DE102017209599A1

DE102017209599A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes und Bauteilverbund

Info

Publication number: DE102017209599A1
Application number: DE102017209599.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Lachenmaier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2018-12-13
Also published as: CN110520240A; US20200038997A1; WO2018224212A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes und einen Bauteilverbund, bei dem ein erstes Bauteil (2) und ein zweites Bauteil (3) unter Ausbildung einer Stirnkehlnaht (4) miteinander verschweißt werden. Zur Verminderung der Korrosionsneigung wird ein zu glättender Verbindungsbereich (5), der die Stirnkehlnaht (4) und beidseitig daran angrenzende Bauteilabschnitte (6, 7) umfasst, zumindest oberflächlich derart aufgeschmolzen, dass die Oberfläche im geglätteten Bereich (5A) einen stetigen Verlauf aufweist und kantenfrei in angrenzende ungeglättete Bereiche übergeht sowie Verunreinigungen beseitigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes sowie einen Bauteilverbund.
Zur Herstellung eines Bauteilverbundes ist das Schweißen ein etabliertes Verfahren. Hierbei wird Material der zu fügenden Bauteile durch einen Energieeintrag aufgeschmolzen. Die Schmelze mischt sich und erkaltet zu einer Schweißnaht, welche die Bauteile stoffschlüssig verbindet. Das Schweißen kann mit und ohne Zusatzmaterial durchgeführt werden. Für Schweißverbindungen im Fahrzeugbau werden häufig Stirnkehlnähte eingesetzt. Unter einer Stirnkehlnaht wird eine Schweißverbindung zwischen zwei Bauteilen verstanden, wobei ein oberes Bauteil zumindest teilweise überlappend auf einem unteren Bauteil aufliegt und die Schweißnaht zwischen wenigstens einer Kantenfläche bzw. Flankenfläche des oberen Bauteils und der angrenzenden Auflagefläche des unteren Bauteils ausgebildet ist. Eine solche Schweißnaht kann auch als Flankenkehlnaht bezeichnet werden. Die Stirnkehlnaht kann als durchgängige Schweißnaht oder in der Art einer Steppnaht (d. h. mit Nahtunterbrechungen) ausgebildet sein.
Neben der Festigkeit der Schweißnaht ist es in der Fahrzeugindustrie von enormer Bedeutung, dass die Fügeverbindung eine geringe Korrosionsneigung aufweist.
Zwar ist es üblich, Schweißnähte nachträglich mit einer Antikorrosionsversiegelung, z.B. einer KTL-Beschichtung zu versehen. Je nach Beschaffenheit der Schweißverbindung ist hierzu jedoch eine nachträgliche Bearbeitung der Bauteile, wie z.B. ein zusätzliches Reinigen, notwendig.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie die Korrosionsneigung bei einem Bauteilverbund mit einfachen Mitteln und zuverlässig verringert werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und einen Bauteilverbund nach Patentanspruch 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein Verfahren angegeben, bei dem zumindest ein erstes und ein zweites Bauteil unter Ausbildung einer Stirnkehlnaht miteinander verschweißt werden. Erfindungsgemäß erfolgt nach dem Ausbilden der Stirnkehlnaht ein zumindest oberflächliches Aufschmelzen, Glätten und Reinigen (Entfernung von Verunreinigungen, z.B. Schmauch) eines Verbindungsbereichs der Bauteile. Der Verbindungsbereich umfasst die Stirnkehlnaht sowie seitlich an die Stirnkehlnaht angrenzende Bauteilabschnitte des ersten und zweiten Bauteils. Die Breite der Bauteilabschnitte, in denen eine Glättung/Reinigung erfolgt, kann variieren und wird vorzugsweise so gewählt, dass Kanten und Einbrandmarken aufgeschmolzen werden. Das Wideraufschmelzen und Glätten erfolgt derart, dass der Verbindungsbereich kanten- und absatzfrei ausgebildet ist. Insbesondere weist die Oberfläche des geglätteten Verbindungsbereichs einen stetigen Verlauf auf und geht stetig in die Oberfläche der ungeglätteten Bauteilabschnitte über, welche an den Verbindungsbereich angrenzen.
Zum Glätten werden die Stirnkehlnaht sowie die, in Nahtrichtung betrachtet, seitlich angrenzenden Bauteilabschnitte oberflächlich angeschmolzen. Die Naht selbst wird geglättet, von Verunreinigungen gereinigt und es wird ein stetiger und kantenfreier Übergang von den Bauteilen in die Schweißnaht erzeugt. Insbesondere wird das obere Blechbauteil im Kantenbereich durch das Glätten gerundet. Die Glättung erfolgt auch auf der Seite des unteren Blechbauteils. Hierbei wird neben einem fließenden Übergang zwischen Bauteil und Naht auch eine Reinigungswirkung erzielt und es werden z.B. Schmauchspuren von der vorangegangenen Schweißnahterzeugung abgetragen.
Es hat sich herausgestellt, dass eine derart geglättete Bauteilkontur eine deutlich verringerte Korrosionsneigung aufweist und insbesondere die Filiformkorrosion unterdrückt bzw. stark reduziert werden kann.
Eine besonders hohe Oberflächengüte des geglätteten Bereichs lässt sich erzielen, wenn das Aufschmelzen bzw. das Glätten in einer bevorzugten Ausgestaltung mittels eines Laserstrahls erfolgt, der oszillierend und - defokussiert über den zu glättenden Bereich geführt wird. Hierbei wird der Energieeintrag so gewählt, dass der gewünschte Grad der Aufschmelzung bzw. die Tiefe der Aufschmelzung erreicht wird. Die Fokuslage kann oberhalb oder unterhalb der Fügeebene eingestellt werden. Die Form der Oszillation ist nicht auf eine bestimmte Form beschränkt und kann z.B. sinusförmig oder kreisförmig sein oder beliebige andere Formen aufweisen. Für den Fachmann ist es erkenntlich, dass das Aufschmelzen und Glätten bei geeigneter Wahl der Schweißparameter und Oszillationsparameter gleichwohl auch mit fokussiertem Laserstrahl erfolgen kann.
Es kann vorteilhaft sein, wenn ein Verbindungsbereich geglättet wird, der eine Breite hat, die mindestens der doppelten Schweißnahtbreite entspricht. Beispielsweise können hierzu Bauteilabschnitte rechts und links der Stirnkehlnaht mit einer Breite von mindestens der halben Breite der Stirnkehlnaht geglättet werden.
Für das Verhindern der Filifomkorrosion hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die geglätteten Bauteil- und Nahtoberflächen einen Mittenrauwert R_A von 3 µm (Mikrometer) oder weniger aufweisen.
Aufgrund der hohen erzielbaren Bearbeitungsgeschwindigkeiten ist es besonders vorteilhaft, wenn das Glätten mittels einer scannerbasierten Remote-Laserstrahlvorrichtung erfolgt. Beim Remote-Laserstrahlschweißen wird ein hochenergetischer Laserstrahl mit großer Brennweite, z.B. mehr als 30 cm, auf die Bauteile gerichtet. Scannerbasierte Remote-Laserstrahlvorrichtungen verfügen zusätzlich über eine Scanneroptik zur Strahlablenkung, welche mittels verstellbarer Spiegel eine hochdynamische Positionierung des Laserstrahls ermöglichen. Werden solche scannerbasierten Remote-Lasersysteme „on the fly“ betrieben, d.h. die Scanneroptik ist zusätzlich durch einen Roboter positionierbar, so lassen sich Arbeitsgeschwindigkeiten von bis zu 9 m/min und darüber hinaus erzielen.
Das Verfahren ist besonders geeignet um Werkstoffe miteinander zu verbinden, welche üblicherweise eine Schweißnaht mit schlechter Oberflächenqualität ausbilden. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden mit dem Verfahren Aluminiumbauteile verbunden, wobei hierunter auch Bauteile aus Aluminiumlegierungen zu verstehen sind.
Weiterhin wird ein Bauteilverbund angegeben mit einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, die mittels einer Stirnkehlnaht miteinander verschweißt sind. In einem Verbindungsbereich, der sowohl die Stirnkehlnaht auch seitlich (in Längsrichtung der Stirnkehlnaht betrachtet) daran angrenzende Abschnitte des ersten und zweiten Bauteils umfasst, ist die Oberfläche des Bauteilverbunds durch Aufschmelzen geglättet, so dass die Oberfläche im Verbindungsbereich einen stetigen Verlauf aufweist und kantenfrei in die ungeglätteten Bereiche übergeht.
Der Bauteilverbund wird vorzugsweise mit dem voranstehend beschrieben Verfahren hergestellt und erzielt als solcher dieselben zum Verfahren beschriebenen technischen Wirkungen und Vorteile.
Bei den Bauteilen handelt es sich vorzugsweise um Blechbauteile, wobei es sich ebenso um ebene Blechabschnitte wie um räumlich geformte Bleche (Blechformteile) handeln kann. Als Bleche werden vorzugsweise Feinbleche mit einer Dicke von weniger als 3 mm verwendet. Als Materialien für die Bleche sind grundsätzlich alle schweißbaren Materialien oder-kombinationen vorstellbar, wie z.B. Stahlbleche (mit und ohne Korrosionsbeschichtung) oder Bleche aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen. Besondere Vorteile erzielt das Verfahren jedoch, wenn die Blechbauteile aus einer Aluminiumlegierung und insbesondere aus 5000er oder 6000er Aluminiumlegierungen ausgebildet sind, welche zu schuppigen Nahtoberflächen tendieren und daher im Regelfall problematisch zu verarbeiten sind.
Der mit dem Verfahren hergestellte Bauteilverbund weist eine deutlich verringerte Korrosionsneigung auf. Insofern eignet sich das Verfahren insbesondere zur Herstellung von Bauteilverbunden, die einer hohen Korrosionsfestigkeit bedürfen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird mit dem Verfahren ein Bauteilverbund hergestellt, der ein Karosseriebauteil oder Karosserieanbauteil ist, beispielsweise eine Fahrzeugtüre oder eine Fahrzeugklappe.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und 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.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Bauteilverbunds mit ausgebildeter Stirnkehlnaht, die bereits teilweise geglättet ist,
2 eine Schnittansicht der ungeglätteten Stirnkehlnaht aus 1,
3 eine Schnittansicht des Bauteilverbunds aus 1 mit bereits geglättetem Verbindungsbereich.

Anhand des in 1 gezeigten Bauteilverbundes 1 wird die vorliegende Erfindung erläutert.
Ein erstes Bauteil 2 ist mit einem zweiten Bauteil 3 durch eine Stirnkehlnaht 4 verschweißt. Bei den Bauteilen 2 und 3 kann es sich beispielsweise um ein Innenblech und ein Außenblech einer Fahrzeugtüre handeln.
Die Stirnkehlnaht 4 verläuft entlang der Stirnfläche des ersten Bauteils 2 und kann z.B. einen räumlich oder in der Ebene gekrümmten Verlauf aufweisen. Ober- und Unterblech 2, 3 können auch durch mehrere Stirnkehlnähte miteinander verbunden sein. Die Stirnkehlnähte können mit herkömmlichen Verfahren ausgebildet werden, mit und ohne Zusatzwerkstoff. Besonders bewährt hat sich das Ausbilden der Stirnkehlnaht durch ein taktiles Laserschweißen, wobei die Position des Laserstrahls durch ein taktiles Nahtführungssystem geführt wird, welches sich in der Art eines Fühlers entlang der Kehle tastet.
Nach dem Ausbilden der Stirnkehlnaht 4 wird nun ein Laserstrahl L einer Laser-Remote Vorrichtung auf den zu glättenden Verbindungsbereich 5 (angedeutet durch die gestrichelten Linien in 1) gerichtet und entlang von diesem geführt. Der Verbindungsbereich 5 umfasst die Schweißnaht 4, sowie einen an die Schweißnaht angrenzenden Bauteilabschnitt 6 des ersten Bauteils 2 und einen Bauteilabschnitt 7 des zweiten Bauteils 3.
Der Laserstrahl L wird über den Verbindungsbereich geführt, wobei er eine oberflächliche Aufschmelzung des Materials der Schweißnaht 4, sowie der angrenzenden Bauteilabschnitte 6, 7 bewirkt. Der Laserstrahl L wird als defokussierter Strahl eingesetzt, d.h. er hat eine Fokuslage, die deutlich oberhalb oder unterhalb der Schweißnahtebene liegt, wodurch die in die Bauteile eingekoppelte Energiedichte verringert ist. Der resultierende relativ große Laserfleck wird zusätzlich oszillierend über die Bauteile bewegt, dargestellt durch den Pfeil O in 1. Die der Vorschubbewegung V des Laserstrahls L überlagerte Oszillation O kann dabei jede beliebige Form aufweisen, z.B. eine kreisförmige oder sinusförmige Oszillation oder andere Formen. Durch die Verwendung einer scannerbasierten Laser-Remote-Anlage kann das Aufschmelzen sehr schnell erfolgen, z.B. mit Arbeitsgeschwindigkeiten von bis zu 9 m/min.
Die durch den Laserstrahl L bewirkte oberflächliche Aufschmelzung führt zu einer Glättung des Nahtbereichs und zu einer Angleichung der Topographie der Bauteile 2, 3 im Verbindungsbereich 5. Infolge dessen liegt der in Vorschubrichtung hinter dem Laserstrahl L gelegene Verbindungsbereich als geglätteter Bereich 5A vor. Insbesondere wird die Breite des Verbindungsbereichs 5 derart gewählt, dass eine Kante des Oberblechs vollständig aufgeschmolzen wird und ein gerundeter, Kanten- und absatzfreier Übergang zwischen der Schweißnaht 4 und dem ersten Bauteil bzw. Oberblech 2 ausgebildet wird. Der Verbindungsbereich 5 hat beispielsweise eine Breite, die mindestens der doppelten Schweißnahtbreite entspricht, so wird z.B. rechts und links der Schweißnaht ein Streifen mit mindestens der halben Breite der Schweißnaht 4 geglättet. Das schmelzflüssige Material fließt teilweise auch in Richtung auf das zweite Bauteil 3 bzw. Unterblech, wo es eine Glättung des Übergangs zwischen Stirnkehlnaht 4 und Unterblech 3 bewirkt. Zusätzlich wird durch die Laserstrahlglättung eine Reinigung der Oberfläche von Schmauchspuren und anderen Verunreinigungen erzielt.
Der so hergestellte Bauteilverbund 1 zeichnet sich durch eine Stirnkehlnaht 4 mit sehr glatter Oberfläche und stetigem, d.h. kanten- und absatzfreiem Oberflächenverlauf im Bereich des Verbindungsabschnitts 5 aus. Die Korrosionsneigung wird deutlich verringert, zudem verbessert sich auf der geglätteten Oberfläche die Haltbarkeit von Korrosionsschutzschichten, die in nachfolgenden Bearbeitungsschritten aufgebracht werden. 2 und 3 zeigen ergänzend eine Schnittansicht der Stirnkehlnaht vor dem Glätten (2) und nach dem Glätten (3). In 3 ist zudem noch die Oszillation des Laserstrahls L mit den maximalen Auslenkungen dargestellt.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
Bezugszeichenliste

1: Bauteilverbund
2,3: Bauteile
4: Stirnkehlnaht
5: Verbindungsbereich
5A: geglätteter Verbindungsbereich
6, 7: Bauteilabschnitt
O: Oszillationsbewegung
L: Laserstrahl
V: Vorschubrichtung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes mit verringerter Korrosionsneigung, bei dem ein erstes Bauteil (2) und ein zweites Bauteil (3) unter Ausbildung einer Stirnkehlnaht (4) miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu glättender Verbindungsbereich (5), der die Stirnkehlnaht (4) und beidseitig daran angrenzende Bauteilabschnitte (6, 7) umfasst, zumindest oberflächlich derart aufgeschmolzen wird, dass die Oberfläche im geglätteten Bereich (5A) einen stetigen Verlauf aufweist und kantenfrei in angrenzende ungeglättete Bereiche übergeht.
Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem das Glätten mittels eines Laserstrahls (L) erfolgt, der oszillierend und defokussiert über den zu glättenden Verbindungsbereich (5) geführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem der geglättete Verbindungsbereich (5A) eine Breite hat, die mindestens der doppelten Schweißnahtbreite entspricht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der geglättete Verbindungsbereich (5A) einen Mittenrauwert von 3 µm oder weniger aufweist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, bei dem das Glätten mittels einer scannerbasierten Remote-Laserstrahlvorrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, bei dem die Bauteile Aluminiumbauteile sind.
Bauteilverbund mit einem ersten Bauteil (2) und einem zweiten Bauteil (3), die mittels einer Stirnkehlnaht (4) miteinander verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauteilverbundes (1) in einem Verbindungsbereich (5A), der sowohl die Stirnkehlnaht (4) als auch seitlich daran angrenzende Abschnitte (6, 7) des ersten und zweiten Bauteils (2, 3) umfasst, durch Aufschmelzen derart geglättet ist, dass die Oberfläche im Verbindungsbereich (5A) einen stetigen Verlauf aufweist und kantenfrei in angrenzende ungeglättete Bereiche übergeht.
Bauteilverbund nach Patentanspruch 7, bei dem die Oberfläche im geglätteten Verbindungsbereich (5A) einen Mittenrauwert von weniger als 3 µm aufweist.
Bauteilverbund nach Patentanspruch 7 oder 8, bei dem die Bauteile (2, 3) Karosseriebauteile oder Karosserieanbauteile sind.
Bauteilverbund nach einem der Patentansprüche 7 bis 9, der eine Fahrzeugtür oder eine Fahrzeugklappe ist.