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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von zumindest zwei Bauteilen. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden von zumindest zwei Bauteilen, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.
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Im automobilen Karosseriebau werden verzinkte Stahlbleche eingesetzt. Diese werden unter anderem mittels Laserstrahlschweißen gefügt. Um Nahtfehler der Schweißnaht, welche beispielsweise durch Auswürfe und/oder Spritzer hervorgerufen werden können, zu vermeiden, ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, eine Zinkdampf-Entgasung während des Fügens der Stahlbleche sicherzustellen, um eine fehlerfreie Naht zu erhalten.
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Für die Zinkdampf-Entgasung wird vor dem Fügeprozess, insbesondere dem Schweißprozess, ein Fügespalt zwischen den Bauteilen eingebracht, welcher die Entgasung zwischen den Bauteilen gewährleistet. Die zusätzlichen Prozessschritte zur Sicherstellung einer Zinkdampf-Entgasung über einen Fügespalt wirken sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit und/oder auf die Schweißnahtqualität aus. Ein Offenhalten der Dampfkapillare ist technisch sehr anspruchsvoll und wirkt sich negativ auf die Prozessverfügbarkeit aus.
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Anstelle einen Spalt zwischen den Bauteilen für die Zinkdampf-Entgasung vorzusehen, ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik ferner bekannt, die Bauteile mittels eines Laserstrahls mehrfach zu bearbeiten. So beschreibt beispielsweise die
DE 103 09 157 A1 ein Verfahren zum Laserschweißen beschichteter Platten, die möglichst spaltfrei aufeinander positioniert werden. Bei dem Verfahren wird während eines ersten Verfahrensschrittes zunächst die dem Laserstrahl zugewandte Platte mittels des Laserstrahls derart erwärmt, dass die Beschichtung beider Platten auf ihren einander zugewandten Seiten verdampft aber keine der Platten schmilzt. Danach werden während eines zweiten Verfahrensschrittes die zwei Platten über dem entschichteten Bereich verschweißt. Dabei werden beide Verfahrensschritte mittels desselben Laserstrahls mit im wesentlichen gleicher Leistung und Fokussierung aber unterschiedlicher Vorschubgeschwindigkeit durchgeführt.
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In der
US 5 183 992 A ist ein Verfahren zum Laserschweißen von Stahlblechen, die eine dünne Korrosionsschutzschicht aus Zink aufweisen, beschrieben. Die Stahlbleche sind vertikal angeordnet. Ein Laserstrahl, der senkrecht zu den Blechen positioniert ist, wird auf die Bleche aufgebracht, um das Material der Bleche zu schmelzen und eine Schweißnaht zu erzeugen. Beim Schweißen werden die Bleche und der Laserstrahl vertikal gegeneinander bewegt, so dass der Laserstrahl, der das Material erwärmt, einen Hohlraum erzeugt. Flüssiges oder geschmolzenes Material fließt vertikal nach unten durch die Schwerkraft, um den Hohlraum zu verlängern und dadurch das Austreten von Zinkdämpfen aus dem Hohlraum zu erleichtern.
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In der
US 5 603 853 A ist ein Verfahren zum Schweißen von mindestens zwei Blechen mit einem Laserstrahl beschrieben. Bei dem Verfahren wird eine geschweißte Überlappungsverbindung hergestellt, die im Wesentlichen vollständig über die Breite der Überlappung der Bleche verschmolzen ist. Hierzu werden die Bleche überlappt und geschweißt, indem der Laserstrahl auf die überlappten Bleche mit ausreichender Leistungsdichte und für eine ausreichende Zeitspanne gerichtet wird, um die Bleche so zu schweißen, dass sie im Überlappungsbereich im Wesentlichen von vorne nach hinten vollständig verschmolzen sind.
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In der
DE 102 35 857 A1 ist ein Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen beschrieben. Bei dem Verfahren werden die Bauteile im Bereich der Verbindung so überlappend angeordnet, dass der Rand des jeweils oben liegenden Bauteils über den Rand des darunter liegenden Bauteils übersteht. Der Rand des jeweils oben liegenden Bauteils wird zum Ausbilden eines Spalts beim Schweißen angehoben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden von zumindest zwei Bauteilen derart zu verbessern, dass die Beschichtung der Bauteile in einem Fügebereich auf besonders einfache und zuverlässige Art und Weise entfernt oder verdrängt und insbesondere ein Masseverlust der Bauteile reduziert oder verhindert wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von zumindest zwei Bauteilen sowie durch eine zugehörige Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei dem Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von zumindest zwei Bauteilen mittels eines Hochenergiestrahls einer Bestrahlungseinrichtung werden die zumindest zwei Bauteile aneinander angeordnet. Die beiden Bauteile sind jeweils zumindest als Blech, insbesondere als Stahlblech, besonders bevorzugt als verzinktes Stahlblech, ausgebildet. Insbesondere werden die zumindest zwei Bauteile in eine Hochrichtung der Bauteile übereinander angeordnet. Insbesondere berühren sich zwei einander zugeordnete Flächen oder Oberflächen der zumindest zwei Bauteile. Dabei liegt insbesondere ein erstes Bauteil der zwei Bauteile auf einem zweiten Bauteil der zwei Bauteile auf. Mit anderen Worten werden die zumindest zwei Bauteile übereinander geschichtet. Zwischen den aneinander angeordneten Bauteilen ist bevorzugt kein Spalt ausgebildet. Insbesondere ist zwischen den Bauteilen ein Nullspalt ausgebildet.
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Ferner weisen die zumindest zwei Bauteile jeweils eine Beschichtung auf. Mit anderen Worten sind die zumindest zwei Bauteile, insbesondere doppelseitig, beschichtet. Beispielsweise können die zumindest zwei Bauteile mit Zink beschichtet sein, also eine Zinkbeschichtung aufweisen.
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In einem weiteren Verfahrensschritt werden die zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile an einer Fixiereinrichtung befestigt. Mit anderen Worten ist die Fixiereinrichtung dazu eingerichtet, die zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile zu halten oder zu lagern. Beispielsweise kann die Fixiereinrichtung als eine Spannvorrichtung ausgebildet sein. Dabei können die zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile in die Spannvorrichtung gelegt und gespannt werden. Ferner sind die zumindest zwei Bauteile derart an oder mit der Fixiereinrichtung befestigt, dass eine Bearbeitungsfläche, welche einen Fügebereich, an dem die zumindest zwei Bauteile stoffschlüssig miteinander zu verbinden sind, umfasst, frei liegt und die Bearbeitungsfläche der zumindest zwei Bauteile in einem vorbestimmten Winkel geneigt zu einer Transversalebene der zumindest zwei Bauteile angeordnet ist. Mit „Bearbeitungsfläche“ ist insbesondere eine Oberfläche der beiden Bauteile, insbesondere des ersten und des zweiten Bauteils, gemeint, an welcher der Hochenergiestrahl auf die Bauteile trifft. Mit „Fügebereich“ ist insbesondere der Bereich oder Abschnitt der zumindest zwei Bauteile gemeint, an dem die zumindest zwei Bauteile miteinander verbunden oder gefügt werden. Mit „Transversalebene“ ist insbesondere eine horizontale Ebene gemeint. Mit anderen Worten ist die Bearbeitungsfläche und/oder sind die Bauteile mit einer Steigung, insbesondere zur horizontalen Ebene, angeordnet. Insbesondere sind die Bauteile in einem vorbestimmten Winkel zu einer Gravitationsrichtung, welche sich insbesondere senkrecht zur Transversalebene erstreckt, ausgerichtet. Insbesondere können die zumindest zwei Bauteile in einem vorbestimmten Winkel zu einer Orthogonalen der Fixiereinrichtung derart ausgerichtet sein, dass die Bauteile mit einer Steigung zu der horizontalen Ebene angeordnet sind. Mit anderen Worten können die zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile zu der Fixiereinrichtung angestellt sein.
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In einem weiteren Verfahrensschritt werden die zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile mittels des Hochenergiestrahls der Bestrahlungseinrichtung derart erwärmt, dass die Beschichtung der zumindest zwei Bauteile in oder an dem Fügebereich verdampft. Mit anderen Worten wird durch die Erwärmung mittels des Hochenergiestrahls die Beschichtung an dem Fügebereich verdrängt oder entfernt. Mit anderen Worten wird in dem Fügebereich insbesondere eine Oberfläche der Bauteile freigelegt. Insbesondere verdampft die Beschichtung des ersten Bauteils an dem Fügebereich an einer Oberfläche des ersten Bauteils, welche der Bestrahlungseinrichtung zugewandt ist und an einer Oberfläche des ersten Bauteils, welche der Bestrahlungseinrichtung abgewandt ist, welche insbesondere gegenüber der der Bestrahlungseinrichtung zugewandten Oberfläche des ersten Bauteils angeordnet ist. Insbesondere verdampft auch die Beschichtung des zweiten Bauteils an dem Fügebereich an einer Oberfläche des zweiten Bauteils, welche der Bestrahlungseinrichtung zugewandt ist und an einer Oberfläche des zweiten Bauteils, welche der Bestrahlungseinrichtung abgewandt ist, welche insbesondere gegenüber der der Bestrahlungseinrichtung zugewandten Oberfläche des zweiten Bauteils angeordnet ist. Insbesondere wird durch das Erwärmen die verdampfte Beschichtung in einen Randbereich zwischen den zumindest zwei Bauteilen verdrängt, sodass der Fügebereich frei von der Beschichtung ist. Beim Erwärmen des Bauteils wird der Hochenergiestrahl auf das der Bestrahlungseinrichtung zugewandte Bauteil der zumindest zwei Bauteile, insbesondere auf den Fügebereich, gerichtet. Zum Verdampfen der Beschichtung weist der Hochenergiestrahl insbesondere eine Temperatur zwischen 300 °C und 1000 °C, besonders bevorzugt von 906 °C, auf. Beim Erwärmen erfolgt insbesondere eine Vorbereitungsphase der zumindest zwei Bauteile auf das stoffschlüssige Verbinden.
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Anschließend werden die zumindest zwei Bauteile mittels des Hochenergiestrahls in dem Fügebereich stoffschlüssig verbunden. Bevorzugt werden die zumindest zwei Bauteile in dem Fügebereich geschweißt. Hierzu werden insbesondere die zumindest zwei Bauteile im Fügebereich aufgeschmolzen oder geschmolzen. Insbesondere werden die zumindest zwei Bauteile über eine Naht miteinander verbunden. Mit anderen Worten kann durch das stoffschlüssige Verbinden eine Schweißnaht gebildet werden. Zum Schmelzen der zumindest zwei Bauteile weist der Hochenergiestrahl bevorzugt eine Temperatur zwischen 1000 °C und 1600 °C, besonders bevorzugt von 1536 °C, auf. Stoffschlüssige Verbindungen werden insbesondere alle Verbindungen genannt, bei denen die Verbindungspartner - in diesem Fall das erste Bauteil und das zweite Bauteil - durch atomare und/oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Stoffschlüssige Verbindungen sind insbesondere nicht lösbare oder unlösbare Verbindungen, die sich bevorzugt nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen.
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Erfindungsgemäß wird zum stoffschlüssigen Verbinden der Hochenergiestrahl in einem vorbestimmten Winkel zu einer Orthogonalen des Fügebe-reichs verschwenkt. Dabei wird der Hochenergiestrahl in einem vorbestimmten Winkel zwischen 5° und 50° zu der Orthogonalen verschwenkt. Ferner ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bearbeitungsfläche in dem vorbestimmten Winkel zwischen 5° und 50° geneigt zu der Transversalebene der zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile angeordnet wird.
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Durch die Orientierung im Raum der zumindest zwei Bauteile, also die Anstellung der zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile, zu einer horizontalen Ebene, wird die Beschichtung besonders zuverlässig aus dem Fügebereich entfernt oder daraus verdrängt. Ferner kann durch die Bearbeitung der geneigten Bauteile ein Masseverlust bedeutend reduziert werden, im Vergleich dazu, als wenn die zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile horizontal angeordnet wären, sich also in einer horizontalen Ebene erstrecken. Des Weiteren kann durch dieses Verfahren die Ausbildung eines Spalts zwischen den zumindest zwei Bauteilen und entsprechend auch bei der Fertigungszeit eingespart werden, wodurch die Fertigungskosten reduziert werden können.
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Der Hochenergiestrahl kann während des stoffschlüssigen Verbindens senkrecht auf den Fügebereich auftreffen. Ist der Hochenergiestrahl senkrecht auf den Fügebereich gerichtet, so fällt insbesondere eine Abstrahlrichtung des Hochenergiestrahls mit der Orthogonalen des Fügebereichs zusammen. Erfindungsgemäß wird der Hochenergiestrahl beziehungsweise die Abstrahlrichtung des Hochenergiestrahls zum stoffschlüssigen Verbinden geändert. Hierzu kann eine Ausrichtung der Bestrahlungseinrichtung zu den zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteilen verändert werden. Bevorzugt wird der Hochenergiestrahl in einem vorbestimmten Winkel zwischen 10° und 50°, besonders bevorzugt von 15°, zu der Orthogonalen des Fügebereichs oder der Bearbeitungsfläche verschwenkt. Bevorzugt wird die Bestrahlungseinrichtung so ausgelenkt, dass zwischen dem Hochenergiestrahl, insbesondere einer Abstrahlrichtung des Hochenergiestrahls, und der Orthogonalen oder einer Senkrechten zu dem Fügebereich oder der Fügefläche oder der Bearbeitungsfläche sich ein Winkel von 15° ausbildet.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein besonders geringer Masseverlust der zumindest zwei Bauteile vorliegt, wenn die Bearbeitungsfläche in einem vorbestimmten Winkel geneigt zu der Transversalebene der zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile ausgerichtet ist. Entsprechend wird die Bearbeitungsfläche in dem vorbestimmten Winkel zwischen 10 und 30° geneigt zu der Transversalebene der Bauteile angeordnet.
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In vorteilhafter Weise wird beim Erwärmen und/oder beim stoffschlüssigen Verbinden der Hochenergiestrahl in eine Haupterstreckungsrichtung des Fügebereichs verfahren. Mit anderen Worten fährt der Hochenergiestrahl beim Erwärmen und/oder beim stoffschlüssigen Verbinden in eine vorbestimmte Richtung innerhalb des Fügebereichs über die zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile. Besonders bevorzugt wird der Hochenergiestrahl mit einer vorbestimmten Vorschubgeschwindigkeit verfahren oder bewegt. Beispielsweise wird der Hochenergiestrahl beim Erwärmen mit einer Geschwindigkeit zwischen 60 mm/s und 120 mm/s, bevorzugt zwischen 80 mm/s und 100 mm/s, besonders bevorzugt von 90 mm/s, verfahren. Beim stoffschlüssigen Verbinden wird der Hochenergiestrahl beispielsweise mit einer Geschwindigkeit zwischen 80 mm/s und 180 mm/s, bevorzugt zwischen 100 mm/s und 170 mm/s, besonders bevorzugt von 160 mm/s, verfahren. Dabei ist die Vorschubgeschwindigkeit beim stoffschlüssigen Verbinden schneller als beim Erwärmen.
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In vorteilhafter Weise wird der Hochenergiestrahl einmal beim Erwärmen innerhalb des Fügebereichs von einer Startposition mit einer ersten vorbestimmten Geschwindigkeit zu einer Endposition bewegt. Bevorzugt erfolgt beim Erwärmen eine erste Überfahrt. Anschließend wird zum stoffschlüssigen Verbinden bevorzugt der Hochenergiestrahl erneut von der Startposition mit einer zweiten vorbestimmten Geschwindigkeit, welche größer ist als die erste vorbestimmte Geschwindigkeit, zu der Endposition bewegt. Bevorzugt erfolgt beim stoffschlüssigen Verbinden eine zweite Überfahrt. Besonders bevorzugt erfolgt eine zweifache Überfahrt des Hochenergiestrahls, insbesondere bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass beim Erwärmen der Hochenergiestrahl defokussiert abgestrahlt wird. Mit „defokussiert“ ist insbesondere gemeint, dass der Hochenergiestrahl im Vergleich zu einem fokussierten Abstrahlen eine größere Fläche, insbesondere eine Oberfläche des Bauteils, anstrahlt. Insbesondere erfolgt die erste Überfahrt mit einem defokussierten Hochenergiestrahl. Durch das Defokussieren kann beim Erwärmen sichergestellt werden, dass die zumindest zwei Bauteile an dem Fügebereich gleichmäßig erwärmt werden. Ferner wird bei dem defokussiert betriebenen Hochenergiestrahl die Leistung oder die Energie oder die Intensität so eingestellt oder gewählt, dass über Wärmeleitung, insbesondere ausreichend oder genügend, Wärme zwischen die zwei aneinander angeordneten Bauteile gebracht wird, damit die Beschichtung in dem Fügebereich schmilzt und gegebenenfalls anteilig verdampft. Dadurch kann auf besonders zuverlässige Art und Weise sichergestellt werden, dass die zumindest zwei Bauteile, insbesondere nicht vor dem eigentlichen stoffschlüssigen Verbinden, nicht aufgeschmolzen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird beim stoffschlüssigen Verbinden der Hochenergiestrahl fokussiert betrieben. Insbesondere erfolgt die zweite Überfahrt mit einem fokussierten Hochenergiestrahl. Insbesondere weist der Hochenergiestrahls, wenn er fokussiert betrieben wird, eine höhere Intensität auf, als wenn der Hochenergiestrahl defokussiert betrieben wird. Mit „fokussiert“ ist insbesondere gemeint, dass der Hochenergiestrahl eine im Vergleich zu einem defokussierten Abstrahlen eine kleinere Fläche, insbesondere eine Oberfläche des Bauteils, anstrahlt.
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Zu der Erfindung gehört auch eine Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden von zumindest zwei Bauteilen, wobei die zumindest zwei Bauteile jeweils mit einer Beschichtung beschichtet und aneinander angeordnet sind. Die Vorrichtung umfasst eine Bestrahlungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, einen Hochenergiestrahl auszugeben. Ferner weist die Vorrichtung eine Fixereinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, die aneinander angeordneten Bauteile derart zu befestigen, dass eine Bearbeitungsfläche der zumindest zwei Bauteile, welche einen Fügebereich, an dem die zumindest zwei Bauteile stoffschlüssig miteinander zu verbinden sind, umfasst, frei liegt und die Bearbeitungsfläche in einem vorbestimmten Winkel geneigt zu einer Transversalebene der zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile angeordnet ist. Die Bestrahlungseinrichtung ist ferner dazu eingerichtet, mittels des Hochenergiestrahls die zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile derart zu erwärmen, dass die Beschichtung der zumindest zwei Bauteile in dem Fügebereich verdampft, wobei beim Erwärmen der zumindest zwei Bauteile die Bestrahlungseinrichtung dazu eingerichtet ist, den Hochenergiestrahl auf das der Bestrahlungseinrichtung zugewandte Bauteil der zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile zu richten. Des Weiteren ist die Bestrahlungseinrichtung dazu eingerichtet, die zumindest zwei Bauteile mittels des Hochenergiestrahls in dem Fügebereich stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Zum stoffschlüssigen Verbinden ist der Hochenergiestrahl in einem vorbestimmten Winkel zu einer Orthogonalen des Fügebereichs verschwenkt. Dabei ist der Hochenergiestrahl in einem vorbestimmten Winkel zwischen 5° und 50° zu der Orthogonalen verschwenkt. Ferner ist die Bearbeitungsfläche in dem vorbestimmten Winkel zwischen 5° und 50° geneigt zu der Transversalebene der zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile angeordnet.
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In vorteilhafter Weise ist die Bestrahlungseinrichtung als Laser ausgebildet und dazu eingerichtet, einen Laserstrahl als Hochenergiestrahl auszugeben. Besonders bevorzugt wird mit dem Laser ein Remote-Schweißen durchgeführt. Insbesondere ist die Vorrichtung als eine Laserschweißanlage ausgebildet, welche den Laser, eine Bewegungseinheit und ein optisches System zur Führung des Laserstrahles umfasst, an dessen Ende die Bearbeitungs- und/oder Fokussier-Optik angeordnet ist. Die Bewegungseinheit bewegt bevorzugt den Laserstrahl über das Werkstück, also die zumindest zwei Bauteile, oder das Werkstück unter dem Laserstrahl. Der Laserstrahl kann auch nach der Fokussierung mit einem Spiegelscanner über das Werkstück bewegt werden. Scannersysteme bestehen insbesondere aus einer Kombination von rotierenden Facettenspiegeln oder verkippbaren Ablenkspiegeln, die den Laserstrahl über die einstellbaren Winkel der Spiegel an unterschiedliche Orte reflektieren können. Der Vorteil liegt hauptsächlich in der sehr hohen möglichen Geschwindigkeit der Positionierung des Laserstrahles. Diese Art des Laserschweißens wird insbesondere auch als Remote-Schweißen bezeichnet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die zumindest zwei Bauteile mit einem Nullspalt, insbesondere in eine Hochrichtung der zumindest zwei aneinander angeordneten Bauteile, aneinander angeordnet sind. Bevorzugt befindet sich zwischen den zumindest zwei Bauteilen ein technischer Nullspalt. Mit „technischer Nullspalt“ ist insbesondere gemeint, dass sich ein Spalt oder ein Abstand zwischen den zumindest zwei Bauteilen nur durch eine Oberflächenbeschaffenheit der zumindest zwei Bauteile bildet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der beschriebenen Ausführungsformen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden von zumindest zwei Bauteilen mittels eines Hochenergiestrahls einer Bestrahlungseinrichtung in einer Vorbereitungsphase beim Erwärmen;
- 2 eine schematische Darstellung der zumindest zwei Bauteile nach dem Erwärmen und
- 3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus 1 beim stoffschlüssigen Verbinden der zumindest zwei Bauteile.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Im Zusammenhang von 1 bis 3 soll genauer auf das Verfahren und die Vorrichtung 10 zum stoffschlüssigen Verbinden von zumindest zwei Bauteilen eingegangen werden.
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In 1 und 3 sind zwei Bauteile - ein erstes Bauteil 12 und ein zweites Bauteil 14 - übereinander und aneinander angeordnet. Dabei sind das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 in einer Hochrichtung, welche sich insbesondere in eine Richtung der Materialstärke oder Materialdicke der jeweiligen Bauteile 12, 14 erstreckt, angeordnet. Insbesondere überlappen sich das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14. Insbesondere berühren sich zwei einander zugeordnete Flächen der Bauteile 12, 14. Dabei sind das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 derart aneinander angeordnet, dass zwischen den zwei Bauteilen 12, 14 ein technischer Nullspalt 16 ausgebildet ist. Ferner sind das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 als Blech, insbesondere als ein Stahlblech, ausgebildet. Bevorzugt sind das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 plattenförmig ausgebildet. Beide Bauteile- das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 - weisen zudem jeweils eine Beschichtung auf. Dabei sind die zwei Bauteile 12, 14 mit einer Zinkbeschichtung versehen.
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Diese Beschichtung ist zum stoffschlüssigen Verbinden der zwei Bauteile 12, 14 an einem Fügebereich 18, an dem das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 miteinander zu verbinden sind, zu entfernen oder daraus zu verdrängen. Hierzu werden die zwei aneinander angeordneten Bauteile 12, 14 in eine Fixiereinrichtung 20 eingebracht. Die Fixiereinrichtung 20 ist dazu eingerichtet, die beiden aneinander angeordneten Bauteile 12, 14 zu fixieren oder zu halten. Zum Fixieren der zwei Bauteile 12,14 weist die Fixiereinrichtung 20 zwei Klemmbacken 22 auf, welche dazu eingerichtet sind, die aneinander angeordneten Bauteile 12, 14 einzuklemmen und dadurch zu halten. Die aneinander angeordneten Bauteile 12, 14 sind dabei derart in der Fixiereinrichtung 20 gehalten, dass eine Bearbeitungsfläche 24 frei liegt. Insbesondere sind die zwei aneinander angeordneten Bauteile 12, 14 nicht vollständig sondern teilweise zwischen den Klemmbacken 22 angeordnet.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein besonders geringer Masseverlust bei dem Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden der zwei Bauteile 12, 14 vorliegt, wenn die Bearbeitungsfläche 24 in einem vorbestimmten Winkel geneigt ausgerichtet ist. Dabei ist die Bearbeitungsfläche 24 in einem vorbestimmten Winkel γ zu einer Transversalebene 28 geneigt angeordnet. Die Transversalebene 28 ist als eine horizontale Ebene ausgebildet. Mit Bezug auf die Vorrichtung 10 erstreckt sich die Transversalebene 28 in eine x-Richtung und y-Richtung der Vorrichtung 10. Insbesondere ist die Transversalebene 28 parallel zu einer Fläche, welche durch die x-Richtung und y-Richtung aufgespannt ist, angeordnet. Die x-Richtung und die y-Richtung sind senkrecht oder orthogonal zueinander ausgerichtet. Die x-Richtung entspricht insbesondere einer Längsrichtung und die y-Richtung einer Breitenrichtung der Vorrichtung 10. Dabei kann die Bearbeitungsfläche 24 oder die zwei aneinander angeordneten Bauteile 12, 14 zur Fixiereinrichtung 20 und/oder zu einer Bestrahlungseinrichtung 26, insbesondere einer Abstrahlrichtung eines Hochenergiestrahls 30, ausgerichtet werden. Die Bearbeitungsfläche 24, insbesondere der Fügebereich 18, kann zur Vorrichtung 10 in einem vorbestimmten Winkel α ausgerichtet werden.
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In 1 und 3 sind die Bauteile 12, 14 oder ist die Bearbeitungsfläche 24 in dem vorbestimmten Winkel α zu einer Hochrichtung z der Vorrichtung 10 angeordnet. Die Hochrichtung z ist senkrecht zu der x-Richtung und der y-Richtung der Vorrichtung 10 ausgerichtet. Dabei ist die Bearbeitungsfläche 24 in dem vorbestimmten Winkel zu der Transversalebene 28 in einem Winkel von 90°-α (90° minus α) angeordnet. Mit anderen Worten weist die Bearbeitungsfläche 24 einen Anstieg auf.
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In 1 werden die zwei zu fügenden Bauteile 12, 14 zum stoffschlüssigen Verbinden vorbereitet. Dabei werden die Bauteile 12, 14 mit dem Hochenergiestrahl 30, welcher durch die Bestrahlungseinrichtung 26 erzeugt oder generiert wird, angestrahlt. Dabei ist der Hochenergiestrahl 30 auf die Bearbeitungsfläche 24, nämlich die der Bestrahlungseinrichtung 26 zugewandten Fläche des zweiten Bauteils 14, gerichtet. In 1 ist der Hochenergiestrahl 30 senkrecht auf die Bearbeitungsfläche 24, insbesondere den Fügebereich 18, gerichtet. Dabei fällt die Abstrahlrichtung des Hochenergiestrahls 30 mit einer Orthogonalen 32 der Bearbeitungsfläche 24 zusammen. Insbesondere ist der Hochenergiestrahl 30 in einem Winkel von 90° zu der Bearbeitungsfläche 24 oder dem Fügebereich 18 ausgerichtet. Alternativ kann der Hochenergiestrahl in einem vorbestimmten Winkel β zu der Orthogonalen 32 der Bearbeitungsfläche 24 ausgerichtet werden. In diesem Ausführungsbeispiel, gemäß 1, wird die Bearbeitungsfläche 24 durch den Hochenergiestrahl 30 senkrecht angestrahlt.
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In 1 werden die Bauteile 12, 14, wie bereits erläutert, für die stoffschlüssige Verbindung vorbereitet. Dabei wird eine Leistung, mit der der Hochenergiestrahl 30 von der Bestrahlungseinrichtung 26 ausgegeben wird, derart vorgegeben, dass die Bauteile 12, 14 in dem Fügebereich 18 erwärmt werden. Durch das Erwärmen wird die Beschichtung der zwei Bauteile 12, 14 verdampft. Insbesondere wird die Leistung derart eingestellt, dass über Wärmeleitung Wärme in den Bereich zwischen dem ersten Bauteil 12 und dem zweiten Bauteil 14, insbesondere in den technischen Nullspalt, gebracht wird, damit die Zinkschicht in dem Fügebereich 18 schmilzt und verdampft. Beim Erwärmen oder Erhitzen wird der Hochenergiestrahl 30 durch die Bestrahlungseinrichtung 26 innerhalb des Fügebereichs 18, insbesondere von einer Startposition zu einer Endposition, bewegt oder verfahren. Beispielsweise wird der Hochenergiestrahl 30 beim Erwärmen mit einer Geschwindigkeit, welche auch als Vorschubgeschwindigkeit bezeichnet werden kann, von 90 mm/s, verfahren. Der Hochenergiestrahl 30 wird beim Erwärmen defokussiert betrieben.
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In 2 ist der Zustand der beiden Bauteile 12, 14 nach dem Erwärmen verdeutlicht. Um zu verdeutlichen, was das Erwärmen zwischen den beiden aneinander angeordneten Bauteilen 12, 14, also insbesondere in dem technischen Nullspalt, bewirkt, sind das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 beabstandet zueinander angeordnet. Das erste Bauteil 12 kann auch als Unterblech und das zweite Bauteil 14 kann auch als Oberblech bezeichnet werden. Während des Verfahrens des Hochenergiestrahls 30 zum Erwärmen der Bauteile 12, 14 bildet sich der Fügebereich 18 aus. An einer Oberseite 34 des zweiten Bauteils 14 und an einer Unterseite 36 des ersten Bauteils 12 verdampft die Beschichtung, insbesondere die Zinkbeschichtung, an dem Fügebereich 18. An den Flächen, insbesondere der Unterseite 38 des zweiten Bauteils 14 und einer Oberseite 40 des ersten Bauteils 12 bildet sich im Fügebereich 18 eine Spur 42 aus, in der die Beschichtung vollständig entfernt ist. Um die Spur 42 ist ein Randbereich 44 gebildet, welcher Beschichtungsreste, insbesondere Zinkreste, aufweist. In 2 ist der Fügebereich 18 oval ausgebildet, weist also eine ovale Form auf. In der Spur 42, also dem Bereich des Fügebereichs 18 werden die zumindest zwei Bauteile 12, 14 anschließend stoffschlüssig miteinander verbunden.
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In 3 erfolgt das stoffschlüssige Verbinden, insbesondere das Schweißen, der zwei Bauteile 12, 14. Zum stoffschlüssigen Verbinden des ersten Bauteils 12 und des zweiten Bauteils 14 an dem Fügebereich 18 wird der Hochenergiestrahl 30 ausgehend von einer orthogonalen Richtung oder der Orthogonalen 32 in den vorbestimmten Winkel β ausgerichtet. Beispielsweise wird der Hochenergiestrahl 30 in dem vorbestimmten Winkel β von 15° zu der Orthogonalen 32 verschwenkt. Wird der Hochenergiestrahl 30 in Richtung der Fixiereinrichtung verschwenkt, so wird der Hochenergiestrahl 30 in eine positive Richtung, welche in 1 und 3 durch das + gekennzeichnet ist, verschwenkt. Wird der Hochenergiestrahl 30 hingegen in Richtung von der Fixiereinrichtung 20 weg verschwenkt, so wird der Hochenergiestrahl 30 in eine negative Richtung, welche in 1 und 3 durch das - gekennzeichnet ist, verschwenkt. In 3 wird der Hochenergiestrahl 30 um + β verschwenkt. Alternativ kann der Hochenergiestrahl 30 auch während des stoffschlüssigen Verbindens senkrecht auf den Fügebereich 18 auftreffen. Bevorzugt wird der Hochenergiestrahl 30 beziehungsweise die Abstrahlrichtung des Hochenergiestrahls 30 aber zum stoffschlüssigen Verbinden zu der Abstrahlrichtung des Hochenergiestrahls 30 während dem Erwärmen geändert.
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Beim stoffschlüssigen Verbinden oder Schweißen wird der Hochenergiestrahl 30 durch die Bestrahlungseinrichtung 26 innerhalb des Fügebereichs 18, insbesondere von der Startposition zu der Endposition, bewegt oder verfahren. Beispielsweise wird der Hochenergiestrahl 30 beim stoffschlüssigen Verbinden mit einer Geschwindigkeit von 160 mm/s verfahren. Der Hochenergiestrahl 30 wird beim stoffschlüssigen Verbinden fokussiert betrieben. Dabei wird der Hochenergiestrahl 30 mit einer höheren Intensität betrieben als beim Erwärmen. In 3 macht sich im Vergleich zu 1 der fokussierte Betrieb dadurch erkenntlich, dass der Hochenergiestrahl 30 auf der Bearbeitungsfläche 24 eine kleinere Fläche anstrahlt. Durch das Verfahren des Hochenergiestrahls 30 während dem stoffschlüssigen Verbinden bildet sich eine Naht, insbesondere eine Schweißnaht, aus.
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Die Bestrahlungseinrichtung 26 ist als Laser ausgebildet und dazu eingerichtet, einen Laserstrahl als den Hochenergiestrahl 30 auszugeben. Dabei wird mit dem Laser ein Remote-Schweißen durchgeführt. Insbesondere ist die Vorrichtung 10 als eine Laserschweißanlage ausgebildet, welche den Laser, eine Bewegungseinheit und ein optisches System zur Führung des Laserstrahles umfasst, an dessen Ende insbesondere eine Bearbeitungs- und/oder Fokussier-Optik angeordnet ist. Die Bewegungseinheit bewegt bevorzugt den Laserstrahl über die zumindest zwei Bauteile 12, 14.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Laserstrahlschweißen von verzinkten Stahlblechen mit Nullspalt bei zweifacher Überfahrt durch gezieltes Anstellen der zu verbindenden Bauteile und/oder des Laserstrahls erfolgt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bei einem Anstellwinkel der Bearbeitungsfläche oder der Bauteile von größer 0° eine Zinkverdrängung optimiert, ohne dass es zu einer Fehlerbildung bei der Überfahrt mit dem defokussierten Laserstrahl kommt. Ebenfalls bewirkt eine, insbesondere laterale, Anstellung des Laserstrahls beim Schweißen eine positive Auswirkung. Die Anstellung des Laserstrahls kann, insbesondere ausgehend von einer Orthogonalen der Bearbeitungsfläche des Bauteils, in beide Richtungen erfolgen. Besonders bevorzugt wird der Laserstrahl mit einem Winkel von +15° angestellt.
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Bei dem Laserstrahlschweißen kann eine Bearbeitungsoptik mit Defokussiermöglichkeit eingesetzt werden. Die Bauteile werden zum Laserstrahlschweißen in eine Spannvorrichtung als Fixiereinrichtung gelegt und gespannt, wobei der angesprochene Winkel der Fügestelle berücksichtigt wird. Die Bearbeitungsoptik fährt beim Laserstrahlschweißen in Position. Eine erste Überfahrt erfolgt mit einem defokussierten Strahl. Eine anschließende zweite Überfahrt erfolgt mit einem fokussierten Strahl.
