DE60132614T2

DE60132614T2 - Vorrichtung und verfahren zum fügenkleben zum festen zusammenfügen von metallischen blechen

Info

Publication number: DE60132614T2
Application number: DE60132614T
Authority: DE
Inventors: Bernard Criqui; Samuel Fays; Marion Joly
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2021-10-13
Also published as: DE60132614D1; FR2815278B1; ES2298271T3; EP1333956A1; FR2815278A1; WO2002032613A1; EP1333956B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Heißkleben, um zwei Metallbleche, insbesondere Karosserieteile, starr zusammenzufügen.
Gewöhnlich werden Karosserieteile durch elektrische Punktschweißungen zusammengefügt; diese im Durchschnitt um 50 mm beabstandeten Punkte ergeben jedoch eine nicht perfekt starre „geknöpfte" Verbindung, um Kräfte von Teil zu Teil zu übertragen. Es ist unter bestimmten Bedingungen wünschenswert, die Steifheit der Zusammenfügung in Bezug auf diese unterbrochene Verbindung zu verbessern.
Kontinuierliche Verbindungen lassen sich durch kontinuierliches Laserschweißen, durch Kleben allein oder durch Hybridverfahren, die die zwei Techniken verbinden, wie zum Beispiel Heißkleben oder Nietkleben, ausführen.
Das herkömmliche Laserschweißen, insbesondere TIG- oder YAG-Schweißen, erfordert eine kostspielige Materialinvestition, zum Beispiel von 3 Millionen Franc im Vergleich zu etwa 350.000 Franc für eine elektrische Punktschweißanlage.
Das Kleben allein lässt sich nicht in Betracht ziehen, denn seine Festigkeit ist zu gering (kleiner als 30 MPa) und anisotrop.
Daher wird das Kleben durch Schweißpunkte oder Nietstellen verstärkt, was den Selbstkostenpreis der Herstellung und die Taktzeit negativ beeinflusst. Die Dokumente US 3 967 091 , US 4 195 215 , US 4 727 232 und EP 0 924 021 zeigen unterschiedliche Beispiele solcher gemischter Verfahren.
Der Schweißpunkt oder das Nieten erfordern ferner das Einklemmen der zwei zusammenzufügenden Stärken, woraus sich die Notwendigkeit ergibt, von den zwei Seiten her zugreifen zu können und eine große Randbreite (Falz) (> 15 mm) zu haben, die für das Anlegen der verwendeten Werkzeuge, wie zum Beispiel für eine Schweißelektrode oder für einen Nietstempel, erforderlich ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Heißkleben vorzuschlagen, die die erwähnten Nachteile nicht aufweist und es erlaubt, eine größere Starrheit als die der unterbrochenen Zusammenfügungen zu erzielen.
Die Erfindung verwirklicht ihre Zielstellung dank eines Heißklebeverfahrens von zwei Blechen des Typs, bei dem man einen Klebstoffwulst an der Schnittstelle der Bleche anordnet und die zwei Bleche punktschweißt, dadurch gekennzeichnet, dass man durch Wärmeleitung durch Laserdiode mittels eines Werkzeugs schweißt, das ein einseitiges Druckorgan der Bleche aufweist, das eine periphere Auflagezone definiert, in deren Innerem abgegrenzt ein Laserstrahl, der von der Laserdiode erzeugt wird, durchgeht.
Die Leistung des Lasers beträgt vorteilhafterweise in der Größenordnung von 1,5 bis 3 kW, was reicht, um die Wärmestrahlung zu erzeugen, die zum Schweißen erforderlich ist, indem man von einer einzigen Seite her zugreift. Unter Einschränken der Wärmestrahlung auf ein Fenster von etwa 2 bis 2,5 mm² hat man eine Leistungsdichte von 150 kW/cm², die es erlaubt, Schweißpunkte durch Transparenz in einer mittleren Zeit von 1 bis 1,5 s auf Stahlblechen zu 0,8 mm herzustellen.
Die Erfindung betrifft auch die Schweißvorrichtung selbst, die ein einseitiges Druckorgan der Bleche aufweist, die eine periphere Auflagezone definiert, in deren Innerem abgegrenzt ein Laserstrahl, der von einer Laserdiode erzeugt wird, durchgeht. Das Druckorgan hat vorteilhafterweise eine konvergierende und/oder an seinem Ende gerundete Form, so dass es dem oberen Blech folgen und es gegen das untere Blech drücken kann, um das Schnittstellenspiel zwischen den zwei Blechen zu eliminieren. Vorteilhafterweise erhitzt man zwischen zwei Punktschweißungen den Klebstoff an der Schnittstelle zwischen den Blechen, indem man das Druckorgan in Gegenwart des Laserstrahls der Oberfläche des oberen Blechs folgen lässt.
Die Erfindung erlaubt es, eine Festigkeit zu erzielen, die mit der gleichwertig ist, die mit kontinuierlicher Laserschweißung erzielt wird, während gleichzeitig die Karosserie um 15% leichter wird. Da das Laserdiodenschweißen ferner durch Wärmeleitung vorgeht, ist es toleranter als die herkömmlichen Verfahren mit eventuellen Schnittstellenspielen zwischen den Blechen. Das Verfahren ist einseitig, das heißt, dass es erlaubt, Hohlabschnitte ohne Zugang zu der verborgenen Seite blind zusammenzufügen. Das erlaubt es, Zugangsausschnitte der Schweißzangen wegzulassen, die hinsichtlich des Werkzeugs kostspielig und hinsichtlich der Strukturstarrheit nachteilig sind. Ferner erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren, gegebenenfalls den Falzrand auf eine Breite unter 10 mm zu beschränken. Schließlich betragen die Kosten für die Ausstattung etwa 350.000 Franc/kW, was zwei Mal weniger ist als die Kosten für Faser-YAG-Laser.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich bei der Lektüre der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, auf welchen:
1 eine schematische Ansicht der Anlage ist, die das erfindungsgemäße Werkzeug enthält,
2 eine Detailansicht im Längsschnitt des Endes des Werkzeugs der 1 ist,
3 ein Schnitt des Werkzeugs entlang der Linie III-III der 2 ist.
1 zeigt zwei Stahlbleche, jeweils ein unteres 1 und ein oberes 2, mit zum Beispiel 0,8 mm Stärke, auf welchen das Ende des Werkzeugs 3 anliegt. Vor dem Übereinanderlegen der Bleche 1 und 2 wurde eine Klebstoffwulst 10 durchgeführt, der von einem Roboter auf der oberen Fläche des Blechtragteils 1 abgelegt wurde. Der verwendete Klebstoff ist zum Beispiel ein Klebstoff des Typs Epoxidharzkleber 1044, zu dem vorteilhafterweise ein Fluidisierungsmittel hinzugefügt wurde.
Das Werkzeug 3 weist ein hohles Druckorgan 4 auf, das zumindest an seinem Ende aus zwei Druckfingern 4a, 4b besteht, die durch einen Schlitz getrennt werden und einen Laserstrahl 5 umgeben, der von einer Laserdiode 6 eines Generators 7 erzeugt wird. Eine Lichtleitfaser 8 (zum Beispiel mit einem Querschnitt von 2 mm²) kann den Laserstrahl von der Diode 6 bis zu dem Organ 4 leiten. Das Organ 4, ja sogar die ganze Laservorrichtung kann in einen anthropomorphen Roboter, der nicht dargestellt ist, eingebaut werden.
Der Strahl 5 bildet auf dem oberen Blech einen Spot von etwa 2 mm² oder mehr. Die zwei Druckfinger 4a, 4b grenzen zwischen den Rändern des Strahls 5 und ihrem Ende einen Ringabstand 9 ab, der größer ist als etwa 2 mm, so dass das Beschädigen des Werkzeugs in der Nähe des Erhitzens vermieden wird. Die Finger des Werkzeugs bestehen vorteilhafterweise aus einem leitenden hitzebeständigen Metall, wie zum Beispiel aus Wolfram oder Kupfer, ausgestattet mit einem Kühlkreislauf durch interne Flüssigkeitszirkulation.
Wie 2 zeigt und wenn man auf den oberen Teil 2 mit den gespreizten Fingern 4a, 4b ohne Laserstrahl andrückt, erlaubt es ihre Form, eine maximale Druckkraft in der Mitte 11 zu verleihen, so dass dem oberen Blech eine Konvexheit verliehen wird, die zu der Schnittstelle der zwei Bleche gerichtet ist, indem eine Kraft von vorzugsweise größer als 50 daN ausgeübt wird.
Derart treibt man den Klebstoff 10 zu der Peripherie der Auflagezone 12, und man stellt die Berührung zwischen den Blechen sicher.
Dann strahlt man mit der Laserdiode zwischen den zwei Fingern 4a, 4b während einer Dauer von etwa 1 bis 2 s, um den Schweißpunkt durch Wärmeleitung ausgehend von der Oberfläche auszubilden.
Nach dem Schweißvorgang hebt man die zwei Finger an, um sie zu einem weiteren herzustellenden Punkt zu verschieben.
Die Taktzeit ist schnell, eine Ausführungsgeschwindigkeit von etwa 1,5 m/min erlaubt es, etwa 15 Punkte pro Meter herzustellen.
Es besteht auch die Möglichkeit, einen kontinuierlichen Durchgang mit einer mittleren Geschwindigkeit in der Größenordnung von 0,5 m/min durchzuführen, die angepasst ist, um beim Durchlaufen die Schnittstelle auf eine Temperatur von über 200°C durch Wärmeleitung zu erhitzen. Dieses Wärmeleitungserhitzen beim Durchlaufen gewährleistet ein Vorbrennen mit dem Kleber, der abbindet. Das erlaubt es, den zusätzlichen Vorgang der Vorpolymerisation durch Erhitzen durch Induktion zu ersetzen, der manchmal vor dem Durchgang unter Kataphoreseschutz erforderlich ist, um die Geometrie der Zusammenfügungen zu beherrschen.

Claims

Verfahren zum Heißkleben von zwei Blechen des Typs, bei dem man einen Klebstoffwulst (10) an der Schnittstelle der Bleche (1, 2) anordnet und die zwei Bleche (1, 2) punktschweißt, dadurch gekennzeichnet, dass man durch Wärmeleitung durch Laserdiode (6) mittels eines Werkzeugs (3) schweißt, das ein einseitiges Druckorgan (4) der Bleche aufweist, das eine periphere Auflagezone definiert, in deren Innerem abgegrenzt ein Laserstrahl (5), der von der Laserdiode (6) erzeugt wird, durchgeht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man vor dem Schweißen mit dem Druckorgan derart andrückt, dass der Klebstoff zur Schnittstelle zwischen den Blechen getrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man zwischen zwei Punktschweißungen den Klebstoff an der Schnittstelle zwischen den Blechen erhitzt, indem man das Druckorgan (4) in Gegenwart des Laserstrahls der Oberfläche des oberen Blechs (2) folgen lässt.
Vorrichtung zum Heißkleben zum Umsetzen des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ein einseitiges Druckorgan (4) aufweist, das eine periphere Auflagezone definiert, in deren Innerem abgegrenzt der Laserstrahl (5), der von einer Laserdiode (6) erzeugt wird, durchläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckorgan (4) eine konvergierende und/oder an ihrem Ende gerundete Form hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckorgan (4) aus zwei Druckfingern (4a, 4b) besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Laserdiode etwa 1,5 bis 3 kW beträgt.