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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von metallischen Werkstücken und eine Vorrichtung zum Fügen.
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Verfahren sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Beispielsweise werden in der Fahrzeugindustrie zur Karosserieherstellung Verfahren, insbesondere Schweißverfahren, genutzt, die zum Ziel haben, eine qualitativ hochwertige und langlebige Verbindung zwischen Metallblechen herzustellen. Gleichzeitig liegt es im Interesse der Karosseriehersteller, Verfahren bereitzustellen, die möglichst wartungsarm sind und geringere Taktzeiten aufweisen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verfahren zu verbessern, insbesondere in Hinblick auf ihre Qualität, Wartungsintensität und Taktzeit.
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Die vorliegende Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Fügen von metallischen Werkstücken, insbesondere von Blechen, wobei in einem ersten Verfahrensschritt mittels Laserlicht einer ersten Intensität ein metallisches Werkstück zumindest bereichsweise gereinigt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt mittels Laserlicht einer gegenüber der ersten Intensität erhöhten zweiten Intensität eine Ausbuchtung auf dem metallischen Werkstück erzeugt wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt das metallische Werkstück im Bereich der Ausbuchtung mit einem weiteren Werkstück gefügt wird.
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Gegenüber dem Stand der Technik erlaubt die Ausbildung der Ausbuchtungen mittels Laserlicht nicht nur deren positionsgenaue Positionierung, sondern auch eine möglichst gleichmäßige und damit gleichförmige Ausbuchtung. Sofern im dritten Verfahrensschritt metallische Werkstücke miteinander unter Verwendung eines Mittels zum Fügen von metallischen Werkstücken verschweißt werden, ist es mit den durch Laserlicht erzeugten Ausbuchtungen nicht länger erforderlich, eine Stromdichte, die beispielsweise für eine Schweißlinsenbildung maßgeblich verantwortlich ist, über eine Elektrodenkappe des Mittels zum Fügen von metallischen Werkstücken einzuleiten. Infolgedessen lässt sich die andernfalls verschleißanfällige Elektrodenkappe derart gestalten, dass ihre Lebensdauer verlängert wird, beispielsweise indem sie mit flächigen Kontaktflächen ausgestaltet wird. Dies wirkt sich positiv auf die Wartungsintensität aus. Insbesondere handelt es sich bei den Intensitäten um die Intensitäten des Laserlichts an einer Werkstückoberfläche des Werkstücks, d. h. in einer Werkstückebene. Um die Ausbuchtung mittels des Laserlichts zu erzeugen, muss die zweite Intensität einen werkstoffabhängigen Schwellwert überschreiten, bei dem das metallische Werkstück aufschmilzt. Infolge auftretender Oberflächenspannungen, insbesondere gleichgerichteten Oberflächenspannungen in dem aufgeschmolzenen Bereich der Werkstückoberfläche, entsteht dann in vorteilhafter Weise eine möglichst vollständig rotationssymmetrische Ausbuchtung bzw. ein geometrischer Buckel, insbesondere ohne ein Hinzufügen von zusätzlichem Material.
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Vorzugsweise werden Metallbleche im Verfahren miteinander gefügt. Insbesondere handelt es sich um Aluminiumwerkstoffe, beispielsweise Aluminiumlegierungen, die einen Magnesiumanteil zwischen 0.2 und 6.2 % (Gruppe 5xxx) oder einen Silizium- und Magnesiumanteil von etwa 1.0 % (Gruppe 6xxx) aufweisen. Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Bereich, in dem das Werkstück im ersten Verfahrensschritt gereinigt wird, größer ist als ein Bereich, in dem die Ausbuchtung im zweiten Verfahrensschritt hergestellt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere durch Buckelschweißen und/oder mittels eines Verbindungsmittels, im Bereich der Ausbuchtung mit dem weiteren Werkstück hergestellt wird. Durch die mit Laserlicht realisierten Ausbuchtungen lässt sich zudem in vorteilhafter Weise das Verbindungsmittel, beispielsweise ein Klebstoff, im Bereich der Ausbuchtung homogen, d.h. mit einer konstanten Dickenverteilung, auftragen. Dabei ist es vorstellbar, dass das Verbindungsmittel die Ausbuchtung umgibt und den Bereich zwischen zwei metallischen Werkstücken füllt. Durch die im ersten Verfahrensschritt erfolgte Reinigung des Werkstücks wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass Verunreinigungen ein Haftvermögen des Verbindungsmittels vermindern, wodurch die Qualität der Verbindung weiter verbessert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass für den ersten Verfahrensschritt und den zweiten Verfahrensschritt Laserlicht aus einer einzigen Lichtquelle genutzt wird. Durch die Nutzung einer einzigen bzw. gemeinsamen Lichtquelle lassen sich Bauraum und Kosten einsparen, die andernfalls für eine zweite Lichtquelle erforderlich wären. Um den Wechsel zwischen der ersten und der zweiten Intensität zu bewirken, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass optische Bauelemente in einen Strahlengang des von der Lichtquelle emittierten Laserlichts eingesetzt werden. Beispielsweise lässt sich durch Linsen oder Hohlspiegel bzw. deren Position im Strahlengang relativ zum Werkstück das Laserlicht fokussieren bzw. defokussieren. Es ist auch vorstellbar, dass optische Bauelemente – wie z.B. Zylinderlinsen – dazu genutzt werden, ein Strahlprofil im Querschnitt zu modifizieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt die erste Intensität durch ein Defokussieren und/oder im zweiten Verfahrensschritt die zweite Intensität durch Fokussieren des Laserlichts realisiert wird. Vorstellbar ist auch, dass die Intensitätserhöhung zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt durch eine Leistungserhöhung des Laserlichts bewirkt wird. Mittels Fokussieren lassen sich allerding in vorteilhafter Weise größere Intensitätsunterschiede zwischen der ersten und der zweiten Intensität bewirken. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Werkstück im zweiten Verfahrensschritt in einen Fokus einer Linse oder eines Hohlspiegels positioniert wird. Es ist auch vorstellbar, dass das Werkstück zwischen dem ersten Verfahrensschritt und dem zweiten Verfahrensschritt so bewegt wird, dass die auf der Werkzeugoberfläche festzustellende Intensität von der ersten Intensität in die zweite Intensität überführt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausbuchtung im zweiten Verfahrensschritt abhängig von einer Einwirkdauer, einer Laserleistung oder durch einen Grad des Fokussierens des Laserlichts gestaltet wird. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise die Gestalt der Ausbuchtung durch vergleichsweise einfache Maßnahmen mitbestimmen, ohne dass das Werkstück im Bereich der Ausbuchtung kontaktiert werden muss.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt die Ausbuchtung im Werkstück im durch das Laserlicht gereinigten Bereich erfolgt. Vorzugsweise ist die gereinigte Fläche größer als der Bereich, in dem die Ausbuchtung erzeugt wird, wobei die Ausbuchtung beispielsweise im gereinigten Bereich zentralisiert ist, d. h. eine zentrale Position im gereinigten Bereich einnimmt.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Fügen, insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Vorrichtung zum Fügen eine Lichtquelle zum wahlweisen Bereitstellen von Laserlicht mit einer ersten Intensität oder einer zweiten Intensität aufweist, und ein Mittel zum Fügen von metallischen Werkstücken, insbesondere eine Schweißzange zum Buckelschweißen mit Kondensatorentladung, aufweist. Vorzugsweise umfasst die Lichtquelle optische Bauelemente, mit denen sich ein Wechsel zwischen der ersten und der zweiten Intensität wahlweise einstellen lässt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Die 1a bis 1c zeigen in einer Bildfolge schematische Verfahrensschritte eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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Die 2 zeigt einen weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens gemäß der beispielhaften Ausführungsform.
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In den 1a bis 1c sind in einer Bildfolge Verfahrensschritte eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Insbesondere handelt es sich bei dem Verfahren um ein solches, mit dem metallische Werkstücke 1, im besonderen Bleche oder Feinbleche, die beispielsweise eine Aluminiumlegierung umfassen, im Wege einer Karosserieherstellung von Fahrzeugen gefügt werden. Zur Qualitätsverbesserung einer durch das Fügen verursachten Verbindung ist es vorzugsweise – wie es in 1a illustriert ist – vorgesehen, das metallische Werkstück 1 in einem ersten Verfahrensschritt mittels Laserlicht 3 zu reinigen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass mittels des Laserlichts 3 das metallische Werkstück 1 zumindest bereichsweise von Staub, Ölen oder Oxiden befreit wird. Dazu ist es vorzugsweise vorgesehen, dass Laserlicht 3 mit einer ersten Intensität auf das in einer Werkstückebene angeordnete metallische Werkstück 1 gerichtet wird und beispielsweise über den zu reinigenden Bereich geführt wird. Insbesondere handelt es sich bei der ersten Intensität um die in der Werkstückebene gemessene erste Intensität. Dabei liegt die erste Intensität bevorzugt unterhalb eines vom Werkstück 1 abhängigen Schwellenwerts, bei dem eine Werkstückoberfläche aufschmilzt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Laserlicht 3 von einer Laserquelle emittiert wird. Insbesondere ist die Laserquelle derart konfiguriert, dass in der Werkstückebene neben dem Laserlicht 3 mit der ersten Intensität auch Laserlicht 3 mit einer zweiten Intensität bereitstellbar ist. Dabei ist in einem zweiten Verfahrensschritt das Laserlicht 3 mit der zweiten Intensität zur Bildung von einer Ausbuchtung 2 auf dem metallischen Werkstück 1, insbesondere im mit dem Laserlicht 3 mit der ersten Intensität gereinigten Bereich, vorgesehen. Hierzu übersteigt die zweite Intensität den Schwellenwert und ist insbesondere entsprechend groß gewählt, dass das metallische Werkstück an seiner Oberfläche aufschmilzt und sich infolge der Aufschmelzung verursacht durch Oberflächenspannungen die Ausbuchtung 2 ausbildet. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Laserlicht im ersten Verfahrensschritt gegenüber dem zweiten Verfahrensschritt fokussiert wird. Dazu werden im zweiten Verfahrensschritt vorzugsweise optische Bauelemente 10, wie z.B. Linsen, Hohlspiegel, Umlenkspiegel oder Vergleichbares, in einem Strahlengang des Laserlichts 3 angeordnet, wie es in der aus dem Stand der Technik bekannten 1b beispielshaft angedeutet wird. Auf diese Weise lässt sich der Querschnitt des Laserlichts 3 im zweiten Verfahrensschritt gegenüber dem Querschnitt des Laserlichts 3 im ersten Verfahrensschritt in der Werkstückebene verkleinern, wodurch eine gegenüber der ersten Intensität erhöhte zweite Intensität realisiert wird. Bei der Behandlung des Werkstücks 1 mit dem Laserlicht 3 mit der zweiten Intensität tritt dann die Ausbuchtung 2 bzw. der Buckel in vorteilhafter Weise aus dem Werkstück hervor, ohne dass zusätzliches Material benötigt wird. Weiterhin ist es vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt über eine Einstellung einer Lichtquellen- bzw. Laserleistung, einer Einwirkdauer und/oder eines Grads der Fokussierung die Form der Ausbuchtung 2, insbesondere in Hinblick auf eine Höhe, eine Gestalt und einen Durchmesser der Ausbuchtung 2, bestimmt wird. Dabei erweisen sich beispielsweise geometrische Buckel als Ausbuchtungen 2 besonders vorteilhaft für einen im Anschluss an den zweiten Verfahrensschritt durchgeführten Fügevorgang, insbesondere ein Widerstandspunktschweißen. Der Vorteil ergibt sich unter anderem dadurch, dass durch die Erzeugung der Ausbuchtungen 2 bzw. des geometrischen Buckels sowie deren Größe und Anzahl der Ausbuchtungen eine resultierende Punktgröße kontrolliert eingestellt werden kann, wodurch ein Einhalten von genormten Mindestpunktdurchmessern vereinfacht wird. Außerdem lässt sich eine für eine Bildung einer Schweißlinse maßgeblich entscheidende Stromdichte durch die Gestalt der Ausbuchtung 2 bzw. des Buckels 2 einstellen. Infolgedessen ist es nicht erforderlich, die Stromdichte über Elektrodenkappen 15 einzuleiten, so dass diese Elektrodenkappen 15 nicht länger bestimmten Anforderungen zum Einleiten der Stromdichte genügen müssen, sondern stattdessen frei, insbesondere in einer verschleißresistenten Klappengeometrie, gestaltet werden können. Durch einen Einsatz von verschleißresistenten Elektrodenkappen 15 lässt sich letztendlich eine Prozessstabilität in vorteilhafter Weise verbessern. Ein weiterer Vorteil in der Ausbildung der Ausbuchtung 2 lässt sich darin sehen, dass die Ausbuchtungen 2, die sich beispielsweise mit einem Querschnitt von etwa 100 µm herstellen lassen, möglichst positionstreu in das metallische Werkstück 1 eingebracht werden können.
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In 2 ist ein weiterer Verfahrensschritt des Verfahrens gemäß der beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Insbesondere handelt es sich um den im Anschluss an den zweiten Verfahrensschritt, d. h. der Bildung der Ausbuchtung 2, erfolgenden dritten Verfahrensschritt, in dem das metallische Werkstück 1 gefügt wird. Im in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Buckelschweißverfahren mit Kondensatorentladung. Gegenüber konventionellen Widerstandpunktschweißverfahren lassen sich unter anderem mit dem Buckelschweißverfahren in vorteilhafter Weise längere Elektrodenkappenstandzeiten erreichen. Hierbei wird vorzugsweise eine Mittel zum Fügen 13 von metallischen Werkstücken, beispielsweise eine Schweißzange, verwendet. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Mittel zum Fügen 13 von metallischen Werkstücken zwei gegenüberliegende Elektroden mit Elektrodenkappen 15 aufweist, wobei das im ersten und dem zweiten Verfahrensschritt behandelte Werkstück 1 zeitlich vor dem dritten Verfahrensschritt so positioniert wird, dass die Ausbuchtung 2 zwischen den Elektroden angeordnet ist. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Elektrodenkappen 15 flache Kontaktflächen aufweisen, wobei eine der flachen Kontaktflächen im dritten Verfahrensschritt an der der Ausbuchtung 2 gegenüberliegenden Seite am metallischen Werkstück 1 anliegt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die flache Kontaktfläche größer ist als eine größte Ausdehnung der Ausbuchtung 2 entlang einer zur Kontaktfläche parallel verlaufenden Ebene. Vorzugsweise wird zur Positionierung des Mittels zum Fügen 13 von metallischen Werkstücken relativ zur Ausbuchtung 2 eine Positionierungsvorrichtung, wie z.B. ein Roboterarm oder ein Roboter, verwendet. Insbesondere umfasst die Positionierungsvorrichtung eine Speichereinheit, in der die Position der im zweiten Verfahrensschritt hergestellten Ausbuchtung 2 hinterlegt bzw. gespeichert wird, so dass eine im zweiten Verfahrensschritt gespeicherte und der Ausbuchtung 2 zugeordnete Position von den Elektrodenkappen 15 im dritten Verfahrensschritt möglichst positionsgenau eingenommen werden kann. Die Wahrscheinlichkeit für eine unerwünschte Fehlpositionierung des Mittels zum Fügen 13 der metallischen Werkstücke 1 lässt sich zudem weiter reduzieren, indem der dritte Verfahrensschritt unmittelbar an den zweiten Verfahrensschritt anschließt. Die Ausbuchtungen 2 erlauben es zudem, dass sich ein Verbindungsmittel, beispielsweise ein Klebstoff, homogen zwischen den metallischen Werkstücken 1 im Fügebereich verteilen lässt. Insbesondere ist eine Dicke des Verbindungsmittels im Fügebereich konstant. Während das Verbindungsmittel ohne die Ausbildung von Ausbuchtungen 2 – wie es im Stand der Technik üblich ist – das Fügen der metallischen Werkstücke 1 erschwert, erlaubt die vorliegende Ausbildung von Ausbuchtungen 2 trotz der Anwesenheit des Verbindungsmittels eine qualitativ hochwertige Linsenausbildung im Schweißprozess, was sich letztendlich positiv auf die Verbindungsqualität auswirkt.
