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WO2004014596A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden von bauteilen mit schutzschichten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verbinden von bauteilen mit schutzschichten Download PDF

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WO2004014596A1
WO2004014596A1 PCT/EP2003/008540 EP0308540W WO2004014596A1 WO 2004014596 A1 WO2004014596 A1 WO 2004014596A1 EP 0308540 W EP0308540 W EP 0308540W WO 2004014596 A1 WO2004014596 A1 WO 2004014596A1
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WO
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clamping
components
component
elements
edge
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PCT/EP2003/008540
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Oesterlein
Wolfgang Waldi
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ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
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Publication date
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    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/242—Fillet welding, i.e. involving a weld of substantially triangular cross section joining two parts
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    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for connecting components according to the preamble of claims 1 and 3.
  • Such a method and such a device are used where fusible, coated components made of metal are to be bonded to form a structural unit.
  • a very large area of application is the production of vehicle bodies.
  • the permanent connection in particular the welding of such components, is preferably carried out with the aid of high-energy radiation, which is generated, for example, by means of a laser source or an electron beam gun.
  • Diode lasers, solid-state lasers and gas lasers are primarily suitable as laser sources.
  • Components that are used to manufacture car bodies are mostly made of steel. They are usually provided with protective layers made of zinc, which has a lower evaporation temperature than the steel itself.
  • the invention has for its object to provide a method with which components of the type mentioned above can be connected via a perfect weld, bypassing the known effort. Furthermore, the invention has for its object to provide a device with which such a method can be carried out.
  • FIG. 2 shows a section of the device according to FIG. 1,
  • the device 1 shown in Fig. 1 is designed as a welding gun, and comprises a fixed arm 2 and a movable arm 3, three clamping elements 4, 5, 6, two bending elements 8 and 9 and a movable or pivotable optical device 10.
  • the movable Arm 3 is fastened to the welding gun 1 via a joint 11.
  • the welding gun 1 is equipped with a drive device (not shown here).
  • the two clamping elements 4 and 5 are installed at the free end of the arm 2, the two clamping elements 4 and 5 are installed.
  • the two clamping elements 4 and 5 are L-shaped in the embodiment shown here.
  • each clamping element 4, 5 is tapered to such an extent that a clamping surface 4F, 5F of a defined width is formed, which has a slight convex curvature.
  • the clamping elements 4 and 5 are attached at a distance to the outside at the free end of the arm 2 such that their longitudinal axes are positioned in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the arm 2. An inclination of the clamping element 4, 5 is possible.
  • the sections of the clamping elements 4 and 5, which form the clamping surfaces 4F and 5F, are directed towards one another.
  • the distance between the two clamping elements 4 and 5 is chosen so large that a beam 12, as shown in FIG. 2, of a laser source (not shown here), which is connected to the optical device 10, between the two clamping surfaces 4F and 5F can be passed through.
  • an electron beam gun can be used as the beam source.
  • this clamping element 6 has a J-shaped recess 6U which is opposite to the two clamping surfaces 4F and 5F of the ⁇ clamping elements 4, 5.
  • a clamping surface 4F and 5F is seated on a surface 6F of one of the two boundaries of the U-shaped recess 6U.
  • the surfaces 6F form the clamping surfaces of the clamping element 6.
  • the two bending elements 8 and 9 are also installed at the free end of the movable arm 3 in addition to the clamping element 6.
  • a bending element 8, 9 is in each case in front of a limitation of the U-shaped ones Recess 6U, both bending elements 8 and 9 are seen in the direction of the longitudinal axis of the welding gun 1, positioned behind the clamping element 6, the bending element 8, 9 has a bearing surface 8A, 9A. Both bearing surfaces 8A, 9A lie in the same plane as the clamping surfaces 6F. Each bearing surface 8A, 9A is delimited on one side by an edge 8K, 9K which is oriented perpendicular to the longitudinal axis of the welding gun 1 and is beveled outwards, as shown in FIGS. 2 and 3.
  • the two components 30 and 40 shown in FIG. 3 are made of steel and are each provided with a protective layer 30S, 40S made of zinc.
  • the welding gun 1 is first opened so far that the two components 30 and 40 can be arranged between the clamping surfaces 4F 5F and 6F.
  • the two components 30 and 40 are placed on top of one another in such a way that they overlap at least in the region in which a weld seam 13 is to be formed.
  • the lower component 40 rests on the clamping surfaces 6F and with its edge 40R on the contact surfaces 8A and 9A of the bending elements 8 and 9.
  • the component 30 arranged on the component 40 covers the component 40 to such an extent that the edge 30R of the component 30 rests on the edges 8K and 9K of the bending elements 8 and 9.
  • the clamping elements 4 and 5 are pressed against the upper side of the component 30, while the clamping surfaces 6F of the clamping element 6 are pressed against the lower side of the component 40. Since the height of the edges 8K and 9K is slightly greater than the thickness of the component 40, the edge 30R of the component 30 is bent upward and the gap 14 shown in FIG. 3 is formed.
  • the steel 12 is focused on the component 30 by the optical device 10 such that the focal point of the steel 12 lies on, inside or below the surface of the component 30.
  • the material of the components 30 and 40 is melted where the beam 12 strikes during welding.
  • the zinc vapor that forms is discharged through the gap 14 according to FIG. 3.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiment described here. Rather, it encompasses all variations of the method and the device that can be assigned to the essence of the invention. This applies in particular to the welding of more than two stacked components as described above.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweissen von Bauteilen (30S, 40S) aus Stahl, die von Schutzschichten (30, 40) mit einer Verdampfungstemperatur überzogen sind, die niedriger ist, als die des Stahls. Beim Verschweissen solcher Bauteile (30, 40) kommt es zur Bildung von Metalldämpfen oder Gasen. Über einen Spalt (14) zwischen den Bauteilen (30 und 40) werden die Metalldämpfe und Gase abgeleitet. Das Ausbilden des Spalts (14) ist bis jetzt sehr aufwendig und teuer. Mit der Erfindung werden diese Nachteile umgangen. Die Bauteile (30, 40) werden im Bereich der Verbindung so überlappend angeordnet werden, dass der Rand (30R) des jeweils oben liegenden Bauteils (30) über den Rand (40R) des darunter liegenden Bauteils (40) übersteht. Der Rand (30R) des jeweils obenliegenden Bauteils (30) wird zum Ausbilden eines Spalts (9) beim Schweissen angehoben. Hierfür wird eine Vorrichtung verwendet, die als Schweisszange mit einem feststehenden Arm und einem beweglichen Arm (3) ausgebildet ist. Die Schweisszange ist mit mehreren Klemmelementen (4, 6) zum Fixieren der Bauteile (30, 40) und wenigstens zwei Biegelementen (8) zum Anheben des jeweils oben liegenden Bauteils (30) versehen. Die Klemmelemente die Biegelemente (8) sowie eine schwenkbare optische Einrichtung sind an den freien Enden der beiden Arme installiert.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM VERBINDEN VON BAUTEILEN MIT SCHUTZSCHICHTEN '
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 3.
Eine solches Verfahren und eine solche Vorrichtung kommen dort zur Anwendung, wo aufschmelzbare, beschichtete Bauteile aus Metall stoffschlüssig zu einer Baueinheit zu verbinden sind. Ein sehr großes Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Karosserien für Fahrzeuge.
Das dauerhafte Verbinden, insbesondere das Verschweißen solcher Bauteile erfolgt vorzugsweise mit Hilfe energiereicher Strahlung, die beispielsweise mittels einer Laserquelle oder einer Elektronenstrahlkanone erzeugt wird. Als Laserquelle eigenen sich vorrangig Diodenlaser, Festkörperlaser und Gaslaser. Bauteile, die zur Fertigung von Karosserien verwendet werden, sind meist aus Stahl gefertigt. Üblicher Weise sind sie mit Schutzschichten aus Zink versehen, das eine niedrigere Verdampfungstemperatur als der Stahl selbst aufweist.
Beim Verschweißen so gefertigter Bauteile entsteht Zinkdampf, der zu Schmelzauswürfen und Porenbildung im Bereich der Schweißnaht führen kann. Die Schädigung der Schweißnaht durch den Zinkdampf wird durch das Ausbilden eines Spaltes zwischen den zu verschweißenden Bauteilen vermieden. Über diesen Spalt kann der Zinkdampf entweichen, der sich beim Verbinden der Bauteile an deren Grenzflächen bildet. Der Spalt wird beim Schweißen kurzer Schweißnahtelemente durch eine entsprechende Formgebung der Bauteile beim Tiefziehen oder durch eine Bearbeitung der Bauteile vor dem Schweißen erzeugt. Bei diesen Verfahren werden an einem oder beiden Bauteilen im Bereich der späteren Schweißnaht Distanznoppen oder Riefen ausgebildet. Es besteht auch die Möglichkeit, lokal Material auf- oder abzutragen, so dass Durchlässe geschaffen werden, über die der Zinkdampf entweichen kann. Ferner ist es auch üblich, die Beschichtungen der Bauteile im Bereich der auszubildenden Schweißnaht zu entfernen. Diese Maßnahmen erfordern zusätzliche Arbeitsschritte bei der Fertigung. Zudem sind die hierfür verwendeten Werkzeuge aufwendig gestaltet, damit die erforderliche Einhaltung der nötigen engen Spaltformtoleranzen erreicht wird. Eine solche Ausbildung der Bauteile im Bereich, der späteren Schweißnahtelemente und die Herstellung der hierfür notwendigen Werkzeuge erfordert entsprechendes Expertenwissen in Konstruktion, Werkzeugbau und Fertigung. Durch diesen Aufwand werden die Produktkosten erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem Bauteile der eingangs genannten Art über eine einwandfreie Schweißnaht unter Umgehung des bekannten Aufwands verbunden werden können. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein solches Verfahren durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe, das Verfahren betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Aufgabe, die Vorrichtung betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 gelöst.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen mit beschichteten Oberflächen,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Vorrichtung gemäß Fig. 1 , ,
Fig. 3 einen weiteren Ausschnitt aus der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 ist als Schweißzange ausgebildet, und umfasst einen fest stehenden Arm 2 und einen beweglichen Arm 3, drei Klemmelemente 4, 5, 6, zwei Biegelemente 8 und 9 und eine verfahrbare oder schwenkbare optische Einrichtung 10. Der bewegliche Arm 3 ist über ein Gelenk 11 an der Schweißzange 1 befestigt. Zum Öffnen und Schließen der Schweißzange 1 wird der bewegliche Arm 3 von dem feststehenden Arm 2 weg bzw. auf diesen zubewegt. Hierfür ist die Schweißzange 1 mit einer Antriebsyorrichtung (hier nicht dargestellt) ausgerüstet. Am freien Ende des Arms 2 sind die beiden Klemmelemente 4 und 5 installiert. Die beiden Klemmelemente 4 und 5 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel L-förmig ausgebildet. Der nach unten weisenden Rand eines jeden Klemmelements 4, 5 ist so weit verjüngt, dass eine Klemmfläche 4F, 5F definierter Breite gebildet wird, die eine geringe konvexe Wölbung aufweist. Die Klemmelemente 4 und 5 sind im Abstand außen am freien Ende des Arms 2 so befestigt, dass ihre Längsachsen in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Arms 2 positioniert sind. Eine Schrägstellung der Klemmelernente 4, 5 ist möglich. Die Abschnitte der Klemmelemente 4 und 5, welche die Klemmflächen 4F und 5F bilden, sind gegeneinander gerichtet. Der Abstand zwischen den beiden Klemmelementen 4 und 5 wird so groß gewählt, dass ein Strahl 12 , wie Fig. 2 zeigt, einer Laserquelle (hier nicht dargestellt), welche mit der optischen Einrichtung 10 in Verbindung steht, zwischen den beiden Klemmflächen 4F und 5F hindurch geleitet werden kann. Alternativ kann eine Elektronenstrahlkanone als Strahlquelle eingesetzt werden.
\m freien Ende des beweglichen Arms 3 ist das Klemmelement 6 installiert, wie die riguren 1, 2 und 3 zeigen. Dieses Klemmelement 6 weist im Ausführungsbeispiel eine J-förmige Ausnehmung 6U aufweist, die den beiden Klemmflächen 4F und 5F der <lemmelemente 4, 5 entgegengerichtet ist. Bei geschlossener Schweißzange 1 sitzt eweils eine Klemmfläche 4F und 5F auf jeweils einer Oberfläche 6F einer der beiden Begrenzungen der U-förmigen Ausnehmung 6U auf. Die Oberflächen 6F bilden die (lemmflächen des Klemmelements 6. An dem freien Ende des beweglichen Arms 3 >ind neben dem Klemmelement 6 auch noch die beiden Biegelemente 8 und 9 nstalliert. Jeweils ein Biegelement 8, 9 ist vor jeweils einer Begrenzung der U-förmigen \usnehmung 6U angeordnet. Beide Biegelemente 8 und 9 sind in Richtung der .ängsachse der Schweißzange 1 gesehen, hinter dem Klemmelement 6 positioniert, ledes Biegelement 8, 9 weist eine Auflagefläche 8A, 9A auf. Beide Auflageflächen 8A, 9A liegen in der gleichen Ebene wie die Klemmflächen 6F. Jede Auflagefläche 8A, 9A wird einseitig von einer Kante 8K, 9K begrenzt, die senkrecht zur Längsachse der Schweißzange 1 ausgerichtet und nach außen zu abgeschrägt ist, wie die Figuren 2 und 3 zeigen.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend kurz erläutert. Es wird davon ausgegangen, dass die beiden in Fig. 3 dargestellten Bauteile 30 und 40 aus Stahl gefertigt und mit jeweils einer Schutzschicht 30S, 40S aus Zink versehen sind. Die Schweißzange 1 wird zunächst so weit geöffnet, dass die beiden Bauteile 30 und 40 zwischen den Klemmflächen 4F 5F und 6F angeordnet werden können. Die beiden Bauelemente 30 und 40 werden dabei so aufeinander gelegt, dass sie sich wenigstens in dem Bereich, in dem eine Schweißnaht 13 ausgebildet werden soll, überlappen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel liegt das untere Bauteil 40 auf den Klemmflächen 6F und mit seinem Rand 40R auf den Auflageflächen 8A und 9A der Biegelemente 8 und 9 auf. Das auf dem Bauteil 40 angeordnete Bauteil 30 überdeckt das Bauteil 40 so weit, dass der Rand 30R des Bauteils 30 auf den Kanten 8K und 9K der Biegelemente 8 und 9 aufliegt. Durch das Schließen der Schweißzange 1 werden die Klemmelemente 4 und 5 gegen die Oberseite des Bauteils 30 gepresst, während die Klemmflächen 6F des Klemmelements 6 gegen die Unterseite des Bauteils 40 gedrückt werden. Da die Höhe der Kanten 8K und 9K geringfügig größer ist als die Dicke des Bauteils 40, wird der Rand 30R des Bauteils 30 nach oben gebogen, und der in Fig. 3 dargestellte Spalt 14 ausgebildet. Um eine Schweißnaht 13 auszubilden, wird der Stahl 12 von der optischen Einrichtung 10 so auf das Bauteil 30 fokussiert, dass der Brennpunkt des Stahls 12 auf, innerhalb oder unterhalb der Oberfläche des Bauteils 30 liegt. Das Material der Bauteile 30 und 40 wird da aufgeschmolzen, wo der Strahl 12 beim Schweißen auftrifft. Der sich dabei bildende Zinkdampf wird über den Spalt 14 gemäß Fig. 3 abgeleitet.
Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr umfasst sie alle Variationen des Verfahrens und der Vorrichtung, die dem Kern der Erfindung zugeordnet werden können. Das gilt insbesondere für das Verschweißen von mehr als zwei aufeinander gestapelten Bauteilen wie sie oben beschrieben sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden von mit metallischen Schutzschichten (30S, 40S) versehenen Bauteilen (30, 40) aus Metall, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Bauteile (30, 40) wenigstens im Bereich der auszubildenden Verbindung so überlappend angeordnet werden, dass der Rand (30R) des jeweils oben liegenden Bauteils (30) über den Rand (40R) des darunter liegenden Bauteils (40) übersteht, und dass das oben aufliegende Bauteil (30) beim Schweißen zur Ausbildung eines Spalts (14) zwischen beiden Bauteilen (30, 40) angehoben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des jeweils oben aufliegenden Bauteils (30) so gewählt werden, dass dessen Rand (30R) im Bereich der Schweißnaht (13) weniger als acht Millimeter über den Rand (40R) des darunter liegenden Bauteils (40) übersteht, und dass das oben aufliegenden Bauteil (30) beim Schweißen im Bereich der Schweißnaht (13) so weit angehoben wird, dass über die Öffnung des Spalts (14) das verdampfte Material der Schutzschichten (30S, 40S) freigesetzt wird.
3. Vorrichtung in Form einer Schweißzange mit einem feststehenden Arm (2) und einen schwenkbaren Arm (3) zum Verbinden von mit metallischen Schutzschichten (30S, 40S) versehenen Bauteilen (30, 40) aus Metall, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Klemmelemente (4, 5, 6) zum Fixieren der Bauteile (30 und 40) und wenigstens zwei Biegelemente (8, 9) zum Anheben des jeweils oben liegenden Bauteils (30)vorgesehen sind, und dass die Klemmelemente (4, 5, 6), die Biegelemente (8, 9) sowie eine verfahrbare oder schwenkbare optische Einrichtung an den Armen (2, 3) der Schweißzange (1) befestigt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am freien Ende des fest stehenden Arms (2) die optische Einrichtung (10) installiert ist, und dass beidseitig davon jeweils ein L-förmiges Klemmelement (4, 5) befertigt und der nach unten weisenden Rand jedes Klemmelements (4, 5) als Klemmfläche (4F, 5F) nutzbar ist.
5. Vorrichtung einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den beiden Klemmelementen (4 und 5) mindestens so groß ist, dass ein Strahl (12) einer Laserquelle oder einer Elektronenstrahlkanone, welche an die optischen Einrichtung (10) angeschlossen ist, zwischen den beiden Klemmflächen (4F und 5F) hindurch leitbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am freien Ende des beweglichen Arms (3) ein Klemmelement (6) installiert ist, das eine U-förmige Ausnehmung (6U) aufweist, die den beiden Klemmelementen (4, 5) entgegengerichtet ist, und dass bei geschlossener Schweißzange ("1 ) jeweils eine Klemmfläche (4F und 5F) der beiden Klemmelemente (4, 5) auf jeweils einer Oberfläche (6F) der seitlichen Begrenzungen der U-förmigen Ausnehmung (6U) aufgesetzt ist, und dass die Oberflächen (6F) als Klemmflächen des Klemmelements (6) vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am freien Ende des beweglichen Arms (3) auch die beiden Biegelemente (8 und 9) installiert sind, dass jeweils ein Biegelement (8, 9) vor jeweils einer Begrenzung der U-förmigen Ausnehmung (6U) so angeordnet, dass beide Biegelemente (8 und 9) in Richtung der Längsachse der Schweißzange 1 gesehen hinter dem Klernmelement (6) positioniert sind, dass jedes Biegelement (8, 9) eine Auflagefläche (8A, 9A) aufweist, die beide in der gleichen Ebene wie die Klemmflächen (6F) des Klemmelements (6) positioniert sind, und dass jede Auflagefläche (8A, 9A) einseitig von einer Kante (8K, 9K) begrenzt ist, die senkrecht zur Längsachse der Schweißzange (1) ausgerichtet und nach außen zu abgeschrägt ist.
PCT/EP2003/008540 2002-08-05 2003-08-01 Verfahren und vorrichtung zum verbinden von bauteilen mit schutzschichten Ceased WO2004014596A1 (de)

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