DE102019129379A1

DE102019129379A1 - Vorrichtung und Verfahren zum thermischen Fügen mittels Energiestrahls

Info

Publication number: DE102019129379A1
Application number: DE102019129379.0A
Authority: DE
Inventors: Carsten Rösler
Original assignee: Sklt Strahlkraft Lasertechnik GmbH
Current assignee: Scansonic MI GmbH
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-02-25
Also published as: WO2021032241A1; DE102019129378A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum thermischen Fügen von Werkstücken (7) mittels eines Energiestrahls (6) unter Zuführung von drahtförmigem Zusatzwerkstoff (9). Sie ermöglichen es, großvolumige Fügeverbindungen, insbesondere einlagige Schweiß- oder Lötnähte, mit hoher Positionsgenauigkeit prozessstabil zu erzeugen. Das Verfahren zum thermischen Fügen zeichnet sich durch Zuführung eines Drahtbandes (3) aus aus parallel nebeneinanderliegenden, einzeln längsverschieblichen Drähten (2) aus, wobei das Drahtband (3) die zu fügenden Werkstücke (7) in Form einer Brücke kontaktiert. Das Drahtband (3) wird mittels des aufgeweiteten, aufgeteilten oder pendelnd bewegten Energiestrahls (6) aufgeschmolzen; nachfolgend erstarrt der Zusatzwerkstoff (9) unter Ausbildung einer stoffschlüssigen Fügeverbindung der Werkstücke (7). Die Vorrichtung zum thermischen Fügen umfasst einen Strahlkopf (5) sowie eine Drahtzuführeinheit (1), die die verfahrensgemäße Ausrichtung des Drahtbandes (3) in Relation zum Energiestrahl (6) gewährleisten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum thermischen Fügen von Werkstücken mittels eines Energiestrahls unter Zuführung von drahtförmigem Zusatzwerkstoff. Sie eignen sich insbesondere zur Herstellung großvolumiger Schweiß- oder Lötnähte.
Herkömmliche drahtgebundene automatisierte Fügeprozesse, deren Energie mittels eines Energiestrahls, insbesondere eines Laser- oder Elektronenstrahls, eingebracht wird, nutzen regelmäßig Einzeldrähte als Zusatzwerkstoff. Die Drahtzuführung erfolgt mittels Austritts- bzw. Drahtdüsen, die den Einzeldraht jeweils vollständig umschlie-ßen. Der Zusatzwerkstoff-Draht wird durch ein zylindrisches Zuführungsrohr in die Drahtdüse geführt, aus der er dann vorzugsweise unter einem Winkel von 20° bis 60° auf die Werkstückoberfläche auftrifft. Der Draht wird anschließend am sogenannten Prozesspunkt vom Energiestrahl getroffen und ggf. gemeinsam mit Teilbereichen der Werkstücke aufgeschmolzen. Das Zuführungsrohr und die Drahtdüse sind zumeist als rotationssymmetrische Drehteile ausgeführt.
Nach dem Stand der Technik wird die Drahtdüse beim Auswechseln über den einzelnen, aus dem Zuführungsrohr hinausragenden Draht geschoben und anschließend durch Rotation um die Drahtachse in das Zuführungsrohr eingeschraubt. Der Draht ragt üblicherweise zwischen 6 und 10 mm aus dem drahtaustrittsseitigen Ende der Drahtdüse heraus, bevor auf den Prozesspunkt trifft. Der Abstand zwischen der Austrittsfläche am drahtaustrittsseitigen Ende der Drahtdüse und dem Prozesspunkt wird auch als „Sickout“ bezeichnet. Um die Zugänglichkeit zum Werkstück zu verbessern und Kollisionen zwischen dem drahtaustrittsseitigen Ende der Drahtdüse und dem oder den Werkstücken zu vermeiden, werden die Drahtdüsen drahtaustrittsseitig regelmäßig konisch gedreht.
Für eine sichere Prozessführung ist es vorteilhaft, dass der Draht im Bereich der Fügezone spaltfrei auf dem Werkstück aufliegt. Diese spaltfreie Lage des Drahtes auf dem Werkstück wird mittels technischer Einrichtungen, vorzugsweise durch kraftbelastete Teleskopmechanismen, zum Beispiel durch einen Teleskoparm, sichergestellt. Mittels Federkraft, Luftdruck oder elektrischem Antrieb wird eine entlang der Teleskopachse des Teleskopmechanismus wirkende Ausrückkraft aufgebracht. Die Drahtdüse überträgt die aus dem Teleskopmechanismus über das Führungsrohr eingeleitete Kraft auf den Draht, der folglich stetig auf das Werkstück gedrückt wird. Höhenabweichungen entlang des Stoßes der zu fügenden Werkstücke werden hierdurch ausgeglichen.
Beim Fügen mittels einzelnem Draht liegt der Prozesspunkt, d. h. der Fokus des Energiestrahls, zwischen den beiden Kontaktpunkten des Drahtes an den Werkstücken. Die Füllung des Nahtvolumens von Kehl- oder Stumpfnähten beginnt infolgedessen beim Einzeldrahtfügen durch Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes an dem zwischen den Kontaktpunkten liegenden Wurzelpunkt und breitet sich von hier aus in Richtung der Nahtoberseite bzw. zu den Kontaktpunkten aus.
Der Energiestrahl ist beim konventionellen Fügen mit einzelnem Zusatzwerkstoff-Draht im Regelfall unveränderlich positioniert. Die Intensität des Energiestrahls ist so eingestellt, dass der Zusatzwerkstoff und ggf. die Teilbereiche der zur fügenden Werkstücke aufgeschmolzen werden, um die gewünschte stoffschlüssige Verbindung zu bilden.
Es ist bekannt, dass die Ausgleichsbewegung durch den Teleskopmechanismus mittels eines Positionssensors bzw. Wegaufnehmers erfasst werden kann. Das mit dem Positionssensor erfasste Positionssignal wird dazu genutzt, die Fokuslage des Energiestrahls nachzuführen, um die einkoppelte Leistung des Energiestrahls im Prozesspunkt konstant zu halten. Diese Korrektur erfolgt beim Einzeldrahtfügen gemäß der oben dargestellten Zusammenhänge in Bezug zum Wurzelpunkt der Fügenaht.
Einer der Nachteile der auf Einzeldrähten basierenden Fügetechnologie ist die bei spezifischen Fügeaufgaben ggf. unzureichende Menge an Zusatzwerkstoff, der in einer vorgegebenen Zeiteinheit in den Bereich der Fügezone eingebracht werden kann, da die Förder- bzw. Zuführgeschwindigkeit des Drahtes ebenso wie der Drahtdurchmesser prozesstechnisch beschränkt sind.
Sind aus Geometriegründen, vor allem aber aus Festigkeitsgründen, besonders große Fügenähte erforderlich, ist die Eindrahtfügetechnologie nur bedingt anwendbar, ggf. auch nur in Zusammenhang mit einer - dann häufig unwirtschaftlichen - Mehrlagentechnik.
Ein weiterer Nachteil des thermischen Fügens mit Einzeldraht tritt beim Verbinden von Werkstücken auf, die am Fügestoß nur mit größeren und/oder schwankenden Spaltbreiten zueinander positioniert werden können oder zwischen denen es durch den thermischen Verzug während des Fügens zur Ausbildung entsprechender Spalte kommt. Je breiter der Spalt, desto weiter wird der Einzeldraht und mit ihm auch der Prozesspunkt in den Spalt hinein verschoben. Dies kann eine ungleichmäßige Aufschmelzung der zu fügenden Werkstücke und damit eine ungleichmäßige Anbindung der Werkstücke mit Zusatzwerkstoff zur Folge haben. Zudem kann bei zu großen Spalten die Stabilität des Schmelzbades beeinträchtigt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die geschilderten Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum thermischen Fügen von Werkstücken mittels eines Energiestrahls bereitzustellen, die es ermöglichen, großvolumige Fügeverbindungen, insbesondere einlagige Schweiß- oder Lötnähte, mit hoher Positionsgenauigkeit prozessstabil zu erzeugen, wobei die Materialverteilung des Zusatzwerkstoffes und die ggf. aufgeschmolzenen Bereiche der Werkstücke variabel einstellbar sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum thermischen Fügen mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum thermischen Fügen mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 7 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 sowie 8 bis 12 aufgeführt.
Nach Maßgabe der Erfindung umfasst die Vorrichtung zum thermischen Fügen von Werkstücken mittels eines Energiestrahls, zum Beispiel eines Laser- oder Elektronenstrahls, eine Drahtzuführeinheit sowie einen Strahlkopf mit Strahlformungs-, Strahlteilungs- und/oder Strahlbewegungseinheit. Die Drahtzuführeinheit und der Strahlkopf sind mittels eines Teleskoparmes miteinander verbunden. Der Teleskoparm ist entlang seiner Teleskopachse gegen eine Ausrückkraft verschiebbar, d. h., der Teleskoparm steht unter einer längsgerichteten Druckspannung. Die Ausrückkraft wird mit bekannten technischen Mitteln, zum Beispiel durch eine Feder, durch eine pneumatischen Vorrichtung oder einen elektrischen Antrieb, erzeugt.
Die Drahtzuführeinheit weist eine Drahtdüse mit einem Drahtbandkanal zur Führung mindestens eines Drahtbandes aus parallel nebeneinanderliegenden, einzeln längsverschieblichen Drähten auf, wobei sich das Drahtband in einer von den Drähten aufgespannten Drahtbandebene im Drahtbandkanal erstreckt.
Der Strahlkopf ist dazu eingerichtet, den Energiestrahl um eine mittlere Strahlachse aufzuweiten, aufzuteilen oder pendelnd zu bewegen. Die mittlere Strahlachse und die Teleskopachse liegen erfindungsgemäß in einer Führungsebene, die orthogonal zur Drahtbandebene ausgerichtet ist.
Das Verfahren zum thermischen Fügen ist mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung ausführbar bzw. wird mit dieser ausgeführt, wobei mehrere in eine Fügezone zugeführte Drähte mittels des aufgeweiteten, aufgeteilten oder pendelnd bewegten Energiestrahls aufgeschmolzen werden und als Zusatzwerkstoff unter Ausbildung einer stoffschlüssigen Fügeverbindung der Werkstücke erstarren. Bei Schweißverfahren werden neben dem Drahtwerkstoff auch Teilbereiche der Werkstücke aufgeschmolzen; bei Lötverfahren erfolgt im Regelfall nur ein Aufschmelzen des Drahtwerkstoffes. Der im Wesentlichen aus dem Drahtwerkstoff gebildete Zusatzwerkstoff kann also - je nach Art des Fügeverfahrens - nach dem Aufschmelzen Werkstoffanteile aus aufgeschmolzenem Werkstückwerkstoff enthalten.
Die Drähte werden einzeln längsverschieblich in dem Drahtband parallel nebeneinanderliegend in die Fügezone zugeführt, wobei mindestens die beiden randseitigen Drähte des Drahtbandes an einem Kontaktpunkt an jeweils einem der zu fügenden Werkstücke angedrückt werden. Das Drahtband bildet hierbei eine Brücke zwischen den zu fügenden Werkstücken aus, wobei es im einfachsten Fall an zwei Kontaktpunkten an den zu verbindenden Werkstücken anliegt.
Die Aufweitung, die Teilung und/oder die Bewegung des Energiestrahls werden erfindungsgemäß so eingestellt, dass der Energiestrahl das Drahtband in seiner Quererstreckung erfasst. D. h., bei Strahlaufweitung oder bei Strahlteilung deckt der aufgeweitete oder geteilte Energiestrahl simultan die gesamte Breite des Drahtbandes ab; bei pendelnder Bewegung überstreicht der Energiestrahl in schneller Folge die gesamte Drahtbandbreite. Die mittlere Strahlachse des Energiestrahls ist vorzugsweise zentrisch auf das Drahtband gerichtet.
Einer der Vorteile des Verfahrens ist, dass durch die Zuführung der Drähte in Form des Drahtbandes eine - im Vergleich zum Einzeldraht - relativ große Menge an Zusatzwerkstoff in die Fügezone der zu verbindenden Werkstücke eingebracht werden kann, wobei das Drahtband mittels der Drahtdüse sehr genau in Bezug zu den zu fügenden Werkstücken positionierbar ist. Durch den mit der Ausrückkraft beaufschlagtem Teleskoparm, wird das Drahtband stetig gegen das Werkstück gedrückt. Dieses stetige Anliegen der Drähte an den Werkstücken ermöglicht, insbesondere bei Herstellung von Schweiß- oder Lötnähten, die Ausbildung einer exakt definierten Schmelzbadgeometrie und gewährleistet somit eine hohe Prozessstabilität bei Herstellung der Fügeverbindung.
Zudem können ungleichmäßige Spalte an Stumpf- oder T-Stößen durch das Drahtband ohne qualitative Einbußen der Fügenaht überbrückt werden.
Großvolumigen Schweiß- und Lötverbindungen, die bei Verwendung von Einzeldrähten nur mittels Mehrlagentechnik herstellbar sind, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens vielfach bereits in Einlagentechnik gefertigt werden. Soweit erforderlich, ist das Verfahren aber auch in Mehrlagentechnik für besonders großvolumigen Fügeverbindungen oder für den additiven Aufbau von Formkörpern anwendbar.
Des Weiteren kann das Drahtband durch Verkippung und Verschiebung in Relation zu den zu fügenden Werkstücken variabel positioniert werden. Durch die Wahl der Lage und des Abstandes der Kontaktpunkte ist es möglich, die Lage und die Breite der zu erzeugenden Fügeverbindung sowie der jeweiligen Anbindungsbereiten an den Werkstücken vorzubestimmen. Dies erlaubt u. a. die beanspruchungsgerechte Gestaltung der Schweiß- und Lötnahtgeometrie.
Das Drahtband kann sowohl ein- als auch mehrlagig aufgebaut sein. Die randseitig positionierten Drähte des Drahtbandes, die den Kontakt zu den Werkstücken bilden, ergeben sich jeweils aus der Anordnung der zu fügenden Werkstücke und der Position und Lage des Drahtbandes in Relation zu den Werkstücken.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Energiestrahl so gesteuert, dass die Aufschmelzung der Drähte des Drahtbandes an den Kontaktpunkten beginnt. Durch die Initiierung des Aufschmelzens an den Kontaktpunkten gelingt es, trotz der größeren Menge an Zusatzwerkstoff, ein relativ kleines, stabiles Schmelzbad mit schnell nachlaufender Erstarrungsfront zu erzeugen.
Das Verfahren wird vorzugsweise mit einem Sickout im Bereich von 5 mm bis 12 mm durchgeführt. Der Sickout ist hierbei der Abstand zwischen der Austrittsfläche am drahtaustrittsseitigen Ende der Drahtdüse und dem Punkt, an dem der am Werkstück anliegende Draht mittels des Energiestrahls aufgeschmolzen wird. In dem so gewählten Sickout-Bereich ist eine besonders gute Führung und Positionierung des Drahtbandes erreichbar.
Die parallel im Drahtband benachbart liegenden Drähte berühren sich vorzugsweise; dies verbessert die gegenseitige Führung, insbesondere dann, wenn die Drähte mit jeweils unterschiedlicher Zuführungsgeschwindigkeit gefördert werden. Das Verfahren ist ebenfalls mit geringem Abstand zwischen den Drähten oder mit gezielt eingestellten Lücken ausführbar. Die Anwendung von Drahtbändern mit Lücken erfolgt vorzugsweise im oben angegebenen Sickout-Bereich.
Zur verbesserten Führung der Drahtbandes weist der Drahtbandkanal der Drahtdüse eine dem Drahtband angepasste Form auf. Der Drahtbandkanal besitzt bei einem einlagigen Drahtband beispielsweise einen oval-rechteckigen Querschnitt, in dem das Drahtband weitgehend spielfrei geführt ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Drahtzuführeinheit ein Zuführungsrohr auf, das mit der Drahtdüse formschlüssig verbindbar ist, wobei die Drahtdüse am Zuführungsrohr gegen Verdrehung und Verschiebung arretierbar ist. Die Drahtdüse ist beispielswiese formschlüssig auf das Führungsrohr aufgeschoben und mittels einer Klemmvorrichtung an diesem fixiert.
Die Drahtdüse kann ein oder zwei abgeflachte Ausnehmungen bzw. Freimachungen aufweisen, die derart gestaltet sind, dass die Drahtdüse in der senkrecht zur Drahtbandebene liegenden Schnittebene eine zum Drahtaustritt der Drahtdüse sich verjüngende Außenkontur aufweist. Durch die Ausnehmungen bzw. Freimachungen können in spezifischen Bearbeitungssituationen Kollisionen der Drahtdüse mit den Werkstücken und/oder dem Energiestrahl vermieden werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Drahtdüse eine in den Drahteintritt des Drahtbandkanals sich trichterförmig verjüngende Innenkontur aufweist. Der Trichterwinkel ist möglichst flach, d. h. deutlich kleiner als 90°, gewählt. Die trichterförmige Innenkontur erleichtert das Einfädeln der Drähte beim Düsenwechsel.
Die Vorrichtung kann zudem eine Schwenkeinheit zur Positionierung, Ausrichtung und Führung der Drahtzuführeinheit und des Strahlkopfes in Relation zu den zu fügenden Werkstücken umfassen. Die Schwenkeinheit ist beispielsweise ein Roboterarm, an dem der Strahlkopf befestigt ist. Mittels der Schwenkeinheit kann insbesondere die Winkellage des Drahtbandes am Fügestoß eingestellt werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens können die an den Kontaktpunkten auf das Drahtband wirkenden Kontaktkräfte während des Fügens mittels eines oder mehrerer Kraftsensoren erfasst werden, wobei die Ausrichtung und Positionierung des Drahtbandes und/oder die in die Fügezone eingekoppelte Leistung des Energiestrahls in Abhängigkeit der erfassten Kontaktkräfte gesteuert und/oder geregelt werden.
Die Vorrichtung kann hierzu beispielsweise einen oder mehrere Kraftsensoren aufweisen, mittels derer orthogonal zur Drahtzuführungsrichtung auf die Drahtdüse wirkende Kräfte detektierbar sind. Die Drahtzuführrichtung ist hierbei in bekannter Weise als die Richtung entlang der Längserstreckung der Drähte hin zur Fügezone definiert. Der oder die Kraftsensoren können beispielsweise am Teleskoparm angebracht sein. Da die beim Fügen auf das Drahtband wirkenden Kontaktkräfte über die Drahtzuführeinheit in den Teleskoparm weitergeleitetet werden, ist eine indirekte Krafterfassung durch die Kraftsensoren am Teleskoparm durchführbar.
Bei Durchführung des Verfahren kann die Stoßgeometrie und/oder die Stoßlage der zu fügenden Werkstücke vor dem Fügen kontinuierlich mittels optischer Sensoren, vorzugsweise mittels eines Lichtschnittsensors, erfasst werden, wobei die Ausrichtung und Positionierung des Drahtbandes, die Zuführgeschwindigkeit einzelner Drähte in die Fügezone und/oder die in die Fügezone eingekoppelte Leistung des Energiestrahls in Abhängigkeit der erfassten Stoßgeometrie und/oder Stoßlage gesteuert und/oder geregelt werden.
Weiterhin kann die Ausbildung der Fügezone während des Fügens mittels einer Kamera als Graubild erfasst werden, wobei die Zuführgeschwindigkeit einzelner Drähte in die Fügezone und/oder die in die Fügezone eingekoppelte Leistung des Energiestrahls in Abhängigkeit des erfassten Graubildes gesteuert und/oder geregelt werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen:

1: die Vorrichtung zum thermischen Fügen in der Seitenansicht,
2: die Drahtzuführeinheit in der Perspektivansicht,
3: die Drahtzuführeinheit in der Draufsicht,
4: die Lage des Drahtes vor dem Fügen mittels eines Einzeldrahtes nach dem Stand der Technik im Querschnitt,
5: die Lage der Drähte vor dem Fügen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Querschnitt,
6: die Herstellung einer Kehlnahtverbindung nach dem Stand der Technik mittels eines Einzeldrahtes im Querschnitt,
7: die Herstellung einer Kehlnahtverbindung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit pendelndem Energiestrahl im Querschnitt,
8: die Herstellung einer Kehlnahtverbindung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit aufgeweitetem Energiestrahl im Querschnitt,
9: die Herstellung einer Kehlnahtverbindung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit geteiltem Energiestrahl im Querschnitt,
10: die Lage der Drähte vor dem Fügen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Verwendung mehrlagiger Drahtbänder im Querschnitt,
11: die Lage der Drähte vor dem Fügen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Verwendung von Drahtbändern mit Lücke im Querschnitt,
12: verschiedene Ausbildungen von Kehlnähten an einem T-Stoß im Querschnitt, und
13: die Kräfte beim Andrücken des Drahtbandes an in einem T-Stoß angeordnete Werkstücke im Querschnitt.

Die Vorrichtung zum thermischen Fügen nach der 1 umfasst den Strahlkopf 5 und die Drahtzuführeinheit 1, die über den Teleskoparm 4 miteinander verbunden sind. Der Teleskoparm 4 ist entlang seiner Teleskopachse 4.1 verschiebbar.
Über die Drahtdüse 1.1 der Drahtzuführeinheit 1 werden die Drähte 2 als Drahtband 3 zum Werkstück 7 zugeführt. Der Teleskoparm 4 besitzt eine Druckfeder, die eine stetige Ausrückkraft entlang der Teleskopachse 4.1 erzeugt. Hierdurch werden die aus der Drahtdüse 1.1 austretenden Drähte 2 mit einer stetig wirkenden Kraft auf das Werkstück 7 gedrückt.
Zum Fügen werden die Drähte 2 mittels des Energiestrahls 6, im Ausführungsbeispiel mittels eines Laserstrahls, der um die mittlere Strahlachse 6.1 aufgeweitet, aufgeteilt oder pendelnd bewegt wird, aufgeschmolzen.
An dem mit dem Strahlkopf 5 verbundenen Teilbereich des Teleskoparmes 4 ist der Kraftsensor 10 installiert, um die auf das Drahtband 3 einwirkenden und über die Drahtzuführeinheit in den Teleskoparm 4 eingeleiteten Kräfte zu erfassen. Der Kraftsensor 10 ist beispielsweise ein Dehnmessstreifen, mittels dessen die auf den Teleskoparm 4 wirkenden Biegekräfte durch Messung der Verformungen des Teleskoparms 4 bestimmt werden.
Den Austritt des Drahtbandes 3 aus den parallel nebeneinanderliegenden, einzeln längsverschieblichen Drähten 2 aus der Drahtdüse 1.1 der Drahtzuführvorrichtung 1 verdeutlicht 2. Der Energiestrahl 6 trifft mit seiner mittleren Strahlachse 6.1 zentrisch auf das Drahtband 3.
Die Drahtdüse 1.1 und das Drahtband 3 aus den parallel nebeneinanderliegenden Drähten 2 sind so ausgerichtet, dass die Führungsebene orthogonal zur Drahtbandebene liegt. Die Führungsebene steht in der Draufsicht gemäß der 3 senkrecht in der Bildebene und verläuft entlang der mittleren Strahlachse 6.1 des Energiestrahls 6. Die Drahtbandebene liegt in der Darstellung nach 3 in einer flachen Ebene, die das Drahtband 3 einschließt. Die orthogonale Ausrichtung von Führungsebene zu Drahtbandebene wird durch die Kennzeichnung der senkrechten Winkel verdeutlicht.
Beispielhaft ist in 4 die Positionierung zweier Werkstücke 7 vor dem Fügen mittels eines einzelnen Drahtes 2 nach dem Stand der Technik wiedergegeben. Beide Werkstücke 7 bilden einen T-Stoß; der Draht 2 liegt im Zwickelbereich dieses T-Stoßes und wird vom Energiestrahl 6 vollständig erfasst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird - gemäß dem Beispiel in 5 - durch das Drahtband 3 eine Brücke zwischen den beiden zu verbindenden Werkstücken 7 gebildet. Die randseitigen Drähte 2 des Drahtbandes 3 liegen an den Kontaktpunkten 8 jeweils an einem der Werktücke 7 an. Mittels des um die mittlere Strahlachse 6.1 pendelnd bewegten Energiestrahls 6 werden die Drähte 2 und ggf. Teilbereiche der Werkstücke 7 aufgeschmolzen. Nach der Wiedererstarrung bildet der Zusatzwerkstoff 9 die Fügeverbindung.
Die 6 und die 7 verdeutlichen die Unterschiede zwischen dem Eindraht-Fügeverfahren nach dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die jeweilige Teilfigur a den Zustand vor dem Aufschmelzen des Drahtes 2 bzw. der Drähte 2 und die jeweilige Teilfigur b den Zustand bei Vorliegen des schmelzflüssigen Zusatzwerkstoffs 9 wiedergeben. Beim konventionellen Eindraht-Verfahren beginnt das Aufschmelzen im Kern bzw. im Wurzelbereich der Fügeverbindung, während beim erfindungsgemäßen Drahtband-Verfahren die Aufschmelzung an den Kontaktpunkten 8 startet.
Die 8 und die 9 entsprechen der 7 mit dem Unterschied, dass der Energiestrahl 6 - statt der pendelnden Bewegung - in der 8 aufgeweitet und in der 9 aufgeteilt ist.
In den beiden Teilfiguren der 10 sind Varianten von mehrlagigen Drahtbändern 3 dargestellt. In Teilfigur a kontaktieren die randseitigen Drähte 2 der unteren Lage des Drahtbandes 3 die Werkstücke 7; in Teilfigur b liegen die randseitigen Drähte 3 der oberen Lage des Drahtbandes 3 an den Werkstücken 7 an.
Das Drahtband 3 kann - wie die beiden Teilfiguren der 11 zeigen - zudem mit Lücken ausgebildet sein; der Energiestrahl 6 wird pendelnd bewegt (Teilfigur a) oder aufgeteilt (Teilfigur b).
Die 12 verdeutlicht die variablen Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Kehlnähten an T-Stößen. Die rechte Kehlnaht ist symmetrisch ausgebildet, d. h., die Anbindungsbereite a des Zusatzwerkstoffes 9 am oberen Werkstück 7 entspricht der Anbindungsbreite b am unteren Werkstück 7. Hierzu wurden das (nicht dargestellte) Drahtband 3 und der (nicht dargestellte) Energiestrahls 6 so positioniert, dass die Lateralwinkel α und β zwischen dem jeweiligen Werkstück 7 und der mittleren Strahlachse 6.1 gleich groß ist. Die linke Kehlnaht ist dagegen asymmetrisch ausgebildet, wobei sich die Anbindungsbereite am oberen Werkstück 7 aus dem oberhalb des Auftreffpunktes der mittleren Strahlachse 6.1 liegenden Anteils a₁ und dem darunter liegenden Anteil a₂ ergibt.
In der Darstellung gemäß der 13 sind die verschiedenen Kontaktkräfte F₁ , F₂ , F₃ und F₄ gezeigt, die auftreten, wenn das mittels der Drahtdüse 1.1 geführte Drahtband 3 mit der vom (nicht dargestellten) Teleskoparm 4 ausgehenden Kraft F_TA gegen die Werkstücke 7 gedrückt wird. Das Drahtband 3 ist symmetrisch am T-Stoß positioniert, d. h. der Lateralwinkel α entspricht dem Lateralwinkel β; hierdurch ergeben sich nach dem Fügen identische Anbindungsbreiten a und b.
Bezugszeichenliste

1: Drahtzuführeinheit
1.1: Drahtdüse
1.2: Zuführungsrohr
2: Draht
3: Drahtband
4: Teleskoparm
4.1: Teleskopachse
5: Strahlkopf
6: Energiestrahl
6.1: mittlere Strahlachse
7: Werkstücke
8: Kontaktpunkt
9: Zusatzwerkstoff
10: Kraftsensor
a, b: Anbindungsbreite
a₁, a₂: anteilige Anbindungsbreite
a, β: Lateralwinkel
F₁, F₂, F₃, F₄: Kontaktkräfte
F_TA: Kraft vom Teleskoparm

Claims

Vorrichtung zum thermischen Fügen von Werkstücken (7) mittels eines Energiestrahls (6), umfassend eine Drahtzuführeinheit (1) sowie einen Strahlkopf (5) mit Strahlformungs-, Strahlteilungs- und/oder Strahlbewegungseinheit, wobei die Drahtzuführeinheit (1) und der Strahlkopf (5) mittels eines Teleskoparmes (4) miteinander verbunden sind, der entlang seiner Teleskopachse (4.1) gegen eine Ausrückkraft verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Drahtzuführeinheit (1) eine Drahtdüse (1.1) mit einem Drahtbandkanal zur Führung mindestens eines Drahtbandes (3) aus parallel nebeneinanderliegenden, einzeln längsverschieblichen Drähten (2) aufweist, das sich in einer von den Drähten (2) aufgespannten Drahtbandebene im Drahtbandkanal erstreckt, und - der Strahlkopf (5) eingerichtet ist, den Energiestrahl (6) um eine mittlere Strahlachse (6.1) aufzuweiten, aufzuteilen oder pendelnd zu bewegen, wobei die mittlere Strahlachse (6.1) und die Teleskopachse (4.1) in einer Führungsebene liegen, die orthogonal zur Drahtbandebene ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtzuführeinheit (1) ein Zuführungsrohr (1.2) aufweist, das mit der Drahtdüse (1.1) formschlüssig verbindbar ist, wobei die Drahtdüse (1.1) am Zuführungsrohr (1.2) gegen Verdrehung und Verschiebung arretierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtdüse (1.1) ein oder zwei abgeflachte Ausnehmungen aufweist, die derart gestaltet sind, dass die Drahtdüse (1.1) in der senkrecht zur Drahtbandebene liegenden Schnittebene eine zum Drahtaustritt der Drahtdüse (1.1) sich verjüngende Außenkontur aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtdüse (1.1) eine in den Drahteintritt des Drahtbandkanal sich trichterförmig verjüngenden Innenkontur aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend eine Schwenkeinheit zur Positionierung, Ausrichtung und Führung der Drahtzuführeinheit (1) und des Strahlkopfes (5) in Relation zu den zu fügenden Werkstücken (7).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen oder mehrere Kraftsensoren (10) zur Detektion von orthogonal zur Drahtzuführungsrichtung auf die Drahtdüse (1.1) wirkenden Kräften.
Verfahren zum thermischen Fügen von Werkstücken (7), ausführbar mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mehrere in eine Fügezone zugeführte Drähte (2) mittels eines aufgeweiteten, aufgeteilten oder pendelnd bewegten Energiestrahls (6) aufgeschmolzen werden und als Zusatzwerkstoff (9) unter Ausbildung einer stoffschlüssigen Fügeverbindung der Werkstücke (7) erstarren, dadurch gekennzeichnet, dass - die Drähte (2) einzeln längsverschieblich in einem Drahtband (3) parallel nebeneinanderliegend in die Fügezone zugeführt werden, - mindestens die beiden randseitigen Drähte (2) des Drahtbandes (3) an einem Kontaktpunkt (8) an jeweils einem der zu fügenden Werkstücke (7) angedrückt werden, wobei durch das Drahtband (3) eine Brücke zwischen den zu fügenden Werkstücken (7) ausgebildet wird, und - die Aufweitung, die Teilung und/oder die Bewegung des Energiestrahls (6) so eingestellt werden, dass der Energiestrahl (6) das Drahtband (3) in seiner Quererstreckung erfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (6) so gesteuert wird, dass die Aufschmelzung der Drähte (2) des Drahtbandes (3) an den Kontaktpunkten (8) beginnt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (6) um eine mittlere Strahlachse (6.1) aufgeweitet, aufgeteilt oder pendelnd pendelnd bewegt wird, wobei die mittlere Strahlachse (6.1) zentrisch auf das Drahtband (3) gerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Kontaktpunkten (8) auf das Drahtband (3) wirkenden Kontaktkräfte (F₁, F₂, F₃, F₄) während des Fügens mittels eines oder mehrerer Kraftsensoren (10) erfasst werden, wobei die Ausrichtung und Positionierung des Drahtbandes (3) und/oder die in die Fügezone eingekoppelte Leistung des Energiestrahls (6) in Abhängigkeit der erfassten Kontaktkräfte (F₁, F₂, F₃, F₄) gesteuert und/oder geregelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßgeometrie und/oder die Stoßlage der zu fügenden Werkstücke (7) vor dem Fügen kontinuierlich mittels optischer Sensoren erfasst wird, wobei die Ausrichtung und Positionierung des Drahtbandes (3), die Zuführgeschwindigkeit einzelner Drähte (2) in die Fügezone und/oder die in die Fügezone eingekoppelte Leistung des Energiestrahls (6) in Abhängigkeit der erfassten Stoßgeometrie und/oder Stoßlage gesteuert und/oder geregelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Fügezone während des Fügens mittels einer Kamera als Graubild erfasst wird, wobei die Zuführgeschwindigkeit einzelner Drähte in die Fügezone und/oder die in die Fügezone eingekoppelte Leistung des Energiestrahls in Abhängigkeit des erfassten Graubildes gesteuert und/oder geregelt werden.