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Diese Offenbarung betrifft eine Vorrichtung, die Teile, welche durch Reibrühr-Punktschweißen oder durch Stanznieten verbunden werden sollen, festklemmt und erhitzt, um die axiale Belastung, die zur Plastifizierung des Materials der Teile, um eine feste Verbindung herzustellen, erforderlich ist, zu verringern.
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Als Ergebnis der zunehmenden Nachfrage nach kraftstoffsparenden Fahrzeugen neigt die Industrie dazu, mehr und mehr leichte Werkstoffe wie etwa Aluminiumlegierungen zu verwenden, um Karosserieaufbauten herzustellen. Das Widerstandspunktschweißen ist die führende Verbindungstechnologie für Stahlteile. Aufgrund von Problemen im Hinblick auf die Schweißqualität, der wesentlichen Fixkosten für die Werkzeug- und Schweißsysteme und des hohen Energiebedarfs ist das Widerstandspunktschweißen nicht die bevorzugte Lösung zur Verbindung von Aluminiumteilen.
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Bei manchen Verbindungsanwendungen, bei denen Aluminiumteile miteinander oder mit unterschiedlichen Teilen verbunden werden, werden Stanznieten verwendet. Stanznieten sind jedoch möglicherweise nicht die ideale Lösung für alle Aluminiumlegierungen und sind verhältnismäßig teuer.
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Das Reibrühr-Punktschweißen ist eine Technik, die im Produktionsprozess verwendet wird, um Aluminium- oder Stahlteile miteinander zu verbinden. Die Verwendung des Reibrühr-Punktschweißens kann den Energieverbrauch verglichen mit einem Widerstandspunktschweißen an den gleichen Teilen um mehr als 90 % verringern. Durch die Verwendung des Reibrühr-Punktschweißens können wesentliche Kosteneinsparungen erzielt werden. Doch die Technologie des Reibrühr-Punktschweißens mit einer Schweißpistole vom C-Typ beschränkt sich häufig auf die Herstellung von Unteraufbauten und Aufbauten mit Schweißpunkten, die um den Umfang der Teile herum liegen.
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Wenn das Reibrühr-Punktschweißen und Stanznieten zu praktikablen Lösungen beim Verbinden einer größeren Vielfalt von Aluminiumteilen gemacht werden sollen, besteht eine Herausforderung darin, die große axiale Belastung, die zur Plastifizierung des Materials erforderlich ist, zu verringern. Eine andere Herausforderung für das Reibrühr-Punktschweißen ist die Schwierigkeit, die Aufbauelemente während des Verbindens festzuklemmen. Im Allgemeinen erfordert das Reibrühr-Punktschweißen verglichen mit Schweißpistolen, die für das Widerstandspunktschweißen verwendet werden, eine höhere Belastung der Pistole. Die Belastungssteuerung ist ein entscheidender Faktor für die Ausführung der Reibrühr-Punktschweißtechnologie. Während des Reibrühr-Punktschweißens ist eine verhältnismäßig hohe Klemmlast erforderlich, um ein passendes Mischen des plastifizierten Materials aufrechtzuerhalten und eine völlige oder teilweise Trennung der geschweißten Teile, die zu einer schlechten Schweißung führen kann, zu vermeiden.
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Zusätzlich macht es der weite Bereich von Teilgeometrien, der sich bei der Automobilfertigung findet, schwierig, Teile aneinander zu klemmen, während eine Reibrühr-Punktschweißtätigkeit durchgeführt wird.
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Die wie nachstehend zusammengefasste Offenbarung befasst sich mit den obigen Problemen und Herausforderungen.
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Nach einem Gesichtspunkt dieser Offenbarung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die es erleichtert, mehrere Teile unter Verwendung eines Verbindungswerkzeugs miteinander zu verbinden. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, das an dem Kopf des Verbindungswerkzeugs angebracht ist, einen durch das Gehäuse gehaltenen Klemmstift, um an einer von dem Verbindungswerkzeug beabstandeten Stelle, mit einem der Teile einzugreifen, und ein an dem Klemmstift angebrachtes Heizelement, das den Klemmstift und den Teil erhitzt, während das Verbindungswerkzeug die Teile verbindet.
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Nach anderen Gesichtspunkten dieser Offenbarung kann das Verbindungswerkzeug ein Reibrühr-Punktschweißwerkzeug oder ein Stanznietwerkzeug sein. Das Gehäuse kann eine Kammer definieren, und der Stift kann an einem Kolben angebracht sein, der beweglich in der Kammer angeordnet ist. Eine Feder oder ein elastisches Verbindungselement kann betrieblich mit dem Kolben verbunden sein, um den Stift in einen Eingriff mit dem Teil vorzuspannen. Zwischen dem Stift und dem Kolben kann ein Isolator angeordnet sein, der den Stift thermisch von dem Kolben isoliert. Das Heizelement kann ein elektrisches Widerstandsheizelement sein, das den Stift erhitzt, der wiederum den Teil erhitzt, indem er mit dem Teil in Kontakt steht.
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Nach weiteren Gesichtspunkten der Offenbarung können an dem Kopf des Verbindungswerkzeugs mehrere der Gehäuse angebracht sein, können mehrere Klemmstifte jeweils durch eines der mehreren Gehäuse gehalten werden, und können mehrere Heizelemente jeweils an einem der Stifte angebracht sein. Die mehreren Stifte können so angeordnet sein, dass sie an abstandsgleichen Stellen, die um das Verbindungswerkzeug herum gelegen sind, mit dem einen Teil in Kontakt treten. An der Seite, die in Bezug auf die mehreren Teile zu dem Klemmstift entgegengesetzt ist, kann ein Gegenhalter angeordnet sein. Der Gegenhalter kann ferner ein Stützgehäuse umfassen, das an einer Stütze des Verbindungswerkzeugs angebracht ist, wobei durch das Stützgehäuse ein entgegengesetzt gerichteter Klemmstift gehalten wird, um an einer Stelle, die von der Stütze des Verbindungswerkzeugs beabstandet ist, mit einem zweiten der Teile einzugreifen. An dem entgegengesetzt gerichteten Klemmstift kann ein Heizelement angebracht sein, das den entgegengesetzt gerichteten Klemmstift und den zweiten der Teile erhitzt, während der Gegenhalter mit dem Verbindungswerkzeug zusammenwirkt, um die Teile zu verbinden.
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Nach einem anderen Gesichtspunkt dieser Offenbarung wird ein Werkzeug bereitgestellt, um mehrere Teile miteinander zu verbinden. Das Werkzeug für Rotationsrühr-Punktschweißanwendungen umfasst einen Rotationsrühr-Punktschweißkopf mit mehreren Klemmstücken, die mit dem Schweißkopf bewegt werden, um mit einer ersten Seite der mehreren Teile einzugreifen. Es kann ein Heizelement bereitgestellt sein, das die erste Seite des Teils, der mit den Klemmstücken in Kontakt steht, erhitzt. Es kann ein Gegenhalter bereitgestellt sein, der mehrere Stützklemmstücke aufweist, die mit dem Gegenhalter bewegt werden, um mit einer zweiten Seite der mehreren Teile einzugreifen und die Teile zusammenzuklemmen, wenn die Teile miteinander verbunden werden.
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Nach anderen Gesichtspunkten des Werkzeugs kann das Heizelement ein erstes Heizelement sein und kann der Gegenhalter ferner ein zweites Heizelement umfassen, das die zweite Seite der mehreren Teile erhitzt. Es können zwei oder mehr Klemmstücke bereitgestellt sein, die von dem Rotationsrühr-Punktschweißkopf abstandsgleich beabstandet sind, und an der entgegengesetzten Seite der mehreren Teile können zwei oder mehr Stützklemmstücke bereitgestellt sein, die mit den Klemmstücken ausgerichtet sind. Es können sechs Klemmstücke bereitgestellt sein, die in einer kreisförmigen Anordnung um den Rotationsrühr-Punktschweißkopf oder das Stanznietwerkzeug herum angeordnet sind, und an der entgegengesetzten Seite der mehreren Teile können sechs Stützklemmstücke bereitgestellt sein, die mit den Klemmstücken ausgerichtet sind.
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Die mehreren Klemmstücke können in einen Eingriff mit der ersten Seite der mehreren Teile federvorgespannt sein, und die Stützklemmstücke können in einen Eingriff mit der zweiten Seite der mehreren Teile federvorgespannt sein. Durch jedes der mehreren Klemmstücke kann eine Klemmkraft ausgeübt werden, die geringer als 10 % einer Verbindungskraft ist, welche durch den Rotationsrühr-Punktschweißkopf auf die erste Seite der mehreren Teile ausgeübt wird. Durch jedes der Stützklemmstücke kann eine Stützklemmkraft ausgeübt werden.
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Das Werkzeug kann ferner ein Gehäuse umfassen, das wenigstens eine Kammer definiert. Jedes der Klemmstücke kann jeweils an einem aus einem ersten Satz von Kolben, welcher beweglich in jeder der Kammern angeordnet ist, angebracht sein. Mit jedem aus dem ersten Satz von Kolben ist jeweils eine aus einem ersten Satz von Federn betrieblich verbunden, um die Klemmstücke in einen Eingriff mit der ersten Seite der Teile vorzuspannen. Es kann wenigstens ein Stützgehäuse bereitgestellt sein, das in dem Stützgehäuse eine Kammer definiert. Jedes der Stützklemmstücke kann jeweils an einem aus einem zweiten Satz von Kolben, welcher beweglich in jeder der Kammern angeordnet ist, angebracht sein. Mit jedem aus dem zweiten Satz von Kolben kann jeweils eine aus einem zweiten Satz von Federn betrieblich verbunden sein, um die Stützklemmstücke in einen Eingriff mit der zweiten Seite der Teile vorzuspannen.
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Nach einem anderen Gesichtspunkt der Offenbarung wird ein System zum Reibrühr-Punktschweißen mehrerer Teile aneinander bereitgestellt. Das System umfasst einen Reibrühr-Punktschweißkopf, der so angeordnet ist, dass er mit einer ersten Seite der Teile eingreift, und einen Gegenhalter, der an einer zweiten Seite der Teile, die zu der ersten Seite der Teile entgegengesetzt ist, angeordnet ist. Um den Reibrühr-Punktschweißkopf herum sind Klemmelemente angeordnet, die mit der ersten Seite der Teile eingreifen. Um den Gegenhalter herum sind Stützklemmelemente angeordnet, um mit der zweiten Seite der Teile einzugreifen. Jedem der Klemmelemente und jedem der Stützklemmelemente ist ein Heizelement zugeordnet, um die Teile zu erhitzen, wenn die Klemmelemente und die Stützklemmelemente durch den Reibrühr-Punktschweißkopf mit den Teilen eingreifen.
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Nach anderen Gesichtspunkten des Verfahrens kann das System ferner ein Stromsteuerungsmodul umfassen, das jedem der Heizelemente Strom bereitstellt. Ein Temperatursensor kann verwendet werden, um dem Stromsteuerungsmodul ein Rückmeldesignal bereitzustellen, das die Temperatur der Klemmelemente und der Stützklemmelemente angibt. Das Stromsteuerungsmodul kann den Strom, der den Heizelementen bereitgestellt wird, auf Basis des Rückmeldesignals regulieren. Das Stromsteuerungsmodul kann einer Steuerung des Systems ein Steuersignal bereitstellen, das durch das System verwendet wird, um den Betrieb des Reibrühr-Punktschweißkopfs zu steuern.
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Die obigen Gesichtspunkte und andere Gesichtspunkte der Offenbarung werden mit Blick auf die beiliegenden Zeichnungen und die folgende ausführliche Beschreibung der veranschaulichten Ausführungsformen der Offenbarung besser verstanden werden.
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1 ist eine diagrammatische Aufrissansicht eines Reibrühr-Schweißwerkzeugs, das Heiz- und Klemmmodule umfasst;
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2 ist eine untere Draufsicht auf einen Reibrühr-Schweißkopf mit zwei Klemm- und Heizmodulen;
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3 ist eine untere Draufsicht auf einen Reibrühr-Schweißkopf mit drei Klemm- und Heizmodulen;
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4 ist eine untere Draufsicht auf einen Reibrühr-Schweißkopf mit vier Klemm- und Heizmodulen;
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5 ist eine untere Draufsicht auf einen Reibrühr-Schweißkopf mit sechs Klemm- und Heizmodulen;
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6 ist eine diagrammatische Querschnittansicht eines Klemm- und Heizmoduls mit einem Stanznietwerkzeug und einer Stanzniete, während es zu Anfang mit den zu verbindenden Teilen in Kontakt gelangt;
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7 ist eine diagrammatische Querschnittansicht eines Klemm- und Heizmoduls, das bei der Ausübung einer Klemmkraft auf die zu verbindenden Teile gezeigt ist; und
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8 ist ein schematisches Diagramm eines Reibrühr-Schweiß-Heiz- und Klemmmoduls, das an eine Steuerung und ein Stromsteuerungsmodul angeschlossen ist.
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Nachstehend wird eine ausführliche Beschreibung der veranschaulichten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geboten. Die offenbarten Ausführungsformen sind Beispiele der Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert sein, um Einzelheiten von bestimmten Bestandteilen zu zeigen. Die bestimmten baulichen und funktionalen Einzelheiten, die in dieser Anmeldung offenbart sind, sollen nicht als beschränkend, sondernd lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann die praktische Ausführung der Erfindung zu lehren, interpretiert werden.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Reibrühr-Punktschweißwerkzeug 10 in der Position vor dem Verbinden von zwei Teilen 12 miteinander gezeigt. In 1 ist ein Reibrühr-Punktschweißkopf 16 über den Teilen 12 angeordnet gezeigt und eine Reibrühr-Punktschweißgegenhalterungsstütze 18 unter den beiden Teilen 12 gezeigt. Es sollte sich verstehen, dass das Werkzeug und die Teile in jeder beliebigen gewünschten Ausrichtung ausgerichtet sein können, und dass die Bezeichnungen des Befindens über oder unter den Teilen 12 als Positionierung in jeder beliebigen Ausrichtung, bei der die Teile 12 zwischen dem Kopf 16 und der Gegenhalterstütze 18 angeordnet sind, ausgelegt werden sollen.
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Wie in 1 gezeigt sind an dem Kopf 16 zwei Klemm- und Heizmodule 20 angebracht, und sind an der Gegenhalterstütze 18 zwei Klemm- und Heizmodulgehäuse 20 angebracht. An dem Kopf 16 und an der Gegenhalterstütze 18 ist eine Anbringungshaltevorrichtung 22 bereitgestellt. Die Klemm- und Heizmodulgehäuse 20 sind auf eine herkömmliche Weise an der Anbringungshaltevorrichtung 22 befestigt.
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Die Klemm- und Heizmodule 20 umfassen einen Stift 26, der ein Kupferelement sein kann, woran ein Heizelement 28 befestigt ist. Das Heizelement 28 kann wie gezeigt ein Widerstandsheizelement sein, oder kann ein Induktions- oder Laser-Heizelement sein. Der Reibrühr-Schweißkopf 16 umfasst ein Drehwerkzeug 30, das verwendet wird, um einen Stift 32 und eine Schulter 33 mit einer hohen Geschwindigkeit zu drehen, die unter Druck in die Teile 12 gesteckt werden, um die Reibrühr-Punktschweißung zu erzeugen. Durch die Gegenhalterstütze 18 wird ein Gegenhalter 34 gehalten.
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Unter Bezugnahme auf 2 bis 5 sind mehrere unterschiedliche Ausführungsformen des Reibrühr-Punktschweißkopfs 16 mit unterschiedlichen Anzahlen von Klemm- und Heizmodulen 20 gezeigt. 2 veranschaulicht zwei Klemm- und Heizmodule 20, die an einer Anbringungshaltevorrichtung 22 befestigt sind. Die Anbringungshaltevorrichtung 22 ist an dem Kopf 16 angebracht. Der Kopf 16 dreht das Werkzeug 30, das den Stift 32 und die Schulter 33 umfasst, um den Reibrühr-Punktschweißprozess durchzuführen. 3 umfasst drei Klemm- und Heizmodule 20. 4 umfasst vier Klemm- und Heizmodule 20, und 5 umfasst sechs Klemm- und Heizmodule 20.
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Unter Bezugnahme auf 6 ist ein Klemm- und Heizmodul 20 in einem diagrammatischen Querschnitt mit einem zum Einsetzen einer Stanzniete 39 verwendeten Nietwerkzeug 37 gezeigt. An der zu dem Stift 26 entgegengesetzten Seite der Teile 12, die verbunden werden sollen, ist ein Gegenhalter 34 bereitgestellt. Der Gegenhalter 34 stützt die Teile 12 und stellt eine Klemmkraft zwischen dem Gegenhalter 34 und dem Stift 26 bereit, die die Teile 12 zusammenhält. Das Klemm- und Heizmodul 20 umfasst ein Gehäuse 36, das in einer durch das Gehäuse 36 definierten Kammer 40 oder Bohrung einen Kolben 38 aufnimmt. In der Kammer 40 ist eine Feder 42 angeordnet, die eine Vorspannkraft auf den Kolben 38 ausübt. Die auf den Kolben 38 ausgeübte Vorspannkraft spannt den Stift 26 in einen Eingriff mit den Teilen 12 vor. Der Stift 26 ist mit dem Kolben 38 verbunden. Zwischen dem Stift 26 und dem Kolben 38 ist ein Isolator 46 bereitgestellt, der den Stift 26 thermisch von dem Kolben 38 isoliert. Das Heizelement 28 erhitzt den Stift 26 auf eine Temperatur zwischen 50 ° und 100 °C. Der erhitzte Stift 26 tritt mit den Teilen 12 in Kontakt, und von dem Stift 26 wird Wärme zu den Teilen 12 geleitet, um die Stanzniettätigkeit durch Vorerhitzen der Teile 12 vor dem Einsetzen der Stanzniete 39 zu erleichtern.
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Die in 1 unter den Teilen gezeigte Reibrühr-Punktschweiß-Gegenhalterungsstütze 18 umfasst wie veranschaulicht zwei Klemm- und Heizmodule 20, die im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die in 6 gezeigten Klemm- und Heizmodule 20 aufweisen.
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Unter Bezugnahme auf 7 ist das Klemm- und Heizmodul 20 bei der Ausübung einer Klemmkraft auf die Teile 12 gezeigt. Der Stift 26 wird durch das Heizelement 28 erhitzt und übt eine Klemmkraft auf die Teile 12 aus. Der Kolben 38 presst die Feder 42 zusammen, während das Gehäuse 36 in der Z-Richtung zu dem Stift 26 hin angetrieben wird. Die Feder 42 übt durch den Kolben 38, den Isolator 46 und den Stift 26 eine Vorspannkraft auf die Teile 12 aus. Der Gegenhalter 34 stützt die Teile 12, was dazu führt, dass die Teile 12 zwischen dem Gegenhalter 34 und dem Stift 26 festgeklemmt werden.
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Unter Bezugnahme auf 8 sind die drei Heiz- und Klemmmodule 20 gezeigt, wobei ein Thermistor 48 (oder ein Temperatursensor) an dem Stift 26 angeordnet gezeigt ist. Der Thermistor 48 wird verwendet, um einem Stromsteuerungsmodul 50 eine Temperaturrückmeldung bereitzustellen. Das Stromsteuerungsmodul 50 stellt dem Heizelement 28 Strom bereit, um die Temperatur des Stifts 26 zu steuern. Das Stromsteuerungsmodul 50 ist auch betrieblich mit einer Steuerung 52 verbunden. Die Steuerung 52 kann verwendet werden, um andere Gesichtspunkte des Betriebs des Reibrühr-Punktschweißwerkzeugs 10 zu steuern. Die Steuerung 52 kann den Betrieb des Reibrühr-Punktschweißkopfs steuern und die Teile 12 zwischen dem Kopf 16 und der Gegenhalterungsstütze 18 festklemmen.
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Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr Worte der Beschreibung als der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedenste Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener ausführender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
