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Dokumentenidentifikation DE102004025935B4 19.03.2009
Titel Verfahren zur Prüfung des Abstandes beschichteter Bleche für deren Schweissbearbeitung
Anmelder Daimler AG, 70327 Stuttgart, DE
Erfinder Goth, Klaus, Dipl.-Ing., 71067 Sindelfingen, DE;
Pälmer, Mike, Dipl.-Ing.(FH), 71263 Weil der Stadt, DE;
Zauner, Daniel, Dipl.-Ing.(FH), 89177 Ballendorf, DE
DE-Anmeldedatum 27.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004025935
Offenlegungstag 22.12.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.03.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.03.2009
Free division/divided out on the grounds of lack of unity 102004064141.2
IPC-Hauptklasse B23K 37/04  (2006.01)  A,  F,  I,  20070306,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse B23K 26/32  (2006.01)  A,  L,  I,  20070306,  B,  H,  DE
B23K 26/02  (2006.01)  A,  L,  I,  20070306,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung des Abstandes beschichteter Bleche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei vielen beschichteten Blechen, insbesondere bei Zink-beschichteten Blechen wie sie in der Automobilindustrie Verwendung finden, weist das Beschichtungsmaterial einen deutlich niedrigeren Siedepunkt auf als der Schmelzpunkt des Blechmaterials. Dadurch kommt es beim Laserschweissen derartiger Bleche im Überlapp-Stoß zu explosionsartigen Verdampfungen von Beschichtungsmaterial, welche die Qualität der Verbindung stark beeinträchtigen.

Zur Verbesserung der Verbindungsqualität wurde bereits vorgeschlagen, mittels Abstandhaltern enge Spalten zwischen den Blechen zu erzeugen, in die das verdampfte Beschichtungsmaterial entweichen kann. Geeignete kraterförmige Abstandhalter können gemäß der JP 11-047967 durch Laserbeschuß der Oberfläche erzeugt werden. Noppenförmige Abstandshalter sind in der DE 10241593 A1 offenbart. Weitere Abstandhalter sind aus der DE 10053789 A1 bekannt.

Derartige Abstandshalter gewährleisten in ihrer Umgebung einen Mindestabstand der Bleche. Der Abstand darf aber auch nicht zu groß werden, da sonst keine Schweissverbindung mehr möglich ist. Um dies zu gewährleisten werden die Bleche gegeneinander verspannt. Dies ist mit gleichmäßiger Qualität über die gesamte Fläche nur mit hohem Aufwand oder gar nicht möglich. Insbesondere bei gekrümmten Blechen und/oder ungenügender Spannkraft kann ein optimaler Abstand nicht sicher gewährleistet werden.

Aus der DE 69325958 T2 sind ein Ultraschall-Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Kontaktes zwischen zwei unbeschichteten Blechen bekannt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur einfachen und sicheren Prüfung des Blechabstandes mit einem Qualitätsmaß anzugeben.

Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst,

dass auf mindestens einer Seite mindestens eines ersten Bleches mindestens eine aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung erzeugt wird,

wobei das mindestens eine erste Blech derart zu mindestens einem zweiten Blech positioniert und eingespannt wird, dass mindestens eine aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung einen minimalen Abstand zwischen den mindestens zwei Blechen definiert, in den beim Schweissen auftretende Verdampfungsprodukte entweichen können,

wobei im Bereich einer Topographieänderung geprüft wird, ob die mindestens zwei Bleche über mindestens eine aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung mindestens eines Bleches miteinander in Kontakt stehen und damit ein zulässiger Maximalabstand der Bleche um die Topographieänderung gewährleistet wird,

wobei über die gesamte mit Topographieänderungen versehene Fläche die Anzahl der Kontaktpunkte in Relation zu der Anzahl der Topographieänderungen als relatives Qualitätsmaß des Blechabstandes ermittelt wird.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass eine erfindungsgemäße Kontaktprüfung wesentlich einfacher durchzuführen ist als eine genaue Vermessung der Spaltweite zwischen Blechen oder eine genaue Vermessung beider Bleche und daraus Berechnung von deren Abstand. Die aufwendige Messaufgabe wird auf eine einfache Prüfaufgabe reduziert und liefert schnell das erwünschte Qualitätsmaß.

Dies ermöglicht eine einfache Handhabung im gespannten Zustand der Bleche. Daraus resultiert eine verbesserte Bauteilqualität und eine geringere Ausschussrate.

Die Topographieänderung kann dabei auf beliebige Art erfolgen, solange nur eine ausreichende Reproduzierbarkeit, insbesondere Höhengenauigkeit gewährleistet ist. Beispielsweise kann sie mittels Laserbestrahlung erfolgen wie in der DE 10241593 A1 offenbart oder auch mechanisch, insbesondere durch Prägen.

Eine ausreichende Reproduzierbarkeit der Höhengenauigkeit der Topographieänderungen ermöglicht die sichere Einstellung eines geeigneten Abstandes der beschichteten Bleche. Ist der Kontakt der Bleche über die Topographieänderungen nachgewiesen, so ist dies gleichzeitig der Nachweis des geeigneten Abstandes der Bleche, d. h. eines ausreichenden Minimalabstandes zur Aufnahme der verdampfenden Beschichtung und eines zulässigen Maximalabstandes zur Gewährleistung einer guten Schweissverbindung.

Die Prüfung erfolgt im Bereich einer Topographieänderung. Dadurch kann die benötigte Prüfeinrichtung klein und beweglich ausgestaltet werden und auch ansonsten evtl. schwer zugängliche Prüfbereiche erreichen. Mit Bereich ist die nähere Umgebung der Topographieänderung gemeint, vorzugsweise im Umkreis von weniger als 10 cm Abstand von der Topographieänderung.

Bei einer Prüfung wird über die gesamte mit Topographieänderungen versehene Fläche die Anzahl der Kontaktpunkte in Relation zu der Anzahl der Topographieänderungen als relatives Qualitätsmaß des Blechabstandes ermittelt. Ebenso kann der Ort der Kontaktpunkte als absolutes Qualitätsmaß ermittelt werden.

Die ermittelten Fehlstellen mangelnden Kontaktes können zur Modifikation des Spannwerkzeuges und/oder der Topographieänderungen genutzt werden. Denkbar ist insbesondere auch eine sofortige Änderung des Spannzustandes an der bisherigen Fehlstelle mittels eines mobilen Spannwerkzeuges.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Prüfung durch Messung von Ultraschall, Kapazität, elektrischen Widerstand oder Wirbelstrom. Dazu kann sowohl ein durch die Bleche transmittiertes oder von ihnen reflektiertes Signal verwendet werden.

Derartige Messungen liefern deutliche Signalunterschiede bei vorhandenem oder fehlendem Kontakt und gewährleisten daher eine hohe Prüfqualität.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Prüfung lediglich von einer Seite der zueinander positionierten Bleche. Dies ist sowohl mit transmittierten als auch reflektierten Signalen möglich.

Insbesondere bei schwer zugänglichen Bauteilen ist diese einseitige Prüfung vorteilhaft.

Bei Bauteilen die auf beiden Seiten Bereiche mit schlechter Zugänglichkeit aufweisen oder die eine höhere Prüfgenauigkeit erfordern, kann auch eine beidseitige Prüfung vorteilhaft angewendet werden, die erforderlichenfalls auf jeder Seite nur zugängliche Teilbereiche abdeckt.

Eine geeignete Vorrichtung zur Schweissbearbeitung beschichteter Bleche umfasst eine Schweisseinrichtung, eine Positioniereinrichtung, eine Spannvorrichtung und eine Einrichtung zur Prüfung des lokalen Kontakts der Bleche.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht – wie bereits vorstehend näher erläutert – darin, dass eine aufwendige Messaufgabe durch eine einfache Prüfaufgabe ersetzt wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der geeigneten Vorrichtung ist die Einrichtung zur Prüfung des lokalen Kontakts als eine Einrichtung zur Messung von Ultraschall, Kapazität, elektrischen Widerstand oder Wirbelstrom ausgestaltet.

Derartige Prüf-Einrichtungen liefern deutliche Signalunterschiede bei vorhandenem oder fehlendem Kontakt und gewährleisten daher eine hohe Prüfqualität.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der geeigneten Vorrichtung weist diese eine Einrichtung zur Führung der Einrichtung zur Prüfung des lokalen Kontakts über die Bleche auf, vorzugsweise einen Roboter.

Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Prüfeinrichtung je Prüfvorgang jeweils nur einen Teil der Bleche prüft und für den nächsten Prüfschritt weiter geführt werden muß. Insbesondere bei komplexer gestalteten Blechen mit ggf. eingeschränkter Zugänglichkeit empfielt sich hierzu ein Roboter, der die Bleche auf vorgebbaren Bahnen abfährt oder sich selbst geeignete Bahnen berechnet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der geeigneten Vorrichtung weist die Schweisseinrichtung eine Scanner-Einrichtung zur Ablenkung eines Schweisslaserstrahls auf die Oberfläche der Bleche auf. Eine Scanner-Einrichtung ist eine besonders schnelle und flexible Strahlablenk-Einrichtung, beispielsweise ein Spiegelsystem (aus mindestens einem ein- oder mehr-achsig ansteuerbaren schwenkbaren Spiegel) oder auch akusto-optische Modulatoren.

Besonders vorteilhaft erzeugt der Laserstrahl die mindestens eine Topographieänderung auf der ihm abgewandten Seite des mindestens einen Bleches, indem er dieses Blech im Bereich seiner Bearbeitungsfläche durchgehend aufschmilzt. Dies kann (aber muss nicht) bereits im zueinander positierten Zustand der beiden Bleche erfolgen. Hierzu ist eine geeignete Bearbeitungszeit bis zum Durchtritt des Laserstrahls vorzugeben oder auch ein Durchtrittssensor vorzusehen, der die Bearbeitungszeit regelt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine weitere Verfahrensbeschleunigung beim Zusammenschweissen mehrerer Bleche. Bei dem Verfahren gemäß der JP 11-047967 A wird zunächst ein einzelnes Blech ausgerichtet und dann werden Topographieänderungen auf dieses Blech aufgebracht, danach wird ein weiteres Blech zugeführt und relativ zu dem ersten ausgerichtet und dann werden beide gespannt und verschweißt. Vorteilhafter ist es aber, beide Bleche gemeinsam ohne Anpressdruck auszurichten. Mangels Anpressdruck verbleibt ein für die meisten Anwendungen ausreichender Minimalspalt zwischen den Blechen, er kann jedoch auch mittels einer geeigneten Ausrichtvorrichtung gewährleistet werden. Danach werden durch eines oder auch durch beide der Bleche Topographieänderungen gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eingebracht. Danach werden die Bleche gespannt und miteinander verschweisst. In Anbetracht der hohen Geschwindigkeit verfügbarer Scanner-Einrichtungen und der Erzeugung der Topographieänderungen bedeutet die Einsparung eines Ausrichtvorgangs und die direkt abschließende integrierte Prüfung des Blechabstandes eine ganz wesentliche Zeitersparnis.

Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung näher erläutert:

Die beispielhafte Ausführungsform der Vorrichtung weist eine Schweisseinrichtung, eine Positioniereinrichtung, eine Spannvorrichtung und eine Einrichtung zur Prüfung des lokalen Kontakts der Bleche auf.

Die Schweisseinrichtung ist als Laserscanner-Einrichtung ausgestaltet. Die Einrichtung zur Prüfung des lokalen Kontakts der Bleche ist ausgestaltet als Ultraschall-Impulsgeber und Ultraschall-Empfänger, sie ist auf einem Roboter montiert, der sie an geeignete Prüfpositionen führen kann.

Zunächst werden zwei elektrolytisch verzinkte Stahl-Bleche mit einer Dicke von 1,2 mm mittels der Positioniereinrichtung zueinander beabstandet ausgerichtet. Dabei weisen sie einen Abstand zueinander auf, der so groß ist, dass er keine Schweissverbindung der beiden Bleche zulässt.

Dann werden mittels der Laserscanner-Einrichtung auf der dem Laser abgewandten Seite des dem Laser zugewandten Bleches "durchschießend" an vorbestimmten Positionen Topographieänderungen eingebracht. Der Laserstrahl weist eine Leistung von 3,5 kW und eine Verfahrgeschwindigkeit von 7 m/min auf. Der Laserstrahl wird von der Scanner-Einrichtung derart geführt, dass er um und durch das Zentrum seiner Bearbeitungsfläche eine enger werdende Spirale mit einem Anfangsdurchmesser von 1,2 mm beschreibt, wobei er das Zentrum nach 5 Umdrehungen erreicht. Dazu benötigt er eine Bearbeitungszeit von 100 ms. Durch die spiralförmige Bewegung von außen nach innen erfolgt eine gleichmäßigere Ausbildung der Topographieänderung auf der Laser-abgewandten Seite des Bleches in Form eines gleichmäßig konturierten Berges. Nach Erzeugung der benötigten Anzahl von Topographieänderungen werden beide Bleche gespannt. Dabei wird durch die aus der Oberfläche herausragenden Topographieänderungen ein minimaler Abstand zwischen den zwei Blechen definiert, in den die beim Schweissen auftretenden Verdampfungsprodukte entweichen können.

Nun wird die Prüfeinrichtung mittels des Roboters über das dem Laserstrahl zugewandte Blech geführt. Dabei werden von dem Ultraschall-Impulsgeber Impuls ausgesendet, von den Blechen reflektiert und von dem Ultraschall-Empfänger empfangen und danach werden anhand der empfangenen Signale Bereiche mit und ohne Kontakt der Bleche bestimmt und mit Soll-Kontakt-Bereichen verglichen. Verläuft der Soll-Ist-Vergleich positiv so werden die Bleche in der Umgebung der Topographieänderungen miteinander verschweisst.

Verläuft der Soll-Ist-Vergleich negativ, so werden die Bleche nachgespannt, erneut der Kontakt geprüft und nach positivem Soll-Ist-Vergleich miteinander verschweisst.

Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich in den Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für die Überprüfung des Abstandes beschichteter Bleche, insbesondere beim Laserschweißen in der Automobilindustrie.

Dadurch können erhebliche Vorteile bezüglich der Bearbeitungsqualität erzielt werden.

Die Erfindung ist nicht nur auf das zuvor geschilderte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.

So ist zum Beispiel denkbar, anstatt die Prüfeinrichtung mittels eines Roboters über die Bleche zu führen, diese stationär über den Blechen zu belassen und das Prüfsignal analog zum Laserstrahl mittels einer Scanner-Einrichtung über die Bleche zu führen. Dabei kann der Abstand der Scanner-Einrichtung vom Blech, der Grad der Fokussierung des Prüfsignals oder dessen Bewegungsmuster variiert werden und dadurch an das Material von Blech und/oder Beschichtung angepasst werden. Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, die Signalleistung während der Prüfung in geeigneter Weise zu variieren.


Anspruch[de]
Verfahren zur Prüfung des Blechabstandes

zwischen zwei zu verschweißenden beschichteten Blechen, bei dem auf mindestens einer Seite mindestens eines ersten Bleches mindestens eine aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung erzeugt wird,

bei dem das mindestens eine erste Blech derart zu mindestens einem zweiten Blech positioniert und eingespannt wird, dass mindestens eine aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung einen minimalen Abstand zwischen den mindestens zwei Blechen definiert, in den beim Schweissen auftretende Verdampfungsprodukte entweichen können,

wobei im Bereich einer Topographieänderung geprüft wird, ob die mindestens zwei Bleche über mindestens eine aus der Oberfläche herausragende Topographieänderung mindestens eines Bleches miteinander in Kontakt stehen und damit ein zulässiger Maximalabstand der Bleche um die Topographieänderung gewährleistet wird,

wobei über die gesamte mit Topographieänderungen versehene Fläche die Anzahl der Kontaktpunkte in Relation zu der Anzahl der Topographieänderungen als relatives Qualitätsmaß des Blechabstandes ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfung im Umkreis von weniger als 10 cm Abstand von der Topographieänderung erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einer ermittelten Fehlstelle mangelnden Kontaktes eine Änderung des Spannzustandes der Bleche erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfung durch Messung von Ultraschall, Kapazität, elektrischem Widerstand oder Wirbelstrom erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfung von einer Seite der zueinander positionierten Bleche erfolgt.






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