DE102004062896A1

DE102004062896A1 - Device for joining workpieces in an interlocking manner comprises deforming the workpieces with tools in which one of the tools is formed by an opening

Info

Publication number: DE102004062896A1
Application number: DE102004062896A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Prof. Dr. Beyer; Jan Kalich; Hanno Kötter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: DE102004062896B4

Abstract

Device for joining workpieces in an interlocking manner comprises deforming the workpieces with tools (1, 2), in which one of the tools is formed by an opening (3) or at least one of the workpieces is completely made from a material transparent for electromagnetic radiation of a laser light source in a region so that thermal activation/heating is achieved using electromagnetic radiation of a laser light source directed onto a joining region (7) of the workpieces. An independent claim is also included for a method for joining workpieces using the above device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum formschlüssigen Verbinden von Werkstücken durch bereichsweise Umformung der Werkstücke mit mindestens zwei Werkzeugen, die eine Druckkraft auf die miteinander zu verbindenden Werkstücke ausüben. In bevorzugter Form kann die Verbindung durch ein Verfahren, das üblicherweise als „Clinchen" bezeichnet wird, ausgebildet werden, wobei bei der Umformung gleichzeitig eine thermische Aktivierung erfolgt und dadurch gegebenenfalls nicht nur eine formschlüssige, sondern auch zusätzlich eine stoffschlüssige Verbindung im jeweiligen Fügebereich ausgebildet werden kann.The The invention relates to a device and a method for positive connection of workpieces by partially forming the workpieces with at least two tools, which exert a compressive force on the workpieces to be joined together. In Preferably, the compound may be prepared by a process commonly referred to as "clinching". be formed, wherein at the same time a thermal Activation takes place and thereby possibly not only a positive, but also in addition a cohesive Connection in the respective joining area can be trained.

Die Erfindung ist besonders für die Verbindung von Werkstücken, die in Form von plattenförmigen Elementen oder Blechen vorliegen, geeignet.The Invention is especially for the connection of workpieces, in the form of plate-shaped Elements or sheets are present, suitable.

Für die Herstellung solcher Verbindungen sind unterschiedliche technologische Verfahren an sich bekannt. So ist es durchaus üblich ein lokales Umformen, ohne jegliche Wärmeeinwirkung durchzuführen. Außerdem sind thermische Fügeverfahren, wie das Schweißen oder Löten übliche Praktiken. Außerdem können Nietverbindungen oder auch andere stoffschlüssige Verbindungen durch Kleben hergestellt werden. Häufig weisen aber solche Verbindungen von Werkstücken bei den jeweiligen Applikationen Nachteile auf, wie dies beispielsweise Gefügeumwandlungen bei thermischem Energieeintrag in die jeweiligen Werkstücke, eine nicht ausreichende Warmfestigkeit oder auch fehlende Korrosionsbeständigkeit oder Säurebeständigkeit, als einige genannte Beispiele, sind.For the production Such compounds are different technological processes known in itself. So it is quite common a local forming, without any heat perform. Furthermore are thermal joining methods, like the welding or soldering common practices. Furthermore can Riveting or other cohesive connections by gluing getting produced. Often but have such compounds of workpieces in the respective applications Disadvantages, such as structural changes in thermal Energy input into the respective workpieces, insufficient hot strength or even lack of corrosion resistance or acid resistance, as some examples given are.

Beim Clinchen (Durchsetzfügen) müssen aber bestimmte Randbedingungen eingehalten werden, so dass auch hier Grenzen für die Anwendbarkeit dieses Fügeverfahrens gegeben sind.At the Clinching (clinching) but have to certain boundary conditions are met, so here too Limits for the applicability of this joining process given are.

So muss die jeweilige Ausformung des Fügepunktes oder -bereiches der miteinander zu verbindenden Werkstücke berücksichtigt werden.So the respective shape of the joining point or area of the be considered with each other to be joined workpieces.

Die Werkstücke müssen aus Werkstoffen mit entsprechend geeigneter Duktilität gewählt werden, um sie entsprechend umformen zu können.The workpieces have to be selected from materials with appropriate ductility to to transform them accordingly.

Außerdem können verfahrensbedingt nur Werkstücke mit relativ geringen Werkstückdicken in dieser Form formschlüssig miteinander verbunden werden, wobei in der Regel 3 mm die jeweilige Obergrenze darstellen.In addition, due to the process only workpieces with relatively low workpiece thicknesses in this form form-fitting 3 mm are the respective Upper limit.

Es können Festigkeiten an der in dieser Form hergestellten Verbindung R_m < 500 MPa, bei A₈₀ > 14% und R_m < 800 MPa bei A₈₀ > 8% für Sonderanwendungen, erreicht werden.Strengths can be achieved on the compound produced in this form R _m <500 MPa, at A ₈₀ > 14% and R _m <800 MPa at A ₈₀ > 8% for special applications.

Insbesondere, die jeweiligen Werkstückdicken und die Festigkeitsbereiche der Werkstückwerkstoffe setzen den Clinch-Verfahren Grenzen.Especially, the respective workpiece thicknesses and the strength ranges of the workpiece materials set the clinch process Limits.

Außerdem können schwer umformbare Werkstoffe, wie z.B. Magnesium- oder Titanlegierungen sowie Werkstoffe, die für Gefügeänderungen anfällig sind, z.B. Al-Guss, nur schwer oder gar nicht in dieser Form eingesetzt werden.Besides, hard can deformable materials, such as Magnesium or titanium alloys as well as materials for structural changes susceptible are, e.g. Al-cast, difficult or impossible to use in this form.

In Ansätzen wurde zur Erweiterung des Einsatzbereiches dieses Fügeverfahrens über eine thermische Aktivierung der jeweiligen Fügebereiche nachgedacht und eine induktions- oder widerstandsbeheizt basisierte Erwärmung der Fügebereiche ins Spiel gebracht. Bei in dieser Form erfolgter thermischer Aktivierung und insbesondere in einer Großserienanwendung sind Grenzen dadurch gesetzt, dass die der eigentlich thermisch zu aktivierende Fügebereich sehr klein ist und die Anlagentechnik für eine induktions- oder widerstandsbeheizt basierte Aktivierung nicht in der Lage ist, einen so klein voluminierten Fügebereich allein entsprechend zu erwärmen. Außerdem die hierfür einsetzbare Anlagentechnik in die unmittelbare Nähe des jeweiligen Fügebereiches gebracht und dann wieder entfernt werden muss, wodurch die fertigungstechnologische Abfolge, also der jeweilige Zeittakt deutlich verlängert ist.In approaches was extended to the field of application of this joining method via a thermal activation of the respective joining areas and thought an induction or resistance heated base heating the joining areas brought into play. In this form of thermal activation and in particular in a mass production application Limits are set by the fact that they are actually thermal Joining area to be activated is very small and the equipment for an induction or resistance heated based activation is not capable of such a small volume joining area to warm up alone. Furthermore the one for this Applicable system technology in the immediate vicinity of the respective joint area must be brought and then removed again, eliminating the manufacturing technology Sequence, so the respective clock is significantly extended.

Eine simultane thermische Aktivierung, die gleichzeitig mit dem Umformen und Fügen der Werkstücke durchführbar ist, kann eigentlich nicht in dieser Form erreicht werden und die entsprechend in die Werkstoffe eingebrachte Wärmeenergie ist in der Regel überdosiert und falls eine Unterdosierung auftritt, kann die gewünschte Wirkung nicht erreicht werden. Bei unerwünschtem überhöhten Wärmeeintrag treten Gefügeveränderungen im Bereich um und unmittelbar im Fügebereich auf, die zu in unerwünschter Form veränderten mechanischen Eigenschaften führen und häufig auch die Festigkeit der Werkstücke und auch der entsprechend hergestellten Fügeverbindung negativ beeinträchtigen.A simultaneous thermal activation, simultaneously with the reshaping and joining the workpieces feasible actually can not be achieved in this form and the correspondingly introduced into the materials heat energy is usually overdosed and if underdosing occurs, the desired effect may be can not be reached. In case of undesired excessive heat input occur structural changes in the area around and directly in the joining area, which too undesirable changed lead mechanical properties and often also the strength of the workpieces and also adversely affect the correspondingly produced joint connection.

Bei den meisten Umformverfahren entspricht aufgrund des jeweiligen Formbildungsgrades, die Wirkfläche des Verfahrens der projizierten Werkstückfläche. Ein Vorzug umformtechnischer Fügeverfahren, also ebenfalls dem des Clinchens, besteht in der erreichbaren punktförmigen Wirkfläche, die eine Beeinflussung weiterer Werkstückariale ausschließen kann.at most of the forming processes corresponds to the effective area the method of the projected workpiece surface. An advantage of forming technology Joining process, So also that of the clinching, consists in the achievable punctiform effective area, the can preclude influencing further Werkstückariale.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten zu schaffen, mit denen Werkstücke durch bereichsweise Umformung formschlüssig miteinander verbunden werden können, die aus einem größeren Werkstoffspektrum, also beispielsweise mit geringerer Duktilität ausgewählt werden können und eine erhöhte Werkstückdicke aufweisen.It is therefore an object of the invention to provide opportunities with which workpieces by be rich forming can be positively connected to each other, which can be selected from a larger material spectrum, ie, for example, with less ductility and have an increased workpiece thickness.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 und einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 12 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen.According to the invention this Task with a device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 12 solved. advantageous Embodiments and developments arise with the in the subordinate claims designated characteristics.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei so ausgebildet, dass die formschlüssige Verbindung durch Umformen von Werkstücken mit mindestens zwei Werkzeugen, die eine Druckkraft auf die miteinander zu verbindenden Werkstücke ausüben, hergestellt wird. Durch die auf die miteinander zu verbindenden Werkstücke ausgeübte Druckkraft werden die Werkstücke verformt, wobei die gegeneinander wirkenden Werkzeuge entsprechend konturiert sind, so dass die jeweilige Form des dann verformten Fügeberreiches mit den Werkzeugkonturen vorgegeben ist.A inventive device is designed so that the positive connection by forming of workpieces with at least two tools that have a compressive force on each other to be joined workpieces exercise, produced becomes. By the pressure exerted on the workpieces to be joined together become the workpieces deformed, with the counter-acting tools accordingly are contoured so that the particular shape of the then deformed Fügeberreiches is predetermined with the tool contours.

Erfindungsgemäß ist in einer ersten Alternative in mindestens einem der Werkzeuge eine Durchbrechung ausgebildet. Durch die eine oder auch mehrere Durchbrechung(en) wird elektromagnetische Strahlung einer Laserlichtquelle durch das jeweilige Werkzeug punktuell auf einen Fügebereich von Werkstücken gerichtet, so dass eine thermische Aktivierung/Erwärmung im Fügebereich erreicht wird. In dieser Alternative können die Werkzeuge aus den üblichen Werkstoffen, wie z.B. Metalle, Metalllegierungen oder Keramiken hergestellt sein und dabei im Wesentlichen die mechanischen Parameter, beispielsweise Festigkeit und Härte berücksichtigt sein.According to the invention is in a first alternative in at least one of the tools Aperture formed. Through the one or more openings is electromagnetic radiation of a laser light source through the respective tool directed selectively to a joining region of workpieces, so that a thermal activation / heating in the joining area is achieved. In this alternative can the tools from the usual Materials, such as Metals, metal alloys or ceramics be prepared and essentially the mechanical parameters, for example, strength and hardness considered be.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Alternative kann aber mindestens ein Werkzeug vollständig oder bereichsweise aus einem für elektromagnetische Strahlung von Laserlichtquellen transparenten Werkstoff gebildet sein. Der Werkstoff sollte eine Transparenz von mindestens 50% für die jeweilige elektromagnetische Strahlung aufweisen, so dass ein entsprechend reduzierter Anteil der Strahlung, die auf eine Oberfläche auftrifft absorbiert wird und der das Werkzeug durchdringende Anteil der Strahlung für die thermische Aktivierung/Erwärmung im Fügebereich genutzt werden kann.In a further alternative according to the invention but can at least one tool completely or partially off one for electromagnetic radiation from laser light sources transparent material be formed. The material should have a transparency of at least 50% for have the respective electromagnetic radiation, so that a correspondingly reduced proportion of radiation impinging on a surface is absorbed and the tool penetrating portion of the radiation for the thermal activation / heating in the joining area can be used.

Hierfür geeignete Werkstoffe sind beispielsweise transparente Keramiken.Suitable for this Materials are, for example, transparent ceramics.

Soll für ein Werkzeug lediglich ein Bereich für die elektromagnetische Strahlung transparent sein, kann z.B. ein Einsatzelement aus einem solchen Werkstoff in eine Durchbrechung, die im Werkzeug ausgebildet und in Bezug zu einem Fügebereich positioniert ist, eingesetzt werden. Die elektromagnetische Strahlung kann dann durch ein solches Einsatzelement zumindest mit einem ausreichenden Anteil auf den Fügebereich gerichtet werden.Should for a Tool only one area for the electromagnetic radiation may be transparent, e.g. an insert element from such a material in an opening formed in the tool and in relation to a joining area is positioned to be used. The electromagnetic radiation can then by such an insert element at least with a sufficient Share on the joint area be directed.

Durch die thermische Aktivierung/Erwärmung und den entsprechenden Energieeintrag im Fügebereich wird die Verformbarkeit der Werkstücke verbessert, so dass vorab nicht entsprechend zu verbindende Werkstoffe und Werkstücke mit größeren Werkstückdicken so mit einander verarbeitet bzw. verbunden werden können. Dies trifft insbesondere auch auf die im einleitenden Teil der Beschreibung bezeichneten Magnesium- und Titanlegierungen zu.By the thermal activation / warming and the corresponding energy input in the joining area is the deformability the workpieces improves, so that in advance not correspondingly connected materials and workpieces with larger workpiece thicknesses can be processed or connected with each other. This especially applies to those indicated in the introductory part of the description Magnesium and titanium alloys too.

Durch den hochkonzentrierten Energieeintrag der elektromagnetischen Strahlung, die von einer Laserlichtquelle emittiert wird, kann ausschließlich der Fügebereich punktuell thermisch aktiviert/erwärmt werden, so dass eine gezielte Erwärmung des Fügebereiches erreicht werden kann, was insbesondere die maximalen und/oder vorgebbare Temperaturen betrifft und so z.B. Gefügeumwandlungen des Werkstoffes im Fügebereich mit sehr hoher Sicherheit und eigentlich generell vermieden werden können.By the highly concentrated energy input of the electromagnetic radiation, which is emitted by a laser light source, can only the joining area thermally activated / heated selectively, so that a targeted warming of the joining area can be achieved, which in particular the maximum and / or predefinable Temperatures and so on. Microstructure transformations of the material in the joining area with very high security and actually generally avoided can.

In einer bevorzugten Ausführungsform können die Werkzeuge, als Werkzeugstempel und Matrize ausgebildet werden, deren jeweilige Formgebungskontur für die Herstellung der formschlüssigen Verbindung durch Umformung die Gestalt der Fügeverbindung berücksichtigend und in jeweils komplementärer Form gestaltet sind.In a preferred embodiment can the tools are designed as a tool punch and die, their respective shaping contour for the production of the positive connection by shaping the shape of the joint connection into account and in each case complementary Shape are designed.

So können im einfachsten Fall eine oder mehrere Bohrungen, als Durchbrechungen in mindestens einem der Werkzeuge ausgebildet sein, durch die die entsprechend fokussierte elektromagnetische Strahlung der Laserlichtquelle auf einen Fügebereich der Werkstücke gerichtet werden kann.So can in the simplest case, one or more holes, as openings be formed in at least one of the tools through which the correspondingly focused electromagnetic radiation of the laser light source on a joining area the workpieces can be directed.

Zur Erhöhung der Flexibilität beim Einsatz der Erfin dung können aber auch Lichtwellenleiter, bevorzugt flexible, wie beispielsweise Lichtleitfasern (Glasfasern) eingesetzt werden, in die die elektromagnetische Strahlung der Laserlichtquelle eingekoppelt wird und durch die die elektromagnetische Strahlung gezielt geführt und beim Austritt aus dem jeweiligen flexiblen Lichtwellenleiter auf den Fügebereich gerichtet werden kann. Die Lichtwellenleiter können dabei durch die Durchbrechungen oder auch lediglich in diese eingeführt sein, so dass eine solche Durchbrechung mit eingeführtem Lichtwellenleiter quasi ein Sackloch bildet und der Lichtwellenleiter innerhalb der Durchbrechung endet.to increase the flexibility when using the inven tion can but also optical waveguides, preferably flexible, such as Optical fibers (glass fibers) are used, in which the electromagnetic Radiation of the laser light source is coupled and through which the directed electromagnetic radiation and at the exit from the respective flexible optical fibers are directed to the joining area can. The optical fibers can thereby be introduced through the openings or even just in this so that such an opening with inserted optical fiber quasi forms a blind hole and the optical fiber within the aperture ends.

Unabhängig davon, ob die elektromagnetische Strahlung über flexible Lichtwellenleiter oder die elektromagnetische Strahlung unmittelbar durch die Durchbrechungen gerichtet ist, können an und/oder in Durchbrechungen mindestens ein strahlformendes optisches Element angeordnet sein, mit dem eine Fokussierung oder auch Defokussierung der auf den jeweiligen Fügebereich gerichteten elektromagnetischen Strahlung erreichbar ist. Mit einem solchen strahlformenden optischen Element kann die jeweilige Leistungsdichte im Brennfleck zusätzlich beeinflusst werden.Regardless of whether the electromagnetic cal radiation via flexible optical waveguides or the electromagnetic radiation is directed directly through the apertures, at least one beam-shaping optical element can be arranged on and / or in apertures, with a focus or defocusing of the directed to the respective joining region electromagnetic radiation can be achieved. With such a beam-shaping optical element, the respective power density in the focal spot can be additionally influenced.

Es besteht aber auch die Möglichkeit die Durchbrechungen in anderer Form, als als Bohrungen an den jeweiligen Werkzeugen auszubilden. So können beispielsweise Spalten zwischen Teilen eines Werkzeuges, die Funktion einer Durchbrechung ohne weiteres erfüllen. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn zumindest eines der Werkzeuge in Form einer Rolle ausgebildet ist, die dann gegebenenfalls auch um eine Achse rotieren kann, so dass sich die Möglichkeit eröffnet, eine fortschreitende formschlüssige Verbindung von Werkstücken, bei gleichzeitiger Relativbewegung zwischen Werkstücken und Werkzeugen, orthogonal zur Druckkraftwirkungsrichtung beim Umformen, durchgeführt wird. So können quasi formschlüssige Verbindungen in Nahtform an Werkstücken hergestellt werden.It But there is also the possibility the openings in a different form than as holes in the respective To train tools. So can For example, columns between parts of a tool, the function fulfill an opening readily. This is special then cheap, if at least one of the tools is in the form of a roll is, which can then also rotate about an axis if necessary, so that's the possibility opened, a progressive form-fitting Connection of workpieces, with simultaneous relative movement between workpieces and Tools, orthogonal to the pressure force acting direction during forming, carried out becomes. So can almost form-fitting Connections are made in seams on workpieces.

Dabei kann die elektromagnetische Strahlung durch den zwischen den Teilen eines Werkzeuges, beispielsweise zwei Hälften eines Werkzeuges, ausgebildeten Spalt auf den Fügebereich gerichtet werden.there can the electromagnetic radiation through the between the parts a tool, for example, two halves of a tool formed Gap on the joint area be directed.

In besonders bevorzugter Form kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine gepulst betriebene Laserlichtquelle eingesetzt werden, was zusätzliche Möglichkeiten für die Einflussnahme auf eine simultane thermische Aktivierung vor und während der eigentlichen Umformung des Fügebereiches eröffnet. So kann die Pulsfrequenz und die jeweilige Pulsdauer über den gesamten Zeitraum eines Fügevorganges variiert werden, so dass der Energie- bzw. Wärmeeintrag während des Umform- und Fügevorgangs verändert und an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden kann. So besteht die Möglichkeit vor oder zu Beginn der Umformung einen erhöhten Energieeintrag vorzunehmen und nachfolgend dadurch und durch die Verformung der Werkstücke einhergehende Erwärmung der Werkstücke durch einen nachfolgend reduzierten Energieeintrag zu kompensieren bzw. zu berücksichtigen oder zu Beginn der Umformung ein geringerer Energieeintrag und zum Ende der Punktausbildung ein erhöhter Eintrag, da hier die größeren Kräfte aufzubringen sind.In Particularly preferred form can in the device according to the invention a pulsed laser light source can be used, which additional options for the Influence on simultaneous thermal activation before and while the actual transformation of the joining area opened. Thus, the pulse rate and the respective pulse duration over the entire period of a joining process be varied so that the energy or heat input during the Forming and joining process changed and can be adapted to the respective requirements. That is how it is the possibility before or at the beginning of the transformation to make an increased energy input and subsequently by and associated with the deformation of the workpieces warming of the workpieces compensate for a subsequently reduced energy input or to take into account or at the beginning of the forming a lower energy input and the End of the point education an increased Entry, since here the larger forces to raise are.

Außerdem können Zu- und/oder Abschaltzeitpunkte variabel für bzw. über den Fügeprozess gesteuert werden.In addition, and / or switch-off are variably controlled for or via the joining process.

Ein gepulster Betrieb ist aber auch mit einer kontinuierlich betriebenen Laserlichtquelle möglich, wenn in den Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung ein so genannter „Chopper" angeordnet ist, der die elektromagnetische Strahlung temporär sperrt und alternierend dann wieder frei gibt. Solche Chopper werden häufig als rotierende Elemente ausgebildet, in denen Schlitze oder ebenfalls Durchbrechungen ausgebildet sind, durch die dann die elektromagnetische Strahlung in bestimmten Winkelstellungen bei einem sich drehenden Chopper durchgelassen und nachfolgend wieder gesperrt werden. Dabei kann die Anzahl, Anordnung, Dimensionierung und die jeweilige Drehzahl solcher Chopper die entsprechende Pulsfrequenz vorgeben.One pulsed operation is also available with a continuously operated Laser light source possible if in the beam path of the electromagnetic radiation a so-called "chopper" is arranged, which temporarily blocks the electromagnetic radiation and then alternately free again. Such choppers are often called rotating elements formed, in which slots or perforations also formed are through which then the electromagnetic radiation in certain Angular positions transmitted by a rotating chopper and subsequently blocked again. The number, arrangement, Dimensioning and the respective speed of such choppers the corresponding Specify pulse rate.

Wie bereits angesprochen, kann die Pulsfrequenz, die Einzelpulsdauer gesteuert werden. Allein oder zusätzlich kann aber auch die Leistung der Laserlichtquelle und/oder auch die Leistungsdichte im Brennfleck am Fügebereich entsprechend zeitlich gezielt gesteuert werden. Dabei kann der jeweilige Werkstoff von Werkstücken, die Werkstückdicken, die jeweils auf die Werkstücke wirkende Druckkraft und/oder der entsprechende Werkzeugvorschub während der Umformung bei der Steuerung mit berücksichtigt werden.As already mentioned, the pulse rate, the single pulse duration to be controlled. Alone or in addition, but also the performance the laser light source and / or the power density in the focal spot at the joining area be controlled according to time. In this case, the respective material of workpieces, the workpiece thicknesses, the each on the workpieces acting pressure force and / or the corresponding tool feed during the Forming in the control to be taken into account.

Allein oder zusätzlich kann eine thermische Aktivierung/Erwärmung auch durch elektrische Widerstandsbeheizung erreicht werden, wobei der elektrische Stromfluss zwischen mindestens einem Werkzeug und einem Werkstück die Aktivierung/Erwärmung bewirken und auch steuern kann.Alone or additionally can be a thermal activation / heating also by electrical Resistance heating can be achieved, with the electric current flow effect activation / heating between at least one tool and a workpiece and also can control.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch die thermische Aktivierung/Erwärmung, neben der Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung auch eine stoffschlüssige Verbindung im Fügebereich ausgebildet wird. Dadurch kann die Gesamtfestigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen zusätzlich positiv beeinflusst werden, da unter anderem eine nahezu spaltfreie Verbindung zwischen den miteinander zu verbindenden Werk-stücken im Fügebereich vorliegt, so dass beispielsweise ein Korrosionsangriff in diesem Bereich, zumindest jedoch erheblich behindert wird. Außerdem kann dadurch die Festigkeit einer kombinierten form- und stoffschlüssigen Verbindung bei unterschiedlichsten mechanischen Belastungen, die an miteinander erfindungsgemäß verbundenen Werkstücken angreifen, verbessert werden, was beispielsweise auf eine erhöhte Kopfzugfestigkeit zutrifft.Especially It is advantageous if, by the thermal activation / heating, next to the formation of a form-fitting Connection also a cohesive Connection in the joining area is trained. As a result, the overall strength of the invention produced Additional connections be influenced positively, among other things, a nearly gap-free Connection between the workpieces to be connected in the joining area is present, so that, for example, a corrosion attack in this Range, or at least significantly hampered. In addition, can thereby the strength of a combined positive and cohesive connection for a variety of mechanical loads that are on each other connected according to the invention workpieces attack, be improved, for example, on an increased head tensile strength true.

Vorteilhaft sollte jedoch der Anteil der Festigkeit, der durch die stoffschlüssige Verbindung, im Vergleich zur formschlüssigen Verbindung ≤ 20%, bevorzugt < 10% sein.Advantageous However, if the proportion of the strength generated by the cohesive in comparison to the positive Compound ≤ 20%, preferably <10%.

Dabei spielt auch der Aspekt eines entsprechend er höhten Energieeintrages durch die thermische Aktivierung/Erwärmung und die Verformung eine Rolle.It also plays the aspect of a entspre It increased energy input due to thermal activation / heating and deformation.

Bei der thermischen Aktivierung/Erwärmung sollte aber der jeweilige Energieeintrag so gewählt werden, dass die an den Werkstücken auftretenden Temperaturen unterhalb der Gefügeumwandlungstemperatur der jeweiligen Werkstückwerkstoffe gehalten werden. Dabei können die Parameter für die Steuerung des Verfahrens, wie auch die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der Werk-stücke berücksichtigt werden. Gegebenenfalls besteht auch eine Möglichkeit der lokalen Kühlung der Werk-stücke in an den Fügebereich angrenzenden Bereichen der Werkstücke.at the thermal activation / warming should but the respective energy input are chosen so that the to the workpieces occurring temperatures below the structural transformation temperature of respective workpiece materials being held. It can the parameters for the control of the process, as well as the thermal conductivity and heat capacity of the workpieces considered become. Optionally, there is also a possibility of local cooling of Work-pieces in to the joining area adjacent areas of the workpieces.

Durch die von einer Laserlichtquelle emittierte elektromagnetische Strahlung kann eine punktförmige Wirkfläche mit Energie beaufschlagt und entsprechend erwärmt werden, ohne dass weitere zusätzliche Bereiche von Werkstücken in unerwünschter Form thermisch beeinflusst werden. Dabei kann der gesteuerte Betrieb vorteilhaft die Umformung des zu verformenden Werkstoffes erleichtern und es kann zusätzlich, wie bereits angesprochen, neben der Ausbildung der formschlüssigen Verbindung im Fügebereich auch ein gewisses Maß an Stoffschluss erzielt werden. Die Steuerung kann dabei simultan mit dem Umformprozess durchgeführt werden.By the electromagnetic radiation emitted by a laser light source can be a punctate effective area be energized and heated accordingly without further additional Areas of workpieces in unwanted Form are thermally influenced. This can be the controlled operation advantageous to facilitate the transformation of the material to be deformed and it can additionally, as already mentioned, in addition to the formation of the positive connection in the joining area also a degree Material connection can be achieved. The controller can simultaneously with carried out the forming process become.

So kann eine deutlich verbesserte, gleichmäßigere Ausbildung von Verbindungen an Werkstücken, bei gleichzeitiger Einhaltung der Konsistenz und der me chanischen Eigenschaften im Bereich der Fügebereiche eingehalten werden.So can be a significantly improved, more uniform formation of compounds on workpieces, while maintaining consistency and mechanical Properties in the area of joint areas be respected.

Mit der insbesondere in den Fügebereich eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung kann auch eine Temperaturmessung, z.B. berührungslos mittels eines geeigneten optischen Detektors erfolgen. Dabei kann vom Fügebereich emittierte elektromagnetische Strahlung unmittelbar bzw. über den/die Lichtwellenleiter und einen Strahlteiler auf den optischen Detektor für den Fügebereich gerichtet wird.With in particular coupled into the joint area electromagnetic radiation can also be a temperature measurement, e.g. contactless by means of a suitable optical detector. It can from the joining area emitted electromagnetic radiation directly or via the / the optical waveguide and a beam splitter on the optical detector for the joining region is directed.

Es besteht auch die Möglichkeit das so genannte Taumelclinchen/Radialclinchen (Überlagerung der translatorischen Bewegung eines Werkzeugstempels durch alternative Antriebskinematiken) entsprechend erfindungsgemäß auszubilden.It there is also the possibility the so-called Taumelclinchen / Radialclinchen (superposition of translational Movement of a tool punch by alternative drive kinematics) accordingly form according to the invention.

Außerdem können ähnliche Verbindungen, wie sie beim Schmelzschweißen ausgebildet werden, erhalten werden. Ähnlich wie beim Punktschweißen, kann auch bei einer fortschreitenden Vorschubbewegung der Werkzeuge gegenüber den Werkstücken eine stetige, nahtähnliche Fügeverbindung, wie beim Rollnahtschweißen, erhalten werden.In addition, similar Compounds obtained by fusion welding are obtained become. Similar as in spot welding, can also with a progressive feed movement of the tools across from the workpieces a steady, seam-like Joint connection, as in roll seam welding, to be obtained.

Es besteht die Möglichkeit, Werkstücke aus unterschiedlichen Werkstoffen und gegebenenfalls auch mit unterschiedlichen Festigkeiten durch die erfindungsgemäß einzusetzende thermische Aktivierung miteinander zu verbinden, so dass Werkstücke aus nahezu allen Stahl- und Nichteisenwerkstoffen, einschließlich thermoplastischer Halbzeuge eingesetzt werden können.It it is possible, workpieces made of different materials and possibly also with different ones Strengths by the invention to be used thermal Activation to join together, making workpieces out Almost all steel and non-ferrous materials, including thermoplastic Semi-finished products can be used.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.following the invention will be explained in more detail by way of example.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 in schematischer Form zwei Werkstücke, die mittels eines Werkzeugstempels und einer Matrize formschlüssig verbunden werden sollen; 1 in schematic form, two workpieces which are to be positively connected by means of a tool punch and a die;

2 in schematischer Form die Fertigungsabfolge bei der Ausbildung formschlüssiger Verbindungen durch Clinchen in vier Prozess schritten und 2 in a schematic form, the production sequence in the formation of positive connections by clinching in four process steps and

3 eine erfindungsgemäß ausgebildete form- und stoffschlüssige Verbindung an zwei Blechen. 3 an inventively designed positive and cohesive connection to two sheets.

In 1 (linke Darstellung) sind zwei Werkzeuge, nämlich ein Werkzeugstempel 1, hier oben angeordnet und eine darunter angeordnete Matrize 2, als zweites Werkzeug eingesetzt worden. Zwischen Werkzeugstempel 1 und Matrize 2, deren Umformflächen jeweils komplementär konturiert sind, sind zwei Bleche 4 und 5, als formschlüssig miteinander zu verbindende Werkstücke angeordnet.In 1 (left illustration) are two tools, namely a tool punch 1 , arranged up here and a die arranged below 2 , used as a second tool. Between tool punches 1 and die 2 , whose forming surfaces are each contoured complementarily, are two sheets 4 and 5 arranged as a form-fitting to be joined together workpieces.

Durch den Werkzeugstempel 1 ist eine Bohrung als Durchbrechung 3 ausgebildet und ein flexibler Lichtwellenleiter 6 hindurchgeführt, über den elektromag netische Strahlung einer hier nicht dargestellten Laserlichtquelle auf den eigentlichen Fügebereich 7, der durch Umformung formschlüssige Verbindungen der Werkstücke 4 und 5 bilden soll, gerichtet.Through the tool stamp 1 is a hole as an opening 3 trained and a flexible optical fiber 6 passed through the electromagnetic radiation of a non-illustrated laser light source on the actual joining area 7 , by forming form-fitting connections of the workpieces 4 and 5 should form, directed.

Der Werkzeugstempel 1 wird translatorisch in Richtung auf die Matrize 2 bewegt und dabei eine zur Umformung der Werkstücke 1 und 2 führende Druckkraft ausgeübt, so dass eine Verformung der Werkstücke 4 und 5 entsprechend der Konturen von Werkzeugstempel 1 und Matrize 2 erreichbar ist. Die Umformung wird durch thermische Aktivierung unterstützt und erleichtert, indem ein Energieeintrag durch die auf den Fügebereich gerichtete elektromagnetische Strahlung, der zu einer punktuellen Erwärmung im Fügebereich führt, erfolgt.The tool stamp 1 becomes translational towards the matrix 2 moves while one for forming the workpieces 1 and 2 exerted leading pressure force, causing deformation of the workpieces 4 and 5 according to the contours of tool stamp 1 and die 2 is reachable. The forming is assisted and facilitated by thermal activation, in that an energy input takes place through the electromagnetic radiation directed at the joining region, which leads to a punctual heating in the joining region.

Dies kann, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits beschrieben, vor und/oder auch simultan zur Umformung in gesteuerter Form durchgeführt werden.This can, as already described in the general part of the description, before and / or also be carried out simultaneously in a controlled manner for forming.

Die linke Darstellung von 1 zeigt dann nach entgegengesetzter Bewegung von Werkzeugstempel 1 und Matrize 2 die durch Umformung erhaltene formschlüssige Verbindung der Werkstücke 4 und 5.The left illustration of 1 then points to opposite movement of tool punches 1 and die 2 the obtained by forming positive connection of the workpieces 4 and 5 ,

Bei der thermischen Aktivierung kann auch ausgenutzt werden, dass Wärme durch Wärmeleitung der Werkstücke 4 und 5 sowie im Werkzeugstempel 1 und Matrize 2 verhindert, dass außerhalb des Fügebereiches, der umgeformt wird, erhöhte Temperaturen zu verzeichnen sind.In the thermal activation can also be exploited that heat by heat conduction of the workpieces 4 and 5 as well as in the tool stamp 1 and die 2 Prevents elevated temperatures outside of the joining area being reshaped.

Die entsprechend durch Umformung erhaltene form schlüssige Verbindung der Werkstücke 4 und 5 ist in der Schnittdarstellung von 3 deutlicher erkennbar, wobei bei diesem Beispiel die thermische Aktivierung mit einem Energieeintrag so durchgeführt worden ist, dass im Fügebereich auch eine stoffschlüssige, neben der formschlüssigen Verbindung ausgebildet wird und zumindest bereichsweise keine Grenzflächen zwischen den so verbundenen Werkstücken 4 und 5 und ebenfalls keine Spalte oder Hohlräume verblieben sind.The correspondingly obtained by forming positive connection of the workpieces 4 and 5 is in the sectional view of 3 more clearly recognizable, wherein in this example, the thermal activation has been carried out with an energy input, that in the joining region and a cohesive, is formed next to the positive connection and at least partially no interfaces between the so connected workpieces 4 and 5 and also no gaps or voids have remained.

In 2 ist in vier Schritten schematisch der technologische Prozess einer Fügung von ebenfalls Blechen als Werkstücke 4 und 5 mit Werkzeugstempel 1 und Matrize 2 gezeigt. Dabei ist aus der ganz linken Darstellung die unbearbeitete Situation der Werkstücke 4 und 5 und in der ganz rechten Darstellung die formschlüssig hergestellte Verbindung der Werkstücke 4 und 5 nach dem Umformprozess erkennbar. Die beiden mittleren Darstellungen zeigen die sukzessive Umformung der Werkstücke 4 und 5 beim Aufeinanderpressen von Werkzeugstempel 1 und Matrize 2.In 2 is in four steps schematically the technological process of a combination of plates also as workpieces 4 and 5 with tool stamp 1 and die 2 shown. The left-hand illustration shows the unprocessed situation of the workpieces 4 and 5 and in the very right-hand view, the form-fitting connection of the workpieces 4 and 5 recognizable after the forming process. The two middle representations show the successive forming of the workpieces 4 and 5 when pressing on tool dies 1 and die 2 ,

Bei einer thermischen Aktivierung, die in nicht dargestellter Form auch allein oder zusätzlich über mindestens eine in der Matrize 2 ausgebildete Durchbrechung erreichbar ist, kann aber auch eine Reduzierung der erforderlichen Kräfte bei der Umformung der Werkstücke 4 und 5 erreicht werden.In a thermal activation, in the form not shown alone or in addition to at least one in the die 2 trained aperture is achievable, but can also reduce the required forces during the forming of the workpieces 4 and 5 be achieved.

Claims

Device for the positive connection of workpieces by partially forming the workpieces with at least two tools that exert a compressive force on the workpieces to be joined together, characterized in that by at least one of the tools ( 1 . 2 ) at least one opening ( 3 ) or the at least one tool ( 1 . 2 ) is formed completely or at least in one region from a material that is transparent to electromagnetic radiation of a laser light source, such that a thermal activation / heating by means of electromagnetic radiation of a laser light source generated by the tool (s) ( 1 . 2 ) at a point on a joint area ( 7 ) of the work piece (s) ( 4 . 5 ) is reachable.

Apparatus according to claim 1, characterized in that a tool is a tool punch ( 1 ) and a second tool a die ( 2 ) are.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that perforations ( 3 ) are formed in the form of bores.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that through the opening (s) ( 3 ) each a light wave conductor ( 6 ) is introduced or introduced into the electromagnetic radiation from the laser light source to a joining region ( 7 ).

Apparatus according to claim 4, characterized in that the optical waveguide ( 6 ) is flexible.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that on and / or in the opening (s) ( 3 ) at least one beam-guiding and / or beam-shaping optical element is arranged.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the aperture (s) ( 3 ) in the form of gaps between parts of a tool ( 1 or 2 ) is / are formed.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the workpieces to be joined together ( 4 . 5 ) are plate-shaped elements or sheets.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a pulsed laser light source is used is.

Device according to claim 1, characterized in that at least one of the tools ( 1 . 2 ) is formed entirely or in a region of a material that is transparent to at least 50% of the electromagnetic radiation emitted by a laser light source.

Device according to claim 1 or 10, characterized that the material is a ceramic.

Method for positive connection of workpieces by partially forming the workpieces with at least two tools that exert a compressive force on the workpieces to be joined together, thereby on workpieces ( 4 . 5 ) a pressing force leading to forming by means of translational and / or superposed movements of contoured tools ( 1 . 2 ), thereby the workpieces ( 4 . 5 ) are deformed such that a joint area ( 7 ) a positive connection of the workpieces ( 4 . 5 ), wherein before and / or during the forming of the joint area ( 7 ) punctually by means of at least one opening ( 3 ) contained in at least one of the tools ( 1 . 2 ), directed electromagnetic radiation of a laser light source and / or electrical current flow is the workpiece (s) ( 4 . 5 ) in the joining area ( 7 ) is thermally activated / become.

A method according to claim 12, characterized in that electromagnetic radiation in pulsed form to the joining region ( 7 ).

Method according to claim 12 or 13, characterized that the pulse rate, the single pulse duration, the power of the laser light source, the Power density in the focal spot and / or via the joining process variable connection and / or shutdown is / are controlled.

Method according to one of claims 12 to 14, characterized that the coupled electromagnetic radiation for temperature measurement is used.

Method according to one of claims 12 to 15, characterized that the control is dependent the materials of the workpieces, the workpiece thicknesses, each on the workpieces acting pressure force and / or the tool feed is performed.

Method according to one of claims 12 to 16, characterized in that in addition to the form-fitting a cohesive connection in the joint area ( 7 ) is formed.

Method according to claim 17, characterized in that that a strength ratio of the cohesive connection ≤ 20% complied becomes.

Method according to one of claims 12 to 18, characterized in that during the thermal activation / heating by means of the electromagnetic radiation, a predeterminable temperature of the workpieces ( 4 . 5 ) is complied with.