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Die Erfindung betrifft eine selbstzentrierende Steg-Deckblechverbindung und stellt eine Möglichkeit für eine Vereinfachung der Herstellung von Fügeverbindungen dar. Sie kann in der Automobil- und Zulieferindustrie, z. B. für Karosseriestrukturen, Sitzstrukturen, im Schienenfahrzeugbau, z. B. für Seitenwandstrukturen aber auch im Architekturbereich, z. B. für Fassadenelemente eingesetzt werden.
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Für eine Vielzahl von Konstruktionen aus ebenen Blechen oder Platten werden Verbindungen im T-Stoß als Versteifungselemente eingesetzt. Insbesondere im Stahlbau werden mit Lichtbogenschweißverfahren gefügte Konstruktion entsprechend 1 eingesetzt.
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Die Festigkeit der Konstruktion zwischen Deckblech (1) und Stegblech (2) wird dabei über die Ausführung der Schweißnaht/Kehlnaht (3) bestimmt. Die konstruktive Gestaltung sowie die eingesetzten Lichtbogenschweißverfahren bedingen ein geometrische Zugänglichkeit auf der Stegblechseite sowie einen Mindestabstand zwischen benachbarten Stegblechversteifungen.
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Vergleichbare Konstruktionen (2a und 2b) werden auch als lasergeschweißte Konstruktionen u. a. im Bereich Luftfahrt für Versteifungselemente in metallischen Rumpfstrukturen eingesetzt.
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Für die Reduzierung des Winkelverzuges nach dem Laserstrahlschweißen bei einseitiger Schweißung (2a) wird daher in der Regel von beiden Seiten gleichzeitig geschweißt (2b). Im Gegensatz zur konstruktiven Ausführung entsprechend 1 wird hierbei die Festigkeit der Konstruktion über den Anbindequerschnitt zwischen Stegblech und Deckblech bzw. die Stegbreite bestimmt. Vergleichbar sind für die Ausführung der Schweißung die geometrischen Randbedingungen im Hinblick auf Zugänglichkeit und Mindestabstand zwischen benachbarten Stegblechversteifungen.
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U. a. für Anwendungen im Bereich Schiffbau bzw. im Bereich Karosseriebau (Längsträger-Schottplatte) kommen sogenannte verdeckte T-Stoßverbindungen als lasergeschweißte Konstruktionen zum Einsatz (3). Die Festigkeit derartiger Verbindungen wird in diesem Fall über den Schweißnahtquerschnitt im Verbindungsbereich zwischen Stegblech und Deckblech bestimmt.
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Für eine sichere Ausführung der Verbindung ist eine exakte Positionierung der Bauteile zum Laserstrahl über entsprechende Vorrichtungen bzw. Lagebestimmung der Bauteile vor dem Fügen (Längsträger-Schottplatte) erforderlich. Des Weiteren ist ein erheblicher Energieaufwand zum Durchdringen des Deckbleches notwendig.
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Im Bereich von konventionell mittels Lichtbogenschweißverfahren und der Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen sind konstruktive Ausführungen entsprechend 4a und 4b allgemein als Stand der Technik bekannt, wobei für eine hinreichende Festigkeit der Verbindung ein entsprechender Überstand des Stegbleches über das der Deckbleche erforderlich ist (4a). Bei hinreichender Dicke des Deckbleches sind über eine entsprechende Kantenvorbereitung des Deckbleches oder des Stegbleches nahezu deckblechebene Schweißnähte möglich.
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Für eine Vielzahl von dünnwandigen Blechkonstruktionen (5) werden abgewinkelte Stegbleche als Überlappverbindung mittels Widerstandspunktschweißen oder mittels Laserstrahlschweißen verbunden (Schienenfahrzeugbau). Dies erfordert für das Widerstandspunktschweißen die Zugänglichkeit von beiden Seite des Deckbleches bzw. eine entsprechende Spanntechnik zur Fixierung der beiden Bauteile beim Laserstrahlschweißen.
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Nachteilig für die konstruktiven Ausführungen, entsprechend den in den 1 bis 5 gezeigten Möglichkeiten, sind aus fertigungstechnischer Sicht, vor und während des Schweißvorganges zur Lagefixierung und zur sicheren Ausführung der Schweißung die Bauteile (Stegblech und Deckbleche) entsprechende Spannvorrichtungen erforderlich oder die Bauteile müssen über zusätzliche, vorgelagerte Prozessschritte, z. B. mittels Heftschweißungen, mechanisch fixiert werden.
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So ist aus
DE 296 17 858 U1 ein Bauelement für ein Steckbausystem bekennt, bei dem das Bauelement in Form einer Steckbauleiste ausgebildet ist und eine gewölbte Oberfläche aufweist. Es soll in eine Nut eingeführt und darin fixiert werden können.
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Die
DE 100 42 347 A1 betrifft eine Vorrichtung bei der zwei Stücke miteinander verbunden sein sollen. In einem Stück ist ein Schlitz ausgebildet in den zur Fixierung ein Zapfen eines zweiten Stückes eingeführt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach herstellbare, flexibel anwendbare Steg-Deckblechverbindung vorzuschlagen, die ohne zusätzliche Manipulationsmittel angewandt und gute Voraussetzung für die Herstellung einer Schweißverbindung oder anderen Fügeverbindungschaffen kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Steg-Deckblechverbindung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Die Erfindung beinhaltet eine neuartige konstruktive Lösung für eine selbstfixierende Steg-Schlitz-Verbindungen für geschweißte Leichtbaukonstruktionen, die es vorteilhaft ermöglicht, Stegbleche und Deckbleche leicht selbstfixierend zu positionieren und auf zusätzliche Spannvorrichtungen oder Heftschweißungen zu verzichten.
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Durch die erfindungsgemäße geometrische Ausführung der Schlitze sowie der Stege wird ein sicheres, selbständiges Einfädeln auch bei toleranzbehafteten Bauteilen möglich.
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Die Fixierung der Stege erfolgt in den erfindungsgemäß ausgeführten Schlitzen durch eine elastische Klemmung (6a).
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Bei der Erfindung ist in einem Deckblech ein Zentrierschlitz ausgebildet, in den ein Stegblech eingeführt werden kann. Der Zentrierschlitz und das Stegblech sind so dimensioniert und gestaltet, dass das Stegblech in den Zentrierschlitz einführbar ist und im eingeführten Zustand innere Randbereiche des Zentrierschlitzes an Bereichen der Mantelfläche des Stegbleches anliegen, um eine form- und/oder kraftschlüssige Fixierung des Stegbleches mit dem Deckblech innerhalb des Zentrierschlitzes zu erreichen. Der Zentrierschlitz weist neben den Randbereichen weitere Bereiche auf, in denen keine Berührung des inneren Randes des Zentrierschlitzes mit dem Stegblech erfolgt und dort ein freier Spalt vorhanden ist.
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Diese freien Spaltbereiche ermöglichen ein einfaches und leichtes Einführen des Stegblechs in den Zentrierschlitz und die form- und/oder kraftschlüssige Verbindung kann mittels der Randbereiche erreicht werden. Durch den Abstand der inneren Ränder des Zentrierschlitzes in den Randbereichen, der die Dicke des Stegblechs berücksichtigt, kann ein Verkanten des Stegblechs in eingeführter Position verhindert werden und das Stegblech kann so ohne zusätzliche Maßnahmen mit dem Deckblech verbunden werden, bevor eine Fügeverbindung hergestellt wird.
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Eine Fügeverbindung kann durch einen Energieeintrag hergestellt werden. Dabei besteht die Möglichkeit eine Erwärmung vorzunehmen, die zu einer Erweichung oder zum Schmelzen von Werkstoff des Stegblechs führt. In erweichtem Zustand kann durch plastische Verformung des Stegblechs im Bereich des Zentrierspalts eine formschlüssige Verbindung hergestellt werden. Bei einem Schmelzen des Steg- und/oder Deckblechwerkstoffs kann eine stoffschlüssige Lt- oder Schweißverbindung hergestellt werden. Bevorzugt kann dabei eine Schweißverbindung durch rückseitiges Laserschweißen im Bereich der in den Zentrierschlitz eingeführten Stirnseite des Stegblechs hergestellt werden. Für das Stegblech, das Deckblech und/oder eine Schweißwerkstoff können unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt werden. Dies können Metalle, Metalllegierungen aber auch Polymere sein. Polymere können beispielsweise für ein Stegblech eingesetzt werden. Wenn es sich um einen thermoplastischen Kunststoff handelt, kann nach einer Erwärmung eine formschlüssige Verbindung durch plastische Verformung hergestellt werden. Polymere können aber auch als Kleb- und/oder Füllstoff eingesetzt werden. Dabei kann ein Polymer die freien Spalträume innerhalb des Zentrierschlitzes zwischen Steg- und Deckblech ausfüllen, um eine stoff- und formschlüssige Verbindung von Steg- und Deckblech herzustellen.
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Das Stegblech kann im Bereich, mit dem es in den Zentrierschlitz eingeführt wird, in seinem Querschnitt verjüngt sein. Dadurch kann das Einführen erleichtert werden. Günstig ist es dabei, wenn der verjüngte Bereich des Stegblechs durch den Zentrierschlitz hindurch geführt ist und auf der gegenüberliegenden Seite des Deckblechs übersteht.
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Die inneren Randbereiche können wellenförmig und an jeweils einer Seite dem Stegblech gegenüberliegend ausgebildet sein. An zwei sich gegenüberliegenden inneren Rändern des Zentrierschlitzes können mindestens zwei Randbereiche vorhanden sein. Eine wellenförmige Ausbildung der Randbereiche hat den Vorteil, dass keine abrupten Übergänge an den inneren Rändern des Zentrierschlitzes auftreten, die eine Kerbwirkung vermeiden und sich die Spaltbreite entlang der Längsachse des Zentrierschlitzes kontinuierlich verändert.
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Die Innenkontur des Zentrierschlitzes sollte außerdem in Bezug zu mindestens einer Achse des Zentrierschlitzes symmetrisch ausgebildet sein. Dadurch kann eine sichere Fixierung im eingeführten Zustand des Stegblechs, bereits ohne eine feste Fügung mit dem Deckblech erreicht werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn an der in den Zentrierschlitz einführbaren Stirnseite des Stegblechs mindestens eine Einfädelecke oder ein Einfädelbereich ausgebildet ist, die/der in Einführrichtung des Stegblechs übersteht. Einfädelecken oder -bereiche sollten in Bereichen des Stegblechs vorhanden sein, in denen keine für die Fixierung genutzten Randbereiche am Zentrierschlitz vorhanden sind. Dies kann bevorzugt an den sich gegenüberliegenden äußeren Rändern des Zentrierschlitzes der Fall sein.
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Dabei kann das in Einführrichtung überstehende Werkstoffvolumen von Einfädelecken oder -bereichen dem Volumen im freien Spalt zwischen Deckblech und Stegblech im Bereich des Zentrierschlitzes, in dem keine Berührung des Stegblechs mit innerem Randbereich(en) auftritt, zumindest annähernd entsprechen. So ist es möglich, dieses Werkstoffvolumen zum Verschweißen und dabei auch gleichzeitig zum Ausfüllen bzw. Verschließen des freien Spalts im Zentrierschlitz zu nutzen. Hierfür kann beispielsweise ein Laserstrahl von der Rückseite auf die Stirnseite des Stegblechs gerichtet werden, der zum Schmelzen der Stirnseite des Stegblechs führt. Dabei schmilzt auch der Werkstoff im Bereich der Einfädelecken und kann in den freien Spalt fließen, diesen Ausfüllen, Verschließen und die Schweißverbindung zwischen Steg- und Deckblech mit ausbilden. Einfädelecken oder -bereiche können so ein Werkstoffreservoir darstellen und es kann dadurch auf einen Zusatzwerkstoff beim Schweißen verzichtet werden.
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Einfädelecken oder -bereiche sollten am Stegblech in Bereichen angeordnet sein, in denen beim Einführen in den Zentrierschlitz keine nach innen eingezogenen Randbereiche vorhanden sind.
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Bei mehreren Paaren von Randbereichen, die an einem Zentrierschlitz in einem Abstand zueinander angeordnet sind, kann die eingeführte Stirnfläche des Stegblechs auch wellenförmig ausgebildet sein und die Wellenberge können dann Einfädelbereiche bilden.
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Das Laserstrahlschweißen kann mit senkrecht zur Vorschubrichtung oszillierendem Laserstrahl durchgeführt werden. Die oszillierende Bewegung des Brennflecks sollte bevorzugt sinusförmig sein. Im zeitlichen Mittel wird so eine Intensitätsverteilung mit zwei Maxima an den Umkehrpunkten der Pendelbewegung erreicht, die eine angepasste Schweißnahtgeometrie, wie in 6b dargestellt, zur Folge hat. Die Auslenkungsbreite sollte der Stegblechbreite zuzüglich des Laserbrennfleckdurchmessers entsprechen, sofern entsprechend 6a allgemein schweißbare Werkstoffe vorliegen. Der Überstand der Stegbleche an den Außenseiten, im Bereich von Einfädelecken oder -bereichen, sollte dabei dem Zentrierspalt im Deckblech dergestalt angepasst sein, dass das überstehende Volumen dem freien Spaltvolumen angepasst ist und somit eine Nahtunterwölbung auf der Deckblechseite vermieden werden kann.
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Für eine Vielzahl von technischen Anwendungen sind für funktions- und beanspruchungsgerechten Leichtbau metallische Mischbauweisen aus nicht miteinander schweißbaren Werkstoffen erforderlich (7). Des Weiteren gibt es auch Bedarf, metallische Materialien mit Kunstoffen, insbesondere mit thermoplastischer Matrix, zu verbinden (8).
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Die bisherigen konstruktiven Ausführungen von Steg-Schlitz-Verbindungen erfordern entweder einen zusätzlichen Aufwand für die Fixierung von Steg- und Deckblech bzw. machen erhebliche Montagekräfte erforderlich. Die erfindungsgemäße konstruktive Ausführung ermöglicht insbesondere für Laserschweißverfahren eine erhebliche Einsparung an Vorrichtungs- und Spanntechnikaufwendungen. Somit sind mit der erfindungsgemäßen Lösung für selbstfixierende Steg-Deckblech-Verbindungen aufgrund des Wegfalls bauteilbezogener Spannvorrichtungen erhebliche Kosteneinsparungen bei größerer Flexibilität möglich.
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Ebenso sind Leichtbaumöglichkeiten sowie Mischverbindungen dazu erfindungsgemäß mit berücksichtigt.
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An ungeschweißten Bauteilen sowie indirekt an geschweißten Bauteilen kann dies über die sich verändernde Nahtbreite zur Füllung des erfindungsgemäßen Fügespaltes berücksichtigt sein.
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Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 eine Steg-Deckblech-Schweißverbindung mittels Kehlnaht, nach dem Stand der Technik;
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2a u. 2b Schweißverbindungen nach dem Stand der Technik, wie sie im Flugzeugbau üblich sind;
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3 eine weitere Schweißverbindung nach dem Stand der Technik;
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4a u. 4b rückseitige Schweißverbindungen nach dem Stand der Technik;
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5 eine Schweißverbindung mit einem abgewinkelten Stegblech, nach dem Stand der Technik;
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6a zwei Draufsichtdarstellungen eines in einen Zentrierschlitz, der in einem Deckblech ausgebildet ist, eingeführten Stegblechs nach der Erfindung;
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6b drei Darstellungen von der Seite mit eingeführtem Stegblech, an dem Einfädelecken ausgebildet sind, für ein erfindungsgemäßes Beispiel, mit einer Ausbildungsmöglichkeit für eine Schweißnaht;
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6c in schematischer Form die Ausbildung der Schweißnaht mit oszillierender Brennfleckbewegung eines Laserstrahls;
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7 drei Darstellungen von der Seite mit eingeführtem Stegblech, an dem Einfädelecken ausgebildet sind, für ein erfindungsgemäßes Beispiel, mit einer weiteren Ausbildungsmöglichkeit für eine Schweißnaht, bei dem Deck- und Stegblech aus unterschiedlichen Metallen bestehen;
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8 drei Darstellungen von der Seite mit eingeführtem Stegblech, an dem Einfädelecken ausgebildet sind, für ein erfindungsgemäßes Beispiel, mit einer weiteren Ausbildungsmöglichkeit für eine Schweißnaht, bei dem das Deckblech aus Metall und das Stegblech aus Kunststoff bestehen und
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9 ein Beispiel eines Zentrierschlitzes, der in einem Deckblech ausgebildet ist, an dem zwei Paare von nach innen eingezogenen Randbereichen ausgebildet sind.
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In 6a sind zwei Darstellungen gezeigt, bei denen in einem Deckblech 1 ein Zentrierschlitz 4 ausgebildet ist. Der Zentrierschlitz 4 weist in der Mitte zwischen den beiden äußeren Rändern in Bezug zu seiner Längsachse an beiden Seiten jeweils einen nach innen eingezogenen Randbereich 4.1 auf. Dort ist der freie Spalt entsprechend reduziert und seine Breite entspricht dort der Dicke des in den Zentrierspalt 4 eingeführten Stegblechs 2. Dabei kann die Spaltbreite in diesem Bereich so groß wie die Dicke des Stegblechs 2, aber auch geringfügig kleiner oder größer (±10% der Dicke) sein. Das Stegblech 2 kann so zwischen den inneren Rändern des Zentrierschlitzes 4 im Bereich der Randbereiche 4.1 gehalten werden. Ist das Stegblech 2 dicker als der Spalt im Bereich der Randbereiche 4.1 kann eine geringfügige Presspassung realisiert werden. Bei gleicher oder geringfügig kleinerer Dicke des Stegblechs 2 kann aber auch noch eine ausreichende Führung und Fixierung erreicht werden. Dabei spielt auch die Dicke des Deckblechs 1 eine Rolle, je dicker das Deckblech 1 ausgebildet ist, um so kleiner ist ein möglicher Kippwinkel des in den Zentrierschlitz 4 eingeführten Stegblechs 2.
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Durch die geometrische Gestaltung des Zentrierschlitzes 4 ergeben sich bei eingeführtem Stegblech 2 freie Spaltbereiche 4.2 zwischen innerem Rand des Zentrierschlitzes 4 und der Oberfläche des Stegbleches 2 in Bereichen, die außerhalb der Randbereiche 4.1 angeordnet sind. Diese können, wie mit der unteren Darstellung von 6a verdeutlicht, mit einer Schweißnaht 3 ausgefüllt werden, um eine stoffschlüssige Verbindung, nach der vorab mittels der speziellen Ausführung des Zentrierschlitzes 4 erreichten temporären Fixierung, zu erhalten.
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Mit 6b soll eine vorteilhafte Möglichkeit zur Herstellung der Verbindung von Deckblech 1 mit Stegblech 2 anschaulich gemacht werden. Dabei sind an der in den Zentrierschlitz 4 eingeführten Stirnseite des Stegblechs 2 jeweils eine Einfädelecke 5 ausgebildet, die im in den Zentrierschlitz 4 eingeführtem Zustand über die Rückseite des Deckblechs 1 überstehen. Die Stirnfläche des Stegblechs 2 ist im Bereich dazwischen eingezogen, so dass dort ein „Wellental” vorhanden ist und die Einfädelecken 5 „Wellenberge” darstellen. Im „Wellentalbereich” kann das Stegblech 2 bündig mit der Rückseite des Deckblatts 1 abschließen.
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Bei diesem Beispiel bestehen das Deckblech 1 und das Stegblech 2 aus dem gleichen Stahl und weisen jeweils eine Dicke von 2 mm auf. Der freie Spalt in der Mitte des Zentrierschlitzes 4, also dort wo die eingezogenen Randbereiche 4.1 ausgebildet sind hat eine Breite von ebenfalls 2 mm. Die Spaltbreite vergrößert sich in beide Richtungen zu den äußeren Rändern hin kontinuierlich bis auf maximal 4 mm Breite. Der maximale Überstand der Einfädelecken 5 über die Rückseite des Deckblechs 1 beträgt dabei 3 mm.
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Nach dem das Stegblech 2 in den Zentrierschlitz 4 eingeführt worden ist, wurde von der Rückseite eine Schweißverbindung hergestellt. Dabei wurde ein Laserstrahl entlang der Längsachse des Zentrierschlitzes mit gleichzeitiger senkrecht dazu oszillierender Bewegung ausgelenkt. Dabei erfolgte die Oszillationsbewegung des Brennflecks zwischen zwei Umkehrpunkten so, dass die Umkehrpunkte entlang der inneren Ränder des Zentrierschlitzes 4, bei gleichzeitiger Vorschubbewegung entlang der Längsachse des Zentrierschlitzes 4 von einem zum anderen Ende mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit in diese Vorschubachsrichtung, wandern.
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Dabei wurde mit der Energie des Laserstrahls der Werkstoff des Stegbleches 2, der an der Rückseite des Deckbleches 1 übersteht, aufgeschmolzen und füllte den freien Spalt 4.2 des Zentrierschlitzes 4 aus. Nach dem Abkühlen und Erstarren der Schmelze war die Schweißnaht 3 hergestellt, die Steg- und Deckblech im Bereich des Zentrierspaltes 4 stoffschlüssig miteinander verbindet. Wie aus 6b hervorgeht, kann eine sehr kleine Nahtüberhöhung der Schweißnaht 3 an der Rückseite des Deckblechs 1 erreicht werden. Mit der rechten unteren Darstellung wird erkennbar, dass die Schweißnaht 3 den gesamten freien Spalt 4.2 mit dem aufgeschmolzenen Werkstoff aus dem Bereich der Einfädelecken 5 ausfüllen kann.
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Bei dem in 7 gezeigten Beispiel wurden ein Deckblech 1 aus Stahl mit einem Stegblech 2 aus Aluminium analog zum Beispiel nach den 6a und 6b miteinander verbunden. Lediglich die Ausbildung der Schweißnaht 3 ist wegen der unterschiedlichen Werkstoffe verändert. Dabei haben die kleinere Schmelztemperatur des Aluminiums und dessen Benetzungsverhalten der Schmelze auf der Stahloberfläche des Deckblechs 1 Einfluss.
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Bei dem in 8 gezeigten Beispiel wurden ein Deckblech 1 aus einem Metall mit einem Stegblech 2 aus Kunststoff miteinander verbunden. Das Deckblech 1 kann dabei neben Stahl auch ein anderes Metall sein. Als Kunststoff kann eine thermoplastischer, wie z. B. Polyethylen eingesetzt werden. Der überstehende Stirnbereich des Stegblechs 1, mit den beiden Einfädelecken 5, kann für die Herstellung der Verbindung nach der vorab erreichten temporären Fixierung erwärmt werden, so dass der Werkstoff dort plastisch verformbar ist. Hierfür kann ebenfalls ein Laserstrahl aber auch ein Infrarotstrahler eingesetzt werden. Nach Erreichen einer ausreichend hohen Temperatur kann der dann plastisch verformbare und über die Rückseite des Deckblechs 1 überstehende Kunststoff beispielsweise unter Einsatz eines Presswerkzeuges verformt und in den freien Spalt 4.2 des Zentrierschlitzes 4 teilweise eingedrückt werden. An der Rückseite des Deckblechs 1 bildet sich dann eine Schweißnaht 3 aus dem Kunststoff aus.
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In 9 ist ein Beispiel mit einem Zentrierschlitz 4, bei dem an zwei gegenüberliegenden Seiten zwei eingezogene Randbereiche 4.1 ausgebildet sind, in zwei Draufsichten gezeigt. Zwischen und neben diesen eingezogenen Randbereichen 4.1 sind freie Spalte 4.2 vorhanden. Bei der Zentrierung vor der Ausbildung der Schweißnaht 3 liegen die beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Stegblechs 2 an den eingezogenen Randbereichen 4.1 an, wenn das Stegblech 2 in den Zentrierschlitz eingeführt worden ist. So kann die Zentrierwirkung insbesondere bei längeren Stegblechen 2 verbessert werden.
