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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Schweißbarkeitvon verzinkten Stahlblechen durch Vorbehandlung der Oberfläche im für die Schweißverbindungvorgesehenen Fügebereich,bei dem ein Strahl eines atmosphärischenNiedertemperaturplasmas auf die Oberfläche gerichtet wird.
    公开号:DE102004028197A1
    申请号:DE102004028197
    申请日:2004-06-09
    公开日:2006-01-05
    发明作者:Florian Hanschmann；Klaus LÖFFLER；Norbert Preuss；Uwe Dr. Weinzierl
    申请人:Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH；Volkswagen AG；
    IPC主号:H05H1-24
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung verzinkter Stahlblecheoder Aluminiumbleche zum Schweißen,insbesondere zum Laserschweißen.Unter einem verzinkten Stahlblech sollen auch solche Stahlblecheverstanden werden, bei dem die aufgetragene Schutzschicht lediglichZinkanteile aufweist. Hier kommen insbesondere Zink-Aluminium, Zink-Nickellegierungenoder auch organische Materialien, wie z.B. ein Zinkstaublack oderein mit Zink versetzter Kunststoff in Betracht.
    [0002] Esist bekannt, dass beim Verschweißen von verzinkten Stahlblechen,ohne dass zusätzliche Maßnahmengetroffen werden, qualitative Probleme im Schweißnahtbereich auftreten. Dadas Zink bereits bei wesentlich tieferen Temperaturen als Stahlblechzu schmelzen beginnt und verdampft, entstehen Lunker und Fehlstellenum die Schweißnaht. Diesehaben eine mangelnde Festigkeit und Dichtheit der Schweißnaht, derenKorrosionsanfälligkeit undeine verschlechterte Schweißnahtgeometriezur Folge.
    [0003] Ausdem Stand der Technik sind eine Vielzahl verschiedener Maßnahmenbekannt, mit denen man versucht, die Qualität der entstehenden Schweißnaht zuverbessern.
    [0004] Soist in der EP 0 527229 B1 ein Verfahren zum Laserschweißen, insbesondere von verzinkten Stahlblechenbeschrieben, bei dem ein vor dem Schweißprozess gemischtes Hilfsgasaus Sauerstoff und ein weiteren Gas während des Schweißprozesseseingesetzt werden.
    [0005] DasSauerstoffgas verbindet sich mit dem Zink und bildet Zinkoxid undZinkperoxid, also Feststoffe bei Unterdrückung der Verdampfung von Zink, wodurchersichtlich weniger Lunker entstehen sollen.
    [0006] Inder EP 0 446 677 B1 wirdein Verfahren zur Herstellung eines verzinkten Stahlbleches verbesserterSchweißbarkeitoffenbart, bei dem vor Abscheiden der Zinkschicht auf der Oberfläche des Stahlblecheseine Eisen/Kohlenstoff-Schicht eines bestimmten Kohlenstoffgehaltesauf die Oberfläche desStahlbleches aufgetragen wird.
    [0007] Derin dieser Schrift beschriebene Stand der Technik wird durch zweijapanische Patentanmeldungen bestimmt, bei denen jeweils die Schweißbarkeit einesverzinkten Stahlbleches durch das Ausbilden eines Oxidfilmes aufder verzinkten Oberflächeverbessert werden soll.
    [0008] DieserOxidfilm wird fürein in der JP 60-063394 oder JP 02-004983 beschriebenes verzinktesStahlblech durch Heißtauchenaufgetragen.
    [0009] DerVerfasser der EP 0446 677 B1 erklärt, dassVersuche, bei denen auf dem mit Zink plattiertem Stahlblech einOxidfilm ausgebildet wird, bisher insofern fehlgeschlagen sind,als dass in großtechnischemMaßstabkeine zufriedenstellenden Ergebnisse erreicht wurden.
    [0010] VerzinkteStahlbleche werden insbesondere für Fahrzeugkarossen, Industriebehälter undGehäusefür Haushaltsgeräte verwendet.
    [0011] Insbesonderewegen der guten Haftung darauf aufgebrachter Überzüge und ihrer Korrosionsbeständigkeitist der Einsatz verzinkter Stahlbleche vor allem in der Automobilindustriestetig steigend. In dieser Branche, in der sich die Wettbewerberin der Qualitätder Produkte und deren technischem Stand kaum noch unterscheiden,wird der Konkurrenzkampf hauptsächlich über dieHerstellungskosten entschieden. Aufgrund der immensen herzustellendenStückzahlenfallen bereits geringfügigeEinsparungen an Zeit- und Materialeinsatz ins Gewicht. Es ist dahereine permanente Zielstellung, den Produktionszyklus zur Herstellungeines Fahrzeuges zu verkürzen,was z.B. durch Substitution zeitlich schneller ablaufender Verfahrenund Vermeidung technologisch notwendiger Stillstandszeiten möglich ist.Außerdemist man bestrebt, dass die fürden Herstellungsprozess notwendige Anlagentechnik möglichst wartungsarmund robust ist. Letztendlich lassen sich die Herstellungskostenauch durch einen sparsamen Einsatz von Hilfsstoffen senken.
    [0012] Betrachtetman sich unter diesen Gesichtspunkten die in der Beschreibung desStandes der Technik aufgezeigten Lösungen, so erkennt man, dassdiese jeweils einen erheblichen Aufwand erfordern, um ein verzinktesStahlblech den Qualitätsansprüchen genügend, nämlich ohneLunkerbildung und bei Verbleib der Zinkschicht um die Schweißnaht, schweißen zu können.
    [0013] DerEinsatz eines Hilfsgases währenddes Laserschweißens( EP 0 446 677 B1 )erfordert speziell ausgeführteSchweißdüsen, mitdenen in der Regel der Gasstrom koaxial zum Laserstrahl auf das Werkstück gerichtetwird. Im Unterschied zu Laserschweißanlagen, die ohne Hilfsgasarbeiten, müssen hierzusätzlichetechnische Maßnahmenzur Gasversorgung und Gasabsaugung getroffen werden.
    [0014] Dieanderen genannten Lösungenbedeuten das zusätzlicheAufbringen einer Schicht. Diese wird verfahrensbedingt jeweils aufdie gesamte Oberflächeaufgetragen, das heißtauch in den Oberflächenbereichen,die gar nicht als Fügefläche für eine spätere Schweißverbindungvorgesehen sind. Der Materialeinsatz für die Beschichtung ist daherum ein Vielfaches größer, alsfunktionell tatsächlichnotwendig. Darüberhinaus erfordert z. B. das Heißtauchennotwendige Abkühl-und Trockenzeiten.
    [0015] Lautder Beschreibung des Standes der Technik in der DE 101 35 611 A1 werdenzur Reduzierung der Verdampfung des Beschichtungsmaterials häufig teuereSpezialelektroden eingesetzt, die in der Regel mit reduziertem Schweißstrom arbeiten. Dadurchwird jedoch unter Umständendie mechanische Belastbarkeit der Schweißverbindung beeinträchtigt unddie Durchsatzleistung der entsprechenden Produktionsanlage gemindert.
    [0016] Beianderen Verfahren würdenspezielle konstruktive Maßnahmengetroffen, um ein ungehindertes Entweichen der entstehenden Prozessdämpfe zu ermöglichen.
    [0017] Gegenüber diesemStand der Technik wird in der DE 101 35 611 A1 beanspruchten Lösung vorgeschlagen,die Korrosionsschutzschicht (Zinkschicht) abrasiv partiell zu entfernenbzw. erheblich zu reduzieren. Zur Entfernung der Zinkschicht imSchweißnahtbereich(Fügezone)eigne sich ein miniaturisiertes Sandstrahlgebläse, wie es beispielsweise inder Zahnmedizin zum Entfernen von Zahnbelegen verwendet werde. UmVerunreinigungen der umgebenden Oberfläche zu vermeiden und das Strahlgutder Wiederverwendung zuzuführen,sind Maßnahmenzu Absaugung zu treffen, z.B. durch Verwendung eines Unterdruckstrahlgerätes.
    [0018] Eswird ausdrücklichdarauf hingewiesen, dass sich dieses Verfahren insbesondere auchfür Verschweißungen mittelsLaser eigne und dass speziell im Karosseriebau im Stoß aufeinanderliegende Oberflächen derKarosseriebleche nach vorheriger Bearbeitung mit einem Unterdruckstrahlgerät prozesssicherverschweißenlassen.
    [0019] Alsgeeignete Strahlmittel werden mineralische Korunde genannt. AuchGlas, Salze, Natron, gemahlene Nussschalen, Eis oder Trockeneisseien denkbar, wobei letztere Mittel den Vorteil hätten, dass keineRückstände vonStrahlmitteln entfernt werden müssten.Eine nachteilige Wirkung auf die Korrosionseigenschaften hätte dasmit der DE 101 35611 A1 beanspruchte Verfahren gegenüber dem Stand der Technik nicht,da die Zinkschicht ohnehin im Bereich der Schweißnaht verdampft.
    [0020] ZurVerbesserung der Schweißbarkeitvon elektrisch leitfähigenWerkstückenaus leicht oxidierbaren Metallen, die zur Bildung von den Schweißprozessbehindernden Oberflächenschichtenneigen, wird in der DE199 27 557 A1 vorgeschlagen, eine hochfrequente Bogenentladungzu erzeugen, die auf die Oberfläche überspringtund die störendeOberflächenschichtan zufälligverteilten Punkten perforiert und teilweise verdampft.
    [0021] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, geeignete Maßnahmenzur Verbesserung der Schweißbarkeitvon verzinkten Stahlblechen zu finden, die einen möglichstgeringen technischen -, Zeit- und Material-Aufwand erfordern.
    [0022] DieseAufgabe wird fürein Verfahren gemäß dem Oberbegriffdes Anspruches 1 dadurch gelöst, dassein Strahl eines atmosphärischenNiedertemperaturplasmas auf die Oberfläche gerichtet wird.
    [0023] VorteilhafteAusführungensind in den Unteransprüchenangegeben.
    [0024] DieVerwendung eines atmosphärischen Niedertemperaturplasmaszur Oberflächenbehandlungist als solches nicht neu.
    [0025] Inder EP 0 761 415 B1 wirdein Verfahren zur Erhöhungder Benetzbarkeit der Oberflächevon Werkzeugen mit Flüssigkeitenvorgeschlagen, bei dem durch Plasmaentladung unter Zufuhr einesArbeitsgases ein Strahl eines reaktiven Mediums erzeugt wird und über diezu behandelnde Oberfläche geführt wird.Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrenzur Plasmaerzeugung hat das Plasma zur Oberflächenbehandlung eine verhältnismäßig geringeTemperatur, so dass es auch empfindliche Oberflächen nicht verletzen kann. DasVerfahren eigne sich zur Behandlung von leitenden als auch nichtleitenden Werkstücken,insbesondere von Werkstückenaus Kunststoff.
    [0026] EinStrahlgenerator, mit dem ein zur Verfahrensdurchführung geeignetesatmosphärischesNiedertemperaturplasma erzeugt werden kann, ist in der EP 0 761 415 B1 beschrieben,der fürdie Vorbehandlung von Kunststoffen mit einem nichtübertragbaren Bogendient. Ebenso wie bei einem Strahlgenerator, wie er in der EP 1 292 176 A2 beschriebenist, wird der zur Generierung des Plasmas erzeugte elektrische Bogennicht auf das Werkstück übertragen.Um die physikalischen und chemischen Eigenschaften des den Strahlgeneratorverlassenden Plasmastrahls zu erfahren, wurden Versuche durchgeführt, über derenErgebnisse in der EP0 761 415 B1 berichtet ist.
    [0027] Esscheint danach nicht klar zu sein, ob es sich bei dem Plasma tatsächlich umein Plasma im eigentlichen Sinne, als um ein zumindest teilweiseionisiertes Medium handelt, oder ob es lediglich freie radikaleoder angeregte Atome oder Moleküleenthält.
    [0028] Jedenfallskonnte nachgewiesen werden, dass der Plasmastrahl die gewünschte vorbehandelndeWirkung auf der Werkstückoberfläche gebrachthat. Es wurden verschiedene Kunststoffoberflächen, die normalerweise nichtmit Wasser benetzbar sind, in den Plasmastrahl gebracht. Anschließend konntensie mit Wasser benetzt werden. Es wurde berichtet, dass auch Metalloberflächen mitHilfe des Plasmastrahls beispielsweise von Siliconrückständen unddergleichen befreit werden konnten. Bei Versuchen mit unedlen Metallen,z.B. Aluminium, hättesich gezeigt, dass der Plasmastrahl praktisch keine oxidierendeWirkung hat, sich also keine, dickere als die natürliche,Oxidschicht bildet.
    [0029] Inder EP 1 292 176 A2 wirdeinleitend angegeben, wofürder mit dem dort beanspruchten Strahlgenerator erzeugte elektrischneutrale Plasmastrahl geeignet sein soll. Danach ist der Plasmastrahlgeeignet zur Behandlung von Oberflächen, z.B. zur Vorbehandlungund Reinigung von Oberflächenvor dem Verkleben, Beschichten oder Lackieren, zum Beschichten,Hydrophilisieren, Entfernen von elektrischen Ladungen oder Sterilisierensowie zur Beschleunigung von chemischen Reaktionen. Obwohl nichtexplizit so in der EP1 292 176 A2 erwähnt,kann der Fachmann aus der Aufzählungder Verwendungsmöglichkeitenschließen,dass mittels des Plasmastrahls alle adhäsiv auf der Oberfläche haftendenStoffe entfernt werden.
    [0030] Die EP 0 761 415 B1 unddie EP 1 292 176 A2 bietenkeinen Ansatz, nach dem es dem Fachmann nahegelegt wäre, miteinem atmosphärischen Niedertemperaturplasmaein verzinktes Stahlblech zum Verschweißen vorzubehandeln.
    [0031] Einesolche Anwendbarkeit ist auch fürdie Anmelderin völlig überraschend,obwohl sie seit Jahren gemäß dem EP 1 292 176 A2 hergestellteStrahlgeneratoren als Zuliefereinheit bezieht, um sie in maschinelleAnlagen zu integrieren. Gemäß den im Standder Technik genannten Anwendungsmöglichkeiten werden die Strahlgeneratorenfür Reinigungsanlagenvon elektrischen Bauteilen und Schaltungen sowie für Anlagenzur Aktivierung von Kunststoffen zur Verbesserung der Verklebbarkeiteingesetzt.
    [0032] Ineinem Versuch wurde die Oberfläche zweiermit einer Kehlnaht zu verschweißendenverzinkten Stahlblechen mit einem Plasmastrahl behandelt, wie ermit einem Strahlgenerator gemäß dem EP 1 292 176 A2 erzeugtwurde. Konkret wurden Stahlbleche verwendet mit einer ca. 5 μm starken galvanischabgeschiedenen Zinkschicht. Als Prozessgas wurde in einem VersuchLuft und in einem anderen Versuch ein Stickstoff-Sauerstoffgemisch verwendet.Die Strahlaustrittsöffnungdes Strahlgenerators wurde dabei mit einer Entfernung von 12 mm+/– 2mm zur Oberflächeder Stahlbleche und mit einer Geschwindigkeit von 80 mm/s +/– 10 mm/sgeführt.
    [0033] Anschließend wurdendie beiden Bleche mittels Laser in für den Fachmann bekannter Weiseverschweißt.Sehr gute Ergebnisse wurden beispielsweise mit einem Nd-YAG-Laser bei einer applizierten Leistungvon maximal 2,5 kW erzeugt.
    [0034] Diebeim Schweißenauftretenden Effekte und das Schweißergebnis sind bei gleichenVerfahrensparametern fürnicht vorbehandeltes und erfindungsgemäß vorbehandeltes Stahlblechunterschiedlich.
    [0035] Soentwickeln sich beim Verschweißender vorbehandelten Stahlbleche weitaus geringere Mengen an Prozessdämpfen.
    [0036] Dieentstehende Schweißnahthat eine deutlich bessere Schweißnahtoberfläche und weist deutlich wenigerLunker und Fehlstellen auf. Außerdem istdie Schweißnahtweniger verzundert.
    [0037] Wiesich herausgestellt hat, entstehen Schweißnähte vergleichbar guter Qualität auch wenn nureines der beiden zu verschweißendenStahlbleche im zum Verschweißenvorgesehen Oberflächenbereich(Fügebereich)mit dem Plasmastrahl vorbehandelt wird.
    [0038] Eswird vermutet, dass die Einwirkung des Plasmastrahls die Zinkschichtdahingehend verändert,dass sie erst bei höherenTemperaturen zu schmelzen beginnt.
    [0039] Gegenüber dembekannten Stand der Technik zur Verbesserung der Schweißqualität beim Verschweißen vonverzinkten Stahlblechen hat die erfindungsgemäße Vorbehandlung den Vorteil,dass es weniger technisch, zeit- und materialaufwendig ist und damiteine kostengünstigeAlternative insbesondere bei einer hochautomatisierten Großserienproduktionist.
    [0040] Überraschenderweisewurde festgestellt dass auch bei Aluminiumblechen die Oberflächenbehandlungim fürdie Schweißverbindungvorgesehenen Fügebereichmit einem atmosphärischenNiedertemperaturplasma zur Verbesserung der Verschweißbarkeitführt.
    权利要求:
    Claims (5)
    [1] Verfahren zur Verbesserung der Schweißbarkeitvon verzinkten Stahlblechen oder Aluminiumblechen durch Vorbehandlungder Oberflächeim fürdie Schweißverbindungvorgesehenen Fügebereich, dadurchgekennzeichnet, dass ein Strahl eines atmosphärischenNiedertemperaturplasmas auf die Oberfläche gerichtet wird.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Plasma elektrisch neutral ist.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Plasma elektrisch gezündetwird.
    [4] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass als Prozessgas fürdie Erzeugung des Plasmas Luft verwendet wird.
    [5] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass nur die Oberflächeeines der miteinander zu verschweißenden verzinkten Bleche vorbehandeltwird.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2006-01-05| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-12-28| 8364| No opposition during term of opposition|
    2009-04-23| 8339| Ceased/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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