DE102014209473A1

DE102014209473A1 - Verfahren zum Fügen von Bauteilen

Info

Publication number: DE102014209473A1
Application number: DE102014209473.9A
Authority: DE
Inventors: Florian Oefele; Hermann Krippl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-11-26
Also published as: WO2015176947A1

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

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 3 kN ± 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 10 mm bis 40 mm. 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:
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.
Bezugszeichenliste

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

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.
Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem die Schweißnaht (S) an einer Sekundärfläche im Sichtbereich des Kunden angeordnet ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem die Schweißnaht (S) eine Strichnaht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem mindestens eine weitere Schweißnaht ausgebildet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 4, bei dem die Schweißnähte voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei die Positionierung der Laserschweißvorrichtung (30) mittels eines Mehrachs-Roboters erfolgt.
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.