DE10235857A1

DE10235857A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen

Info

Publication number: DE10235857A1
Application number: DE10235857A
Authority: DE
Inventors: Roland Oesterlein
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-02-26
Also published as: WO2004014597A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen von Bauteilen (30, 40) aus Stahl, die von Schutzschichten (30S, 40S) mit einer Verdampfungstemperatur überzogen sind, die niedriger ist, als die des Stahls. Beim Verschweißen solcher Bauteile (30, 40) kommt es zur Bildung von Metalldämpfen oder Gasen. Über einen Spalt (9) zwischen den Bauteilen (30 und 40) werden die Metalldämpfe und Gase abgeleitet. Das Ausbilden des Spalts (9) ist bis jetzt sehr aufwendig und teuer. Mit der Erfindung werden diese Nachteile umgangen. Die Bauteile (30, 40) werden im Bereich der Verbindung so überlappend angeordnet, dass der Rand (30R) des jeweils oben liegenden Bauteils (30) über den Rand (40R) des darunter liegenden Bauteils (40) übersteht. Der Rand (30R) des jeweils oben liegenden Bauteils (30) wird zum Ausbilden eines Spalts (9) beim Schweißen angehoben. Hierfür wird eine Vorrichtung (1) verwendet, die zwei Klemmelemente (3 und 4) aufweist, mit denen die überlappend angeordneten Bauteile (30 und 40) gegeneinander gepresst werden können. Ferner ist ein Biegelement (5) vorgesehen, mit dem das jeweils oben liegende Bauteil (30) mindestens im Bereich seines nach außen überstehenden Randes (30R) angehoben werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 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.
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.
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.
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.
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.
Die Aufgabe, das Verfahren betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Aufgabe, die Vorrichtung betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 gelöst.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen mit beschichteten Oberflächen,
2 die zu verbindenden Bauteile in vergrößerter Darstellung,
3 die in 1 dargestellte Vorrichtung während des Schweißens,
4 die Bauteile gemäß 2 mit Spalt.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 umfasst ein Trägerelement 2, zwei Klemmelemente 3 und 4, ein Biegeelement 5, einen Hubvorrichtung 6, eine Schwenkvorrichtung 7 und eine optische Einrichtung 8. Das erste Klemmelement 3 ist als rotationssymmetrisches Bauteil in Form einer Scheibe oder einer Rolle ausgebildet. Der nach außen weisende Rand 3R des Klemmelements 3 ist so ausgebildet, dass hierdurch eine funktionsfähige Klemmfläche gebildet wird. Das Klemmelement 3 ist mittig drehbar über eine Achse (hier nicht dargestellt) an dem Trägerelement 2 befestigt. Die Achse ist so installiert, dass sie mit der Horizontalen einen Winkel zwischen 10° und 40° einschließt. Das Trägerelement 2 kann beispielsweise als teilweise geschlossenes Gehäuse (hier nicht vollständig dargestellt) ausgebildet werden. Es ist so stabil gefertigt, dass die Klemmelemente 3 und 4, das Biegeelement 5, die Hubvorrichtung 6, die Schwenkvorrichtung 7 und die optische Einrichtung 8 daran befestigt werden können. Das Trägerelement 2 ist über die Schwenkvorrichtung 7 mit einer Antriebseinrichtung (hier nicht dargestellt) verbunden, die beispielsweise als Roboter ausgebildet sein kann. Mit Hilfe der Schwenkvorrichtung 7, die beispielsweise als passiver Federschwenkmechanismus ausgeführt ist, kann das Trägerelement 2 um einen Winkel von zwischen 10° bis 20° im Uhrzeigersinn und zurück in die Ausgangsposition gedreht werden. Das zweite Klemmelement 4 ist ebenfalls als rotationssymmetrisches Bauteil in Form einer Rolle oder einer Scheibe ausgebildet. Hierbei ist der nach außen weisende Rand 4R so ausgebildet, dass ebenfalls eine funktionsfähige Klemmfläche gebildet wird. Das Klemmelement 4 ist mittig drehbar über eine Achse (hier nicht dargestellt) an der Hubvorrichtung 6 befestigt, und in einem definierten Abstand un terhalb des Klemmelements 3 installiert. Das Biegelement 5 ist drehbar auf der gleichen Achse wie das Klemmelement 4 gehaltert. Beide Bauteile 4 und 5 sind unmittelbar hintereinander angeordnet, wobei das Klemmelement 4 nach außen weist. Das Biegelement 5 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in gleicher Weise wie das Klemmelement 4 ausgebildet. Sein Durchmesser ist lediglich etwa ein Millimeter bis drei Millimeter größer als der Durchmesser des Klemmelements 4. Das Klemmelement 4 ist so installiert, dass seine Klemmfläche 4R auf die Klemmfläche 3R des Klemmelements 3 aufgesetzt werden kann. Mit Hilfe der Hubvorrichtung 6 kann das Klemmelement 4 hierfür senkrecht zu seiner Befestigungsachse in Richtung auf das Klemmelement 3 zu und davon weg bewegt werden. Die miteinander zu verbindenden Bauteile 30 und 40 werden zwischen den beiden Klemmflächen 3R und 4R angeordnet. Das Anordnen der Bauteile 30 und 49 zwischen den beiden Klemmelementen 3 und 4 wird dadurch erleichtert, dass das erste Klemmelement 3 über eine Achse an dem Trägerelement 2 befertigt ist, die gegen die Horizontale geneigt ist, und das zweite Klemmelement 4 mit einer Hubvorrichtung auf das erste Klemmelement zu und davon weg bewegt werden kann. Um die Bauteile 30 und 40 für die Ausbildung einer Schweißnaht gegeneinander pressen zu können, wird das Klemmelement 4 mit der Hubvorrichtung 6 auf das Klemmelement 3 zubewegt. Gleichzeitig wird das Trägerelement 2 um einen Winkel von bis zu etwa 20° im Uhrzeigesinn geschwenkt, so dass die Klemmfläche 3R auf das Bauteil 30 aufsetzt, während die Klemmfläche 4R von unten gegen das Bauteil 4 gepresst wird. Das Trägerelement 2 ist so massiv ausgebildet, dass es durch die bei der Klemmung auftretenden Kräfte nicht deformiert wird.
Die beiden Bauteile 30 und 40 sind aus Stahl gefertigt, und mit jeweils einer Schutzschicht 30S, 40S aus Zink versehen, wie in 2 dargestellt. Die Bauteile 30 und 40 können auch mit anderen Schutzschichten überzogen sein, die im Vergleich zur Schmelztemperatur von Stahl eine niedrigere Verdampfungstemperatur aufweisen. Zum Verbinden der Bauteile 30 und 40 werden diese überlappend angeordnet, derart, dass der Rand des jeweils oben angeordneten Bauteils 30 in dem Bereich, in dem die beiden Bauteile 30 und 40 zu verbinden sind, einige Millimeter über den Rand des darunter befindlichen Bauteils 40 nach außen übersteht. Die Abmessungen des Bauteils 30 sind entsprechend angepasst. Dadurch, dass das erste Klemmelement 3 über eine gegen die Horizontale geneigte Achse am Trägerelement 2 befestigt ist, sind die Bauteil 30 und 40 beim Schweißen leichter zugänglich. Zudem kann der überstehende Rand des jeweils oben angeordneten Bauteils 30 schmaler ausgebildet werden.
Beim Anheben des Klemmelements 4 wird das Biegelement 5 ebenfalls mitangehoben, wie in 3 dargestellt. Dabei wird der Rand 5R des Biegelements 5 gegen die Unterseite des Randes 30R gedrückt. Der Rand 30R des Bauteils 30 wird dadurch etwas angehoben, wie in 4 dargestellt. Das ist deshalb der Fall, weil der Rand 30R nach außen übersteht, und der Durchmesser des Biegelements 5 etwas größer als der Durchmesser des Klemmelements 4 ausgebildet ist. Hierdurch wird zwischen den beiden Bauteilen 30 und 40 ein kleiner Spalt 9 ausgebildet. Um die beiden Bauteile 30 und 40 unmittelbar vor dem Klemmelement 3 über einer Schweißnaht (hier nicht dargestellt) verbinden zu können, ist die optische Einrichtung 8 so an dem Trägerelement 2 installiert, dass der Brennpunkt eines Strahls 10 so fokussiert wird, dass er auf, innerhalb oder unter der Oberfläche des Bauteils 30 liegt. Der Stahl wird beispielsweise von einer Laserquelle (hier nicht dargestellt) erzeugt, die mit der optischen Einrichtung 8 in Verbindung steht. Das Trägerelement 2 wird für die Ausbildung einer Schweißnaht definierter Länge mit Hilfe einer Antriebsvorrichtung (hier nicht dargestellt) kontinuierlich weiter bewegt, so dass der Strahl 10, die Klemmelemente 3 und 4 sowie das Biegelement 5 in vorgegebener Richtung entlang der Bauteile 30 und 40 geführt werden. Der beim Verbinden der Bauteile 30 und 40 sich bildende Zinkdampf kann über den Spalt 9 entweichen, der sich zu den Rändern 30R und 40R der Bauteile 30 und 40 hin aufweitet, wie in 4 gezeigt. Das gleiche gilt auch für Gase, die sich bei einer anderen Art von Schutzschicht bilden können. Damit wird eine fehlerfreie Schweißnaht ausgebildet.
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 auch für das Verschweißen von mehr als zwei aufeinander gestapelten Bauteilen wie sie oben beschrieben sind.

Claims

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 (9) zwischen beiden Bauteilen (30, 40) angehoben wird. 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 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 so weit angehoben wird, dass über die Öffnung des Spalts (9) das verdampfte Material der Schutzschichten (30S, 40S) freigesetzt wird.
Vorrichtung 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 mindestens zwei Klemmelemente (3 und 4) vorgesehen sind, mit denen die überlappend angeordneten und zu verschweißenden Bauteile (30 und 40) gegeneinander pressbar sind, dass wenigstens ein Biegelement (5) vorgesehen ist, mit dem jedes oben liegende Bauteil (30) mindestens im Bereich des zugehörigen Randes (30R) anhebbar ist, und dass wenigstens ein Trägerelement (2) für die Befestigung des Biegelements (5) und der Klemmelemente (3 und 4) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Biegelement (5) und die beiden Klemmelemente (3 und 4) als rotationssymmetrische Bauteile in Form von Scheiben oder Rollen ausgebildet und die nach außen weisenden Ränder (3R, 4R, 5R) des Biegelements (5) und der beiden Klemmelemente (3 und 4) als Klemmflächen nutz bar sind, dass das Biegeelement (5) sowie das erste und das zweite Klemmelemente (3, 4) drehbar an dem Trägerelement (2) befestigt sind, und dass der Durchmesser des Biegelements (5) geringfügig größer ist als der Durchmesser des zweiten Klemmelements (4) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das von oben auf die Bauteile (30, 40) aufsetzbare erste Klemmelement (3) mittig über eine Achse mit dem Trägerelement (2) verbunden ist, die mit der Horizontalen einen Winkel zwischen 10° und 40° einschließt, und dass das erste Trägerelement (2) um bis 40° im Uhrzeigersinn schwenkbar gehaltert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite von unten gegen die gestapelten Bauteile (30, 40) pressbare Klemmelement (4) ebenfalls mittig drehbar über eine Achse an einer am Trägerelement (2) installierten Hubvorichtung (6) unterhalb des ersten Klemmelements (3) gehaltert ist, und dass das Biegelement (5) ebenfalls drehbar auf der gleichen Achse wie das zweite Klemmelement (4), von außen gesehen, dahinter gehaltert ist. 7, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Klemmelement (3) so weit schwenkbar und das zweite Klemmelement (4) so weit anhebbar ist, dass die beiden Klemmflächen (3R, 4R) aufeinander setzbar sind, und dass der nach außen überstehende Rand (30R) des Bauteils (30) durch das mit dem zweiten Klemmelement (4) angehobene Biegelement (5) anhebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Trägerelement (2) eine optische Einrichtung (8) so installiert ist, dass ein Strahl (10) einer Laserquelle oder einer Elektronenstrahlkanone zwischen dem Rand (30R) und dem ersten Klemmelement (3) auf die Oberfläche des Bauteils (30) leitbar ist, und dass das Trägerelement (2) parallel zu dem Rand (30R) bewegbar ist.