserschweißvorrichtung (30) und – Ausbilden zumindest einer Laserschweißnaht (S), während der Anpressdruck aufrechterhalten wird.The invention relates to a method for joining components (10, 20), wherein at least one component (10) is an outer skin component of a vehicle body, comprising the steps of: positioning a laser welding device (30) on an overlapping region of the components to be connected (10, 20 ); - Applying a contact pressure on the components (10, 20) by means of the laser welding device (30) and - forming at least one laser weld (S), while the contact pressure is maintained.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen, wobei zumindest ein Bauteil ein Außenhautbauteil einer Fahrzeugkarosserie ist.The invention relates to a method for joining components, wherein at least one component is an outer skin component of a vehicle body.

Im Außenhautbereich von Fahrzeugkarosserien bestehen besondere Anforderungen an die Qualität der Fügeverbindung der Bauteile. Neben den zu erfüllenden Festigkeitsanforderungen ist insbesondere bei Fügestellen, die im Sichtbereich des Kunden liegen, auch das optische Erscheinungsbild wichtig.In the outer skin area of vehicle bodies, there are special demands on the quality of the joint connection of the components. In addition to the strength requirements to be met, the visual appearance is particularly important for joints that are within the customer's field of vision.

Bislang werden diese Fügestellen häufig mittels Widerstandspunktschweißen ausgebildet. Hierbei werden die mit jeweils einem Fügeflansch versehenen Bauteile mittels einer Punktschweißzange gegeneinander gepresst. Die druckausübenden Elemente der Zange sind als Elektroden ausgebildet. Zum Verschweißen der Bauteile wird ein Strom durch die Elektroden geführt, der zu einer punktuellen Bauteilerwärmung im Flansch zwischen den Elektroden führt. Das erhitzte Material wird schmelzförmig und durch den Druck der Elektroden verschmelzen beide Werkstücke miteinander und sind nach dem Abkühlen untrennbar miteinander verbunden.So far, these joints are often formed by resistance spot welding. Here, the components provided with a respective joint flange are pressed against each other by means of a spot welding gun. The pressure-exerting elements of the forceps are designed as electrodes. To weld the components, a current is passed through the electrodes, which leads to a punctual component heating in the flange between the electrodes. The heated material becomes molten and, by the pressure of the electrodes, both workpieces fuse together and are inseparably connected after cooling.

Handelt es sich bei den Außenhautbauteilen um tiefgezogene Bleche, so sind diese herstellungsbedingt toleranzbehaftet und weisen eine gewisse Welligkeit auf. Bei punktverschweißten Bauteilen bleibt die Welligkeit im Nahtbereich bestehen und ist sichtbar. Weiterhin hat das Punktschweißen den Nachteil, dass die Schweißpunkte als Nahtüberhöhung sichtbar sind. Bei Fügestellen, die im Sichtbereich des Kunden liegen, ist eine Nachbearbeitung oder Abdeckung der Schweißpunkte notwendig.If the outer skin components are deep-drawn sheets, they are subject to tolerances due to their production and have a certain waviness. For spot-welded components, the waviness remains in the seam area and is visible. Furthermore, the spot welding has the disadvantage that the welds are visible as seam exaggeration. For joints that are in the customer's field of view, reworking or covering of the welding points is necessary.

Alternative Fügeverfahren wie z. B. das Laser- oder MIG-Löten weisen ebenfalls Nachteile auf wie hohe Investitionskosten für die Anlagen bzw. einen hohen Bauteilverzug.Alternative joining methods such. As the laser or MIG soldering also have disadvantages such as high investment costs for the equipment or a high component distortion.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Fügeverfahren anzugeben, das sich insbesondere für das Fügen von Bauteilen eignet, deren Fügestelle im Sichtbereich des Kunden liegt.The object of the invention is therefore to provide an improved joining method, which is particularly suitable for the joining of components whose joint lies in the field of vision of the customer.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 1.This object is achieved by the method according to claim 1.

Bei dem Verfahren zum Fügen von Bauteilen wird eine Schweißvorrichtung an einem Überlappbereich der zu verbindenden Bauteile positioniert. Dann wird mittels der Laserschweißvorrichtung ein Anpressdruck auf die Bauteile aufgebracht und es wird eine Laserschweißnaht ausgebildet, während der Anpressdruck aufrechterhalten wird.In the method for joining components, a welding device is positioned at an overlapping region of the components to be joined. Then, by means of the laser welding device, a contact pressure is applied to the components and a laser weld is formed while the contact pressure is maintained.

Das Verschweißen der Bauteile erfolgt bei einem definierten Anpressdruck, wodurch sich ein gleichmäßiger Bauteilabstand ergibt und eine deutlich verringerte Welligkeit der gefügten Bauteile. Darüber hinaus weist die Laserschweißnaht keine Nahtüberhöhung aus, so dass eine Nachbearbeitung der Naht nicht notwendig ist, wodurch Arbeitsschritte und Kosten eingespart werden können.The welding of the components takes place at a defined contact pressure, resulting in a uniform component spacing and a significantly reduced ripple of the joined components. In addition, the laser weld seam no seaming, so that a reworking of the seam is not necessary, which work steps and costs can be saved.

Bei den zu fügenden Bauteilen handelt es sich vorzugsweise um Karosseriebauteile und zumindest ein Bauteil ist ein Außenhautbauteil einer Fahrzeugkarosserie. Die Bauteile können z. B. Bleche sein, insbesondere Blechplatinen und tiefgezogene Bleche. Die Bauteile können z. B. aus verzinktem oder unverzinktem Stahl oder Aluminium bestehen. Andere, für das Laserschweißen geeignete Materialien sind ebenso denkbar.The components to be joined are preferably body components and at least one component is an outer skin component of a vehicle body. The components can z. As sheets, in particular sheet metal blanks and deep-drawn sheets. The components can z. B. made of galvanized or non-galvanized steel or aluminum. Other materials suitable for laser welding are also conceivable.

Die Bauteile werden mittels Spannvorrichtungen zumindest teilweise überlappend angeordnet. Vorzugsweise weisen die Bauteile im Überlappbereich jeweils einen Fügeflansch auf, und die Fügeflansche werden zueinander positioniert. Die Laserschweißvorrichtung wird an den Fügeflanschen bzw. dem Überlappbereich positioniert und es wird ein Anpressdruck auf die Bauteile aufgebracht. Der Anpressdruck ist ein vorgegebener Wert und kann z. B. im Bereich von 1 bis 5 kN, vorzugsweise bei 3 kN ± 0,5 kN liegen. Der Anpressdruck wirkt senkrecht zur Bauteiloberfläche und bewirkt einen definierten Kontakt bzw. definierten Fügespalt zwischen den zu fügenden Bauteilen.The components are arranged by means of clamping devices at least partially overlapping. Preferably, the components each have a joining flange in the overlap region, and the joining flanges are positioned relative to one another. The laser welding device is positioned on the joining flanges or the overlap region and a contact pressure is applied to the components. The contact pressure is a predetermined value and can, for. B. in the range of 1 to 5 kN, preferably 3 kN ± 0.5 kN. The contact pressure acts perpendicular to the component surface and causes a defined contact or defined joint gap between the components to be joined.

Zum Aufbringen des Anpressdrucks weist die Laserschweißvorrichtung eine Anpressvorrichtung auf. Diese kann in Art einer Schweißzange ausgebildet sein und z. B. ein verfahrbares Anpresselement und ein dem Anpresselement gegenüberliegendes Gegenlager aufweisen. Alternativ kann das Gegenlager ebenfalls als verfahrbares Anpresselement ausgeführt sein.For applying the contact pressure, the laser welding device has a contact pressure device. This can be designed in the form of a welding gun and z. B. have a movable contact pressure and a contact element opposite abutment. Alternatively, the abutment can also be designed as a movable contact pressure.

Das Ausbilden der Laserschweißnaht erfolgt mittels eines Laserstrahls, der von der Laserschweißvorrichtung auf die Bauteile fokussiert und gelenkt wird. Hierzu kann die Laserschweißvorrichtung eine Optik aufweisen und mit einer Laserquelle verbunden sein, z. B. über eine Lichtleitfaser. Eine Einhausung der kompletten Anlage ist aus Strahlenschutzsicht nicht erforderlich, da der Strahlenweg von der Laserschweißvorrichtung zum Werkstück problemlos eingehaust werden kann.The laser weld is formed by means of a laser beam, which is focused and directed by the laser welding device onto the components. For this purpose, the laser welding device may have an optic and be connected to a laser source, for. B. via an optical fiber. An enclosure of the complete system is not necessary from a radiation safety point of view, since the beam path from the laser welding device to the workpiece can be housed easily.

Eine für das beschriebene Verfahren geeignete Laserschweißvorrichtung mit integrierter Anpressvorrichtung ist beispielsweise der Laser-Seam-Stepper LSS1 von der Firma IPG Photonics.A suitable for the described method laser welding device with integrated contact pressure device, for example, the laser seam stepper LSS1 from IPG Photonics.

Aufgrund der verbesserten optischen Beschaffenheit der Fügestelle erlangt das Verfahren besondere Vorteile für Fügeverbindungen an Sekundärflächen, d. h. wenn die Laserschweißnaht im Sichtbereich des Kunden angeordnet ist. Dies ist z. B. der Fall an Bauteilstößen, die im verbauten Zustand nicht verkleidet werden und für den Kunden einsehbar bleiben, wie z. B. die Wasserablaufrinne an der Heckklappe eines Kraftfahrzeugs. Due to the improved optical quality of the joint, the method obtains particular advantages for joining joints on secondary surfaces, ie when the laser weld seam is arranged in the field of vision of the customer. This is z. As the case of component joints that are not disguised in the installed state and remain visible to the customer, such. B. the water drainage channel on the tailgate of a motor vehicle.

Eine besondere Gewichtsersparnis lässt sich dadurch erreichen, dass die Laserschweißnaht als Strichnaht ausgebildet wird. Die Strichnaht kann mit einem geringen Abstand zur Bauteil- bzw. Flanschkante ausgebildet werden, so dass die Flanschbreite reduziert werden kann gegenüber der Flanschbreite beim Widerstandspunktschweißen. Z. B. kann die Strichnaht mit einem Abstand von weniger als 4 mm, vorzugsweise im Bereich von 1 mm bis 3 mm, zur Flanschkante ausgebildet werden. Die Strichnaht ist als gerade Naht ausgebildet. Alternativ kann auch eine wellenförmige Schweißnaht ausgebildet werden. Die Flanschbreite kann z. B. auf weniger als 10 mm, z. B. auf 7 mm oder weniger reduziert werden.A special weight saving can be achieved in that the laser weld seam is formed as a line seam. The line seam can be formed with a small distance to the component or flange edge, so that the flange width can be reduced compared to the flange width in resistance spot welding. For example, the line seam may be formed at a distance of less than 4 mm, preferably in the range of 1 mm to 3 mm, to the flange edge. The line seam is designed as a straight seam. Alternatively, a wave-shaped weld can also be formed. The flange width can z. B. to less than 10 mm, z. B. reduced to 7 mm or less.

Zum Erreichen einer ausreichenden Festigkeit und zur weiteren Reduzierung der Welligkeit werden die Strichnähte mit geeigneter Länge ausgebildet, z. B. mit einer Länge im Bereich von 10 mm bis 40 mm. Bei Bedarf kann die Schweißnahtlänge reduziert oder vergrößert werden.To achieve sufficient strength and to further reduce waviness, the line seams are formed of suitable length, e.g. B. with a length in the range of 10 mm to 40 mm. If necessary, the weld length can be reduced or increased.

Nach dem Ausbilden der Schweißnaht wird der Anpressdruck des Anpresselements gelöst. Die Laserschweißvorrichtung kann zur Ausbildung weiterer Schweißnähte an eine andere Position verfahren werden, an der dann die voranstehend beschriebenen Schritte erneut durchgeführt werden. Vorzugsweise werden mehrere Schweißnähte voneinander beabstandet ausgebildet.After the formation of the weld, the contact pressure of the contact pressure element is released. The laser welding device can be moved to another position to form further welds, at which then the steps described above are performed again. Preferably, a plurality of welds are formed spaced from each other.

Eine besonders schnelle und genaue Bewegung bzw. Positionierung der Laserschweißvorrichtung kann mittels eines Mehrachs-Roboters erreicht werden, z. B. eines Mehrachs-Gelenkarm-Roboters. Hierzu kann die Laserschweißvorrichtung an dem Roboterarm angeordnet sein.A particularly fast and accurate movement or positioning of the laser welding device can be achieved by means of a multi-axis robot, z. B. a multi-axis articulated arm robot. For this purpose, the laser welding device can be arranged on the robot arm.

Zur Abdichtung der verschweißten Bauteile kann nach dem Ausbilden der Schweißnaht eine Beschichtung aufgebracht werden. Die Beschichtung kann z. B. eine PVC Beschichtung sein oder es kann ein Klebstoff aufgetragen werden. Die Beschichtung wird zumindest auf die Stoßkante der Bauteile aufgebracht, kann aber auch über der Schweißnaht bzw. den Schweißnähten aufgebracht werden.To seal the welded components, a coating can be applied after the formation of the weld. The coating may, for. As a PVC coating or it can be applied an adhesive. The coating is applied at least to the abutting edge of the components, but can also be applied over the weld or the welds.

In weiteren Schritten können die gefügten Bauteile weiterverarbeitet werden, wie z. B. einer KTL-Beschichtung zugeführt werden.In further steps, the joined components can be further processed, such. B. a KTL coating.

Das Verfahren bietet bei geringen Investitionskosten die Möglichkeit, bestehende Widerstandspunktapplikationen zu ersetzen, da es sich problemlos in bestehende Anlagen zum Widerstandspunktschweißen integrieren lässt.The process provides the ability to replace existing point of resistance applications with low investment cost, as it integrates easily with existing resistance spot welding equipment.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff ”kann” verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments. If the term "can" is used in this application, it is both the technical possibility and the actual technical implementation.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert. Darin zeigt:Embodiments will be explained with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 1 a schematic diagram for illustrating the method according to the invention.

Ein Fügeflansch 12 eines ersten Bauteils 10 und ein Fügeflansch 22 eines zweiten Bauteils 20 werden zueinander positioniert und mit nicht dargestellten Spannelementen fixiert. Eine Laserschweißvorrichtung 30 wird zu den Bauteilen 10, 20 so angeordnet, dass sie mit einer Anpressvorrichtung 32 das erste und zweite Bauteil 10, 20 umgreift. Die Anpressvorrichtung 32 weist hierzu ein erstes Anpresselement 34 in Form eines verfahrbaren Stempels auf sowie ein zweites Anpresselement 36, das dem ersten Anpresselement 34 gegenüber liegt. Die Anpressvorrichtung 32 wird so in Anlage mit dem ersten und zweiten Bauteil 10, 20 gebracht, dass die Anpresselemente 34, 36 bei Ausübung eines Anpressdrucks die Fügeflansche 12, 22 gegeneinander pressen. Der Anpressdruck wirkt hierbei hauptsächlich senkrecht zur Bauteiloberfläche.A joining flange 12 a first component 10 and a joint flange 22 a second component 20 are positioned to each other and fixed with clamping elements, not shown. A laser welding device 30 becomes the components 10 . 20 arranged so that they are with a pressure device 32 the first and second components 10 . 20 embraces. The pressing device 32 has for this purpose a first pressing element 34 in the form of a movable punch on and a second pressing element 36 that is the first pressing element 34 is opposite. The pressing device 32 is thus in contact with the first and second component 10 . 20 brought that the pressing elements 34 . 36 when applying a contact pressure, the joining flanges 12 . 22 press against each other. The contact pressure acts mainly perpendicular to the component surface.

Neben der Anpressvorrichtung 32 weist die Laserschweißvorrichtung 30 weiterhin eine Laseroptik 38 auf und ist über die Strahlführungseinrichtung 40 in Form einer oder mehrerer Glasfasern an eine nicht dargestellte Laserquelle gekoppelt. Die Laseroptik 38 beinhaltet nicht dargestellte Spiegel sowie Strahlformungsmittel zur Lenkung und Fokussierung des Laserstrahls L.In addition to the pressing device 32 has the laser welding device 30 furthermore a laser optics 38 on and is about the beam guiding device 40 coupled in the form of one or more glass fibers to a laser source, not shown. The laser optics 38 includes mirrors, not shown, and beam shaping means for steering and focusing the laser beam L.

Der Laserstrahl L wird auf die Bauteile 10, 20 gerichtet. Zur Erzeugung der Schweißnaht S wird der Laserstrahl L relativ zu den Bauteilen 10, 20 bewegt, während die Anpresselemente 34, 36 den Anpressdruck im Fügebereich aufrechterhalten. Der Laserstrahl L wird hierzu durch einen Spalt 35 im ersten Anpresselement 34 auf das Bauteil 10 gerichtet. Der Laserstrahls L wird mittels der Laseroptik 38 entlang des Spalts 35 abgelenkt und über das Bauteil geführt, z. B. über bewegliche Spiegel, oder die Laseroptik 38 kann relativ zu dem Anpresselement 34 verfahren werden.The laser beam L is applied to the components 10 . 20 directed. To generate the weld S, the laser beam L is relative to the components 10 . 20 moves while the pressing elements 34 . 36 maintained the contact pressure in the joining area. The laser beam L is for this purpose through a gap 35 in the first contact element 34 on the component 10 directed. The laser beam L is detected by means of the laser optics 38 along the gap 35 deflected and guided over the component, z. B. on movable mirrors, or the laser optics 38 can relative to the contact pressure element 34 be moved.

Die Schweißnaht S ist vorzugsweise eine I-Naht am Überlappstoss.The weld S is preferably an I-seam on the lap.

Nach dem Ausbilden der Schweißnaht S wird der Anpressdruck durch die Anpressvorrichtung 32 gelöst. Zur Ausbildung weiterer Schweißnähte an denselben Bauteilen 10, 20 kann die Laserschweißvorrichtung 30 umpositioniert werden, z. B. mittels eines nicht dargestellten Mehrachs-Roboters.After forming the weld S, the contact pressure by the pressing device 32 solved. For the formation of further welds on the same components 10 . 20 can the laser welding device 30 repositioned, z. B. by means of a multi-axis robot, not shown.

Nach dem Schweißprozess kann eine zusätzliche (nicht dargestellte) Beschichtung auf den Bauteilen 10, 20 aufgebracht werden, die zumindest die Stoßkante 14 des ersten Bauteils 10 und die Stoßkante 24 des zweiten Bauteils 20 bedeckt. Die Beschichtung kann ebenso auch die Schweißnaht S bedecken.After the welding process, an additional (not shown) coating on the components 10 . 20 be applied, at least the abutting edge 14 of the first component 10 and the butt edge 24 of the second component 20 covered. The coating can also cover the weld S as well.

Das Ausführungsbeispiel ist nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.The embodiment is not to scale and not limiting. Modifications in the context of expert action are possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
erstes Bauteilfirst component
1212
Fügeflanschjointed flange
1414
Stoßkanteimpact edge
2020
zweites Bauteilsecond component
2222
Fügeflanschjointed flange
2424
Stoßkanteimpact edge
3030
LaserschweißvorrichtungLaser welding device
3232
Anpressvorrichtungpressing device
3434
erstes Anpresselementfirst contact element
3535
Spaltgap
3636
zweites Anpresselementsecond contact element
3838
Laseroptiklaser optics
4040
StrahlführungseinrichtungBeam guiding device
LL
Laserstrahllaser beam
SS
SchweißnahtWeld

Claims (7)

Verfahren zum Fügen von Bauteilen (10, 20), wobei zumindest ein Bauteil ein Außenhautbauteil einer Fahrzeugkarosserie ist, mit den Schritten: – Positionieren einer Laserschweißvorrichtung (30) an einem Überlappbereich der zu verbindenden Bauteile (10, 20); – Aufbringen eines Anpressdrucks auf die Bauteile (10, 20) mittels der Laserschweißvorrichtung (30) und – Ausbilden zumindest einer Laserschweißnaht (S), während der Anpressdruck aufrechterhalten wird.Method for joining components ( 10 . 20 ), wherein at least one component is an outer skin component of a vehicle body, comprising the steps of: - positioning a laser welding device ( 30 ) at an overlap area of the components to be connected ( 10 . 20 ); - Applying a contact pressure on the components ( 10 . 20 ) by means of the laser welding device ( 30 ) and - forming at least one laser weld (S) while maintaining the contact pressure. Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem die Schweißnaht (S) an einer Sekundärfläche im Sichtbereich des Kunden angeordnet ist.Method according to claim 1, wherein the weld seam (S) is arranged on a secondary surface in the field of vision of the customer. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem die Schweißnaht (S) eine Strichnaht ist.Method according to claim 1 or 2, wherein the weld (S) is a line seam. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem mindestens eine weitere Schweißnaht ausgebildet wird.Method according to one of claims 1 to 3, wherein at least one further weld is formed. Verfahren nach Patentanspruch 4, bei dem die Schweißnähte voneinander beabstandet sind.The method of claim 4, wherein the welds are spaced apart. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei die Positionierung der Laserschweißvorrichtung (30) mittels eines Mehrachs-Roboters erfolgt.Method according to one of the claims 1 to 5, wherein the positioning of the laser welding device ( 30 ) by means of a multi-axis robot. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, bei dem nach dem Ausbilden der Schweißnaht (S) eine Beschichtung zumindest der Stoßkante (14, 24) der Bauteile (10, 20) erfolgt.Method according to one of the claims 1 to 6, wherein after the formation of the weld seam (S) a coating of at least the abutting edge (S) ( 14 . 24 ) of the components ( 10 . 20 ) he follows.
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