DE10248402B3

DE10248402B3 - Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE10248402B3
Application number: DE10248402A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Russer; Manfred Schermaul
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2022-10-18

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung (1) zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls (4), wobei entlang einer Schweißnaht (6) mit einem Laserschweißkopf (5) ein Andrückelement (7) mitbewegbar ist, das angrenzend an die unmittelbare Schweißstelle auf ein oberes Blech (2) in einem Überlappungsbereich drückt und wobei wenigstens eine der einander zugewandten Flächen der Bleche (2, 3) mit einem Überzug versehen ist, der beim Schweißen einen Überzug-Dampf bildet. Um ein zuverlässiges Abströmen dieses Überzug-Dampfes stets gewährleisten zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bezogen auf den Schweißnahtverlauf mit seitlichem Versatz gegenüber dem Andrückelement (7) auf der einen Seite das untere Blech (3) von einer Auflage (10) abgestützt wird und dass auf der anderen Seite das obere Blech (2) und/oder das untere Blech (3) als Randflansch (11) freikragend absteht und dass letztlich das Andrückelement (7) zumindest mit einer solchen, eine Blechdeformation bewirkenden Andrückkraft das obere Blech (2) beaufschlagt, dass ein keilförmiger Abströmspalt (12) für den Überzug-Dampf entsteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Wie bei allen Schmelzschweißverfahren verursachen auch beim Laserstrahlschweißen Verunreinigungen (Lacke, Öle, Fett, Oxidschicht, Zink) auf der Blechoberfläche innere Nahtfehler, wie z.B. Poren, Risse und Löcher. Werden andererseits hohe Anforderungen an die Schweißnahtqualität gestellt, wie dies im Karosseriebau der Fall ist (Festigkeit und Dichtigkeit im Außenbereich), so müssen die zu verbindenden Bauteile für das Schweißverfahren entsprechend vorbereitet werden.
Das Laserstrahlschweißen von Überlappstößen verzinkter Bleche, bei denen die Zinkschichten zweier Bleche einander zugewandt sind, ist als kritisch anzusehen. Daher müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden. Dazu gehört in erster Linie die Bereitstellung von Abströmräumen, die der Aufnahme bzw. dem Entweichen von sich bildendem Zinkdampf dienen sollen. Um ein Abströmen des Zinkdampfes zu ermöglichen, ist z.B. ein wenigstens einseitig offener Abströmspalt zwischen den Blechen erforderlich. Die dazu benötigte Spaltweite beträgt nur 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 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.

Die DE 39 33 408 C2 sieht für den gleichen Zweck mindestens eine Sicken- bzw. Noppenreihe vor, die in wenigstens eines der Bleche eingedrückt ist.

Gemäß der DE 38 12 448 C1 wird vorgeschlagen, dass die beiden Bleche entlang der Schweißnaht mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufeinander stoßen und beidseitig der Schweißnaht voneinander beabstandet sind.

Die DE 198 54 217 C2 sieht vor, dass im Bereich der Schweißnaht bevorzugt das Oberblech eine durch zwei Radien definierte Stufe aufweist. Während des Schweißprozesses wird die Lage der Stufe mittels eines Sensors erkannt und der Laserstrahl anhand der Sensorsignale positioniert.

Bei der US-Patentschrift 4,745,257 werden seitlich neben dem Schweißnahtverlauf Randflansche von Ober- und Unterblechen in der Weise von einer Spannvorrichtung gehalten und beabstandet, dass ein definierter Abströmspalt verbleibt.

Um beim Laserstrahlschweißen ein optimales Ergebnis zu erhalten müssen weiterhin die miteinander zu verbindenden Bleche im Überlappungsbereich aneinander liegen. Ein eventuell vorhandener Spalt zwischen den Blechen darf nur ein Bruchteil der Blechdicke betragen. Diese geringen Fertigungstoleranzen lassen sich jedoch in der Regel beim Herstellungsprozess (z.B. Tiefziehen) nicht erreichen, so dass die Ungleichmäßigkeiten und Ungenauigkeiten in der Blechkontur die geforderten Toleranzen überschreiten. Um hier Abhilfe zu schaffen werden während des Schweißprozesses beispielsweise Anpressrollen ( DE 44 03 999 C2 ) oder Andrückpins ( DE 44 15 035 C2 ) verwendet.

Die FR 2 822 400 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls, bei der ein Laserschweißkopf an zwei in einem Überlappungsbereich übereinanderliegenden oberen und unteren Blechen bewegungsgesteuert entlangführbar ist. Mit dem Laserschweißkopf ist ein Andrückelement mitbewegbar, das angrenzend an die unmittelbare Schweißstelle auf das obere Blech im Überlappungsbereich drückt. Die einander zugewandten Flächen der Bleche sind mit einem Überzug versehen, der beim Schweißen einen Überzug- Dampf bildet. Das obere Blech wird mit einer eine Blechdeformation bewirkenden Andrückkraft beaufschlagt, so dass ein Abströmspalt für den Überzug- Dampf entsteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahles so weiter zu bilden, dass mit minimalem Aufwand einerseits gewährleistet ist, dass die zu verschweißende Bleche im Bereich der Schweißstelle zuverlässig aneinander liegen und in gleicher Weise ein zuverlässiges Abströmen eines während des Schweißvorganges entstehenden Überzug-Dampfes gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung bzw. Zuordnung zueinander von Andrückelement und Auflage sowie durch geeignete Wahl der Andrückkraft erreichen lässt, dass ein zwar nur schmaler Abströmspalt entsteht, dass dieser aber durchaus ausreicht, ein zuverlässiges Abströmen des Überzug-Dampfes zu gewährleisten.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind mit den Unteransprüchen beansprucht.
Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zum Schweißen zweier verzinkter Bleche 2, 3 mittels eines Laserstrahles 4, der von einem Laserschweißkopf 5 bereitgestellt wird. Laserstrahl 4 und Laserschweißkopf 5 sind in der Figur durch Strichlinien angedeutet. Der Verlauf der Schweißnaht 6 ist dabei in die Zeichenebene hinein gerichtet. Bezüglich der Schweißrichtung dem Auftreffpunkt des Laserstrahles 4 vorzugsweise in einem Abstand von 3-4 mm vor- oder nachgeordnet sorgt ein das obere Blech 2 beaufschlagender Andrückfinger 7 dafür, dass an der Schweißstelle die zu verbindenden Bleche 2, 3 weitgehend spaltfrei aneinander liegen. Der Andrückfinger 7 wird von einer Haltevorrichtung 8 aufgenommen, über die auch die erforderliche Andrückkraft zur Verfügung gestellt wird.
Die auf das obere Blech 2 einwirkenden Andrückkräfte werden durch dem Konturverlauf des unteren Bleches 3 angepasste Konturstücke 9 einer Auflage 10 aufgenommen. Diese Konturstücke 9 stützen dabei bezogen auf den Schweißnahtverlauf gegenüber der Angriffsstelle des Andrückfingers 7 mit einem gewissen seitlichen Versatz (Abstand x) das untere Blech 3 ab. Im Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das untere Blech 3 seitlich neben dem Konturstück 9 als Randflansch 11 freikragend absteht. Dies hat zur Folge, dass sich bei ausreichend hoher Andrückkraft eine zur Ausbildung eines keilförmigen Abströmspaltes 12 ausreichende Deformation des oberen Bleches 2 bzw. des Randflansches 11 herausbildet.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Konturstücke 9 in einer Breite von etwa 4-5 mm zu wählen und entlang des gesamten Verlaufes der Schweißnaht 6 anzuordnen.
Ein Roboter zur Führung der Vorrichtung 1, bestehend aus Laserschweißkopf 5 und Haltevorrichtung 8, ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit dargestellt.
Die nachfolgende Tabelle spiegelt bisherige Versuchsergebnisse wieder. In Abhängigkeit verschiedener Blechstärken von oberem und unterem Blech 2, 3 ergaben sich wechselbezügliche Abhängigkeiten zwischen Andrückkraft und Wirkungsort (Abstand -x- zum Konturstück 9) des Andrückfingers 7. Stets war damit ein ausreichend großer keilförmiger Abströmspalt 12 für den Überzug-Dampf erreichbar.

Claims

Vorrichtung zum Schweißen von Blechverbindungen mittels eines Laserstrahls, wobei ein Laserschweißkopf an zwei in einem Überlappungsbereich übereinander liegenden oberen und unteren Blechen bewegungsgesteuert entlangführbar und mit dem Laserschweißkopf ein Andrückelement mitbewegbar ist, das angrenzend an die unmittelbare Schweißstelle auf das obere Blech im Überlappungsbereich drückt und wobei wenigstens eine der einander zugewandten Flächen der Bleche mit einem Überzug versehen ist, der beim Schweißen einen Überzug-Dampf bildet, dadurch gekennzeichnet, dass, bezogen auf die Schweißrichtung, mit seitlichem Versatz zum Wirkungsort des Andrückelementes (7) das untere Blech (3) von einer Auflage (10) abgestützt wird, und dass auf der anderen Seite das obere Blech (2) und/oder das untere Blech (3) als Randflansch freikragend absteht, und dass schließlich das Andrückelement (7) zumindest mit einer solchen, eine Blechdeformation bewirkenden Andrückkraft das obere Blech (2) beaufschlagt, dass ein keilförmiger Abströmspalt (12) für den Überzug-Dampf entsteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Blechmaterialstärken zwischen 0,8 mm und 2,0 mm, durch Andrückkräfte zwischen 370 N und 530 N und durch einen Abstand (-x-) als Versatz zwischen Andrückelement (7) und Auflage (10) im Bereich zwischen 3,0 mm und 4,5 mm.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Andrückelement als insbesondere punktuell, wirkender Andrückfinger (7) ausgebildet ist und dass das untere Blech (3) von seinem Konturverlauf angepassten Konturstücken (9) der Auflage (10) abgestützt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturstücke (9) eine Breite von etwa 4-5 mm aufweisen und über den gesamten Verlauf einer Schweißnaht (6) reichen.