DE4443826A1

DE4443826A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Verringern der Spaltbreite beim Fügen von Blechen mit Laserstrahlung

Info

Publication number: DE4443826A1
Application number: DE4443826A
Authority: DE
Inventors: Willi Dr Neff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2014-12-10
Also published as: DE4443826C2

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verringerung der Spaltweite zwischen zwei oder mehreren mittels Laserstrahlung zu fügenden Werkstücken. Die Werkstücke, beispielsweise zwei längs einer Linie zu fügende, beliebig geformte Bleche, werden ohne besondere Kraftaufwendung so gehaltert, daß eine möglichst kleine Spaltweite längs der Fügelinie entsteht. Diese, durch die Herstellungstoleranz der Bleche bedingte Spaltweite, ist in der Regel größer als der durch den Fügeprozeß mittels Laserstrahlung vorgegebene Spielraum. Entsprechend der Erfindung wird die Spaltweite entlang der Fügelinie dadurch reduziert, daß z. B. mittels eines Stößels kurzzeitige Impulse auf die Werkstückoberfläche übertragen werden. Länge und Intensität der Impulse werden so bemessen, das mindestens eins der zu fügenden Werkstücke in einem möglichst schmalen, auf die Breite der Fügestelle angepaßten Bereich plastisch in Richtung des oder der anderen Werkstücke hin verformt wird, so daß das Fügen mit Laserstrahlung möglich wird.

Technische Anwendungsgebiete

Fügen von Blechen ohne die Notwendigkeit einer mechanischen Verpressung entlang der Fügelinie beispielsweise im Automobilbau.

Stand der Technik

Das Fügen von ebenen oder gekrümmten Blechen im Automobilbau entlang einer vorgegebenen Fügelinie erfolgt heute vorwiegend durch Widerstands- Punktschweißen. Der Ausgleich der durch Fertigungstoleranzen zwischen den Blechen vorhandenen Spaltweite erfolgt durch entsprechende Kraftaufwendung über die Schweißelektroden. Beim Einsatz von Laserstrahlung wird die Spaltweite durch aufwendige Haltevorrichtungen unter die für die Bearbeitung erforderliche Toleranzgrenze reduziert. Oft ist dazu noch der zusätzliche Andruck durch eine oder mehrere Rollen erforderlich.

Grundzüge des Lösungsweges

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verringerung der Spaltweite zwischen zwei oder mehreren mittels Laserstrahlung zu fügenden Werkstücke. Die Werkstücke, beispielsweise zwei längs einer Linie zu fügende, beliebig geformte Bleche, werden ohne besondere Kraftaufwendung so gehaltert, daß eine möglichst kleine Spaltweite längs der Fügelinie entsteht. Diese, durch die Herstellungstoleranz der Bleche bedingte Spaltweite, ist in der Regel größer als der durch den Fügeprozeß mittels Laserstrahlung vorgegebene Spielraum. Entsprechend der Erfindung wird die Spaltweite entlang der Fügelinie dadurch reduziert, daß z. B. mittels eines Stößels kurzzeitige Impulse auf die Werkstückoberfläche übertragen werden. Sind die Impulse zeitlich kurz genug, so bleibt die Lage des gesamten Werkstücks aus Gründen der Massenträgheit praktisch unverändert. Dagegen erfolgt im Bereich der Auftrefffläche des Stößels eine teils elastische und teils plastische Deformation des oberen Werkstücks in Richtung des unteren. Die Spaltweite wird dadurch auf der Fügelinie so stark verringert, daß das Fügen mittels Laserstrahlung möglich wird. Insbesondere genügt dabei eine einseitige Halterung des Werkstückes. Entlang der Fügelinie kann sowohl kontinuierlich geschweißt werden, indem die Impulse mit ausreichend hoher Frequenz und jeweils überlappend aufgebracht werden oder auch punktuell mit vorgegebenem Abstand. Insbesondere kann das Werkstück entlang der Fügelinie zunächst mit hoher Geschwindigkeit punktuell verschweißt (geheftet) werden, um in einem zweiten Arbeitsgang ohne zusätzliche mechanische Deformation eine kontinuierliche Schweißnaht herzustellen.

Die Einbringung der Impulse erfolgt vorteilhafter Weise in unmittelbarer Nähe zur Auftreffstelle des Laserstrahls auf dem Werkstück. Für die durch den Stößel zu erzielende Deformation kann es vorteilhaft sein, wenn z. B. durch den Laserstrahl eine Vorwärmung des Materials erfolgt.

Die Intensität der Impulse ist so zu bemessen, daß das untere Werkstück möglichst nicht deformiert wird. Mit der gleichen Methode kann auch die Reduktion der Spaltweiten erreicht werden, wenn mehr als zwei Bleche übereinander simultan gefügt werden sollen.

Da die Spaltweite längs der Fügelinie unterschiedlich groß sein kann, das zu fügende Material aufgrund der räumlichen Struktur unterschiedliche Steifigkeit besitzt, oder Werkstücke unterschiedlicher Dicke gefügt werden sollen, ist die Kombination des Verfahrens mit einer Regelung zur Impulssteuerung vorteilhaft. Dazu kann beispielsweise die Schallemission derart ausgewertet werden, daß der Kontakt der Werkstücke erkannt wird, die Kinetik des Stößels verfolgt werden, um die Steifigkeit des Materials und die Deformationstiefe zu ermitteln etc. Sofern der Stößel in unmittelbarer Nähe zum Auftreffpunkt des Lasers angebracht ist, können Regelgrößen auch direkt aus der Prozeßkontrolle des Schweißvorgangs abgeleitet werden. Umgekehrt können aus den gemessenen Parametern am Stößel auch Regelgrößen für den Laser abgeleitet werden (Leistung, Zuführung von Zusatzmaterial etc.).

Erreichte Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik

Bei der konventionellen Fügetechnik mit und ohne Laserstrahlung ist durch die Verpressung der Werkstücke zu gewährleisten, daß die Spaltweite entlang der Fügelinie stets kleiner als die zulässige Toleranzgrenze ist. Dadurch werden enorm hohe Anforderungen an die Haltetechnik gestellt. Insbesondere ist in den meisten Fällen eine beidseitige Zugänglichkeit der Werkstücke für die Haltevorrichtung erforderlich.

Durch das hier beschriebene Verfahren wird dagegen mindestens eins der zu fügenden Werkstücke im Bereich der Fügelinie durch Impulsübertragung plastisch so verformt, daß die Toleranzen im Fügespalt eingehalten werden können. Durch die kurze Einwirkdauer des Impulses genügt die Massenträgheit der Werkstücke selbst zur Stabilisierung. Dadurch entstehen Vorteile derart, daß keine Haltevorrichtungen benötigt werden, die die Kraft aufbringen muß, um die Werkstücke selbst zu verformen oder eine Gegenkraft zur Impulsrichtung aufbringen. Dadurch wird auch die Fügung kompliziert geformter Werkstücke nur durch einseitige Fixierung der Teile möglich.

Ausführungsbeispiele

Die Form des zum Impulsübertrag verwendeten Stößels an der Stelle, an der der Kontakt mit dem Werkstück entsteht, sollte vorteilhafterweise rotationssymmetrisch ausgeführt sein. Dadurch kann durch eine zusätzlich zur axialen Bewegung überlagerte Drehung erreicht werden, daß durch den ständigen impulsartigen Kontakt mit dem Werkstück eine gleichmäßige Abnutzung und dadurch eine verlängerte Lebensdauer erzielt wird. Ist sie kugelförmig, so wird eine möglichst gleichmäßige Beanspruchung des Werkstücks erreicht, der Bereich, in dem die tolerierte Spaltweite eingehalten wird ist jedoch schmal. Wird die Kugelform am Ende abgeflacht oder ist die Form zylindrisch, dann kann über den Durchmesser der Stirnfläche dieser Bereich an die Erfordernisse des Schweißvorgangs angepaßt werden.

Der Antrieb des Stößels, was die Rotation oder die axiale Impulsübertragung betrifft, kann beispielsweise analog eines pneumatischen Bohrhammers erfolgen.

Die Energie, die bei kommerziell erhältlichen Schlagwerken in einem Puls erzeugt wird, liegt im Bereich von 0,2-40 J. Das ist ausreichend, um z. B. Bleche bis Dicken im Millimeterbereich zu deformieren.

Die Einwirkdauer der Impulse ist typisch einige Millisekunden, so daß das in der Regel mehrere Kilogramm schwere Werkstück als ganzes, aufgrund seiner Massenträgheit nicht ausgelenkt wird. Dadurch wird die plastische Verformung durch dynamisch wirkende Kräfte und nicht durch statischen Druck erzielt.

Die Repetitionsrate der Pulse kann beispielsweise zwischen 0 und 4000 Pulsen/min variiert werden. Mit einem Durchmesser der Stößelspitze von 0,5 cm, wäre damit bei kontinuierlicher Schweißnaht eine Schweißgeschwindigkeit bis zu 20 m/min erzielbar.

Die Lebensdauer solcher Schlagwerke liegt bei etwa 500 Arbeitsstunden.

Um eine Auswirkung der durch den Stößel erzielten Verformung des Werkstücks im Bereich der Fügelinie auf das gesamte Werkstück zu verhindern, kann es vorteilhaft sein, durch geeignete Formgebung entlang der Fügelinie eine erhöhte Steifigkeit und dadurch eine Entkoppelung zu erzielen.

Claims

1. Verfahren zur Verringerung der Spaltweite zwischen zwei oder mehreren Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens eines der Werkstücke eine Impulsübertragung erfolgt, wobei die Länge und die Intensität der Impulse derart zu bemessen ist, daß wenigstens eines der Werkstücke eine elastische und/oder plastische Deformation in Richtung der Impulsübertragung erfährt.

2. Verfahren zum Fügen von Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens eines der Werkstücke eine Impulsübertragung im Bereich der Fügestelle erfolgt, und daß die Länge und die Intensität der Impulse derart zu bemessen sind, daß wenigstens eines der Werkstücke eine elastische und/oder plastische Deformation in Richtung der Impulsübertragung erfährt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügen mittels Laserstrahlung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsübertragung mit hoher Frequenz erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bereiche der Impulsübertragung für aufeinanderfolgende Impulse überlappen.

6. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche der Impulsübertragung voneinander einen vorgebbaren Abstand aufweisen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftreffort der Laserstrahlung und der Ort der Impulsüber tragung unmittelbar nebeneinanderliegen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Fügelinie die zu verfügenden Werkstücke derart vorgeformt werden, daß sie eine erhöhte Steifigkeit aufweisen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Werkstücke, die nicht einer unmittelbaren Impulsübertragung unterliegen, keine Deformation erfährt oder erfahren.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung zur Impulssteuerung vorgesehen ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallemission bei Kontakt der Werkstücke ausgewertet wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 11 mit einer Laserstrahlquelle, sowie Einrichtungen zum Positionieren und Halten der zu fügenden Werkstücke dadurch gekennzeichnet, daß zur Impulsübertragung ein Stößel vorgesehen ist, der vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet ist, und der von einer Antriebseinrichtung in axialer Richtung auf das dem Stößel zugewandte Werkstück bewegt wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel zusätzlich zur axialen Bewegung eine Rotation ausführt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel einen kugelförmigen oder zylinderförmigen Stoßkopf aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der kugelförmige Stoßkopf an der dem Werkstück zugewandten Seite eine Abflachung aufweist, die parallel zur Oberfläche des Werkstücks in dem Fügebereich verläuft.