DE10235856A1 - Method of welding, especially laser welding or electron-beam welding of metal components having a metallic protective layer, involves arranging metal components so as to overlap in region of weld - Google Patents

Method of welding, especially laser welding or electron-beam welding of metal components having a metallic protective layer, involves arranging metal components so as to overlap in region of weld Download PDF

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Abstract

The method involves arranging the metal components (30,40) in such a way that they overlap in the region of the weld. The edge (30R) of the upper component (30) protrudes over the edge (40R) of the lower component (40). The edge (30R) of the upper component is raised in order to form a gap (14) during welding. An Independent claim is also included for a device for carrying out the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 3.The invention relates to a method and a device for connecting components according to the preamble of claims 1 and 3.

Eine solches Verfahren und eine solche Vorrichtung kommen dort zur Anwendung, wo aufschmelzbare, beschichtete Bauteile aus Metall stoffschlüssig zu einer Baueinheit zu verbinden sind. Ein sehr großes Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Karosserien für Fahrzeuge.Such a procedure and one Devices are used where fusible, coated Components made of metal cohesive are to be connected to a unit. A very large area of application is the production of car bodies.

Das dauerhafte Verbinden, insbesondere das Verschweißen solcher Bauteile erfolgt vorzugsweise mit Hilfe energiereicher Strahlung, die beispielsweise mittels einer Laserquelle oder einer Elektronenstrahlkanone erzeugt wird. Als Laserquelle eigenen sich vorrangig Diodenlaser, Festkörperlaser und Gaslaser. Bauteile, die zur Fertigung von Karosserien verwendet werden, sind meist aus Stahl gefertigt. Üblicher Weise sind sie mit Schutzschichten aus Zink versehen, das eine niedrigere Verdampfungstemperatur als der Stahl selbst aufweist.The permanent connection, especially that weld together such components are preferably made with the help of high-energy radiation, that for example by means of a laser source or an electron beam gun is produced. Diode lasers are primarily suitable as laser sources, Solid state lasers and Gas lasers. Components used in the manufacture of car bodies are mostly made of steel. They are usually with Protective layers made of zinc provide a lower evaporation temperature than the steel itself has.

Beim Verschweißen so gefertigter Bauteile entsteht Zinkdampf, der zu Schmelzauswürfen und Porenbildung im Bereich der Schweißnaht führen kann. Die Schädigung der Schweißnaht durch den Zinkdampf wird durch das Ausbilden eines Spaltes zwischen den zu verschweißenden Bauteilen vermieden. Über diesen Spalt kann der Zinkdampf entweichen, der sich beim Verbinden der Bauteile an deren Grenzflächen bildet. Der Spalt wird beim Schweißen kurzer Schweißnahtelemente durch eine entsprechende Formgebung der Bauteile beim Tiefziehen oder durch eine Bearbeitung der Bauteile vor dem Schweißen erzeugt. Bei diesen Verfahren werden an einem oder beiden Bauteilen im Bereich der späteren Schweißnaht Distanznoppen oder Riefen ausgebildet. Es besteht auch die Möglichkeit, lokal Material auf- oder abzutragen, so dass Durchlässe geschaffen werden, über die der Zinkdampf entweichen kann. Ferner ist es auch üblich, die Beschichtungen der Bauteile im Bereich der auszubildenden Schweißnaht zu entfernen.When welding components manufactured in this way Zinc vapor, which leads to expectoration of enamel and can lead to pore formation in the area of the weld seam. The damage to the Weld by the zinc vapor by forming a gap between the one to be welded Components avoided. about this gap can escape the zinc vapor that forms when connecting of the components at their interfaces forms. The gap becomes when welding short weld seam elements by appropriate shaping of the components during deep drawing or generated by machining the components before welding. With these methods, one or both components in the area the later weld spacer knobs or grooves. There is also the possibility of local material or remove, so that culverts be created about that the zinc vapor can escape. Furthermore, it is also common that Coatings of the components in the area of the weld seam to be formed remove.

Diese Maßnahmen erfordern zusätzliche Arbeitsschritte bei der Fertigung. Zudem sind die hierfür verwendeten Werkzeuge aufwendig gestaltet, damit die erforderliche Einhaltung der nötigen engen Spaltformtoleranzen erreicht wird. Eine solche Ausbildung der Bauteile im Bereich der späteren Schweißnahtelemente und die Herstellung der hierfür notwendigen Werkzeuge erfordert entsprechendes Expertenwissen in Konstruktion, Werkzeugbau und Fertigung. Durch diesen Aufwand werden die Produktkosten erhöht.These measures require additional ones Steps in manufacturing. In addition, the ones used for this Tools designed so that the required compliance the necessary narrow gap shape tolerances is achieved. Such training the Components in the area of the later weld elements and the making of this necessary tools requires appropriate expertise in Design, tool making and manufacturing. Through this effort the product cost increases.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem Bauteile der eingangs genannten Art über eine einwandfreie Schweißnaht unter Umgehung des bekannten Aufwands verbunden werden können. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein solches Verfahren durchgeführt werden kann.The invention is based on the object Show method with which components of the type mentioned above via a flawless weld can be connected bypassing the known effort. Further the invention has for its object to provide a device with which such a procedure can be carried out.

Die Aufgabe, das Verfahren betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.The task regarding the procedure is solved by the features of claim 1.

Die Aufgabe, die Vorrichtung betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 gelöst.The task regarding the device is solved by the features of claim 3.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.Other inventive features are in the dependent claims characterized.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.The invention will follow Hand explained in more detail by schematic drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen mit beschichteten Oberflächen, 1 a device for connecting components with coated surfaces,

2 einen Ausschnitt aus der Vorrichtung gemäß 1, 2 a section of the device according 1 .

3 einen weiteren Ausschnitt aus der Vorrichtung gemäß 1. 3 another section of the device according to 1 ,

Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 ist als Schweißzange ausgebildet, und umfasst einen fest stehenden Arm 2 und einen beweglichen Arm 3, drei Klemmelemente 4, 5, 6, zwei Biegelemente 8 und 9 und eine verfahrbare oder schwenkbare optische Einrichtung 10. Der bewegliche Arm 3 ist über ein Gelenk 11 an der Schweißzange 1 befestigt. Zum Öffnen und Schließen der Schweißzange 1 wird der bewegliche Arm 3 von dem feststehenden Arm 2 weg bzw. auf diesen zubewegt. Hierfür ist die Schweißzange 1 mit einer Antriebsvorrichtung (hier nicht dargestellt) ausgerüstet. Am freien Ende des Arms 2 sind die beiden Klemmelemente 4 und 5 installiert. Die beiden Klemmelemente 4 und 5 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel L-förmig ausgebildet. Der nach unten weisenden Rand eines jeden Klemmelements 4, 5 ist so weit verjüngt, dass eine Klemmfläche 4F, 5F definierter Breite gebildet wird, die eine geringe konvexe Wölbung aufweist. Die Klemmelemente 4 und 5 sind im Abstand außen am freien Ende des Arms 2 so befestigt, dass ihre Längsachsen in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Arms 2 positioniert sind. Eine Schrägstellung der Klemmelemente 4, 5 ist möglich. Die Abschnitte der Klemmelemente 4 und 5, welche die Klemmflächen 4F und 5F bilden, sind gegeneinander gerichtet. Der Abstand zwischen den beiden Klemmelementen 4 und 5 wird so groß gewählt, dass ein Stahl 12 , wie 2 zeigt, einer Laserquelle (hier nicht dargestellt), welche mit der optischen Einrichtung 10 in Verbindungsteht, zwi schen den beiden Klemmflächen 4F und 5F hindurch geleitet werden kann. Alternativ kann eine Elektronenstrahlkanone als Strahlquelle eingesetzt werden.In the 1 shown device 1 is designed as a welding gun and includes a fixed arm 2 and a movable arm 3 , three clamping elements 4 . 5 . 6 , two bending elements 8th and 9 and a movable or pivotable optical device 10 , The movable arm 3 is about a joint 11 on the welding gun 1 attached. For opening and closing the welding gun 1 becomes the movable arm 3 from the fixed arm 2 away or moved towards it. This is what the welding gun is for 1 equipped with a drive device (not shown here). At the free end of the arm 2 are the two clamping elements 4 and 5 Installed. The two clamping elements 4 and 5 are L-shaped in the embodiment shown here. The downward facing edge of each clamping element 4 . 5 is so tapered that a clamping surface 4F . 5F defined width is formed, which has a slight convex curvature. The clamping elements 4 and 5 are spaced outside at the free end of the arm 2 attached so that their longitudinal axes are in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the arm 2 are positioned. An inclination of the clamping elements 4 . 5 is possible. The sections of the clamping elements 4 and 5 which the clamping surfaces 4F and 5F form, are directed against each other. The distance between the two clamping elements 4 and 5 is chosen so large that a steel 12 , how 2 shows a laser source (not shown here), which is connected to the optical device 10, between the two clamping surfaces 4F and 5F can be passed through. Alternatively, an electron beam gun can be used as the beam source.

Am freien Ende des beweglichen Arms 3 ist das Klemmelement 6 installiert, wie die 1, 2 und 3 zeigen. Dieses Klemmelement 6 weist im Ausführungsbeispiel eine O-förmige Ausnehmung 6U aufweist, die den beiden Klemmflächen 4F und 5F der Klemmelemente 4, 5 entgegengerichtet ist. Bei geschlossener Schweißzange 1 sitzt jeweils eine Klemmfläche 4F und 5F auf jeweils einer Oberfläche 6F einer der beiden Begrenzungen der U-förmigen Ausnehmung 6U auf. Die Oberflächen 6F bilden die Klemmflächen des Klemmelements 6. An dem freien Ende des beweglichen Arms 3 sind neben dem Klemmelement 6 auch noch die beiden Biegelemente 8 und 9 installiert. Jeweils ein Biegelement 8, 9 ist vor jeweils einer Begrenzung der U-förmigen Ausnehmung 6U angeordnet. Beide Biegelemente 8 und 9 sind in Richtung der Längsachse der Schweißzange 1 gesehen, hinter dem Klemmelement 6 positioniert. Jedes Biegelement 8, 9 weist eine Auflagefläche 8A, 9A auf. Beide Auflageflächen 8A, 9A liegen in der gleichen Ebene wie die Klemmflächen 6F. Jede Auflagefläche 8A, 9A wird einseitig von einer Kante 8K, 9K begrenzt, die senkrecht zur Längsachse der Schweißzange 1 ausgerichtet und nach außen zu abgeschrägt ist, wie die 2 und 3 zeigen.At the free end of the movable arm 3 is the clamping element 6 installed like that 1 . 2 and 3 demonstrate. This clamping element 6 has an O-shaped recess in the exemplary embodiment 6U has the two clamping surfaces 4F and 5F of the clamping elements 4 . 5 is opposite. With the welding gun closed 1 there is a clamping surface 4F and 5F on one surface at a time 6F one of the two boundaries of the U-shaped recess 6U on. The surfaces 6F form the clamping surfaces of the clamping element 6 , At the free end of the movable arm 3 are next to the clamping element 6 also the two bending elements 8th and 9 Installed. One bending element each 8th . 9 is in front of a limit of the U-shaped recess 6U arranged. Both bending elements 8th and 9 are in the direction of the longitudinal axis of the welding gun 1 seen behind the clamping element 6 positioned. Every bending element 8th . 9 has a contact surface 8A . 9A on. Both contact surfaces 8A . 9A lie on the same level as the clamping surfaces 6F , Any contact surface 8A . 9A is unilaterally from an edge 8K . 9K limited that perpendicular to the longitudinal axis of the welding gun 1 aligned and beveled to the outside like that 2 and 3 demonstrate.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend kurz erläutert. Es wird davon ausgegangen, dass die beiden in 3 dargestellten Bauteile 30 und 40 aus Stahl gefertigt und mit jeweils einer Schutzschicht 30S, 40S aus Zink versehen sind. Die Schweißzange 1 wird zunächst so weit geöffnet, dass die beiden Bauteile 30 und 40 zwischen den Klemmflächen 4F 5F und 6F angeordnet werden können. Die beiden Bauelemente 30 und 40 werden dabei so aufeinander gelegt, dass sie sich wenigstens in dem Bereich, in dem eine Schweißnaht 13 ausgebildet werden soll, überlappen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel liegt das untere Bauteil 40 auf den Klemmflächen 6F und mit seinem Rand 40R auf den Auflageflächen 8A und 9A der Biegelemente 8 und 9 auf. Das auf dem Bauteil 40 angeordnete Bauteil 30 überdeckt das Bauteil 40 so weit, dass der Rand 30R des Bauteils 30 auf den Kanten 8K und 9K der der Biegelemente 8 und 9 aufliegt. Durch das Schließen der Schweißzange 1 werden die Klemmelemente 4 und 5 gegen die Oberseite des Bauteils 30 gepresst, während die Klemmflächen 6F des Klemmelements 6 gegen die Unterseite des Bauteils 40 gedrückt wird. Da die Höhe der Kanten 8K und 9K geringfügig größer ist als die Dicke des Bauteils 40, wird der Rand 30R des Bauteils nach oben gebogen, und der in 3 dargestellte Spalt 14 ausgebildet. Um eine Schweißnaht 13 auszubilden, wird der Stahl 12 von der optischen Einrichtung 10 so auf das Bauteil 30 fokussiert, dass der Brennpunkt des Stahls 12 auf, innerhalb oder unterhalb der Oberfläche des Bauteils 30 liegt. Das Material der Bauteile 30 und 40 wird da aufgeschmolzen, wo der Strahl 12 beim Schweißen auftrifft. Der sich dabei bildende Zinkdampf wird über den Spalt 14 gemäß 3 abgeleitet.The mode of operation of the method according to the invention is briefly explained below. It is assumed that the two in 3 components shown 30 and 40 made of steel and each with a protective layer 30S . 40S are made of zinc. The welding gun 1 is first opened so far that the two components 30 and 40 between the clamping surfaces 4F 5F and 6F can be arranged. The two components 30 and 40 are placed on top of each other in such a way that they are at least in the area where a weld seam is 13 should be formed, overlap. In the exemplary embodiment shown here, the lower component lies 40 on the clamping surfaces 6F and with its edge 40R on the contact surfaces 8A and 9A of the bending elements 8th and 9 on. That on the component 40 arranged component 30 covers the component 40 so far that the edge 30R of the component 30 on the edges 8K and 9K that of the bending elements 8th and 9 rests. By closing the welding gun 1 become the clamping elements 4 and 5 against the top of the component 30 pressed while the clamping surfaces 6F of the clamping element 6 against the bottom of the component 40 is pressed. Because the height of the edges 8K and 9K is slightly larger than the thickness of the component 40 , the edge 30R of the component bent upwards, and the in 3 shown gap 14 educated. To a weld 13 to train, the steel 12 from the optical device 10 so on the component 30 that focuses on the focus of the steel 12 on, inside or below the surface of the component 30 lies. The material of the components 30 and 40 is melted where the beam 12 strikes during welding. The zinc vapor that forms is passed through the gap 14 according to 3 derived.

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr umfasst sie alle Variationen des Verfahrens und der Vorrichtung, die dem Kern der Erfindung zugeordnet werden können. Das gilt insbesondere für das Verschweißen von mehr als zwei aufeinander gestapelten Bauteilen wie sie oben beschrieben sind.The invention is limited not only on the embodiment described here. Rather includes they all variations of the method and the device that the Core of the invention can be assigned. This is especially true for welding more than two stacked components as described above are.

Claims (7)

Verfahren zum Verbinden von mit metallischen Schutzschichten (30S, 40S) versehenen Bauteilen (30, 40) aus Metall, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Bauteile (30, 40) wenigstens im Bereich der auszubildenden Verbindung so überlappend angeordnet werden, dass der Rand (30R) des jeweils oben liegenden Bauteils (30) über den Rand (40R) des darunter liegenden Bauteils (40) übersteht, und dass das oben aufliegende Bauteil (30) beim Schweißen zur Ausbildung eines Spalts (14) zwischen beiden Bauteilen (30, 40) angehoben wird.Process for connecting metallic protective layers ( 30S . 40S ) provided components ( 30 . 40 ) made of metal, characterized in that the components to be connected ( 30 . 40 ) at least in the area of the connection to be formed so that they overlap so that the edge ( 30R ) of the top component ( 30 ) over the edge ( 40R ) of the component underneath ( 40 ) and that the component on top ( 30 ) when welding to form a gap ( 14 ) between the two components ( 30 . 40 ) is raised. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des jeweils oben aufliegenden Bauteils (30) so gewählt werden, dass dessen Rand (30R) im Bereich der Schweißnaht (13) weniger als acht Millimeter über den Rand (40R) des darunter liegenden Bauteils (40) übersteht, und dass das oben aufliegenden Bauteil (30) beim Schweißen im Bereich der Schweißnaht (13) so weit angehoben wird, dass über die Öffnung des Spalts (14) das verdampfte Material der Schutzschichten (30S, 40S) freigesetzt wird.Method according to Claim 1, characterized in that the dimensions of the component ( 30 ) should be chosen so that its edge ( 30R ) in the area of the weld seam ( 13 ) less than eight millimeters over the edge ( 40R ) of the component underneath ( 40 ) and that the component lying on top ( 30 ) when welding in the area of the weld seam ( 13 ) is raised so far that over the opening of the gap ( 14 ) the vaporized material of the protective layers ( 30S . 40S ) is released. Vorrichtung in Form einer Schweißzange mit einem feststehenden Arm (2) und einen schwenkbaren Arm (3) zum Verbinden von mit metallischen Schutzschichten (30, 40) versehenen Bauteilen (30, 40) aus Metall, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Klemmelemente (4, 5, 6) zum Fixieren der Bauteile (30 und 40) und wenigstens zwei Biegelemente (8, 9) zum Anheben des jeweils oben liegenden Bauteils (30) vorgesehen sind, und dass die Klemmelemente (4, 5, 6), die Biegelemente (8, 9) sowie eine verfahrbare oder schwenkbare optische Einrichtung an den Armen (2, 3) der Schweißzange (1) befestigt sind.Device in the form of a welding gun with a fixed arm ( 2 ) and a swivel arm ( 3 ) for connecting with metallic protective layers ( 30 . 40 ) provided components ( 30 . 40 ) made of metal, in particular for performing the method according to claim 1, characterized in that a plurality of clamping elements ( 4 . 5 . 6 ) to fix the components ( 30 and 40 ) and at least two bending elements ( 8th . 9 ) to lift the component on top ( 30 ) are provided and that the clamping elements ( 4 . 5 . 6 ), the bending elements ( 8th . 9 ) and a movable or swiveling optical device on the arms ( 2 . 3 ) the welding gun ( 1 ) are attached. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet. dass am freien Ende des fest stehenden Arms (2) die optische Einrichtung (10) installiert ist, und dass beidseitig davon jeweils ein L-förmiges Klemmelement (4, 5) befertigt und der nach unten weisenden Rand jedes Klemmelements (4, 5) als Klemmfläche (4F, 5F) nutzbar ist.Device according to claim 3, characterized. that at the free end of the fixed arm ( 2 ) the optical device ( 10 ) is installed, and that an L-shaped clamping element ( 4 . 5 ) and the downward-facing edge of each clamping element ( 4 . 5 ) as a clamping surface ( 4F . 5F ) can be used. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den beiden Klemmelementen (4 und 5) mindestens so groß ist, dass ein Stahl (12) einer Laserquelle oder einer Elektronenstrahlkanone, welche an die optischen Einrichtung (10) angeschlossen ist, zwischen den beiden Klemmflächen (4F und 5F) hindurch leitbar ist.Apparatus according to claim 3 and 4, characterized in that the distance between the two clamping elements ( 4 and 5 ) is at least so large that a steel ( 12 ) a laser source or an electron beam gun, which is connected to the optical device ( 10 ) is connected between the two clamping surfaces ( 4F and 5F ) can be passed through. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am freien Ende des beweglichen Arms (3) ein Klemmelement (6) installiert ist, das eine U-förmige Ausnehmung (6U) aufweist, die den beiden Klemmelementen (8, 9) entgegengerichtet ist, und dass bei geschlossener Schweißzange (1) jeweils eine Klemmfläche (4F und 5F) der beiden Klemmelemente (8, 9) auf jeweils einer Oberfläche (6F) der seitlichen Begrenzungen der U-förmigen Ausnehmung (6U) aufgesetzt ist, und dass die Oberflächen (6F) als Klemmflächen des Klemmelements (6) vorgesehen sind.Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that that at the free end of themovable arms ( 3 ) a clamping element ( 6 ) is installed, which has a U-shaped recess ( 6U ) which has the two clamping elements ( 8th . 9 ) is opposite and that when the welding gun is closed ( 1 ) one clamping surface each ( 4F  and 5F )  of both Clamping elements ( 8th . 9 ) on one surface each ( 6F ) the lateral boundaries of the U-shaped recess ( 6U ) and that the surfaces ( 6F ) as clamping surfaces of the clamping element ( 6 ) are provided. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am freien Ende des beweglichen Arms (3) auch die beiden Biegelemente (8 und 9) installiert sind, dass jeweils ein Biegelement (8, 9) vor jeweils einer Begrenzung der Uförmigen Ausnehmung (6U) so angeordnet, dass beide Biegelemente (8 und 9) in Richtung der Längsachse der Schweißzange 1 gesehen hinter dem Klemmelement (6) positioniert sind, dass jedes Biegelement (8, 9) eine Auflagefläche (8A, 9A) aufweist, die beide in der gleichen Ebene wie die Klemmflächen (6F) des Klemmelements (6) positioniert sind, und dass jede Auflagefläche (8A, 9A) einseitig von einer Kante (8K, 9K) begrenzt ist, die senkrecht zur Längsachse der Schweißzange (1) ausgerichtet und nach außen zu abgeschrägt ist.Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that at the free end of the movable arm ( 3 ) also the two bending elements ( 8th and 9 ) are installed that one bending element ( 8th . 9 ) before each limitation of the U-shaped recess ( 6U ) arranged so that both bending elements ( 8th and 9 ) in the direction of the longitudinal axis of the welding gun 1 seen behind the clamping element ( 6 ) are positioned so that each bending element ( 8th . 9 ) a support surface ( 8A . 9A ), both in the same plane as the clamping surfaces ( 6F ) of the clamping element ( 6 ) are positioned and that each contact surface ( 8A . 9A ) one-sided from an edge ( 8K . 9K ) which is perpendicular to the longitudinal axis of the welding gun ( 1 ) is aligned and slanted to the outside.
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