WO2015176947A1 - Verfahren zum fügen von bauteilen mittels laserschweissen - Google Patents

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Hermann Krippl
Florian OEFELE
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/244—Overlap seam welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2101/006—Vehicles
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    • B23K2101/18—Sheet panels

Definitions

  • the invention relates to a method for joining components, wherein at least one component is an outer skin component of a vehicle body.
  • these joints are often formed by resistance spot welding.
  • the components provided with a respective joint flange are pressed against each other by means of a spot welding gun.
  • the pressure-exerting elements of the forceps are designed as electrodes.
  • a current is passed through the electrodes, which leads to a punctual component heating in the flange between the electrodes.
  • the heated material becomes molten and, by the pressure of the electrodes, both workpieces fuse together and are inseparably connected after cooling.
  • the outer skin components are deep-drawn sheets, they are subject to tolerances due to their production and have a certain waviness.
  • the waviness remains in the seam area and is visible.
  • the spot welding has the disadvantage that the welds are visible as seam exaggeration.
  • reworking or covering of the welding points is necessary.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved joining method, which is particularly suitable for the joining of components whose joint lies in the field of vision of the customer. This object is achieved by the method according to claim 1.
  • a welding device is positioned at an overlapping region of the components to be joined. Then, by means of the laser welding device, a contact pressure on the components
  • the welding of the components takes place at a defined contact pressure, resulting in a uniform component spacing and a significantly reduced ripple of the joined components.
  • the laser weld seam no seaming, so that a reworking of the seam is not necessary, which work steps and costs can be saved.
  • the components to be joined are preferably
  • Body components and at least one component is an outer skin component of a vehicle body.
  • the components may e.g. Be sheets, in particular
  • Sheet metal blanks and deep-drawn sheets The components may e.g. made of galvanized or non-galvanized steel or aluminum. Others, for that
  • the components are arranged by means of clamping devices at least partially overlapping.
  • the components each have a joining flange in the overlap region, and the joining flanges are positioned relative to one another.
  • the laser welding device is positioned on the joining flanges or the overlap region and a contact pressure is applied to the components.
  • the contact pressure is a predetermined value and may be e.g. in the range of 1 to 5 kN, preferably 3kN ⁇ 0.5 kN.
  • the contact pressure acts perpendicular to the component surface and causes a defined contact or defined joint gap between the components to be joined.
  • the laser welding device has a contact pressure device.
  • This can be designed in the manner of a welding tongs and, for example, have a movable contact pressure element and an abutment opposite the contact element.
  • the abutment can also be designed as a movable contact pressure.
  • the laser weld is formed by means of a laser beam, which is focused and directed by the laser welding device onto the components.
  • the laser welding device may have an optical system and be connected to a laser source, for example via an optical fiber. An enclosure of the complete system is not necessary from a radiation safety point of view, since the beam path from the laser welding device to the workpiece can be housed easily.
  • a suitable for the described method laser welding device with integrated contact pressure device for example, the laser seam stepper LSS1 from IPG Photonics.
  • the process obtains particular advantages for joint connections on secondary surfaces, i. when the laser weld is located in the field of vision of the customer. This is e.g. the case of component joints that are not disguised in the installed state and remain visible to the customer, such. the water gutter on the tailgate of a motor vehicle.
  • Laser weld is formed as a line seam.
  • the line seam can be formed with a small distance to the component or flange, so that the flange width can be reduced compared to the flange width
  • the line seam may be spaced less than 4 mm, preferably in the range of 1 mm to 3 mm
  • the line seam is designed as a straight seam.
  • a wave-shaped weld can also be formed.
  • the flange width may e.g. less than 10 mm, e.g. be reduced to 7 mm or less.
  • the line seams are formed of suitable length, e.g. with a length in the range of 10mm to 40mm. If necessary, the weld length can be reduced or increased.
  • the laser welding device can be used for training further welds are moved to another position at which then the steps described above are performed again.
  • a plurality of welds are formed spaced from each other.
  • Laser welding apparatus can be achieved by means of a multi-axis robot, e.g. a multi-axis articulated arm robot.
  • a multi-axis robot e.g. a multi-axis articulated arm robot.
  • Laser welding device to be arranged on the robot arm.
  • a coating can be applied after the formation of the weld.
  • the coating may e.g. a PVC coating or an adhesive can be applied.
  • the coating is applied at least to the abutting edge of the components, but can also be applied over the weld or the welds.
  • the joined components can be further processed, e.g. be supplied to a KTL coating.
  • the process provides the ability to replace existing point of resistance applications with low investment cost, as it integrates easily with existing resistance spot welding equipment.
  • Figure 1 is a schematic diagram illustrating the process of the invention.
  • a joining flange 12 of a first component 10 and a joining flange 22 of a second component 20 are positioned relative to each other and not shown
  • a laser welding device 30 is arranged to the components 10, 20 so that they surround with a pressing device 32, the first and second component 10, 20.
  • the pressing device 32 has a first pressing element 34 in the form of a movable punch and a second pressing element 36 which lies opposite the first pressing element 34.
  • the pressing device 32 is brought into abutment with the first and second component 10, 20, that the pressing elements 34, 36 when exercising a
  • the laser welding device 30 further comprises a laser optical system 38 and is coupled via the beam guiding device 40 in the form of one or more glass fibers to a laser source, not shown.
  • the laser optics 38 includes mirrors, not shown, and beam shaping means for steering and focusing the laser beam L.
  • the laser beam L is directed to the components 10, 20.
  • the laser beam L is moved relative to the components 10, 20, while the pressing elements 34, 36 maintain the contact pressure in the joining region.
  • the laser beam L is directed onto the component 10 through a gap 35 in the first pressing element 34.
  • the laser beam L is deflected along the gap 35 by the laser optics 38 and passed over the component, e.g. via movable mirrors, or the laser optics 38 may be relative to the
  • the weld S is preferably an I-seam on the lap.
  • the laser welding apparatus 30 may be repositioned, e.g. by means of a multi-axis robot, not shown.
  • Coating on the components 10, 20 are applied, at least the Impact edge 14 of the first component 10 and the abutting edge 24 of the second component 20 is covered.
  • the coating can also cover the weld S as well.
  • the embodiment is not to scale and not limiting. Modifications in the context of expert action are possible.

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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen (10, 20), wobei zumindest ein Bauteil (10) ein Außenhautbauteil einer Fahrzeugkarosserie ist, mit den Schritten: - Positionieren einer Laserschweißvorrichtung (30) an einem Überlappbereich der zu verbindenden Bauteile (10, 20); - Aufbringen eines Anpressdrucks auf die Bauteile (10, 20) mittels der Laserschweißvorrichtung (30) und - Ausbilden zumindest einer Laserschweißnaht (S), während der Anpressdruck aufrechterhalten wird.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUM FÜGEN VON BAUTEILEN MITTELS LASERSCHWEISSEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen, wobei zumindest ein Bauteil ein Außenhautbauteil einer Fahrzeugkarosserie ist.
Im Außenhautbereich von Fahrzeugkarosserien bestehen besondere
Anforderungen an die Qualität der Fügeverbindung der Bauteile. Neben den zu erfüllenden Festigkeitsanforderungen ist insbesondere bei Fügestellen, die im Sichtbereich des Kunden liegen, auch das optische Erscheinungsbild wichtig.
Bislang werden diese Fügestellen häufig mittels Widerstandspunktschweißen ausgebildet. Hierbei werden die mit jeweils einem Fügeflansch versehenen Bauteile mittels einer Punktschweißzange gegeneinander gepresst. Die druckausübenden Elemente der Zange sind als Elektroden ausgebildet. Zum Verschweißen der Bauteile wird ein Strom durch die Elektroden geführt, der zu einer punktuellen Bauteilerwärmung im Flansch zwischen den Elektroden führt. Das erhitzte Material wird schmelzförmig und durch den Druck der Elektroden verschmelzen beide Werkstücke miteinander und sind nach dem Abkühlen untrennbar miteinander verbunden.
Handelt es sich bei den Außenhautbauteilen um tiefgezogene Bleche, so sind diese herstellungsbedingt toleranzbehaftet und weisen eine gewisse Welligkeit auf. Bei punktverschweißten Bauteilen bleibt die Welligkeit im Nahtbereich bestehen und ist sichtbar. Weiterhin hat das Punktschweißen den Nachteil, dass die Schweißpunkte als Nahtüberhöhung sichtbar sind. Bei Fügestellen, die im Sichtbereich des Kunden liegen, ist eine Nachbearbeitung oder Abdeckung der Schweißpunkte notwendig.
Alternative Fügeverfahren wie z.B. das Laser- oder MIG-Löten weisen ebenfalls Nachteile auf wie hohe Investitionskosten für die Anlagen bzw. einen hohen Bauteilverzug.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Fügeverfahren anzugeben, das sich insbesondere für das Fügen von Bauteilen eignet, deren Fügestelle im Sichtbereich des Kunden liegt. Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 1.
Bei dem Verfahren zum Fügen von Bauteilen wird eine Schweißvorrichtung an einem Überlappbereich der zu verbindenden Bauteile positioniert. Dann wird mittels der Laserschweißvorrichtung ein Anpressdruck auf die Bauteile
aufgebracht und es wird eine Laserschweißnaht ausgebildet, während der Anpressdruck aufrechterhalten wird.
Das Verschweißen der Bauteile erfolgt bei einem definierten Anpressdruck, wodurch sich ein gleichmäßiger Bauteilabstand ergibt und eine deutlich verringerte Welligkeit der gefügten Bauteile. Darüber hinaus weist die Laserschweißnaht keine Nahtüberhöhung aus, so dass eine Nachbearbeitung der Naht nicht notwendig ist, wodurch Arbeitsschritte und Kosten eingespart werden können.
Bei den zu fügenden Bauteilen handelt es sich vorzugsweise um
Karosseriebauteile und zumindest ein Bauteil ist ein Außenhautbauteil einer Fahrzeugkarosserie. Die Bauteile können z.B. Bleche sein, insbesondere
Blechplatinen und tiefgezogene Bleche. Die Bauteile können z.B. aus verzinktem oder unverzinktem Stahl oder Aluminium bestehen. Andere, für das
Laserschweißen geeignete Materialien sind ebenso denkbar.
Die Bauteile werden mittels Spannvorrichtungen zumindest teilweise überlappend angeordnet. Vorzugsweise weisen die Bauteile im Überlappbereich jeweils einen Fügeflansch auf, und die Fügeflansche werden zueinander positioniert. Die Laserschweißvorrichtung wird an den Fügeflanschen bzw. dem Überlappbereich positioniert und es wird ein Anpressdruck auf die Bauteile aufgebracht. Der Anpressdruck ist ein vorgegebener Wert und kann z.B. im Bereich von 1 bis 5 kN, vorzugsweise bei 3kN ± 0,5 kN liegen. Der Anpressdruck wirkt senkrecht zur Bauteiloberfläche und bewirkt einen definierten Kontakt bzw. definierten Fügespalt zwischen den zu fügenden Bauteilen.
Zum Aufbringen des Anpressdrucks weist die Laserschweißvorrichtung eine Anpressvorrichtung auf. Diese kann in Art einer Schweißzange ausgebildet sein und z.B. ein verfahrbares Anpresselement und ein dem Anpresselement gegenüberliegendes Gegenlager aufweisen. Alternativ kann das Gegenlager ebenfalls als verfahrbares Anpresselement ausgeführt sein. Das Ausbilden der Laserschweißnaht erfolgt mittels eines Laserstrahls, der von der Laserschweißvorrichtung auf die Bauteile fokussiert und gelenkt wird. Hierzu kann die Laserschweißvorrichtung eine Optik aufweisen und mit einer Laserquelle verbunden sein, z.B. über eine Lichtleitfaser. Eine Einhausung der kompletten Anlage ist aus Strahlenschutzsicht nicht erforderlich, da der Strahlenweg von der Laserschweißvorrichtung zum Werkstück problemlos eingehaust werden kann.
Eine für das beschriebene Verfahren geeignete Laserschweißvorrichtung mit integrierter Anpressvorrichtung ist beispielsweise der Laser-Seam-Stepper LSS1 von der Firma IPG Photonics.
Aufgrund der verbesserten optischen Beschaffenheit der Fügestelle erlangt das Verfahren besondere Vorteile für Fügeverbindungen an Sekundärflächen, d.h. wenn die Laserschweißnaht im Sichtbereich des Kunden angeordnet ist. Dies ist z.B. der Fall an Bauteilstößen, die im verbauten Zustand nicht verkleidet werden und für den Kunden einsehbar bleiben, wie z.B. die Wasserablaufrinne an der Heckklappe eines Kraftfahrzeugs.
Eine besondere Gewichtsersparnis lässt sich dadurch erreichen, dass die
Laserschweißnaht als Strichnaht ausgebildet wird. Die Strichnaht kann mit einem geringen Abstand zur Bauteil- bzw. Flanschkante ausgebildet werden, so dass die Flanschbreite reduziert werden kann gegenüber der Flanschbreite beim
Widerstandspunktschweißen. Z.B. kann die Strichnaht mit einem Abstand von weniger als 4 mm, vorzugsweise im Bereich von 1 mm bis 3 mm, zur
Flanschkante ausgebildet werden. Die Strichnaht ist als gerade Naht ausgebildet. Alternativ kann auch eine wellenförmige Schweißnaht ausgebildet werden. Die Flanschbreite kann z.B. auf weniger als 10 mm, z.B. auf 7 mm oder weniger reduziert werden.
Zum Erreichen einer ausreichenden Festigkeit und zur weiteren Reduzierung der Welligkeit werden die Strichnähte mit geeigneter Länge ausgebildet, z.B. mit einer Länge im Bereich von 10mm bis 40mm. Bei Bedarf kann die Schweißnahtlänge reduziert oder vergrößert werden.
Nach dem Ausbilden der Schweißnaht wird der Anpressdruck des
Anpresselements gelöst. Die Laserschweißvorrichtung kann zur Ausbildung weiterer Schweißnähte an eine andere Position verfahren werden, an der dann die voranstehend beschriebenen Schritte erneut durchgeführt werden. Vorzugsweise werden mehrere Schweißnähte voneinander beabstandet ausgebildet.
Eine besonders schnelle und genaue Bewegung bzw. Positionierung der
Laserschweißvorrichtung kann mittels eines Mehrachs-Roboters erreicht werden, z.B. eines Mehrachs-Gelenkarm-Roboters. Hierzu kann die
Laserschweißvorrichtung an dem Roboterarm angeordnet sein.
Zur Abdichtung der verschweißten Bauteile kann nach dem Ausbilden der Schweißnaht eine Beschichtung aufgebracht werden. Die Beschichtung kann z.B. eine PVC Beschichtung sein oder es kann ein Klebstoff aufgetragen werden. Die Beschichtung wird zumindest auf die Stoßkante der Bauteile aufgebracht, kann aber auch über der Schweißnaht bzw. den Schweißnähten aufgebracht werden.
In weiteren Schritten können die gefügten Bauteile weiterverarbeitet werden, wie z.B. einer KTL-Beschichtung zugeführt werden.
Das Verfahren bietet bei geringen Investitionskosten die Möglichkeit, bestehende Widerstandspunktapplikationen zu ersetzen, da es sich problemlos in bestehende Anlagen zum Widerstandspunktschweißen integrieren lässt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der
Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Fügeflansch 12 eines ersten Bauteils 10 und ein Fügeflansch 22 eines zweiten Bauteils 20 werden zueinander positioniert und mit nicht dargestellten
Spannelementen fixiert. Eine Laserschweißvorrichtung 30 wird zu den Bauteilen 10, 20 so angeordnet, dass sie mit einer Anpressvorrichtung 32 das erste und zweite Bauteil 10, 20 umgreift. Die Anpressvorrichtung 32 weist hierzu ein erstes Anpresselement 34 in Form eines verfahrbaren Stempels auf sowie ein zweites Anpresselement 36, das dem ersten Anpresselement 34 gegenüber liegt. Die Anpressvorrichtung 32 wird so in Anlage mit dem ersten und zweiten Bauteil 10, 20 gebracht, dass die Anpresselemente 34, 36 bei Ausübung eines
Anpressdrucks die Fügeflansche 12, 22 gegeneinander pressen. Der
Anpressdruck wirkt hierbei hauptsächlich senkrecht zur Bauteiloberfläche.
Neben der Anpressvorrichtung 32 weist die Laserschweißvorrichtung 30 weiterhin eine Laseroptik 38 auf und ist über die Strahlführungseinrichtung 40 in Form einer oder mehrerer Glasfasern an eine nicht dargestellte Laserquelle gekoppelt. Die Laseroptik 38 beinhaltet nicht dargestellte Spiegel sowie Strahlformungsmittel zur Lenkung und Fokussierung des Laserstrahls L.
Der Laserstrahl L wird auf die Bauteile 10, 20 gerichtet. Zur Erzeugung der Schweißnaht S wird der Laserstrahl L relativ zu den Bauteilen 10, 20 bewegt, während die Anpresselemente 34, 36 den Anpressdruck im Fügebereich aufrechterhalten. Der Laserstrahl L wird hierzu durch einen Spalt 35 im ersten Anpresselement 34 auf das Bauteil 10 gerichtet. Der Laserstrahls L wird mittels der Laseroptik 38 entlang des Spalts 35 abgelenkt und über das Bauteil geführt, z.B. über bewegliche Spiegel, oder die Laseroptik 38 kann relativ zu dem
Anpresselement 34 verfahren werden.
Die Schweißnaht S ist vorzugsweise eine I-Naht am Überlappstoss.
Nach dem Ausbilden der Schweißnaht S wird der Anpressdruck durch die
Anpressvorrichtung 32 gelöst. Zur Ausbildung weiterer Schweißnähte an denselben Bauteilen 10, 20 kann die Laserschweißvorrichtung 30 umpositioniert werden, z.B. mittels eines nicht dargestellten Mehrachs-Roboters.
Nach dem Schweißprozess kann eine zusätzliche (nicht dargestellte)
Beschichtung auf den Bauteilen 10, 20 aufgebracht werden, die zumindest die Stoßkante 14 des ersten Bauteils 10 und die Stoßkante 24 des zweiten Bauteils 20 bedeckt. Die Beschichtung kann ebenso auch die Schweißnaht S bedecken.
Das Ausführungsbeispiel ist nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
Bezugszeichen!iste
10 erstes Bauteil
12 Fügeflansch
14 Stoßkante
20 zweites Bauteil
22 Fügeflansch
24 Stoßkante
30 Laserschweißvorrichtung
32 Anpressvorrichtung
34 erstes Anpresselement
35 Spalt
36 zweites Anpresselement
38 Laseroptik
40 Strahlführungseinrichtung
L Laserstrahl
S Schweißnaht

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Fügen von Bauteilen (10, 20), wobei zumindest ein Bauteil ein Außenhautbauteil einer Fahrzeugkarosserie ist, mit den Schritten:
- Positionieren einer Laserschweißvorrichtung (30) an einem Überlappbereich der zu verbindenden Bauteile (10, 20);
- Aufbringen eines Anpressdrucks auf die Bauteile (10, 20) mittels der
Laserschweißvorrichtung (30) und
- Ausbilden zumindest einer Laserschweißnaht (S), während der Anpressdruck aufrechterhalten wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , bei dem
die Schweißnaht (S) an einer Sekundärfläche im Sichtbereich des Kunden angeordnet ist.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem
die Schweißnaht (S) eine Strichnaht ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
mindestens eine weitere Schweißnaht ausgebildet wird.
5. Verfahren nach Patentanspruch 4, bei dem
die Schweißnähte voneinander beabstandet sind.
6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei die
Positionierung der Laserschweißvorrichtung (30) mittels eines Mehrachs-Roboters erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, bei dem
nach dem Ausbilden der Schweißnaht (S) eine Beschichtung zumindest der Stoßkante (14, 24) der Bauteile (10, 20) erfolgt.
PCT/EP2015/059760 2014-05-20 2015-05-05 Verfahren zum fügen von bauteilen mittels laserschweissen WO2015176947A1 (de)

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