DE102018212810A1

DE102018212810A1 - Verfahren zum Schweißen eines verzinkten Kraftfahrzeugbauteils

Info

Publication number: DE102018212810A1
Application number: DE102018212810.3A
Authority: DE
Inventors: Clemens Bergmann; Florian HOFBAUER; Jörg Zimmermann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2020-02-06
Also published as: WO2020025248A1; CN112368103B; US20210308790A1; CN112368103A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen eines verzinkten Kraftfahrzeugbauteils (1), bei welchem eine Schweißfläche (3) des verzinkten Kraftfahrzeugbauteils (1) vorbehandelt wird und anschließend an der Schweißfläche (3) ein Verbindungselement angeschweißt wird, wobei zur Vorbehandlung die Zinkschicht (2) im Bereich der Schweißfläche (3) mittels einer Lasereinrichtung (5) bis zu einer vorgegebenen Maximalschichtdicke (6) abgetragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen eines verzinkten Kraftfahrzeugbauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die DE 10 2004 028 197 B4 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der Schweißbarkeit von verzinkten Stahlblechen durch Vorbehandlung von dessen Oberfläche in einem für eine Schweißverbindung vorgesehenen Fügebereich. Hierfür wird ein Strahl eines atmosphärischen, elektrisch neutralen Niedertemperaturplasmas auf die Oberfläche gerichtet und die Stahlbleche miteinander mittels Laser verschweißt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Schweißen eines verzinken Kraftfahrzeugbauteils zu schaffen, welches ein besonders einfaches Vorbereiten einer Schweißfläche des verzinkten Kraftfahrzeugbauteils und gleichzeitig ein besonders vorteilhaftes und sauberes Schweißen des verzinkten Kraftfahrzeugbauteils an der Schweißfläche ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Schweißen eines verzinkten Kraftfahrzeugbauteils mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen eines verzinkten Kraftfahrzeugbauteils, bei welchem eine Schweißfläche des verzinkten Kraftfahrzeugbauteils vorbehandelt wird und anschließend an die Schweißfläche ein Verbindungselement angeschweißt wird. Um ein besonders vorteilhaftes Verschweißen des Kraftfahrzeugbauteils mit dem Verbindungelement an der Schweißfläche zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Vorbehandlung die Zinkschicht im Bereich der Schweißfläche mittels einer Lasereinrichtung bis zu einer vorgegebenen Maximalschichtdicke abgetragen wird. Insbesondere dient die Vorbehandlung einem Sichern einer Prozessstabilität bei konstanten Schweißparametern, insbesondere bei einer unregelmäßigen Zinkschicht auf dem Kraftfahrzeugbauteil. Mittels der Lasereinrichtung wird die Zinkschicht im Bereich der Schweißfläche vorverdampft, um eine definierte Schichtdicke der Zinkschicht einzustellen. Hierbei kann die Zinkschicht im Bereich der Schweißfläche mittels der Lasereinrichtung vollständig abgetragen werden oder lediglich bis zu einer bei vorgegebenen, konstanten Schweißparametern schweißbaren Schichtdicke reduziert werden. Somit ermöglicht das Verfahren, dass verzinkte Kraftfahrzeugbauteile mit unterschiedlich dicken Zinkschichten mit konstanten Schweißparametern bei konstanter Schweißqualität geschweißt werden können.
Dieses Verfahren hat sich bei einem insbesondere feuerverzinkten Kraftfahrzeugbauteil als besonders vorteilhaft gezeigt, da bei einer Feuerverzinkung das Kraftfahrzeugbauteil in eine Zinkschmelze eingetaucht und hierdurch verzinkt wird. Es handelt sich hierbei um ein Stückzinkverfahren. Beim Feuerverzinken, welches eine besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit darstellt, das Kraftfahrzeugbauteil zu verzinken, können sich an unterschiedlichen Stellen des Kraftfahrzeugbauteils unterschiedliche Dicken der Zinkschicht ergeben. Eine nach dem Feuerverzinken voraussichtlich an der Schweißfläche entstehende Dicke der Zinkschicht ist gar nicht oder gegebenenfalls lediglich mit besonders großem Aufwand vorhersagbar, sodass ein Einstellen der Schweißparameter an die jeweils an der Schweißfläche auftretende Schichtdicke der Zinkschicht besonders aufwendig und zeitintensiv ist. Das Verfahren bietet den Vorteil, dass die Dicke der Zinkschicht mittels der Lasereinrichtung an die konstanten Schweißparameter angepasst werden kann. Somit ermöglicht das Verfahren, dass feuerverzinkte Kraftfahrzeugbauteile verschweißt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftfahrzeugbauteil generativ gefertigt oder gegossen ist. Bei einem generativen Fertigungsverfahren handelt es sich um ein additives Fertigungsverfahren, bei welchem das Kraftfahrzeugbauteil schichtweise aufgebaut und hergestellt wird. Wird das Kraftfahrzeugbauteil gegossen, so wird zum Herstellen des Kraftfahrzeugbauteils eine metallische Schmelze in eine Form gegossen, um dort zu erstarren und im erstarrten Zustand aus der Form als das Kraftfahrzeugbauteil entnommen zu werden. Folglich handelt es sich bei dem generativ gefertigten oder gegossenen Kraftfahrzeugbauteil um ein metallisches Bauteil, welches mit der Zinkschicht versehen wird. Bei einer generativen Fertigung wie bei einem Gießen des Kraftfahrzeugbauteils weist das Kraftfahrzeugbauteil eine besonders große Oberflächenrauigkeit auf. Beim Verzinken dieser besonders rauen Oberfläche und insbesondere beim Feuerverzinken dieser besonders rauen Oberfläche entsteht ein Zinküberzug des Kraftfahrzeugbauteils, welcher über eine Oberfläche des Kraftfahrzeugbauteils variierende Schichtdicken aufweist. Insbesondere kann entlang der Schweißfläche die Schichtdicke der Zinkschicht variieren, sodass ein Schweißen des Kraftfahrzeugbauteils mit dem Verbindungselement bei konstanten Schweißparametern erschwert ist. Um das besonders einfache Verschweißen des Kraftfahrzeugbauteils mit dem Verbindungselement zu ermöglichen, wird mittels der Lasereinrichtung entlang der gesamten Schweißfläche die Dicke der Zinkschicht auf eine vorgegebene Schichtdicke eingestellt. Hierdurch kann ein besonders gutes Schweißergebnis der Schweißnaht des Verbindungselements mit dem Kraftfahrzeugbauteil erreicht werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schweißfläche mittels eines gepulsten Hochleitungsfestkörperlasers vorbehandelt wird. Hierbei wird mittels des Hochleistungsfestkörperlasers ein gepulster Laserstrahl auf die Zinschicht gerichtet, um die Zinkschicht vorzuverdampfen. Der Hochleistungsfestkörperlaser ermöglicht eine besonders hohe Schmelzleistung der Lasereinrichtung beim Vorverdampfen der Zinkschicht, sodass die Zinkschicht besonders schnell auf eine vorgegebene Schichtdicke eingestellt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels einer Ablenkeinrichtung ein mittels der Lasereinrichtung bereitgestellter Laserstrahl über die Schweißfläche geführt wird. Die Ablenkeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl zweidimensional oder dreidimensional über die Schweißfläche des Kraftfahrzeugbauteils zu führen. Dies ermöglicht eine besonders präzise Einstellung der Schichtdicke der Zinkschicht im Bereich der Schweißfläche. Ein großflächiges Abtragen der Zinkschicht an einer Oberfläche des Kraftfahrzeugbauteils, bei welcher es sich nicht um die Schweißfläche handelt, kann hierdurch vermieden werden. Insbesondere kann lediglich eine die Schweißfläche darstellende Fläche der Zinkschicht mittels der Lasereinrichtung vorbehandelt werden, sodass ein durch die Zinkschicht bereitgestellter Korrosionsschutz für das Kraftfahrzeugbauteil besonders gut erhalten werden kann, da die Zinkschicht außerhalb der Schweißfläche unverändert bleibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftfahrzeugbauteil mit dem Verbindungelement laserverschweißt wird. Das ermöglicht, dass das Kraftfahrzeugbauteil besonders einfach und schnell mit dem Verbindungselement verschweißt werden kann. Somit kann die Lasereinrichtung beispielsweise vorteilhafterweise zum einen zum Vorbehandeln der Schweißfläche des Kraftfahrzeugbauteils als auch zum Verschweißen des Kraftfahrzeugbauteils mit dem Verbindungselement herangezogen werden. Das Verschweißen des Kraftfahrzeugbauteils kann somit mittels besonders wenigen Bearbeitungskomponenten ausgeführt werden.
Es hat sich in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft gezeigt, wenn das Kraftfahrzeugbauteil nach dem Verschweißen mit dem Verbindungselement lackiert wird. Hierbei können das Kraftfahrzeugbauteil und das angeschweißte Verbindungselement beispielsweise im Rahmen einer kathodischen Tauchlackierung mit einem Lack versehen werden. Dieser Lack bildet einen zusätzlichen Korrosionsschutz für einen Verbund aus dem Kraftfahrzeugbauteil und dem Verbindungselement. Das Lackieren des Verbunds aus dem Kraftfahrzeugbauteil und dem Verbindungselement nach dem Verschweißen stellt sicher, dass die Schweißfläche frei von Lack bleibt und somit das Verschweißen des Kraftfahrzeugbauteils nicht durch Lack auf der Schweißfläche negativ beeinflusst wird.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittansicht eines verzinkten Kraftfahrzeugbauteils, dessen Zinkschicht im Bereich einer Schweißfläche mit einer Lasereinrichtung verdampft wird.
In der einzigen Figur ist ein verzinktes Kraftfahrzeugbauteil 1 geschnitten dargestellt. Vorliegend handelt es sich bei dem Kraftfahrzeugbauteil 1 um ein Gussteil, welches im Rahmen einer Feuerverzinkung mit einer Zinkschicht 2 versehen worden ist. Im Rahmen einer Montage des Kraftfahrzeugbauteils 1 zum Montieren eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, soll das Kraftfahrzeugbauteil 1 mit einem in der einzigen Fig. nicht dargestellten Verbindungselement verschweißt werden. Hierfür weist das verzinkte Kraftfahrzeugbauteil 1 eine Schweißfläche 3 auf, entlang welcher das verzinkte Kraftfahrzeugbauteil 1 mit dem Verbindungselement zu verschweißen ist.
Wie in der einzigen Figur erkannt werden kann, weist die Zinkschicht 2 eine unregelmäßige Oberfläche 4 auf, sodass die Zinkschicht 2 über ihre Erstreckung und insbesondere im Bereich der Schweißfläche 3 eine variierende Schichtdicke aufweist. Um eine konstante Schweißqualität des Kraftfahrzeugbauteils 1 mit dem Verbindungselement zu erreichen, werden das Kraftfahrzeugbauteil 1 und das Verbindungselement mit konstanten Schweißparametern verschweißt. Um mit konstanten Schweißparametern eine konstante Schweißqualität zu erreichen, wird im Rahmen einer Vorbehandlung die Zinkschicht 2 im Bereich der Schweißfläche 3 mittels einer Lasereinrichtung 5 bis zu einer vorgegebenen Maximalschichtdicke 6 abgetragen.
Bei der Lasereinrichtung 5 handelt es sich vorliegend um einen gepulsten Hochleistungsfestkörperlaser. Um einen mittels der Lasereinrichtung 5 generierten Laserstrahl 7 besonders gut über die Oberfläche 4 der Zinkschicht 2 führen zu können und die Schichtdicke der Zinkschicht 2 besonders präzise auf die Maximalschichtdicke 6 einzustellen, umfasst die Lasereinrichtung 5 eine Ablenkeinrichtung 8, mittels welcher der Laserstrahl 7 über die Oberfläche 4 der Zinkschicht 2 führbar ist. Nach dem Vorbehandeln der Schweißfläche 3 wird das Kraftfahrzeugbauteil 1 an der Schweißfläche 3 mit dem Verbindungselement zu einem Verbund laserverschweißt. Anschließend wird der Verbund aus dem Kraftfahrzeugbauteil 1 und dem Verbindungselement im Rahmen eines Lackierverfahrens mit einer Lackschicht versehen.
Derzeit ist es kaum möglich, verzinkte Bauteile mit einer Zinkschichtdicke von mehr als 15 Mikrometern konventionell zu schweißen. Um ein Bauteil mit einer Zinkschicht mit einer Dicke von sieben bis 15 Mikrometer zu beschichten, werden derzeit galvanische Beschichtungsverfahren eingesetzt. Bei galvanischen Beschichtungsverfahren wird das Bauteil in einer wässrigen Lösung mit Zink beschichtet, sodass nachteiligerweise an einer Bauteiloberfläche nach dem Verzinken Wasser anhaften kann, welches bei einem Verschweißen des Bauteils zu einer minderen Schweißqualität, insbesondere aufgrund von Blasenwurf beim Schweißen, führen kann. Im Gegensatz zu galvanischen Beschichtungsverfahren haben Stückverzinkungen, worunter Feuerverzinkverfahren auf einer Feuerverzinkungsanlage zu verstehen sind, wirtschaftliche und qualitative Vorteile, da insbesondere das feuerzuverzinkende Kraftfahrzeugbauteil 1 hierbei nicht mit Wasser, sondern lediglich mit der Zinkschmelze beim Verzinken in Berührung kommt. Hierdurch kann eine negative Beeinträchtigung einer Schweißqualität eines verschweißten verzinkten Bauteils, insbesondere des Kraftfahrzeugbauteils 1, unterbunden werden. Bei Stückverzinkungen, insbesondere bei einer Schmelztauchverzinkung, was eine andere Bezeichnung für Feuerverzinken ist, kann die Schichtdicke der Zinkschicht 2 an der Schweißfläche 3 nicht beziehungsweise lediglich schwer kontrolliert werden. Darüber hinaus kann die Zinkschicht 2 zumindest bereichsweise eine Dicke von mehr als 15 Mikrometern aufweisen, da die Dicke der Zinkschicht 2 beim Feuerverzinken nur schwer einstellbar ist. Um das Verschweißen trotz der unregelmäßigen Oberfläche 4 der Zinkschicht 2 zu ermöglichen, wird die Zinkschicht 2 mittels Lasertechnik, vorliegend mittels der Lasereinrichtung 5, lokal abgetragen. Hierzu wird der gepulste Laserstrahl 7 der als Hochleistungsfestkörperlaser ausgebildeten Lasereinrichtung 5 mittels der Ablenkeinrichtung 8 zweidimensional und/oder dreidimensional auf gewünschte Punkte der Oberfläche 4 der Zinkschicht 2 fokussiert.
Bei dem Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, dass eine Feuerverzinkung im Vergleich zu einer aufwendigen galvanischen Verzinkung besonders kostengünstig ist, sodass das Kraftfahrzeugbauteil 1 im Rahmen der Feuerverzinkung besonders kostengünstig mit der Zinkschicht 2 versehen werden kann. Überdies wird bei dem Feuerverzinken des Kraftfahrzeugbauteils 1 eine im Vergleich zur galvanischen Verzinkung bessere Oberflächenqualität der Oberfläche 4 der Zinkschicht 2 erreicht, da die Zinkschicht 2 bei einer besonders hohen Temperatur appliziert wird. Durch die hohe Temperatur bei der Schichtapplikation der Zinkschicht 2 werden Verunreinigungen sowie Gas- und Feuchtigkeitseinschlüsse aus der Zinkschicht 2 und von einer Kraftfahrzeugbauteiloberfläche ausgetrieben.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeugbauteil
2: Zinkschicht
3: Schweißfläche
4: Oberfläche
5: Lasereinrichtung
6: Maximalschichtdicke
7: Laserstrahl
8: Ablenkeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004028197 B4 [0002]

Claims

Verfahren zum Schweißen eines verzinkten Kraftfahrzeugbauteils (1), bei welchem eine Schweißfläche (3) des verzinkten Kraftfahrzeugbauteils (1) vorbehandelt wird und anschließend an der Schweißfläche (3) ein Verbindungselement angeschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorbehandlung die Zinkschicht (2) im Bereich der Schweißfläche (3) mittels einer Lasereinrichtung (5) bis zu einer vorgegebenen Maximalschichtdicke (6) abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeugbauteil (1) feuerverzinkt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeugbauteil (1) generativ gefertigt oder gegossen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißfläche (3) mittels eines gepulsten Hochleistungsfestkörperlasers vorbehandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Ablenkeinrichtung (8) ein mittels der Lasereinrichtung (5) bereitgestellter Laserstrahl (7) über die Schweißfläche (3) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeugbauteil (1) mit dem Verbindungselement laserverschweißt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeugbauteil (1) nach dem Verschweißen mit dem Verbindungselement lackiert wird.