DE3407770C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, Blechflansche von Behältern, insbesondere der Halbschalen von Kraftstoffbehältern, durch Rollennaht­ schweißen zu verbinden (vgl. hierzu beispielsweise die DE-OS 28 12 415 und die weiter unten stehenden Ausführungen zu dieser Druckschrift). Hierbei werden als Rollen ausgebil­ dete Elektroden von beiden Seiten auf die zu verbindenden Flansche gedrückt. Die Verschweißung erfolgt, wie beim elektrischen Punktschweißen, durch die an der jeweiligen Verbindungsstelle entstehende Wärme infolge des dort erhöhten elektrischen Widerstandes. Beim Rollennahtschweißen handelt es sich also um eine spezielle Art des bekannten Widerstands­ schweißverfahrens.

Die Verschweißung der Blechflansche von Behältern im Rollen­ nahtschweißverfahren ist mit mehreren Nachteilen verbunden. Einmal ergeben sich gewisse Einschränkungen bei der Formgebung der Behälter, insbesondere, wenn konkave Radien auftreten. Da die zu verbindenden Flansche von den Rollenelektroden sehr stark druckbeaufschlagt werden, ergeben sich an den beaufschlagten Stellen Minderungen der Blechdicke, was zu nachteiligen Festigkeitsverlusten am gesamten Behälter führt. Ein weiterer wesentlicher Nachteil ist darin zu sehen, daß die im Rollennahtschweißverfahren verbundenen Bleche zu erhöhter Korrosionsanfälligkeit neigen, insbesondere wenn es sich um verbleite Bleche handelt. Außerdem tritt beim Rollennahtverschweißen von derartigen verbleiten Blechen häufig Spritzerbildung auf.

Zwar ist es grundsätzlich auch bekannter Stand der Technik, Schweißverbindungen von Metallteilen durch Laserstrahlschwei­ ßen herzustellen. So ist ein Verfahren der eingangs bezeichne­ ten Art durch das JP-Abstract, Kokai 58-1 63 587 bekannt­ geworden. Diese Druckschrift zeigt das Verschweißen mittels Laserstrahl der Ränder zweier gebogener Bleche, wobei sich die Ränder überlappen. Um die sich überlappenden Blechränder in der Schweißposition zu halten, besitzt die Laserdüse zwei Fortsätze, an denen zwei scheibenförmige Räder angebracht sind. Die Verschweißung erfolgt offenbar in dem Zwischenraum zwischen den beiden genannten Rädern. Als Auflage gilt bei dem bekannten Verfahren offensichtlich ein Rohr. Hierbei ist allerdings davon auszugehen, daß die beiden Blechteile mit dem Rohr verschweißt werden, so daß das Rohr nicht eigentlich nur eine Auflage ist.

Ein ähnliches Schweißverfahren mittels Laserstrahl zeigt des weiteren das JP-Abstract, Kokai 57-1 49 083. Beim Gegenstand dieser Druckschrift werden zwei flanschartig abgekröpfte Ränder zweier Bleche durch Laserstrahl miteinander verschweißt. Als Niederhalter und Auflage gleichermaßen dienen hierbei zwei gleichartig ausgebildete Rollen. Die Verschweißung erfolgt - im Unterschied zum Gegenstand des obengenannten JP-Abstracts, Kokai 58-1 63 587 und auch im Unterschied zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung - am stirnseitigen Ende der beiden Flansche. Der Laserstrahl ist also parallel zu dem sich zwischen den beiden zu verschwei­ ßenden Flanschen erstreckenden Spalt gerichtet.

Bei Behältern der hier in Rede stehenden Art, insbesondere bei Kraftstoffbehältern, werden jedoch sehr strenge Anforderun­ gen an die Dichte des Behälters gestellt. So muß ein Kraft­ stoffbehälter absolut gasdicht sein, um das unerwünschte Austreten von Benzindämpfen, zum Beispiel bei entsprechender Erwärmung des Kraftstoffbehälters, zu vermeiden. Diesen hohen Dichtheits- bzw. Festigkeitsanforderungen an die Schweißnaht vermögen die bekannten Laserstrahl-Schweißverfah­ ren nach den obengenannten Druckschriften nicht zu genügen. Bei der Schweißmethode nach JP-Abstract, Kokai 58-1 63 587 ist insbesondere zu befürchten, daß sich - bei hohen Tempera­ turen - infolge des dabei auftretenden hohen Druckes im Kraftstoffbehälter die beiden verschweißten Flansche aufbie­ gen, zumal die Schweißstelle dort am äußersten Ende der Flansche, also von der Abkröpfungsstelle sehr weit entfernt, liegt.

Das Schweißverfahren nach JP-Abstract, Kokai 57-1 49 083 könnte zwar die Festigkeitsanforderungen erfüllen, nicht jedoch die Dichtheitsanforderungen. Denn die durch die Niederhalter auf die beiden zu verschweißenden Blechenden aufgebrachte Kraft wird nicht unmittelbar an der Schweiß­ stelle ausgeübt, sondern jeweils seitlich daneben. Hierdurch ist es nicht auszuschließen, daß gerade an der für die Schweißnaht vorgesehenen Stelle die beiden Blechenden nicht dicht aufeinander zu liegen kommen, sondern vielmehr Hohlräume entstehen können.

Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin gesehen, zur Erzielung einer gasdichten Schweißverbindung der Blech­ flansche mittels Laserstrahlverfahren unbedingt erforderliche, vollkommen ebene, d. h. spaltfreie Berührflächen der beiden zu verbindenden Blechflansche an der für die Schweißnaht vorgesehenen Stelle zu schaffen bzw. zu gewährleisten.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die angestrebte vollkommen gasdichte Schweißverbindung wird erfindungsgemäß durch die Vorbereitung der für die Schweißnaht vorgesehenen Stelle in Gestalt einer sickenarti­ gen Vertiefung eines oder beiden Blechflansche erreicht. Hierdurch wird es - im Gegensatz zu den bekannten Laser­ strahl-Schweißverfahren nach den oben angegebenen Druckschrif­ ten - vorteilhaft möglich, den größten Anpreßdruck der beiden zu verschweißenden Bleche (erzeugt durch Auflage und Niederhalter) unmittelbar an der dür die Schweißnaht vorgesehenen Stelle zu erzeugen, obwohl sowohl Auflage als auch Niederhalter seitlich neben der Schweißstelle angeordnet sind.

Zwar ist des durch die DE-OS 32 20 45 bzw. durch die DE-OS 28 12 415 beim elektrischen Widerstandsschweißen an sich bekannt, in eines der beiden zu verschweißenden Bleche einen "Buckel" (vgl. DE-OS 32 20 457) bzw. eine Sicke (vgl. DE-OS 28 12 415) einzuarbeiten. Indessen führt die Anwendung dieser aus dem (gattungsfremden) Widerstandsschweißen bekann­ ten Maßnahmen den Fachmann noch keineswegs zu der vorliegenden Erfindung. Denn beim elektrischen Widerstandsrollenschweißen dienen ja bekanntlich die Elektroden (Rollen) gleichzeitig als Auflage und Niederhalter, so daß bei diesem Verfahren kein Problem dahingehend besteht, an der Schweißstelle den größtmöglichen Druck aufzubringen. Dagegen machen die beiden weiter oben gewürdigten Druckschriften, JP-Abstract Kokai 58-1 63 587 und JP-Abstract, Kokai 57-1 49 083, die sich ja - wie die vorliegende Erfindung - mit einem Laser­ strahlschweißverfahren befassen, sehr deutlich, daß die Druckaufbringung auf die zu verschweißenden Bleche beim Laserstrahlschweißen ein besonderes Problem darstellt.

In diesem Zusammenhang ist auch noch das sich ebenfalls mit einem Laserstrahlschweißverfahren befassende JP-Abstract, Kokai 56-66 396 zu nennen. Die Schwierigkeit der Druck­ aufbringung auf die zu verschweißenden Bleche wird dort in relativ aufwendiger Weise durch einen speziellen Klemm-Me­ chanismus zu lösen versucht.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird bei einem Laser­ strahl-Schweißverfahren der eingangs bezeichneten Art mit einfachen Mitteln dafür gesorgt, daß die zur Erzielunng einer gasdichten Schweißverbindung der Blechflansche unbe­ dingt erforderlichen vollkommen ebenen, das heißt spaltfreien Beführflächen der beiden zu verbindenden Blechflansche gegeben sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 4 zu entnehmen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die in den Patentansprüchen 5 und 7 angegebenen Alternativ­ lösungen gekennzeichnet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung nach Anspruch 5 enthält Unteranspruch 6.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient ein Ausführungs­ beispiel, welches in der Zeichnung dargestellt und nachstehend beschrieben ist. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Laserstrahlverschweißung der Blechflansche zweier zusammen einen Behälter bildenden Halbschalen, im Vertikalschnitt.

Es bezeichnet 10 eine obere Halbschale und 11 eine untere Halbschale eines insgesamt mit 12 bezifferten Behälters, z. B. eines Kraftstoffbehälters für Kraftfahrzeuge. Die beiden Halbschalen 10, 11 besitzen jeweils einen seitlich abgebogenen umlaufenden Blechflansch 13 bzw. 14. Um die beiden Halbschalen 10, 11 zu inem geschlossenen Behälter 12 zu verbinden, müssen die beiden Blechflansche 13, 14 miteinander verschweißt werden. Zu diesem Zweck ist oberhalb des oberen Blechflansches 14 eine Laserstrahl-Schweißeinrichtung angeordnet, von der in der Zeichnung nur der unmittelbar auf das Werkstück 12 gerichtete düsenartige Endteil gezeigt und mit 15 bezeichnet ist. Es ist hierbei bewußt darauf verzichtet worden, die zur Erzeugung eines geeigneten Laserstrahles erforderlichen Maßnahmen, die nicht unmittelbar zur Erfindung gehören und im übrigen auch bekannter Stand der Technik sind, zeichnerisch darzustellen. Es kann sich z. B. um einen sog. CO₂-Laser mit Standard-Laseroptik und sensorgesteuerter Höhenregulierung handeln, der - je nach der Höhe der gewünschten Schweißgeschwindigkeit - eine Leistung von etwa 1,5 kW bis 3 kW aufweisen kann.

Aus dem düsenartigen Endstück der Laserstrahl-Schweißeinrichtung 15 tritt ein mit 16 bezeichneter Laserstrahl aus, der - wie die Zeichnung zeigt - senkrecht auf die Oberfläche des Blech­ flansches 14 gerichtet ist. Gleichzeitig wird auf die Werk­ stückoberfläche ein mit 17 bezeichneter Schutzgasstrom geblasen, der den Laserstrahl 16 mantelartig koaxial umgibt und mit 17 beziffert ist. Bei dem Schutzgas kann es sich z. B. um das Edelgas Argon handeln.

Um eine einwandfreie, d. h. gasdichte Verschweißung der beiden Blechflansche 13, 14 mittels des Laserstrahls 16 zu erreichen, muß dafür gesorgt werden, daß die Blechflansche 13, 14 an der für die Verschweißung vorgesehenen Stelle - in der Zeichnung mit 18 beziffert - umlaufend ununterbrochen in Berührung stehen. Zu diesem Zweck ist in den oberen Blechflansch 14 eine sicken­ artige Vertiefung 19 eingearbeitet, deren Tiefe t etwa 1 mm betragen kann. Hierdurch ergibt sich an der für die Ver­ schweißung vorgesehenen Nahtstelle 18 eine spaltfreie, nahezu linienförmige Berührung der beiden Blechflansche 13, 14.

Wie die Zeichnung weiterhin erkennen läßt, sind die beiden Blechflansche 13, 14 an ihrem außenseitigen Rand neben der Schweißstelle 18 zwischen einer Auflage 20 und einem Niederhalter 21 eingespannt. Auflage 20 und Niederhalter 21 haben die Auf­ gabe, eine einwandfreie spaltfreie Berührung der beiden Blech­ flansche 13, 14 an der für die Schweißnaht vorgesehenen Stelle 18 während der gesamten Dauer des Schweißvorganges zu gewährleisten. Der hierfür erforderliche Anpreßdruck, welcher jedoch relativ klein sein kann, wird durch den Nieder­ halter 21 in Pfeilrichtung 22 aufgebracht.

Grundsätzlich ist es möglich, auch auf der anderen Seite der Schweißstelle 18 (in der Zeichnung links hiervon) eine Auflage und einen Niederhalter für die Blechflansche 13, 14 vorzusehen. Im allgemeinen wird es jedoch genügen, wenn nur der äußere Rand der beiden Blechflansche 13, 14 zwischen den in der Zeichnung mit 20, 21 bezeichneten Teilen eingespannt ist.

Der Spannrahmen für die beiden Blechflansche 13, 14, der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus der als gesenkartiger Halter ausgebildeten Auflage 20 und dem Niederhalter 21 besteht, ist zweckmäßigerweise auf einem sog. X/Y-Tisch (nicht gezeigt) befestigt, mittels dessen er dann unter der feststehenden Laserstrahl-Fokussiereinrichtung entsprechend der jeweiligen Schweißrichtung und -geschwindigkeit bewegt werden kann. Zweckmäßigerweise dient hierbei die als gesenkartiger Halter ausgebildete Auflage 20 zugleich zur horizontalen Ausrichtung der zu verschweißenden Blechflansche 13, 14.

Alternativ zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist es aber auch denkbar, als Auflage und Niederhalter für die zu ver­ schweißenden Blechflansche 13, 14 unterhalb des unteren Blech­ flansches 13 und oberhalb des oberen Blechflansches 14 - beid­ seitig bzw. nur außenseitig der für die Schweißnaht vorgesehenen Stelle 18 - auf einem ortsfesten Grundgestell gelagerte Walzen anzuordnen, derart, daß die zu verschweißenden Blechflansche 13, 14 bei feststehender Laserstrahl-Fokussiereinrichtung entsprechend der Schweißgeschwindigkeit zwischen oberer und unterer Walze (bzw. zwischen oberen und unteren Walzen) hindurch­ bewegbar sind. Auch bei dieser Variante können die Walzen gleich­ zeitig zur horizontalen Ausrichtung der zu verschweißenden Blechflansche dienen.

Alternativ hierzu kann aber die horizontale Ausrichtung der beiden zu verschweißenden Blechflansche 13, 14 durch eine Sensorsteuerung der Laserstrahl-Fokussiereinrichtung 15 er­ folgen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verschweißen von Blechflanschen, insbeson­ dere derjenigen von Halbschalen eines Kraftstoffbehälters für Kraftfahrzeuge, mittels Laserstrahl, wobei die zu verschweißenden Blechflansche, angrenzend an die für die Schweißnaht vorgesehene Stelle, mittels Auflage und Niederhalter zusammengedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einen der beiden zu verschweißenden Blechflansche (13, 14), an der für die Schweißnaht vorgesehenen Stelle (18) und in Richtung der vorgesehenen Schweißnaht verlaufend, eine in den von den Blechflanschen (13, 14) gebildeten Zwischenraum weisende, sickenartige Vertiefung (19) eingeprägt und der Laserstrahl (16) entlang der sickenarti­ gen Vertiefung (19) geführt wird, und daß die Halbschalen nur an den zu verschweißenden Blechflanschen (13, 14) eingespannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur in dem der Laserstrahl- Schweißeinrichtung (15) zugewandten oberen Blechflansch (14) eine sickenartige Vertiefung (19) eingeprägt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sickenartige Vertiefung (19) - jeweils in Richtung auf die Berührstelle (18) der Blechflansche (13, 14) zu - eine Tiefe (t) von etwa 1 mm aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere zum Verschweißen von legierten und/oder beschichteten Blechen koaxial zu dem senkrecht oder im wesentlichen senkrecht auf die für die Schweißnaht vorgesehene Stelle (18) der Blechober­ fläche gerichteten Laserstrahl (16) und diesen mantel­ artig umschließend Schutzgas (17) zur Schweißstelle (18, 19) strömt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen zur horizontalen Ausrichtung der zu verschweißenden Blechflansche (13, 14) dienenden gesenkartigen Halter (20) als Auflage für den unteren zu verschweißenden Blechflansch (13) und einen zur Aufbringung der Preßkraft (22) auf den oberen zu verschwei­ ßenden Blechflansch (14) dienenden Niederhalter (21).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus gesenkartigem Halter (20) und Niederhalter (21) bestehende Spannrahmen auf einem X/Y-Tisch befestigt und mittels des X/Y-Tisches unter einer feststehenden Laserstrahl-Fokussiereinrich­ tung (15) bewegbar ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Auflage und Niederhalter sowie zur horizontalen Ausrichtung für die zu verschweißen­ den Blechflansche (13, 14) unterhalb des unteren Blechflan­ sches (13) und oberhalb des oberen Blechflansches (14) - außenseitig der für die Schweißnaht vorgesehenen Stelle (18) - auf einem ortsfesten Grundgestell gelagerte Walzen angeordnet sind, derart, daß die zu verschweißen­ den Blechflansche (13, 14) bei feststehender Laserstrahl- Fokussiereinrichtung (15) entsprechend der Schweißgeschwin­ digkeit zwischen oberer und unterer Walze hindurch bewegbar sind.