DE10204474A1

DE10204474A1 - Spannvorrichtung und Verfahren zum Laserschweißen beschichteter Bleche

Info

Publication number: DE10204474A1
Application number: DE10204474A
Authority: DE
Inventors: Tobias Hiermer; Bernd Barm; Werner Greule
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2022-02-06
Also published as: DE10204474B4; WO2003066273A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum abstandsgenauen Fixieren zweier beschichteter Bleche in einem randseitigen Überlappungsbereich mit zwei einander gegenüberliegenden Spannbacken sowie ein Verfahren zum Laserschweißen beschichteter Bleche. Um gattungsgemäße Verfahren zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass jede Spannbacke der Spannvorrichtung auf einer der gegenüberliegenden Spannbacke zugewandten Fläche Vorsprünge aufweist, die durch Aussparungen hindurchragen, welche in dem der Spannbacke benachbarten Blech vorgesehen sind. Dabei liegen die Vorsprünge an dem gegenüberliegenden Blech an, und die Höhe der Vorsprünge entspricht der Dicke des der Spannbacke benachbarten Blechs zuzüglich dem gewünschten Abstand der Bleche.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum abstandsgenauen Fixieren zweier beschichteter Bleche in einem randseitigen Überlappungsbereich gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Verbinden zweier beschichteter Bleche sowie einen Verbindungsbereich zweier beschichteter Bleche zur Verbindung mit Hilfe des Laserstrahlschweißens gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 4 und 8.

In der Automobilindustrie werden zum Verschweißen von Karosserieblechen verstärkt Laserschweißverfahren eingesetzt, da es sich um ein hochgenaues und unter Leichtbaugesichtspunkten vorteilhaftes Fügeverfahren handelt. Allerdings kommt es zu Problemen, wenn die zu fügenden Bleche mit einer Beschichtung versehen sind, die eine Verdampfungstemperatur aufweist, die deutlich niedriger als der Schmelzpunkt des Blechwerkstoffs ist: In diesem Fall verdampft der Beschichtungswerkstoff während des Schweißvorgangs, gelangt in die Metallschmelze und führt so zu einer porösen und qualitativ schlechten Schweißnaht.

Um eine qualitativ hochwertige Schweißung zu erhalten, können Entgasungskanäle zwischen den zu verschweißenden Bauteilen vorgesehen werden, durch die die Dämpfe entweichen können. Dabei ist es bei einer vorgegebenen Blechgeometrie vorteilhaft, diesen Spalt mit Hilfe von Spannwerkzeugen zu erzeugen.

Aus der EP 157 913 A1 ist eine Spannvorrichtung bekannt, mit der ein solcher Entgasungsspalt zwischen zwei Blechen beim Einspannen der Bleche vorgesehen werden kann. Die Vorrichtung umfasst einen Schweißtisch, auf den eines der beiden Bleche aufgelegt wird. Zwischen das aufliegende und das zweite Blech wird ein zur Spannvorrichtung gehörender Abstandhalter eingebracht, und die Bleche werden dann von der dem Schweißtisch abgewandten Seite durch ein Spannmittel fixiert.

Diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass der Abstandhalter zwar mit der Spannvorrichtung verbunden, jedoch in der Handhabung ein unabhängig von dem Spannmittel bedienbares Element ist, das relativ umständlich zwischen die beiden Bleche geschoben werden muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannvorrichtung sowie ein Verfahren vorzuschlagen, mit deren Hilfe einfach und prozesssicher das Laserstrahlschweißen beschichteter Bleche mit einem definierten, reproduzierbaren Entgasungsspalt zwischen den Blechen durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4 und 8 gelöst. Danach wird eine Spannvorrichtung mit zwei einander gegenüberliegenden Spannbacken vorgesehen, die auf den einander zugewandten Flächen Vorsprünge aufweisen. Diese Vorsprünge greifen durch Aussparungen hindurch, die in den miteinander zu verbindenden Blechen vorgesehen sind, so dass die Vorsprünge auf einer Spannbacke durch die Aussparungen des der Spannbacke benachbarten ersten Blechs hindurchragen und an dem der Spannbacke gegenüberliegenden Blech anliegen. So werden die Bleche durch die Spannvorrichtung in einem definierten Abstand voneinander gehalten.

Bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung ist dasjenige Element der Spannvorrichtung, das für die Beabstandung der beiden Bleche sorgt - in diesem Fall die Vorsprünge - direkt mit den Spannbacken verbunden. Dies bietet den Vorteil, dass kein zusätzlicher Abstandhalter zwischen den Blechen befestigt werden muss, sondern mit dem Spannvorgang auch gleichzeitig der Abstand hergestellt wird, was die Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr einfach macht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Vorsprünge einstückig mit den Spannbacken ausgebildet. So ergibt sich eine konstruktiv sehr einfache und preiswerte Ausführung der Spannbacken, die in diesem Fall aus einem Stück gefertigt werden können (Anspruch 2).

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Höhe der Vorsprünge auf den Spannbacken einstellbar. So wird beim Laserstrahlschweißen die Flexibilität erhöht, da einerseits der Abstand verändert werden kann und andererseits unterschiedlich dicke Bleche eingespannt werden können (Anspruch 3).

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden zweier beschichteter Bleche mit Hilfe einer Laserstrahlschweißvorrichtung unter Verwendung der Spannvorrichtung sieht vor, die Bleche mit Hilfe der Spannvorrichtung auf einen definierten Abstand relativ zueinander zu fixieren und einen Laserstrahl im Überlappungsbereich in einem der Einspannungsstelle abgewandten Bereich zu führen, so dass die Bleche im Überlappungsbereich miteinander verbunden werden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass kein zusätzlicher Arbeitsgang für die Befestigung eines Abstandhalters zwischen den Blechen erforderlich ist (Anspruch 4).

Vorteilhafterweise wird die zum Fixieren der Bleche benötigte Einspannkraft über ein magnetisches Feld zwischen den Spannbacken aufgebracht. Dies bietet die Möglichkeit, auch bei beengten Platzverhältnissen Bleche miteinander zu verschweißen, da keine große Einspannmechanik untergebracht werden muss (Anspruch 5).

Alternativ kann die zum Fixieren der Bleche benötigte Einspannkraft über luftgefüllte Körper aufgebracht werden, welche die Spannbacken von außen zusammendrücken. Dieses Verfahren kommt insbesondere dann zur Anwendung, wenn Schweißnähte vorgesehen sind, die einen abgeschlossenen Raum begrenzen. Ein Anwendungsbeispiel stellt das Laserstrahlschweißen von Längsträgern im Kraftfahrzeug dar (Anspruch 6).

Zweckmäßigerweise beträgt der Abstand der Bleche zwischen 0,1 und 0,3 mm. Dieser Abstand ist insofern optimal, als der Spalt zwischen den beiden Blechen einerseits schmal genug ist, um eine Verbindung der beiden Bleche zu gewährleisten, andererseits aber breit genug, um den beim Laserstrahlschweißen entstehenden Dämpfen genügend Raum zum Entweichen zu geben (Anspruch 7).

Der erfindungsgemäße Verbindungsbereich zweier beschichteter Bleche zeichnet sich dadurch aus, dass die Bleche im Überlappungsbereich Aussparungen aufweisen, durch die die auf der Spannbacke der Spannvorrichtung vorgesehenen Vorsprünge hindurchgreifen können. Dies ermöglicht die präzise und reproduzierbare Einspannung der Blechteile, so dass keine zusätzlichen Bauteile verwendet werden müssen. Ferner kann auf diese Weise die Schweißnaht sehr nah an den Rand des Überlappungsbereichs gelegt werden (Anspruch 8).

Vorteilhafterweise sind die Aussparungen in dem Blech durch ein Stanzverfahren erzeugt. Dies ist ein preiswertes und großserientaugliches Verfahren, das direkt im Anschluss an den Tiefziehvorgang durchgeführt werden kann (Anspruch 9).

Weiterhin können die Aussparungen zum Rand des Blechs hin geöffnet sein. So lässt sich die Einspannvorrichtung vom Rand her auf die Bleche aufschieben, und die Anforderungen an die Passgenauigkeit der Vorsprünge auf den Spannbacken sind gering. Ferner wird auf diese Weise ein randnahes Schweißen ermöglicht (Anspruch 10).

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Spannbacke der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung,
Fig. 2 zwei mit der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung fixierte Bleche in der Draufsicht,
Fig. 3 verschiedene Ausführungsformen des Überlappungsbereichs der Bleche mit
a) halbkreisförmigen,
b) dreieckförmigen,
c) kreisförmigen und
d) trapezförmigen Aussparungen sowie
Fig. 4 zwei mit der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung fixierte Bleche in der Seitenansicht.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Spannbacke 1 einer Spannvorrichtung 2. Auf einer Innenfläche 3 sind Vorsprünge 4 angeordnet, die in diesem Ausführungsbeispiel die Form von Quadern besitzen. Sie sind einstückig mit der Spannbacke 1 ausgebildet und besitzen im Verhältnis zu der Innenfläche 3 einen relativ kleinen Querschnitt. Die Vorsprünge 4 befinden sich etwa auf halber Höhe der Innenfläche 3.
In Fig. 2 sind zwei mit Hilfe der Spannvorrichtung 2 eingespannte Bleche 5, 5' in einer Draufsicht dargestellt. Die Spannvorrichtung 2 umfasst zwei einander gegenüberliegende Spannbacken 1, 1', die beide mit Vorsprüngen 4, 4' versehen sind. In diesem Ausführungsbeispiel besitzen die Spannbacken 1, 1' keine einstückig mit ihnen verbundenen Vorsprünge 4, 4'. Vielmehr sind die Vorsprünge 4, 4' auf der Spannbacke 1, 1' hier einstellbar realisiert, in diesem Fall als Schrauben 6, die von der abgewandten Seite 7 durch die Spannbacke 1, 1' hindurchgeführt werden und von dieser Seite 7 mit Hilfe eines Sicherungselementes 8, das ein Sicherungsring oder eine Mutter sein kann, fixiert sind. In diesem Fall besteht der Vorsprung 4 aus dem aus der Spannbacke 1 herausragenden Teil 9 der Schraube 6.
In Fig. 2 ist ferner zu sehen, wie die Bleche 5, 5' mit Hilfe der Spannvorrichtung 2 relativ zueinander mit einem definierten Abstand 10 fixiert werden. Die an der ersten Spannbacke 1 vorgesehenen Vorsprünge 4 greifen durch Aussparungen 11 in dem der Spannbacke 1 benachbarten ersten Blech 5 hindurch, so dass das erste Blech 5 an der Innenfläche 3 der Spannbacke 1 anliegen kann. Das gegenüberliegende zweite Blech 5' liegt an den Stirnflächen 12 der Vorsprünge 4 und an der Innenfläche 3' der gegenüberliegenden zweiten Spannbacke 1' an. Ferner greifen die an der zweiten Spannbacke 1' vorgesehenen Vorsprünge 4' durch die Aussparungen 11' in dem daran anliegenden zweiten Blech 5' hindurch, so dass das erste Blech 5 sowohl an der Innenfläche 3 als auch an den Stirnflächen 12' der Vorsprünge 4' anliegt. So entsteht der gewünschte Abstand 10 zwischen den beiden Blechen 5, 5'. Der Abstand 10 der Bleche 5, 5' hat zur Folge, dass ein Spalt 13 zwischen den Blechen 5, 5' ausgebildet ist.
Die Höhe der Vorsprünge 4, 4' muss demnach so gewählt werden, dass sie der Dicke des an der zugehörigen Spannbacke 1, 1' anliegenden Blechs 5, 5' zuzüglich dem gewünschten Abstand 10 der beiden Bleche 5, 5' entspricht.
In Fig. 3 sind beispielhaft Ausführungsformen des Blechs 5 dargestellt, das mit Hilfe des Laserstrahlschweißens mit dem zweiten Blech 5' verbunden werden soll. Dieses Blech 5 ist mit einer Beschichtung aus einem z. B. zinkhaltigen Werkstoff versehen, die es vor Korrosion schützen soll. Der Werkstoff der Beschichtung besitzt eine niedrigere Verdampfungstemperatur als die Schmelztemperatur des Blechwerkstoffs, weswegen die beim Schweißen entstehenden Gase/Dämpfe gezielt durch den Spalt 13 abgeführt werden müssen.
Alle in Fig. 3 dargestellten Ausführungsformen des Blechs 5 weisen einen an den Blechrand 14 grenzenden abgewinkelten Flansch 15 auf, der im eingespannten Zustand gemeinsam mit dem Flansch 15' des gegenüberliegenden Blechs 5' einen Überlappungsbereich 16 bildet. In einem dem Blechrand 14 zugewandten Randbereich 17 des Flansches 15 sind die Aussparungen 11 vorgesehen, die unterschiedliche Geometrien besitzen können. Sie können die Form von Halbkreisen 18 besitzen und zum Blechrand 14 hin geöffnet sein, wie in Fig. 3a) dargestellt, oder die Form eines Dreiecks 19, wie in Fig. 3b) gezeigt. Auch die Geometrie eines geschlossenen Kreises 20, die in Fig. 3c) gezeigt ist, ist möglich. Ferner kann für die Aussparungen 11 auch eine trapezförmige Geometrie 21 gewählt werden, wie in Fig. 3d) verdeutlicht. Die Aussparungen 11 müssen in Form und Lage derart an dem Flansch 15 angeordnet werden, dass die korrespondierenden Vorsprünge 4 auf der Spannbacke 1 in der eingespannten Position der beiden zu verbindenden Bleche 5, 5' durch die Aussparungen 11 des der Spannbacke 1 benachbarten Blechs hindurchgreifen können. Die Aussparungen 11 im Blech 5 können nach dem Tiefziehvorgang beispielsweise durch Stanzen erzeugt werden.
In Fig. 4 ist die Spannvorrichtung 2 mit zwei darin fixierten Blechen 5, 5' in der Seitenansicht zu sehen. Anhand dieser Figur kann das Verfahren zum Verbinden zweier beschichteter Bleche 5,5' wie folgt beschrieben werden:
Vor dem Schweißvorgang werden die Bleche 5, 5' wie oben beschrieben mit einem definierten Abstand 10 zwischen den Spannbacken 1, 1' fixiert. Die Geometrie der Flansche 15, 15' und die Vorsprünge 4, 4' sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass zwischen einer Einspannungsstelle 22 und dem Blechrand 14, 14' ein ausreichend großer Bereich 23 des Überlappungsbereichs 16 für den Schweißvorgang frei bleibt. Anschließend wird in diesem Bereich 23 ein Laserstrahl 24 geführt. Dies kann beispielsweise näherungsweise parallel zur Einspannungsstelle 22 erfolgen. So können eine durchgehende Schweißnaht oder einzelne Schweißpunkte erzeugt werden. Durch diesen Schweißvorgang werden die Flansche 15, 15' der beiden Bleche 5, 5' miteinander verbunden.
Gleichzeitig können die Gase, die sich durch das Verdampfen des Beschichtungsmaterials während des Schweißvorgangs entwickeln, durch den Spalt 13 zwischen den beiden Blechen 5, 5' entweichen und beeinträchtigen so nicht die Qualität der Schweißnaht. Der Abstand 10 bzw. die Breite des Spalts 13 zwischen den Blechen 5, 5' muss daher einerseits so groß gewählt werden, dass die Dämpfe ausreichend schnell entweichen können und andererseits so gering, dass noch eine dauerhafte Verbindung zwischen den Blechen 5, 5' erzielt werden kann. Eine optimale Spaltbreite liegt im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,3 mm.
Die Kraft zum Einspannen der Bleche 5, 5' zwischen den Spannbacken 1, 1' kann auf verschiedene Arten erzeugt werden: So kann sie beispielsweise mit konventioneller Spanntechnik mechanisch aufgebracht werden. Weiterhin kann gerade bei Verwendung des Verfahrens in engen Räumen, z. B. beim Verschweißen von Längsträgern im Automobilbau ein aufblasbares Element wie ein luftgefüllter Ballon zum Zusammendrücken der Spannbacken 1, 1' verwendet werden. Eine dritte Möglichkeit bietet das Anlegen eines Magnetfeldes an die beiden Spannbacken 1, 1'.
Die Spannvorrichtung 2 und das Verfahren zum Laserschweißen beschichteter Bleche 5, 5' sind nicht beschränkt auf die oben dargestellten Ausführungsbeispiele.
Vielmehr können für die Vorsprünge 4, 4' Geometrien vorgesehen werden, die von den hier aufgeführten abweichen. Auch die Verstellbarkeit der Vorsprünge 4, 4' muss nicht über Schrauben 6 realisiert werden. Hier können auch andere Verstellelemente wie z. B. Stifte vorgesehen werden.
Weiterhin ist die Ausbildung des Überlappungsbereichs 16 der beiden Bleche 5, 5' in Form von abgewinkelten Flanschen 15, 15' nicht unbedingt erforderlich. Denkbar ist auch eine andere Ausführung dieses Bereichs 16. Er braucht beispielsweise nicht abgewinkelt zu sein.

Claims

1. Spannvorrichtung zum abstandsgenauen Fixieren zweier beschichteter Bleche in einem randseitigen Überlappungsbereich, wobei die Spannvorrichtung zwei einander gegenüberliegende Spannbacken umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spannbacke (1, 1') auf der der gegenüberliegenden Spannbacke (1', 1) zugewandten Fläche (3, 3') Vorsprünge (4, 4') aufweist, die durch Aussparungen (11, 11') hindurchragen, welche in dem der Spannbacke (1, 1') benachbarten Blech (5, 5') vorgesehen sind, wobei die Vorsprünge (4, 4') an dem gegenüberliegenden Blech (5', 5) anliegen und die Höhe der Vorsprünge (4, 4') der Dicke des der Spannbacke (1, 1') benachbarten Blechs (5, 5') zuzüglich dem gewünschten Abstand (10) der Bleche (5, 5') entspricht.

2. Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (4, 4') einstückig mit der Spannbacke (1, 1') ausgebildet sind.

3. Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Vorsprünge (4, 4') einstellbar ist.

4. Verfahren zum Verbinden zweier beschichteter Bleche mit einem randseitigen Überlappungsbereich unter Verwendung einer Laserstrahlschweißvorrichtung und der Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den folgenden Verfahrensschritten:

a) die Bleche (5, 5') werden mit Hilfe der Spannvorrichtung (2) im Überlappungsbereich (16) auf einen definierten Abstand (10) relativ zueinander fixiert,

b) ein Laserstrahl (24) wird im Überlappungsbereich (16) in einem der Einspannungsstelle (22) abgewandten Bereich (23) geführt, so dass die Bleche (5, 5') im Überlappungsbereich (16) miteinander verbunden werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Fixieren der Bleche (5, 5') benötigte Einspannkraft über ein magnetisches Feld zwischen den Spannbacken (1, 1') aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Fixieren der Bleche (5, 5') benötigte Einspannkraft über die Spannbacken (1, 1') von außen zusammendrückende luftgefüllte Körper aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (10) zwischen 0,1 mm und 0,3 mm beträgt.

8. Verbindungsbereich zweier beschichteter Bleche mit einem randseitigen Überlappungsbereich zur Verbindung mit Hilfe des Laserstrahlschweißens, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche (5, 5') im Überlappungsbereich (16) Aussparungen (11, 11') zur Aufnahme von Vorsprüngen (4, 4') einer Spannvorrichtung (2) aufweisen, mit Hilfe derer die Bleche (5, 5') während des Laserstrahlschweißens abstandsgenau zueinander positionierbar sind.

9. Verbindungsbereich nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (11, 11') in dem Blech (5, 5') durch ein Stanzverfahren erzeugt sind.

10. Verbindungsbereich nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (11, 11') zum Rand (14, 14') des Blechs (5, 5') hin geöffnet sind.