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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei Blechbauteilen zur Herstellung eines Außenhautbauteils für ein Kraftfahrzeug.
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Das Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ist bekannt. So zeigt beispielsweise die
DE 10 2007 005 441 A1 ein Fahrzeugtüre, deren Außen- und Innenblech mittels Laserstrahlschweißen verbunden sind. Das Außenblech weist einen zurückgebogenen Bördelflansch auf, an dem das Innenblech umlaufend mittels Lasernaht verschweißt wird.
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Mittels Lasernähten lassen sich hochfeste Bauteilverbindungen realisieren. Entsprechend geschweißte Türen sind z.B. steifer als baugleiche nur punktverschweißte Fahrzeugtüren. Auch ist das Laserstrahlschweißen ein Schweißverfahren mit geringem Wärmeeintrag. Dennoch kann es durch Schrumpfung der Naht zu unerwünschtem Schweißverzug kommen. Bei Fahrzeugtüren und -klappen kann dieser Schweißverzug bei optischer Betrachtung zu Aus- oder Einbuchtungen der Fahrzeugaußenhaut führen, da das Türaußenblech üblicherweise sehr viel flexibler gestaltet ist als das Türinnenblech oder eine Türversteifung. Der exakte Ort, an dem die Aus- bzw. Einbuchtungen auftreten, ist durch eine Vielzahl von Faktoren bedingt, wie z.B. den Fugenverlauf, den Verlauf von Charakterlinien, die Lage von Anbindungspunkten an die Fahrzeugkarosserie etc.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit anzugeben, wie Außenhautbauteile lasergeschweißt werden können, wobei optisch nachteilige Verformungen des Bauteils durch Schweißverzug minimiert werden sollen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren angegeben zum Verbinden von zwei Blechbauteilen zur Herstellung eines Außenhautbauteils für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine Fahrzeugtüre oder eine Fahrzeugklappe. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen eines Außenblechbauteils mit einer sichtbaren Außenfläche und einem gegenüber der Außenfläche abgewinkelten Flansch,
- - Aufsetzen eines Innenblechbauteils mit einem freien Ende auf den abgewinkelten Flansch und
- - Verschweißen des Außenblechbauteils (10) und des Innenblechbauteils (20) mittels eines Laserstrahls (L).
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Um Schweißverzug an dem Außenhautbauteil zu reduzieren, wird erfindungsgemäß ein zu erwartendes Verformungsgebiet in der Außenfläche ermittelt und während des Schweißens in dem zu erwartenden Verformungsgebiet ein Gegendruck oder Gegenzug auf das Außenhautbauteil erzeugt.
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Als Außenfläche wird hierbei ein Bereich des Außenhautbauteils bezeichnet, der im montierten Zustand eine Außenfläche des Fahrzeugs bildet und im Sichtbereich des Kunden bzw. Fahrzeugnutzers liegt. Der Bereich der Außenfläche, in dem nach dem Schweißen mit einem Verzug zu rechnen ist, wird als zu erwartendes Verformungsgebiet bezeichnet. Beispielsweise kann dieser Bereich durch Vorversuche ermittelt werden, wozu z.B. die Bauteile miteinander verschweißt und z.B. nachträglich vermessen werden. Der Bereich kann ebenso z.B. durch Simulation ermittelt werden. Es wird vorzugsweise die genaue Lage und Form des Verformungsgebiets auf der Außenfläche bestimmt.
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In dem zu erwartenden Verformungsgebiet wird nun ein definierter Gegendruck erzeugt. Dies kann z.B. bewerkstelligt werden, indem ein Stempel gegen die Außenhaut des Außenhautbauteils gefahren wird. Das Außenblechbauteil wird beispielsweise mit seiner Außenfläche auf eine Auflage aufgelegt und fixiert. Die Auflage bildet dabei eine Bezugsfläche für die Außenfläche und weist z.B. eine der Außenfläche angepasste Kontur auf, so dass diese flächig unterstützt wird. Die Auflage kann mit mindestens einem verfahrbaren Stempel versehen sein, der im Bereich des zu erwartenden Verformungsgebietes angeordnet ist. Während der Schweißung wird der Stempel in Richtung auf das Bauteil verfahren. Der Gegendruck kann auch durch Beilegen erzeugt werden, wozu das Bauteil in dem Verformungsgebiet zusätzlich unterfüttert wird. Soll ein Gegenzug aufgebracht werden, so kann dies z.B. durch Vakuumsauger erfolgen, die im Verformungsgebiet auf die Außenfläche aufgesetzt werden.
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Hierbei bewirkt der Gegendruck oder Gegenzug eine elastische Verformung des Bauteils und erzeugt eine Spannung im Bauteilmaterial, welche den Schweißspannungen entgegenwirkt. Anders als beim bekannten lokalen Strecken, welches unmittelbar im Bereich der Naht stattfindet, wird erfindungsgemäß eine definierte Spannung im Bereich der Außenfläche des Bauteils eingebracht und somit weit entfernt von der Lasernaht, welche auf dem Flanschabschnitt ausgebildet wird. Diesem Ansatz liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Schweißprozess am Flansch nicht zu einem Kanteneinzug im Flanschbereich führt, sondern dass vielmehr die Schweißspannungen vom Flansch auf die Außenfläche des Bauteils übertragen werden und dort durch Gegendruck oder Gegenzug kompensiert werden können.
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In einer Ausgestaltung wird der Gegendruck oder Gegenzug an einer Stelle aufgebracht, an der die zu erwartende Verformung maximal ist. Es hat sich als zielführend herausgestellt, wenn der Gegendruck oder Gegenzug dort aufgebracht wird, wo die zu erwartende Ausbuchtung des Blechmaterials maximal ist. An dieser Stelle kann z.B. der Stempel als ein flächiges Auflageelement ausgebildet sein, das gegen das Bauteil drückt oder an diesem zieht.
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Alternativ oder ergänzend kann in einer Ausgestaltung der Gegendruck oder Gegenzug auch in einem Randbereich, z.B. in den äußeren 20 Prozent des zu erwartenden Verformungsgebietes aufgebracht werden. Im Randbereich des Verformungsgebietes liegt im Regelfall die größte Änderung in der Oberflächenkontur vor. Ein Gegendruck oder Gegenzug in diesem Gebiet bewirkt eine geringere Steigung im Konturenverlauf, wodurch der Schweißverzug, auch wenn er nicht vollständig vermieden werden kann, dennoch optisch schlechter wahrnehmbar und damit weniger auffällig ist.
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Je nach Geometrie des Außenblechbauteils muss mit erheblichen Verformungen aufgrund der Schweißspannungen gerechnet werden, die sich ggf. nicht allein durch einen von außen aufgebrachten Gegendruck oder Gegenzug kompensieren lassen. Hierbei spielt eine Rolle, dass die Strecke, um die das Bauteil durch Gegendruck oder Gegenzug verformbar ist, durch die elastische Verformbarkeit des Bauteilmaterials begrenzt ist. In weiteren Ausgestaltung der Erfindung können daher ergänzend zu der beschriebenen ersten Maßnahme noch weitere Maßnahmen vorgesehen werden.
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So kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der Schritt des Bereitstellens des Außenblechbauteils die Schritte umfassen:
- Bestimmen einer geometrischen Sollform des Außenblechbauteils,
- Bestimmen der Form des Verformungsgebietes und invertieren der Form zu einer invertierten Form,
- Verändern der geometrischen Sollform des Außenblechbauteils durch ein Verschieben der Oberfläche des Außenblechbauteils im Bereich des Verformungsgebietes um die invertierte Form und
- Fertigen des Außenhautbauteils mit der veränderten Sollform.
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Mit anderen Worten gesagt wird das Außenblechbauteil nicht mit der Sollform gefertigt, welche das fertige Bauteil aufweisen soll. Vielmehr wird die Verformung, welche durch die Schweißung zu erwarten ist, bei der Herstellung des Außenblechbauteils berücksichtigt und die Kontur des Außenblechbauteils so verändert, dass erst durch die Verformung die eigentliche Sollform des Außenblechbauteils erreicht wird. Ist z.B. eine Beule als Verformung zu erwarten, so wird am Ort der zu erwartenden Verformung eine invertierte Form der Beule, also eine entsprechend geformte Delle, vorgesehen und umgekehrt. Die Kontur der Außenfläche wird um die invertierte Verformung verschoben und das Bauteil entsprechend dieser angepassten Sollform gefertigt. Während der Schweißung tritt dann der Schweißverzug am Bauteil auf, wodurch das Bauteil jedoch in Richtung der gewünschten Außenkontur verformt wird. Durch diese Maßnahme wird der Schweißverzug zwar nicht reduziert, jedoch wird erreicht, dass die Verformung durch Schweißverzug im fertigen Bauteil nicht oder kaum auffällt.
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Es hat sich gezeigt, dass diese beiden Maßnahmen in Kombination miteinander auch bei komplexen Türgeometrien zu einer vollständigen Vermeidung des Schweißverzugs führen können. Nur durch das Gegenhalten alleine lassen sich nicht alle Türgeometrien verzugsfrei schweißen. Der erforderliche Gegendruck oder Gegenzug wird bei bestimmten Designs so hoch, dass er in der Serienproduktion nicht mehr realisierbar ist. In Kombination mit einer Anpassung der Sollform des Bauteils kann jedoch der erforderliche Gegendruck bzw. Gegenzug reduziert werden, so dass ein Maß erreicht wird, das prozesssicher darstellbar ist.
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Das Außenblechbauteil und das Innenblechbauteil werden zueinander wie beschrieben positioniert und dann mittels Laserstrahl miteinander verschweißt. Der Schweißlaserstrahl wird über die Bauteile bewegt, schmilzt Material auf, das nachfolgend zur Naht erstarrt. Vorzugsweise wird die Naht als Kehlnaht ausgebildet, wozu der Laserstrahl entlang des freien Endes des Innenblechbauteils geführt wird.
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In dem Verfahren kann ergänzend eine weitere Maßnahme zur Reduzierung des Schweißverzugs vorgesehen sein. So kann in einer Ausgestaltung das Verschweißen derart erfolgen, dass vorlaufend zum Schweißlaserstrahl und lateral versetzt zu diesem eine Vorwärmung des Blechmaterials erfolgt, während nachfolgend zum Laserstrahl eine Wärmesenke oder eine konstante Abklingung der Temperatur geführt wird.
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Es wird also eine zusätzliche Wärmequelle vor dem Schweißlaserstrahl auf die Bauteile gerichtet, welche dieselbe Orientierung wie das Fügeequipment besitzt. Vorzugsweise wird der Abstand zwischen Wärmequelle und Schweißlaserstrahl konstant gehalten. Durch die zusätzliche Wärmequelle werden im Bauteil Zugspannungen induziert, wo schweißprozessbedingt sonst Druckspannungen vorherrschen würden. Derart kann der Beulverzug weiter reduziert werden. Der Effekt wird durch die zusätzliche Wärmesenke, welche nachlaufend zum Schweißlaserstrahl angeordnet ist, noch verstärkt. Es kommt zu einer beschleunigten Abkühlung, welche ebenfalls eine Materialstreckung und dadurch eine Reduzierung des Beulverzugs bewirkt.
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Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Vorwärmung des Blechmaterials durch einen vorlaufenden Laserstrahl realisiert wird. Dieser kann durch einen Strahlteiler aus der vorhandenen Laseroptik ausgekoppelt werden. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauform der Laservorrichtung, wodurch der Einsatz an komplexen Nahtgeometrien, wie sie z.B. an Fahrzeugtüren gegeben sind, erst möglich wird.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Wärmesenke durch eine auf die Bauteiloberfläche gerichtete lokale Kühlung realisiert.
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Bei dem Außenhautblechbauteil und Innenblechbauteil handelt es sich vorzugsweise um Blechbauteile aus Feinblech, wobei hierunter Bleche mit einer Dicke von weniger als 3 mm verstanden werden. Vorzugsweise handelt es sich um Dünnbleche mit einer Dicke von weniger als 2 mm. Das Verfahren wird vorzugsweise für Stahlblechbauteile oder Aluminiumbauteile verwendet, wobei hierunter auch Bauteile aus Aluminiumlegierungen zu verstehen sind. Grundsätzlich ist das Verfahren jedoch ebenso für andere Materialien und insbesondere Stahlbleche anwendbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine Schnittansicht eines Außenhautbauteils,
- 2 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung eines beispielhaften Verfahrens,
- 3 Schritte zur Bestimmung der geometrischen Form des Außenblechbauteils,
- 4 ein Außenblechbauteil mit geänderter Sollform,
- 5 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung von thermischen Maßnahmen beim Schweißverfahren.
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1 zeigt ein Außenblechbauteil 10 und ein Innenblechbauteil 20 einer Fahrzeugtüre, welche mittels Laserstrahl L verschweißt werden. Das Außenblechbauteil 10, welches z.B. ein Aluminiumblechbauteil ist, weist eine sichtbare Außenfläche 12 und einen gegenüber der Außenfläche 12 abgewinkelten Flansch 14 auf. Der Flansch ist mit einem Radius derart abgewinkelt, dass der Abstand zwischen Schenkel des Flansches 14 und dem restlichen Bauteil 10 einen Kapillarabstand überschreitet. Derart kann eine Korrosion sicher vermieden werden.
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Das Innenblechbauteil 20, welches vorzugsweise ebenfalls ein Aluminiumblechbauteil ist, wird mit einem freien Ende 22 auf den abgewinkelten Flansch 14 aufgesetzt und es wird eine Stirnkehlnaht 30 ausgebildet zwischen der Stirnseite des Innenblechbauteils 20 und dem abgewinkelten Flansch 14. Die Stirnkehlnaht 30 wird vorzugsweise als durchgehende Naht über die gesamte Bauteillänge ausgebildet.
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Wenn der Schweißprozess ohne weitere Maßnahmen durchgeführt wird, kommt es zu einem Schweißverzug im Bauteil, wodurch auf der Außenfläche 12 eine Beule 16 entsteht, in 1 strichliert dargestellt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun ein derartiger Schweißverzug reduziert bzw. vollständig vermieden.
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Hierzu wird zunächst ein zu erwartende Verformungsgebiet V in der Außenfläche 12 ermittelt, wobei sowohl die Lage als auch die Form F (Größe und dreidimensionale Ausformung) des Verformungsgebietes V bestimmt wird. Dies kann beispielsweise durch Vermessung eines herkömmlich geschweißten Bauteils und Vergleich mit dem ursprünglichen Bauteil erfolgen oder durch Simulation.
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Erfindungsgemäß wird während des Schweißens ein Gegendruck in dem zu erwartenden Verformungsgebiet V erzeugt. Beispielhaft ist dies in 2 gezeigt. Das Außenblechbauteil 10 wird hierzu zusammen mit dem Innenblechbauteil auf eine Auflage 40 aufgelegt und dort fixiert. Hierbei kommt die Außenfläche 12 des Außenhautbauteils 10 mit der Auflage 40 in Kontakt. Die Auflage 40 ist als Bezugsfläche ausgebildet, d.h. sie weist im Wesentlichen die Kontur der Außenfläche 12 auf. Im Bereich des ermittelten zu erwartenden Verformungsgebiets V sind zwei Stempel 42, 44 vorgesehen, die in Richtung auf das Außenblechbauteil verfahrbar sind. Ein Stempel 42 ist in dem Bereich angeordnet, in dem die größte Verformung erwartet wird. Der zweite Stempel 44 ist im Randbereich des Verformungsgebiets V angeordnet, wo die größte Steigung der Konturenänderung erwartet wird. Während des Schweißens werden nun die beiden Stempel 42, 44 um einen vorgegebenen Wert, z.B. im Bereich von einem bis mehrere Millimeter, in Richtung auf das Außenblechbauteil 10 verfahren. Hierdurch wird das Außenblechbauteil 10 elastisch verformt. Die erzeugten vorübergehenden Zugspannungen im Bauteil wirken einem Beulverzug durch die Schweißung entgegen.
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Ergänzend kann eine zweite Maßnahme durchgeführt werden, wobei die Sollform des Außenhautbauteils entsprechend der Form F des zu erwartenden Verformungsgebiet V verändert wird. 4 zeigt beispielhaft das Au-ßenblechbauteil 10 in Form einer Türaußenhaut in einer Seitenansicht mit dem zu erwartenden Verformungsgebiet V. Das zu erwartende Verformungsgebiete V bildet eine in Richtung der Außenfläche vorstehende Beule. Um die Ausbildung dieser Beule zu verhindern, wird nun das Außenblechbauteil 10 mit einer angepassten Sollform hergestellt.
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3 zeigt schematisch die Verfahrensschritte dieser zweiten ergänzenden Maßnahme.
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Zunächst wird die Sollform S definiert, welche das Außenblechbauteil 10 aufweisen soll. Dann wird das zu erwartende Verformungsgebiet V und die Form F des Verformungsgebietes V ermittelt, z.B. durch Versuche oder Simulation. Anschließend wird diese Form F des Verformungsgebietes V invertiert, d.h. aus einer konkaven Ausbuchtungen wird eine entsprechende konvexe Einbuchtung und umgekehrt (invertierte Form Finv). Die Sollform S wird dann angepasst, indem die Oberfläche der Sollform um die invertierte Form Finv des Verformungsgebietes V verschoben wird, wodurch die angepasste Sollform S' entsteht. Das Außenblechbauteil 10 wird dann mit der angepassten Sollform S' gefertigt. Das beispielhaft gezeigte Außenblechbauteil 10 wird also zunächst mit einer Delle im Verformungsgebiet V gefertigt. Beim nachfolgenden Schweißprozess bildet sich ein Beulverzug aus, welcher die Delle weitgehend kompensiert, so dass nach der Schweißung ein Bauteil mit nahezu der ursprünglich gewünschten Sollform S vorliegt.
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Als weitere ergänzende Maßnahme kann eine thermische Streckung im Schweißnahtbereich vorgesehen werden. Hierzu werden, wie in 5 gezeigt, zusätzlich zum Schweißlaserstrahl L eine oder zwei zusätzliche Wärmequellen (hier durch weitere Laserstrahlen L1 und L2 realisiert) vorlaufend und lateral versetzt mit dem Laserstrahl L in Schweißrichtung R mitbewegt. Gleichzeitig wird eine Wärmesenke W nachgeführt, die beispielsweise durch einen Druckluftstrahl realisiert sein kann. Die zusätzliche thermische Streckung verringert die Schrumpfung der Schweißnaht 30 und reduziert so ergänzend die auf die Außenfläche 12 wirkenden Schweißspannungen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Außenblechbauteil
- 12
- sichtbare Außenfläche
- 14
- Flansch
- 16
- Beule
- 20
- Innenblechbauteil
- 22
- freies Ende
- 30
- Schweißnaht
- F
- Form des Verformungsgebietes
- Finv
- invertierte Form
- L, L1, L2
- Laserstrahl
- S
- Sollform
- S'
- veränderte Sollform
- R
- Schweißrichtung
- V
- Verformungsgebiet
- W
- Wärmesenke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007005441 A1 [0002]
