DE8900556U1

DE8900556U1 - Vorrichtung zum Spannen und anschließenden Verbinden von Blechen mittels Laser-Naht-Schweißen im Karosseriebau

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Publication number: DE8900556U1
Application number: DE8900556U
Authority: DE
Original assignee: THYSSEN INDUSTRIE AG MASCHINENBAU NOTHELFER LOCKWEILER 6648 WADERN DE
Current assignee: THYSSEN INDUSTRIE AG MASCHINENBAU NOTHELFER LOCKWEILER 6648 WADERN DE
Priority date: 1989-01-19
Filing date: 1989-01-19
Publication date: 1989-03-30

Description

Patentanwalt DfpL-Ing. R. Beyer, Am Dickdabach 8, D-4030 Ratingen 6

Vorrichtung zum Spannen und anschließenden Verbinden von Blechen Mittels Laser-Naht-Schweißen im Kaxosseriebau

Beschreibung Gattung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Spannen und Verbinden von Blechen durch Laser-Naht-Schweißen im Karosseriebau .

Stand der Technik

In der Metallindustrie werden im wesentlichen das Verbindungsechweißen und das Auftragschweißen angewendet. Das Auftragschweißen ist vorliegend ohne Interesse.

Das Verbindungsschweißen gliedert sich im wesentlichen in "Schmelzschweißen¹¹ und "Preßschweißen".

Patentanwalt DipL-Ing. R. Bcyn, Am Df ckelsbach 8, D-4030 Ratingen 6

Beim "Schmelzschweißen" unterscheidet man folgende Schweif!- arten: Gasschweißen, offenes Lichtbogenschweißen, verdecktes Lichtbogenschweißen, Schutzgas-Lichtbogenschweißen, Widerstandsschmelzschweißen und Strahlschweißen, insbesondere Elektronen-Strahlschweißen und Laserstrahlschweißen.

Das "Preßschweißen" untergliedert sich im wesentlichen in "Widerstandspreßschw&ißen" und "Preßschweißen mit unterschiedlicher Energiezufuhr". Letzteres soll ebenfalls hier nicht weiter behandelt werden.

Das "Widerstandspreßschweißen" unterteilt man in: Punktschweißen, Preß-Sturapfschweißen, Abbrennstumpfschweißen, Buckelschweißen und Nahtschweißen (z.B. Rollnaht).

Berücksichtigt man jedoch nur noch den Karosseriebau, so ist die Gruppe der Schwfeißverfahren schon stark eingeschränkt. Von den obenbeschriebenen Schmelzschweiß- und Preßechweißverfahren werden im Karoseeriebau lediglich die nachfolgend aufgeführten Verfahren angewandt.

Beim "Schmelzschweißen" verwenden man das Schutzgas-Schweissen und das Strahlachweißen (z.B. Laserstrahlschweißen), während man beim "Preßschweißen" das Widerstandsschweißen als Punktschweißen/ Buckelschweißen und Nahtschweißen kennt.

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Patentanwalt Dlpl.-Ing. IL Beyer, Am DlckeUbach S, Ü-4Ö3Ü RaUngen 6

Im Karosseriebau findet im überwiegenden Maß das "Preßechweißverfahren" Anwendung (Punktschweißen, Buckelschweißen und Nahtschweißen).

Beim "Punktschweißen" werden zwei flächig aufeinanderliegende Werkstücke durch zwei gegenüberliegende, meist ballige Kupferelektroden an einzelnen Punkten aufeinandergedrückt. Der Schweißstrom - Wechselstrom hoher Stromstärke bei niedriger Spannung - erwärmt die zu verbindenden Teile durch den übergangswiderstand punktförmig *uf Schmel&zgr;temperatur oder dicht darunter.

Auch beim "Buckelschweißen" werden die beiden flächig aufeinanderliegenden Werkstücke, von denen eines mit eingedrückten Buckeln oder geprägten Warzen versehen ist, durch ClsttSn£örSS.l3S Elsktrcdsn SUfS⁴ «««^arnodHinfet. Der Schweiß— strom - Wechselstrom hoher Stromstärke bei niedriger Spannung - erwärmt die Teile an den Berührungsstellen auf Schweißtemperatur dicht unter der Schmelztemperatur. Buckel und Warzen werden durch den Stauchdruck eingeebnet.

Dagegen wird beim "Nahtschweißen" den überlappt oder auch stumpf zu schweißenden Teilen der Strom - meist Wechselstrom hoher Stromstärke bei niedriger Spannung - über scheibenförmige Elektroden, die gleichzeitig den Stauchdruck übertragen, oder aber durch Schleifkontakte, zugeführt. Es entsteht eine ununterbrochene Naht,

Patentanwalt Dipping. It Beyer, Am Dickeisbach (t, D-4030 Raiingeii 6

Die hier aufgeführten Schweißverfahren sind alle Widerstandspreßschweißverfahren. Der elektrische Widerstand in der Schweißzone erzeugt beim Stromdurchgang die zum Schwel&bgr;-sen erforderliche Wärme. Die Bindung zwischen den zu verbindenden Stellen wird durch Zusammenpressen der Teile erzeugt. Der erforderliche Preßdruck muß um so höher sein, je niedriger die Temperatur ist.

Auch SchmelzBchweißverfahren finden im Karosseriebau häufig Anwendung.

' Bekannt ist das sogenannte Schutzgas-Lichtbogenschweissen. Hier unterscheidet man z.B. zwischen HIG- und MAG-Schweißverfahren. Beim "MIG-Schweißverfahren" brennt der Lichtbogen in einem Schutzstrom aus inertem Gas zwischen der von der Rolle zugeführten abschmelzenden Metallelektrode und dem Werkstück. Die Elektrode ist zugleich Zusatzwerkstoff und daher auf den zu verschweißenden Werkstoff abzustimmen.

Bei dem in neuerer Zeit durch intensive Bemühungen von Wissenschaft und Industrie immer interessanter gewordenen Laserstrahlschweißverfahren erwärmt ein in einem Festkörper oder in einem Gaslaser erzeugter Laserstrahl nach Fokussierung in einer Linse beim Auftreffen das Werkstück auf Schweißtemperatur. Zum Schutz des Schweißgutes wird ein

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Patentanwalt Dipping. R. Beyer, Am Dlckeiebach 8, D*4030 RaÜngen 6

Schutzgas durch eine Düse auf die Schweißstelle geleitet. Maschinelle Führung des Lasers ist erforderlich, bietet aber gleichzeitig die Möglichkeit einer programmierten Führung des Schweißstrahles.

Bei einer Wärmeverbindung mittels der obenbeschriebenen Verfahren werden grundsätzlich folgende Eigenschaften angestrebt t

- minimaler Verzug durch minimale Erwärmung während der Bearbeitung;

- hohe Prozeßgeschwindigkeit und damit relativ hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit und somit niedrige Takt- und Durchlauf zeiten;

- keine Nachbearbeitung der Schweißstelle;

- möglichst kein Werkzeugwechsel;

- einfache Steuerungen;

- möglichst hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht;

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i keine Knackgeräusche bei spaterer Fahrzeugnutzung; |

kleinstmöglicher Fertigungs- und Kostenaufwand bei ' höchstmöglicher Nutzung;

möglichst hohe Steuer- und Regelbarkeit der Schweißtiefe und -breite (Volumen des Schmelzbades).

Beachtet man nun die fünf gebräuchlichsten Schweißverfahren im Karoeseriebau, also das Punkt-, Buckel-, Naht-, Schutzgas- und Laserschweißen, so kommt das Laserschweißen den
vorstehend beschriebenen Eigenschaften am nächsten. Als
berührung&bgr;loses Bearbeitungswerkzeug ist die Laserschweißeinheit abnutzungefrei, wodurch sich ein entscheidender
Vorteil gegenüber der Preßschweißung ergibt. Die geringe
Wärmeentwicklung in der Schweißzone sorgt für einen minimalen Verzug der Bauteile, wodurch ein Nahtschweißen diesbezüglich unproblematisch ist. Die hohe Prozeßgeschwindigkeit von z.B. 4 bis 6 m/min, die gute Steuerung der Schweißtiefe und dadurch selten erforderliche Nachbearbeitung iuachen das Laserschweißen zum Schweißsystem der Zukunft. Durch die gute Regulier- und Steuerbarkeit von Lasern können alle Bearbeitungsverfahren im Prinzip mit demselben Laser durch Variation weniger Laserparameter durchgeführt werden. Die durchgeschweißten Nähte haben zudem den Vorteil,, daß die Festig-

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Patentanwalt DipL-Ing. R. Beyer, Am Dickeisbach 8, D-4030 Ratingeii 6

keit der Karosse höher ist. Als Folge davon könnte man eine Blechkarosse aus weniger Blechteilen zusammenstellen, das Gewicht würde geringer, Knackgeräusche, wie oftmals bei punktgeschweißten Karosserien erkannt, verschwinden völlig. Alles in allem könnte man die Kosten des Gesamtsystems verringern und die Qualität erhöhen.

Aber auch beim Laserschweißen gibt es Probleme, die dem Einsatz im Karosseriebau bisher entgegenwirkten.

Im Kraftfahrzeugbau wird überwiegend der Überlappstoß als Schweißverbindung angewandt. Der Überlappstoß hat sich über Jahre hin durch das Punktschweißen der Karosserien herausgebildet und ist derzeit noch Stand dieser Technik. Beachtet man die Punktschweißmethode, so wurden über Jahre hinweg Ungleichmäßigkeiten im Blech sowie Ungenauigkeiten in der Blechkontur durch die Punktechweißzangen ausgeglichen, d.h. Lagen bei einer Punktlage die Bleche nicht aufeinander hatten die Bleche keinen Kontakt miteinander - so wurden sie mit Hilfe der Schweißzange aufeinandergedrückt und der Schweißvorgang eingeleitet. So hat eich je nach Blechdicke eine Punktkraft zwischen 2000 und 3000 N eingependelt. Dies erlaubt den Werkzeugmachern einen gewiesen Spielraum, in dem eich die WorkzeugabmeBBungen bewegen müssen, die jedoch heute der Automatisierung des Laserschweißens entgegenwirken.

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Beim !Laserschweißen ist es erforderlich, daß der Spalt zwischen den beiden zusammenzuschweißenden Blechen maximal 0,25 &khgr; Blechdicke betrügt.

Geht man von einer Standardblechdicke von 0,8 mm im Karoeseriebau aus, so ergebe dies einen Spalt von maximal 0,2 mc. Diese Bedingung ist in der Praxis oft nicht gegeben; genauere Bleche aus dem Preßwerk kann man jedoch nicht erwarten.

Aufgabe

; Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Spannen und anschließenden Verbinden von Blechen mittels Laeer-Naht-Schweißen zu schaffen, die robust und relativ einfach ist und sich mit besonderem Vorteil im Kfz-Karosseriebau anwenden läßt.

Lösung

Die Aufgabe wird durch die in Schutzanepruch 1 wiedergegebenen Merkmale gelöst.

Patentamnlt DipL-Ing. R. Beyer, Am DtekeUbacfa 8, D-4030 Ratingen 6 Einige Vorteile

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die miteinander zu verbindenden Bleche kontinuierlich im unmittelbaren Bereich der Schweißstelle durch eine Abrollbewegung gegeneinandergepreßt und durch die synchron mitgeführte Laser-Einrichtung verschweißt werden, ist zunächst eine hohe Produktionsleistung gegeben.

Durch die rollend unmittelbar neben der Schweißstelle aufgebrachte Praßkraft lassen sich Bleche der bisher auch üblichen Toleranzen problemlos mit einer Punktkraft zwischen z.B. 2000 bis 3000 N gegeneinander pressen, so daß der beim Laserschweißen erforderliche Spaltabstand zwischen den zu verschweißenden Blechen von maximal 0,25 &khgr; Blechdicke eingehalten werden kann. Die erforderliche Spannkraft bewegt sich somit quasi synchron parallel zur Fokuseiereinrichtung, also mit dem Laserschweißstrahl.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich dabei sowohl zum Spannen und Verbinden von Blechen mit und ohne Formkontur, auch an der Gesamtkarosee oder an Einzelteilen, mit Vorteil verwenden.

PBtentwnralt DipL-Ing. R. Beyer, Am Dickelsbach 8, D-4030 Ratingen 6

Das ständige Spannen mittels Rollen unmittelbar an der Schweißstelle bringt auch bei Kurvenverlauf der Bleche die geringsten Probleme. Dabei wird die Gefahr, der Spalt zwischen den Blechen könnte größer als 0,25 &khgr; Blechdicke sein, sehr gering. Durch groß bauende Rollen wird ein geringer Rollwiderstand erreicht.

Bei der Erfindung werden die Bleche streifenförmig auf gegenüberliegenden Seiten durch Unter- und Oberrollen gegeneinander gepreßt. Es ist aber auch möglich, durch eine Rolle die Anpreßkraft nur von einer Seite auf die miteinander zu verbindenden Bleche auszuüben, während die gegenüberliegende Seite durch ein geeignetes Widerlager abgestützt wird. Dabei können die Anpreßkräfte in vorbestimmter Höhe kontinuierlich oder in Sprüngen während des Schweißvorganges vorändert werden. Dadurch lassen sich die Anpreßkräfte je nach den vorliegenden Bedingungen, beispielsweise beim "Abfahren" von Formkonturen, verändern, was auch für unterschiedlich dicke Bleche gilt.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung baut relativ einfach, da beim Laserschweißen ohnehin dJ.e Laserfokussiereinrichtung vorhanden sein muß. Diese Laserfokueeiereinrichtvmg wird einer geeigneten Spanneinrichtung, mit mindestens einer Rolle, zugeordnet, und als Einheit an eine Verfahreinheit gekoppelt. Pokuesier- und Spanneinrichtung können soMt als

Palentanwalt DIpL-In₈. R. feyer, Am Dlckelabach 8, D-MoO Ratlngen 6

eine "Einheit" bewegt werden. Dabei wird die betreffende Rolle so dicht wie möglich neben der Schweißnaht angeordnet, so daß im unmittelbaren Bereich neben der Schweißnaht die Anpreßkraft in die miteinander zu verbindenden Bleche eingeleitet wird.

Durch die Befestigung der Fokussiereinheit an der Trägereinheit der oberen Rolle wird gewährleistet, daß der Abstand der Fokussiereinheit zur Blechoberfläche stets der gleiche bleibt.

Weitere Ausführungsformen

Bei Ausgestaltung gemäß Schutzanspruch 2 werden die Bleche zangenartig durch zwei Rollen gegeneinandergepreßt. Dadurch lassen sich von beiden Seiten der miteinander zu verbindenden Bleche kontinuierlich in streifenförmigen Bereichen dicht neben der durch den Laserstrahl erzeugten Schweißnaht relativ hohe Anpreßkräfte in die Bleche einleiten, so daß Bleche mit den üblichen Blechtoleranzen ohne Schwierigkeiten und ohne besondere Herrichtung durch Laserschweißen verbunden werden können.

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Von besonderem Vorteil ist eine Ausführung8form nach Schutzanspruch 3. Dadurch, daß Spannrollen und Laserfokussiereinheit in gleicher Etxme liegen, ist eine Rollbewegung entlang von Flanschen besonders leicht möglich.

Eine gelenkige nnd/oder federnde Aufhängung von Rollen und Laser-Fokussiereinrichtung gemäß Schutianspruch 4 ermöglicht es, besonders große Ungenauigkeiten der Bleche aufzunehmen.

Eine weitere, sehr vorteilhafte Ausführungsform ist in Schutzanspruch 5 beschrieben. Hierbei können gleichzeitig zwei oder mehr, von unterschiedlichen Seiten gegen die miteinander zu verbindenden Bleche anpreßbare Rollen verwendet werden.

Bei der Aueführungsform nach Schutzanepruch 6 sind die Kolben-Zylinder-Einheit mit Anpreßeinheit und die Fokussier-Einheit mit der Trägereinheit an eine Vorrichtung (z.B. Roboter) montiert. Der Roboter fährt die Blechkontur ab, die Rollen laufen auf den Flanschen und spannen die Bleche unmittelbar an der jeweiligen Schweißstelle.

Eine weitere bevorzugte Ausfiihrungeform ist in Schutzanspruch 7 beschrieben. Die Dickenunterschiede der Bleche und sonstige Ungenauigkeiten, z.B. kleine Erhebungen im Blech, können aufgefangen werden, da die Rollen, die Trägereinheit

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und die Laser-Fokussiereinheit in sich drehbar bzw. schwenk-

bar dind. Durch Anschläge wird ein Durchdrehen verhindert.

Zn den SchutzansprUchen 8 bzw. 9 sind weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Gemäß Schutzanspruch 10 kann mindestens eine der Rollen motorisch angetrieben werden, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist.

Gemäß Schutzanspruch 11 sind die Rollen mit Kugellagerungen versehen. Es ist jedoch auch möglich, gemäß Schutzanspruch 12 die Rollen in Gleitlagern zu lagern. Dadurch können Stützrollen entfallen. Hierdurch läßt sich eine kleiner bauende Einheit verwenden.

Werden die Rollen in Kugellagern gelagert, so 1st es zweckmäßig, der oberen Rolle mindestens zwei Stützrollen zuzuordnen.

Bei der Ausführungsform nach Ansprach 14 let der Unterrolle eine Mittenvertiefung zugeordnet, um ein Durchschlagen des Lasers zu unterbinden.

Heitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Schutzansprüchen 15 und 16 beschrieben.

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Patentanwalt Dfpl.-Ing. R. Beyer, Am Dlckelfbach 8, D-4030 Ratingen 6

In der Zeichnung ist die Erfindung - teils schematiech - an AusfUhrungsbeiepielen veranschaulicht. Es zeigern

Fig. 1 Eine perspektivische Darstellung zweier Blechwinkel mit zwei gleich langen Flanschen, die durch eine innere Schweißnaht, an der Flanschwurzel, miteinander verbunden sind;

Fig. 2 die Verbindung von zwei langen Blechwinkeln rait zwei ungleich langen Flanschen durch eine innere Schweißnaht, an der Flanschwurzel, ebenfalls in perspektivischer Darstellung;

Fig. 3 einen Überlappungestoß, teils im Schnitt, teils abgebrochen dargestellt;

Fig. 4 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in der

Seitenansicht, als Zangeneinheit, teils abgebrochen dargestellt;

Fig. 5 eine Stirnansicht zu Fig. 4, ohne Fokussiereinheit;

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Fig. 6 eine weitere Aueführungsform, ebenfalls in der Seitenansicht, teils abgebrochen dargestellt·

Fig. 7 eine Stirnansicht zu Fig. 6, ohne Fokussiereinheit;

Fig. 8 abermals eine weitere Ausführungsform, in der Seitenansicht und teils abgebrochen dargestellt;

Fig. 9 eine Stirnansicht zu Fig. 8, jedoch ohne Fokussiereinheit;

Fig. 10 eine Schweißnaht "innen" zum Verbinden zweier Bleche;

Fig. 11 eine ähnliche Darstellung wie sie in Fig. 10

dargestellt ist, jedoch Schweißnaht am Flansch "innen"; d.h. an der Flanechwurzel;

Fig. 12 abermals eine ähnliche Darstellung wie in den vorangegangenen Fig. 10 und 11, wobei Flansche außen durch eine Schweißnaht verbunden sind;

Fig. 13 sine weitere AusfUhrungsform der Erfindung, in der Seitenansicht und teils abgebrochen dargestellt;

Patentanwalt DipL-Ing. R. Beyer, Am Dlckebbach 8, D-4030 Ratingen 6

Fig. 14 eine Stirnansicht zu Fig. 13, jedoch ohne Fokussiereinheit;

Fig. 15 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

ebenfalls in Seitenansicht, als Anpreßeinheit, teils im Schnitt und abgebrochen dargestellt;

Fig. 16 eine Stirnansicht zu Fig. 15;

Fig. 17 eine weitere Ausführungsform, ebenfalls in Stirnansicht;

Fig. 18 eine graphische Darstellung von Kombinationsmöglichkeiten, wenn die sogenannte Spanneinheit als Zangeneinheit ausgebildet ist;

Fig. 19 eine Darstellung ähnlich wie aus Fig. 18 ersichtlich, wobei die Spanneinheit als Anpreßeinheit auegebildet ist.

In der Zeichnung ist mit dem Bezugrzeichen 1 eine Trägerein· hüit bezeichnet, die starr an einer Vorrichtung, z.B. an einem nicht dargestellten Roboter, befestigt ist.

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Patentanwalt Diph-Ing. R. Beyer, Am Dickelf bsch 8, D-4030 Ratingen 6

Die Trägereinheit 1 weist an Ihrem unteren Endabschnitt einen Bolzen 2 auf, der zu der z.B. aus Fig. 4 ersichtlichen Zeichungeebene orthogonal verläuft und einen zweiarmigen Hebel 3 trägt, der an seinem einen Ende mit einer Bohrung versehen ist, durch die eine Schwenkachse 4 hindurchgreift. Die Längsachse der Schwenkachse 4 verläuft parallel zur Längs*chse des Bolzens 2.

Der zweiarmige Hebel 3 weist im Bereich des Bolzens 2 eine augenförmige Ausformung 5 auf, die koaxial zur Längsachse des Bolzene 2 mit einer Bohrung versehen ist, durch die der Bolzen 2 hindurchgreift.

Der Hebel 3 ist an seinem der Schwenkachse 4 entgegengesetzten Endabschnitt mit einer drehbaren Unterrolle 6 versehen, deren Drehachse mit 7 bezeichnet ist. Die Drehachse 7 verläuft parallel zu der nicht dargestellten Längsachse des Hebels 3 und orthogonal zu einer durch den Mittelpunkt des Bolzene 2 verlaufenden Achse 8.

Um den Bolzen 2 ist ein weiterer Winkelhebel 9 begrenzt schwenkbeweglich gelagert, der im Bereich des Bolzens 2 ebenfalle mit einer Bohrung versehen ist, die koaxial zum Bolzen 2 verläuft, so daß dieser ebenfalls durch diese Bohrung hindurchzugreifen vermag. Der Hebel 3 und der Winkelhebel 9 sind somit in Ebenen echwenkbeweglich, die parallel zueinander verlaufen.

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Der Winkelhebel 9 lagert gegenüberliegend zur Unterrolle 6 eine Oberrolle 10 auf, die um eine Achse 11 drehbar ist, die nahezu parallel zur Achse 7 der Unterrolle 6 verläuft.

Im übrigen weist der Winkelhebel 9 einen Hebel 12 auf, der in seinem Endbereich eine Bohrung besitzt, durch die eine Schwenkachse 13 koaxial hindurchgreift. Die Schwenkachse 13 ist an einem Zylinder 14 einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 15 bezeichneten, abwechselnd beidseitig mit Druckmitteldruck beaufschlagbaren Kolben-Zylinder-Einheit gelagert. Als Druckmittel kann Luftdruck in Betracht kommen. In dem Zylinder 14 ist ein nicht dargestellter Kolben längsverschieblich und dichtend geführt. Mit Vorteil kann jedoch auch eine zweistufige Kolben-Zylinder-Einheit zur Anwendung gelangen und dadurch die Kraft, mit der eine Kolbenstange nach außen bewegt werden kann, vergrößern.

Die Achse 4 ist am Ende der Kolbenstange 16 oder einem damit verbundenen Gabfeikopf 17 schwenkbeweglich verbunden. Ein Auefahren der Kolbenstange 16 hat somit zur Folge, daß sich die Achsen 4 und 13 voneinander entfernen. Dadurch schwenken der Hebel 3 und der Winkelhebel 9 entgegengesetzt, was ein Gegeneinanderbewegen der Unterrolle 6 un$ der überrolle 10, also ein Gegeneinanderpressen derselben mit entsprechender Hebelübersetasung und damit große Anpreßkraft von z.B. 2000 bis 3000 N zur Folga hat.

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Bei der aue Fig. 4 und 5 ersichtlichen AusfUhrungeform ergreifen Unterrolle 6 und Oberrolle 10 zwischen sich die Flansche 18 bzw. 19 einer Kfz-Karoseerie. Die Flansche 18/ 19 können - wie aus Fig. 1 oder 2 ereichtlich ist - gleich lang oder unterschiedlich lang sein.

Mit dem Bezugszeichen 20 ist eine Laser-Fokussiereinrichtung bezeichnet, die ebenfalls an der Trägereinheit 1 angeordnet ist. Damit sind die Trägereinheit 1, die Kolben-Zylinder-Einheit 15 mit den Hebeln 3 und 9 und der Laser-Fokuasiereinheit 20 als gemeinsam bewegliche Baueinheit, z.B. durch einen nicht dargestellten Roboter, verfahrbar. Die Laser-Fokussiereinneit 20 dient zur Bündelung des Laserstrahls. Ale kegelförmige Ausbildung in der Zeichnung dargestellt, erhält dies die Bezeichnung Laserstrahlfokussierung 21. Der Laserstrahl trifft im unmittelbaren Bereich neben der Oberrolle auf das Blech, so daß der Laserstrahl den Werkstoff der Bleche 18, 19 im unmittelbaren Bereich der Rollen 6 und 10 zusammenschweißt. Die Rolle 10 oder 6 kann motorisch angetrieben sein, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Auch ist es denkbar, beide Rollen anzutreiben. Die gesamte Baueinheit aus Trägereinheit 1, Zylindereinheit 15, Fokussiereinheit 20 mit den Hebeln 3 und 9 wird am beabsichtigten Nahtbereich kontinuierlich entlangbewegt, so daß eine hohe Produktionsgeschwindigkeit gegeben ist. Die Bleche 18, 19 können ebenflächig sein. Dadurch, daß die Spannrollen 6

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und 10 und die Laser-Fokussiereinheit 20 in gleicher Ebene liegen und somit eine Rollbewegung entlang des Flansches zulassen/ können die Bleche 18, 19 der bisher üblichen Toleranzen verwendet werden. Das bedeutet, daß bei hohen Prozeßgeschwindigkeiten von z.B 4 bis 6 m/min, Bleche problemlos zu verschweißen sind, bei denen der Spaltabetand S (Fig. 3) maximal 0,25 d beträgt, wobei d die Blechdicke der miteinander zu verschweißenden Bleche 18, 19 ist. Eine Nachbearbeitung ist nicht erforderlich. Die am häufigsten im Karosseriebau verwendeten gleichlangen Flansche (Fig. 1) und ungleich lange Flansche (Fig. 2) lassen sich auf diese Art und Weise schnell und unproblematisch durch Laserschweißen miteinander verbinden. Dabei wird man bei gleich langen Flanschen (Fig. 1) in der Regel Vorrichtungen verwenden, wie sie in den Fig. 4 bis 9 und 13 und 14 veranschaulicht sind, während man bei ungleich langen Flanschen derartige zangenförmige Körper nicht verwenden kann und deshalb wohl auf AusfUhrungsformen zurückgreifen wird, wie sie in den Fig. bis 17 veranschaulicht sind. Hierauf wird weiter unten noch näher eingegangen werden.

Die Unterrolle 6 und die Oberrolle 10 sind bei der Ausfüh- \ rungsform nach Fig. 4 und 5 - was aus der Zeichnung allerdings nicht hervorgeht - kugelgelagert.

Patentanwalt DfplMng. R. Beyer, Am DickeUbach 8, D-4030 Ratingen 6

Der Hebel 3, der Winkelhebel 9 und Kolben-Zylinder-Einheit 15 bilden eine in aich geschlossene, um den Bolzen 2 drehbare Einheit, die über die Kolben-Zylinder-Einheit 15 die zu verschweißenden Bleche 18/ 19 spannt oder die Spannetelle löst. Der nicht dargestellte Roboter bzw. die Verfahrvorrichtung fährt die Blechkontur ab, wobei die Rollen 6 und 10 auf den Blechen laufen und die Flansche 18, 19 unmittelbar an der jeweiligen Schweißstelle gegeneinander verspannen. Es entsteht eine kontinuierliche Schweißnaht. Um Dickenunterschiede der Bleche und auch sonstige Ungenauigkeiten, z.B.

kleine Erhebungen im Blech, auffangen zu können, ist die

' Einheit aus den Teilen 3, 9 und 15 in sich drehbar und durch

Anschläge gegen Durchdrehen gesichert.

Durch die relativ geringe Kraftaufnahme des oberen Kugellagers der oberen Rolle 10 sind zwei Stützrollen 22, 23 vorgesehen {Fig. 5), die auf der Umfangefläche der Oberrolle 10 abrollen und diese abstützen. Durch das ständige Spannen mittels der Rollen 6 und 10 unmittelbar an der Schweißstelle ergeben sich auch bei Kurvenverlauf der Bleche 18, 19 die geringsten Probleme. Damit wird die Gefahr, der Spalt S zwischen den beiden Blechen 18, 19 könnte größer ale 0,25 d sein, sehr gering. Die Rollen 6 und 10 können im Durchmesser relativ groß sein, um einen geringen Rollwiderstand zu erreichen. Deutlich erkennt man aus Fig. 5 die Formkontur 24 der miteinander zu verbindenden Bleche 25 und 26 (Fig. 4).

Patentanwalt Dipl.-lng- R- Beyer, Am Dlckdabach 8, D-403G Ratingen 6

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Bei der AusfUhrungeform nach den Fig. 6 und 7 sind für !eile gleicher Funktion die gleichen Bezugszeichen verwendet \ worden. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 zunächst dadurch, daß Unterrolle 6 und Oberrolle 10 nicht in Kugellagern gelagert, sondern gleitgelagert sind. Dadurch können die bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 vorgesehenen Stützrollen 22 und 23 bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 entfallen. Folglich kann die Ausführungform nach den Fig. 6 und 7 kleiner bauen.

Auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 8 und 9 sind für Teile gleicher Funktion die gleichen Bezugszeichen wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen verwendet worden. Die

! Ausführungsform nach den Fig. 8 und 9 unterscheidet sich von den vorbeschriebenen Ausführungsformen dadurch, daß die Oberrolle 10 unter einem spitzen Winkel zur Horizontalen schräggestellt ist, während die Unterrolle 6 wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 angeordnet wurde, also ; ihre Drehachse 7 wiederum orthogonal zur Drehachse 8 in der

aus der Zeichnung ersichtlichen Darstellung der Teile verläuft, folglich ihren Mantelflächenplan parallel auf den miteinander zu verbindenden Flanschoberflächen abrollt. Dadurch steht die Unterrolle 6 in der aus Fig. 8 ersichtli-

j chen Stellung orthogonal mit ihrem Flansch zu den Flanschen der miteinander zu verbindenden Bleche 25 und 26.

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In der Industrie ist man immer bestrebt, die Schweißung der Flansche innen vorzunehmen (Fig. 10), da der Kraftfluß dann zwischen Ober- und Unterblech 18, 19 am besten erfolgt. Man wird hierbei lediglich die Laser-Fokussiereinheit 20 nach innen verlagern. Im Automobilbau ist es jedoch nicht immer möglich, von innen zu schweißen, da die Zugänglichkeit nach innen meist nicht gewährleistet ist.

Durch Anordnung der Laser-Fokussiereinheit 20, wie in Fig. und Fig. 9, kommt man dieser Idealvorstellung am nächsten. Man erhält eine Schweißung wie in Fig. 11 dargestellt.

Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 13 bis 14 wurden wieder für Teile gleicher Funktionen die gleichen Bezugszeichen wie in den vorbeuchriebenen Ausführungsformen verwendet. Diese Ausführungeform unterscheidet sich von den vorbeschriebenen Ausführungsformen dadurch, daß sowohl für die Unterrolle 6 als auch für die Oberrolle 10 Kegelrollen vorgesehen wurden.

Bei der aus den Fig. 15 bis 17 ersichtlichen Ausführungsformen wurden gleichfalle für Teile gleicher Funktionen die gleichen Bezugezeichen verwendet wie bei den vorbeschriebenen Aueführungaformen. Diese AusfUhrungsform unterscheidet sich von den vorbeschriebenen AuefUhrungsformen dadurch, daß hier aufgrund der Blechform die untere Rolle 6 nicht mehr

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vorhanden ibt, so daß der Einsatz einer Zangeneinheit, wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen, entfällt. Das Unterblech 26 hat in diesem Fall eine eigene Aufnahme 27, auf der es verspannt wird. Das Oberblech 25 wird mit Hilfe der Oberrolle 10 auf das Unterblech 26 gegen die Aufnahme 27 gedrückt. Laser-Fokuseiereinrichtung 20 und Rolle 10 sind an der Trägereinheit 1 montiert, die als Trägerplatte ausgebildet ist. Diese komplette Einheit, bestehend aus Oberrolle 10, Laser-Fokussiereinheit 20 und Trägereinheit 1 ist über ein Federelement 28 an einer Vorrichtung 29 angebracht, die die Kraft von 2000 bis 3000 N aufbringt. Eine solche Vorrichtung kann z.B. ein Roboter sein (nicht dargestellt).

Die Lagerung der Oberrolle 10 kann auch bei den Ausführungsformen nach den Fig. 15 bis 17 durch Gleit- oder Wälzlager erfolgen. Die Oberrolle 10 steht senkrecht auf den hier vorgesehenen Flanschen der miteinander zu verbindenden Bleche 25 und 26. Die zu schweißende Naht befindet sich am Flansch außen (Fig. 12). Bei der Ausführungform nach den Fig. 15 und 16 sind der Oberrolle 10 wiederum zwei Stdtzrollen 22 und 23 zugeordnet, die sich auf der Oberrolle 10 abwälzen und diese stützen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 17 sind keine Stützrollen 22 und 23 vorgesehen, da die Oberrolle 10 in diesem Falle gleitgelagert ist.

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Die Oberrolle 10 kann - ähnlich wie bei der Ausführungsfoxai nach Fig. 8 - auch in einem spitzen Winkel zur Horizontalen schräggestellt werden, und damit eine Schweißang am "Flansch innen", an der Flanschwurzel ermöglichen.

Die Oeerrolle 10 kann - ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 13 - auch als Kegelrolle ausgebildet sein und gegen die Aufnahme 27 die miteinander zu verschweißenden Flansche anpressen.

Aus Fiv/. 18 erkennt man die verschiedenen Kombinationemöglichkeit on, .renn eine Spanneinheit mit Unter- und Oberrolle 6 und 10 verwendet wird, während aus Fig. 19 die Kombinationsmöglichkeiten zu entnehmen sind, wenn nur eine überrolle 10 verwendet wird.

Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung beschriebenen sowie aus der Zeichnung ersichtlichen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

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Patentanwalt DipL-Ing. R. Beyer, Am Dickelabach 8, D-4030 RaÜngeü

26

Bezugszeichenliste

1 Trägereinheit

2 Bolzen

3 Hebel

4 Schwenkachse

5 Ausformung

6 Unterrolle

7 Drehachse

8 Achse

9 Winkelhebel

10 Oberrolle

11 Achse

12 Hebel

13 Schwenkachse

14 Zylinder

Kolben-Zylinder-Einheit

16 Kolbenstange

17 Gabelkopf

18 Flansch 19

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Patentanwalt DipL-Ing. IL Beyer, Am Dickelsbach 8, D-4030 Ratlngen

27

20 Laser-Fokussiereinheit

21 Laserstrahlfokussierung

22 Stützrolle 23

24 Fonnkontur

25 Oberblech

26 Unterblech

27 Aufnahme

28 Federelement

29 Vorrichtung S Spaltabstand d Blechdicke

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Claims

Patentanwalt DfpL-Ing. R. Beyer, Am Dickeisbach S, D-4030 Ratingen 6

! 4523/231/ti

16. Januar 1989

Thyssen Industrie AG

Maschinenbau
Nothelfer Lockweiler

Schloßstraße 22 D-6648 Wadern-Lockweiler

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1. Vorrichtung zum Spannen und anschließenden Verbinden von Blechen mittels Laser-Naht-Schweißen im Karosseriebau, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (18, 19) so dicht wie möglich neben der Laser-Fokussiereinheit (20) durch mindestens eine Rolle (z.B. 10) gegeneinander preßbar sind und daß die Rolle (z.B. 10) und die Laser-Fokussiereinheit (20) gemeinsam beweglich miteinander verbunden sind.

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PateataewaU Dipl.-Iog. R. Beyer, Am Dtckelsbech S, B-4030 Rattttgea 6

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (18, 19) zangenartig durch zwei Rollen (Unterrolle 6 und Oberrolle 10) gegeneinander preßbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (z.B. 10) und die Laser-Fokussiereinheit (20) in gleicher Ebene angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (z.B. 10) oder die Rollen (z.B. 6, 10) gekoppelt mit der Laser-Fokussiereinheit (20) gegenüber der Verfahrvorrichtung (z.B. Roboter) gelenkig miteinander verbunden, bzw. federnd aufaehänat sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (6, 10) durch eine ggf. abwechselnd beidseitig mit Druckmitteldruck beaufschlagte Kolben-Zylinder-Einheit (15) - ggf. mehrstufig - in Bezug aufeinander beweglich sind.

Ing. IL Beyer, Aiü Dickclebach S₁D-4030 Rätlngen 6 - 3 -

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Einheit (15) mit Anpreßeinheit, und die Fokussiereinheit (20) mit Hilfe der Trägereinheit (1) an einer Vorrichtung (z.B. Roboter) als gemeinsam verfahrbare Einheit angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an der Trägereinheit (1) durch einen Bolzen (2) ein Winkelhebel (9) schwenkbeweglich angeordnet ist, der an seinem einen Hebelarm die Oberrolle (10) trügt und mit seinem anderen Hebel (12) durch eine zentrisch auf der Längsachse der Kolben-Zylinder-Einheit (15) angeordnete Schwenkachse (13) mit \ dem Zylinder (14) - ggf. mittelbar - schwenkbeweglich verbunden ist, während die Unterrolle (6) an einem zweiarmigen Hebel (3) angeordnet ist, der ebenfalls auf : dem gleichen Bolzen (2) wie der Winkelhebel (9) schwenkbeweglich gelagert ist und an seinem der Unterrolle (6) abgekehrten Hebelarm durch eine Schwenkachse (4) - ggf. mittelbar - im Abstand von der Schwenkachse (13) mit der Kolbenstange (6) schwenkbeweglich verbunden ist, und daß die Längsachse des Bolzens (2) und die Längsachsen der beiden Schwenkachsen (4, 13) für den Winkelhebel (9) und für den Hebel (3) parallel zueinander verlaufen und daß die Laser-Fokussiereinrichtung (20) im Bereich zwischen der Trägereinheit (1) und der Oberrolle (10) angeordnet

Patentanwalt Dipping. R. Beyer, Am Dlckelsbach 8, D-4030 Rating» 6

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (6, 10) an ihren mit den Blechen (18, 19) zusammenwirkenden Oberflächenbereiche glattwandig oder ballig ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (6, 10) an ihren mit den Blechen (18, 19) zusammenwirkenden Oberflächenbereichen keglig auegebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Rollen (z.B. 10) motorisch drehangetrieben ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (z.B. 10) kugelgelagert sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (6, 10) gleitgelagert sind«

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Oberrolle (10) durch mindestens zwei Stützrollen (22, 23) abgestützt ist, die sich auf der Mantelfläche der Oberrclle {10) abwälzen.

Patentanwalt Dipl.-bg. R. Brytr, Am Dickeisbach 8, IM030 Rstiogen 6

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennsoichnet, daß mindestens eine der Rollen (z.B. 6) mit einer Mittenvertiefung versehen 1st.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekenn»eichnet, daß die Unterrolle (6) und Oberrolle (10) fliegend oder In einem Gabelkopf gelagert sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Fokusslerelnrlchtung (20) nach Innen verlagert 1st, um eine "Schweißung Innen" zu ermöglichen.