DE102014212837B4

DE102014212837B4 - Fügevorrichtung und Verfahren zum aneinander Fügen von toleranzbehafteten Werkstücken

Info

Publication number: DE102014212837B4
Application number: DE102014212837.4A
Authority: DE
Inventors: Karsten Kroeger; Reiner Fritz; Volker Koeninger; Jochen Meyer; Joost Nowak; Ralf Schmidt; Martin Kiefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: DE102014212837A1

Abstract

Fügevorrichtung (1) zum Fügen eines ersten, in einer Strahlungsrichtung (9) eines strahlenförmigen Energieeintrags oberen, toleranzbehafteten Werkstücks (21) an ein zweites, in Strahlungsrichtung (9) unteres toleranzbehaftetes Werkstück (22) mittels des Energieeintrags, insbesondere mittels Laser- Durchstrahl- Schweißen, wobei die Fügevorrichtung (1) eine Spannvorrichtung (12) umfasst, dieeine Trägerfläche (4) aufspannt, undein Spannelement (123) zum Beaufschlagen der Werkstücke (21, 22) mit einer Vorspannkraft in eine Kraftrichtung (43) auf die Werkstücke (21, 22) aufweist, wobeidas Spannelement (123) von einer Grundposition (G), in der die Kraftrichtung (43) in einem Grundwinkel (40) zur Trägerfläche (4) verläuft, in eine Verstellposition (V), in der die Kraftrichtung (43) in einem Verstellwinkel (40') zur Trägerfläche (4) verläuft, verstellbar ist,die Spannvorrichtung (12) einen ersten Spannrahmen (121) umfasst, der reversibel um eine erste Schwenkachse (41) in die erste Richtung (410) verschwenkbar ist, und einen zweiten Spannrahmen (122), der reversibel um eine zweite Schwenkachse (42) in die zweite Richtung (420) verschwenkbar ist,dadurch gekennzeichnet, dassdie Fügevorrichtung (1) einen ersten Sensor (51) zum Erfassen des ersten Schwenkwinkels (411) des ersten Spannrahmens (121) um die erste Schenkachse (41) sowie einen zweiten Sensor (52) zum Erfassen eines zweiten Schwenkwinkels (421) des zweiten Spannrahmens (122) um die zweite Schwenkachse (42) umfasst.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum Fügen eines ersten, in einer Strahlungsrichtung eines strahlenförmigen Energieeintrags oberen, toleranzbehafteten Werkstücks an ein zweites, in Strahlungsrichtung unteres toleranzbehaftetes Werkstück mittels des Energieeintrags, insbesondere mittels Laser- Durchstrahl- Schweißen, wobei die Fügevorrichtung eine Spannvorrichtung zum Einbringen einer Vorspannkraft in eine Kraftrichtung auf die Werkstücke umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Fügen der toleranzbehafteten Werkstücke aneinander.
Werkstücke, beispielsweise aus Kunststoff, werden häufig mittels Laserschweißen stoffschlüssig miteinander verbunden. Beim Durchstrahl-Schweißen ist dafür das Material des dem Laserstrahl zugewandten, oberen Werkstücks für den verwendeten Laserstrahl transparent oder teilweise transparent, so dass der Laserstrahl dieses Werkstück unter geringer oder ohne Materialbeeinflussung durchdringt. Das darunter angeordnete Werkstück ist hingegen für den Laserstrahl nicht transparent ausgebildet und wird mittels des Laserstrahls erwärmt, so dass es schmilzt. Durch die Erwärmung des unteren Werkstücks wird auch das obere Werkstück erwärmt und geschmolzen, so dass sich die Materialien der Werkstücke miteinander verbinden können. Nach dem Abkühlen und Aushärten sind sie stoffschlüssig miteinander verbunden.
Bei toleranzbehafteten Werkstücken ist es erforderlich, dass sich die Fügeflächen der Werkstücke dabei berühren, damit das in Strahlungsrichtung untere Werkstück das obere Werkstück erwärmen und dadurch schmelzen kann, damit keine Spalte in der Schweißnaht zwischen den Werkstücken entstehen und die Schweißnaht gleichmäßig wird.
Um solche Spalte zu vermeiden, offenbart die Druckschrift EP 1 060 837 B1 eine Durchstrahl- Laser- Schweißeinrichtung, in die die Werkstücke eingespannt und an ihren Fügeflächen aneinander gedrückt werden. Bei dieser Schweißeinrichtung werden die Werkstücke zwischen zwei parallel zueinander angeordnete Spannbacken eingespannt.
Jedoch ist der Spanndruck, der bei Verwendung von solchen parallelen Werkzeugen auf die Werkstücke wirkt, aufgrund von Toleranzen der Werkstücke über die Schweißkontur bereichsweise verschieden. Dadurch ist das Schweißergebnis, d. h. die entstehende Schweißnaht, ungleichmäßig.
Die DE 10 2009 053 863 A1 zeigt eine Positioniereinrichtung für ein Handschweißgerät mit einer Andruckblende und einem Positionierring.
Die DE 20 2008 006 180 U1 zeigt eine Laservorrichtung zum Verbinden von Werkstücken aus Kunststoff in Druckstrahltechnik mit einer Fokussiereinrichtung für den Laserstrahl.
Die EP 1 306 196 A1 zeigt eine Haltevorrichtung zum Gegeneinanderdrücken von zwei Werkstücken, wobei die Werkstücke zum Verschweißen mit Laserlicht gegeneinander gepresst werden sollen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Zusammenfügen solcher toleranzbehafteter Werkstücke sowie eine Spannvorrichtung dafür zu schaffen, mit denen die erzielte Schweißnaht verbessert, insbesondere gleichmäßiger, ist, und/oder mit denen der Spanndruck auf die Werkstücke, insbesondere während des Verschweißens, über den Schweißweg konstant ist.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Fügevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den unabhängigen Ansprüche beschrieben.
Dafür wird eine Fügevorrichtung geschaffen, die zum Fügen eines ersten, in einer Strahlungsrichtung eines strahlenförmigen Energieeintrags oberen, toleranzbehafteten Werkstücks an ein zweites, in Strahlungsrichtung unteres toleranzbehaftetes Werkstück mittels des Energieeintrags vorgesehen ist. Die Fügevorrichtung umfasst eine Spannvorrichtung, die eine Trägerfläche aufspannt, und die ein Spannelement aufweist, das zum Einbringen einer Vorspannkraft in eine Kraftrichtung auf die Werkstücke vorgesehen ist.
Das Spannelement ist von einer Grundposition, in der die Kraftrichtung in einem Grundwinkel zur Trägerfläche verläuft, in eine Verstellposition, in der die Kraftrichtung in einem Verstellwinkel zur Trägerfläche verläuft, verstellbar.
Dadurch ist die Kraftrichtung, in der die Vorspannkraft auf die Werkstücke eingebracht wird, in Abhängigkeit von den Toleranzen der Werkstücke einstellbar. Die Werkstücke sind dadurch genauer, insbesondere ohne Spalte zwischen ihnen, aneinander fügbar.
Um das Spannelement von der Grundposition in die Verstellposition zu verstellen, umfasst die Spannvorrichtung einen ersten Spannrahmen, der reversibel um eine erste Schwenkachse in eine erste Richtung verschwenkbar ist, und einen zweiten Spannrahmen, der reversibel um eine zweite Schwenkachse in eine zweite Richtung verschwenkbar ist. Die erste Schwenkachse und die zweite Schwenkachse sind bevorzugt quer zueinander angeordnet.
Die Fügevorrichtung zeichnet sich durch einen ersten Sensor zum Erfassen des ersten Schwenkwinkels und einen zweiten Sensor zum Erfassen eines zweiten Schwenkwinkels aus. Dadurch ist ein Verschwenken des Spannelementes, insbesondere während des Schweißens, erfassbar. Durch Variation der Vorspannkraft ist das Verschwenken des Spannelementes dann gezielt steuerbar.
Als strahlenförmiger Energieeintrag ist ein Laserstrahl bevorzugt. Besonders bevorzugt wird die Fügevorrichtung zum Laser- Durchstrahl-Schweißen verwendet, und ist eine Laser- Durchstrahl-Schweißvorrichtung. Sie eignet sich aber auch für andere Energieeinträge, beispielsweise für Ultraschall zum Fügen mittels Ultraschallschweißen. Im Folgenden wird das Einbringen des Energieeintrags als Schweißen bezeichnet.
Dafür ist es bevorzugt, dass die erste Schwenkachse und/oder die zweite Schwenkachse die Trägerfläche aufspannen. Besonders bevorzugt verlaufen die Schwenkachsen und die Trägerfläche dabei quer zur Strahlungsrichtung. In Abhängigkeit von den Bauraumverhältnissen und/oder der Form der Werkstücke ist aber auch eine andere Anordnung der Schwenkachsen sowie der Trägerfläche zur Strahlungsrichtung, und/oder der Schwenkachsen zueinander, bevorzugt. Zudem ist es ebenfalls bevorzugt, die Strahlungsrichtung in Abhängigkeit von den Bauraumverhältnissen und/oder der Form der Werkstücke zu ändern.
Die Spannvorrichtung weist bevorzugt einen ortsfesten Rahmenhalter auf, in dem der erste Spannrahmen und der zweite Spannrahmen gelagert sind. Der zweite Spannrahmen ist bevorzugt um die zweite Schwenkachse schwenkbar im ersten Spannrahmen angeordnet. Weiterhin bevorzugt ist der erste Spannrahmen um die erste Schwenkachse schwenkbar im ortsfesten Rahmenhalter gelagert. Das Spannelement ist bevorzugt im zweiten Spannahmen angeordnet.
Das Einbringen des Energieeintrags erfolgt bevorzugt durch einen im Spannelement vorgesehenen Durchlass. Das Spannelement ist bevorzugt aus einem für den Energieeintrag beständigen Material gefertigt, beispielsweise aus einem Edelstahl.
Der Durchlass weist bevorzugt eine zum Schweißweg korrespondierende Querschnittskontur auf. Weiterhin bevorzugt weist das Spannelement eine Auflagekante auf, mit der es an einer in Strahlungsrichtung oberen Seite des ersten Werkstücks anliegt. Besonders bevorzugt liegt die Auflagekante auf einem Rand des ersten Werkstücks auf. In Abhängigkeit von der Form der Werkstücke und/oder dem Schweißweg sind aber auch andere Anordnungen denkbar.
Um die Werkstücke in der Fügevorrichtung zu positionieren, ist es bevorzugt, dass die Fügevorrichtung einen Werkstückhalter umfasst. Der Werkstückhalter ermöglicht das Anordnen der Werkstücke aneinander, so dass das erste Werkstück zumindest teilweise am zweiten Werkstück anliegt. Vorzugsweise sind die Werkstücke in vertikaler Richtung übereinander angeordnet. Dafür weist der Werkstückhalter bevorzugt eine Werkstückaufnahme auf, die zur Aufnahme des zweiten Werkstücks vorgesehen ist. Bei vertikaler Anordnung der beiden Werkstücke ist das erste Werkstück dann auf dem zweiten Werkstück platzierbar. Die Erfindung umfasst aber auch eine Fügevorrichtung, bei der nebeneinander angeordnete Werkstücke oder in einem anderen Winkel zueinander angeordnete Werkstücke miteinander verschweißt werden.
Zudem ist es bevorzugt, dass der Werkstückhalter Fixierungsmittel zum Fixieren des zweiten Werkstücks aufweist. Vorzugsweise wird das zweite Werkstück in der Grundposition des Spannelementes fixiert. Besonders bevorzugt wird es mit den Fixierungsmitteln gegen ein Verstellen in und gegen eine horizontale Richtung fixiert. Dadurch kann das Spannelement anschließend in die Verstellposition verstellt werden, ohne die Positionierung des zweiten Werkstücks in und gegen die horizontale Richtung dabei zu verändern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Werkstückaufnahme verschiebbar oder verstellbar. Oder ebenfalls bevorzugt ist der Träger oder der Werkstückhalter, und mit ihm die Werkstückaufnahme, verschiebbar oder verstellbar. Dadurch kann die Werkstückaufnahme dem Spannelement angenähert werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Spannelement, oder die Spannvorrichtung, und mit ihr das Spannelement, verschiebbar oder verstellbar. Dadurch kann das Spannelement der Werkstückaufnahme angenähert werden, insbesondere heran gefahren werden. Bevorzugt sind die Werkstückaufnahme und/oder das Spannelement in vertikaler Richtung höhenverstellbar. Diese Ausführungsform ist dafür vorgesehen, übereinander angeordnete Werkstücke miteinander zu verschweißen.
Die Fixierungsmittel sind bevorzugt als Greifer ausgebildet. Vorzugsweise ist zumindest ein Greifer in eine Greifrichtung verstellbar, so dass die Greifer einander annäherbar sind. Besonders bevorzugt sind beide Greifer gegenläufig zueinander verstellbar. Dadurch ist das zweite Werkstück zwischen den Greifern greifbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fixierungsmittel an einem Trägerbauteil des Werkstückhalters angeordnet. Besonders bevorzugt sind sie ortsfest an dem Trägerbauteil angeordnet. Es ist aber ebenfalls eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die Fixierungsmittel gemeinsam verschiebbar oder verstellbar, insbesondere höhenverstellbar, sind. Dadurch ist die Fügevorrichtung an Werkstücke mit verschiedenen Ausmaßen anpassbar.
Der Werkstückhalter ist bevorzugt höhenverstellbar. Dadurch ist er an das Spannelement heran fahrbar, bis das Spannelement an der oberen Seite des ersten Werkstücks anliegt. Es ist aber auch eine Ausführungsform bevorzugt, bei der das Spannelement oder die Spannvorrichtung an den Werkstückhalter heran fahrbar ist.
Zum Verstellen des Spannelementes von der Grundposition in die Verstellposition ist es bevorzugt, dass das Spannelement mit einer Haltekraft beaufschlagt wird. Die Haltekraft drückt das erste Werkstück auf das zweite Werkstück. Weiterhin bevorzugt wird das Spannelement beim Schweißen mit der Vorspannkraft beaufschlagt, die das erste Werkstück auf das zweite Werkstück drückt. Die Vorspannkraft ist bevorzugt größer als die Haltekraft, da diese zum Verdrängen einer beim Schmelzen des zweiten Werkstücks entstehenden Schmelze genutzt wird.
Weiterhin bevorzugt umfasst die Spannvorrichtung ein Feststellmittel zum Feststellen des Spannelementes in der Verstellposition. Bevorzugt ist das Feststellmittel ein hydraulisches Feststellmittel. Es ist aber auch ein pneumatisch wirkendes Feststellmittel verwendbar. In dieser Ausführungsform lässt das Feststellmittel neben einem Fixieren des Spannelementes in seiner Verstellposition auch ein verstellbares Feststellen zu, bei dem das Verstellen des Spannelementes noch, insbesondere unter Beaufschlagung einer Kraft, gedämpft möglich ist.
Besonders bevorzugt umfasst das Spannelement ein erstes Feststellmittel zum Feststellen des ersten Spannrahmens, und/oder ein zweites Feststellmittel zum Feststellen des zweiten Spannrahmens. In dieser Ausführungsform sind die Spannrahmen getrennt voneinander anwendungsspezifisch feststellbar.
Es ist zudem bevorzugt, dass die Fügevorrichtung einen Niederhalter umfasst, mit einem Auflageelement, das im Durchlass angeordnet ist und das erste Werkstück beim Schweißen an das zweite Werkstück drückt. Das Auflageelement weist bevorzugt eine Querschnittskontur auf, die korrespondierend zu der des Durchlasses ausgebildet ist. Um den Energieeintrag in die Werkstücke zu ermöglichen, ist es weiterhin bevorzugt, dass das Auflageelement kleiner als der Durchlass ist, so dass zwischen dem Auflageelement und dem Durchlass ein Spalt für den Energieeintrag verbleibt.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen eines ersten toleranzbehafteten Werkstücks an ein zweites toleranzbehaftetes Werkstück mittels eines strahlenförmigen Energieeintrags, insbesondere mittels Laser- Durchstrahl- Schweißen, mit einer solchen Fügevorrichtung, mit den Schritten:

a) Anordnen der Werkstücke aneinander, so dass das erste Werkstück zumindest teilweise am zweiten Werkstück anliegt,
b) Anordnen des Spannelementes am ersten Werkstück,
c) Fixieren des zweiten Werkstücks,
d) Beaufschlagen des Spannelementes mit einer Haltekraft, wobei sich das Spannelement von einer Grundposition in eine Verstellposition verstellt,
e1) entweder Fixieren des Spannelementes,
e2) oder verstellbares Feststellen des Spannelementes,
f) Beaufschlagen des Spannelementes mit einer Vorspannkraft,
g) Einbringen eines strahlenförmigen Energieeintrags in eine Strahlungsrichtung in die Werkstücke, und
f) Aushärten der Werkstücke.

Durch das Verstellen des Spannelementes von der Grundposition in die Verstellposition wird das erste Werkstück bereits mit der Haltekraft vor dem Schweißen so an das zweite Werkstück gedrückt, dass weniger oder keine Spalte zwischen den Werkstücken bestehen. Dadurch kann eine zu Spalten führende Welligkeit der Fügeflächen der Werkstücke sehr gut ausgeglichen werden. Dann wird das Spannelement, und über das Spannelement das erste Werkstück, mit einer Vorspannkraft beaufschlagt und verschweißt. Das Verfahren ermöglicht ein stoffschlüssiges Verbinden der Werkstücke miteinander über den gesamten Schweißweg.
Bei verstellbar festgestelltem Spannelement ist das Spannelement, zumindest unter Beaufschlagung einer Kraft, insbesondere der Vorspannkraft, gedämpft verstellbar. Durch das Abschmelzen eines Schmelzrandes wird das erste Werkstück mit dem Spannelement um den Weg, um den der Schmelzrand sich verformt / verkleinert, in Kraftrichtung verschoben. Dadurch ist eine gleichmäßigere Schweißnaht erzielbar.
Wenn das Volumen des Schmelzrandes aufgrund von Toleranzen des Werkstücks variiert, variiert der Weg, um den das erste Werkstück dabei verschoben wird, gegebenenfalls bereichsweise. Um dabei Spannungen im ersten Werkstück zu vermeiden, ist es weiterhin bevorzugt, dass das Verstellen des Spannelementes während des Einbringens des Energieeintrags erfasst und die beaufschlagte Vorspannkraft verändert wird. Vorzugsweise wird die Vorspannkraft bei einem starken Verschieben des Spannelementes verringert. Ebenfalls bevorzugt wird die Vorspannkraft bei geringem oder ausbleibendem Verschieben erhöht. Dadurch sind Differenzen im Volumen des Schmelzrandes, insbesondere Differenzen in seiner Breite, ausgleichbar.
Um die Vorspannkraft und/oder das Verstellen des Spannelementes gezielt zu verändern, ist es zudem bevorzugt, dass der Verstellwinkel, insbesondere durch Erfassung des ersten und zweiten Schwenkwinkels, vor dem Fixieren oder verstellbaren Feststellen des Spannelementes erfasst, oder fortlaufend erfasst wird. Mit diesem Verfahren ist eine sehr gleichmäßige Schmelznaht erzielbar.
Um Differenzen in der Breite des Schmelzrandes auszugleichen, ist es ebenfalls bevorzugt, dass die Leistung des strahlenförmigen Energieeintrags bereichsweise geregelt wird, insbesondere durch Regelung der Geschwindigkeit, mit der der strahlenförmige Energieeintrag den Schweißweg abfährt.
Der Energieeintrag wird dabei entlang eines Schweißweges in die Werkstücke eingebracht. Bevorzugt wird der Schweißweg mehrfach abgefahren, vorzugsweise ca. 8 - 15 Mal.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein. Es zeigen

1 in (a) - (d) verschiedene Ansichten einer Spannvorrichtung für die Fügevorrichtung, und in (e) und (f) jeweils einen Ausschnitt aus der Fügevorrichtung in verschiedenen Ansichten,
2 in (a) eine erste Ausführungsform eines Niederhalters für die Fügevorrichtung aus 1, und in (b) und (c) verschiedene Ansichten einer weiteren Ausführungsform eines Niederhalters für die Fügevorrichtung aus 1, und
3 in (a) ein erstes toleranzbehaftetes Werkstück und einen Ausschnitt aus einem zweiten toleranzbehafteten Werkstück, und in (b) die beiden aneinander angefügten toleranzbehafteten Werkstücke aus (a).

1 zeigt in (a) eine perspektivische Ansicht einer Spannvorrichtung 12 für eine erfindungsgemäße Fügevorrichtung 1, die 1 (b) und (c) jeweils Schnittansichten, und die 1 (d) eine Draufsicht der Spannvorrichtung 12 aus 1 (a).
Die Fügevorrichtung 1 ist zum Fügen eines ersten, in einer Strahlungsrichtung 9 eines strahlenförmigen Energieeintrags oberen, toleranzbehafteten Werkstücks 21 an ein zweites, in Strahlungsrichtung 9 unteres toleranzbehaftetes Werkstück 22 mittels des Energieeintrags, vorgesehen (s. 3). Dafür umfasst sie eine Spannvorrichtung 12 sowie einen Werkstückhalter 13. Zudem umfasst sie eine Strahlungsquelle zum Erzeugen des strahlenförmigen Energieeintrags (nicht gezeigt).
Die Strahlungsquelle ist bevorzugt ein Laser, wobei der strahlenförmige Energieeintrag ein Laserstrahl ist. Dieser wird bevorzugt zum Laser-Durchstrahl- Schweißen verwendet. Die Fügevorrichtung 1 ist aber auch für andere Energieeinträge geeignet, beispielsweise für Ultraschall zum Fügen mittels Ultraschallschweißen. Im Folgenden wird das Einbringen des Energieeintrags als Schweißen bezeichnet.
Die Spannvorrichtung 12 weist ein Spannelement 123 auf, das zum Beaufschlagen der beiden Werkstücke 21, 22 mit einer Vorspannkraft vorgesehen ist. Die Vorspannkraft wirkt in einer Kraftrichtung 43 (s. 1 (b) und (c)) auf die Werkstücke 21, 22. Die Kraftrichtung 43 ist mit dem Spannelement 12 einstellbar. Sie ist in einer Normalenrichtung quer zu einer vom Spannelement 123 aufgespannten fiktiven Ebene (nicht gezeigt) ausgerichtet.
Zum Einstellen der Kraftrichtung 43 ist das Spannelement 123 von einer Grundposition G, in der die Kraftrichtung 43 in einem Grundwinkel 40 zu einer Trägerfläche 4, die die Spannvorrichtung aufspannt, verläuft, in eine Verstellposition V, in der die Kraftrichtung 43 in einem Verstellwinkel 40' zur Trägerfläche 4 verläuft, verstellbar.
Da die Kraftrichtung 43, in der die Vorspannkraft auf die Werkstücke 21, 22 eingebracht wird, einstellbar ist, können Toleranzen der Werkstücke 21, 22, die zu Spalten zwischen den Werkstücken 21, 22 führen, mit der Spannvorrichtung 12 ausgeglichen werden, so dass während des Schweißens keine Spalten zwischen den Werkstücken 21, 22 bestehen.
Die Spannvorrichtung 12 weist dafür einen Rahmenhalter 120 auf, der von einer Montageebene 150 mit Abstandshaltern 124 beabstandet ist. Der Rahmenhalter 120 ist in der Fügevorrichtung 1 ortsfest vorgesehen.
Im Rahmenhalter 120 ist ein erster Spannrahmen 121 reversibel um eine erste Schwenkachse 41 in eine erste Richtung 410 schwenkbar gelagert. Im ersten Spannrahmen 121 ist zudem ein zweiter Spannrahmen 122 reversibel um eine zweite Schwenkachse 42 in eine zweite Richtung 420 schwenkbar gelagert. Die erste Schwenkachse 41 und die zweite Schwenkachse 42 spannen die Trägerfläche 4 auf. Sie sind hier horizontal angeordnet. Das Spannelement 123 ist im zweiten Schwenkrahmen 122 angeordnet.
Bei dieser Anordnung ist das Spannelement 123 mit dem ersten Schwenkrahmen 121 um die erste Schwenkachse 41 in und gegen die erste Richtung 410, und mit dem zweiten Schenkrahmen 122 um die zweite Schwenkachse 42 in und gegen die zweite Richtung 420 schwenkbar. Durch Verschwenken des Spannelementes 123 um die erste und/oder die zweite Schwenkachse 41, 42 wird die Kraftrichtung 43 vom Grundwinkel 40 in den Verstellwinkel 40' verstellt. Der erste Spannrahmen ist dabei bevorzugt um einen ersten Schwenkwinkel von etwa 2 - 5°, besonders bevorzugt um etwa 3 - 4°, ganz besonders bevorzugt um etwa 3,4° verschwenkbar. Der zweite Spannrahmen ist dabei bevorzugt um einen zweiten Schwenkwinkel von etwa 3 - 6°, besonders bevorzugt um etwa 4 - 5°, ganz besonders bevorzugt um etwa 4,5° verschwenkbar.
Das Spannelement 123 weist eine Auflagekante 127 auf, mit der es beim Schweißen an einer in Strahlungsrichtung 9 oberen Seite des ersten Werkstücks 21 anliegt. Die Auflagekante 127 ist eben ausgebildet. In der Grundposition G ist sie vorzugsweise horizontal angeordnet. Der Grundwinkel 40 beträgt in der Grundposition G dann 90°. In der hier gezeigten Ausführungsform ist die Kraftrichtung 43 in der Grundposition G daher quer zur Trägerfläche 4 und die vom Spannelement 123 aufgespannte fiktive Ebene daher parallel der Trägerfläche 4 angeordnet.
Die Form der Auflagekante 127 ist hier korrespondierend zum Querschnitt des ersten Werkstücks 21 ausgebildet. Sie liegt beim Schweißen an einem ersten Rand 210 (s. 3) des ersten Werkstücks 21 an. In Abhängigkeit vom Verlauf des Schweißweges ist aber auch eine andere Kontur der Auflagekante 127 möglich.
1 (b) zeigt einen Schnitt durch die Spannvorrichtung 12 entlang der zweiten Schwenkachse 42 in der Grundposition G.
Bei einem Verschwenken des Spannelementes 123 um die erste Schwenkachse 41 in die erste Richtung 410 wird die Kraftrichtung 43 vom Grundwinkel 40 um den ersten Schwenkwinkel 411 in die erste Richtung 410 in den Verstellwinkel 40' verschwenkt. Die um den Verstellwinkel 40' verschwenkte Kraftrichtung 43' ist mit einem Hochstrich gekennzeichnet. Im Bereich des Spannelementes 123 verläuft die zweite Schwenkachse 42 dann entlang einer fiktiven um den ersten Schwenkwinkel 411 verschwenkten zweiten Schwenkachse 42'. Dies ist mit gestrichelten Linien in der 1 (b) dargestellt.
Dabei wird die Auflagekante 127 parallel der fiktiven zweiten Schwenkachse 42' verschwenkt.
1 (c) zeigt einen Schnitt durch die Spannvorrichtung 12 entlang der ersten Schwenkachse 42 in der Grundposition G.
Bei einem Verschwenken des Spannelementes 123 um die zweite Schwenkachse 42 in die zweite Richtung 420 wird die Kraftrichtung 43 vom Grundwinkel 40 um den zweiten Schwenkwinkel 421 in die zweite Richtung 420 in den Verstellwinkel 40' verschwenkt. Die um den Verstellwinkel 40' verschwenkte Kraftrichtung 43' ist mit einem Hochstrich gekennzeichnet. Im Bereich des Spannelementes 123 verläuft die erste Schwenkachse 41 dann entlang einer fiktiven um den zweiten Schwenkwinkel 421 verschwenkten ersten Schwenkachse 41'. Dies ist mit gestrichelten Linien in der 1 (c) dargestellt.
Dabei wird die Auflagekante 127 parallel der fiktiven ersten Schwenkachse 41' verschwenkt.
Die 1 (b) und (c) zeigen jeweils nur das Verschwenken des Spannelementes 123 um eine der beiden Schwenkachsen 41, 42. Das Spannelement 123 ist aber auch gleichzeitig um beide Schwenkachsen 41, 42 verschwenkbar.
Im Spannelement 123 ist ein Durchlass 125 für den Energieeintrag vorgesehen. Der Durchlass 125 weist eine zum Schweißweg korrespondierende Querschnittskontur auf. Es ist aber auch ein Spannelement 123 verwendbar, dessen Durchlass 125 eine andere Kontur aufweist. Der Durchlass 125 muss aber größer als der Schweißweg sein, und die Auflagekante 127 muss am ersten Werkstück 21 anlegbar sein.
Um die Spannrahmen 121, 122 in der Verstellposition V zu fixieren, weist die Spannvorrichtung 12 ein erstes Feststellmittel 61 zum Feststellen des ersten Spannrahmens 121, und/oder ein zweites Feststellmittel 62 zum Feststellen des zweiten Spannrahmens 122 auf. Mit den Feststellmitteln 61, 62 sind die Spannrahmen 121, 122 so fixierbar, dass sie sich auch unter Beaufschlagung der Vorspannkraft nicht mehr verstellen. Dafür werden bevorzugt hydraulisch und/oder pneumatisch wirkende Feststellmittel 61, 62 genutzt.
Die Feststellmittel 61, 62 lassen aber auch ein verstellbares Feststellen zu, bei dem das Verstellen des Spannelementes 123 noch, insbesondere unter Beaufschlagung einer Kraft, gedämpft möglich ist.
Um bei verstellbar festgestelltem oder nicht festgestelltem Spannelement 123 das Verstellen des Spannelementes 123, insbesondere während des Schweißens, zu erfassen, und/oder die beaufschlagte Vorspannkraft gezielt zu verändern, weist die Spannvorrichtung 12 zudem einen ersten Sensor 51 zum Erfassen des ersten Schwenkwinkels 411 auf, sowie einen zweiten Sensor 52 zum Erfassen eines zweiten Schwenkwinkels 421. Das Verschwenken des Spannelementes 123 ist durch Variation der beaufschlagten Vorspannkraft damit gezielt, insbesondere während des Schweißens, regelbar.
Um die Werkstücke 21, 22 miteinander zu Verschweißen, werden sie zunächst in der Fügevorrichtung 1 angeordnet. Dafür weist die Fügevorrichtung 1 einen Werkstückhalter 13 auf. Der Werkstückhalter 13 ist in den 1 (e) und (f) gezeigt. Die 1 (e) zeigt die Fügevorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht von schräg unten. Dadurch ist das Spannelement 123 von unten erkennbar. Die 1 (f) zeigt die Fügevorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben.
Der Werkstückhalter 13 ist oberhalb der Montageebene 150 angeordnet. Er umfasst eine reversibel in eine Zugrichtung 91 aus der Fügevorrichtung 1 ausziehbare Trägerplatte 130, an der eine Werkstückaufnahme 131 angeordnet ist. Dafür ist an der Trägerplatte 130 ein Griff 132 als Handhabung für den Bediener vorgesehen.
Die Werkstückaufnahme 131 ist topfförmig ausgebildet, so dass das zweite Werkstück 22 in einem Innenraum (nicht bezeichnet) der Werkstückaufnahme 131 platzierbar ist. Das erste Werkstück 21 ist an das zweite Werkstück 22 anlegbar.
Um das zweite Werkstück 22 beim Verschweißen zu fixieren, weist der Werkstückhalter 13 Fixierungsmittel 111, 112 auf. Die Fixierungsmittel 111, 112 sind als Greifer ausgebildet. Sie sind jeweils zum Fixieren des zweiten Werkstücks 22 in eine horizontale Richtung vorgesehen. Dadurch wird das zweite Werkstück 22 bei einem Verschwenken des Spannelementes 123 und/oder des ersten Werkstücks 21, insbesondere beim Verschweißen des ersten mit dem zweiten Werkstück 21, 22, nicht mehr horizontal verstellt. Die Greifer 111, 112 sind dafür reversibel einander annäherbar ausgebildet, beispielsweise in gegensätzliche Richtungen verschiebbar oder verschwenkbar, so dass das zweite Werkstück 22 zwischen den Greifern 111, 112 greifbar ist.
Die Greifer 111, 112 sind hier an einem ortsfesten Trägerbauteil 151 des Werkstückhalters 13 angeordnet. Um die Fügevorrichtung 1 an Werkstücke 21, 22 verschiedener Ausmaße anpassen zu können, ist es ebenfalls bevorzugt, dass die Greifer 111, 112 am Werkstückhalter 13 verschiebbar oder verstellbar, insbesondere höhenverstellbar, sind.
Bei dem hier gezeigten Werkstückhalter 13 ist die Werkstückaufnahme 131 reversibel gegen die Strahlungsrichtung 9 in eine Heberichtung 93 höhenverstellbar. Dafür umfasst der Werkstückhalter einen, insbesondere elektrisch, servoelektrisch, pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen, Hebemechanismus (nicht gezeigt). Um die Werkstücke 21, 22 an das Spannelement 123 anzulegen, wird der Werkstückhalter 131 in die Heberichtung 93 angehoben, bis die in Strahlungsrichtung 9 obere Seite des ersten Werkstücks 21 am Spannelement 123 anliegt.
Bei der dargestellten Fügevorrichtung 1 ist die Strahlungsrichtung 9 die vertikale Richtung von oben. In Abhängigkeit von den Werkstücken 21, 22 ist auch ein Einbringen des Energieeintrags in einem Winkel (nicht gezeigt) größer als 0° zur vertikalen Richtung denkbar.
Die 2 (a) zeigt einen Niederhalter 14 für die Fügevorrichtung 1 der 1 in einer Draufsicht, die 2 (b) den an die Spannvorrichtung 12 der 1 (a) angeordneten Niederhalter 14 der 2 (a), und die 2 (c) einen weitere Ausführungsform eines Niederhalters 14. Der Niederhalter 14 ist optional an die Spannvorrichtung 12 anordbar.
Der Niederhalter 14 weist ein Auflageelement 142 auf, das dafür vorgesehen ist, das erste Werkstück 21 beim Verschweißen an das zweite Werkstück 22 anzudrücken. Dies hat sich als vorteilhaft erwiesen, um einem Verformen des ersten Werkstücks 21 während des Schweißens entgegen zu wirken. Im Vergleich zu einer nur durch die Auflagekante 127 gebildeten Spannfläche wird diese durch das Auflageelement 142 vergrößert. Das Auflageelement 142 ist dafür im Durchlass 125 angeordnet, so dass zwischen dem Auflageelement 142 und dem Spannelement 123 ein Spalt 146 für den Energieeintrag verbleibt.
Der Niederhalter 14 umfasst einen Niederhalterrahmen 140, der oberhalb des Rahmenhalters 120 angeordnet ist. Der Niederhalterrahmen 140 ist mittels Befestigungsträgern 144 ortsfest in der Fügevorrichtung 1 befestigt. Das Auflageelement 142 ist an einem in eine Druckrichtung 94 verschiebbaren Niederhalterträger 141 angeordnet.
Um das erste Werkstück 21 beim Verschweißen mit dem Niederhalter 14 an das zweite Werkstück 22 anzudrücken, sind beidseitig des Niederhalterträgers 141 Kraftmittel 63 angeordnet. Mit den Kraftmitteln 63 ist der Niederhalterträger 141 in Druckrichtung 94 mit einer Kraft beaufschlagbar. Dadurch verschiebt er sich in die Druckrichtung 94. Das Auflageelement ist am Niederhalterträger 141 befestigt, so dass es sich mit ihm in die Druckrichtung 94 verschiebt und das erste Werkstück 21 mit der Kraft an das zweite Werkstück 22 drückt. Die Druckrichtung 94 ist hier die vertikale Richtung nach unten.
Das Auflageelement 142 ist an einem Abstandhalter 145 angeordnet, so dass es vom Niederhalterträger 141 beabstandet ist. Damit es sich an das erste Werkstück 21 anlegt, ist es an einem Kugelgelenk (nicht gezeigt) gelagert. Die Form des hier gezeigten Auflageelementes 142 ist korrespondierend zum Querschnitt des Durchlasses 125 und des ersten Werkstücks 21. Aufgrund der flexiblen/ verschwenkbaren Lagerung mittels des Kugelgelenks ist aber auch eine andere Form denkbar.
Um eine durchgängige Schweißnaht zu erzielen, und den strahlenförmigen Energieeintrag möglichst nicht durch den Niederhalterträger 141 zu behindern, weist der Niederhalterträger 141 der 2 (a) und (b) beidseitig des Auflageelementes 142 jeweils oberhalb des Spaltes 146 eine Ausnehmung 147 auf. Die Ausnehmungen 147 sind so groß, dass der Niederhalterträger 141 im Bereich der Ausnehmungen 147 jeweils nur durch zwei dünne Verbindungsstege 143 gebildet ist. Die beiden Verbindungsstege 143 stellen eine ausreichende Stabilität des Niederhalterträgers 141 sicher. Zudem wird der strahlenförmige Energieeintrag durch sie nur geringfügig verdeckt.
Die Ausführungsform der 2 (c) zeigt einen Niederhalter 14 mit einem Niederhalterträger141, der sich jeweils oberhalb des Spaltes 146 zu einem dünnen Verbindungssteg 143 verjüngt. Bei dieser Ausführungsform ist der strahlenförmige Energieeintrag daher noch weniger verdeckt.
Die 3 zeigt in (a) eine Ausführungsform eines ersten Werkstücks 21 und eines zweiten Werkstücks 22 in einer explosionsartigen Ansicht. Das erste Werkstück 21 ist hier ein Deckel, das zweite Werkstück 22 ein Oberteil einer Wasserpumpe 2. Die Wasserpumpe 2 mit am Oberteil 22 angeschweißtem Deckel 21 zeigt die 3 (b).
Das erste Werkstück 21 weist einen Auflagerand 210 auf, mit dem es vor dem Verschweißen zumindest teilweise an einem Schmelzrand 220 des zweiten Werkstücks 22 anliegt. Um es leicht am zweiten Werkstück 22 positionieren zu können, ist eine Innenkante 211 vorgesehen, die sich quer zum Auflagerand 210 erstreckt.
Der Schmelzrand 220 am zweiten Werkstück 22 ist zum Abschmelzen beim Verschweißen vorgesehen. Er wird durch den strahlenförmigen Energieeintrag beim Verschweißen erwärmt, bis er schmilzt. Durch die beim Schweißen auf die Werkstücke 21, 22 wirkende Vorspannkraft wird der Schmelzrand 220 beim Abschmelzen von dem ersten Werkstück 21 verdrängt. Das erste Werkstück 21 verschiebt sich dabei in die Druckrichtung 94, bis der Auflagerand 210 an einem Anlagerand 221 des zweiten Werkstücks 22 anliegt.
Die Werkstücke 21, 22 weisen Herstellungstoleranzen auf, so dass eine Höhe 212 des Auflagerandes 210, eine Höhe 223 des Schmelzrandes 220 und eine Höhe 222 des Anlagerandes 221, sowie eine Breite (nicht dargestellt) des Schmelzrandes 220 differieren können.
Um eine durchgängige stoffschlüssige und gleichmäßige Schweißnaht (nicht gezeigt) zu erzielen, wird das zweite Werkstück 22 in der Werkstückaufnahme 131 angeordnet. Dafür wird die Trägerplatte 130 aus der Fügevorrichtung 1 in Zugrichtung 91 ausgezogen und das zweite Werkstück 22 anschließend platziert. Danach wird das erste Werkstück 21 am zweiten Werkstück 22 angeordnet, so dass es mit seinem Auflagerand 210 zumindest teilweise am Schmelzrand 220 anliegt. Die Innenkante 211 erstreckt sich dann in das zweite Werkstück 22 hinein.
Das Anordnen des ersten und zweiten Werkstücks 21, 22 in die Werkstückaufnahme 131 erfolgt händisch durch einen Bediener. Es ist aber ebenfalls eine Fügevorrichtung 1 bevorzugt, bei der das Ausziehen der Trägerplatte 130 und/oder das Anordnen der Werkstücke 21, 22 automatisiert sind.
Dann wird das Spannelement 123 in der Grundposition G am ersten Werkstück 21 angeordnet. Dafür wird die Trägerplatte 130 in Heberichtung 93 angehoben, bis das Spannelement 123 am ersten Werkstück 21 anliegt. Anschließend wird das zweite Werkstück 22 in seiner Position mit den Fixierungsmitteln 111, 112 fixiert, so dass sich das zweite Werkstück 22 bei Beaufschlagen des Spannelementes 123 mit einer Kraft nicht mehr horizontal verstellt.
Danach wird der Werkstückhalter 13 weiter angehoben, bis das Spannelement 123 mit einer Haltekraft beaufschlagt ist. Die Haltekraft beträgt bevorzugt etwa 100 - 1 000N, besonders bevorzugt etwa 600 - 800N, ganz besonders bevorzugt 650N. Sie drückt das zweite Werkstück 22 an das erste Werkstück 21, und das erste Werkstück 21 an das Spannelement 123. Dabei verstellt sich das Spannelement 123 von der Grundposition G in die Verstellposition V.
In der hier gezeigten Ausführungsform der Fügevorrichtung 1 wird der Hebemechanismus des Werkstückhalters 13 daher zum Einleiten der Kraft in das Spannelement 123 genutzt. Es sind aber auch andere Ausführungsformen bevorzugt, bei denen beispielsweise die Kraft durch eine separate Kraftquelle (nicht gezeigt) in das Spannelement 123 eingeleitet wird, oder bei denen die Spannvorrichtung 12 zum Werkstückhalter 13 gefahren / abgesenkt wird.
In der Grundposition G werden der erste Schwenkwinkel 411 mit dem ersten Sensor 51 und der zweite Schwenkwinkel 421 mit dem zweiten Sensor 52 erfasst (Abnullen).
Anschließend wird das Spannelement 123 in einer ersten Verfahrensvariante mit den Feststellmitteln 61, 62 fixiert, so dass die Spannrahmen 121, 122 nicht mehr verschwenken können. In einer zweiten Verfahrensvariante wird das Spannelement 123 so festgestellt, dass die Spannrahmen 121, 122 unter Beaufschlagung einer Kraft, insbesondere der Vorspannkraft, zumindest noch schwergängig / gedämpft verschwenkbar sind. Das Feststellen des Spannelementes 123, bei dem die Spannrahmen 121, 122 unter Beaufschlagung der Kraft zumindest noch gedämpft/ schwergängig verschwenkbar sind, ist hier als verstellbares Feststellen bezeichnet.
Anschließend wird das Spannelement 123 durch Anheben des Werkstückhalters 12 mit der Vorspannkraft beaufschlagt. Die Vorspannkraft ist größer als die Haltekraft, da diese zum Verdrängen des Schmelzrandes 220 genutzt wird. Sie beträgt bevorzugt etwa 100 - 1 000N, besonders bevorzugt etwa 850N.
Danach wird der strahlenförmige Energieeintrag in die Werkstücke 21, 22 eingebracht. Er durchdringt das erste, in Strahlungsrichtung 9 obere Werkstück 21, mit nur geringfügiger Materialbeeinflussung. Das zweite, in Strahlungsrichtung 9 untere Werkstück 22 wird mit dem strahlenförmigen Energieeintrag erwärmt. Der Energieeintrag wird so eingeleitet, dass er auf den Schmelzrand 220 des zweiten Werkstücks 22 trifft und diesen erwärmt. Der Schweißweg verläuft daher entlang des Schmelzrandes 220.
Dieser wird so stark erwärmt, dass er schmilzt. Dabei wird der an ihm anliegende Bereich des ersten Werkstücks 21 ebenfalls erwärmt und schmilzt.
Durch die Vorspannkraft wird das erste Werkstück 21 so stark an das zweite Werkstück 22 angedrückt, dass der Schmelzrand 220 dabei zumindest teilweise verdrängt wird.
Der strahlenförmige Energieeintrag wird dabei in das zweite Werkstück 22 eingebracht, indem der Schmelzweg etwa 8 - 15 mal, vorzugsweise 10 - 12 Mal, abgefahren wird. Für den strahlenförmigen Energieeintrag wird dabei bevorzugt ein Laser mit einer Leistung von etwa 200 Watt genutzt. Geeignete Laser weisen eine Leistung von etwa 30 - 500 Watt auf.
Anschließend wird der strahlenförmige Energieeintrag gestoppt, wobei die Vorspannkraft für eine Nachhaltezeit beibehalten wird, bis die Materialien der Werkstücke 21, 22 ausgehärtet sind. Die Nachhaltezeit beträgt bevorzugt etwa 1s. Da die Materialien beider Werkstücke 21, 22 während des Schweißens schmelzen, verbinden die Werkstücke 21, 22 sich entlang der Schweißnaht stoffschlüssig miteinander.
Bei der ersten Verfahrensvariante ist die Vorspannkraft während des Verschweißens der Werkstücke 21, 22 konstant. Zudem sind die Spannrahmen 121, 122 in der Verstellposition V festgestellt, so dass sich das erste Werkstück 21 und das Spannelement 123 beim Schweißen nicht mehr verstellen.
Jedoch kann die dabei entstehende Schweißnaht aufgrund von Herstellungstoleranzen, wie beispielsweise eine sich ändernde Höhe 212, 223, 222 des Auflagerandes 210, des Schmelzrandes 220 oder des Anlagerandes 221, oder eine sich ändernde Breite des Schmelzrandes 220, ungleichmäßig dick sein, und/oder der Schmelzrand 220 ist gegebenenfalls nicht vollständig abgeschmolzen / verdrängt.
Um solche Toleranzen weiter auszugleichen, wird die zweite Verfahrensvariante genutzt. Bei dieser Verfahrensvariante bleiben die Spannrahmen 121, 122 unter Beaufschlagung einer Kraft, insbesondere der Vorspannkraft, noch gedämpft verschwenkbar. Dadurch wird das erste Werkstück 21 bei einem ungleichmäßigen Abschmelzen des Schmelzrandes 220 verstellt / verkippt. Mit ihm verstellt sich das Spannelement 123, so dass die Spannrahmen 121, 122 verschwenken.
Die zweite Verfahrensvariante ist mit konstanter Vorspannkraft durchführbar. Allerdings besteht bei bereichsweise verschieden starkem Abschmelzen des Schmelzrandes 220 die Gefahr, dass im ersten Werkstück 21 dabei Spannungen auftreten.
Daher wird das Verschwenken der Spannrahmen 121, 122 während des Schweißens in einer dritten Verfahrensvariante jeweils erfasst. Dafür werden die Sensoren 51, 52 genutzt. Sie sind hier als Wegmesssensoren ausgebildet. Verschwenkt das Spannelement 123, wird dies als ein Verschwenken eines der, oder als ein Verschwenken beider Spannrahmen 121, 122 erfasst. Die erfassten Messwerte werde dafür genutzt, die beaufschlagte Vorspannkraft zu regeln.
Die beaufschlagte Vorspannkraft wird verändert, indem der Hebemechanismus den Werkstückhalter 13 absenkt oder anhebt. Bei einem starken Verschwenken, beispielsweise aufgrund eines schmalen Schmelzrandes 220, wird die Vorspannkraft verringert, indem der Werkstückhalter 13 gegen die Heberichtung 93 abgesenkt wird. Bei einem schwachen Verschwenken, beispielsweise aufgrund eines breiten Schmelzrandes 220, wird die Vorspannkraft erhöht, indem der Werkstückhalter 13 in die Heberichtung 93 angehoben wird.
Die dritte Verfahrensvariante sieht daher eine bewusste Regelung der Vorspannkraft in Abhängigkeit von den Schwenkwinkeln 411, 421 der Spannrahmen 121, 122 vor. Dadurch wird ein Verziehen des ersten Werkstücks 21 beim Schweißen verringert oder sogar vermieden. Zudem ist die Schweißnaht sehr gleichmäßig.
Die Spannvorrichtung 12 ermöglicht ein Verstellen / Verschwenken des ersten Werkstücks 21, so dass es trotz Herstellungstoleranzen besser am zweiten Werkstück 22 anliegt. Die Werkstücke 21, 22 können dann in einer ersten Verfahrensvariante mit derselben Vorspannkraft über den gesamten Schweißweg verschweißt werden.
Um Spalte zwischen den Werkstücken 21, 22 noch weiter zu verringern oder zu vermeiden, und um eine noch weiter verbesserte Schweißnaht zu erzielen, ermöglicht die Fügevorrichtung 1 zudem ein Verstellen des Spannelementes 123 während des Schweißens. In dieser zweiten Verfahrensvariante ist ein Verschwenken des ersten Werkstücks 21 auch während des Schweißens möglich.
Um ein Verziehen des ersten Werkstücks 21 beim Verschweißen zu vermeiden, ermöglicht die Fügevorrichtung 1 zudem, dass die Vorspannkraft bei während des Schweißens verstellbarem Spannelement 123 während des Schweißens gezielt verändert wird. In dieser dritten Verfahrensvariante werden vor allem Differenzen im Volumen des zum Aufschmelzen vorgesehenen Schmelzrandes 220, insbesondere Differenzen in der Breite des Schmelzrandes 220, ausgeglichen. Bei breitem Schmelzrand 220 kann dann eine größere Vorspannkraft genutzt werden, als bei einem schmalen Schmelzrand 220. Dadurch ist auch bei stark variierendem Schmelzrand 220 eine gleichmäßige Schweißnaht erzielbar.
Alternativ oder zusätzlich wird die Leistung des strahlenförmigen Energieeintrags bereichsweise geregelt, beispielsweise indem die Geschwindigkeit, mit der der strahlenförmige Energieeintrag den Schweißweg abfährt, ortsabhängig geregelt wird. Auch dadurch können Differenzen in der Breite des Schmelzrandes 220 ausgeglichen, und eine gleichmäßige Schweißnaht erzielt werden.
Die dargestellte Fügevorrichtung 1 ist zum Fügen zweier übereinander angeordneter Werkstücke 21, 22 ausgebildet. Die Erfindung umfasst aber auch eine Fügevorrichtung 1 mit anders zueinander angeordneten Werkstücken 21, 22, bei der diese in einem Winkel größer als 0° zur vertikalen Richtung, insbesondere nebeneinander, angeordnet sind. Die Anordnung der Spannvorrichtung 12, des Werkstückhalters 13 und/oder der Strahlungsquelle sind dann dementsprechend angepasst.

Claims

Fügevorrichtung (1) zum Fügen eines ersten, in einer Strahlungsrichtung (9) eines strahlenförmigen Energieeintrags oberen, toleranzbehafteten Werkstücks (21) an ein zweites, in Strahlungsrichtung (9) unteres toleranzbehaftetes Werkstück (22) mittels des Energieeintrags, insbesondere mittels Laser- Durchstrahl- Schweißen, wobei die Fügevorrichtung (1) eine Spannvorrichtung (12) umfasst, die eine Trägerfläche (4) aufspannt, und ein Spannelement (123) zum Beaufschlagen der Werkstücke (21, 22) mit einer Vorspannkraft in eine Kraftrichtung (43) auf die Werkstücke (21, 22) aufweist, wobei das Spannelement (123) von einer Grundposition (G), in der die Kraftrichtung (43) in einem Grundwinkel (40) zur Trägerfläche (4) verläuft, in eine Verstellposition (V), in der die Kraftrichtung (43) in einem Verstellwinkel (40') zur Trägerfläche (4) verläuft, verstellbar ist, die Spannvorrichtung (12) einen ersten Spannrahmen (121) umfasst, der reversibel um eine erste Schwenkachse (41) in die erste Richtung (410) verschwenkbar ist, und einen zweiten Spannrahmen (122), der reversibel um eine zweite Schwenkachse (42) in die zweite Richtung (420) verschwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügevorrichtung (1) einen ersten Sensor (51) zum Erfassen des ersten Schwenkwinkels (411) des ersten Spannrahmens (121) um die erste Schenkachse (41) sowie einen zweiten Sensor (52) zum Erfassen eines zweiten Schwenkwinkels (421) des zweiten Spannrahmens (122) um die zweite Schwenkachse (42) umfasst.
Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwenkachse (41) und/oder die zweite Schwenkachse (42) die Trägerfläche (4) aufspannen.
Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (123) im zweiten Spannahmen (122) angeordnet ist.
Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spannrahmen (122) um die zweite Schwenkachse (42) schwenkbar im ersten Spannrahmen (121), und der erste Spannrahmen (121) um die erste Schwenkachse (41) schwenkbar in einem ortsfesten Rahmenhalter (120) gelagert sind.
Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein erstes Feststellmittel (61) zum Feststellen des ersten Spannrahmens (121), und/oder ein zweites Feststellmittel (62) zum Feststellen des zweiten Spannrahmens (122) umfasst.
Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (123) eine Auflagekante (127) aufweist, die an einer in Strahlungsrichtung (9) oberen Seite des ersten Werkstücks (21) anliegt.
Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (123) einen Durchlass (125) für den Energieeintrag umfasst.
Fügevorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Niederhalter (14) umfasst, mit einem Auflageelement (142), das im Durchlass (125) angeordnet ist und das erste Werkstück (21) beim Schweißen an das zweite Werkstück (22) drückt.
Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Werkstückhalter (13) zum Positionieren der Werkstücke (21, 22) in der Fügevorrichtung (1) umfasst, mit einer Werkstückaufnahme (131) zur Aufnahme des zweiten Werkstücks (22), und mit Fixierungsmitteln (111, 112) zum Fixieren des zweiten Werkstücks (22).
Fügevorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückaufnahme (131) höhenverstellbar ist.
Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen eines ersten toleranzbehafteten Werkstücks (21) an ein zweites toleranzbehaftetes Werkstück (22) mittels eines strahlenförmigen Energieeintrags, insbesondere mittels Laser-Durchstrahl- Schweißen, mit einer Fügevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, mit den Schritten: a) Anordnen der Werkstücke (21, 22) aneinander, so dass das erste Werkstück (21) zumindest teilweise am zweiten Werkstück (22) anliegt, b) Anordnen eines Spannelementes (123) in einer Grundposition (G) am ersten Werkstück (21), c) Fixieren des zweiten Werkstücks (22), d) Beaufschlagen des Spannelementes (123) mit einer Haltekraft, wobei sich das Spannelement (123) von der Grundposition (G) in eine Verstellposition (V) verstellt, e1) entweder Fixieren des Spannelementes (123), e2) oder verstellbares Feststellen des Spannelementes (123), f) Beaufschlagen des Spannelementes (123) mit einer Vorspannkraft, g) Einbringen eines strahlenförmigen Energieeintrags in eine Strahlungsrichtung (9) in die Werkstücke (21, 22), und f) Aushärten der Werkstücke (21, 22).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei verstellbar festgestelltem Spannelement (123) ein Verstellen des Spannelementes (123) während des Einbringens des Energieeintrags erfasst und die beaufschlagte Vorspannkraft verändert wird.