WO2010060392A1 - Verfahren und vorrichtung zum fügen von werkstücken - Google Patents

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WO2010060392A1
WO2010060392A1 PCT/DE2009/001324 DE2009001324W WO2010060392A1 WO 2010060392 A1 WO2010060392 A1 WO 2010060392A1 DE 2009001324 W DE2009001324 W DE 2009001324W WO 2010060392 A1 WO2010060392 A1 WO 2010060392A1
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WO
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workpieces
joining
laser beam
joint
joining element
Prior art date
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PCT/DE2009/001324
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French (fr)
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Thorge Hammer
Matthias Graul
Marc Michaelis
Original Assignee
Volkswagen Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J15/00—Riveting
    • B21J15/02—Riveting procedures
    • B21J15/025—Setting self-piercing rivets
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    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
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    • B21J15/08—Riveting by applying heat, e.g. to the end parts of the rivets to enable heads to be formed
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K25/00—Uniting components to form integral members, e.g. turbine wheels and shafts, caulks with inserts, with or without shaping of the components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
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    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/02—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to soldering or welding

Definitions

  • the invention relates to a method for joining, in which the overlapping arranged to be joined together workpieces are heated at a joint by non-contact heat, until the workpieces receive a sufficient for the joining formability and then using a joining tool having a device and using a Joining element locally plastically deformed. Furthermore, the invention relates to a device for joining, to be joined, overlapping arranged workpieces at a joint with a trained for introducing a joining element into the workpieces joining tool, wherein the device is movable relative to the workpieces.
  • a similar method is known from the document DE 10 2006 002 238 A1.
  • the pointed joining part displaces the material, which locally experiences a strong increase in temperature, whereby higher degrees of deformation are possible.
  • the joining element is fired with pure force through the joint.
  • the clamping of the joining element is due to the springback of the so-called statement on the exit side of the joint connection.
  • a so-called head entry occurs at the point where the head of the joining element strikes the sheet metal surface.
  • This head feeder is due to the high impact force of the joining tool.
  • the impact hammer of the joining tool must apply a minimum impact energy in order to drive the joining element through the joint connection.
  • the joint can be heated prior to the introduction of the joining element.
  • a method in which the joint is heated before the introduction of the joining element is known from DE 196 30 488 A1.
  • the workpieces are heated at the joining surfaces by contact with preheated parts of the joining tool.
  • a contactless heat supply by means of integrated in the joining tool, inductive heating elements describes the cited document.
  • the residual energy In order to avoid component distortion, the residual energy must be cushioned by the component stiffness, especially in the case of unilaterally acting methods such as those mentioned above, without any component distortion occurring. Therefore, it is important to minimize the joining force.
  • the deformability of the workpieces is adjustable, however, the heat can be introduced in the known method only in the outer workpiece.
  • the other workpieces to be joined are heated only indirectly by the transfer of heat through the outer workpiece. In this case, heat spreads in all workpieces in all directions, whereby the rigidity of the workpieces is reduced over a large area.
  • the invention has the object to perform a method of the type mentioned in such a way that a firm connection of workpieces can be produced, in which the necessary joining force and the delay of the workpieces are minimized.
  • the invention has for its object to provide a device of the type mentioned, with a firm connection of workpieces can be generated, in which the necessary for the introduction of the joining element joining force and the delay of the workpieces are minimized.
  • the first object is achieved by a method according to the features of claim 1.
  • the subclaims relate to particularly expedient developments of the invention.
  • a method in which the workpieces are heated by a laser beam.
  • a laser beam it is also possible to introduce the heat into the workpieces at high speed in a spatially limited area. In this case, the heat generated in the workpieces can increase in the short term in such a way that the yield strength of the workpiece in the effective range of the laser beam is greatly reduced and thus the penetration of the joining element counteracting resistance and thus the necessary joining forces are small.
  • the material of the workpieces is heated in such a way that it becomes almost molten in the short term, the material can flow around the barbs and / or cavities attached to the joining element.
  • a particularly firm connection of the workpieces is achieved with the joining element.
  • Such a joint connection can transmit higher forces.
  • the material therefore flows because the kinetic energy with which the joining element is driven into the workpieces is converted into heat and the melting temperature of the material of the workpiece is briefly exceeded with the heat already placed by means of the laser beam.
  • the material flowing around the barbs and / or cavities of the joining element forms a metallurgical bond.
  • the joining element is shot with pure force through the joint.
  • the clamping of the joining element is due to the springback of the so-called statement on the underside of the joint connection. Furthermore, a head entry occurs at the point where the head of the joining element strikes the sheet surface. The head feed is due to the high impact force of the joining tool. In order to drive the joining element through the workpieces, a minimum impact energy must be applied by the joining tool. When breaking the joining element, however, the workpieces then no longer resist the joining tool, so that the residual impact energy when placing the head on the workpiece must be cushioned by this. This residual impact energy leads to deformation of the joining joint and also to the loosening of the joint connection just produced.
  • the impact energy to be applied can be substantially reduced so that the residual impact energy does not lead to a deformation of the workpieces.
  • the residual energy has to be cushioned by the component stiffness, without causing any component distortion. Therefore, it is important to reduce the necessary joining force and to maintain the component rigidity as far as possible. The latter is achieved by heating a spatially narrow range of workpieces.
  • a particularly tubular zone is produced by means of the laser beam in the workpieces. This makes it possible that by means of a so-called deep-welding effect, the temperature can be easily and quickly passed into the depth of the workpieces.
  • a vapor capillary - a tubular zone filled with metal vapor or partially ionized metal vapor, also called a keyhole - forms in the jet direction in the jet direction in the depth of the workpiece.
  • the material is also melted in the depth, the zone can be deeper than wide.
  • the vapor capillary increases due to multiple reflections on the walls of the absorption of the laser radiation in the material, whereby a large melt volume can be generated.
  • the energy introduced into the depths of the workpieces and the heat generated from them make it possible to further reduce the necessary joining force.
  • the amount of heat introduced can be precisely controlled. This can produce a desired heat field and adjust the material properties of the workpieces, for example, the hardness.
  • the material properties change to the extent that with warm materials, the yield strength is reduced.
  • the reduction of the yield strength is inversely proportional to Temperature of the material - the warmer the lower the yield strength.
  • the temperature in the cylindrical heating field decreases after the end of the laser action, depending on the material properties and the elapsed time. Shortly after the pretreatment of the workpieces by the laser beam, the yield point is the lowest.
  • the temperature is increased in the workpieces in a, in particular tubular and / or cylindrical zone and thus generates a zone with a low yield strength.
  • the heat-affected zone forms in a cylindrical shape in the workpieces to be joined, wherein in the heat-affected zone the material has a low yield strength and at the edges of the heat-affected zone is harder material. It is particularly favorable that the joining element is guided by the zone during penetration into the workpieces. This makes it possible to further reduce the necessary joining force. The risk of evasion of the joining element and / or a misfeed is low in such a trained zone.
  • the workpieces are completely penetrated by the joining element. This makes it possible that of the materials that do not exceed the melting limit, a part of the joining element is pushed through the workpieces and form an extract similar to a volcanic cone at the exit from the workpieces. During the cooling of the workpieces a material shrinkage takes place, so that the extract is applied more tightly than in the prior art to the joining element and thus creates a firm connection.
  • the laser beam acts on the workpieces at a joint, then the action of the laser beam on the joint is terminated, then the joining tool is positioned over the joint and then the joining element is inserted into the workpieces by means of the joining tool.
  • a movement unit moves the joining tool designed as a shooting device into a position above the joint previously heated by the laser beam and inserts the joining element into the workpieces.
  • the laser beam is directed onto the joint for 20 to 2,000 milliseconds.
  • the joining tool us then proceed within 100 to 1,000 milliseconds. For setting the joining element, a period of 1 to 100 milliseconds is required.
  • the laser beam acts on the workpieces, then the action of the laser beam is terminated on the first joint, then the device is moved relative to the workpieces such that the joining tool is positioned over the first joint and Then, while acting on a second joint, the laser beam on the workpieces, the joining element is inserted by means of the joining tool at the first joint in the workpieces.
  • the laser beam warms up the second joint, while the joining element is placed on the first, already preheated joint.
  • the laser beam acts continuously, without interruption on the workpieces, wherein the laser beam is moved relative to the workpieces while simultaneously the joining tool, the laser beam trailing, cyclically positioned over the joints and then the joining element by means of the joining tool in the workpieces are used.
  • the laser beam warms up the workpieces without interruption during a continuous movement along a zone.
  • the setting of the joining element following in the direction of travel runs cyclically and proportionally to the travel speed of the laser beam. Due to the adjustability of the setting frequency of the distance of the joining elements can be influenced.
  • the joining element does not hit a joint with a heated area of cylindrical shape when setting, but on a zone with any number of joints, wherein the zone is formed as a gap-shaped area in the workpieces.
  • This jointing allows as well as the zone a leadership of the joining element.
  • the joining force of the joining element also depends on the feed rate. The faster the process is run, the softer the material at the joint.
  • the material of the workpieces is a natural material, such as leather or woolen fabric, a plastic or a metal, such as aluminum or iron, but preferably made of sheet steel.
  • a device which has a laser source for emitting a laser beam. This makes it possible to heat the workpieces to be joined by means of the laser beam before joining and thus to minimize the joining force necessary for the joining.
  • the joining tool and the laser source are movable together with the device. This makes it possible to reduce the complexity of the machine device and to achieve a lower cycle time for the entire joining process.
  • the joining tool and the laser source on the device are movable independently of each other. As a result, a continuous and / or cyclic work of laser beam and joining tool is possible simultaneously. Moreover, it is possible to position the laser beam and the joining tool faster and more precisely than is known in the art.
  • Fig. 1 shows a joint 7, on which by means of a laser beam 5 energy in the workpieces 1, 2, 3 is entered;
  • Fig. 2 the joint 7, on which in the workpieces 1, 2, 3, a joining element 4 is used; 3 shows the joining parts 7 after the joining process;
  • Figures 1, 2 and 3 show a joint 7, at the means of the inventive method, the workpieces 1, 2, 3 are joined together.
  • the workpieces 1, 2, 3 are arranged overlapping one above the other and connected to a joining element 4 to be introduced into the workpieces 1, 2, 3.
  • energy is entered into the joint 7 by means of a laser beam 5.
  • the workpieces 1, 2, 3 are heated and lowered the yield strength of the materials of the workpieces 1, 2, 3.
  • the lower yield strength makes it possible for the joining element 4 to be inserted into the workpieces 1, 2, 3 by applying a low joining force in comparison to known methods.
  • the heat-affected by the laser beam 5 zone 6 is formed in a cylindrical shape in the workpieces 1, 2, 3 to be joined.
  • the material inside the zone 6 has a low yield strength and at the edges of the zone 6 is harder material.
  • FIG. 4 shows the workpieces 1, 2, 3, which are joined together by means of the method according to the invention at the joints 7, 8, 9.
  • the joining of the workpieces 1, 2, 3 takes place as described in Figures 1 to 3.
  • FIG. 4 shows a joining process in which, while at the joint 7, the workpieces 1, 2, 3 are heated by means of the energy of the laser beam 5, simultaneously at the joint 8, the joining element 4 in the direction of the arrow 11 in the workpieces 1, 2, 3 is used.
  • the laser beam 5 can also generate a zone 6 in the workpieces 1, 2, 3 here.
  • the movement of not shown here Device with the laser beam 5 and the joining tool, also not shown, takes place relative to the workpieces 1, 2, 3 in the direction of the arrow 10. This direction is also called the feed direction.
  • Figure 5 shows how the figures 1 to 4, the workpieces 1, 2, 3, which are arranged overlapping one another for joining.
  • the laser beam 5 is moved continuously in the feed direction indicated by arrow 10 here.
  • a gap-shaped zone 6 is formed in the workpieces 1, 2, 3.
  • the material of the workpieces 1, 2, 3 in the zone 6 has a low yield strength.
  • At the edges of the zone 6 is harder material, so that the gap-shaped zone 6 for the joining elements 4 when inserted into the workpieces 1, 2, 3 can serve as a guide.
  • the setting of the joining element 4 which travels in the direction of travel runs cyclically and proportionally to the travel speed of the laser beam 5.
  • the adjustability of the setting frequency makes it possible to influence the spacing of a plurality of joining elements 4.

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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen, bei dem die miteinander zu verbindenden, überlappend angeordneten Werkstücke (1, 2, 3) an einer Fügestelle (7, 8, 9) durch berührungslose Wärmezufuhr erwärmt werden, bis die Werkstücke (1, 2, 3) ein für das Fügen ausreichendes Formänderungsvermögen erhalten und dann mit Hilfe einer ein Fügewerkzeug aufweisenden Vorrichtung und unter Verwendung eines Fügeelements (4) lokal plastisch umgeformt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren auszuführen, mit dem eine feste Verbindung von Werkstücken (1, 2, 3) erzeugt werden kann, bei der die notwendige Fügekraft und der Verzug der Werkstücke (1, 2, 3) möglichst gering sind. Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren, bei dem die Werkstücke (1, 2, 3) von einem Laserstrahl (5) erwärmt werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen, bei dem die miteinander zu verbindenden, überlappend angeordneten Werkstücke an einer Fügestelle durch berührungslose Wärmezufuhr erwärmt werden, bis die Werkstücke ein für das Fügen ausreichendes Formänderungsvermögen erhalten und dann mit Hilfe einer ein Fügewerkzeug aufweisenden Vorrichtung und unter Verwendung eines Fügeelements lokal plastisch umgeformt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Fügen von miteinander zu verbindenden, überlappend angeordneten Werkstücken an einer Fügestelle mit einem zum Einbringen eines Fügeelements in die Werkstücke ausgebildeten Fügewerkzeug, wobei die Vorrichtung relativ zu den Werkstücken beweglich ist.
Aus der EP 1 754 896 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein nagelähnliches Fügeteil auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und in die nicht vorgelochten, miteinander zu verbindenden, überlappend angeordneten Werkstücke eingetrieben wird.
Ein ähnliches Verfahren ist aus der Druckschrift DE 10 2006 002 238 A1 bekannt. Das spitze Fügeteil verdrängt den Werkstoff, wobei dieser lokal eine starke Temperaturerhöhung erfährt, wodurch höhere Umformgrade möglich werden. Bei diesem Verfahren wird das Fügeelement mit reiner Kraft durch die Fügestelle geschossen. Die Verklammerung des Fügeelements ist auf die Rückfederung des sogenannten Auszuges auf der Austrittsseite der Fügeverbindung zurückzuführen. Weiterhin tritt ein sogenannter Kopfeinzug an der Stelle auf, an der der Kopf des Fügeelements auf die Blechoberfläche trifft. Dieser Kopfeinzug ist auf die hohe Schlagkraft des Fügewerkzeugs zurückzuführen. Der Schlaghammer des Fügewerkzeugs muss eine Mindestschlagenergie aufbringen, um das Fügeelement durch die Fügeverbindung zu treiben. Beim Durchbrechen der Werkstücke setzt der Fügeprozess dem Schlaghammer keinen Widerstand mehr entgegen, sodass die Restschlagenergie beim Auf- setzten des Kopfes des Fügeelements auf dem Werkstück von diesem abgefedert werden muss. Diese Restschlagenergie führt zur Verformung des Fügestoßes und auch zur Lockerung der gerade erzeugten Fügeverbindung.
Um die notwendige Mindestschlagenergie und damit auch die ungewünschte Restschlagenergie zu reduzieren, kann die Fügestelle vor dem Einbringen des Fügeelements erwärmt werden. Ein Verfahren, bei dem die Fügestelle vor dem Einbringen des Fügeelements erwärmt wird, ist aus der DE 196 30 488 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren werden die Werkstücke an den Fügeflächen durch den Kontakt mit vorgewärmten Teilen des Fügewerkzeugs erwärmt. Auch eine berührungslose Wärmezufuhr mittels in dem Fügewerkzeug integrierter, induktiver Heizelemente beschreibt die genannte Druckschrift. Durch die Erwärmung der Werkstücke ist das Formänderungsvermögen der Werkstücke einstellbar. Damit ist auch das Fügen spröder Werkstoffe möglich.
Um einen Bauteilverzug zu vermeiden, muss - gerade bei einseitig wirkenden Verfahren wie den vorstehend genannten - die Restenergie von der Bauteilsteifigkeit abgefedert werden, ohne dass es zu einem Bauteilverzug kommt. Daher ist es wichtig, die Fügekraft zu minimieren.
Dies ist möglich, indem beispielsweise das Fügeelement als eine Schraube rotierend in das lokal erwärmte Werkstück eingebracht wird. Ein solches Verfahren wird in der Druckschrift DE 103 48 427 A1 beschrieben.
Ein ähnliches Verfahren, bei dem lokal erwärmte Werkstücke ohne ein Fügeelement nur durch ein kurzzeitiges Eindringen des Fügewerkzeugs in die Werkstücke verbunden werden, zeigt die DE 101 33 292 A1.
Durch die Erwärmung der Werkstücke ist das Formänderungsvermögen der Werkstücke einstellbar, jedoch kann die Wärme bei den bekannten Verfahren nur in das außen liegende Werkstück eingebracht werden. Die anderen zu fügenden Werkstücke werden nur indirekt durch die Übertragung der Wärme über das äußere Werkstück erwärmt. Dabei breitet sich Wärme in allen Werkstücken in alle Richtungen aus, wodurch die Steifigkeit der Werkstücke großflächig herabgesetzt wird. Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass eine feste Verbindung von Werkstücken erzeugt werden kann, bei der die notwendige Fügekraft und der Verzug der Werkstücke möglichst gering sind. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine feste Verbindung von Werkstücken erzeugbar ist, bei der die für das Einbringen des Fügeelements notwendige Fügekraft und der Verzug der Werkstücke möglichst gering sind.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Werkstücke von einem Laserstrahl erwärmt werden. Hierdurch wird es möglich, dass die Werkstücke berührungslos durch Absorption der Energie des Laserstrahls erwärmt werden. Dabei ist es günstig, dass für die Erwärmung der Werkstücke mittels eines Lasers weniger Energie aufgebracht werden muss als bei herkömmlichen berührungslosen Wärmequellen und dass die vom Laserstrahl emittierte Energie einfacher regelbar ist. Durch den Einsatz eines Laserstrahls wird es außerdem möglich, die Wärme in einem räumlich stark begrenzten Bereich mit hoher Geschwindigkeit in die Werkstücke einzuleiten. Dabei kann die in den Werkstücken erzeugte Wärme kurzfristig derart ansteigen, dass die Streckgrenze des Werkstücks in dem Wirkbereich des Laserstrahls weit heruntergesetzt wird und so der dem Eindringen des Fügeelements entgegenwirkende Widerstand und damit auch die notwendigen Fügekräfte klein werden. Wird der Werkstoff der Werkstücke derart erwärmt, dass er kurzfristig nahezu schmelzflüssig wird, kann der Werkstoff die am Fügeelement angebrachten Widerhaken und/oder Hohlräume umfließen. So wird eine besonders feste Verbindung der Werkstücke mit dem Fügeelement erreicht. Eine solche Fügeverbindung kann höhere Kräfte übertragen. Das Material fließt deshalb, da die kinetische Energie, mit der das Fügeelement in die Werkstücke getrieben wird, in Wärme umgewandelt wird und mit der sowieso schon mittels des Laserstrahls platzierten Wärme die Schmelztemperatur des Materials des Werkstücks kurzzeitig überschritten wird. Das um die Widerhaken und/oder Hohlräume des Fügeelements herumfließende Material bildet eine metallurgische Verklammerung. Beim herkömmlichen Fügeverfahren wird das Fügeelement mit reiner Kraft durch die Fügestelle geschossen. Die Verklammerung des Fügeelements ist auf die Rückfederung des sogenannten Auszugs auf der Unterseite der Fügeverbindung zurückzuführen. Weiterhin tritt ein Kopfeinzug an der Stelle auf, an der der Kopf des Fügeelements auf die Blechoberfläche trifft. Der Kopfeinzug ist auf die hohe Schlagkraft des Fügewerkzeugs zurückzuführen. Um das Fügeelement durch die Werkstücke zu treiben, muss von dem Fügewerkzeug eine Min- destschlagenergie aufgebracht werden. Beim Durchbrechen des Fügeelements setzten die Werkstücke dann aber dem Fügewerkzeug keinen Widerstand mehr entgegen, sodass die Restschlagenergie beim Aufsetzen des Kopfes auf dem Werkstück von diesem abgefedert werden muss. Diese Restschlagenergie führt zur Verformung des Fügestoßes und auch zur Lockerung der gerade erzeugten Fügeverbindung. Durch die Vorwärmung des Fügebereichs kann die aufzubringende Schlagenergie wesentlich verringert werden, sodass die Restschlagenergie nicht zu einer Verformung der Werkstücke führt. Gerade bei einseitig wirkenden Verfahren muss die Restenergie von der Bauteilsteifigkeit abgefedert werden, ohne dass es zu einem Bauteilverzug kommt. Daher ist es wichtig, die notwendige Fügekraft zu senken und die Bauteilsteifigkeit weitestgehend aufrecht zu erhalten. Letzteres wird durch eine Erwärmung eines räumlich eng begrenzten Bereichs der Werkstücke erreicht.
Besonders günstig ist es, dass mittels des Laserstrahls in den Werkstücken eine insbesondere schlauchförmige Zone erzeugt wird. Hierdurch wird es möglich, dass mittels eines sogenannten Tiefschweißeffektes die Temperatur leicht und schnell in die Tiefe der Werkstücke geleitet werden kann. Bei hohen Strahlintensitäten eines Laserstrahls bildet sich in der Schmelze in Strahlrichtung eine Dampfkapillare - ein mit Metalldampf beziehungsweise teilionisiertem Metalldampf gefüllter, schlauchförmiger Zone, auch Keyhole genannt - in der Tiefe des Werkstücks aus. Der Werkstoff wird dadurch auch in der Tiefe aufgeschmolzen, die Zone kann tiefer als breit sein. Die Dampfkapillare erhöht aufgrund von Mehrfachreflexionen an den Wandungen die Absorption der Laserstrahlung im Material, wodurch ein großes Schmelzvolumen erzeugt werden kann. Die schnell und in die Tiefe der Werkstücke eingebrachte Energie und die daraus erzeugte Wärme ermöglichen es, die notwendige Fügekraft weiter zu reduzieren. Durch Veränderung der Laserparameter kann die eingebrachte Wärmemenge exakt gesteuert werden. Hierdurch lässt sich ein gewünschtes Wärmefeld erzeugen und die Materialeigenschaften der Werkstücke, zum Beispiel die Härte, einstellen. Die Materialeigenschaften ändern sich insofern, als dass bei warmen Materialien die Streckgrenze herabgesetzt wird. Die Reduzierung der Streckgrenze ist umgekehrt proportional zur Temperatur des Werkstoffs - je wärmer, desto geringer die Streckgrenze. Die Temperatur in dem zylinderförmigen Wärmefeld nimmt nach dem Ende der Lasereinwirkung, abhängig von den Werkstoffeigenschaften und der verstrichenen Zeit, ab. Kurz nach der Vorbehandlung der Werkstücke durch den Laserstrahl ist deren Streckgrenze am geringsten. Mittels des Laserstrahls wird in den Werkstücken in einer, insbesondere schlauch- und/oder zylinderförmigen Zone die Temperatur erhöht und somit eine Zone mit geringer Streckgrenze erzeugt.
Die wärmebeeinflusste Zone bildet sich in einer zylindrischen Form in den zu fügenden Werkstücken aus, wobei in der wärmebeeinflussten Zone das Material eine geringe Streckgrenze hat und an den Rändern der wärmebeeinflussten Zone sich härteres Material befindet. Besonders günstig ist es, dass das Fügeelement beim Eindringen in die Werkstücke von der Zone geführt wird. Hierdurch wird es möglich, die notwendige Fügekraft weiter zu reduzieren. Die Gefahr des Ausweichens des Fügeelements und/oder eines Fehleintriebs ist bei einer derartig ausgebildeten Zone gering.
Vorteilhaft ist es, dass die Werkstücke von dem Fügeelement vollständig durchdrungen werden. Hierdurch wird es möglich, dass von den Materialien, die nicht die Schmelzgrenze überschreiten, ein Teil von dem Fügeelement durch die Werkstücke durchgeschoben wird und beim Austritt aus den Werkstücken einen Auszug ähnlich eines Vulkankegels bilden. Bei der Abkühlung der Werkstücke findet eine Materialschrumpfung statt, sodass der Auszug sich enger als beim bisherigen Stand der Technik an das Fügeelement anlegt und somit eine feste Verbindung entsteht.
Weiterhin vorteilhaft ist es, dass an einer Fügestelle zunächst der Laserstrahl auf die Werkstücke einwirkt, dann die Einwirkung des Laserstrahls auf die Fügestelle beendet wird, anschließend das Fügewerkzeug über der Fügestelle positioniert wird und dann das Fügeelement mittels des Fügewerkzeugs in die Werkstücke eingesetzt wird. Hierdurch wird es möglich, nacheinander an einzelnen Fügestellen erfindungsgemäß das Fügeelement in die Werkstücke einzusetzen. Eine Bewegungseinheit verfährt dazu das als Schussgerät ausgebildete Fügewerkzeug in eine Position über der zuvor von dem Laserstrahl erwärmten Fügestelle und setzt das Fügeelement in die Werkstücke ein. Für das Vorwärmen wird der Laserstrahl 20 bis 2.000 Millisekunden auf die Fügestelle gerichtet. Das Fügewerkzeug wir dann innerhalb von 100 bis 1.000 Millisekunden verfahren. Für das Setzen des Fügeelements wird eine Zeitspanne von 1 bis 100 Millisekunden benötigt.
Vorteilhaft ist es, dass an einer ersten Fügestelle zunächst der Laserstrahl auf die Werkstücke einwirkt, dann die Einwirkung des Laserstrahls auf die erste Fügestelle beendet wird, anschließend die Vorrichtung relativ zu den Werkstücken derart bewegt wird, dass das Fügewerkzeug über der ersten Fügestelle positioniert wird und dann, während an einer zweiten Fügestelle der Laserstrahl auf die Werkstücke einwirkt, das Fügeelement mittels des Fügewerkzeugs an der ersten Fügestelle in die Werkstücke eingesetzt wird. Hierdurch wird es möglich, dass ein intermittierender Ablauf der beiden Prozesse - Erwärmen der Fügestelle und Setzen des Fügeelements - erreicht wird. So ist es möglich, die Prozessgeschwindigkeit zu erhöhen und die Taktzeit herabzusetzen. Der Laserstrahl wärmt die zweite Fügestelle vor, während das Fügeelement an der ersten, bereits vorgewärmten Fügestelle gesetzt wird.
Es ist weiterhin günstig, dass der Laserstrahl kontinuierlich, ohne Unterbrechung auf die Werkstücke einwirkt, wobei der Laserstrahl relativ zu den Werkstücken bewegt wird, während gleichzeitig das Fügewerkzeug, dem Laserstrahl nachlaufend, zyklisch über den Fügestellen positioniert wird und dann das Fügeelement mittels des Fügewerkzeugs in die Werkstücke eingesetzt wird. Hierdurch wird es möglich, dass die Prozessgeschwindigkeit gegenüber den vorstehend genannten Verfahren erhöht werden kann. Der Laserstrahl wärmt ohne Unterbrechung bei einer kontinuierlichen Bewegung entlang einer Zone die Werkstücke vor. Das in Verfahrrichtung nachlaufende Setzen des Fügeelements verläuft zyklisch und proportional zur Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls. Durch die Einstellbarkeit der Setzfrequenz kann der Abstand der Fügeelemente beeinflusst werden. Das Fügeelement trifft beim Setzen dann nicht auf eine Fügestelle mit einem erwärmten Bereich zylindrischer Form, sondern auf eine Zone mit einer beliebeigen Anzahl an Fügestellen, wobei die Zone als ein spaltförmiger Bereich in den Werkstücken ausgebildet ist. Diese Fügefuge ermöglicht genauso wie der Zone eine Führung des Fügeelements. Je dichter die beiden Prozesse der Erwärmung und des Setzens geometrisch zusammenliegen, desto geringer ist die notwendige Fügekraft, die aufgewendet werden muss, um das Fügeelement in die Werkstücke einzutreiben. Weiterhin ist die Fügekraft des Fügeelements auch von der Vorschubgeschwindigkeit abhängig. Je schneller der Prozess gefahren wird, desto weicher ist das Material an der Fügestelle. Das Material der Werkstücke ist ein Naturwerkstoff, beispielsweise Leder oder Wollgewebe, ein Kunststoff oder ein Metall, wie Aluminium oder Eisen, jedoch vorzugsweise aus Stahlblech.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, die eine Laserquelle zum Aussenden eines Laserstrahls aufweist. Hierdurch ist es möglich, die zu fügenden Werkstücke mittels des Laserstrahls vor dem Fügen zu erwärmen und so die für das Fügen notwendige Fügekraft zu minimieren.
Günstig ist es, dass das Fügewerkzeug und die Laserquelle gemeinsam mit der Vorrichtung beweglich sind. Hierdurch ist es möglich, den Aufwand der Maschineneinrichtung zu reduzieren und eine geringere Taktzeit für den gesamten Fügevorgang zu erzielen.
Von Vorteil ist es, dass das Fügewerkzeug und die Laserquelle an der Vorrichtung unabhängig voneinander beweglich sind. Hierdurch ist ein kontinuierliches und/oder zyklisches Arbeiten von Laserstrahl und Fügewerkzeug gleichzeitig möglich. Darüber hinaus ist es möglich, den Laserstrahl und das Fügewerkzeug schneller und präziser zu positionieren als es im Stand der Technik bekannt ist.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
Fig. 1 eine Fügestelle 7, an der mittels eines Laserstrahls 5 Energie in die Werkstücke 1, 2, 3 eingetragen wird;
Fig. 2 die Fügestelle 7, an der in die Werkstücke 1 , 2, 3 ein Fügeelement 4 eingesetzt wird; Fig. 3 die Fügesteile 7 nach dem Fügevorgang;
Fig. 4 die Werkstücke 1, 2, 3 mit den Fügestellen 7, 8, 9;
Fig. 5 die Werkstücke 1, 2, 3 mit den Fügestellen 7, 8, 9 als Teil einer Zone 6.
Figur 1 , 2 und 3 zeigen eine Fügestelle 7, an der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Werkstücke 1 , 2, 3 zusammengefügt werden. Zum Fügen werden die Werkstücke 1 , 2, 3 überlappend übereinander angeordnet und mit einem in die Werkstücke 1 , 2, 3 einzubringenden Fügeelement 4 verbunden. Vor dem Einsetzen des Fügeelements 4 in die Werkstücke 1 , 2, 3 an der der Fügestelle 7 wird in die Fügestelle 7 mittels eines Laserstrahls 5 Energie eingetragen. Hierdurch werden die Werkstücke 1 , 2, 3 erwärmt und die Streckgrenze der Werkstoffe der Werkstücke 1 , 2, 3 heruntergesetzt. Die geringere Streckgrenze ermöglicht es, dass das Fügeelement 4 unter Aufbringung einer gegenüber bekannten Verfahren geringen Fügekraft in die Werkstücke 1, 2, 3 eingesetzt werden kann.
Die durch den Laserstrahl 5 wärmebeeinflusste Zone 6 bildet sich in einer zylindrischen Form in den zu fügenden Werkstücken 1, 2, 3 aus. Dabei hat das Material im Inneren der Zone 6 eine geringe Streckgrenze und an den Rändern der Zone 6 befindet sich härteres Material. Beim Eindringen des Fügeelements 4 in Richtung des Pfeils 11 in die Werkstücke 1 , 2, 3 wird das Fügeelement 4 von der Zone 6 geführt. Hierdurch wird es möglich, die notwendige Fügekraft zu reduzieren und die Gefahr eines Ausweichens des Fügeelements 4 und/oder eines Fehleintriebs in die Werkstücke 1 , 2, 3 zu verringern.
Figur 4 zeigt die Werkstücke 1 , 2, 3, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens an den Fügestellen 7, 8, 9 zusammengefügt werden. Das Fügen der Werkstücke 1 , 2, 3 erfolgt wie in den Figuren 1 bis 3 beschrieben. Im Gegensatz zu den seriell ablaufenden Vorgängen, die in den Figuren 1 bis 3 beschrieben wurden, zeigt die Figur 4 einen Fügevorgang, bei dem, während an der Fügestelle 7 die Werkstücke 1, 2, 3 mittels der Energie des Laserstrahls 5 erwärmt werden, gleichzeitig an der Fügestelle 8 das Fügeelement 4 in Richtung des Pfeils 11 in die Werkstücke 1, 2, 3 eingesetzt wird. An der Fügestelle 9 ist ein bereits in die Werkstücke 1 , 2, 3 eingesetztes Fügeelement 4 gezeigt. Der Laserstrahl 5 kann auch hier einer Zone 6 in den Werkstücken 1, 2, 3 erzeugen. Die Bewegung der hier nicht gezeigten Vorrichtung mit dem Laserstrahl 5 und dem ebenso nicht gezeigten Fügewerkzeug erfolgt relativ zu den Werkstücken 1 , 2, 3 in Richtung des Pfeils 10. Diese Richtung wird auch Vorschubrichtung genannt.
Figur 5 zeigt wie die Figuren 1 bis 4 die Werkstücke 1, 2, 3, die zum Fügen überlappend übereinander angeordnet sind. Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Fügevorgängen wird hier der Laserstrahl 5 kontinuierlich in die durch Pfeil 10 angegebene Vorschubrichtung bewegt. Dabei bildet sich eine spaltförmige Zone 6 in den Werkstücken 1, 2, 3 aus. Das Material der Werkstücke 1 , 2, 3 in der Zone 6 weist eine geringe Streckgrenze auf. An den Rändern der Zone 6 befindet sich härteres Material, sodass die spaltförmige Zone 6 für die Fügeelemente 4 beim Einsetzten in die Werkstücke 1, 2, 3 als Führung dienen kann. Das in Verfahrrichtung nachlaufende Setzen des Fügeelements 4 verläuft zyklisch und proportional zur Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 5. Durch die Einstellbarkeit der Setzfrequenz kann der Abstand mehrerer Fügeelemente 4 beeinflusst werden. Je dichter die beiden Prozesse der Erwärmung und des Setzens geometrisch zusammenliegen, desto geringer ist die notwendige Fügekraft, die aufgewendet werden muss, um das Fügeelement 4 in die Werkstücke 1, 2, 3 einzutreiben. Weiterhin ist die Fügekraft des Fügeelements 4 auch von der Vorschubgeschwindigkeit abhängig. Je schneller der Prozess gefahren wird, desto weicher ist das Material an der Fügestelle 8.

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Fügen, bei dem die miteinander zu verbindenden, überlappend angeordneten Werkstücke (1, 2, 3) an einer Fügestelle (7, 8, 9) durch berührungslose Wärmezufuhr erwärmt werden, bis die Werkstücke (1 , 2, 3) ein für das Fügen ausreichendes Formänderungsvermögen erhalten und dann mit Hilfe einer ein Fügewerkzeug aufweisenden Vorrichtung und unter Verwendung eines zum Verbleib in den Werkstücken (1, 2, 3) bestimmtes Fügeelements (4) lokal plastisch umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (1 , 2, 3) von einem Laserstrahl (5) erwärmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Laserstrahls (5) in den Werkstücken (1 , 2, 3) in einer insbesondere schlauch- und/oder zylinderförmigen Zone (6) die Temperatur erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (4) beim Eindringen in die Werkstücke (1, 2, 3) von der Zone (6) geführt wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (1, 2, 3) von dem Fügeelement (4) vollständig durchdrungen werden.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Fügestelle (7, 8, 9) zunächst der Laserstrahl (5) auf die Werkstücke (1, 2, 3) einwirkt, dann die Einwirkung des Laserstrahls (5) auf die Fügestelle (7, 8, 9) beendet wird, anschließend das Fügewerkzeug über der Fügestelle (7, 8, 9) positioniert wird und dann das Fügeelement (4) mittels des Fügewerkzeugs in die Werkstücke (1 , 2, 3) eingesetzt wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer ersten Fügestelle (7) zunächst der Laserstrahl (5) auf die Werkstücke (1 , 2, 3) einwirkt, dann die Einwirkung des Laserstrahls (5) auf die erste Fügestelle (7) beendet wird, anschließend die Vorrichtung relativ zu den Werkstücken (1, 2, 3) derart bewegt wird, dass das Fügewerkzeug über der ersten Fügestelle (7) positioniert wird und dann, während an einer zweiten Fügestelle (8) der Laserstrahl (5) auf die Werkstücke (1 , 2, 3) einwirkt, das Fügeelement (4) mittels des Fügewerkzeugs an der ersten Fügestelle (7) in die Werkstücke (1, 2, 3) eingesetzt wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) kontinuierlich, ohne Unterbrechung auf die Werkstücke (1, 2, 3) einwirkt, wobei der Laserstrahl (5) relativ zu den Werkstücken (1 , 2, 3) bewegt wird, während gleichzeitig das Fügewerkzeug, dem Laserstrahl (5) nachlaufend, zyklisch über den Fügestellen (J, 8, 9) positioniert wird und dann das Fügeelement (4) mittels des Fügewerkzeugs in die Werkstücke (1, 2, 3) eingesetzt wird.
8. Vorrichtung zum Fügen von miteinander zu verbindenden, überlappend angeordneten Werkstücken (1 , 2, 3) an einer Fügestelle (7, 8, 9), mit einem zum Einbringen eines Fügeelements (4) in die Werkstücke (1 , 2, 3) ausgebildeten Fügewerkzeug, wobei die Vorrichtung relativ zu den Werkstücken (1, 2, 3) beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Laserquelle zum Aussenden eines Laserstrahls (5) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug und die Laserquelle gemeinsam mit der Vorrichtung beweglich sind.
10. Vorrichtung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug und die Laserquelle an der Vorrichtung unabhängig voneinander beweglich sind.
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