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NEUE BESCHREIBUNG:
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Die Erfindung betrifft eine Prozessanordnung zur Herstellung einer Lötverbindung durch Laserstrahllöten nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und nach dem Oberbegriff des Anspruches 6, eine Lötverbindung gemäß Anspruch 8 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lötverbindung gemäß Anspruch 9.
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Im Automobilbau kann die Heckklappe eines Fahrzeugs mehrteilig, im Folgenden zweiteilig ausgeführt sein, und zwar mit einem Heckklappenunterteil und einem Heckklappenoberteil, die zusammen die Blech-Außenhaut der Fahrzeug-Heckklappe bilden. Das Heckklappenunterteil weist eine Kennzeichenmulde auf. In der Serienfertigung ist das Heckklappenunterteil mitsamt Kennzeichenmulde in Abhängigkeit von dem herzustellenden Fahrzeug-Derivat zu variieren. Die Heckklappenunter- und -oberteile liegen im Flanschbereich aneinander an und öffnen sich jeweils in einem ca. 90°-Winkel voneinander weg. Zum Stand der Technik gehört das Fügen mittels Laserstrahllöten. Dies hat den Vorteil, dass die Lötnaht lackiert werden kann und Sichtbereichsanforderungen erfüllt werden können. Das Heckklappenoberteil und das Heckklappenunterteil bilden für das Löten einen Bördelstoß, wobei die Lötnaht die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen bildet. Eine analoge Situation ergibt sich beim Löten des Fahrzeugdaches an die Seitenwandrahmen, wobei die Stoßgeometrie etwas abweichend ist.
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In einer gattungsgemäßen Prozessanordnung werden zwei Blechteile aneinandergefügt, deren flächige Grundkörper an Biegekanten in abgewinkelte Fügeflansche übergehen. Diese sind mit zwischengeordneter Bauteilfuge einander zugewandt, und zwar unter Bildung eines Bördelstoßes. Die Prozessanordnung weist außerdem eine Laserbearbeitungseinheit auf, die einen Laserstrahl und einen Lötdraht in einer Prozessrichtung entlang der Bauteilfuge führt. Im Lötprozess wird an einer Lötstelle die Drahtspitze des Lötdrahts vom Laserstrahl aufgeschmolzen, wodurch sich eine stegförmige Lötnaht in der Bauteilfuge ergibt, die die beiden Bauteile miteinander verbindet. Als gängiges Verfahren gilt das taktile Laserstrahllöten mit einer taktilen Lötoptik. Bei dem Verfahren wird der Laserstrahl quasi senkrecht von oben zugeführt und eilt der Lötdraht dem Laserstrahl in der Prozessrichtung voraus. Der Lötdraht wird bei dieser Prozessanordnung als taktile Führung benutzt, wobei die Ausgleichsbewegung durch die Lötoptik umgesetzt wird. Insbesondere beim Einsatz von elektrolytisch verzinkten Stahlblechteilen werden gute Lötergebnisse (das heißt keine Randkerben, Spritzer und Poren) erzielt.
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Die obige Prozessanordnung weist die folgende Nachteile auf: So schattet der zugeführte, vorauseilende Lötdraht den Laserstrahl ab, so dass nur eine indirekte Wärmezufuhr zur Nahtwurzel erfolgt, und zwar vom Laserstrahl über den Lötdraht zur Nahtwurzel. Von daher wird die Laserenergie verstärkt in einem oberen Bördelstoßbereich (das heißt oberer Bauteilfugenbereich) eingebracht. Dies resultiert darin, dass sich das Lot im oberen Fugenbereich anbindet und sich somit eine hohe Nahtlage ausbildet. Zudem lassen sich die guten Ergebnisse (insbesondere die Lötnaht-Oberflächenqualität) beim Einsatz von elektrolytisch verzinkten Bauteilen nicht auf den Einsatz von feuerverzinkten Bauteilen übertragen. Ferner nimmt die Oberflächenqualität bei Erhöhung der Lötgeschwindigkeit ab.
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Aus der
DE 102 550 88 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Lötverbindungen bekannt. Das Verfahren nutzt einen Laser zum Erwärmen einer Lötstelle von rechtwinklig aufeinandertreffenden Bauteilen, wobei der Laser in einem 45°-Winkel in eine Fuge der Bauteile gestrahlt wird. Aus der
DE 10 2017 203 669 B3 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formung kohärenter Strahlung bekannt. Mittels der Vorrichtung wird ein Laserstrahl für einen Lötprozess in Teilstrahlen mit unterschiedlicher Intensitätsverteilung aufgeteilt. Aus der
DE 10 2013 107 484 A1 ist ein Verfahren zum Fügen eines Leichtblechs und eines Vollblechs bekannt. Die
DE 10 2018 120 523 A1 offenbart ein Laserstrahllöten von metallischen Werkstücken mit einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Fülldraht. Aus der
JP 2008-000814 A ist ein Laserstrahllötverfahren sowie eine Vorrichtung für das Laserstrahllötverfahren bekannt. Die
DE 10 2018 208 787 A1 offenbart eine Laserlötvorrichtung mit nachlaufendem Lötdraht und ein Laserlötverfahren.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Prozessanordnung, eine Lötverbindung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lötverbindung durch Laserstrahllöten bereitzustellen, bei dem die Lötverbindung im Vergleich zum Stand der Technik mit gesteigerter Prozessgüte herstellbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, des Anspruches 6, des Anspruches 8 und des Anspruches 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Erfindungsgemäß wird in der erfindungsgemäßen Prozessanordnung die Ausrichtung von Lötdraht und Laserstrahl im Vergleich zum Stand der Technik getauscht. In diesem Fall eilt also der Lötdraht in der Prozessrichtung dem Laserstrahl voraus, wodurch eine vom Lötdraht bewirkte Abschattung des Laserstrahls verhindert wird. Dadurch kann vorteilhaft der Laserstrahl einen unteren Bördelstoßbereich (das heißt unterer Bauteilfugenbereich) besser erwärmen, wodurch die Anbindung des Lotes gesteigert wird. Zudem können neben elektrolytisch verzinkte Blechteile ohne Qualitätsdefizite auch feuerverzinkte Bleche (auch mit ZnMg-Anteilen) gelötet werden. Ferner können ohne Qualitätsdefizite auch Lötgeschwindigkeiten von größer/gleich 6 m/min umgesetzt werden.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wird also durch den in der Prozessrichtung vorauseilenden Laserstrahl ein unterer Bördelstoßbereich der Bauteilfuge bei noch nicht zugeführtem Lötdraht direkt erwärmt. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Prozessanordnung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere bei einer später beschriebenen Heckklappengeometrie eines Fahrzeugs von Bedeutung.
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In einer bevorzugten technischen Umsetzung kann die Intensitätsverteilung am Laser-Spot, an dem der Laserstrahl der auf die Lötstelle einwirkt, eine ausgeprägte Mittenerhöhung aufweisen. Erfindungsgemäß ist eine Fokusebene des Laserstrahls entlang einer Laserstrahl-Achse örtlich versetzt zu dem auf die Lötstelle einwirkenden Laser-Spot. Auf diese Weise trifft der Laserstrahl defokussiert auf die Lötstelle auf, wodurch sich die Intensitätsverteilung des Laser-Spots mit ausgeprägter Mittenerhöhung ergibt.
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Alternativ oder zusätzlich bilden erfindungsgemäß die beiden Blechteile die Außenhaut einer Fahrzeug-Heckklappe.
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Der Laserstrahl kann bevorzugt ein Rundstrahl mit im Wesentlichen kreisflächenförmigem Laser-Spot sein.
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Nachfolgend wird die Prozessanordnung sowie das erfindungsgemäße Verfahren speziell mit Bezug eine Heckklappengeometrie einer Fahrzeug-Heckklappe erörtert: Demzufolge sind die beiden Blechteile ein Heckklappenunterteil und ein Heckklappenoberteil, die die Außenhaut der Fahrzeug-Heckklappe bilden. Das Heckklappenunterteil kann eine Kennzeichenmulde aufweisen, die nach fahrzeugoben durch einen Fügeflansch des Heckklappenoberteils abgeschlossen ist. Bei dieser Heckklappengeometrie gehen die beiden, in Lötverbindung gefügten Ober- und Unterteile mit ihren flächigen, sichtseitigen Grundkörpern unter Bildung einer Abstufung ineinander über. Die Biegekante des Heckklappenoberteils ist dabei über eine Stufenhöhe nach fahrzeugaußen zur Biegekante des Heckklappenunterteils versetzt. Die stegförmige Lötnaht ist in diesem Fall einerseits an einer ersten Naht-Anbindungsstelle im Bereich der gerundeten Biegekante des Heckklappenunterteils angebunden. Andererseits ist die stegförmige Lötnaht an einer zweiten Naht-Anbindungsstelle an dem ebenflächigen Fügeflansch des Heckklappenoberteils angebunden.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer Ansicht von fahrzeughinten einen Ausschnitt einer Fahrzeug-Heckklappe;
- 2 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus der 1;
- 3 in einer grob schematischen Darstellung eine Prozessanordnung zur Herstellung der in der 2 gezeigten Lötverbindung;
- 4 den Bördelstoß entsprechend der 2 während des Lötprozesses; und
- 5 eine aus dem Stand der Technik bekannte Lötverbindung im direkten Vergleich mit einer erfindungsgemäßen Lötverbindung.
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In der 1 ist ein Ausschnitt aus einer Fahrzeug-Heckklappe 12 gezeigt, deren Außenhaut aus einem Heckklappenunterteil 1 und einem Heckklappenoberteil 3 aufgebaut ist, die über eine später beschriebene Lötverbindung miteinander verbunden sind. Im Heckklappenunterteil 1 ist eine Kennzeichenmulde 6 ausgebildet, die in der 2 detailliert gezeigt ist. Demzufolge gehen die beiden Blechteile 1, 3 an Biegekanten 8 jeweils in abgewinkelte Fügeflansche 9 (siehe 2) über. Die Fügeflansche 9 der beiden Blechteile 1, 3 sind zueinander flächenparallel ausgerichtet und mit zwischengeordneter Bauteilfuge 5 (3) einander zugewandt, und zwar unter Bildung eines Bördelstoßes. Die beiden flächigen Grundkörper 2, 4 der Blechteile 1, 3 sind in der 1 oder 2 zueinander abgestuft, so dass die Biegekanten 8 der beiden Blechteile 1, 3 über eine Stufenhöhe Δh (1 oder 2) zueinander versetzt sind.
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In der Lötverbindung der 2 ist eine stegförmige Lötnaht 18 einerseits an einer ersten Naht-Anbindungsstelle 23 im Bereich der gerundeten Biegekante 8 des Blechteils 1 angebunden. Andererseits ist die stegförmige Lötnaht 18 an einer zweiten Naht-Anbindungsstelle 25 an dem ebenflächigen Fügeflansch 9 des zweiten Blechteils 3 angebunden. Die Lötnaht 18 weist an ihrer von der Sichtseite abgewandten Nahtwurzel 16 eine Nahtwurzelbreite b auf. Zudem weist die stegförmige Lötnaht 18 eine Anbindungslänge s auf.
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In der 3 ist grob schematisch eine Prozessanordnung gezeigt, in der die in der 2 gezeigte Lötverbindung herstellbar ist. Demzufolge weist die Prozessanordnung eine Laserbearbeitungseinheit 11 mit einer Laseroptik 7 und einer Drahtzuführung 10 auf. Die Laserbearbeitungseinheit 11 wird in der 3 in einer Prozessrichtung P entlang der Bauteilfuge 5 zwischen den beiden Blechteilen 1, 3 geführt. An einer Lötstelle L wird die Drahtspitze 13 eines von der Drahtzuführung 10 zugeführten Lötdrahts 15 von einem, in der Laseroptik 7 erzeugten Laserstrahl 19 aufgeschmolzen, und zwar unter Bildung der stegförmigen Lötnaht 18 in der Bauteilfuge 5. Im Gegensatz zu gängigen Laserstrahllöt-Verfahren eilt in der 3 der Laserstrahl 19 in der Prozessrichtung P dem Lötdraht 15 voraus.
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In der Laseroptik 7 der Laserbearbeitungseinheit 11 wird der Laserstrahl 19 derart eingestellt, dass dessen Fokusebene F entlang einer Laserstrahl-Achse S örtlich versetzt zu einem Laser-Spot 21 (1) liegt, an dem der Laserstrahl 19 auf die Lötstelle L einwirkt. Der Laserstrahl 19 trifft daher defokussiert auf die Lötstelle L auf, wodurch sich eine Intensitätsverteilung am Laser-Spot 21 mit ausgeprägter Mittenerhöhung ergibt, wie es in der 3a angedeutet ist. Der Laserstrahl 19 ist in der 3 oder 4 ein Rundstrahl mit im Wesentlichen kreisflächenförmigen Laser-Spot 21.
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Da der Laserstrahl 19 dem Lötdraht 15 vorauseilt, trifft im Lötprozess zuerst der Laserstrahl 19 auf die Lötstelle L. Dadurch kann der Laserstrahl 19 einen unteren Bördelstoßbereich 14 der Bauteilfuge 5 bei noch nicht zugeführtem Lötdraht 15 direkt erwärmen, wie es in der 4 gezeigt ist. Eine Abschattung des Laserstrahls 19 ist daher verhindert. Aufgrund der direkten Erwärmung des unteren Bördelstoßbereiches 14 wird Anbindung des Lotes gesteigert. Zudem können sowohl elektrolytisch verzinkte Blechteile als auch ohne Qualitätsdefizite feuerverzinkte Bleche (auch mit ZnMg-Anteilen) gelötet werden. Ferner können ohne Qualitätsdefizite auch Lötgeschwindigkeiten von größer/gleich 6 m/min umgesetzt werden.
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Anhand der 5 wird die erfindungsgemäße Lötverbindung (rechte Seite) mit einer herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Lötverbindung (linke Seite) verglichen.
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Im Stand der Technik (5, linke Seite) erfolgt der Lötprozess mit einer Prozessanordnung, bei der der Lötdraht 15 dem Laserstrahl 19 in der Prozessrichtung P vorauseilt. In diesem Fall kann eine taktile Drahtführung erfolgen, bei der der Lötdraht 15 zunächst so auf die Bauteilfuge 5 gelegt wird, dass der Lötdraht 15 an Anlagestellen A, B in Linienkontakt mit jedem der beiden Blechteile 1, 3 kommt. Anschließend wird der auf der Bauteilfuge 5 abgelegte Lötdraht 15 vom nacheilenden Laserstrahl 19 aufgeschmolzen, und zwar unter Bildung der stegförmigen Lötnaht 18. Im gezeigten Stand der Technik (5, linke Seite) schattet also der vorauseilende Lötdraht 15 den Laserstrahl 19 ab, so dass nur eine indirekte Wärmezufuhr zur Nahtwurzel erfolgt. Die Laserenergie wird daher verstärkt in einen oberen Bördelstoßbereich (das heißt oberer Bauteilfugenbereich) eingebracht. Dies resultiert darin, dass sich das Lot im oberen Fugenbereich anbindet und sich somit eine hohe Nahtlage ausbildet.
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Im Stand der Technik (5, linke Seite) befindet sich in der fertiggestellten herkömmlichen Lötverbindung die Nahtwurzel 16 mit ihren Naht-Anbindungsstellen nach wie vor in etwa auf gleicher Höhe wie die Linienkontakt-Anlagestellen A, B. Die aus dem Stand der Technik bekannte Lötnaht 18 (5, linke Seite) weist somit eine im Vergleich zur erfindungsgemäßen Lötnaht 18 (5, rechte Seite) reduzierte Anbindungslänge s sowie eine größere Nahtwurzel-Breite b auf.
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BEZUGSZEICHENLISTE:
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- 1, 3
- Blechteile
- 2, 4
- flächige Grundkörper
- 5
- Bauteilfuge
- 6
- Kennzeichenmulde
- 7
- Laseroptik
- 8
- Biegekanten
- 9
- Fügeflansche
- 10
- Drahtzuführung
- 11
- Laserbearbeitungseinheit
- 12
- Fahrzeug-Heckklappe
- 13
- Drahtspitze
- 14
- unterer Bördelstoßbereich
- 15
- Lötdraht
- 16
- Nahtwurzel
- 18
- stegförmige Lötnaht
- 19
- Laserstrahl
- 21
- Laser-Spot
- 23
- erste Naht-Anbindungsstelle
- 25
- zweite Naht-Anbindungsstelle
- s
- Anbindungslänge
- b
- Nahtwurzel-Breite
- Δh
- Stufenhöhe
- A, B
- Linienkontakt-Anlagestellen
- S
- Laserstrahl-Achse
- P
- Prozessrichtung
- F
- Fokusebene
