DE10127714A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Plasma-Schweißen von Türen und Klappen - Google Patents

Abstract

Die Herstellung von Türen und Klappen im Kraftfahrzeugbau ist mit den herkömmlichen Verfahren sehr aufwendig und wird in mehreren Arbeitsschritten, Dichtkleben der Blechteile, Umbördeln der Türen- oder Klappenränder, Punktschweißen der Bleche, durchgeführt. Ziel dieser Anmeldung ist es daher, ein einfaches Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Herstellung von Türen oder Klappen anzugeben, das kostengünstig betrieben werden kann und qualitativ hochstehende Ergebnisse liefert. Dies wird durch den Einsatz des Plasma-Schweißverfahrens beim stirnseitigen Verschweißen der Türen- oder Klappenbleche erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stirnseitigen Plasma-Schweißen von gleich oder unterschiedlich dicken Blechen, insbesondere verzinkte Bleche oder Aluminiumbleche, im Kraftfahrzeugbau, sowie einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens.

Zur Herstellung von Türen und Klappen in der Kraftfahrzeugindustrie waren bisher stets mehrere aufwendige Arbeitsgänge notwendig. Die Kanten der Türen und Klappen sind Sichtkanten im Außenbereich der Karosserie und müssen deshalb besonderen qualitativen Ansprüchen gerecht werden, da man jede Abweichung durch den Spalt zwischen Karosserie und der Tür oder der Klappe sofort mit freiem Auge erkennen kann. Um diese Qualitätsansprüche erfüllen zu können, mussten bis jetzt, aufgrund der hohen Ansprüche bezüglich der Dichtheit von Türen und Klappen, zuerst die Türen- oder Klappenteile durch spezielle Dichtungskleber in eigenen aufwendigen Klebestationen abgedichtet werden, die zu verbindenden Bleche entlang der Tür- oder Klappenränder umgebördelt werden und danach wurden sie durch den Einsatz des Widerstandspunktschweißens oder des MIG/MAG-Schweißens miteinander verschweißt. Dazu ist für jede Ausführungsform einer Türe oder Klappe ein anderes Bördelwerkzeug notwendig. Diese Arbeitsschritte und die notwendigen Werkzeuge machen die Herstellung von Türen und Klappen sehr kostenintensiv. Bei den oben genannten Schweißverfahren hat man zusätzlich noch das Problem der entstehenden Schweißspritzer, die unter Umständen eine Nachbearbeitung des verschweißten Teiles notwendig machen.

Es sind Verfahren gemäß dem Oberbegriff der Erfindung bekannt, wie aus der WO 97/14569, bei denen die Tür- oder Klappenränder vor dem Verschweißen in einer bestimmten Form umgebördelt werden müssen. Weiters erfolgt die Verschweißung bei diesen Verfahren mit einem Laser-Schweißverfahren.

Durch den Einsatz von Laser-Schweißverfahren erhält man zwar ein Verfahren, das durch die durchgehende Schweißverbindung das Fügen und Abdichten in einem Arbeitsgang erledigen kann, aber bei den bekannten Verfahren in einer gewissen Form immer noch das Umbördeln der Tür- oder Klappenränder erfordert. Außerdem ist der Einsatz von Lasern in der Produktion, unter anderem durch den notwendigen hohen Energieeintrag und höhere Wartungs- und Betriebskosten, sehr teuer.

In der WO 99/37523 ist ein Verfahren zum Verschweißen von Fahrzeugteilen mittels des Plasma-Schweißverfahrens für Hohlteile in Verbindung mit dem Innenhochdruckverfahren, angegeben. Es werden hier verschiedene mögliche Schweißnähte aufgezeigt, wie zum Beispiel eine Stoßnaht, eine Kehlnaht oder eine Stumpfnaht.

Es sind auch Druckschriften zum Plasma-Schweißen selbst bekannt, wie die EP 962 277 A1, wo ein besonders kompakter Plasma-Schweißkopf mit einer besonderen Düsengeometrie geoffenbart wird, oder die EP 933 982 A1 wo ein Plasma-Schweißkopf mit einer Schnellverschluss-Kupplung gezeigt wird. In der WO 99/04925 wird das Plasma-Schweißen in Zusammenhang mit der Erzeugung von Karosserien durch das Punktschweißen von sich überlappenden Blechen genannt.

Aus der EP 417 595 A1 ist ein Verfahren zur stirnseitigen Verschweißung von Dünnblechen unter Einsatz eines konventionellen Plasma-Schweißverfahrens unter Angabe einer bestimmten Schutzgas-Mischung geoffenbart.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt ein Plasma-Schweißverfahren, und eine zugehörige Vorrichtung, zur Herstellung von Türen und Klappen anzugeben, das sehr kostengünstig betrieben werden kann, eine hochqualitative, optisch sehr saubere und glatte Schweißverbindung liefert und sowohl auf das Bördeln der Tür- oder Klappenränder als auch auf das Dichtkleben der entstandenen Schweißverbindung verzichten kann, und dass die Einhaltung der bei der Herstellung von Türen und Klappen kritischen Fertigungstoleranzen sicherstellt.

Die Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Innenblech und zumindest ein Außenblech einer Türe oder Klappe verschweißt werden und dass das Plasma-Schweißverfahren so gesteuert wird, dass die durch die entstehenden Wärmespannungen verursachten plastischen Verformungen der zu verschweißenden Bleche, insbesondere Verzug der Bleche, durch das verwendete Plasma-Schweißverfahren auf ein vorbestimmtes Maß beschränkt werden und innerhalb der für Türen und Klappen zulässigen Toleranzgrenzen, insbesondere eine Spaltmaßtoleranz von kleiner als 0.1 mm, bleiben. Dadurch ist es erstmals möglich Türen und Klappen mittels dem stirnseitigen Plasma-Schweißen von Blechen herzustellen, die den hohen Qualitätsansprüchen bei der Produktion von Türen und Klappen entsprechen. Die Spalte im Sichtbereich, also beispielsweise der Abstand zwischen einer Aussenkante einer Türe oder Klappe und einem Rahmenteil, unterliegen dabei besonders engen Toleranzen, die mit diesem Verfahren allesamt eingehalten werden können. Damit kann sowohl das Bördeln der Tür- oder Klappenränder als auch das Dichtkleben im Herstellungsprozeß vermieden werden.

Durch das verwendete Plasma-Schweißverfahren kann ein sehr kleiner Fokusdurchmesser des Plasma-Strahles erreicht werden, wodurch die Energie des Plasma-Strahles sehr scharf gebündelt wird und wodurch die Wärmeeinflußzone sehr schmal gehalten werden kann.

Dadurch kann verhindert werden, dass zuviel Wärme in die zu verschweißenden Bleche übertragen wird, wodurch sich die Bleche verziehen könnten. Außerdem liefern diese Plasma-Schweißverfahren hochqualitative, optisch sehr saubere und glatte Schweißnahtoberflächen wie sie bei der Herstellung von Türen und Klappen benötigt werden.

Diese Plasma-Schweißverfahren ermöglichen weiters einen sehr kostengünstigen Betrieb. Dies ergibt sich unter anderem durch niedrige Energiekosten, niedrige Betriebs-, Wartungs- und Anschaffungskosten. Darüber hinaus ist es möglich mit dem Plasma-Schweißverfahren alle in der Automobilindustrie gängigen Materialien, wie zum Beispiel verzinkte Bleche oder Aluminium, zu verschweißen.

Ein besonders vorteilhaftes Verfahren erhält man, wenn der Plasma-Strahl durch das verwendete Plasma-Schweißverfahren auf einen Fokusdurchmesser von kleiner 1 mm, vorzugsweise zwischen 0.3 mm und 0.7 mm, fokussiert wird. Durch einen sehr kleinen Fokusdurchmesser kann die Energie sehr stark gebündelt werden, wodurch sich der gesamte notwendige Energieeintrag zum Plasma-Schweißen der Bleche verringert und das Verfahren dadurch billiger wird. Außerdem wird weniger Wärme in die Bleche übertragen, wodurch ein Verziehen der Bleche verhindert werden kann. Durch die starke Energiebündelung kann außerdem mit einer höheren Schweißgeschwindigkeit gearbeitet werden, wodurch niedrige Durchlaufzeiten erreicht werden. Untersuchungen an Schweißproben haben überdies gezeigt, dass man, verglichen mit dem Laser-Schweißen, mit dem erfindungsgemäß verwendeten Plasma-Schweißverfahren schmälere Fügezonen erreicht, was direkten Einfluß auf die Festigkeit der Verbindung hat, aber durch die schmälere Schweißnaht auch optische Verbesserungen mit sich bringt.

Die Schweißnaht kann beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gesetzt werden, dass mindestens ein Plasma-Schweißkopf um die in einer Vorrichtung fixierten Innenbleche und Außenbleche einer Türe oder Klappe entlang der Stirnseiten dieser Bleche geführt wird. Als Alternative ist es auch möglich, dass die in einer Vorrichtung fixierten Innenbleche und Außenbleche einer Türe oder Klappe zur Bildung der Schweißnaht entlang der Stirnseite dieser Bleche an mindestens einen fix montierten Plasma-Schweißkopf vorbei geführt werden. Welche Methode letztendlich eingesetzt wird, hängt weitestgehend von der vorhandenen Infrastruktur ab. Von der erreichbaren Qualität der Schweißnaht sind beide Methoden als äquivalent anzusehen.

Ein weiteres besonders günstiges Verfahren ergibt sich, wenn der durch das Innenblech und Außenblech gebildete Hohlraum durch eine mit dem Plasma-Schweißverfahren gesetzte Schweißnaht gegen die Außenwelt abgeschlossen wird und dabei entlang dieser Schweißnaht im wesentlichen gegen das Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtet wird.

Dadurch wird die Dichtheit der Verbindung verbessert, wodurch ein nachträgliches Abdichten, beispielsweise durch Dichtkleben, mit großer Sicherheit nicht erforderlich ist.

Ein möglichst einfaches Verfahren ist dann gegeben, wenn zumindest ein Innenblech und zumindest ein Außenblech mit fluchtenden Stirnseiten nebeneinander angeordnet sind und stirnseitig miteinander verschweißt werden. Durch die fluchtenden Stirnflächen spart man einerseits Material, da keines der Bleche über die anderen hinausragen muss, wie es zum Beispiel bei einer Kehlnaht notwendig wäre, und andererseits ergibt sich dadurch direkt eine optisch einwandfreie Kante der Türe oder Klappe.

Eine weitere Vereinfachung des Verfahrens ergibt sich, wenn mindestens ein Plasma- Schweißkopf im wesentlichen normal auf die durch die Stirnseiten der zu verschweißenden Bleche gebildete Ebene steht. Dadurch trifft der Plasma-Strahl optimal auf die Schweißstelle auf und es ergibt sich ein gleichmäßiger Energieeintrag und damit auch eine gleichmäßige, saubere Schweißnaht.

Eine weitere Verbesserung des Verfahrens ergibt sich, wenn mindestens ein Plasma- Schweißkopf so positioniert ist, dass der Plasma-Strahl auf die Berührungsfläche der zu verschweißenden Bleche gerichtet ist, womit erreicht wird, dass die zu verschweißenden Bleche durch den Plasma-Strahl zentral getroffen werden und gleichmäßig lokal aufgeschmolzen werden, wodurch sich eine ideale Verbindung zwischen den Blechen ergibt.

Die eingangs genannte Aufgabe wurde für die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Anzahl von Plasma-Schweißköpfen durch eine Steuereinrichtung, insbesondere zum Steuern der Schweißparameter und/oder der Schweißgeschwindigkeit, ansteuerbar ist, und dass die durch die entstehenden Wärmespannungen verursachten plastischen Verformungen der zu verschweißenden Bleche, insbesondere Verzug der Bleche, durch die Plasma-Schweißköpfe auf ein vorbestimmtes Maß beschränkbar ist.

Durch die Steuereinrichtung hat man die Möglichkeiten die Schweißparamter im Betrieb zu verändern, um auf kleine Variationen, beispielsweise der Blechgeometrie oder Materialeigenschaften der Bleche, sofort reagieren zu können, um eine gleichbleibend qualitativ hochstehende Schweißnaht zu gewährleisten.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass Plasma-Schweißköpfe mit unterschiedlichen Düsenaustrittsöffnungen, insbesondere kreisrunde, ovale oder Mehrloch- Düsenaustrittsöffnungen, einsetzbar sind, da die Vorrichtung somit unterschiedliche Anforderungen, wie beispielsweise Material der zu verschweißenden Bleche oder Anzahl der zu verschweißenden Bleche, erfüllen kann.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Plasma-Schweißkopf bei dem die Elektrode des Plasma-Schweißkopfes an ihrem freien Ende kegelförmig ausgebildet ist und zumindest die den kegelförmigen Teil der Elektrode umgebende Düsenbohrung des Plasma- Schweißkopfes ebenfalls kegelförmig ausgebildet ist, ergibt sich ein besonders scharf fokussierter Plasma-Strahl, mit allen bereits genannten Vorteilen eines solchen Plasma- Strahles.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung erhält man, wenn in der Düsenbohrung des Plasma-Schweißkopfes in axialer Richtung Kanäle vorgesehen sind, durch die eine durch kaltes Schweißgas durchströmte Kammer mit der Mündungsöffnung des Plasma-Schweißkopfes verbunden ist, und durch die kaltes Schweißgas zur Kühlung des Mündungsbereiches des Plasma-Schweißkopfes und zur Abschirmung der Schweißstelle von der Umgebungsluft austretbar ist. Dadurch erreicht man einerseits durch das austretende Schweißgas eine Schutzgaswirkung um die Schweißstelle und andererseits kann durch die verwendete niedrige Schweißenergie auf eine weitere Kühlung des Plasma- Schweißkopfes ganz oder teilweise verzichtet werden.

Durch die einfach abnehmbaren Köpfe, können die Plasma-Schweißköpfe sehr schnell gewechselt werden, wodurch sich die wartungsbedingten Stehzeiten wesentlich verkürzen und dadurch der Betrieb von Plasma-Schweißanlagen, die solche Schweißköpfe verwenden, günstiger wird. Außerdem kann die Schweißanlage sehr einfach umgerüstet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand vereinfachter, beispielhafter und nicht einschränkender Darstellungen, Fig. 1 und Fig. 2, beschrieben, die folgendes zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Schweißebene

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Schweißens von zwei Blechen.

In Fig. 1 sind zwei Bleche, ein Innenblech 4 und ein Außenblech 2 einer Türe oder Klappe, nebeneinander mit fluchtenden Stirnseiten 3 und 5 angeordnet. Die beiden Bleche 2 und 4 können dabei unterschiedliche Dicken aufweisen. Ein Plasma-Schweißkopf 1 ist so positioniert, dass er normal auf die Stirnseiten 3 und 5 der beiden Bleche 2 und 4 steht und dass der Plasma-Strahl 9 auf die Berührungsfläche 10 der beiden Bleche 2 und 4 gerichtet ist. Der Plasma-Strahl 9 ist dabei so fokussiert, dass er einen sehr kleinen Fokusdurchmesser aufweist. Entweder durch Vorbeiführen des Plasma-Schweißkopfes 1 an den beiden fixierten Blechen oder durch Vorbeiführen der beiden Bleche 2 und 4 am fixierten Plasma-Schweißkopf 1 wird eine Schweißnaht 6 erzeugt, die die beiden Bleche 2 und 4 miteinander verbindet und gleichzeitig den Hohlraum 7 zwischen den beiden Blechen 2 und 4 gegenüber der Außenwelt abdichtet. Die Bleche 2 und 4 werden dabei in einer nicht dargestellten Positioniereinrichtung schweißgerecht gehalten.

In Fig. 2 erkennt man wiederum zwei Bleche 2 und 4, die stirnseitig mit einem Plasma- Schweißkopf 1 verschweißt werden, wobei der Pfeil die Schweißrichtung anzeigt. Mit 6 ist die bereits gesetzte Schweißnaht bezeichnet. Die Schweißbahn, die sich aus der Geometrie der Berührungsflächen 10 zwischen den beiden Blechen 2 und 4 ergibt, muss nicht notwendigerweise gerade sein, sondern kann wie gezeigt einer beliebigen Bahngeometrie folgen.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist in keiner Weise einschränkend. Insbesondere ist es denkbar auch mehr als zwei Bleche miteinander zu verschweißen.

Claims (18)

1. Verfahren zum stirnseitigen Plasma-Schweißen von gleich oder unterschiedlich dicken Blechen, insbesondere verzinkte Bleche oder Aluminiumbleche, im Kraftfahrzeugbau, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Innenblech (4) und zumindest ein Außenblech (2) einer Türe oder Klappe verschweißt werden und dass das Plasma- Schweißverfahren so gesteuert wird, dass die durch die entstehenden Wärmespannungen verursachten plastischen Verformungen der zu verschweißenden Bleche, insbesondere Verzug der Bleche, durch das verwendete Plasma- Schweißverfahren auf ein vorbestimmtes Maß beschränkt werden und innerhalb der für Türen und Klappen zulässigen Toleranzgrenzen, insbesondere eine Spaltmaßtoleranz von kleiner als 0.1 mm, bleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasma-Strahl (9) durch das verwendete Plasma-Schweißverfahren auf einen Fokusdurchmesser von kleiner 1 mm, vorzugsweise zwischen 0.3 mm und 0.7 mm, fokussiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Plasma- Schweißkopf (1) zum Setzen der Schweißnaht (6) um die in einer Vorrichtung fixierten Innenbleche (4) und Außenbleche (2) einer Türe oder Klappe entlang der Stirnseiten (3, 5) dieser Bleche geführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Vorrichtung fixierten Innenbleche (4) und Außenbleche (2) einer Türe oder Klappe zur Bildung der Schweißnaht (6) entlang der Stirnseite dieser Bleche an mindestens einen ortsfesten Plasma-Schweißkopf (1) vorbei bewegt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Innenblech (4) und Außenblech (2) gebildete Hohlraum (7) durch die gesetzte Schweißnaht (6) gegen die Außenwelt abgeschlossen wird und dabei entlang dieser Schweißnaht (6) im wesentlichen gegen das Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Innenblech (4) und zumindest ein Außenblech (2) mit fluchtenden Stirnseiten (3, 5) nebeneinander angeordnet sind und stirnseitig miteinander verschweißt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Plasma- Schweißkopf (1) im wesentlichen normal auf die durch die Stirnseiten (3, 5) der zu verschweißenden Bleche (2, 4) gebildete Ebene steht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Plasma- Schweißkopf (1) so positioniert ist, dass der Plasma-Strahl (9) auf die Berührungsfläche (10) der zu verschweißenden Bleche (2, 4), oder auf einen eventuell vorhandenen Spalt zwischen den zu verschweißenden Blechen (2, 4) gerichtet ist.

9. Vorrichtung zum stirnseitigen Plasma-Schweißen von gleich oder unterschiedlich dicken Blechen, insbesondere verzinkte Bleche oder Aluminiumbleche, im Kraftfahrzeugbau mit zumindest einer Positioniereinrichtung für Türen- oder Klappenteile, in der die zu verschweißenden Bleche (2, 4) einer Tür oder Klappe schweißgerecht angeordnet werden, wobei diese Positioniereinrichtung eine Möglichkeit zum Spannen der Bleche (2, 4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Plasma-Schweißköpfen (1) durch eine Steuereinrichtung, insbesondere zum Steuern der Schweißparameter und/oder der Schweißgeschwindigkeit, ansteuerbar ist, und dass die durch die entstehenden Wärmespannungen verursachten plastischen Verformungen der zu verschweißenden Bleche (2, 4), insbesondere Verzug der Bleche, durch die Plasma- Schweißköpfe (1) auf ein vorbestimmtes Maß beschränkbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem verwendeten Plasma-Schweißkopf Fokusdurchmesser des Plasma-Strahles (9) von kleiner 1 mm, vorzugsweise zwischen 0.3 mm und 0.7 mm, einstellbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Plasma-Schweißköpfen (1) an Roboterarmen derart montiert ist, dass die Schweißnaht durch Vorbeiführen der Plasma-Schweißköpfe (1) entlang der Stirnseiten der Bleche (3, 5) herstellbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Plasma-Schweißköpfen (1) ortsfest montiert ist und zur Herstellung der Schweißnaht die die zu verschweißende Bleche (2, 4) tragende, Positioniereinrichtung mit der zugehörigen Spanneinrichtung an den Plasma-Schweißköpfen (1) entlang der Stirnseiten der Bleche (3, 5) vorbeiführbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschweißenden Bleche (2, 4) in der Positioniereinrichtung so angeordnet und gespannt sind, dass sie entlang fluchtender Stirnseiten (3, 5) verschweißbar sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Plasma- Schweißkopf (1) im wesentlichen normal auf die durch die Stirnseiten (2, 4) der zu verschweißenden Bleche (3, 5) gebildeten Ebene angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Plasma-Schweißköpfe (1) mit unterschiedlichen Düsenaustrittsöffnungen, insbesondere kreisrunde, ovale oder Mehrloch-Düsenaustrittsöffnungen, einsetzbar sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (8) des Plasma-Schweißkopfes (1) an ihrem freien Ende kegelförmig ausgebildet ist und zumindest eine den kegelförmigen Teil der Elektrode (8) umgebende Düsenbohrung des Plasma-Schweißkopfes (1) ebenfalls kegelförmig ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Düsenbohrung des Plasma-Schweißkopfes (1) in axialer Richtung Kanäle vorgesehen sind, durch die eine durch kaltes Plasma-Gas durchströmte Kammer mit der Mündungsöffnung des Plasma-Schweißkopfes verbunden ist, und durch die kaltes Plasma-Gas zur Kühlung des Mündungsbereiches des Plasma-Schweißkopfes und zur Abschirmung der Schweißstelle von der Umgebungsluft ausbringbar ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Plasma-Schweißköpfen (1) als, mittels Schnellverschluss-Kupplung, abnehmbare Köpfe ausgeführt ist.