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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Karosserieteilen
und eine Framingstation mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und
Vorrichtungshauptanspruches.
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Eine
solche Verbindungstechnik von Karosserieteilen mittels Laserschweißen und
eine derartige Framingstation sind aus der
EP 0 440 001 A1 bzw. der
parallelen
DE 690
06 343 T2 bekannt. In der Framingstation wird die Rohkarosserie
aus verschiedenen vorgefertigten und zunächst lose vormontierten Karosserieteilen, üblicherweise
einer Bodengruppe, zwei Seitenteilen und einem Dachteil aufgebaut. Hierbei
werden die Karosserieteile in einer geometrisch bestimmten und schweißgerechten
Position gespannt und durch Laserstrahlschweißen an einer Vielzahl von Punkten
miteinander verbunden. In nachfolgenden Ausschweißlinien
wird die in der Framingstation zunächst geheftete Rohkarosserie
mit weiteren Schweißnähten gefestigt
und stabilisiert. Hierbei werden auch weitere Bauteile ergänzt. Bei diesem
Stand der Technik werden Laserköpfe
in die Spannelemente von Spannrahmen integriert, um damit die Karosserieteile
direkt an der Spannstelle zu schweißen. Die Laserköpfe sind
stationär
angeordnet und über
optische Faserleiter mit einer zentralen Laserstrahlquelle verbunden.
Die Laserköpfe
emittieren lediglich einen einzelnen Laserstrahl mit nicht veränderbarer
Strahlrichtung und sind nur zur Erzeugung von Schweißpunkten
in der Lage. Wegen der hohen Energiedichte der Laserstrahlen und
der Gefahr eines Durchbrennens der Bleche beim Punktschweißen hat
sich diese Technik in der Praxis nicht bewährt. Die Laserköpfe müssen zur
Erzielung der notwendigen Festigkeiten und Schweißpunktzahlen zudem
in hoher Zahl vorhanden sein. Wegen der Koppelung der Laserköpfe an die
Spannelemente müssen
letztere ebenfalls zahlreich vorhanden sein, was einen extrem großen Bauaufwand
und hohe Kosten bedingt.
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Eine
andere Framingstation ist aus der
EP 0 933 161 A1 bekannt. Hier werden die
Karosserieteile durch Punktschweißen mit elektrischen Widerstandspunktschweißzangen
miteinander verbunden. Das Punktschweißen kostet erheblich Taktzeit
und bietet auch keine optimale Festigkeit der Verbindungsstellen
und der Rohkarosserie.
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Die
DE 199 17 908 A1 zeigt
ein Verfahren zum Verbinden von Karosserieteilen beim sogenannten "Geometrieschweißen" in einer Framingstation mit
Hilfe von Schweißrobotern,
die eine an anderer Stelle gefertigte Seitenwand an die Karosserie
anschweißen.
Die Ausbildung der Schweißroboter
und die Schweißtechnik
beim Geometrieschweißen
sind nicht näher
beschrieben. Die Seitenwand wird in mehreren anderen der Framingstation
vorgeschalteten Stationen für
Verbindungstechnik aus Einzelteilen aufgebaut, was u.a. mittels
eines nicht näher
beschriebenen Laserschweißens
geschehen kann.
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Aus
der Praxis ist es ferner bekannt, punktweise Verbindungen der Karosserieteile
in einer Framingstation auf andere Weise herzustellen, z.B. durch
Stanznieten oder Durchsetzfügen.
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Aus
der
EP 0 857 536 ist
es bekannt, in den nachfolgenden Ausschweißlinien, in denen die Rohkarosserie
bereits eine ausreichende Eigenstabilität besitzt, Schweißnähte mit
Laserschweißeinrichtungen
anzubringen. Hierbei werden bahnförmige Schweißnähte gesetzt.
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Ansonsten
ist es in den Ausschweißstationen üblich, mit
Lichtbogen-Schweißeinrichtungen
zu schweißen,
z.B. mit WIG- oder MIG- bzw. Plasma-Schweißeinrichtungen.
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Die
DE-A-199 16 831 lehrt den Einsatz eines sog. Hybridschweißverfahrens,
nämlich
des Laser-WIG-Schweißens,
zum Verbinden beschichteter Stahlbleche. Hierbei werden ein Laserstrahl
und ein Lichtbogen im wesentlichen auf den gleichen Fußpunkt am
Werkstück
gerichtet. Ähnliche
Hybridschweißverfahren
sind auch aus der DE-A-198 49 117 und der DE-A-195 00 512 zum Schweißen von Taylored
Blanks und Blechhohlträgern
bekannt. Bei letzterer wird mit einem Laserstrahl und zwei WIG-Elektroden
geschweißt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein besseres Verbindungsverfahren
und eine hierfür ausgelegte
Framingstation zum Verbinden von Karosseriebauteilen aufzuzeigen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
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Die
Erfindung geht von der bisher auf breiter Front üblichen punktweisen Verbindungstechnik durch
Widerstandsschweißen
in der Framingstation ab und ersetzt diese durch ein bahnförmiges Hybridschweißen mit
robotergeführten
Hybridschweißwerkzeugen.
Hierbei können
unterschiedlichste Nahtformen gesetzt werden.
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Bei
Hybridschweißen
kommen mindestens ein Lichtbogen und mindestens ein Laserstrahl
zum Einsatz, die gemeinsam und in räumlicher Nähe auf das Bauteil einwirken.
Der Laserstrahl und der Lichtbogen können sich am gleichen Fußpunkt am
Bauteil treffen. Sie können
aber auch etwas distanziert sein.
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Das
Hybridschweißen
verbindet die Vorteile des Laserschweißens und des Lichtbogenschweißens unter
gleichzeitiger Eliminierung deren spezifischer Nachteile. Mit der
Erfindung wurde erkannt, dass durch diese Vorteilskombination ein
Einsatz des Bahnschweißens
im Framingbereich unter Abkehr von der bisherigen punktweisen Verbindungstechnik möglich ist.
Hierbei können
nicht nur Blech auf Blech, sondern auch Blech auf Hohlprofil und
Hohlprofil auf Hohlprofil geschweißt werden, was den Einsatz
der Erfindung auch bei den neuen Karosseriebauteilformen mit einem
Rohrrahmen, einem sog. Spaceframe, ermöglicht.
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Das
Hybridschweißen
erfolgt vorzugsweise unter Schutzgas und ggf. auch unter Zufuhr
von Zusatzmaterial, vorzugsweise Zusatzdraht. Besondere Vorteile
ergeben sich beim Laser-MIG-Schweißen und Laser-Plasma-Schweißen. Das
Hybridschweißen
verbindet den Vorteil einer sehr hohen Prozessgeschwindigkeit mit
einer sehr guten Spaltverträglichkeit
und Spaltüberbrückbarkeit,
wobei außerdem der
Wärmeeintrag
im Vergleich zum reinen Schutzgasschweißen (z.B. MIG-Schweißen) deutlich
verringert wird und eine sehr hohe Prozessstabilität erreichbar
ist. Bauteilverzüge
und sonstige negative Einwirkungen des Schweißprozesses können dabei weitgehend
vermieden werden.
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Beim
reinen Schutzgasschweißen,
z.B. MIG-, MAG- oder WIG-Schweißen
bestand bisher das Problem eines sehr hohen Wärmeeintrags in das Bauteil,
was zu inneren Verspannungen und zu Bauteilverzug führte. Die
reine Lichtbogenschweißtechnik
war daher für
eine Framingstation, in der der aus losen Bauteilen zusammengesetzten
Rohkarosserie die geometrisch bestimmte Form gegeben wird, nicht möglich. Das
reine Laserschweißen ließ sich wegen seiner
schlechten Spaltüberbrückbarkeit
in einer Framingstation ebenfalls nicht einsetzen. Bei beschichteten
Stahlblechen ist hierbei auch das Ausgasen der Zinkbeschichtung
oder einer anderen Beschichtung sicherzustellen. Allgemein erfordert
das reine Laserschweißen
eine starke Einschränkung
der zulässigen Bauteiltoleranzen
und bedingt einen sehr hohen Spannaufwand.
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Mit
dem Hybridschweißen
werden diese Probleme überwunden.
Wenn ein hochenergetischer Laserstrahl zum Schweißen eingesetzt
wird, schmilzt er ein Loch in das Werkstück und verbessert zugleich die
Umgebungsbedingungen für
den Lichtbogen. Der Laserstrahl stabilisiert durch die Ionisierung
der Atmosphäre
an der Schweißstelle
und durch die Ausbildung einer Plasmasäule den Lichtbogen, der zum
einen stabiler brennt und zum anderen besser und zielsicherer geführt wird.
Hierdurch kann die über
den Lichtbogen eingebrachte Wärmeenergie
reduziert und optimiert werden. Andererseits behebt das Lichtbogenschweißen im Hybridprozess
die Spaltempfindlichkeit des Laserschweißens. Die Schweißenergie
kann hierbei von beiden Schweißquellen
Laser und Lichtbogen zu gleichen Teilen eingebracht werden. Das
Verhältnis
kann aber auch beliebig variieren, wobei zum Beispiel die Laserstrahlenergie
zugunsten der Lichtbogenenergie reduziert wird. In diesem Fall dient
der Laserstrahl vorrangig der Ionisierung und Plasmabildung sowie
der zielsicheren Führung
des Lichtbogens.
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Laserstrahlquellen
und Lasereinheiten gibt es in verschiedenen Ausführungen. In der Materialbearbeitung
kommen Eximerlaser (z.B. ArF, KrF, XeCl), Festkörperlaser (z.B. Rubin, Nd:YAG,
Nd-Glas), Halbleiterlaser bzw. Diodenlaser (GaAs, GaAlAs) und Gaslaser
(CO2) zum Einsatz. Die Lasertypen unterscheiden
sich in ihrer Wellenlänge
und in der Intensität
der Laserstrahlung. Zur Optimierung des Lasereinsatzes ist es vorteilhaft,
einen solchen Laser einzusetzen, der in seiner Wellenlänge an das
Absorptionsverhalten des jeweils bearbeiteten Werkstoffs angepasst
oder zumindest angenähert
ist. Hierdurch wird das Einkoppelverhalten des Laserstrahls verbessert,
was den Einsatz leistungsschwächerer
Lasertypen erlaubt.
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Andererseits
können
schwächere
und kostengünstigere
Lasereinheiten eingesetzt werden, wenn es sich um gepulste Laser
handelt, die eine hohe Pulsleistung und eine niedrige mittlere Leistung besitzen.
Solche gepulsten Laser lassen sich vor allem für die vorerwähnten Führungszwecke
optimal und wirtschaftlich einsetzen, sind aber auch selbst zum
Schweißen
brauchbar. Hierbei empfiehlt sich eine steuerbare Pulsfrequenz,
um mit der Repetitionsrate unterhalb der Rekombinationszeit der
Gasumgebung zu bleiben, so dass die Ionisierung durch rechtzeitige
Pulswiederholungen aufrecht erhalten bleibt. Der Einsatz von in
der Wellenlänge
angepassten und ggf. auch gepulsten Lasern ist vor allem für den Einsatz
beim Hybridschweißen
in einer Framingstation von Vorteil, kann mit Erfolg aber auch in anderen
Bereichen, z.B. in Ausschweißstationen oder
sonstigen beliebigen Hybridschweißprozessen und -anwendungen
eingesetzt werden.
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Die
beim Hybridschweißen
verringerbare Laserstrahlenergie hat im weiteren den Vorteil, dass
der Aufwand bei der Laserstrahlquelle wesentlich verringert werden
kann. Insbesondere können
mehrere Hybridschweißwerkzeuge
gemeinsam an einer einzigen oder einigen wenigen Laserstrahlquellen
angeschlossen sein. Außerdem
kann die Laserstrahlenergie zwischen mehreren Hybridschweißwerkzeugen hin-
und hergeschaltet werden, wobei die Schweißroboter abwechselnd arbeiten.
Während
der eine Roboter schweißt,
kann der andere Roboter sich umorientieren. Der insgesamt erforderliche
Bauaufwand und der Energieaufwand können dadurch in der Framingstation wesentlich
reduziert werden.
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Das
Hybridschweißen
hat außerdem
den Vorteil, dass die Spanntechnik in der Framingstation verringert
werden kann. Dies reduziert nicht nur die Kosten, sondern verbessert
auch die Zugänglichkeit der
Rohkarosserie und erleichtert die Schweiß- und Verbindungsprozesse.
Beim Hybridschweißen
sind durch die hohe Prozessgeschwindigkeit auch nur wenige Schweißroboter
zur Schaffung der Verbindungsstellen in der vorgegebenen Taktzeit
erforderlich. Die Verringerung der Roboterzahl reduziert den Bau-
und Kostenaufwand und erleichtert die Auslegung der Anlage, weil
sich unter anderem durch die geringere Zahl die Roboter auch untereinander
weniger behindern.
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Beim
Hybridschweißen
können
nicht nur einfache Bahnnähte
geschweißt
werden. Dies sind z.B. strichweise kurze Bahnnähte, sogenannte Steppernähte, oder über längere Strecken
durchgehende Bahnnähte.
Darüber
hinaus können
auch Geometrienähte
geschweißt
werden, die Auslenkungen quer oder schräg zum Bahnverlauf haben. Derartige
Geometrienähte
können
die Schweißnähte sehr
viel besser stabilisieren als einfache Punktschweißlinien. Hierdurch
kann die Rohkarosserie mit der Framingstation eine wesentlich höhere Formfestigkeit und
Steifigkeit erhalten als in vorbekannten Ausführungsformen. Geometrienähte haben
darüber
hinaus den Vorteil, dass sie auch das Schwingungsverhalten der Bauteile
in der Karosserie verbessern können. Hierdurch
lassen sich unter Umständen
zusätzliche Geräuschminderungsmaßnahmen,
z.B. Anti-Dröhn-Klebstoff,
Dämmmatten
etc. vermeiden. Zudem können
durch die über
die Nahtform gezielt steuerbaren Festigkeiten günstige Auswirkungen auf das
Crash- und Verformungsverhalten erzielen. Ein weiterer Vorteil des
Hybridschweißens
liegt in der Möglichkeit,
die Nähte
und die Verbindungsstellen dicht zu schweißen. Zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen über Klebstoff
oder dergleichen können
entfallen.
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In
der Unteransprüchen
sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Die
Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch
dargestellt. Im einzelnen zeigen:
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1:
Eine Framingstation mit Hybridschweißtechnik in der Draufsicht,
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2:
eine vergrößerte Draufsicht
eines Schweißroboters
mit einem Hybridschweißwerkzeug an
einer Rohkarosserie und
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3 bis 5:
verschiedene Schweißnahtformen.
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1 zeigt
in der Draufsicht eine Framingstation (1). Diese ist Bestandteil
einer größeren Fertigungsanlage
zur Herstellung von Kraftfahrzeugen. In der Framingstation (1)
wird die Rohkarosserie (2) aus mehreren zugeführten Karosserieteilen
(3, 4, 5, 6) erstellt, wobei
die Rohkarosserie (2) ihre geometrisch bestimmte kubische
Form erhält.
In anschließenden
Ausschweißlinien
(nicht dargestellt) wird die Rohkarosserie (2) mit weiteren
Teilen ergänzt
und durch Schweißnähte oder
dergleichen weiter verfestigt.
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In
der gezeigten Ausführungsform
wird auf einem geeigneten Förderer
(nicht dargestellt) ein erstes Karosserieteil (3) in Form
einer vorgefertigten Bodengruppe auf einer Palette (20)
oder einem anderen Träger
in die Framingstation (1) gebracht und entweder dort oder
in einer vorgeschalteten Zwischenstation mit weiteren Karosserieteilen,
z.B. einem linken oder einem rechten Seitenteil (4, 5)
und einem Dachteil (6), z.B. einfachen Querträgern, sog.
Dachspriegeln, ergänzt.
Diese Karosserieteile (3, 4, 5, 6)
bilden die kubische Grundform der Rohkarosserie (2). Sie werden
in der Framingstation (1) in die geometrisch bestimmte
Position zueinander gebracht, in dieser Position gespannt und anschließend durch
das nachfolgend näher
beschriebene Hybridschweißen
miteinander verbunden. Durch diese Verbindung erhält die Rohkarosserie
(2) eine ausreichende Eigenstabilität.
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In
der gezeigten Ausführungsform
werden die Karosserieteile (3, 4, 5, 6)
einzeln zugeführt
und erst in der Framingstation (1) oder in einer vorgeschalteten
Zwischenstation mittels einer Zuführ- und Spanneinrichtung (7)
zueinander in Position gebracht und mit Spannrahmen (8)
oder dergleichen innerhalb der Framingstation (1) in dieser
Position gespannt. Die Spannrahmen (8) können. zugleich
auch ein Transportgehänge
für die
Zuführung
der Karosserieteile (3, 4, 5, 6)
bilden.
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Alternativ
können
die Karosserieteile (3, 4, 5, 6)
auch vorab in einer Rüststation
in eine Vorposition zueinander gebracht werden und provisorisch
durch Laschen oder dergleichen miteinander verbunden werden. Diese
provisorische Rohkarosserie (2) kann dann auf einer Palette
(20) oder einem sonstigen Träger in die Framingstation (1)
gebracht werden. In der Framingstation (1) werden in beiden
Fällen
die Karosseriebauteile (3, 4, 5, 6)
in der erforderlichen Position zueinander durch Spannrahmen (8)
oder dergleichen andere Positionier- und Spannmittel gespannt.
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Die
Framingstation (
1) kann mit ihrer Zuführ- und Spanntechnik in beliebig
geeigneter Weise ausgebildet sein, z.B. gemäß der
EP 0 351 377 , der
EP 0 579 160 oder der
EP 585 584 , wobei in diesen Fällen mit
zugeordneten Trommelmagazinen oder dergleichen für die Bevorratung und Zuführung von Spannrahmen
mit Karosserieteilen gearbeitet wird. Alternativ können die
vorgefertigten Karosserieteile, z.B. die linken und rechten Teile
(
4,
5) wie im gezeigten Ausführungsbeispiel auch von einer Vorfertigungslinie
direkt mitsamt ihren Spannrahmen (
8) über einen Förderer (
21) seitlich
zugeführt
und in die Framingstation (
1) gebracht werden. Das Dachteil
(
6) wird z.B. von einem nicht dargestellten Förderer von oben
in die Framingstation (
1) gebracht. Der Vorfertigungsbereich
kann auch in unmittelbarer Nachbarschaft zur Framingstation (
1)
entsprechend der
EP 0 977 651 angeordnet
sein. Als weitere mögliche
Varianten für
die Ausbildung der Framingstation und das Zuführen und Händeln der Spannrahmen und der
Karosserieteile kommen die
EP
0 933 161 und die
EP
0 760 770 mit einem von Roboter gehaltenen Spannrahmengehäuse in Betracht.
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In
der Framingstation (1) sind mehrere Schweißroboter
(9) angeordnet, von denen der Übersicht halber in 1 nur
jeweils ein Schweißroboter (9)
zu beiden Seiten der positionierten Rohkarosserie (2) dargestellt
ist. Darüber
hinaus können
weitere stationäre
oder verfahrbare Schweißroboter
an den Seiten- und Frontbereichen sowie hängende Portalroboter und dgl.
eingesetzt werden.
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Die
Schweißroboter
(9) sind zumindest teilweise mit Hybridschweißwerkzeugen
(10) ausgerüstet,
die in 2 schematisch dargestellt sind. Zusätzlich können ein
oder mehrere Schweißroboter
(9) auch mit anderen Schweißwerkzeugen ausgestattet sein.
Zudem können
die Schweißroboter
(9) Wechselkupplungen aufweisen, mit denen Werkzeuge getauscht
werden können.
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Die
Hybridschweißwerkzeuge
(10) bestehen jeweils aus einer Lasereinheit (11),
die als energiereiche Laser-Schweißeinheit oder als schwächere Laser-Führungseinheit
ausgebildet sein kann und einer Lichtbogen-Schweißeinheit
(12). Ferner können
sie noch eine Zuführeinrichtung
(13) für
Zusatzmaterial, insbesondere Zusatzdraht aufweisen. Desgleichen kann
auch eine Zuführeinrichtung
für Schutzgas (nicht
dargestellt) vorhanden sein. Die Lichtbogen-Schweißeinheit
(12) kann eine abschmelzende oder nichtabschmelzende Elektrode
haben und ansonsten in beliebig geeigneter Weise ausgerüstet sein.
Die Lasereinheit (11) und die Lichtbogen-Schweißeinheit
(12) sind vorzugsweise so zueinander angeordnet, dass der
Laserstrahl (14) und der Lichtbogen (15) am gleichen
Ort oder in räumlicher
Nähe gemeinsam
am beaufschlagten Teil der Rohkarosserie (2) auftreffen.
Vorzugsweise ist die Hybridschweißeinheit (10) als
Laser-MSG(Metallschutzgas)-Schweißeinrichtung, insbesondere
als Laser-MIG-, Laser-MAG, Laser-WIG- oder Laser-Plasma-Schweißeinrichtung
ausgebildet.
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Mit
der Hybridschweißeinrichtung
(10) werden die zueinander positionierten und gespannten Karosserieteile
(3, 4, 5, 6) geschweißt, wobei
bahnförmige
Schweißnähte (16)
gebildet werden. Diese können
die in 2 gezeigte einfache Nahtform haben und als durchgehende
Schweißnähte (16)
gestaltet sein. Sie können
alternativ auch aus einer Vielzahl hintereinander in Linie angeordneten
kürzeren oder
längeren
Strichen bestehen und als sog. Steppernaht ausgebildet sein. Beide
Nahtformen sind in 2 beispielsweise dargestellt.
Alternativ können auch
die in 3 bis 5 dargestellten Geometrienähte (17, 18)
geschweißt
werden. Hierbei haben die Schweißnähte (16) eine Auslenkung
quer oder schräg
zum Bahnverlauf (19). Die Geometrienaht (17) von 3 ist
z.B. als durchgehende Schweißnaht
(16) ausgebildet, die eine sinusähnliche Form mit großer Amplitude
und niedriger Pendelfrequenz haben. Eine derartige Geometrienaht
(17) kann z.B. über
eine entsprechende Bewegung der Roboterhand erzeugt werden.
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In 4 ist
eine andere Geometrienaht (17) mit einer Pendellinie dargestellt,
die eine kleinere Amplitude und höhere Pendelfrequenz aufweist.
Eine solche Pendelnaht kann z.B. durch einen sog. Pendelkopf des
Hybridschweißwerkzeugs
(10) ausgeführt
werden, welcher einen eigenen motorischen Antrieb hat und eine Bewegung
der Laser-Schweißeinheit
(11) und der Lichtbogen-Schweißeinheit (12) relativ
zur Roboterhand ermöglicht.
Alternativ kann auch die Laser-Schweißeinheit (11) eine
eigene Stellvorrichtung und eine eigene Kinematik relativ zur Lichtbogen-Schweißeinheit
(12) aufweisen. Hierdurch kann auf trägheitsarme Weise der Laserstrahl (14)
gependelt werden, welcher dann als Führung für den Lichtbogen (15)
dient und ihn in der Pendelbewegung nachzieht und auslenkt. Die
Lichtbogen-Schweißeinheit
(12) kann hierbei starr im Gehäuse der Hybridschweißeinheit
(10) bleiben.
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Eine
weitere Variante einer Geometrienaht (18) ist in 5 dargestellt.
Sie besteht hier aus mehreren getrennt voneinander und mit Abstand
geführten
einzelnen Schrägstrichen,
die quer oder im schrägen
Winkel zum Bahnverlauf (19) ausgerichtet sind. Daneben
sind auch beliebige andere Formen von Geometrienähten (17, 18)
möglich,
die irgendeine oder mehrere Auslenkungen der Schweißnaht (16) quer
oder schräg
zum Bahnverlauf (19) haben.
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Die
Karosserieteile (3, 4, 5, 6)
können
an den Verbindungsstellen eine beliebige Ausbildung und Form haben. Üblicherweise
werden hierbei Bleche gegen Bleche geschweißt. Vorzugsweise werden die Bleche
hierbei mit Überlappung
aufeinander gespannt und im Überlappstoß hybridgeschweißt. Hierbei
können über geschlossene
Schweißnähte (16) Dichtschweißungen erzielt
werden. Alternativ können Bleche
auch schräg
zueinander angestellt und im Kontaktbereich mit einer Kehlnaht geschweißt werden.
Eine solche Form ist vor allem bei beschichteten Blechen zum Ausgasen
der Beschichtung vorteilhaft. Zudem können in weiterer Variation
auch Bleche gegen Profile und insbesondere Hohlprofile geschweißt werden,
was z.B. im Überlappstoß oder im
Schrägstoß geschieht.
In einer dritten Variante können
auch Profile und insbesondere Hohlprofile gegeneinander geschweißt werden.
Dies ist insbesondere bei Rohkarosserien (2) der Fall,
die aus Gitterrahmenteilen geformt und als sog. Spaceframe ausgebildet
sind. Auch Knotenverbindungen können
hierbei hybridgeschweißt
werden. Die Schweißstöße können grundsätzlich in
beleibig geeigneter Weise ausgebildet sein.
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Die
Lasereinheiten (11) sind über Leitungen (24)
an ein oder mehrere Laserstrahlquellen (23) in der Framingstation
(1) angeschlossen. Die Leitungen (24) können flexible
Lichtleitfaserkabel sein. Alternativ können auch teleskopierbare Spiegelkanäle verwendet
werden oder kleine Laserstrahlquellen, z.B. Diodenlaser, direkt
am Schweißroboter
(9) angeordnet sein. Vorzugsweise sind mehrere Leitungen
(24) und mehrere Schweißroboter (9) an eine
gemeinsame Laserstrahlquelle (23) angeschlossen. Die Schweißroboter
(9) bzw. ihre Hybridschweißwerkzeuge (10) können hierbei
gleichzeitig oder abwechselnd angeschaltet und beaufschlagt werden.
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Die
Laserstrahlquelle (23) ist vorzugsweise nach dem Absorptionsverhalten
des bearbeiteten Werkstoffs der Karosserieteile (3, 4, 5, 6)
ausgewählt.
Eximerlaser (z.B. ArF, KrF, XeCl) haben z.B. eine Wellenlänge, die
etwa im Bereich von 0,2 μm
bis 0,4 μm
liegt. Festkörperlaser
(z.B. Rubin, Nd:YAG, Nd-Glas) liegen z.B. im Bereich von 0,8 μm bis 1,2 μm. Halbleiterlaser
bzw. Diodenlaser (z.B. GaAs, GaAlAs) liegen je nach Ausführung bei
ca. 0,8 μm
bis 1 μm.
Gaslaser (CO2) sind im Bereich von ca. 10,6 μm angesiedelt.
Die mittlere Laserleistung ist bei Gaslasern und bei Halbleiter-
bzw. Diodenlasern hoch, wobei diese Geräte relativ teuer sind.
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Der
Absorptionsgrad des auftreffenden Laserlichts bzw. das sogenannte
Einkoppelverhalten sind werkstoffspezifisch von der Wellenlänge des
Laserlichts abhängig
und können
extrem schwanken. Ein Metall, z.B. Kupfer, hat z.B. im Bereich von
ca. 0,3 μm
einen sehr hohen Absorptionsgrad, der in den angrenzenden Bereichen
insbesondere zu höheren Wellenlängen rapide
abfällt.
Unterschiedliche Werkstoffe haben hierbei ein unterschiedliches
Absorptionsverhalten.
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Zur
Optimierung des Lasereinsatzes werden Laserstrahlquellen verwendet,
deren Wellenlänge
an das Absorptionsverhalten des beaufschlagten Werkstoffs angepasst
oder zumindest in dessen Nähe
angesiedelt ist. Für
Kupfer mit dem Absorptionsmaximum bei 0,3 μm eignet sich ein KrF-Eximerlaser.
Ein Nd:YAG-Festkörperlaser
mit einer Wellenlänge
von ca. 1 μm
ist wegen des hier wesentlich schlechteren Einkoppelverhaltens weniger
geeignet. Für
isolierende Werkstoffbeschichtungen, z.B. Oxide oder dergleichen
ist wegen des völlig
anderen Absorptionsverhaltens eher ein CO2-Gaslaser
mit mehr als 10 μm Wellenlänge geeignet,
wobei ein KrF-Eximerlaser mit ca. 0,25 μm Wellenlänge ebenfalls gute Ergebnisse bringt.
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Die
nach dem Absorptionsverhalten des Werkstoffs und der dafür geeigneten
Wellenlänge
optimierte Wahl der Laserstrahlquelle (23) gestattet es in
vielen Fällen
mit Laserstrahlquellen (23) auszukommen, die eine relativ
niedrige mittlere Laserleistung haben, z.B. Eximerlaser, Diodenlaser
oder dgl..
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Die
Laserstrahlquelle (23) kann außerdem ein gepulster Laser
sein, der eine relativ geringe mittlere Laserleistung besitzt und
dafür hohe
Pulsleistungen erzeugt. Ein solcher gepulster Laser eignet sich vor
allem für
den Einsatz für
eine leistungsschwächere
Laser-Führungseinheit,
die vor allem für
die Führung
und Stabilisierung des Lichtbogens (15) sorgt. Sie kann alternativ
bei geeigneter Auslegung und Anpassung an das Absorptionsverhalten,
aber auch als Laser-Schweißeinheit
eingesetzt werden. Die Pulsleistung und Pulsfrequenz sind vorzugsweise
steuerbar. Hierbei ist es günstig,
die Pulswiederholzeit kürzer
als die Rekombinationszeit der in der Gasumgebung bzw. in der Plasmasäule gebildeten
positiven und negativen Ionen zu wählen bzw. einzustellen. Auf diese
Weise kommen die Pulse stets so rechtzeitig, dass die Ionisierung
in der Gasumgebung bzw. der Plasmasäule für die Optimierung der Umgebungsbedingungen
für den
Lichtbogen (15) aufrecht erhalten bleibt.
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Die
Hybridschweißtechnik
kann in der Einzelauslegung der Prozessparameter beliebig variieren.
Insbesondere können
die vom Laserstrahl (14) und vom Lichtbogen (15)
eingebrachten Energiemengen relativ zueinander unterschiedlich eingestellt werden.
In der einen Ausführungsform
wird die erforderliche Schweißenergie
von beiden gemeinsam aufgebracht, was eine relativ hohe Laserleistung
erfordert. Andererseits ist es auch möglich, den Laserstrahl (14)
in erster Linie zum Ionisieren und zur Plasmabildung sowie zum Führen des
Lichtbogens (15) einzusetzen und dementsprechend in der
Leistung zu verringern. Die vom Lichtbogen (15) eingebrachte Schweißenergie
ist demgegenüber
entsprechend höher.
Bei dieser Konfiguration kann wegen der verringerten Laserleistung
eine kleinere Laserstrahlquelle (23) eingesetzt werden.
Alternativ kann auch eine stärkere
Laserstrahlquelle (23) mit Leistungsteiler und mehreren
parallelen Leitungsanschlüssen
genutzt werden, welche eine gleichzeitige Versorgung mehrerer Hybridschweißeinrichtungen
(10) mit entsprechend verminderter Laserleistung erlaubt.
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In
der Framingstation (1) können durch das Hybridschweißen und
durch die bahnförmigen Schweißnähte (16)
Heftverbindungen der Karosserieteile (3, 4, 5, 6)
geschaffen werden, die in der Art und Anordnung der Verbindungsstellen
in etwa den vorbekannten Heftschweißverbindungen mit Punktschweißtechnik
entsprechen. Durch die wesentlich höhere Prozessgeschwindigkeit
beim Hybridschweißen
ist es jedoch möglich,
in der gleichen Taktzeit darüber
hinaus zusätzliche
Schweißverbindungen
an der Rohkarosserie (2) herzustellen, die beim Stand der
Technik erst in den nachfolgenden Ausschweißlinien geschaffen wurden.
Insofern können
mit der Hybridschweißtechnik
zusätzliche
Schweißaufgaben aus
den Ausschweißlinien
in die Framingstation verlegt werden. Die Rohkarosserie (2)
kann hierdurch einerseits eine höhere
Eigenstabilität
mit mehr Verbindungsstellen als in einer Framingstation nach dem Stand
der Technik erhalten. Andererseits ist es auch möglich, in der beanspruchten
Framingstation (1) über
die genannten Karosserieteile (3, 4, 5, 6)
hinaus weitere zusätzliche
Bauteile bereits in der Framingstation (1) mit der Rohkarosserie
(2) zu verbinden und zu verschweißen. Auch hierdurch werden erst
in nachfolgenden Ausschweißlinien
erfolgende Prozesse in die Framingstation (1) vorverlegt.
Die nachfolgenden Ausschweißlinien
können
hierdurch entsprechend schlanker mit geringerem Kosten-, Bau- und
Platzaufwand ausgebildet werden, wobei auch in diesen Ausschweißlinien
mit Hybridschweißen
gearbeitet werden kann, was dort ebenfalls die beschriebenen Vorteile
gegenüber
der konventionellen Lichtbogen-Schutzgasschweißtechnik
bringt.
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Abwandlungen
der gezeigten Ausführungsform
sind in verschiedener Weise möglich.
Zum einen können
am Hybridschweißwerkzeug
(10) die Zahl und Anordnung der Laser-Schweißeinheit
(11) und der Lichtbogen-Schweißeinheit (12) variieren. Zum
Beispiel kann mit zwei MIG- oder WIG-Brenner in Verbindung mit einem
Laserstrahl gearbeitet werden. Desgleichen ist es auch möglich, mehrere
Laserstrahlen (14) über
eine Mehrfachanordnung von Laser-Schweißeinheiten (11) oder über einen Strahlteiler
oder dergleichen zu erzeugen. Ansonsten können im Detail die Laser-Schweißtechnik
und die Lichtbogen-Schweißtechnik
beliebig ausgebildet sein.
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Variationen
sind auch hinsichtlich der sonstigen Ausgestaltung der Framingstation
(1) möglich. Dies
betrifft sowohl die Form und Anordnung der Zuführ- und Spanneinrichtung (7),
wie auch der Schweißroboter
(9) und sonstiger Anlagenteile.