DE102004054582A1

DE102004054582A1 - Verfahren zum Verbinden von Bauteilen durch Nieten oder Schrauben und Laserschweißen

Info

Publication number: DE102004054582A1
Application number: DE102004054582A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr. Meyer; Dirk Dr. Petring; Claudia Dr. Peuker; Norbert Wolf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2006-05-24
Also published as: US8017887B2; CN101056737B; US20080210672A1; WO2006051022A1; EP1812198A1; RU2007121654A; CN101056737A; RU2389591C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehreren, einander überlappende Flächenabschnitte (1a, 2a) aufweisenden Bauteilen (1, 2) durch Laserstrahl. Bei diesem Verfahren fixiert man die Bauteile (1, 2) vor dem Laserschweißen an zumindest einem der überlappenden Flächenabschnitte (1a, 2a) durch örtlich wirksame Kaltfügetechnik, vorzugsweise mittels Niete (3a) oder Schrauben, formschlüssig zueinander und verschweißt sie anschließend durch Laserstrahl miteinander, wobei man eine Laserschweißnaht (4) in unmittelbarer Nähe jeder durch die Kaltfügetechnik geschaffenen Fixierungsstelle (3) anordnet, also insbesondere so nahe wie möglich am Niet (3a) oder an der Schraube.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehreren, einander überlappende Flächenabschnitte aufweisenden Bauteilen durch Laserstrahl, bei dem man die Bauteile vor dem Laserschweißen an zumindest einem der überlappenden Flächenabschnitte durch örtlich wirksame Kaltfügetechnik, vorzugsweise mittels Niete oder Schrauben, formschlüssig zueinander fixiert und anschließend durch Laserstrahl miteinander verschweißt.

Ein Verfahren mit den zuvor genannten Merkmalen ist durch die EP 0 988 917 B1 bekannt. Bei diesem Verfahren werden beispielsweise ein Formteil aus Feinguss als erstes Bauteil und ein dünnwandiges Leichtbauprofil mit rechteckförmigem Querschnitt als zweites Bauteil durch Niete zueinander fixiert und anschließend durch Laserstrahl miteinander verschweißt, wobei an den Außenseiten des ersten Bauteils verlaufende Kehlnähte erzeugt werden. Bei einem anderen Anwendungsfall des bekannten Verfahrens werden mit zwei Leichtbauprofilen mit demselben rechteckförmigen Querschnitt, deren Stirnseiten zusammenstoßen, auf gegenüberliegenden Außenseiten angeordnete Blechstreifen zunächst vernietet und alsdann durch Laserschweißen verbunden, und zwar als umlaufende Kehlnaht entlang den Rändern der beiden Blechstreifen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das Verfahren mit den gattungsgemäßen Merkmalen eine derartige Ausbildung und Anordnung der Laserschweißnähte aufzuzeigen, dass der durch die Spannkraft der Kaltfügetechnik (z. B. Niete oder Schrauben) erzeugte spielfreie Kontakt der Bauteile optimal genutzt wird und das Einbringen von Wärme in die Bauteile durch das Laserschweißen möglichst gering ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass man eine Laserschweißnaht in unmittelbarer Nähe jeder durch die Kaltfügetechnik geschaffenen Fixierungsstelle anordnet, also insbesondere so nahe wie möglich am Niet oder an der Schraube.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in der Zeichnung prinzipartig dargestellt sind. Bei diesen Ausführungsbeispielen wird als Kaltfügetechnik das Nieten angewendet, wobei durchaus auch andere Kaltfügetechniken vorgesehen werden können, wie z. B. Schrauben, Clinchen oder Punktkleben.
Die 1 bis 3 zeigen jeweils einen Teilbereich von zwei zu verbindenden Bauteilen 1 und 2, die einander überlappende Flächenabschnitte 1a bzw. 2a aufweisen. In diese Flächenabschnitte 1a und 2a vor dem Fügen der beiden Bauteile 1 und 2 durch beispielsweise Laserschneiden eingebrachte Bohrungen sind bevorzugt in einem so genauen Raster angeordnet, dass ein Positionieren und Fixieren der Bauteile 1 und 2 allein durch Einführen von Nieten 3a (alternativ auch Schrauben) möglich ist. Separate Vorrichtungen oder Werkzeuge, die in der Regel aufwändig sind, werden nicht benötigt. Es versteht sich, dass bei entsprechenden Abmessungen der einander überlappenden Flächenabschnitte 1a und 2a im Abstand von der in den 1 bis 3 gezeigten Reihe von Nieten 3a zusätzliche Nietreihen vorgesehen werden können. Als Niete 3a werden Blindniete bevorzugt, die das Verbinden der Bauteile 1 und 2 von lediglich einer Seite her ermöglichen.
Um den durch die jeweilige Axialkraft der Niete 3a speziell in der Umgebung der Fixierungsstelle 3 geschaffenen spielfreien Flächenkontakt der zu verbindenden Bauteile 1 und 2 optimal zu nutzen, wird eine Laserschweißnaht 4 in unmittelbarer Nähe jedes Nietes 3a gezogen, d. h., so nahe wie möglich am Niet 3a. Durch diese in etwa punktförmigen Laserschweißnähte 4 wird nur wenig Wärme in die zu verbindenden Bauteile 1 und 2 eingebracht, so dass kaum Verzug auftritt.
1 zeigt die Möglichkeit, die Laserschweißnähte 4 konzentrisch zur Mittelachse 3b der durch die Niete 3a geschaffenen Fixierungsstelle 3 zu platzieren, wobei diese Nähte 4 durchgehend kreisförmig ausgeführt sind. Aus 1 ist weiter ersichtlich, dass die kreisförmigen Laserschweißnähte 4 eine der Höhe der auftretenden Beanspruchungen angepasste Breite aufweisen können.
In den 2 und 3 sind weitere Schweißnahtformen dargestellt. Gemäß 2 sind die ebenfalls konzentrisch zum jeweiligen Niet 3a verlaufenden Laserschweißnähte 4 kreisförmig gesteppt ausgeführt, wobei auch hier beispielhaft unterschiedliche Nahtbreiten gezeigt sind. Außerdem zeigt 2 eine Ausführung, wonach der Niet 3a strahlenförmig von einer Anzahl jeweils gerade ausgeführter Laserschweißnähte 4 umgeben ist. 3 veranschaulicht, dass eng neben jedem Niet 3a zwei jeweils als Gerade ausgeführte Laserschweißnähte 4 parallel zueinander verlaufen. Dabei können die paarigen Laserschweißnähte 4 mit ihrer Länge in derjenigen Richtung angeordnet werden, in der die höchsten zu übertragenden Kräfte wirken.
Bei einer für den spielfreien Flächenkontakt der zu verbindenden Bauteile 1 und 2 ausreichenden Anzahl von Fixierungsstellen 3 – hier der Niete 3a – ist es auch möglich, innerhalb einer Reihe oder eines Musters zwischen benachbarten Fixierungsstellen 3 jeweils eine Laserschweißnaht 4 anzuordnen, für die eine beliebige der kreisförmigen oder linearen Nahtformen auswählbar ist.
Im Sinne des angestrebten möglichst minimalen Verzuges empfiehlt es sich, Schweißfolgen festzulegen. Wenn also eine lange Nietreihe mit einem der oben beschriebenen Schweißmuster zu versehen ist, sollte nicht der Reihe nach geschweißt werden, sondern alternierend. Bei Baustrukturen mit mehreren Nietreihen kann in die Schweißfolge ein Seitenwechsel einbezogen werden. Dadurch wird bezüglich des Schweißschrumpfes und damit des Verzuges eine Gegenwirkung erzeugt, die den Verzug bzw. Verformungen reduziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, entweder hochautomatisiert mit entsprechendem Investitionsbedarf als auch mobil ohne umfangreiche Investition realisiert zu werden. Zur Automatisierung bietet sich der Einsatz eines Laser-Schweißroboters an, der den Laserschweißkopf führt, sehr vorteilhaft auch ein Scanner-Schweißkopf.
Zur mobilen Realisierung des Verfahrens sind manuell geführte Laserschweißköpfe bekannt, die Linearnähte mit automatisiertem Vorschub erzeugen können. Dadurch, dass die Schweißnähte in ummittelbarer Umgebung der Niete angeordnet sind, ist es möglich, den Nietkopf zur Positionierung und/oder Führung des Laserschweißkopfes auszubilden, so dass er zu einem entsprechenden Gegenstück am Schweißkopf passt. Zur mobilen Realisierung ist ein Schweißkopf mit Scanneroptik möglich, der die Erzeugung der kreisförmigen Nähte (durchgehend oder gesteppt) erlaubt, indem er den Laser-Schweißstrahl ringförmig führt.
Mit Hilfe des hier beschriebenen Verfahrens mit örtlich wirksamer Kaltfügetechnik, insbesondere durch formschlüssige Verbindung mittels Niete oder Schrauben, und stoffschlüssiger Verbindung durch Laserschweißen können Baustrukturen in beliebiger Größe erstellt werden, beispielsweise Modulsektionen eines Wagenkastens für Schienenfahrzeuge.

Claims

Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehreren, einander überlappende Flächenabschnitte (1a, 2a) aufweisenden Bauteilen (1, 2) durch Laserstrahl, bei dem man die Bauteile (1, 2) vor dem Laserschweißen an zumindest einem der überlappenden Flächenabschnitte (1a, 2a) durch örtlich wirksame Kaltfügetechnik, vorzugsweise mittels Niete (3) oder Schrauben, formschlüssig zueinander fixiert und anschließend durch Laserstrahl miteinander verschweißt, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Laserschweißnaht (4) in unmittelbarer Nähe jeder durch die Kaltfügetechnik geschaffenen Fixierungsstelle (3) anordnet, also insbesondere so nahe wie möglich am Niet (3a) oder an der Schraube.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißnaht (4) konzentrisch zur Mittelachse (3b) der Fixierungsstelle (3), beispielsweise des Nietes (3a), platziert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißnaht (4) durchgehend kreisförmig ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißnaht (4) gesteppt kreisförmig ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixierungsstelle (3) strahlenförmig von einer Anzahl jeweils gerade ausgeführter Laserschweißnähte (4) umgeben ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Laserschweißnähte (4) vorgesehen sind, die jeweils als Gerade ausgeführt sind und parallel zueinander neben der Fixierungsstelle (3) verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laserschweißnähte (4) mit ihrer Länge in derjenigen Richtung angeordnet sind, in der die höchsten zu übertragenden Kräfte wirken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der als Kaltfügetechnik eingesetzte Niet (3) oder die Schraube dem Positionieren und/oder Führen des Laserschweißkopfes insbesondere eines handgeführten Schweißsystems dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kaltfügetechnik ein Clinchen der Bauteile (1, 2) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kaltfügetechnik ein punktartiges Verkleben der Bauteile (1, 2) vorgesehen ist.