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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Herstellen eines Kraftstoffbhehälters für Kraftfahrzeuge, insbesondere
für Nutzfahrzeuge,
aus wenigstens zwei überwiegend
aus Metall gebildeten Teilkörpern, die
durch Verschweißung
zusammengefügt
werden.
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Die Erfindung betrifft auch einen
derartigen Kraftstoffbehälter.
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Ein gattungsgemäßer Kraftstoffbehälter, der in üblicher
Weise durch Schweißen
hergestellt wird, ist aus der
EP 0 799 739 B1 bekannt.
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Kraftstoffbehälter, z.B. Tanks für die Automobilindustrie,
umfassen in der Regel Hohlkörper
aus Kunststoff, Stahl bzw. Edelstahl oder Aluminium, in die weitere
Bauelemente, wie z.B. Schwallwände oder
dergleichen, eingebaut werden. An die Kraftstofftanks, insbesondere
wenn es sich dabei um Nutzfahrzeugtanks handelt, werden hohe Anforderungen
gestellt. Unter anderem müssen
diese eine große
Dichtigkeit sowie eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen, um
den auftretenden Belastungen, insbesondere auch auf schlechten Straßen, dauerhaft
standhalten zu können.
Darüber
hinaus müssen die
Kraftstofftanks hohe Anforderungen bezüglich der Aufnahme von Deformationskräften bei
Unfällen oder
dergleichen erfüllen.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines
Kraftstoffbehälters
aus Kunststoff ist in der
DE
198 14 298 A1 beschrieben. Die Herstellung von Kunststoffbehältern lässt sich
jedoch nicht auf die Herstellung von Kraftstoffbehältern aus
Metall übertragen,
da die metallischen Werkstoffe sowohl bezüglich der Umformprozesse, d.h.
der Vorbereitungsarbeiten, sowie beim späteren Prozess der Verschweißung unterschiedliche
Eigenschaften aufweisen.
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Der Verschweißvorgang ist der höchste Kostenfaktor
bei der Herstellung von Kraftstoffbehältern aus Metall. Aus diesem
Grund werden bereits seit langem erhebliche Anstrengungen unternommen, Lösungen aufzufinden,
die in diesem Bereich zu Einsparungen führen. Dies ist jedoch bislang
nicht gelungen. Andere Verfahren zum Verbinden der metallischen
Teilkörper,
wie z.B. Verkleben, haben weder zu den gewünschten Einsparungen geführt, noch sind
diese alternativen Verfahren hinsichtlich der Sicherheitsanforderungen
ausreichend.
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Ein weiterer Nachteil des bekannten
Verschweißvorganges
von metallischen Teilkörpern
besteht darin, dass die Schweißnaht
zu dicken Wülsten führt. Insbesondere
im Bereich der Nutzfahrzeuge, bei dem der Tank außen liegt
und optisch gut einsichtig ist, sind aufwendige Nacharbeiten zur
Verschönerung
des Nutzfahrzeugtanks notwendig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines
Kraftstoffbehälters
für Kraftfahrzeuge,
insbesondere für
Nutzfahrzeuge zu schaffen, das eine einfache, schnelle und vor allem
kostengünstige
Herstellung eines hochstabilen und belastbaren Kraftstoffbehälters gewährleistet
und außerdem
eine Nachbearbeitung aus optischen Gründen weitgehend überflüssig macht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den
kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.
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Dadurch, dass die metallischen Teilkörper hochgenaue,
minimale Spaltmaße
aufweisen, ist die Grundlage geschaffen, die Verschweißung durch eine
Laserschweißeinrichtung
durchführen
zu können.
Bei den früheren
Kraftstoffbehältern
mit ungenaueren Spaltmaßen
wurden die Spalte beim herkömmlichen
Verschweißvorgang
unter Zuhilfenahme von Schweißmitteln
entsprechend ausgeglichen. Bei den erfindungsgemäßen hochgenauen, minimalen Spaltmaßen, vorzugsweise
maximal 1 mm, ist dies nicht mehr notwendig. Dabei hat der Erfinder
erkannt, dass der höhere
Aufwand einer Herstellung von Teilkörpern mit exakten Spaltmaßen in Kombination
mit einem anschließenden
Laserschweißen
zu wesentlich geringeren Herstellungskosten als bisher führt. Der
langsame und folglich teuere bisherige Schweißvorgang, beispielsweise WIG-Schweißen, kann
folglich entfallen.
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Aus der
DE 198 14 298 A1 ist zwar
ein Verschweißen
von Kunststoffbehältern
durch Laserstrahlung bekannt, allerdings lässt sich dieses aufgrund der
bei Kunststoffbehältern üblicherweise
vorliegenden exakten Spaltmaße
und der völlig
anderen Materialeigenschaften von Kunststoff und Metallen nicht
vergleichen und übertragen.
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Eine Voraussetzung zur Herstellung
von Kraftstoffbehältern
durch die erfindungsgemäße Laserschweißeinrichtung
sind hochgenaue, minimale Spaltmaße.
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Durch das Laserschweißen und
die hochgenauen, minimalen Spaltmaße entstehen Schweißnähte, die
sehr fein ausgebildet sind und keine dicken Wülste aufweisen. Eine Nachbearbeitung
zur Beseitigung von Wülsten
ist daher nicht mehr notwendig. Der Kraftstoffbehälter be sitzt
somit eine vorteilhafte Optik, die insbesondere bei den außen angebrachten Kraftstoffbehältern von
Nutzfahrzeugen wesentlich ist.
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Der Erfinder hat in überraschender
Weise festgestellt, dass sich sowohl ein Laserschweißen von
Teilkörpern
aus Edelstahl bzw. Stahl als auch ein Laserschweißen von
Aluminium bezüglich
der Herstellungskosten vorteilhaft auswirkt.
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Vorgesehen ist erfindungsgemäß, dass
die Verschweißung
der Teilkörper
(soweit möglich
und sinnvoll) im wesentlichen, d.h. 50 bis 100 %, vorzugsweise 95
% durch eine Laserschweißeinrichtung durchgeführt wird.
Eine Nachbearbeitung kann mit herkömmlichem Schweißverfahren,
z.B. MAG oder WIG erfolgen.
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Ein vorteilhafter Kraftstoffbehälter ergibt
sich aus Anspruch 15.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und
aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig näher beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Es zeigt:
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1 Eine
perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffbehälters, der
aus drei Teilkörpern
gebildet ist, die durch eine Laserschweißeinrichtung verschweißt sind;
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2 eine
Seitenansicht eines Ausschnitts einer rohrförmigen Umfangswandung, die
mittels Laserschweißen
mit einer Stirnwandung verbunden ist;
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3 eine
Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Kraftstoffbehälter, der
aus zwei jeweils hülsenförmig ausgebildeten
Teilkörpern
gebildet ist, die jeweils eine Stirnwandung aufweisen, wobei die
Teilkörper
durch eine Laserschweißeinrichtung
miteinander verschweißt
werden; und
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4 eine
Ausschnittsvergrößerung der Umfangswandung
gemäß IV der 1 ohne Stirnwandung mit
einer Auskragung.
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Die Ausführungsbeispiele zeigen Kraftstoffbehälter 1,
die im vorliegenden Fall als Kraftstoffbehälter für Nutzfahrzeuge ausgebildet
sind. Die Erfindung beschränkt
sich dabei jedoch nicht auf derartige Behälter. Unter der Bezeichnung
Kraftstoffbehälter sollen
auch solche für
Land-, See- und Luftfahrzeuge fallen.
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Kraftstoffbehälter
1 sind prinzipiell
bereits hinlänglich
bekannt, beispielsweise wird auf die
EP 0 799 739 B1 verwiesen, weshalb nachfolgend
nur die für
die Erfindung wesentlichen Merkmale des Kraftstoffbehälters
1 näher beschrieben
werden.
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Üblicherweise
sind Kraftstoffbehälter 1 aus Edelstahl
oder Stahl bzw. in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
auch aus Aluminium ausgebildet. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Kraftstoffbehälter 1 eine
rohrförmige Umfangswandung 2 und
zwei Stirnwandungen 3 auf, die aus Aluminium ge bildet sind.
Hierunter sind auch alle bekannten und geeigneten Aluminiumlegierungen
zu verstehen. Folgende Legierungsgruppen haben sich als besonders
vorteilhaft erwiesen, und zwar die Gruppe AlMg und die Gruppe AlMgSi.
Verwendet werden können
aber auch andere Aluminiumlegierungen.
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Die im Ausführungsbeispiel dargestellten Kraftstoffbehälter 1 können eine
Schwallwand aufweisen. Die Schwallwand kann aus demselben Material
wie die Umfangswandung 2 bzw. die Stirnwandungen 3 gebildet
sein. Vorstellbar ist jedoch auch, dass die Schwallwand aus einem
anderen Material, beispielsweise Edelstahl in Bezug auf den in 1 dargestellten Kraftstoffbehälter 1,
ausgebildet ist. Durch eine derartige Ausgestaltung können sich
hinsichtlich der Stabilität
sowohl der Schwallwand als auch des gesamten Kraftstoffbehälters Vorteile
ergeben. Beispielsweise sind dünnere
Wandstärken
realisierbar.
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Vorzugsweise wird die Schwallwand
mit der Umfangswandung durch Druckfügestellen, Eindrückungen,
Vertiefungen oder Sicken verbunden. Vorstellbar ist jedoch auch die
Schwallwand durch eine in 3 prinzipmäßig dargestellte
Laserschweißeinrichtung 4 mit
der Umfangswandung 2 zu verschweißen.
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Der in 1 dargestellte
Kraftstoffbehälter besteht
im wesentlichen aus drei Teilkörpern,
die als Umfangswandung 2 bzw. als Stirnwandungen 3 ausgebildet
sind. Die Umfangswandung 2 bzw. die Stirnwandungen 3 weisen
hochgenaue, minimale Spaltmaße
auf, durch die eine Verschweißung
mittels der in 3 dargestellten
Laserschweißeinrichtung 4 in vorteilhafter
Weise durchführbar
ist.
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Die Verschweißung durch die Laserschweißeinrichtung 4 kann
vorzugsweise in einem Arbeitsschritt erfolgen. Dabei wird in einem
ersten Teilarbeitsschritt eine der Stirnwandung 3 entlang
ihrer auf die Umfangswandung 2 gerichteten Schulter 3a mit der
Umfangswandung 2 verschweißt. Der Startpunkt für den Verschweißvorgang
ist vorzugsweise der in 1 eingekreist
dargestellte Bereich. Somit entsteht zwischen der Stirnwandung 3 und
der Umfangswandung 2 eine Umfangsschweißnaht 5, die den vorher
vorhandenen Spalt zwischen der Stirn wandung 3 und der Umfangswandung 2 verschließt. In einem
zweiten Teilarbeitsschritt erfolgt die Verschweißung des Längsspaltes der Umfangswandung 2,
so dass die in 1 näher dargestellte
Längsschweißnaht 6 entsteht.
Die Verschweißung
des Längsspaltes
der Umfangswandung 2 erfolgt dabei ausgehend von der bereits
verschweißten
Stirnwandung 3. Nach dem Verschweißen des Längsspaltes der Umfangswandung 2 erfolgt
der dritte Teilarbeitsschritt. Analog zu dem ersten Teilarbeitsschritt
wird die zweite Stirnwandung 3 verschweißt. Ein
durchgehender Schweißvorgang
ohne dass die Laserschweißeinrichtung 4 neu
angesetzt werden muss, ist dabei in vorteilhafter Weise möglich, wenn
der Schweißvorgang
im Bereich der Schnittstelle zwischen dem Längsspalt (Längsschweißnaht 6) und dem Spalt
zwischen der Stirnwandung und der Umfangswandung (Umfangsschweißnaht 5),
wie in 1 eingekreist
dargestellt, beginnt.
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Die Laserschweißeinrichtung 4 kann,
wie in 3 prinzipiell
dargestellt, einen Mehrachsroboter, vorzugsweise einen Sechs-Achs-Roboter 7 aufweisen,
an dem ein Laserschweißer 8 angeordnet
ist. Selbstverständ lich
können
auch mehrere Sechs-Achs-Roboter 7 bzw. Laserschweißer 8 vorgesehen
sein.
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Zur Durchführung des Verschweißvorganges ist
im Ausführungsbeispiel
vorgesehen, dass der Kraftstoffbehälter 1 bzw. die zu
verschweißenden
Teile stationär
gehalten werden und der Sechs-Achs-Roboter 7 den Laserschweißer 8 um diese
bewegt.
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In einer alternativen Ausführungsform
kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Laserschweißeinrichtung 4 unbeweglich
ausgebildet ist und die zu verschweißenden Teile, in 1 die Umfangswandung 2 sowie
die Stirnwandungen 3 entsprechend bewegt werden.
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Erfindungsgemäß ist in einer bevorzugten Ausgestaltung
ferner vorgesehen, dass die Verschweißung ohne Schweißmittel
bzw. ohne Schweißhilfsmittel
erfolgt.
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In einer alternativen Ausgestaltung
kann jedoch auch ein Schweißmittel,
beispielsweise ein Schweißdraht
vorgesehen sein.
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Eine hinsichtlich der Verschweißung besonders
bevorzugte Ausgestaltung der Umfangswandung 2 ist in 1 dargestellt. Dabei ist
die Umfangswandung 2 derart gebogen bzw. umgeformt, dass
der Längsspalt
bzw. die später
geschweißte
Längsschweißnaht 6 wenigstens
annähernd
im Mittelbereich zwischen zwei Behälterwandungsteile 2a verbindenden
Radiusabschnitten 2b verläuft. Vorteilhaft ist dies,
da der Radius der Umfangswandung 2 in diesem Bereich besonders
groß ist,
so dass die beiden zu verschweißenden
Enden der Umfangswandung 2 besonders gut aneinandergrenzen
und folglich einfach verschweißt
werden können.
Die Anordnung der Längsschweißnaht 6 in
einem Bereich in dem der Radius der Umfangswandung 2 besonders
gering ist, hat sich hierfür
als vorteilhaft herausgestellt.
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Vorteilhaft ist bezüglich der
Laserschweißeinrichtung 4,
wenn die Energie zum Laserschweißen verändert werden kann, so dass
komplexe Bereiche, insbesondere Randbereiche, bei denen das Abführen der
beim Schweißen
auftretenden Wärme
nur erschwert möglich
ist, reduziert werden kann. Dies gilt insbesondere hinsichtlich
des in 4 näher dargestellten
Bereiches.
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Der in 3 dargestellte
Kraftstoffbehälter 1 besteht
im wesentlichen aus zwei hülsenförmigen Teilkörpern 9,
die jeweils eine Stirnwandung 3 aufweisen. Zur Bildung
eines Kraftstoffbehälters 1 sind die
hülsenförmigen Teilkörper 9 an
ihren offenen Stirnseiten mit Hilfe der Laserschweißeinrichtung 4 miteinander
durch eine Umfangsschweißnaht 5 verschweißt. Die
Stirnwandungen 3 sind in 3 jeweils einstöckig mit
dem entsprechenden hülsenförmigen Teilkörper 9 ausgebildet.
In alternativen Ausführungsformen
können
die in 3 dargestellten
hülsenförmigen Teilkörper 9 jedoch
auch rohrförmig ausgebildet
sein und entsprechend verschweißte Stirnwandungen 3 aufweisen.
Vorstellbar ist hinsichtlich der 3 auch,
dass die beiden hülsenförmigen Teilkörper 9 durch
ein rohrförmiges
Mittelteil entsprechend verlängert
werden. Die daraus resultierenden zwei Umfangsschweißnähte 5 können ebenfalls
erfindungsgemäß geschweißt sein.
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Bezüglich der sowohl in 1 als auch in 3 dargestellten Teilkörper 2, 3 bzw.
9 kann vorgesehen sein, dass diese vorzugsweise durchgeschweißt sind.
Zwingend notwendig ist dies jedoch nicht.
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Die Teilkörper 2, 3 bzw.
9 sind vorzugsweise derart exakt gefertigt, dass die Spaltmaße bzw.
die zu verschweißenden
Spalten zwischen den Teilkörpern 2, 3 bzw.
9 einen Abstand von maximal 2 mm, vorzugsweise maximal 1 mm aufweisen.
Selbstverständlich
sind, falls größere Schweißnähte bzw. Wülste in
Kauf genommen werden, auch größere Spaltmaße vorstellbar.
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2 zeigt
ein Formelement bzw. einen Anschlag 10 der außenseitig
auf den Kraftstoffbehälter 1 aufgeschweißt ist.
Der Anschlag 10 kann dabei eine Breite von 5 mm bis 20
mm, vorzugsweise 10 mm und eine Höhe von 2 mm bis 15 mm, vorzugsweise
5 mm aufweisen. Der Anschlag 10 dient dabei dazu, mit entsprechenden
Gegenformelementen eines nicht näher
dargestellten Spannbandes eine formschlüssige Verbindung zu bilden,
so dass ein Wandern des Kraftstoffbehälters 1 an einer Konsole
eines Nutzfahrzeuges mit einfachen Mitteln verhindert wird. Die
Laserschweißeinrichtung 4 ermög licht dabei
ein einfaches Verschweißen
dieses Anschlages 10.
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4 zeigt
prinzipiell den in 1 eingekreist
dargestellten Bereich der Umfangswandung 2, jedoch ohne
die Stirnwandung 3. Dabei ist eine Verlängerung 11 bzw. ein Überstand
der Umfangswandung 2 dargestellt, die im Bereich des Längsspaltes bzw.
der späteren
Längsschweißnaht 6 angeordnet ist.
Die Verlängerung 11 kann
dabei entweder provisorisch mit der Umfangswandung 2 verbunden
sein oder mit dieser einstöckig
sein. Der Vorteil der Verlängerung 11 liegt
darin, dass Ausbrennungen im Randbereich des Längsspaltes, aufgrund der nur
unzureichend möglichen
Abfuhr der auftretenden Wärme
beim Schweißvorgang,
verhindert werden. Dies ist möglich,
da die Verlängerung 11 entsprechend Wärme aufnehmen
kann. Nach Beendigung des Laserschweißens des Längsspaltes kann die Verlängerung 11 abgeschnitten,
entfernt oder einfach nur in Richtung des Innenraums der rohrförmigen Umfangswandung 2 umgeknickt
bzw. umgebogen werden. Ein anschließendes Verschweißen der
Stirnwandung 3 an die Umfangswandung 2 wird somit nicht
beeinträchtigt.
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In dem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass
die Schweißnaht
(Umfangsschweißnaht 5 bzw. Längsschweißnaht 6)
maximal doppelt so groß ist wie
die Materialstärke
des zu verschweißenden
Materials, d.h. das Verhältnis
zwischen der Stärke
der Schweißnaht
und der Materialstärke
ist 2:1.
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Vorteilhaft ist es hinsichtlich der
Dicke der Schweißnaht
(Umfangsschweißnaht 5 bzw.
Längsschweißnaht 6),
wenn diese verglichen mit den Schweißnähten, die bei herkömmlichen
Schweißverfahren
entstehen, nur halb so groß ausgebildet
ist. Im allgemeinen liegt die Größe der Schweißnaht bei
den herkömmlichen
Schweißverfahren
(z.B. MAG) bei der vierfachen Materialstärke.
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Die Materialstärke beträgt im Ausführungsbeispiel vorzugsweise
2,5 mm und die Schweißnaht (Umfangsschweißnaht 5 bzw.
Längsschweißnaht 6) beträgt somit < 1,25 mm.