DE10135611A1

DE10135611A1 - Schmelzschweißverfahren für oberflächenveredelte Bleche

Info

Publication number: DE10135611A1
Application number: DE10135611A
Authority: DE
Inventors: Klaus Rieck; Lutz Siedentopf; Dieter Paethe; Sven Juettner; Klaus-Peter Herold; Thorsten Heckler
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-07-21
Filing date: 2001-07-21
Publication date: 2003-02-06

Abstract

Beim Schweißen bzw. Löten von oberflächenveredelten Blechen treten durch das verdampfende Beschichtungsmaterial unter anderem qualitative Probleme im Schweißnahtbereich auf. Es wird ein Schmelzschweißverfahren vorgeschlagen, bei dem die z. B. aus Zink, Zinklegierungen oder Kunststoffen bestehende Beschichtung im Bereich der späteren Schweißnaht z. B. mittels eines miniaturisierten Sandstrahlgebläses entfernt oder teilentfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schmelzschweißverfahren für oberflächenveredelte Bleche, insbesondere für Stahlbleche mit einer metallenen und/oder organischen Korrosionsschutzschicht.
Oberflächenveredelte Bleche werden z. B. in der Automobilindustrie in vermehrten Umfang eingesetzt, da die ein- oder beidseitig mit Metall und/oder organischen Beschichtungsstoffen versehenen Bleche eine wesentlich verbesserte Korrosionsbeständigkeit aufweisen und häufig werksseitige Korrosionsschutzmaßnahmen wie Chromatieren, Phosphatieren, Hohlraumversiegeln und dergleichen überflüssig machen oder reduzieren können.
Derartige Bleche sind z. B. ein- oder beidseitig verzinkte oder legierverzinkte Bleche, bei denen die Schutzschicht in einem Schmelztauchverfahren oder einem elektrolytischen Abscheideverfahren aufgetragen wird. Die Dicke der Schutzschichten bei schmelztauchveredelten Stahlblechen liegt dabei etwa zwischen 20 und 50 µm während elektrolytisch aufgebrachte Schichten eine Dicke zwischen etwa 2,5 und 15 µm haben. Als metallische Schutzschichten werden insbesondere Zink, Zink-Aluminium oder Zink-Nickellegierungen eingesetzt.
Die Korrosionsschutzwirkung derartiger Oberflächenbeschichtungen beruht im wesentlichen auf den elektrochemischen Potentialunterschieden zwischen dem Grundwerkstoff Stahl und den Beschichtungsmetallen. Da die verwendeten Beschichtungsmetalle chemisch unedler als Stahl sind, werden sie in Gegenwart von korrosiven Medien zuerst angegriffen und wirken als sogenannte Opferanode, so dass selbst an Schnittkanten der dort ungeschützte Stahlkern weitestgehend gegen Korrosion geschützt ist.
Neben einer metallenen Beschichtung werden auch organisch beschichtete Bleche eingesetzt, die z. B. eine Zinkstaublackierung, Kunststoffüberzüge oder Folienbeschichtungen tragen. Durch diese Korrosionsschutzschichten wird ebenfalls eine erhebliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit erreicht, wobei auch häufig eine Kombination von metallenen Schutzschichten und organischen Schutzschichten angewendet wird, um auch bei den organischen Beschichtungen einen anodischen Schutz des Stahls durch die Opferwirkung der Zink- oder Zinklegierungen zu erreichen.
Der Einsatz der oben beschriebenen korrosionsgeschützten Stahlbleche ist jedoch dann problematisch, wenn die Blechbauteile mit Hilfe von Schweiß- oder Lötverfahren miteinander verbunden werden müssen. Es kommt nämlich beispielsweise beim elektrischen Lichtbogenschweißen aufgrund der vergleichsweise hohen Temperatur des Lichtbogens zu einem Verdampfen des Zinks oder der Zinklegierungen oder einem Verbrennen der organischen Schutzschichten, wodurch Turbulenzen im Lichtbogen auftreten, die den Werkstoffübergang des Elektrodenmaterials ins Schmelzbad stören. Dadurch verschlechtert sich die Schweißnahtgeometrie und die Festigkeitseigenschaften der Schweißverbindung. Daneben entstehen im Bereich der Schweißnaht Poren, die z. B. bei einer Nacharbeit der Schweißstellen sichtbar werden und zu nicht akzeptablen Fehlern beim abschließenden Lackiervorgang führen.
Ein weiteres Problem bei derartigen oberflächenveredelten Blechen besteht in der toxischen Wirkung der auftretenden Schweißdämpfe. Trotz des Einsatzes von Schweißrobotern ist daher, insbesondere bei Zink-Nickelschutzschichten eine Absaugung der Schweißdämpfe erforderlich, um Gefährdungen der Umwelt und des Personals auszuschließen.
Ein spezielles Problem tritt beim Laserstrahlschweißen beschichteter, insbesondere verzinkter Karosseriebleche auf.
Werden nämlich die bei derartigen Karosserieblechen durch die Erwärmung freigesetzten Schweißemissionen nicht über geeignete konstruktive Maßnahmen entgast, ergeben sich Nahtunregelmäßigkeiten mit Poren, Löchern, Schweißspritzern.
Derartige mängelbehaftete Nähte genügen den in der Fahrzeugindustrie üblichen Qualitätsansprüchen nicht mehr.
Es muss deshalb darauf geachtet werden, dass die zusammen zu fügenden Bauteile unter allen Umständen auch prozesssicher verbunden werden, wobei zusätzlich der erhebliche Reinigungsaufwand der Betriebsmittel ebenso zu Buche schlägt wie der hohe Verbrauch an Optikschutzgläsern. Da bei derartigen Fügeverfahren durch das Verbrennen der Blechbeschichtungen, insbesondere der Zinkschichten, eine starke Spritzerbildung hervorgerufen wird, müssen infolge der auftretenden Schweißemissionen auch die Umgebungsbereiche der Schweißzonen sauber gehalten werden.
Um das Verdampfen des Beschichtungsmaterials beim Schweißvorgang zu reduzieren, werden beim Stand der Technik häufig teure Spezialelektroden eingesetzt, die in der Regel mit reduziertem Schweißstrom arbeiten. Dadurch kann jedoch unter Umständen die mechanische Belastbarkeit der Schweißverbindung beeinträchtigt und die Durchsatzleistung der entsprechenden Produktionsanlage gemindert werden.
Verfahren, die konstruktive Maßnahmen für ein ungehindertes Entweichen der entstehenden Prozessdämpfe und der ungewünschten Spritzerbildung ermöglichen, sind zum Beispiel bekannt aus der EP 01 57 913 B1, der DE 39 33 408 A1, der EP 10 05 944 A2, der US-PS 4,916,284, der EP 07 71 605 A2 und der DE 196 05 341 A1.
Diese bekannten Verfahren weisen allerdings zumindest den Nachteil auf, dass formgebende Maßnahmen an den Bauteilen vor dem Verschweißen durchzuführen sind, die zum Teil zu erheblichem Mehraufwand führen oder aber bei den heute im Automobilbau verwendeten Karosserieblechen werkstoffbedingt nicht realisierbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schmelzschweißverfahren für oberflächenveredelte Bleche zu schaffen, bei dem die oben geschilderten Nachteile vermieden werden und bei vereinfachter Prozessführung eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung erzeugt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Korrosionsschutzschicht im Bereich der Schweißnaht oder Schweißpunkte durch eine Beaufschlagung mit thermisch, chemisch und/oder abrasiv wirkenden Strahlmitteln entfernt oder teilentfernt wird.
Die Erfindung schafft damit einen Lösungsansatz, der auf einer Modifikation zumindest derjenigen Bauteiloberflächen beruht, die sich im Nahtbereich unmittelbar berühren.
Wesentlich an der Erfindung ist zumindest die partielle Entfernung bzw. erhebliche Reduzierung der Zinkbeschichtung im Nahtbereich.
Dabei kann diese Maßnahme auch unmittelbar vor dem Schweißvorgang erfolgen.
Die Entfernung der Beschichtung im Bereich der Schweißnaht kann beispielsweise vor dem eigentlichen Schweißen an einer separaten Bearbeitungsstation erfolgen, es ist jedoch auch möglich, die störenden Oberflächenschichten unmittelbar vor dem Schweißen z. B. mittels einer Strahlmitteldüse zu entfernen, die der Schweißelektrode vorgeschaltet ist und vom Arm des Schweißroboters getragen wird.
Insbesondere eignet sich zum Entfernen der Oberflächenbeläge im Schweißnahtbereich ein miniaturisiertes Sandstrahlgebläse, wie es beispielsweise in der Zahnmedizin zur Entfernung von Zahnbelägen verwendet wird.
Sofern man die durch ein derartiges Sandstrahlgebläse hervorgerufenen Verunreinigungen der Umgebung mit Strahlmittel vermeiden will, empfiehlt es sich, ein Unterdruckstrahlgerät zu verwenden.
Hierbei handelt es sich um Sandstrahlgebläse mit einer zentralen Sandstrahldüse, die von einer Saugdüse umgeben ist. Die Saugdüse schließt zum Beispiel über eine Gummidichtung praktisch druckdicht gegenüber der zu behandelnden Blechoberfläche ab, so dass unterhalb der Saugdüse ein Vakuum entsteht, welches für die Förderung des Strahlmittels aus der Sandstrahldüse auf die Blechoberfläche sorgt. Dort erfolgt das Abtragen der Schutzschicht wobei das Strahlgut anschließend aus dem Hohlraum unterhalb der Saugdüse, die wie eine Glocke auf dem Blech sitzt, über die Saugverbindung entfernt wird und der ementen Verwendung zugeführt werden kann.
Das durch die Sandstrahldüse ausgebrachte Strahlmittel wird infolge des im Ringraum zwischen der Sandstrahldüse und der Saugdüse herrschenden Unterdrucks einerseits gefördert und andererseits unmittelbar nach Auftreffen auf das jeweilige Karosserieblech wieder abgesaugt, so dass eine Verunreinigung der Arbeitsumgebung zuverlässig vermieden wird.
Zweckmäßigerweise werden zur Vermeidung unnötigen Energieaufwandes die Blechbeschichtungen in der Taktzeit des Schweißvorgangs entfernt, während in den Ruhezeiten zwischen den Taktzeiten das Unterdruckstrahlgerät außer Betrieb ist.
Somit wird das Unterdruckstrahlgerät lokal auch nur dort eingesetzt, wo später eine Schweißverbindung entstehen soll.
Im Zwischenraum zwischen den einzelnen Schweißverbindungen bzw. Schweißpunkten soll die vor Oxidation des Karosserieblechs schützende Beschichtung durchaus erhalten bleiben.
Es soll jedoch ausdrücklich auch gesagt werden, dass das abrasive Entfernen der Beschichtungen mit dem Unterdruckstrahlgerät auch durchgehend über die gesamte Nahtlänge erfolgen kann.
Dies ist zum Beispiel bei einer I-Naht der Fall, welche zur Kantenverbindung von zwei an ihren Randkanten zusammenstoßenden Karosserieblechen Anwendung findet.
Speziell im Karosseriebau fassen sich auf diese Weise die beiden im Stoß aufeinanderliegenden Oberflächen der Karosseriebleche durch vorherige Bearbeitung mit dem Unterdruckstrahlgerät mit einer technischen Spaltweite von NULL prozesssicher durch eine I-Naht am Stoß verschweißen.
Dieses Verfahren eignet sich insbesondere auch für Verschweißungen mit Hilfe von Laserstrahlen.
Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, dass auch das Verschweißen eines einseitig mit einer Antioxidationsschicht versehenen Blechs mit einem rohen und unbehandelten Blech möglich ist.
Dabei liegt das einseitig mit Oxidationsschutzschicht versehene Blech mit seiner Oxidationsschutzschicht auf dem unbehandelten Blech, wobei zumindest lokal die Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung abrasiv entfernt worden ist.
Wesentlich ist hierbei, dass der fokussierte Laserstrahl so unterhalb der ihm zugewandten Blechoberfläche positioniert ist, dass die zu verschweißende Blechgesamtdicke und die damit zwingend notwendige Energiezufuhr sichergestellt ist.
Die Fokussierung des Laserstrahls hat also unter Berücksichtigung der optischen Kenngrößen der eingesetzten Schweißoptik (F-Zahl und Fokusdurchmesser) so zu erfolgen, dass die Fokusposition des Laserstrahls unterhalb der Blechoberfläche an der Kontaktzone der Schweißstelle zu liegen kommt.
Durch die vorherige lokale Entfernung, zum Beispiel der Zinkschicht, wird auch bei diesen Blechpaarungen die Spritzerhäufigkeit des Schweißprozesses drastisch reduziert und die Nahtqualität und Prozesssicherheit deutlich erhöht.
Auch die Bördelnaht lässt sich durch die Maßnahmen dieser Erfindung deutlich verbessern.
Bei der Bördelnaht werden zwei an ihren Randkanten umgebördelten Bleche so gegeneinander gelegt, dass sich die umgebördelten Zonen berühren.
Durch den Wegfall der beim Schweißvorgang in Folge der Beschichtung entstehenden Schweißemissionen entsteht eine deutlich glattere und deutlich weniger geschuppte Nahtoberfläche und somit ebenfalls eine höhere Nahtqualität.
Darüber hinaus bietet die Erfindung den Vorteil, dass die optische Dichte der durch den Schweißprozeß induzierten Metalldampfwolke zumindest in Folge der deutlich reduzierten Zinkanteile geringer wird. Damit verringert sich auch der durch die Lichtstreuung hervorgerufene Verlustanteil der eingestrahlten Laserenergie. Infolge dessen lässt sich der Schweißvorgang mit einer geringeren Laserenergie durchführen bzw. die beim Laserschweißprozess vorliegende Streckenenergie wird erhöht.
Damit lassen sich dank der vorliegenden Erfindung bei ansonsten unveränderten Parametern hinsichtlich der Nahtgeometrie und des Durchschweißgrades höhere Schweißgeschwindigkeiten erzielen.
Als Strahlmittel kommen beispielsweise mineralische Strahlmittel wie Korund mit einer Korngröße von etwa 10 bis 500 µm in Frage. Insbesondere Kornfraktionen zwischen 25 und 250 µm haben sich als vorteilhaft erwiesen.
Als Strahlmittel sind auch Glas, Salze, Natron, gemahlene Nussschalen, Eis oder Trockeneis denkbar, wobei letztere Mittel den Vorteil haben, dass keine Rückstände von Strahlmitteln entfernt werden müssen.
Eine nachteilige Wirkung auf die Korrosionseigenschaften der nach dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren verbundenen Bleche ist nicht zu befürchten, da ja beim Stand der Technik die Zinkschicht ohnehin im Bereich der Schweißnaht verdampft und beim erfindungsgemäßen Entfernen der Zinkschicht deren anodische Opferwirkung erhalten bleibt.
Die zum Einsatz kommenden Strahlvorrichtungen, die z. B. auch zur Oberflächenbehandlung von Schmuckstücken eingesetzt werden, bestehen beispielsweise aus einem Strahlmittelbehälter, einem Druckluftanschluss, einem Förderschlauch und einer Düse. Das Strahlmittel wird mittels Druckluft durch den Schlauch gefördert und tritt an der Düse mit hoher Geschwindigkeit aus, so dass das auftreffende Korn abrasiv auf die Blechoberfläche wirkt.
Alternativ kann auch eine Unterdruckstrahlvorrichtung zum Einsatz kommen.
Derartige Unterdruckstrahlvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Strahlmittelbehälter, einem Unterdruckanschluss, einem Förderschlauch und einer Strahlmitteldüse, die - vorzugsweise zentrisch - innerhalb einer sie umgebenden Unterdruckdüse sitzt, welche mit dem Unterdruckanschluss verbunden ist. Die Unterdruckdüse sitzt nach Art einer Glocke auf der zu bearbeitenden Stelle des Blechs. Diese Glocke kann gegenüber der Umgebung abgedichtet sein. Geringe Undichtigkeiten sind jedoch unschädlich.
Das Strahlmittel wird mittels des Unterdrucks durch den Förderschlauch gefördert und tritt an der Strahlmitteldüse mit hoher Geschwindigkeit aus, so dass das auftreffende Korn abrasiv auf die Blechoberfläche wirkt. Danach werden jedoch die auf der Blechoberfläche abprallenden Kornbestandteile von dem umgebenden Unterdruck wieder abgesaugt und können anschließend aufbereitet und gegebenenfalls wiederverwendet werden. Dabei soll der Unterdruck so groß sein, dass praktisch jegliche Verschmutzung der Umgebung mit dem Strahlmittel unterbleibt.
Neben dem punktuellen Entschichten im Schweißnahtbereich mit Hilfe von festen Kornfraktionen ist es erfindungsgemäß auch möglich, den Schweißnahtbereich vor dem eigentlichen Verschweißen thermisch zu beaufschlagen. Dies kann mit Hilfe eines kleinflächig wirkenden Brenners, Lasers oder einer Heißgasdüse erfolgen, wobei die einzustellende Temperatur von der Art der Schweißverbindung, der Dicke der Korrosionsschutzschicht und deren Zusammensetzung abhängt. Hierbei ist es im übrigen nicht erforderlich, die Zinkschichten ganz oder teilweise zu entfernen, da durch eine kurzzeitige Erwärmung auf eine vergleichsweise niedrige Temperatur von z. B. 400°C sehr rasch ein Eisen-Zink-Mischkristall entsteht, der sehr gut durch den Lichtbogen beim Schweißen verflüssigt werden kann, ohne dass es zu den geschilderten Problemen kommt.
Auch ein Behandeln der vorgesehenen Schweißstelle mit chemisch auf die Zinkschicht wirkenden Mitteln ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.
Da die Strahlgeräte vorzugsweise an einem Roboterarm angebracht sind, können sie auch bei dreidimensional gekrümmten Flächen eingesetzt werden. Insbesondere ist auch ihr Einsatz bei punktgeschweißten Dreiblechverbindungen möglich.

Claims

1. Schmelzschweißverfahren für oberflächenveredelte Bleche, insbesondere für Stahlbleche mit einer metallenen und/oder organischen Korrosionsschutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht im Bereich der Schweißnaht oder Schweißpunkte durch eine Beaufschlagung mit thermisch, chemisch und/oder abrasiv wirkenden Strahlmitteln entfernt oder teilentfernt wird.

2. Schmelzschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlmittel mittels einer mit der Schweißeinrichtung verbundenen Düse im Schweißnaht- bzw. Schweißpunktbereich auf die Bleche aufgeblasen werden.

3. Schmelzschweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel mittels einer Saugstrahlpumpe auf den Schweißnahtbereich aufgeblasen wird.

4. Schmelzschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel mit einem Unterdruckstrahlgerät aufgebracht wird, welches eine das Strahlmittel austragende Strahldüse aufweist, die von einer Saugdüse umgeben ist, wobei im Zwischenraum zwischen Strahldüse und Saugdüse ein derart großer Unterdruck ansteht, dass einerseits das Strahlmittel aus der Strahldüse gesaugt und andererseits das von der Blechoberfläche abprallende Strahlmittel praktisch vollständig abgesaugt wird.

5. Schmelzschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißeinrichtung und die Düse mittels eines Schweißroboters über die Schweißnaht geführt werden.

6. Schmelzschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel ein anorganisches oder organisches Granulat mit einer Korngröße zwischen 10 und 500 µm, insbesondere zwischen 25 und 250 µm verwendet wird.

7. Schmelzschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Förderung des Strahlmittels ein inertes bzw. Schutzgas verwendet wird.

8. Schmelzschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlmittel Korund, Quarz, Salz oder Natron verwendet wird.

9. Schmelzschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlmittel Eis oder Trockeneis verwendet wird.

10. Schmelzschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlmittel gemahlene Nussschalen verwendet werden.

11. Schmelzschweißverfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlmittelbehandlung mittels eines separaten Roboters durchgeführt wird.