DE10215017B4

DE10215017B4 - Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls aus einem Laserschweißkopf

Info

Publication number: DE10215017B4
Application number: DE10215017A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Russer; Manfred Schermaul
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2022-04-06
Also published as: DE10215017A1

Abstract

Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls aus einem Laserschweißkopf,
wobei der Laserschweißkopf an zwei in einem Überlappungsbereich in einer Anlageverbindung übereinanderliegenden Randflanschen als Oberblech-Randflansch und als Unterblech-Randflansch, bei denen zumindest deren gegeneinanderweisende Flächen mit einem Überzug versehen sind, der beim Schweißen einen Überzug-Dampf bildet, bewegungsgesteuert entlangführbar ist, und
wobei mit dem Laserschweißkopf wenigstens ein erstes Andrückelement als Positionshalter fest verbunden und mitbewegbar ist, der angrenzend an die unmittelbare Schweißstelle auf den Oberblech-Randflansch im Überlappungsbereich drückt,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Oberblech-Randflansch (6) und der Unterblech-Randflansch (7) im Aufstandsbereich des Positionshalters (4) in einer Anlageverbindung aneinanderliegen,
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...

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.

Weiter ist aus der JP 2001-129676 A eine Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen bekannt, bei der die zwei miteinander zu verschweißenden Bleche mittels einer durch Rollen gebildeten Positioniervorrichtung so positioniert werden sollen, dass die Bleche über die Längserstreckung der Schweißnaht gesehen einen genau definierten und gleichen durchgehenden Spaltabstand voneinander aufweisen.

Eine Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen ist auch aus der nachveröffentlichten WO 02/081140 A1 bekannt.

Bei einer gattungsgemäßen, bekannten Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls aus einem Laserschweißkopf ( EP 0 764 497 B1 ) ist der Laserschweißkopf an zwei in einem Überlappungsbereich übereinanderliegenden Randflanschen als Oberblech-Randflansch und als Unterblech-Randflansch, bei denen zumindest deren gegeneinander weisende Bleche mit einem Überzug versehen sind, der beim Schweißen einen Überzug-Dampf bildet, bewegungsgesteuert entlangführbar. Mit dem Laserschweißkopf ist wenigstens ein erstes Andrückelement als Positionshalter fest verbunden und mitbewegbar, der angrenzend an die unmittelbare Schweißstelle auf den Oberblech-Randflansch im Überlappungsbereich drückt.

Das Andrückelement ist konkret als stiftförmiger bzw. fingerförmiger Andruckpin ausgebildet, der dem Laserstrahl in Richtung der Schweißnaht vor- oder nachgelagert ist. Mittels des Andruckpins 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 auf einfache Weise mit geringem Werkzeug- und Bauteilaufwand 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 liegen der Oberblech-Randflansch und der Unterblech-Randflansch im Aufstandsbereich in einer Anlageverbindung aneinander, wobei mit dem Laserschweißkopf ein zweites Andrückelement als Abstandshalter unmittelbar oder mittelbar verbunden und mitbewegbar ist. 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 liegt bezogen auf die Laserstrahlrichtung 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 sich vom Aufstandsbereich des Positionshalters ausgehend in Richtung des Aufstandsbereichs des Abstandshalters erweitert.

Vorteilhaft ist somit hier der Querabstand zwischen dem Positionshalter und dem Abstandshalter bezogen auf die Schweißrichtung so ausgelegt, dass mit dem Positionshalter sichergestellt wird, dass der Oberblech-Randflansch und der Unterblech-Randflansch im Aufstandsbereich des Positionshalters in einer Anlageverbindung aneinanderliegend gehalten werden, wobei der Positionshalter in einer vorteilhaften Doppelfunktion die exakte Positionierung der Bleche ermöglicht. Dadurch lässt sich der Bauteil- und Werkzeugaufwand insgesamt erheblich reduzieren. Ferner wird hier mit dem Abstandshalter, der neben der Oberblechrandkante auf den Unterblech-Randflansch drückt, ein nach außen offener Abströmspalt mit einer definierten Spaltweite zwischen eben dem Aufstandsbereich des Positionshalters und der Oberblech-Randkante gebildet. Der Abströmspalt ist im Schnitt betrachtet vorzugsweise V-förmig ausgebildet, d. h. dass im Aufstandsbereich des Positionshalters eine Anlagever bindung zwischen den beiden Blechrandflanschen vorhanden ist und dass sich von diesem Aufstandsbereich des Positionshalters in Richtung des Aufstandsbereichs des Abstandshalters gesehen der Abströmspalt V-förmig erweitert. Dadurch, dass die definierte Abströmspaltausbildung vom Anlagebereich ausgehend erfolgt, sind auch für eine im Bereich des Positionshalters von unten her vorgesehene Auflage keine speziellen werkzeugtechnischen Maßnahmen erforderlich, um einen definierten und geeigneten Abströmspalt auszubilden.

Sowohl der Positionshalter als auch der Abstandshalter werden mit dem Laserschweißkopf mitbewegt und wirken im jeweils aktuellen Schweißbereich. Dadurch sind keine aufwendigen Einspannmaßnahmen für Abströmspaltbildungen erforderlich. Zudem können mit dem erfindungsgemäßen Aufbau ohne weiteres bisherige Schweißvorrichtungen auch für verzinkte Bleche genutzt werden, da 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.

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 Abstandshalter sind bevorzugt zumindest am stiftförmigen Ende aus hochlegiertem Stahl hergestellt, gehärtet und ATC beschichtet, d. h. mit einer extrem harten, dichten und hochreinen Beschichtung aus z. B. Chrom versehen.

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 9zum 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

Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls aus einem Laserschweißkopf, wobei der Laserschweißkopf an zwei in einem Überlappungsbereich in einer Anlageverbindung übereinanderliegenden Randflanschen als Oberblech-Randflansch und als Unterblech-Randflansch, bei denen zumindest deren gegeneinanderweisende Flächen mit einem Überzug versehen sind, der beim Schweißen einen Überzug-Dampf bildet, bewegungsgesteuert entlangführbar ist, und wobei mit dem Laserschweißkopf wenigstens ein erstes Andrückelement als Positionshalter fest verbunden und mitbewegbar ist, der angrenzend an die unmittelbare Schweißstelle auf den Oberblech-Randflansch im Überlappungsbereich drückt, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberblech-Randflansch (6) und der Unterblech-Randflansch (7) im Aufstandsbereich des Positionshalters (4) in einer Anlageverbindung aneinanderliegen, 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, der sich vom Aufstandsbereich des Positionshalters (4) ausgehend in Richtung des Aufstandsbereichs des Abstandshalters (9) erweitert.
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.
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.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung als Stellmotor (13), vorzugsweise als Elektro-Stellmotor, aus geführt ist dergestalt, dass durch Verstellung des Stellmotors (13) der Abstandshalter (9) relativ zum Positionshalter (4) in etwa in Laserstrahlrichtung (2) verlagerbar ist.
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.
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.