DE3407770C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, Blechflansche von Behältern, insbesondere
der Halbschalen von Kraftstoffbehältern, durch Rollennaht
schweißen zu verbinden (vgl. hierzu beispielsweise die
DE-OS 28 12 415 und die weiter unten stehenden Ausführungen
zu dieser Druckschrift). Hierbei werden als Rollen ausgebil
dete Elektroden von beiden Seiten auf die zu verbindenden
Flansche gedrückt. Die Verschweißung erfolgt, wie beim
elektrischen Punktschweißen, durch die an der jeweiligen
Verbindungsstelle entstehende Wärme infolge des dort erhöhten
elektrischen Widerstandes. Beim Rollennahtschweißen handelt
es sich also um eine spezielle Art des bekannten Widerstands
schweißverfahrens.
Die Verschweißung der Blechflansche von Behältern im Rollen
nahtschweißverfahren ist mit mehreren Nachteilen verbunden.
Einmal ergeben sich gewisse Einschränkungen bei der Formgebung
der Behälter, insbesondere, wenn konkave Radien auftreten.
Da die zu verbindenden Flansche von den Rollenelektroden
sehr stark druckbeaufschlagt werden, ergeben sich an den
beaufschlagten Stellen Minderungen der Blechdicke, was
zu nachteiligen Festigkeitsverlusten am gesamten Behälter
führt. Ein weiterer wesentlicher Nachteil ist darin zu
sehen, daß die im Rollennahtschweißverfahren verbundenen
Bleche zu erhöhter Korrosionsanfälligkeit neigen, insbesondere
wenn es sich um verbleite Bleche handelt. Außerdem tritt
beim Rollennahtverschweißen von derartigen verbleiten Blechen
häufig Spritzerbildung auf.
Zwar ist es grundsätzlich auch bekannter Stand der Technik,
Schweißverbindungen von Metallteilen durch Laserstrahlschwei
ßen herzustellen. So ist ein Verfahren der eingangs bezeichne
ten Art durch das JP-Abstract, Kokai 58-1 63 587 bekannt
geworden. Diese Druckschrift zeigt das Verschweißen mittels
Laserstrahl der Ränder zweier gebogener Bleche, wobei sich
die Ränder überlappen. Um die sich überlappenden Blechränder
in der Schweißposition zu halten, besitzt die Laserdüse
zwei Fortsätze, an denen zwei scheibenförmige Räder angebracht
sind. Die Verschweißung erfolgt offenbar in dem Zwischenraum
zwischen den beiden genannten Rädern. Als Auflage gilt
bei dem bekannten Verfahren offensichtlich ein Rohr. Hierbei
ist allerdings davon auszugehen, daß die beiden Blechteile
mit dem Rohr verschweißt werden, so daß das Rohr nicht
eigentlich nur eine Auflage ist.
Ein ähnliches Schweißverfahren mittels Laserstrahl zeigt
des weiteren das JP-Abstract, Kokai 57-1 49 083. Beim
Gegenstand dieser Druckschrift werden zwei flanschartig
abgekröpfte Ränder zweier Bleche durch Laserstrahl miteinander
verschweißt. Als Niederhalter und Auflage gleichermaßen
dienen hierbei zwei gleichartig ausgebildete Rollen. Die
Verschweißung erfolgt - im Unterschied zum Gegenstand des
obengenannten JP-Abstracts, Kokai 58-1 63 587 und auch
im Unterschied zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung
- am stirnseitigen Ende der beiden Flansche. Der Laserstrahl
ist also parallel zu dem sich zwischen den beiden zu verschwei
ßenden Flanschen erstreckenden Spalt gerichtet.
Bei Behältern der hier in Rede stehenden Art, insbesondere
bei Kraftstoffbehältern, werden jedoch sehr strenge Anforderun
gen an die Dichte des Behälters gestellt. So muß ein Kraft
stoffbehälter absolut gasdicht sein, um das unerwünschte
Austreten von Benzindämpfen, zum Beispiel bei entsprechender
Erwärmung des Kraftstoffbehälters, zu vermeiden. Diesen
hohen Dichtheits- bzw. Festigkeitsanforderungen an die
Schweißnaht vermögen die bekannten Laserstrahl-Schweißverfah
ren nach den obengenannten Druckschriften nicht zu genügen.
Bei der Schweißmethode nach JP-Abstract, Kokai 58-1 63 587
ist insbesondere zu befürchten, daß sich - bei hohen Tempera
turen - infolge des dabei auftretenden hohen Druckes im
Kraftstoffbehälter die beiden verschweißten Flansche aufbie
gen, zumal die Schweißstelle dort am äußersten Ende der
Flansche, also von der Abkröpfungsstelle sehr weit entfernt,
liegt.
Das Schweißverfahren nach JP-Abstract, Kokai 57-1 49 083
könnte zwar die Festigkeitsanforderungen erfüllen, nicht
jedoch die Dichtheitsanforderungen. Denn die durch die
Niederhalter auf die beiden zu verschweißenden Blechenden
aufgebrachte Kraft wird nicht unmittelbar an der Schweiß
stelle ausgeübt, sondern jeweils seitlich daneben. Hierdurch
ist es nicht auszuschließen, daß gerade an der für die
Schweißnaht vorgesehenen Stelle die beiden Blechenden nicht
dicht aufeinander zu liegen kommen, sondern vielmehr Hohlräume
entstehen können.
Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik wird
die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin gesehen,
zur Erzielung einer gasdichten Schweißverbindung der Blech
flansche mittels Laserstrahlverfahren unbedingt erforderliche,
vollkommen ebene, d. h. spaltfreie Berührflächen der beiden
zu verbindenden Blechflansche an der für die Schweißnaht
vorgesehenen Stelle zu schaffen bzw. zu gewährleisten.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die im kennzeichnen
den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die angestrebte vollkommen gasdichte Schweißverbindung
wird erfindungsgemäß durch die Vorbereitung der für die
Schweißnaht vorgesehenen Stelle in Gestalt einer sickenarti
gen Vertiefung eines oder beiden Blechflansche erreicht.
Hierdurch wird es - im Gegensatz zu den bekannten Laser
strahl-Schweißverfahren nach den oben angegebenen Druckschrif
ten - vorteilhaft möglich, den größten Anpreßdruck der
beiden zu verschweißenden Bleche (erzeugt durch Auflage
und Niederhalter) unmittelbar an der dür die Schweißnaht
vorgesehenen Stelle zu erzeugen, obwohl sowohl Auflage
als auch Niederhalter seitlich neben der Schweißstelle
angeordnet sind.
Zwar ist des durch die DE-OS 32 20 45 bzw. durch die DE-OS
28 12 415 beim elektrischen Widerstandsschweißen an sich
bekannt, in eines der beiden zu verschweißenden Bleche
einen "Buckel" (vgl. DE-OS 32 20 457) bzw. eine Sicke (vgl.
DE-OS 28 12 415) einzuarbeiten. Indessen führt die Anwendung
dieser aus dem (gattungsfremden) Widerstandsschweißen bekann
ten Maßnahmen den Fachmann noch keineswegs zu der vorliegenden
Erfindung. Denn beim elektrischen Widerstandsrollenschweißen
dienen ja bekanntlich die Elektroden (Rollen) gleichzeitig
als Auflage und Niederhalter, so daß bei diesem Verfahren
kein Problem dahingehend besteht, an der Schweißstelle
den größtmöglichen Druck aufzubringen. Dagegen machen die
beiden weiter oben gewürdigten Druckschriften, JP-Abstract
Kokai 58-1 63 587 und JP-Abstract, Kokai 57-1 49 083, die
sich ja - wie die vorliegende Erfindung - mit einem Laser
strahlschweißverfahren befassen, sehr deutlich, daß die
Druckaufbringung auf die zu verschweißenden Bleche beim
Laserstrahlschweißen ein besonderes Problem darstellt.
In diesem Zusammenhang ist auch noch das sich ebenfalls
mit einem Laserstrahlschweißverfahren befassende JP-Abstract,
Kokai 56-66 396 zu nennen. Die Schwierigkeit der Druck
aufbringung auf die zu verschweißenden Bleche wird dort
in relativ aufwendiger Weise durch einen speziellen Klemm-Me
chanismus zu lösen versucht.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird bei einem Laser
strahl-Schweißverfahren der eingangs bezeichneten Art mit
einfachen Mitteln dafür gesorgt, daß die zur Erzielunng
einer gasdichten Schweißverbindung der Blechflansche unbe
dingt erforderlichen vollkommen ebenen, das heißt spaltfreien
Beführflächen der beiden zu verbindenden Blechflansche
gegeben sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen 2 bis 4 zu entnehmen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch
die in den Patentansprüchen 5 und 7 angegebenen Alternativ
lösungen gekennzeichnet.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung nach Anspruch
5 enthält Unteranspruch 6.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient ein Ausführungs
beispiel, welches in der Zeichnung dargestellt und nachstehend
beschrieben ist. Die Zeichnung zeigt
in schematischer Darstellung eine
Ausführungsform einer Vorrichtung zur Laserstrahlverschweißung
der Blechflansche zweier zusammen einen Behälter bildenden
Halbschalen, im Vertikalschnitt.
Es bezeichnet 10 eine obere Halbschale und 11 eine untere
Halbschale eines insgesamt mit 12 bezifferten Behälters, z. B.
eines Kraftstoffbehälters für Kraftfahrzeuge. Die beiden
Halbschalen 10, 11 besitzen jeweils einen seitlich abgebogenen
umlaufenden Blechflansch 13 bzw. 14. Um die beiden Halbschalen
10, 11 zu inem geschlossenen Behälter 12 zu verbinden, müssen
die beiden Blechflansche 13, 14 miteinander verschweißt werden.
Zu diesem Zweck ist oberhalb des oberen Blechflansches 14
eine Laserstrahl-Schweißeinrichtung angeordnet, von der in der
Zeichnung nur der unmittelbar auf das Werkstück 12 gerichtete
düsenartige Endteil gezeigt und mit 15 bezeichnet ist. Es ist
hierbei bewußt darauf verzichtet worden, die zur Erzeugung
eines geeigneten Laserstrahles erforderlichen Maßnahmen, die
nicht unmittelbar zur Erfindung gehören und im übrigen auch
bekannter Stand der Technik sind, zeichnerisch darzustellen.
Es kann sich z. B. um einen sog. CO2-Laser mit Standard-Laseroptik
und sensorgesteuerter Höhenregulierung handeln, der - je nach
der Höhe der gewünschten Schweißgeschwindigkeit - eine Leistung
von etwa 1,5 kW bis 3 kW aufweisen kann.
Aus dem düsenartigen Endstück der Laserstrahl-Schweißeinrichtung
15 tritt ein mit 16 bezeichneter Laserstrahl aus, der - wie
die Zeichnung zeigt - senkrecht auf die Oberfläche des Blech
flansches 14 gerichtet ist. Gleichzeitig wird auf die Werk
stückoberfläche ein mit 17 bezeichneter Schutzgasstrom geblasen,
der den Laserstrahl 16 mantelartig koaxial umgibt und mit 17
beziffert ist. Bei dem Schutzgas kann es sich z. B. um das
Edelgas Argon handeln.
Um eine einwandfreie, d. h. gasdichte Verschweißung der beiden
Blechflansche 13, 14 mittels des Laserstrahls 16 zu erreichen,
muß dafür gesorgt werden, daß die Blechflansche 13, 14 an der
für die Verschweißung vorgesehenen Stelle - in der Zeichnung
mit 18 beziffert - umlaufend ununterbrochen in Berührung stehen.
Zu diesem Zweck ist in den oberen Blechflansch 14 eine sicken
artige Vertiefung 19 eingearbeitet, deren Tiefe t etwa 1 mm
betragen kann. Hierdurch ergibt sich an der für die Ver
schweißung vorgesehenen Nahtstelle 18 eine spaltfreie, nahezu
linienförmige Berührung der beiden Blechflansche 13, 14.
Wie die Zeichnung weiterhin erkennen läßt, sind die beiden
Blechflansche 13, 14 an ihrem außenseitigen Rand neben der
Schweißstelle 18 zwischen einer Auflage 20 und einem Niederhalter
21 eingespannt. Auflage 20 und Niederhalter 21 haben die Auf
gabe, eine einwandfreie spaltfreie Berührung der beiden Blech
flansche 13, 14 an der für die Schweißnaht vorgesehenen
Stelle 18 während der gesamten Dauer des Schweißvorganges
zu gewährleisten. Der hierfür erforderliche Anpreßdruck,
welcher jedoch relativ klein sein kann, wird durch den Nieder
halter 21 in Pfeilrichtung 22 aufgebracht.
Grundsätzlich ist es möglich, auch auf der anderen Seite der
Schweißstelle 18 (in der Zeichnung links hiervon) eine Auflage
und einen Niederhalter für die Blechflansche 13, 14 vorzusehen.
Im allgemeinen wird es jedoch genügen, wenn nur der äußere
Rand der beiden Blechflansche 13, 14 zwischen den in der
Zeichnung mit 20, 21 bezeichneten Teilen eingespannt ist.
Der Spannrahmen für die beiden Blechflansche 13, 14, der bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus der als gesenkartiger
Halter ausgebildeten Auflage 20 und dem Niederhalter 21 besteht,
ist zweckmäßigerweise auf einem sog. X/Y-Tisch (nicht gezeigt)
befestigt, mittels dessen er dann unter der feststehenden
Laserstrahl-Fokussiereinrichtung entsprechend der jeweiligen
Schweißrichtung und -geschwindigkeit bewegt werden kann.
Zweckmäßigerweise dient hierbei die als gesenkartiger Halter
ausgebildete Auflage 20 zugleich zur horizontalen Ausrichtung
der zu verschweißenden Blechflansche 13, 14.
Alternativ zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist es aber
auch denkbar, als Auflage und Niederhalter für die zu ver
schweißenden Blechflansche 13, 14 unterhalb des unteren Blech
flansches 13 und oberhalb des oberen Blechflansches 14 - beid
seitig bzw. nur außenseitig der für die Schweißnaht vorgesehenen
Stelle 18 - auf einem ortsfesten Grundgestell gelagerte Walzen
anzuordnen, derart, daß die zu verschweißenden Blechflansche
13, 14 bei feststehender Laserstrahl-Fokussiereinrichtung
entsprechend der Schweißgeschwindigkeit zwischen oberer und
unterer Walze (bzw. zwischen oberen und unteren Walzen) hindurch
bewegbar sind. Auch bei dieser Variante können die Walzen gleich
zeitig zur horizontalen Ausrichtung der zu verschweißenden
Blechflansche dienen.
Alternativ hierzu kann aber die horizontale Ausrichtung der
beiden zu verschweißenden Blechflansche 13, 14 durch eine
Sensorsteuerung der Laserstrahl-Fokussiereinrichtung 15 er
folgen.
Claims (7)
1. Verfahren zum Verschweißen von Blechflanschen, insbeson
dere derjenigen von Halbschalen eines Kraftstoffbehälters
für Kraftfahrzeuge, mittels Laserstrahl, wobei die
zu verschweißenden Blechflansche, angrenzend an die
für die Schweißnaht vorgesehene Stelle, mittels Auflage
und Niederhalter zusammengedrückt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einen der
beiden zu verschweißenden Blechflansche (13, 14), an
der für die Schweißnaht vorgesehenen Stelle (18) und
in Richtung der vorgesehenen Schweißnaht verlaufend,
eine in den von den Blechflanschen (13, 14) gebildeten
Zwischenraum weisende, sickenartige Vertiefung (19)
eingeprägt und der Laserstrahl (16) entlang der sickenarti
gen Vertiefung (19) geführt wird, und daß die Halbschalen
nur an den zu verschweißenden Blechflanschen (13, 14)
eingespannt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß nur in dem der Laserstrahl-
Schweißeinrichtung (15) zugewandten oberen Blechflansch
(14) eine sickenartige Vertiefung (19) eingeprägt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die sickenartige Vertiefung
(19) - jeweils in Richtung auf die Berührstelle (18)
der Blechflansche (13, 14) zu - eine Tiefe (t) von
etwa 1 mm aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere zum Verschweißen
von legierten und/oder beschichteten Blechen koaxial zu
dem senkrecht oder im wesentlichen senkrecht auf die
für die Schweißnaht vorgesehene Stelle (18) der Blechober
fläche gerichteten Laserstrahl (16) und diesen mantel
artig umschließend Schutzgas (17) zur Schweißstelle (18, 19)
strömt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet durch einen zur horizontalen Ausrichtung
der zu verschweißenden Blechflansche (13, 14) dienenden
gesenkartigen Halter (20) als Auflage für den unteren
zu verschweißenden Blechflansch (13) und einen zur
Aufbringung der Preßkraft (22) auf den oberen zu verschwei
ßenden Blechflansch (14) dienenden Niederhalter (21).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der aus gesenkartigem Halter
(20) und Niederhalter (21) bestehende Spannrahmen auf
einem X/Y-Tisch befestigt und mittels des X/Y-Tisches
unter einer feststehenden Laserstrahl-Fokussiereinrich
tung (15) bewegbar ist.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß als Auflage und Niederhalter
sowie zur horizontalen Ausrichtung für die zu verschweißen
den Blechflansche (13, 14) unterhalb des unteren Blechflan
sches (13) und oberhalb des oberen Blechflansches (14)
- außenseitig der für die Schweißnaht vorgesehenen
Stelle (18) - auf einem ortsfesten Grundgestell gelagerte
Walzen angeordnet sind, derart, daß die zu verschweißen
den Blechflansche (13, 14) bei feststehender Laserstrahl-
Fokussiereinrichtung (15) entsprechend der Schweißgeschwin
digkeit zwischen oberer und unterer Walze hindurch
bewegbar sind.
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