DE102014203559A1 - Method and device for producing a material connection - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Bauteilen (52, 54) mit den Schritten: – Erwärmen eines Fügebereichs (56) mittels eines Induktors (20), wobei im Fügebereich (56) zumindest ein elektrisch leitfähiger Werkstoff vorhanden ist, – Aufbringen eines Fügedrucks (F) auf den Fügebereich (56) mittels einer Anpressvorrichtung (30) mit zumindest einem Anpresselement (300), wobei das Anpresselement (300) aktiv gekühlt wird zur Abkühlung der Bauteile (52, 54) sowie eine Vorrichtung.The invention relates to a method for producing a cohesive connection between components (52, 54) comprising the steps of: heating a joining region (56) by means of an inductor (20), at least one electrically conductive material being present in the joining region (56), Applying a joining pressure (F) to the joining region (56) by means of a pressing device (30) with at least one pressing element (300), wherein the pressing element (300) is actively cooled to cool the components (52, 54) and a device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere zum Fügen von zwei Bauteilen, wobei zumindest ein Bauteil aus einem Faserverbundkunststoff besteht.The invention relates to a method and a device for producing a cohesive connection, in particular for joining two components, wherein at least one component consists of a fiber composite plastic.

Die gegenwärtigen Verbindungstechniken stoßen mit der Einführung moderner Leichtbauwerkstoffe an ihre Grenzen. Insbesondere bei Anforderungen an eine hohe Oberflächenqualität und Festigkeit oder beim Verbinden von neuartigen Faserverbundwerkstoffen sind die konventionellen Schweißverfahren nur eingeschränkt geeignet.Current joining techniques are reaching their limits with the introduction of modern lightweight construction materials. Particularly when it comes to requirements for a high surface quality and strength or when joining novel fiber composites, the conventional welding methods are only limited suitable.

Induktionsschweißen ist als Fügeverfahren für Faserverbundmaterialien mit thermoplastischem Matrixmaterial bekannt. Hierzu muss in der Fügezone ein elektrisch leitfähiger Werkstoff beinhaltet sein. Dieser kann als Schweißzusatzmaterial der Fügezone zugegeben werden oder kann in einem oder beiden der zu verbindenden Bauteile beinhaltet sein, z. B. in Form von elektrisch leitfähigen Fasern.Induction welding is known as a joining process for fiber composite materials with thermoplastic matrix material. For this purpose, an electrically conductive material must be included in the joining zone. This may be added as welding filler material of the joining zone or may be included in one or both of the components to be joined, for. B. in the form of electrically conductive fibers.

Beim Induktionsschweißen wird ein Induktor als Teil eines Schwingkreises durch einen Generator mit einem hochfrequenten Wechselstrom angeregt. Der Induktor erzeugt ein Magnetfeld, wodurch in elektrisch leitfähigen Werkstoffen, die im Wirkbereich des Magnetfelds angeordnet sind, Wirbelströme induziert werden. Aufgrund von Widerstandseffekten und dielektrischer Hysterese erwärmt sich der elektrisch leitende Werkstoff und führt durch Wärmeleitung zu einem Aufschmelzen der zu verbindenden Bauteile. Die Erwärmung durch den Induktor erfolgt schnell und kann berührungslos erfolgen. Zur Herstellung der Fügeverbindung wird auf die aufgeschmolzenen Bauteile mittels einer Anpressvorrichtung ein Fügedruck aufgebracht. Zur Konsolidierung werden die Bauteile abgekühlt.In induction welding, an inductor is excited as part of a resonant circuit by a generator with a high frequency alternating current. The inductor generates a magnetic field, whereby eddy currents are induced in electrically conductive materials, which are arranged in the effective range of the magnetic field. Due to resistance effects and dielectric hysteresis, the electrically conductive material heats up and, due to heat conduction, leads to a melting of the components to be connected. The heating by the inductor is fast and can be done without contact. To produce the joint connection, a joining pressure is applied to the molten components by means of a pressure device. For consolidation, the components are cooled.

Aus der Druckschrift DE 10 2012 100 620 A1 ist ein Verfahren zum Induktionsschweißen von Faser-Kunststoffverbunden mit thermoplastischem Matrixmaterial bekannt, bei dem ein Induktor über die Fügezone der zu verschweißenden Bauteile geführt wird und eine Kühleinrichtung dem Induktor nachgeführt oder gemeinsam mit diesem geführt wird. Die gekühlte Oberfläche wird durch eine Anpressvorrichtung beaufschlagt. Dieses Verfahren reduziert die Gefahr einer thermischen Schädigung an der dem Induktor benachbarten Oberfläche der zu verbindenden Bauteile.From the publication DE 10 2012 100 620 A1 a method for induction welding of fiber-plastic composites with thermoplastic matrix material is known, in which an inductor is guided over the joining zone of the components to be welded and a cooling device is tracked to the inductor or guided together with this. The cooled surface is acted upon by a pressing device. This method reduces the risk of thermal damage to the surface of the components to be connected adjacent to the inductor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem eine stoffschlüssige Verbindung mit verbesserten Eigenschaften erzielt werden kann, insbesondere eine Fügeverbindung mit zumindest einem Bauteil aus einem Faserverbundkunststoff.The object of the present invention is to provide a method and a device with which a cohesive connection with improved properties can be achieved, in particular a joint connection with at least one component made of a fiber composite plastic.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 7.This object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 7.

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen zwei Bauteilen wird ein Fügebereich mittels eines Induktors erwärmt, wobei im Fügebereich zumindest ein elektrisch leitfähiger Werkstoff vorhanden ist. Auf den erwärmten Fügebereich wird ein Fügedruck aufgebracht mittels einer Anpressvorrichtung mit zumindest einem Anpresselement, wobei das Anpresselement aktiv gekühlt wird zur Abkühlung der Bauteile.In a method for producing a cohesive connection between two components, a joining region is heated by means of an inductor, wherein at least one electrically conductive material is present in the joining region. On the heated joining region, a joining pressure is applied by means of a pressing device with at least one pressing element, wherein the pressing element is actively cooled to cool the components.

Die Bauteile werden durch den Kontakt mit dem Anpresselement gekühlt, der Wärmeübergang erfolgt hauptsächlich durch Wärmeleitung. Hierdurch ist eine besonders schnelle Abkühlung, insbesondere der Bauteiloberfläche, gegeben, wodurch die Gefahr eine Beschädigung der Bauteiloberfläche verringert werden kann. Darüber hinaus erhöht das Aufbringen von Druck und Temperaturgradient an derselben Stelle die Qualität und Reproduzierbarkeit der Konsolidierungsbedingungen und führt zu Fügeverbindungen mit verbesserten Eigenschaften. Durch die aktive Kühlung des Anpresselements ist eine geführte Abkühlung der Bauteile möglich.The components are cooled by the contact with the pressure element, the heat transfer takes place mainly by heat conduction. As a result, a particularly rapid cooling, in particular the component surface, given, whereby the risk of damage to the component surface can be reduced. In addition, the application of pressure and temperature gradient at the same location increases the quality and reproducibility of the consolidation conditions and leads to joint joints with improved properties. Due to the active cooling of the pressing element a guided cooling of the components is possible.

Die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen kann eine Schweißverbindung, eine Klebeverbindung oder eine Lötverbindung sein. Für eine Klebeverbindung wird vor Beginn der Erwärmung ein thermisch aushärtender Klebstoff zwischen den Bauteilen aufgebracht.The cohesive connection between the components may be a welded joint, an adhesive bond or a solder joint. For an adhesive bond, a thermosetting adhesive is applied between the components prior to the start of the heating.

Die Schweißverbindung kann je nach Material der Bauteile mit oder ohne Zusatzwerkstoff ausgeführt werden. Die Bauteile können insbesondere im Überlappstoß oder T-Stoß verbunden werden.Depending on the material of the components, the welded connection can be made with or without additional material. The components can be connected in particular in the lap joint or T-joint.

Die Fügezone muss zumindest einen elektrisch leitfähigen Werkstoff beinhalten, d. h. mindestens ein Bauteil, der Klebstoff oder der Schweißzusatzwerkstoff muss einen elektrisch leitenden Werkstoff beinhalten oder aus einem elektrisch leitenden Werkstoff bestehen.The joining zone must contain at least one electrically conductive material, i. H. at least one component, the adhesive or the welding filler material must include an electrically conductive material or consist of an electrically conductive material.

Zumindest ein Bauteil oder alle Bauteile können z. B. aus Faserverbundkunststoffen bestehen, bei denen die Fasern elektrisch leitfähig sind, z. B. Kohlenstofffasern. Die Fasern können als Kurz-, Lang- und Endlosfasern in Form von Geweben, Rovings, Gestricken, Geflechten, Litzen, Vliesen, Matten u. ä. in die Faserverbundkunststoffe eingearbeitet sein, sofern sie genügend Knotenpunkte für eine ausreichende Erwärmung aufgrund von Widerstandseffekten und dielektrischer Hysterese aufweisen.At least one component or all components can, for. B. consist of fiber reinforced plastics, in which the fibers are electrically conductive, for. B. carbon fibers. The fibers may be in the form of short, long and continuous fibers in the form of woven fabrics, rovings, knitted fabrics, braids, strands, nonwovens, mats and the like. Ä. Be incorporated into the fiber composites, provided they have enough nodes for sufficient heating due to resistance effects and dielectric hysteresis.

Es können Faserverbundkunstoffe mit einer thermoplastischen Matrix verwendet werden. Geeignete Thermoplasten sind z. B. PPS, PPA, PA6, PA6.6, PEEK, SAN, PLA, PES, PEI, (PP). Alternativ kann auch ein Bauteil mit einer thermoplastischen Matrix mit einem Bauteil ohne thermoplastische Matrix, z. B. mit einer Matrix aus Duroplast verbunden werden ggf. unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffs. Ebenso sind Hybrid-Verbindungen möglich, zwischen Metall und einem Faserverbundkunststoff (mit oder ohne thermoplastische Matrix) oder Verbindungen zwischen Bauteilen aus Metall. Fiber composite plastics with a thermoplastic matrix can be used. Suitable thermoplastics are z. PPS, PPA, PA6, PA6.6, PEEK, SAN, PLA, PES, PEI, (PP). Alternatively, a component having a thermoplastic matrix with a component without a thermoplastic matrix, for. B. be connected to a matrix of thermosetting, if necessary, using a suitable adhesive. Likewise, hybrid compounds are possible, between metal and a fiber composite plastic (with or without thermoplastic matrix) or connections between components made of metal.

Die Bauteile können insbesondere Karosseriebauteile oder Interieurbauteile aus dem Fahrzeugbau sein.The components may in particular be body components or interior components from vehicle construction.

Zur Realisierung einer technisch einfach umzusetzenden aktiven Kühlung des Anpresselements kann ein Kühlmedium durch das Anpresselement geleitet werden. Das Kühlmedium kann z. B. eine Flüssigkeit oder ein Gas sein und ist in einer Ausgestaltung Wasser.To realize a technically easy to implement active cooling of the pressing a cooling medium can be passed through the contact pressure. The cooling medium can, for. B. may be a liquid or a gas and is water in one embodiment.

In einer Ausgestaltung wird die Abkühlrate der Bauteile mittels der Temperatur des Anpresselements geregelt. Die Bauteiltemperatur kann z. B. mittels Pyrometer, optischer Temperaturmessung oder Thermoelementen gemessen werden.In one embodiment, the cooling rate of the components is controlled by means of the temperature of the contact pressure element. The component temperature can, for. B. by pyrometer, optical temperature measurement or thermocouples can be measured.

Abhängig von der Abweichung zwischen gemessener Temperatur und einer Solltemperatur wird die Temperatur des Anpresselements angepasst zur Regelung der Abkühlrate der Bauteile. Der die Eigenschaften des Polymers mitbestimmende Temperaturverlauf bei der Abkühlung lässt sich somit besser kontrollieren. Insbesondere ermöglicht dieses Verfahren eine Konsolidierung der Bauteile mit der ursprünglichen Gefügebeschaffenheit, z. B. die gezielte Rekristallisation (teil-)kristalliner Polymere.Depending on the deviation between the measured temperature and a setpoint temperature, the temperature of the contact pressure element is adapted to control the cooling rate of the components. The temperature characteristics of the cooling process which co-determine the properties of the polymer can thus be better controlled. In particular, this method allows a consolidation of the components with the original structure texture, z. As the targeted recrystallization of (partially) crystalline polymers.

Versuche haben gezeigt, dass bei einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schweißbahn zwischen zwei Bauteilen aus Polyamid 6.6/CF durch die Regelung der Abkühlrate Verbindungen mit besonders hoher Scherzugfestigkeit von im Mittel 22 MPa und einer Bruchfestigkeit oberhalb der Matrixfestigkeit an der Fügestelle realisiert werden konnten. Hierzu wurden zwei Proben aus PA6.6/CF mit einer Probendicke von 2 mm und einer Probenbreite von 48 mm im Überlappstoß verschweißt. Die Vergleichswerte der Matrixfestigkeit ergeben sich aus den Datenblättern des Matrixherstellers.Experiments have shown that in a welding path produced by the method according to the invention between two components of polyamide 6.6 / CF by controlling the cooling rate compounds with a particularly high Scherzugfestigkeit of 22 MPa average and a breaking strength above the matrix strength at the joint could be realized. For this purpose, two samples of PA6.6 / CF were welded with a sample thickness of 2 mm and a sample width of 48 mm in the lap joint. The comparative values of the matrix strength are given in the data sheets of the matrix manufacturer.

Vorzugsweise wird der Volumenstrom des Kühlmediums, welcher durch das Anpresselement strömt, als Stellgröße für die Regelung der Abkühlrate der Bauteile verwendet. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Temperatur des Kühlmediums als Stellgröße verwendet werden oder es können sowohl Temperatur als auch Volumenstrom des Kühlmediums als Stellgrößen verwendet werden.Preferably, the volume flow of the cooling medium, which flows through the contact pressure, used as a control variable for the regulation of the cooling rate of the components. In an alternative embodiment, the temperature of the cooling medium can be used as a manipulated variable or both temperature and volume flow of the cooling medium can be used as manipulated variables.

Für die Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen ist das Verfahren insbesondere geeignet, wenn der Induktor mit einer Frequenz von 500 kHz oder größer angeregt wird. In diesem Frequenzspektrum wird die maximale Temperatur nicht an der Oberfläche der Faserverbundkunststoffe, sondern weiter im Bauteilinneren in der Nähe des Fügebereichs erzeugt. Die Oberfläche wird somit weniger stark erwärmt, wodurch die Oberflächenbeschaffenheit der miteinander verbundenen Bauteile weiter verbessert werden kann. Durch die Wahl geeigneter Werte für die Parameter Induktorabstand und Frequenz kann die Ebene mit der maximalen Energieeinbringung eingestellt werden.For the processing of fiber reinforced plastics, the method is particularly suitable when the inductor is excited at a frequency of 500 kHz or greater. In this frequency spectrum, the maximum temperature is not generated at the surface of the fiber composite plastics, but further inside the component in the vicinity of the joint area. The surface is thus heated less strongly, whereby the surface quality of the interconnected components can be further improved. By selecting suitable values for the parameters inductor distance and frequency, the plane with the maximum energy input can be set.

Vorzugsweise wird das Verfahren als kontinuierliches Verfahren betrieben zur Erzeugung von Schweiß- bzw. Klebebahnen. Alternativ kann das Verfahren auch diskontinuierlich eingesetzt werden zur Ausbildung einzelner Schweiß- oder Klebepunkte.Preferably, the process is operated as a continuous process for the production of welding or adhesive webs. Alternatively, the method can also be used discontinuously to form individual welding or adhesive points.

Eine Vorrichtung zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Bauteilen weist einen Induktor und eine Anpressvorrichtung mit zumindest einem Anpresselement auf, wobei das Anpresselement weiterhin als aktives Kühlelement ausgebildet ist.An apparatus for producing a cohesive connection between components has an inductor and a pressing device with at least one contact pressure element, wherein the contact pressure element is furthermore designed as an active cooling element.

Druck und Kühlung können somit gemeinsam auf die Bauteile aufgebracht werden, am gleichen Ort und zur gleichen Zeit. Das Zusammenspiel von Druck und Temperatur, das zum Erreichen der Konsolidierungsparameter notwendig ist, kann somit verbessert eingestellt werden. Hierdurch wird die Reproduzierbarkeit der Konsolidierungsparameter und damit die Prozesssicherheit gesteigert.Pressure and cooling can thus be applied together to the components, at the same place and at the same time. The interaction of pressure and temperature, which is necessary to achieve the consolidation parameters, can thus be set better. This increases the reproducibility of the consolidation parameters and thus the process reliability.

Der Induktor ist vorzugsweise ein Flächeninduktor und kann z. B. eine annähernd rechteckige oder runde Grundfläche aufweisen.The inductor is preferably a Flächeninduktor and z. B. have an approximately rectangular or round base.

Die Anpressvorrichtung kann die Bauteile von zwei Seiten, der dem Induktor zugewandten Seite und der gegenüberliegenden Seite, mit Druck beaufschlagen. Hierzu können auf jeder Seite ein oder mehrere Anpresselemente nach Art einer Zange angeordnet sein, zwischen denen die Bauteile eingeklemmt werden. Alternativ weist die Anpressvorrichtung nur auf einer Seite der Bauteile ein oder mehrere Anpresselemente auf, die in Kontakt mit der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche treten. Der erforderliche Fügedruck wird dann durch Abstützung gegenüber der Werkstückaufnahme aufgebaut. Der Fügedruck kann z. B. mittels einer vorspannbaren Feder, servoelektrischer Motoren und/oder servopneumatischer Antriebe auf die bzw. das Anpresselement(e) aufgebracht werden. Der Fügedruck kann während des Verfahrens konstant gehalten oder verändert werden, z. B. mittels einer Regelung.The pressing device can pressurize the components from two sides, the side facing the inductor and the opposite side. For this purpose, one or more pressing elements can be arranged in the manner of a pair of pliers on each side, between which the components are clamped. Alternatively, the pressing device on only one side of the components on one or more pressing elements, which come into contact with the component or workpiece surface. The required joining pressure is then built up by support against the workpiece holder. The joining pressure can z. B. by means of a prestressable spring, servo-electric motors and / or servopneumatic drives on the or Pressing element (s) are applied. The joining pressure can be kept constant or changed during the process, for. B. by means of a scheme.

Als aktives Kühlelement ist das Anpresselement in der Lage, Wärmeenergie aus den Bauteilen aufzunehmen und in einem Maße abzutransportieren, das über den Wärmetransport freier Konvektion hinausgeht. Hierzu wird das Anpresselement der Anpressvorrichtung aktiv gekühlt. Somit kann die Abkühlrate der Bauteile über die Temperatur des Anpresselements geführt werden.As an active cooling element, the contact pressure element is able to absorb heat energy from the components and to carry it away to a degree that goes beyond the heat transport of free convection. For this purpose, the pressing element of the pressing device is actively cooled. Thus, the cooling rate of the components can be performed on the temperature of the pressing member.

Die aktive Kühlung des Anpresselements wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass in dem Anpresselement Kühlkanäle ausgebildet sind zur Durchleitung eines Kühlmediums.The active cooling of the contact pressure element is preferably realized in that cooling channels are formed in the pressing element for the passage of a cooling medium.

Eine besonders effiziente Kühlung ergibt sich, wenn die Kühlkanäle als zwei miteinander durch eine Vielzahl von Querkanälen verbundene Ringkanäle ausgebildet sind.A particularly efficient cooling results when the cooling channels are formed as two interconnected by a plurality of transverse channels ring channels.

Das Anpresselement kann z. B. als Platte oder Stempel ausgeführt sein. Alternativ ist das Anpresselement vorzugsweise als Anpressrolle ausgeführt, wodurch ein kontinuierlicher Prozess ermöglicht wird.The pressing element may, for. B. be designed as a plate or stamp. Alternatively, the pressing element is preferably designed as a pressure roller, whereby a continuous process is made possible.

Zur Erzielung eines guten Wärmeübergangs zwischen Bauteil und Anpresselement bzw. zwischen Anpresselement und Kühlmedium bei gleichzeitiger Vermeidung einer ungewollten Erwärmung des Anpresselements durch das induzierte Magnetfeld ist das Anpresselement in einer Ausgestaltung aus nicht magnetischem Metall bzw. einer nicht magnetischen Metalllegierung gefertigt, insbesondere aus Edelstahl mit einem austenitischen Gefügeanteil. Dies wird durch Legierungen mit einem nennenswerten Anteil der Legierungselemente Ni, C, Cu, N, Co, Mo ermöglicht, z. B. mit einem Masseanteil an Legierungselementen von mehr als 1%. Beispielsweise kann das Anpresselement aus X1.4404 gefertigt sein.To achieve a good heat transfer between the component and contact pressure element or between pressure element and cooling medium while avoiding unwanted heating of the contact element by the induced magnetic field, the contact element is made in a configuration of non-magnetic metal or a non-magnetic metal alloy, in particular stainless steel with a austenitic structure fraction. This is made possible by alloys with a significant proportion of the alloying elements Ni, C, Cu, N, Co, Mo, z. B. with a mass fraction of alloying elements of more than 1%. For example, the pressing element can be made of X1.4404.

Die Vorrichtung kann weiterhin eine Kontrollvorrichtung aufweisen, die eingerichtet ist zur Regelung der Abkühlrate der Bauteile mittels aktiver Kühlung des Anpresselements. Die Bauteiltemperatur kann z. B. über faseroptische Temperaturmessung, Pyrometer oder Thermoelemente erfasst werden. Die Kontrollvorrichtung wertet diese Temperaturdaten aus und bestimmt z. B. anhand von Vorgaben der gewünschten Abkühlrate Stellgrößen für die Regelung. Anhand dieser Stellgrößen erfolgt die Temperaturänderung des Anpresselements, z. B. durch die Veränderung der Durchflussmenge oder die Anpassung der Temperatur des Kühlmediums, das durch das Anpresselement geleitet wird. Die Kontrollvorrichtung kann in die Vorrichtung integriert sein oder mit dieser verbunden sein (drahtlos oder drahtgebunden).The apparatus may further comprise a control device which is adapted to control the cooling rate of the components by means of active cooling of the contact pressure element. The component temperature can, for. B. via fiber optic temperature measurement, pyrometers or thermocouples are detected. The control device evaluates this temperature data and determines z. B. based on specifications of the desired cooling rate control variables for the scheme. Based on these manipulated variables, the temperature change of the pressing element, z. B. by changing the flow rate or adjusting the temperature of the cooling medium, which is passed through the contact pressure element. The control device may be integrated with or connected to the device (wireless or wired).

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Kontrollvorrichtung weiterhin eingerichtet sein zur Regelung des Erwärmungsvorgangs. Die Regelung der induktiven Erwärmung kann z. B. anhand der Stellgrößen Stromstärke, Vorschubgeschwindigkeit, Induktorabstand und ggf. Frequenz des Induktors erfolgen. Die Regelung basiert vorzugsweise auf einer, z. B. mittels Pyrometer, gemessenen Oberflächentemperatur des Bauteils und berücksichtigt den werkstoffcharakteristischen Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur und Temperatur in der Fügezone.In a further embodiment, the control device can furthermore be designed to control the heating process. The regulation of inductive heating can z. B. based on the manipulated variables current, feed rate, inductor distance and possibly frequency of the inductor. The control is preferably based on a, z. Example by means of pyrometer, measured surface temperature of the component and takes into account the material-characteristic relationship between surface temperature and temperature in the joining zone.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Anpressvorrichtung nur ein einziges Anpresselement in Form einer Anpressrolle auf, die benachbart zum Induktor angeordnet ist. Hierdurch können bei ausreichender Abstützung der Bauteile auch Bauteile miteinander verbunden werden, die nur einseitig zugänglich sind. Beispielsweise beträgt ein Abstand zwischen dem Induktor und der Anpressrolle 10 mm oder weniger. Somit können auch enge Radien im Fügebahnverlauf realisiert werden.In a preferred embodiment, the pressing device has only a single pressing element in the form of a pressure roller, which is arranged adjacent to the inductor. As a result, with sufficient support of the components and components can be connected to each other, which are accessible only on one side. For example, a distance between the inductor and the pressure roller is 10 mm or less. Thus, even narrow radii in the joining path can be realized.

Der Induktor und die Anpressvorrichtung können an einem gemeinsamen Grundkörper befestigt sein und gemeinsam relativ zum Bauteil bewegt werden. Induktor und Anpressvorrichtung können z. B. auf einem gemeinsamen Bearbeitungskopf integriert sein.The inductor and the pressing device can be attached to a common base body and moved together relative to the component. Inductor and pressing device can, for. B. be integrated on a common processing head.

Zur Bewegung der Vorrichtung entlang der Bauteile kann die Vorrichtung an einer zumindest einachsigen Linearführung angeordnet sein. Eine größere Flexibilität hinsichtlich der möglichen Bewegungen ergibt sich durch die Verwendung mehrachsiger Linearsysteme, z. B. mehrerer, zueinander rechtwinklig angeordneter Linearführungen. Um eine Rotation der Vorrichtung zu ermöglichen können die Linearsysteme ggf. zusätzlich mit einer Drehachse kombiniert sein. Die Linearführungen können als motorisierte Linearsysteme ausgeführt sein.For moving the device along the components, the device can be arranged on an at least uniaxial linear guide. Greater flexibility in terms of possible movements results from the use of multi-axis linear systems, eg. B. a plurality of mutually perpendicular arranged linear guides. In order to enable a rotation of the device, the linear systems may possibly be additionally combined with a rotation axis. The linear guides can be designed as motorized linear systems.

In einer alternativen Ausgestaltung wird die Vorrichtung an einem Gelenkarm-Roboter, insbesondere einem 5- oder 6-Achs-Roboter befestigt. Dies ermöglicht weitere Freiheitsgrade und damit das Abfahren auch dreidimensionaler Schweißnaht- bzw. Fügeverläufe.In an alternative embodiment, the device is attached to an articulated arm robot, in particular a 5- or 6-axis robot. This allows more degrees of freedom and thus the departure of three-dimensional weld seam or joining gradients.

Alternativ kann die Vorrichtung ortsfest montiert sein und eine Bewegung der Bauteile kann über ein- oder mehrachsige Handhabungssysteme wie z. B. Linearsysteme oder Gelenkarmroboter erfolgen. Auf flexible und lange Anschlüsse wie z. B. Schlauchkabel für den Anschluss des Induktors an den Schwingkreis kann dann verzichtet werden. Hierdurch können höhere Frequenzen realisiert werden und es kann die Prozesssicherheit verbessert werden.Alternatively, the device may be mounted stationary and movement of the components may be via single or multi-axis handling systems such. B. linear systems or articulated arm robots done. On flexible and long connections such. B. hose for the connection of the inductor to the resonant circuit can then be dispensed with. As a result, higher frequencies can be realized and process reliability can be improved.

Die zur Regelung der Abkühlrate eingesetzte Kontrollvorrichtung kann ebenso eingerichtet sein zur Steuerung bzw. Regelung des Abstands zwischen Induktor und Bauteiloberfläche sowie zur Steuerung bzw. Regelung des Anpressdrucks. Die Kontrollvorrichtung kann ebenso auch die Relativbewegung zwischen Werkstück und Vorrichtung steuern.The control device used to control the cooling rate can also be set up to control or regulate the distance between the inductor and the component surface and to control or regulate the contact pressure. The control device can also control the relative movement between the workpiece and the device as well.

Die Vorrichtung kann zur Durchführung des voranstehend beschriebenen Verfahrens verwendet werden, insbesondere zum Ausbilden einer Schweißverbindung zwischen zwei Bauteilen aus einem Faserverbundkunststoff mit Carbonfasern. Insofern gelten die für das Verfahren beschriebenen technischen Merkmale und Vorteile auch für die entsprechende Umsetzung in der Vorrichtung.The apparatus may be used to carry out the method described above, in particular for forming a welded connection between two components made of a fiber composite plastic with carbon fibers. In this respect, the technical features and advantages described for the method also apply to the corresponding implementation in the device.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff ”kann” verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments. If the term "can" is used in this application, it is both the technical possibility and the actual technical implementation.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:Embodiments will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Veranschaulichung des Verfahrens 1 a schematic representation of a device according to the invention for illustrating the method

2 eine Draufsicht auf einen beispielhaften Induktor 2 a plan view of an exemplary inductor

3 eine perspektivische Darstellung einer Anpressrolle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung 3 a perspective view of a pressure roller according to an embodiment of the invention

4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung montiert an einem Linearsystem 4 a schematic representation of the device according to the invention mounted on a linear system

5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ortsfest in eine Anlage integriert ist. 5 a schematic representation of the device according to the invention, which is stationarily integrated into a system.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Veranschaulichung des Verfahrens. Die Vorrichtung 10 weist einen Induktor 20 und eine Anpressvorrichtung 30 auf, die an einem gemeinsamen Grundkörper 40 angeordnet sind. Der Induktor 20 und die Anpressvorrichtung 30 sind benachbart zueinander angeordnet. Der Grundkörper 40 kann z. B. ein Bearbeitungskopf oder ein Gehäuse sein, das weitere Komponenten der Vorrichtung 10 beinhaltet, oder ein Schlitten zur Bewegung der Vorrichtung 10 entlang einer Linearachse.The 1 shows a schematic representation of a device according to the invention for illustrating the method. The device 10 has an inductor 20 and a pressing device 30 on, on a common body 40 are arranged. The inductor 20 and the pressing device 30 are arranged adjacent to each other. The main body 40 can z. Example, a machining head or a housing, the other components of the device 10 includes, or a carriage for moving the device 10 along a linear axis.

Die Vorrichtung 10 ist über einem Werkstück 50 angeordnet. Das Werkstück weist ein erstes Bauteil 52 und ein darüber angeordnetes zweites Bauteil 54 auf. In einem Fügebereich 56 zwischen dem ersten Bauteil 52 und dem zweiten Bauteil 54 soll eine stoffschlüssige Verbindung, z. B. in Form einer Schweiß- oder Klebeverbindung, ausgebildet werden. Des Weiteren können nicht dargestellte Schweißzusatzwerkstoffe oder Klebstoffe im Fügebereich 56 angeordnet sein. Die Bauteile 52, 54 sind auf einer nicht dargestellten Werkstückaufnahme angeordnet und fixiert.The device 10 is over a workpiece 50 arranged. The workpiece has a first component 52 and a second component disposed above 54 on. In a joining area 56 between the first component 52 and the second component 54 should a cohesive connection, z. B. in the form of a welded or glued connection, are formed. Furthermore, welding consumables or adhesives, not shown, in the joint area 56 be arranged. The components 52 . 54 are arranged and fixed on a workpiece holder, not shown.

Der Induktor 20 ist als Flächeninduktor ausgebildet und wird im Wesentlichen parallel zur Werkstückoberfläche 58 angeordnet, d. h. mit einer Abweichung aus der Parallelen von weniger als 5 Grad. Der prinzipielle Aufbau eines Induktors ist dem Fachmann bekannt. In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Induktors dargestellt. Der Induktor 20 ist über eine Positioniervorrichtung 22 mit dem Grundkörper 40 verbunden. Die Positioniervorrichtung 22 ermöglicht ein Einstellen des Abstands A1 zwischen Induktor 20 und Werkstückoberfläche 58, dies ist in 1 durch den Doppelpfeil angedeutet. Die Einstellung des Abstands A1 kann z. B. mit einer Linearführung, servoelektrischen Motoren und/oder servopneumatischen Antrieben realisiert werden. Der Abstand A1 des Induktors 20 zur Bauteiloberfläche 58 liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0 mm und 50 mm.The inductor 20 is formed as a surface inductor and is substantially parallel to the workpiece surface 58 arranged, ie with a deviation from the parallels of less than 5 degrees. The basic structure of an inductor is known to the person skilled in the art. In 2 an embodiment of an inductor is shown. The inductor 20 is about a positioning device 22 with the main body 40 connected. The positioning device 22 allows adjustment of the distance A1 between the inductor 20 and workpiece surface 58 this is in 1 indicated by the double arrow. The setting of the distance A1 can be z. B. be realized with a linear guide, servo-electric motors and / or servopneumatic drives. The distance A1 of the inductor 20 to the component surface 58 is preferably in a range between 0 mm and 50 mm.

Der Induktor 20 ist Teil eines (nicht dargestellten) Schwingkreises und kann durch einen Generator mit einem hochfrequenten Wechselstrom angeregt werden. Schwingkreis und Generator können Teil der Vorrichtung 10 sein und z. B. im Grundkörper 40 angeordnet sein, oder der Induktor 20 kann über (nicht dargestellte) Zuleitungen in den Schwingkreis eingebunden sein.The inductor 20 is part of a (not shown) resonant circuit and can be excited by a generator with a high-frequency alternating current. Oscillating circuit and generator can be part of the device 10 be and z. B. in the body 40 be arranged, or the inductor 20 can be integrated into the resonant circuit via supply lines (not shown).

Die Anpressvorrichtung 30 umfasst ein Anpresselement in Form einer Anpressrolle 300 sowie eine Aufnahme 32, in der die Anpressrolle 300 gelagert ist und durch die die Anpressrolle 300 mit dem Grundkörper 40 verbunden ist.The pressing device 30 comprises a contact pressure element in the form of a pressure roller 300 as well as a recording 32 in which the pressure roller 300 is stored and by the pressure roller 300 with the main body 40 connected is.

Die Anpressrolle 300 ist benachbart zum Induktor 20 angeordnet. Der Abstand A2 zwischen Induktor 20 und Anpressrolle 300 beträgt vorzugsweise 10 mm oder weniger.The pressure roller 300 is adjacent to the inductor 20 arranged. The distance A2 between inductor 20 and pressure roller 300 is preferably 10 mm or less.

Zur Durchführung des Verfahrens wird die Vorrichtung 10 so über der Werkstückoberfläche 58 positioniert, dass die Anpressrolle 300 in Kontakt mit der Werkstückoberfläche 58 tritt. Der Abstand A1 zwischen Induktor 20 und Werkstückoberfläche 58 wird auf einen vorgegebenen Wert eingestellt.To carry out the method, the device 10 so above the workpiece surface 58 positioned that the pressure roller 300 in contact with the workpiece surface 58 occurs. The distance A1 between inductor 20 and workpiece surface 58 is set to a predetermined value.

Mittels des Induktors 20 wird das Werkstück 50 erwärmt. Hierdurch bildet sich eine Erwärmungszone 60 im Werkstück 50 aus. Es erfolgt eine Relativbewegung zwischen Werkstück 50 und Vorrichtung 10 entlang des Fügebereichs 56, so dass sich die Erwärmungszone 60 entlang des Fügebereichs 56 ausbreitet. Die Ausbreitungsrichtung der Erwärmungszone 60, d. h. die Fügerichtung, ist in 1 durch den Pfeil 62 angedeutet.By means of the inductor 20 becomes the workpiece 50 heated. This forms a heating zone 60 in the workpiece 50 out. There is a relative movement between the workpiece 50 and device 10 along the joining area 56 so that the heating zone 60 along the joining area 56 spreads. The propagation direction of the heating zone 60 , ie the joining direction, is in 1 through the arrow 62 indicated.

Zur Ausbildung der Fügeverbindung und Konsolidierung der Bauteile 52 und 54 wird der erwärmte Fügebereich im Werkstück 50 anschließend mit Druck beaufschlagt und abgekühlt.For the formation of the joint connection and consolidation of the components 52 and 54 becomes the heated joining area in the workpiece 50 then pressurized and cooled.

Hierzu wird, wie in 1 zu erkennen ist, die Anpressrolle 300 mit einer Fügekraft bzw. Anpresskraft F auf das Werkstück 50 gepresst. Die Fügekraft F ist steuerbar und vorzugsweise regelbar. Die Fügekraft kann z. B. mittels einer vorgespannten Feder, servoelektrischen Motoren und/oder servopneumatischen Antrieben erzeugt werden.For this purpose, as in 1 it can be seen, the pressure roller 300 with a joining force or pressing force F on the workpiece 50 pressed. The joining force F is controllable and preferably adjustable. The joining force can z. B. by means of a prestressed spring, servo-electric motors and / or servopneumatic drives are generated.

Ebenfalls durch die Anpressrolle 300 erfolgt die Abkühlung des Werkstücks 50. Hierzu ist die Anpressrolle 300 als Kühlelement eingerichtet, dessen Temperatur aktiv verändert und eingestellt werden kann. Durch den Kontakt zwischen Anpressrolle 300 und Werkstückoberfläche 58 bildet sich eine Kühlzone 64 hinter der Erwärmungszone 60 aus. Aufgrund der Relativbewegung zwischen Werkstück 50 und Vorrichtung 10 wandern die Erwärmungszone 60 und die Kühlzone 64 entlang des Fügebereichs 56.Also by the pressure roller 300 the cooling of the workpiece takes place 50 , For this purpose, the pressure roller 300 set up as a cooling element whose temperature can be actively changed and adjusted. Through the contact between pressure roller 300 and workpiece surface 58 a cooling zone forms 64 behind the warming zone 60 out. Due to the relative movement between the workpiece 50 and device 10 wander the warming zone 60 and the cooling zone 64 along the joining area 56 ,

2 zeigt eine Aufsicht auf den Induktor 20 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Der Induktor 20 ist als Flächeninduktor ausgeführt mit annähernd rechteckiger Fläche. Die Breite B des Induktors quer zur Fügerichtung 62 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 25 mm, die Länge L 35 mm. Der Induktor 20 ist aus einem Kupferhohlprofil 24 mit einem Rechteckquerschnitt von 3 mm mal 3 mm ausgeführt. Durch das Hohlprofil kann während des Verfahrens zur Kühlung des Induktors 20 ein Kühlmittel geleitet werden. Der Induktor 20 weist zwei spiralförmig angeordnete Windungen auf, die in einem Abstand von ca. 3 mm zueinander verlaufen. Alternativ kann der Induktor auch mit nur einer Windung ausgeführt werden. Aufgrund der Relativbewegung zwischen Induktor 20 und Werkstück 50 kann bereits mit nur einer Windung eine ausreichende induktive Erwärmung erzielt werden. Über die Anschlüsse 26 wird der Induktor 20 an den Schwingkreis und den Kühlmittelkreis angeschlossen. 2 shows a plan view of the inductor 20 according to an exemplary embodiment. The inductor 20 is designed as Flächeninduktor with approximately rectangular area. The width B of the inductor transverse to the joining direction 62 is 25 mm in this embodiment, the length L 35 mm. The inductor 20 is made of a copper hollow profile 24 designed with a rectangular cross-section of 3 mm by 3 mm. Through the hollow profile can during the process for cooling the inductor 20 a coolant to be passed. The inductor 20 has two spirally arranged turns, which run at a distance of about 3 mm to each other. Alternatively, the inductor can also be designed with only one turn. Due to the relative movement between the inductor 20 and workpiece 50 can already be achieved with only one turn sufficient inductive heating. About the connections 26 becomes the inductor 20 connected to the resonant circuit and the coolant circuit.

Zur Verringerung von Randzoneneffekten kann der Induktor auch mit einer runden Fläche ausgeführt werden, z. B. mit einem Außendurchmesser von 25 mm. Andere Materialien und Profilquerschnitte und andere Abmessungen sind je nach Einsatzzweck möglich bzw. angezeigt.To reduce edge zone effects, the inductor can also be designed with a round surface, z. B. with an outer diameter of 25 mm. Other materials and profile cross-sections and other dimensions are possible or indicated depending on the purpose.

3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Anpressrolle 300. Die Anpressrolle weist einen zylindrischen Körper 310 auf, an dessen Stirnseiten koaxial eine erste Achsen 320A und eine zweite Achse 320B angeordnet sind. Die Achsen dienen u. a. zur Lagerung der Anpressrolle 300 in der geeigneten Aufnahme 32. Die Achsen 320A und 320B sind als Hohlachsen mit jeweils einem Kanal 330 ausgebildet. Im Körper 310 der Anpressrolle 300 sind Kühlkanäle ausgebildet in Form eines ersten Ringkanals 340A und eines zweiten Ringkanals 340B, die untereinander durch mehrere Querkanäle 350 verbunden sind. Der erste Ringkanal 340A und der zweite Ringkanal 350B weisen die gleichen Abmessungen auf und sind konzentrisch zu einer Mittenlängsachse 312 der Anpressrolle 300 angeordnet. Der erste Ringkanal 340A ist über einen Zuführkanal 360 mit dem Kanal 330 in der ersten Achse 320A verbunden und der zweite Ringkanal 340B ist über einen Abführkanal 370 mit dem Kanal der zweiten Achse 320B verbunden. Die im Inneren des Körpers 310 verlaufenden Kanäle sind in 1 strichliert dargestellt. 3 shows an exemplary embodiment of the pressure roller 300 , The pressure roller has a cylindrical body 310 on, on whose end faces coaxially a first axis 320A and a second axis 320B are arranged. The axles are used, among other things, for the storage of the pressure roller 300 in the appropriate receptacle 32 , The axes 320A and 320B are as hollow axes, each with a channel 330 educated. In the body 310 the pressure roller 300 are cooling channels formed in the form of a first annular channel 340A and a second annular channel 340B which are interconnected by several transverse channels 350 are connected. The first ring channel 340A and the second ring channel 350B have the same dimensions and are concentric to a central longitudinal axis 312 the pressure roller 300 arranged. The first ring channel 340A is via a feed channel 360 with the channel 330 in the first axis 320A connected and the second ring channel 340B is via a discharge channel 370 with the channel of the second axis 320B connected. The inside of the body 310 running channels are in 1 shown in dashed lines.

Durch diesen Kanalverbund kann ein Kühlmittel, z. B. ein Gas oder eine Flüssigkeit, quer durch die Rolle 300 geleitet werden. Das Kühlmittel wird über die erste Achse 340A zugeführt, fließt über den Zuführkanal 360 in den ersten Ringkanal 340A, über die Querkanäle 350 weiter den zweiten Ringkanal 340B und verlässt die Anpressrolle über den Abführkanal 370 durch den Kanal in der zweiten Achse 320B. Die Zuführung bzw. Abführung des Kühlmittels an den Achsen 320A und 320B kann z. B. über drehbare Schlauchanschlüsse realisiert sein.Through this channel composite, a coolant, for. As a gas or a liquid, across the roll 300 be directed. The coolant is above the first axis 340A fed, flows through the feed channel 360 in the first ring channel 340A , across the cross channels 350 continue the second ring channel 340B and leaves the pressure roller via the discharge channel 370 through the channel in the second axis 320B , The supply or discharge of the coolant to the axles 320A and 320B can z. B. be realized via rotatable hose connections.

Die Anpressrolle 300 besteht vorzugsweise aus austenitischem Edelstahl und kann z. B. mittels Rapid Prototyping hergestellt werden. Der Durchmesser D der Anpressrolle 300 beträgt vorzugsweise 35 mm bis 45 mm und kann insbesondere 40 mm betragen. Die Breite BR der Anpressrolle 300 ist abhängig von der Breite der zu erzeugenden Fügeverbindung und kann z. B. 10 mm bis 30 mm oder z. B. 20 mm betragen. Vorzugsweise ist die Breite BR der Anpressrolle 300 breiter als die Breite B des Induktors 20, z. B. 1 mm bis 10 mm breiter als die Induktorbreite. Die Anpressrolle kann ebenso auch mit anderen Abmessungen, z. B. kleineren Abmessungen technisch umgesetzt werden.The pressure roller 300 is preferably made of austenitic stainless steel and z. B. be prepared by rapid prototyping. The diameter D of the pressure roller 300 is preferably 35 mm to 45 mm and may in particular be 40 mm. The width BR of the pressure roller 300 is dependent on the width of the joint to be produced and z. B. 10 mm to 30 mm or z. B. 20 mm. Preferably, the width BR of the pressure roller 300 wider than the width B of the inductor 20 , z. B. 1 mm to 10 mm wider than the inductor width. The pressure roller can also with other dimensions, eg. B. smaller dimensions are technically implemented.

Die Temperatur der Anpressrolle 300 kann über den Volumenstrom des Kühlmediums und/oder die Temperatur des Kühlmediums beeinflusst werden. Hierzu wird die Anpressrolle 300 über Zuleitungen mit entsprechenden Komponenten verbunden, wie z. B. einem Vorratsbehälter für das Kühlmedium, einer Temperiervorrichtung zur Steuerung der Kühlmitteltemperatur und einer Pumpe. Diese Komponenten können in die Vorrichtung 10 integriert sein.The temperature of the pressure roller 300 can be influenced by the volume flow of the cooling medium and / or the temperature of the cooling medium. For this purpose, the pressure roller 300 connected via leads with corresponding components, such as. B. a reservoir for the cooling medium, a temperature control for controlling the coolant temperature and a pump. These components can be used in the device 10 be integrated.

Während des Fügeverfahrens wird die Abkühlrate der Bauteile 52 und 54 aktiv geführt, insbesondere geregelt. Hierzu ist eine (nicht dargestellte) Temperaturerfassungsvorrichtung vorgesehen, z. B. in Form von Thermoelementen, einem Pyrometer etc. Die Temperaturdaten werden mittels einer Kontrollvorrichtung 70 (siehe 1) ausgewertet und die entsprechenden Regelvorgaben für die Erreichung der gewünschten Abkühlrate bestimmt und weitergegeben, z. B. an die Temperiervorrichtung bzw. die Pumpe.During the joining process, the cooling rate of the components 52 and 54 actively managed, in particular regulated. For this purpose, a (not shown) temperature sensing device is provided, for. B. in the form of thermocouples, a pyrometer, etc. The temperature data by means of a control device 70 (please refer 1 ) and determined and passed on the corresponding rules for achieving the desired cooling rate, z. B. to the temperature control or the pump.

Die Kontrollvorrichtung 70 kann in die Vorrichtung 10 integriert sein oder mit dieser verbunden (drahtlos oder drahtgebunden) sein, angedeutet durch die strichlierte Darstellung in 1. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Kontrollvorrichtung 70 auch zur Steuerung bzw. Regelung des Abstands A zwischen Induktor 20 und Bauteiloberfläche 58 sowie zur Steuerung bzw. Regelung des Anpressdrucks F. Die Kontrollvorrichtung 70 kann ebenso auch die Relativbewegung zwischen Werkstück 50 und Vorrichtung 10 steuern.The control device 70 can in the device 10 be integrated or connected to this (wireless or wired), indicated by the dashed representation in 1 , In a preferred embodiment, the control device is used 70 also for controlling or regulating the distance A between the inductor 20 and component surface 58 and for controlling or regulating the contact pressure F. The control device 70 can also be the relative movement between the workpiece 50 and device 10 Taxes.

Die Relativbewegung zwischen Werkstück 50 und Vorrichtung 10 kann auf verschiedene Arten realisiert werden, z. B. kann das Werkstück 50 bewegt werden oder die Vorrichtung 10 oder es kann eine kombinierte Bewegung sowohl des Werkstücks 50 als auch der Vorrichtung 10 erfolgen. 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei der die Vorrichtung 10 über das Werkstück 50 bewegt wird und 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei der die Vorrichtung 10 ortsfest angeordnet ist.The relative movement between the workpiece 50 and device 10 can be realized in various ways, eg. B. can the workpiece 50 be moved or the device 10 or it can be a combined movement of both the workpiece 50 as well as the device 10 respectively. 4 illustrates an embodiment in which the device 10 over the workpiece 50 is moved and 5 shows an embodiment in which the device 10 is arranged stationary.

Zur Vermeidung einer Wiederholung sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.To avoid repetition, the same components are provided with the same reference numerals.

Das Werkstück 50 ist auf einer Bauteilaufnahme 51 angeordnet und mittels Spannelementen 59 auf dieser befestigt. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 40 der Vorrichtung 10 an einem zweiachsigen Linearsystem 80 befestigt. Die Vorrichtung 10 kann an einer ersten Linearachse 82 senkrecht zur Bauteiloberfläche verfahren werden und an einer zweiten Linearachse 84 in Fügerichtung 62 verfahren werden. Alternativ kann auch ein mehrachsiges Linearsystem verwendet werden, mit z. B. drei oder mehr Achsen.The workpiece 50 is on a component pickup 51 arranged and by means of clamping elements 59 attached to this. At the in 4 embodiment shown is the main body 40 the device 10 on a biaxial linear system 80 attached. The device 10 can at a first linear axis 82 are moved perpendicular to the component surface and on a second linear axis 84 in joining direction 62 be moved. Alternatively, a multi-axis linear system can be used with z. B. three or more axes.

Der Induktor 20 ist in dieser Ausführungsform über (nicht dargestellte) flexible Anschlüsse, wie z. B. Schlauchkabel, in den Schwingkreis eingebunden.The inductor 20 is in this embodiment via (not shown) flexible connections, such. B. hose cable, incorporated into the resonant circuit.

Zur Bewegung der Vorrichtung 10 entlang der Fügerichtung 62 kann z. B. die Anpressrolle 300 angetrieben werden oder des Linearsystem 80 kann motorisch angetrieben sein.To move the device 10 along the joining direction 62 can z. B. the pressure roller 300 be driven or the linear system 80 can be powered by a motor.

In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform wird die Vorrichtung an einem Gelenkarm-Roboter, insbesondere einem 5- oder 6-Achs-Roboter befestigt und von diesem bewegt. Dies ermöglicht weitere Freiheitsgrade und damit das Abfahren auch dreidimensionaler Schweißnaht- bzw. Fügeverläufe.In an alternative embodiment, not shown, the device is attached to an articulated arm robot, in particular a 5- or 6-axis robot and moved by this. This allows more degrees of freedom and thus the departure of three-dimensional weld seam or joining gradients.

5 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die Vorrichtung 10 ortsfest angeordnet ist. Hierzu ist der Grundkörper 40 der Vorrichtung 10 an einem Gestell 42 befestigt. Die Relativbewegung zwischen Werkstück 50 und Vorrichtung 10 wird durch ein mehrachsiges Linearsystem 90 realisiert. Eine erste Achse 92 ermöglicht eine Bewegung des Werkstücks 50 quer zur Fügerichtung, eine zweite Achse 94 die Bewegung senkrecht zur Bauteiloberfläche und eine dritte Achse 96 eine Bewegung entlang der Fügerichtung 62. In dieser Ausführungsform kann auf flexible und lange Anschlüsse wie z. B. Schlauchkabel für den Anschluss des Induktors an den Schwingkreis verzichtet werden. Hierdurch können höhere Frequenzen realisiert werden und es kann die Prozesssicherheit verbessert werden. 5 illustrates an embodiment in which the device 10 is arranged stationary. For this is the main body 40 the device 10 on a rack 42 attached. The relative movement between the workpiece 50 and device 10 is due to a multi-axis linear system 90 realized. A first axis 92 allows movement of the workpiece 50 transverse to the joining direction, a second axis 94 the movement perpendicular to the component surface and a third axis 96 a movement along the joining direction 62 , In this embodiment, flexible and long connections such. B. hose for the connection of the inductor to the resonant circuit can be omitted. As a result, higher frequencies can be realized and process reliability can be improved.

Die Linearsysteme 80, 90 können zusätzlich über zumindest eine Drehachse verfügen.The linear systems 80 . 90 may additionally have at least one axis of rotation.

Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.The embodiments are not to scale and are not restrictive. Modifications in the context of expert action are possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Vorrichtungcontraption
2020
Induktorinductor
2222
Positioniervorrichtungpositioning
2424
KupferhohlprofilCopper hollow profile
2626
Anschlüsseconnections
3030
Anpressvorrichtungpressing device
3232
Aufnahmeadmission
4040
Grundkörperbody
4242
Gestellframe
5050
Werkstückworkpiece
5151
Bauteilaufnahmecomponent pick
52, 5452, 54
Bauteilcomponent
56 56
Fügebereichjoining area
5858
WerkstückoberflächeWorkpiece surface
5959
Spannelementclamping element
6060
Erwärmungszoneheating zone
6262
Fügerichtungjoining direction
6464
Kühlzonecooling zone
7070
Kontrollvorrichtungcontrol device
80, 9080, 90
Linearsystemlinear system
82, 84, 92, 9482, 84, 92, 94
Linearachselinear axis
300300
Anpressrollepressure roller
310310
Körperbody
320A, 320B320A, 320B
Achsenaxes
330330
Kanalchannel
340A, B340A, B
Ringkanalannular channel
350350
Kühlkanalcooling channel
360360
Zuführkanalfeed
370370
Abführkanaldischarge channel
A1, A2A1, A2
Abstanddistance
BB
Breite InduktorWide inductor
BRBR
Breite AnpressrolleWide pressure roller
FF
Fügekraftjoining force
LL
Längelength

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  • DE 102012100620 A1 [0005] DE 102012100620 A1 [0005]

Claims (16)

Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Bauteilen (52, 54) mit den Schritten: – Erwärmen eines Fügebereichs (56) mittels eines Induktors (20), wobei im Fügebereich (56) zumindest ein elektrisch leitfähiger Werkstoff vorhanden ist, – Aufbringen eines Fügedrucks (F) auf den Fügebereich (56) mittels einer Anpressvorrichtung (30) mit zumindest einem Anpresselement (300), wobei das Anpresselement (300) aktiv gekühlt wird zur Abkühlung der Bauteile (52, 54).Method for producing a material connection between components ( 52 . 54 ) comprising the steps of: - heating a joining region ( 56 ) by means of an inductor ( 20 ), whereby in the joining area ( 56 ) at least one electrically conductive material is present, - applying a joining pressure (F) to the joining region ( 56 ) by means of a pressure device ( 30 ) with at least one pressing element ( 300 ), wherein the pressing element ( 300 ) is actively cooled to cool the components ( 52 . 54 ). Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem zur aktiven Kühlung des Anpresselements (300) ein Kühlmedium durch das Anpresselement (300) geleitet wird.Method according to claim 1, wherein for the active cooling of the pressing element ( 300 ) a cooling medium by the pressing element ( 300 ). Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem die Abkühlrate der Bauteile (52, 54) mittels der Temperatur des Anpresselements (300) geregelt wird.Method according to claim 1 or 2, in which the cooling rate of the components ( 52 . 54 ) by means of the temperature of the pressing element ( 300 ) is regulated. Verfahren nach Patentanspruch 3, bei dem der Volumenstrom des Kühlmediums und/oder die Temperatur des Kühlmediums als Stellgröße der Regelung verwendet wird.Method according to claim 3, wherein the volume flow of the cooling medium and / or the temperature of the cooling medium is used as a control variable of the control. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, bei dem der Induktor (10) mit einer Frequenz von 500 kHz oder größer angeregt wird.Method according to one of the claims 1 to 4, wherein the inductor ( 10 ) is excited at a frequency of 500 kHz or greater. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, bei dem die Erwärmung des Fügebereichs (56) geregelt wird.Method according to one of the claims 1 to 5, in which the heating of the joining region ( 56 ) is regulated. Vorrichtung zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Bauteilen, mit: – einem Induktor (20), – einer Anpressvorrichtung (30) mit zumindest einem Anpresselement (300), wobei das Anpresselement (300) weiterhin als aktives Kühlelement ausgebildet ist.Device for producing a material connection between components, comprising: - an inductor ( 20 ), - a pressing device ( 30 ) with at least one pressing element ( 300 ), wherein the pressing element ( 300 ) is further formed as an active cooling element. Vorrichtung nach Patentanspruch 7, bei der in dem Anpresselement (300) Kühlkanäle (340A, 340B, 350) ausgebildet sind zur Durchleitung eines Kühlmediums.Device according to claim 7, in which in the pressing element ( 300 ) Cooling channels ( 340A . 340B . 350 ) are designed for the passage of a cooling medium. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, bei der die Kühlkanäle als zwei Ringkanäle (340A, 340B) ausgebildet sind, die miteinander durch eine Vielzahl von Querkanälen (350) verbunden sind.Device according to claim 8, in which the cooling channels are designed as two ring channels ( 340A . 340B ) formed by a plurality of transverse channels ( 350 ) are connected. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 9, bei der das Anpresselement (300) eine Anpressrolle ist.Device according to one of the claims 7 to 9, wherein the pressing element ( 300 ) is a pressure roller. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 10, wobei das Anpresselement (300) eine Anpressrolle aus einem nicht magnetischem Metall bzw. einer nicht magnetischen Metalllegierung ist, insbesondere aus Edelstahl mit einem austenitischen Gefügeanteil.Device according to one of the claims 7 to 10, wherein the pressing element ( 300 ) is a pressure roller of a non-magnetic metal or a non-magnetic metal alloy, in particular made of stainless steel with an austenitic structure portion. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 11, weiterhin mit einer Kontrollvorrichtung (70), die eingerichtet ist zur Regelung einer Abkühlrate der Bauteile mittels Temperierung des Anpresselements (300).Device according to one of the claims 7 to 11, further comprising a control device ( 70 ), which is designed to control a cooling rate of the components by means of temperature control of the pressing element ( 300 ). Vorrichtung nach Patentanspruch 12, wobei die Kontrollvorrichtung weiterhin eingerichtet ist zur Regelung des Erwärmungsvorgangs.Apparatus according to claim 12, wherein the control device is further adapted to control the heating process. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 13, wobei die Anpressvorrichtung (30) ein einziges Anpresselement in Form einer Anpressrolle (300) aufweist, die benachbart zum Induktor angeordnet ist.Device according to one of the claims 7 to 13, wherein the pressure device ( 30 ) a single contact element in the form of a pressure roller ( 300 ), which is arranged adjacent to the inductor. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 14, die an einer zumindest einachsigen Linearführung (80) angeordnet ist zur Bewegung der Vorrichtung (10) entlang der Bauteile (52, 54) oder die an einem Gelenkarm-Roboter, insbesondere einem 5- oder 6-Achs-Roboter angeordnet ist.Device according to one of the claims 7 to 14, which on an at least uniaxial linear guide ( 80 ) is arranged to move the device ( 10 ) along the components ( 52 . 54 ) or which is arranged on an articulated arm robot, in particular a 5- or 6-axis robot. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 15, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 6 verwendet wird.Device according to one of the claims 7 to 15, which is used for carrying out a method according to one of the claims 1 to 6.
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