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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 .
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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.
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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.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den
Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen
besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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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.
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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 Mindestschlagenergie 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Material der Werkstücke ist ein Naturwerkstoff, beispielsweise
Leder oder Wollgewebe, ein Kunststoff oder ein Metall, wie Aluminium
oder Eisen, jedoch vorzugsweise aus Stahlblech.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung
gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Die
Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige
Weiterbildungen der Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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
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1 eine
Fügestelle 7, an der mittels eines Laserstrahls 5 Energie
in die Werkstücke 1, 2, 3 eingetragen
wird;
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2 die
Fügestelle 7, an der in die Werkstücke 1, 2, 3 ein
Fügeelement 4 eingesetzt wird;
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3 die
Fügestelle 7 nach dem Fügevorgang;
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4 die
Werkstücke 1, 2, 3 mit den Fügestellen 7, 8, 9;
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5 die
Werkstücke 1, 2, 3 mit den Fügestellen 7, 8, 9 als
Teil einer Zone 6.
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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.
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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.
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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 1 bis 3 beschrieben.
Im Gegensatz zu den seriell ablaufenden Vorgängen, die
in den 1 bis 3 beschrieben wurden, zeigt
die 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.
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5 zeigt
wie die 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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1754896
B1 [0002]
- - DE 102006002238 A1 [0003]
- - DE 19630488 A1 [0004]
- - DE 10348427 A1 [0006]
- - DE 10133292 A1 [0007]