DE10215017A1 - Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls aus einem Laserschweißkopf - Google Patents

Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls aus einem Laserschweißkopf

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls (2) aus einem Laserschweißkopf (3). Der Laserschweißkopf (3) ist an zwei in einem Überlappungsbereich (8) übereinander liegenden Blechrandflanschen (6, 7) bewegungsgesteuert entlangführbar. Mit dem Laserschweißkopf (3) ist wenigstens ein Positionshalter (4) fest verbunden, der angrenzend an die unmittelbare Schweißstelle (5) auf den Oberblech-Randflansch (6) im Überlappungsbereich (8) drückt. Wenigstens die gegeneinander weisenden Flächen des Oberblech-Randflansches (6) und des Unterblech-Randflansches (7) sind mit einem Überzug versehen, der beim Schweißen einen Überzug-Dampf bildet. Erfindungsgemäß ist am Laserschweißkopf (3) ein Abstandshalter (9) angeordnet, der zum Positionshalter (4), bezogen auf die Schweißrichtung, so quer beabstandet ist, dass der Positionshalter (4) im Überlappungsbereich (8) beabstandet zur Oberblech-Randkante (10) und der Abstandshalter (9) neben der Oberblech-Randkante (10) positioniert sind. Der Aufstandsbereich des Abstandshalters (9) ist, bezogen auf die Laserstrahlrichtung (2), versetzt zum Aufstandsbereich des Positionshalters (4), so dass ein nach außen offener Abströmspalt (12) zwischen dem Aufstandsbereich des Positionshalters (4) und der Oberblech-Randkante (10) entsteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls aus einem Laserschweißkopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Um beim Laserstrahlschweißen ein optimales Schweißergebnis zu erhalten, müssen die miteinander zu verbindenden Bleche im Überlappungsbereich aneinander liegen. Bei Verwendung von überzogenen Blechen, wie z. B. verzinkten Blechen, entsteht durch die Erhitzung der Materialien während des Schweißvorgangs im Überlappungsbereich ein Zinkdampf, der zu einer negativen Beeinträchtigung des Schweißergebnisses, insbesondere durch innere Nahtfehler, wie z. B. Poren, Risse oder Löcher, führen kann. Hohe Anforderungen an die Schweißnahtqualität werden im Karosseriebau gestellt, um die erforderliche Festigkeit und/oder Dichtheit im Außenbereich sicherzustellen, so dass hier besondere Maßnahmen zur Vermeidung solcher Nahtfehler zu treffen sind. Um ein Abströmen des Zinkdampfes zu ermöglichen ist ein wenigstens einseitig offener Abströmspalt zwischen den Blechen notwendig. Die dazu benötigte Spaltweite beträgt einen Bruchteil der Blechdicke. Zur Schaffung eines Abströmspaltes und zur Einhaltung einer optimalen Spaltweite während des Schweißvorganges sind verschiedene Lösungen bekannt.
  • In der DE 39 09 471 C2 wird für einen konstanten Abstand zwischen den beiden zu verschweißenden, verzinkten Blechen im Überlappungsbereich in wenigstens eines der Bleche eine Rändelung eingebracht. Diese kann als Quer-, Schräg- oder Kreuzrändelung ausgebildet sein. Damit ist ein konstanter Spalt zwischen den beiden Blechen geschaffen, der ein sicheres Abströmen entstehender Zinkdämpfe gewährleistet. Nachteilig dabei ist, dass die Rändelung in das Blech in einem separaten Arbeitsgang eingebracht werden muss.
  • In der EP 0 157 913 B2 werden die beiden zu verschweißenden, verzinkten Bleche im Überlappungsbereich mit einer Klemmeinrichtung gegen eine feste Oberfläche gedrückt, für den geforderten Abstand zwischen den beiden Blechen sind Abstandshalter im Überlappungsbereich zwischen den beiden Blechen angeordnet. Dadurch ist mit der Höhe der Abstandshalter ein konstanter Spalt zwischen den beiden Blechen gebildet, so dass entstehender Zinkdampf abströmen kann. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, dass zusätzlich zum robotergeführten Laserschweißkopf eine zweite aufwändige Vorrichtung notwendig ist, mit der einerseits die Klemmung und andererseits durch ortsfeste Abstandshalter der Spalt zwischen den Blechen herstellbar ist.
  • Bei einer gattungsgemäßen, bekannten Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls aus einem Laserschweißkopf (EP 0 764 497 D1) ist der Laserschweißkopf an zwei in einem Überlappungsbereich übereinanderliegenden Randflanschen als Oberblech-Randflansch und als Unterblech-Randflansch bewegungsgesteuert entlangführbar. Mit dem Laserschweißkopf ist ein Andrückelement als Positionshalter fest verbunden und mitbewegbar, der angrenzend an die unmittelbare Schweißstelle auf den Oberblech-Randflansch im Überlappungsbereich drückt. Die gegeneinander weisenden Blechen des Oberblech-Randflansches und des Unterblech-Randflansches sind mit einem Überzug versehen, der beim Schweißen einen Überzug-Dampf bildet.
  • Das Andrückelement ist konkret als stiftförmiger bzw. fingerförmiger Andruckpin ausgebildet der dem Laserstrahl in Richtung der Schweißnaht vor- oder nachgelagert ist. Mittels dem Andruckpin wird auf dem Oberblech-Randflansch ein erforderlicher Anpressdruck aufgebracht, mittels dem eine flächige Anlageverbindung zwischen den beiden Blechen im Überlappungsbereich gewährleistet ist. Der Andruckpin dient zusätzlich als Zuführleitung für ein ggf. zum Schweißen erforderliches Schutzgas. Ein Abströmspalt beim Schweißen verzinkter Bleche für entstehende Zinkdämpfe ist hier nicht vorgesehen, so dass sich dabei die eingangs erläuterten Probleme ergeben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls so weiterzubilden, dass bei Blechen mit einem beim Schweißen zumindest teilweise verdampfenden Überzug ein definiertes Abströmen eines während des Schweißvorgangs entstehenden Überzug-Dampfes gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Gemäß Anspruch 1 ist mit dem Laserschweißkopf ein zweites Andrückelement als Abstandshalter unmittelbar oder mittelbar verbunden und mitbewegbar. Der Querabstand zwischen dem Positionshalter und dem Abstandshalter bezogen auf die Schweißrichtung ist so groß, dass der Positionshalter im Überlappungsbereich beabstandet zur Oberblech-Randkante und der Abstandshalter neben der Oberblech-Randkante positioniert sind. Der Aufstandsbereich des Abstandshalters bezogen auf die Laserstrahlrichtung liegt versetzt zum Aufstandsbereich des Positionshalters dergestalt, dass der Versatz dem Betrag der Blechstärke des Oberblech-Randflansches, die um den Betrag einer Abströmspaltweite ergänzt ist, entspricht. Dadurch entsteht ein nach außen offener Abströmspalt zwischen dem Aufstandsbereich des Positionshalters und der Oberblech-Randkante.
  • Der Positionshalter übernimmt die exakte Positionierung der Bleche, wobei der Anpressdruck variabel einstellbar ist und direkt auf das Oberblech in den Schweißnahtverlauf geht.
  • Vorteilhaft bei dieser Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen ist, dass sowohl mit dem Positionshalter der Oberblech-Randflansch auf den Unterblech-Randflansch für ein optimales Schweißergebnis gedrückt wird als auch mit dem Abstandshalter, der neben der Oberblech-Randkante auf den Unterblech-Randflansch drückt, ein nach außen offener Abströmspalt definierter Spaltweite zwischen dem Aufstandsbereich des Positionshalters und der Oberblech-Randkante gebildet ist. Der Abströmspalt ist im Schnitt betrachtet V-förmig ausgebildet, d. h. dass im Aufstandsbereich des Positionshalters eine Anlageverbindung zwischen den beiden Blechrandflanschen vorhanden ist und, vom Aufstandsbereich des Positionshalters in Richtung des Aufstandsbereichs des Abstandshalters betrachtet, erweitert sich der Abströmspalt V-förmig. Sowohl der Positionshalter als auch der Abstandshalter werden mit dem Laserschweißkopf mitbewegt und wirken im jeweils aktuellen Schweißbereich. Dadurch sind keine aufwändigen Einspannmaßnahmen für Abströmspaltbildungen erforderlich. Zudem können bisherige Schweißvorrichtungen auch für verzinkte Bleche genutzt werden, wobei lediglich ein Laserschweißkopf mit einem zusätzlichen Abstandshalter auszurüsten ist. Eine Spaltweite von ca. 0,2 mm hat sich in der Praxis als notwendig und ausreichend erwiesen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gleichermaßen für ein Laserschweißen mit oder ohne Zusatzwerkstoff geeignet.
  • Um einen genauen Aufstandsbereich des Positionshalters und des Abstandshalters für eine exakte Einstellung der beiden Bleche zueinander weisen gemäß Anspruch 2 der Positionshalter und der Abstandshalter an den jeweils den Blechen zugeordneten Enden ein stiftförmiges Ende auf. Dadurch sind die Aufstandsbereiche auf die jeweiligen Bleche weitgehend punktförmig. Durch die Ausführung des Positionshalters und des Abstandshalters in der Art von Andrückfingern ist durch den genau definierten Aufstandsbereich des Positionshalters und des Abstandshalters auf den jeweiligen Blechrandflanschen eine exakte Positionierung der Bleche zueinander möglich. Dadurch ist immer ein optimaler Abströmraum für den entstehenden Zinkdampf zwischen den beiden Blechen gewährleistet und im Schweißnahtverlauf liegen die beiden Bleche für eine optimale Schweißnaht aneinander. Der Positionshalter und der Abstandhalter sind bevorzugt zumindest am stiftförmigen Ende aus hochlegiertem Stahl hergestellt, gehärtet und ATC beschichtet.
  • Bei jeweils gleichen Blechstärken des Oberblechs ist eine feste Zuordnung des Abstandshalters am Laserschweißkopf möglich. Für einen universellen Einsatz ist gemäß Anspruch 3 der Abstandshalter mittels einer Verstelleinrichtung verlagerbar am Laserschweißkopf angeordnet. Dadurch ist der Versatz zwischen dem Aufstandsbereich des Abstandshalters und dem Aufstandsbereich des Positionshalters in Laserstrahlrichtung einstellbar. Ein Einsatz der Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen ist somit vorteilhaft bei unterschiedlichen Blechstärken des Oberblechs möglich. Je nach Blechstärke des Oberblechs wird die Relativlage des Abstandshalters zum Positionshalters vor Beginn des Schweißvorganges eingestellt, so dass der Versatz zwischen den beiden Aufstandsbereichen des Abstandshalters und des Positionshalters dem Betrag der Blechstärke des Oberblechs, der um den Betrag einer Abströmspaltweite ergänzt ist, entspricht.
  • In einer einfachen Ausführung der Vorrichtung zum Schweißen ist die Verstelleinrichtung gemäß Anspruch 4 als Stellschraube ausgeführt. Durch Verstellung der Stellschraube ist der Abstandshalter relativ zum Positionshalter in etwa in Laserstrahlrichtung verlagerbar. Damit ist auf einfache Weise eine Einstellung der Vorrichtung zum Schweißen für unterschiedliche Blechstärken des Oberblechs möglich. Durch z. B. eine Fixiereinrichtung ist eine Sicherung des Abstandshalters während des Schweißvorgangs in der eingestellten Position gewährleistet.
  • Für einen automatisierten Ablauf des kompletten Schweißvorganges ist gemäß Anspruch 5 die Verstelleinrichtung als Stellmotor, vorzugsweise als Elektro- Stellmotor, ausgeführt. Durch Verstellung des Stellmotors ist der Abstandshalter relativ zum Positionshalter in etwa in Laserstrahlrichtung verlagerbar. Damit ist z. B. in der Robotersteuerung, die die Bewegungen des Laserschweißkopfes steuert, eine Einstellmöglichkeit für die Verstellung des Abstandshalters mittels des Stellmotors für unterschiedliche Blechstärken des Oberblechs integrierbar. Mit z. B. einem selbsthemmenden Elektro-Stellmotor ist zugleich eine Fixierung der Lage des Abstandshalters während des Schweißvorgangs einfach möglich.
  • Gemäß Anspruch 6 ist der Positionshalter dem Laserstrahl am Auftreffbereich bezogen auf die Schweißrichtung mit geringem Abstand vor- oder nachgelagert. Damit ergibt sich ein gutes Schweißergebnis und zudem ist eine bauraumsparende Anordnung des Positionshalters am Laserschweißkopf geschaffen, so dass auch bei beengten Verhältnissen der zu schweißenden Bauteile die Vorrichtung zum Schweißen einsetzbar ist.
  • Für eine platzsparende Anbringung des Abstandshalters am Laserschweißkopf ist der Abstandshalter gemäß Anspruch 7 bezogen auf die Schweißrichtung gegenüberliegend zum Positionshalter angeordnet. Damit sind der Abstandshalter und der Positionshalter quer beabstandet auf einer Linie in etwa senkrecht zur Schweißrichtung anordenbar. Damit ist ein optimales Positionierungsergebnis der beiden Bleche zueinander auf kleinem Bauraum verwirklicht.
  • Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zum Schweißen von Blechverbindungen verzinkter Bleche mittels eines Laserstrahls 2 aus einem Laserschweißkopf 3. Mit dem Laserschweißkopf 3 ist ein Positionshalter 4 fest verbunden, der angrenzend an die unmittelbare Schweißstelle 5 auf einen Oberblech-Randflansch 6 drückt. An dem Oberblech-Randflansch 6 ist ein Unterblech-Randflansch 7 in einem Überlappungsbereich 8 angeordnet. Zusätzlich am Laserschweißkopf 3 ist ein Abstandshalter 9 in einem Querabstand 14 bezogen auf die Schweißrichtung zum Positionshalter 4 angeordnet, so dass der Positionshalter 4 im Überlappungsbereich 8 beabstandet zur Oberblech-Randkante 10 und der Abstandshalter 9 neben der Oberblech-Randkante 10 positioniert sind. Der Aufstandsbereich des Abstandshalters 9 ist bezogen auf die Richtung des Laserstrahls 2 versetzt zum Aufstandsbereich des Positionshalters 4. Der Versatz 15 entspricht dem Betrag der Blechstärke des Oberblech-Randflansches 6, die um den Betrag einer Abströmspaltweite 11 ergänzt ist. Dadurch entsteht ein nach außen offener, V-förmiger Abströmspalt 12 zwischen dem Aufstandsbereich des Positionshalters 4 und der Oberblech- Randkante 10.
  • Der Positionshalter 4 und der Abstandshalter 9 sind an den jeweils den Blechen zugeordneten Enden stiftförmig ausgeführt, so dass die Aufstandsbereiche auf die jeweiligen Bleche 6 und 7 punktförmig sind. Am Abstandshalter 9 ist ein Stellmotor 13 angeordnet, mit dem die Relativlage des Abstandshalters 9 zum Positionshalter 4 veränderbar ist. Somit kann die Vorrichtung 1 für unterschiedliche Materialstärken des Oberblech-Randflansches 6 eingesetzt werden. Der Abstandshalter 9 ist mit dem Stellmotor 13 exakt so einstellbar, dass der Versatz 15 zwischen dem Aufstandsbereich des Positionshalters 4 und dem Aufstandsbereich des Abstandshalters 9 der Blechstärke des Oberblech-Randflansches 6 plus der Abströmspaltweite 11 entspricht.
  • Ein Roboter zur Führung der Vorrichtung 1, mit der der Laserschweißkopf 3 in Schweißrichtung entlang dem Überlappungsbereich 8 führbar ist und an der sowohl der Positionshalter 4 als auch der Abstandshalter 9 befestigt sind, ist aus Übersichtlichkeitsgründen nicht mit dargestellt.
  • Damit ist eine Vorrichtung 1 zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls 2 aus einem Laserschweißkopf 3 geschaffen, mit der, aufgrund des Positionshalters 4, eine exakte Positionierung der Blechrandflansche 6 und 7 im Überlappungsbereich 8 gewährleistet ist und, aufgrund des Abstandshalters 9, ein Abströmspalt 12 erhaltbar ist, aus dem beim Schweißen ein entstehender Zinkdampf entweichen kann. Dadurch ist ein optimales Schweißergebnis weitestgehend sichergestellt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls aus einem Laserschweißkopf, wobei
der Laserschweißkopf an zwei in einem Überlappungsbereich übereinanderliegenden Randflanschen als Oberblech-Randflansch und als Unterblech-Randflansch bewegungsgesteuert entlangführbar ist,
mit dem Laserschweißkopf wenigstens ein Andrückelement als Positionshalter fest verbunden und mitbewegbar ist, der angrenzend an die unmittelbare Schweißstelle auf den Oberblech-Randflansch im Überlappungsbereich drückt, und
wenigstens die gegeneinanderweisenden Flächen des Oberblech-Randflansches und des Unterblech-Randflansches mit einem Überzug versehen sind, der beim Schweißen einen Überzug-Dampf bildet,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit dem Laserschweißkopf (3) ein zweites Andrückelement als Abstandshalter (9) unmittelbar oder mittelbar verbunden und mitbewegbar ist,
dass der Querabstand (14) zwischen dem Positionshalter (4) und dem Abstandshalter (9) bezogen auf die Schweißrichtung so groß ist, dass der Positionshalter (4) im Überlappungsbereich (8) beabstandet zur Oberblech-Randkante (10) und der Abstandshalter (9) neben der Oberblech- Randkante (10) positioniert sind, und
dass der Aufstandsbereich des Abstandshalters (9) bezogen auf die Laserstrahlrichtung (2) versetzt zum Aufstandsbereich des Positionshalters (4) liegt dergestalt, dass der Versatz (15) dem Betrag der Blechstärke des Oberblech-Randflansches (6), die um den Betrag einer Abströmspaltweite (11) ergänzt ist, entspricht, so dass dadurch ein nach außen offener Abströmspalt (12) zwischen dem Aufstandsbereich des Positionshalters (4) und der Oberblech-Randkante (10) entsteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionshalter (4) und der Abstandshalter (9) an den jeweils den Blechen (6, 7) zugeordneten Enden ein stiftförmiges Ende aufweisen dergestalt, dass die Aufstandsbereiche auf die jeweiligen Bleche (6, 7) weitgehend punktförmig sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (9) mittels einer Verstelleinrichtung (13) verlagerbar am Laserschweißkopf (3) angeordnet ist dergestalt, dass der Versatz zwischen dem Aufstandsbereich des Abstandshalters (9) und dem Aufstandsbereich des Positionshalters (4) in Laserstrahlrichtung (2) einstellbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung als Stellschraube ausgeführt ist dergestalt, dass durch Verstellung der Stellschraube der Abstandshalter (9) relativ zum Positionshalter (4) in etwa in Laserstrahlrichtung (2) verlagerbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung als Stellmotor (13), vorzugsweise als Elektro-Stellmotor, ausgeführt ist dergestalt, dass durch Verstellung des Stellmotors (13) der Abstandshalter (9) relativ zum Positionshalter (4) in etwa in Laserstrahlrichtung (2) verlagerbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionshalter (4) dem Laserstrahl (2) bezogen auf die Schweißrichtung mit geringem Abstand vor- oder nachgelagert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (9) gegenüberliegend zum Positionshalter (4) angeordnet ist dergestalt, dass der Abstandshalter (9) und der Positionshalter (4) quer beabstandet auf einer Linie in etwa senkrecht zur Schweißrichtung anordenbar sind.
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