DE4431989A1

DE4431989A1 - Schweißmaschine zur Verbindung zweier Dünnbleche und Schweißverbindung

Info

Publication number: DE4431989A1
Application number: DE19944431989
Authority: DE
Inventors: Peter H Dipl Ing Matthes; Reimer Dipl Ing Voelz
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: Adam Opel GmbH
Priority date: 1994-09-08
Filing date: 1994-09-08
Publication date: 1996-03-14

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schweißmaschine zur Verbindung zweier Dünnbleche mit langgestreckter Schweiß naht und auf die Schweißverbindung selbst. Zur Verbindung von Dünnblechen sind verschiedene Schweißverfahren und zugehörige Schweißmaschinen bekannt. Stumpf- oder Eckstö ße sind insbesondere mit den bekannten Verfahren:

- Gasschmelzschweißen (Autogenschweißen),
- offenes Lichtbogenschweißen,
- Schutzgasschweißen,
- Strahlschweißen und
- Widerstands-Preß-Schweißen

herstellbar. Insbesondere gewinnt das Laser-Strahl- Schweißen zunehmend an Bedeutung. Probleme hierbei, die insbesondere aus Materialveränderungen im Schweißnahtbe reich resultieren, sind in der DE-PS 38 12 448 beschrie ben. Die zu verschweißenden Bereiche der Bleche müssen in besonderer weise auf die Schweißung vorbereitet werden. Dazu gibt auch die DE-OS 38 15 068 Auskunft. Diese Ver fahren und zugehörige Schweißmaschinen sind insgesamt aufwendig, wobei entstehende Schweißnähte durch notwen dige Blechumformungen (oder überlappende Blechbereiche) nicht den Designanforderungen z. B. im Automobilbau ent sprechen. Beispiele für das Laser-Strahl-Schweißen von stumpf aneinanderstoßenden Dünnblechen sind auch in der DE-OS 38 03 071 sowie der DE-OS 38 28 341 aufgezeigt.

Die Verfahren des Widerstands-Preß-Schweißens ermöglichen die Herstellung von Stumpfnähten als Verbindung zweier großflächiger Dünnbleche. Durch Stromübergang im Bereich der Schweißzone kommt es zu Abbrand und Erwärmung, wobei die erwärmten Zonen anschließend zusammengepreßt werden. Das flüssige Metall wird während des Stromflusses aus der Stoßstelle herausgeschleudert. Derartige Schweißverbin dungen weisen einen relativ inhomogenen Schweißwulst auf. Schweißmaschinen zum Widerstands-Preß-Schweißen müssen Mittel zum exakten Einspannen der Bleche aufweisen und nach der Schweißzonenerwärmung eine hohe Flächenpressung zwischen beiden Blechen erzeugen. Dazu müssen die Ein spannmittel zumindest in Fügerichtung relativ zueinander beweglich sein. Die Einleitung von Strom zur Materialer wärmung macht einen weiteren technischen Aufwand erfor derlich.

Zusätzlich sind Verfahren und entsprechende Vorrichtungen zum Preß-Schweißen bekannt. Bei unterschiedlicher Art der Energiezufuhr werden die zu verschweißenden Bauelemente letztlich durch Druck zusammengefügt. Auch hier sind also Mittel zum Einspannen der Werkstücke und zur Erzeugung einer hohen Flächenpressung vorhanden, wobei diese Tech niken bei der Verbindung von Dünnblechen bisher kaum An wendung finden. Vor dem Zusammenpressen werden die Bau teile durch Gasbrenner, durch Stromschluß, durch Reibung (nicht bei Dünnblechen) oder durch Schwingungen erwärmt. Anwendungen liegen insbesondere bei der Halterung von Bolzen auf Flächen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schweißmaschine und eine damit herzustellende Schweißverbindung zwischen zwei Dünnblechen zu schaffen, wobei die Schweißmaschine bei einfachem Aufbau zur Herstellung langgestreckter annä hernd linearer Schweißnähte geeignet sein soll und die Schweißnähte selbst einen homogenen Schweißwulst aufwei sen und mit geringem Verzug behaftet sein sollen. Insbe sondere soll es auch möglich sein, Dünnbleche unter schiedlichen Materials und/oder unterschiedlicher Dicke sicher zu verbinden.

Zur Lösung dieser Aufgaben zeichnet sich die Schweißma schine durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale aus. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus den Patentan sprüchen 2 bis 7. Kennzeichen der Schweißverbindung selbst, die mit der genannten Schweißmaschine herstellbar ist, sind im Patentanspruch 8 angegeben.

Die erfindungsgemäße Schweißmaschine ermöglicht eine neue Anwendung des Reibschweißverfahrens. Es ist jetzt mög lich, auch Dünnbleche zur Verwendung im Kraftfahrzeugbau, die mit einer langgestreckten, annähernd linearen Schweißnaht zu verbinden sind, im Reibschweißverfahren zu fügen. Dazu weist die Schweißmaschine separate Mittel zum Einspannen beider Dünnbleche auf, wobei diese Spannmittel dreidimensional relativ zueinander beweglich sind. So sind die eingespannten Dünnbleche exakt relativ zueinan der zu positionieren, in Schweißnahtrichtung beweglich und auch in Fügerichtung mit Kräften zu beaufschlagen.

Die Erwärmung der Schweißbereiche beider Dünnbleche er folgt durch Reibung, indem sie vibratorisch aneinander oder an einem Reibelement der Schweißmaschine bewegt wer den. Die vibratorische Bewegung erfolgt vornehmlich in Schweißnahtrichtung. Sind die Bleche verschieden dick oder kommt das Reibelement zur Anwendung, ist auch eine geringfügig oszillierende Bewegung nutzbar. Insbesondere bei der Nutzung des Reibelementes können auch verschie dene Normalkräfte auf die zu verschweißenden Bleche ein wirken, wodurch es möglich ist, unterschiedlich viel Wär meenergie in die Schweißzonen einzubringen. Dies ist bei Verschweißung verschiedener Blechmaterialien von Bedeu tung. Nach der Erwärmung der linearen Schweißzonen durch Reibung und der Wegbewegung des eventuell genutzten Reib elementes aus dem Schweißbereich werden beide Dünnbleche in Fügerichtung zusammengepreßt, also durch Druck mitein ander verbunden.

Es wird deutlich, daß besondere Anforderungen an den An trieb der Mittel zum Einspannen der Dünnbleche zu stellen sind. Ist vorgesehen, daß die zu verschweißenden Bleche aneinanderreiben, muß zumindest eine Spannvorrichtung mit dem darin verspannten Blech dreidimensional beweglich sein. In anderer Ausführung müssen beide Spannvorrichtun gen zumindest eindimensional beweglich sein. Wesentlich ist, daß die Bleche in Fügerichtung zusammen- bzw. an das Reibelement führbar und anschließend in dieser Richtung mit vorgebbaren Kräften beaufschlagbar sind. Diese Kraft in Fügerichtung ist abstufbar als Normalkraft, um den ge wünschten Reibeffekt zu erzielen und als Anpreßkraft zur endgültigen Verbindung beider Dünnbleche. In Schweiß nahtrichtung muß über den Antrieb zumindest einer Spann vorrichtung die exakte Positionierung der Bleche relativ zueinander realisiert werden und andererseits die vibra torische bzw. leicht oszillierende Bewegung zu erzeugen sein.

In der weiteren Ausführung der Erfindung sind die Antrie be für die Spannvorrichtungen und ggf. für das Reibele ment über eine elektronische Steuerung, die mit einer Sensorik kommuniziert, ansteuerbar. Insbesondere hat die Steuerung zu realisieren, daß die Dünnbleche nach dem Verspannen

- exakt zusammen bzw. an das Reibelement geführt wer den,
- mit einer vorgewählten Normalkraft in Fügerichtung beaufschlagt werden,
- in eine vibratorische Bewegung mit vorgewählter Zeitdauer versetzt werden, wobei der Bewegungsweg in Grenzen vorgebbar sein sollte,
- in eine exakte Relativposition zueinander bewegt werden und
- abschließend mit einer hohen, vorwählbaren Anpreß kraft in Fügerichtung gepreßt werden.

Wahlweise können Sensoren zum Einsatz kommen, die unab hängig voneinander die Relativposition der beiden Dünn bleche in den drei Raumebenen messen, die die Anpreß kräfte zwischen den Dünnblechen signalisieren und/oder die Temperaturen im Bereich der Schweißzone erfassen. So mit ist der Reibschweißprozeß zur Erreichung einer quali tativ hochwertigen Schweißverbindung steuerbar.

Für eine besonders gute Energieverwertung ist es günstig, wenn die Mittel zum Einspannen der Dünnbleche, die sich über die gesamte Schweißnahtlänge erstrecken, im Schweiß bereich aus einem schlecht wärmeleitenden Material beste hen. Da die Einspannung vorteilhaft nur etwa im Abstand von 5 bis 15 Millimetern von den zu verschweißenden Blechkanten erfolgt, wird auf diese Weise wenig Wärme energie über die Spannvorrichtung abgeleitet. Durch die Art der Einspannung ist gewährleistet, daß es beim Schweißvorgang nicht zum ungewollten Verbiegen der Bleche kommt.

Mit der erfindungsgemäßen Schweißmaschine ist es möglich, in einer sehr kurzen Schweißoperationszeit (unabhängig von der Schweißnahtlänge) qualitativ hochwertige Schweiß verbindungen zu erhalten. Die Vorbereitung der Dünnbleche auf die Verschweißung erfordert im Vergleich zum Laser- Strahl-Schweißen nur einen geringen Aufwand. Erhöhte Qua litätsanforderungen beim Beschneiden der zu verschweißen den Dünnbleche bestehen nicht. Insgesamt ist mit der er findungsgemäßen Schweißmaschine eine hohe Arbeitsproduk tivität erreichbar.

Die detaillierte Beschreibung der Erfindung erfolgt an hand eines Ausführungsbeispiels. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht auf eine Schweiß maschine in schematischer Darstellungsweise;

Fig. 2 eine Schweißverbindung zwischen zwei Dünnble chen unterschiedlicher Blechdicke.

In Fig. 1 sind zwei in einer erfindungsgemäßen Schweiß maschine eingespannte Dünnbleche 1, 2 gezeigt, die mit einer geraden langgestreckten Schweißnaht zu verbinden sind. Es sind Mittel zum separaten Einspannen der Dünn bleche 1, 2 vorgesehen. Insbesondere sind dies Spannele mente 3, 4, die über Hydraulikzylinder 5 bis 8 gegenüber zugehörigen Arbeitstischen 9, 10 vertikal beweglich sind. Es sind Dünnbleche 1, 2 unterschiedlicher Blechdicke ver spannbar, wobei vornehmlich Blechdicken von 0,5 Millime ter bis 3,5 Millimeter in Betracht kommen.

Die Spannelemente 3, 4 sowie die Arbeitstische 9, 10 wei sen in einem Bereich, in dem die Preßkraft auf die Dünn bleche 1, 2 wirkt, Kontaktplatten 11, 12 auf, die aus schlecht wärmeleitendem Material bestehen. Die Einspan nung der Dünnbleche 1, 2 erfolgt nahe den zu verschwei ßenden Blechkanten in einem Abstand von 5 bis 15 Millime tern zu diesen.

Der Arbeitstisch 9 ist über Hydraulikzylinder 13, 14 ver tikal verschiebbar (Doppelpfeil 15) und um eine Achse 16 gegenüber einem Maschinengestell 17 verschwenkbar. So ist die vertikale Relativposition zwischen den verspannten Dünnblechen 1, 2 einstellbar bzw. vorwählbar. Die Dünn bleche 1, 2 können flächenparallel oder in Grenzen ge neigt zueinander ausgerichtet werden.

Der andere Arbeitstisch 10 ist im Ausführungsbeispiel nicht vertikal, sondern ausschließlich horizontal beweg lich auf dem Maschinengestell 17 gelagert. Er ist in Schweißnahtrichtung, die durch die Gerade 18 verdeutlicht ist, und quer zur Schweißnaht in Fügerichtung beweglich. Die für die horizontale Bewegung (Doppelpfeil 19) quer zur Schweißnaht erforderliche Kraft wird von einem Hy draulikzylinder 20 auf den Arbeitstisch 10 übertragen. Somit ist das Dünnblech 2 in Richtung des Dünnbleches 1 bewegbar und gegen dieses preßbar.

Eine Abtriebswelle eines Elektromotors 21 ist über eine nicht verdeutlichte Mechanik mit dem Arbeitstisch 10 ver bunden. Hier kann ein vibratorischer Antrieb des Arbeits tisches 10 in Richtung des Doppelpfeils 22 erfolgen. Eine Hydraulikpumpe, Hydroventile sowie der Elektromotor 21 sind über eine in einem Schaltschrank 23 untergebrachte Steuerung steuerbar.

Die Schweißmaschine arbeitet in folgender Weise: Zwei Dünnbleche 1, 2 werden eingelegt, was automatisch oder von Hand vorgenommen wird. Eine annähernde Parallelität zwischen den zu verschweißenden Blechkanten und den Mit teln 3, 4, 9, 10 zum Einspannen ist zu gewährleisten. Ei ne exakte Höhenpositionierung des Dünnbleches 1 erfolgt nach dem Verspannen über die Hydraulikzylinder 13, 14. Dies muß innerhalb einer Serie gleicher Schweißoperatio nen nur einmalig erfolgen. Über eine nicht gezeigte Sen sorik wird die Relativposition der Dünnbleche 1, 2 zuein ander ständig bestimmt, so daß auch die vertikale Posi tionierung von der Steuerung automatisch vorgenommen wer den kann. Anschließend wird der Arbeitstisch 10 mit dem Dünnblech 2 in Fügerichtung (Doppelpfeil 19) gegen das Dünnblech 1 verfahren, bis ein Kontakt hergestellt ist. Über den Hydraulikzylinder 20 erfolgt eine Anpressung mit einer vorwählbaren und aktuell meßbaren Spannkraft, die als Normalkraft zwischen den Dünnblechen 1, 2 wirkt und beispielsweise 100 bis 250 N/mm² beträgt. Auch dies wird automatisch gesteuert.

Jetzt wird über den Antrieb 21 eine vibratorische Bewe gung des Arbeitstisches 10 mit dem Dünnblech 2 in Schweißnahtrichtung (Gerade 18; Doppelpfeil 22) erzeugt, so daß Reibung zwischen den zu verschweißenden Dünnblech kanten stattfindet. Die weiter oben genannte Mechanik zur Bewegungsübertragung sollte vorzugsweise eine Einstellung des Reibweges zulassen, so daß das Dünnblech 2 mehr oder weniger weit hin- und herbewegbar ist. Durch die Reibung wird innerhalb einer Zone der Dünnbleche 1, 2 Wärme er zeugt. Der Grad der Erwärmung ist über die Dauer der vi bratorischen Bewegung oder mittels bekannter Sensorik zu steuern.

Bei ausreichender Erwärmung (ca. 1000 bis 1400° Celsius im Schweißnahtbereich) wird die vibratorische Bewegung des Arbeitstisches 10 abgebrochen. Anschließend erfolgt ein Antrieb über den Elektromotor 21 mit geringer Dreh zahl zur exakten horizontalen Positionierung der Dünnble che 1, 2 relativ zueinander in Schweißnahtrichtung. Der Antrieb wird schlagartig abgeschaltet, wenn die richtige Position erreicht ist und gleichzeitig wird am Hydraulik zylinder 20 die Anpreßkraft in Fügerichtung erhöht. Jetzt wird eine hohe Flächenpressung (ca. 200 bis 350 N/mm²) erzeugt. Als Richtwert ist annehmbar, daß die Normalkraft beim Reiben in einem Verhältnis von ca. 1 : 2 zu der An preßkraft beim Fügen steht. Diese Kräfte sind aber sehr stark materialabhängig und können im Einzelfall auch im Verhältnis 1 : 1 angesetzt werden. Die hohe Flächenpressung führt dazu, daß sich ein Schweißwulst bildet und die Ver bindung hergestellt wird. Anschließend können die Mittel 3, 4 zum Einspannen über die Hydraulikzylinder 5 bis 8 angehoben werden, wodurch die Entnahme des verschweißten Werkstücks möglich ist.

Eine so mit der Schweißmaschine hergestellte Schweißver bindung ist in Fig. 2 schematisch verdeutlicht. Das Dünnblech 1 weist eine geringere Blechdicke als das Dünn blech 2 auf, kann anders beschichtet als dieses sein oder auch vollständig aus anderem Blechmaterial bestehen. Ge zeigt ist eine mittige Verschweißung. Es ist auch mög lich, daß die oberen oder unteren Flächen der Dünnbleche 1, 2 in einer Flucht liegen. Dies ist über die Einstel lung der Höhenposition des Arbeitstisches 9 vorwählbar. Eine ursprüngliche Stoßkante 24 zwischen den Dünnblechen 1, 2 sowie ein Verformungsbereich 25 sind in Fig. 2 ge zeigt. Erwärmtes Material beider Dünnbleche 1, 2 wird durch die hohe Anpreßkraft beim Verschweißen nach außen verdrängt, so daß auf beiden Blechseiten Schweißwülste 26 gebildet werden.

Die Einfachheit der Schweißmaschine bringt besondere Vor teile mit sich, und es sind qualitativ hochwertige Schweißverbindungen herstellbar. Es ist über herkömmliche Antriebstechnik die dreidimensionale Beweglichkeit der Dünnbleche relativ zueinander zu gewährleisten, und sepa rate aufwendige Mittel zum Erwärmen der zu verschweißen den Blechkanten sind nicht erforderlich. Langgestreckte zu verschweißende Blechkanten sind gleichzeitig erwärmbar und so nahezu verzugsfrei zu verschweißen.

Claims

1. Schweißmaschine zur Verbindung zweier großflächiger Dünnbleche (1, 2), insbesondere zur Verwendung im Kraftfahrzeugbau, mit im wesentlichen gerader lang gestreckter Schweißnaht, dadurch gekennzeichnet, daß über die gesamte Schweißnahtlänge reichende, separa te Mittel (3, 4, 9, 10) zum Einspannen beider Dünn bleche (1, 2) vorgesehen sind, diese Mittel (3, 4, 9, 10) relativ zueinander gesteuert dreidimensional beweglich und dazu mit Antrieben (13, 14, 20, 21) versehen sind, wobei der Antrieb (21) eine in Schweißnahtrichtung vibratorische Relativbewegung erzeugt und der Antrieb (20) zur Aufbringung einer hohen Flächenpressung zwischen den Dünnblechen (1, 2) in Fügerichtung - quer zur Schweißnaht - geeignet ist.

2. Schweißmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel zum Einspannen eines Dünn bleches feststehend und nur die Mittel zum Einspan nen des anderen Dünnbleches dreidimensional beweg lich sind.

3. Schweißmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel (3, 4, 9, 10) zum Einspan nen beider zu verschweißenden Dünnbleche (1, 2) zu mindest eindimensional beweglich sind.

4. Schweißmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Sensoren kommunizieren de elektronische Steuerung die Antriebe (13, 14, 20, 21) derart ansteuert, daß nach einer vertikalen Vor positionierung eine Relativbewegung der Dünnbleche (1, 2) in Fügerichtung (Doppelpfeil 19), dann eine vibratorische Relativbewegung in Schweißnahtrichtung (Doppelpfeil 22) und nach exakter Positionierung der Dünnbleche (1, 2) eine Relativbewegung in Fügerich tung (Doppelpfeil 19) mit hoher Anpreßkraft erfolgt.

5. Schweißmaschine nach den Ansprüchen 1 und 3, gekenn zeichnet durch ein zwischen den zu verbindenden Flä chen bzw. Kanten der Dünnbleche (1, 2) bewegliches Reibelement, das virbratorisch in Schweißnahtrich tung (18) antreibbar und über einen weiteren Antrieb aus dem Schweißbereich bewegbar ist, wobei die Dünn bleche (1, 2) während der virbratorischen Bewegung des Reibelementes mit unterschiedlicher Kraft gegen das Reibelement gepreßt und nach Wegbewegung des Reibelementes mit hoher Kraft in Fügerichtung anein ander gepreßt werden.

6. Schweißmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (3, 4, 9, 10) zum Einspannen der zu verschweißenden Dünnbleche (1, 2) im Spannbereich Kontaktzonen (11, 12) aus schlecht wärmeleitenden Material aufweisen.

7. Schweißmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnbleche (1, 2) in einem Abstand von 5 bis 15 Millimetern von der herzustel lenden Schweißnaht parallel zu dieser einspannbar sind.

8. Eine zwei Dünnbleche (1, 2) gleichen oder unter schiedlichen Materials, gleicher oder unterschiedli cher Blechdicke verbindende, annähernd linear lang gestreckte Schweißverbindung, gekennzeichnet durch die Art ihrer Herstellung im Reibschweißverfahren, wobei eine Materialerwärmung im Fügebereich durch Reibung in Schweißnahtrichtung (18) erfolgt und an schließend ein Zusammenpressen der Dünnbleche (1, 2) in Fügerichtung (Doppelpfeil 19) die Verbindung be wirkt.