DE102014112679A1

DE102014112679A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Reparieren von unstimmigen Schweissnähten

Info

Publication number: DE102014112679A1
Application number: DE201410112679
Authority: DE
Inventors: Pei-Chung Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2015-03-12
Also published as: CN104722909B; US20150068663A1; US10189206B2; CN104722909A

Abstract

Ein Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug zur Verwendung beim Reparieren einer unstimmigen Schweißnaht zwischen Werkstücken umfasst einen erweiterten Abschnitt und einen Hohlraum benachbart der erweiterten Abschnitte. Die unstimmige Schweißnaht umfasst einen unzureichenden primären Abschnitt und das Werkzeug ist ausgestaltet, um, wenn der erweiterte Abschnitt in Kontakt mit einem nahegelegenen der Werkstücke steht, Schweißenergie, die an dem Werkzeug empfangen oder erzeugt wird, über den erweiterten Abschnitt zu dem nahegelegenen Werkstück zu kanalisieren, um eine Schweißnaht an einem Umfang des primären Abschnitts oder direkt benachbart des primären Abschnitts zu bilden oder zu vergrößern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Fügen von Werkstücken und im Spezielleren eine Vorrichtung und Verfahren zum Reparieren fehlerhafter oder unstimmiger Schweißnähte, die zwischen zwei Werkstücken erzeugt sind, wobei zumindest eines davon einen polymeren Verbundwerkstoff umfasst.
HINTERGRUND
In der Automobilherstellung nimmt die Verwendung von polymeren Verbundwerkstoffen aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften, sie sind unter anderem leichtgewichtig, sehr fügsam oder formbar, stark und dauerhaft, ständig zu. Ferner sind einige Verbundwerkstoffe färbbar und ihre Oberfläche kann bearbeitet werden, sodass die meisten jede gewünschte Struktur aufweisen.
Die zunehmende Verwendung in Automobilen umfasst zum Beispiel jene in Armaturenbrettern und Türverkleidungen, Leuchten, Luftkanälen, Lenkrädern, Polsterungen, Ladeflächen oder anderen Fahrzeugladeräumen, Polsterungen, Außenteilen und selbst Motorkomponenten. Was z. B. Motorkomponenten und andere Anwendungen im Motorraum (oder UTH, vom engl. under the hood) betrifft, werden Polymere ausgestaltet und ständig weiterentwickelt, die einer heißen und/oder chemisch aggressiven Umgebung standhalten können. Was Außenteile, wie beispielsweise Stoßfänger, betrifft, werden Polymere entwickelt, die am Band lackierbar sind und eine hohe Hitze- und chemische Beständigkeit über längere Zeiträume aufweisen. Und es werden kontinuierlich viele andere mögliche Verwendungen in Automobilanwendungen in Betracht gezogen.
Mit diesem Trend wird das Erschließen von Möglichkeiten zum effizienten und effektiven Fügen von Polymerkomponenten immer wichtiger. Dabei werden häufiger Formpress- und Nachform-Fügetechniken – z. B. Ultraschallschweißen – verwendet.
Beim Ultraschallschweißen werden zwei Werkstücke gefügt, wobei eines oder beide einen polymeren Verbundwerkstoff umfasst/en. Mit Bezugnahme auf die Figuren und im Spezielleren auf die erste Figur zeigt 1 schematisch eine herkömmliche Ultraschallschweißanordnung, die zwei Werkstücke 102, 104, die zusammengeschweißt werden sollen, und ein Schweißwerkzeug 106, wie z. B. ein Ultraschall-Schweißhorn, umfasst.
Zum Ultraschallschweißen werden die Werkstücke 102, 104 zusammengehalten, wobei sie unter Druck gesetzt werden, während Ultraschallschwingungen auf Stücke – z. B. auf ein oberes Werkstück der beiden – angewendet werden.
Um die Energie zu einer Grenzfläche 108 zwischen den Werkstücken 102, 104 zu leiten, werden zwischen den Werkstücken 102, 104 gelegentlich Energie-Richtungsgeber 110 positioniert oder in einem oder beiden Werkstücken gebildet, sodass sie während des Schweißens zwischen den Stücken positioniert sind.
Allgemein kann sich, wenn Ultraschallenergie durch die unter Druck stehenden Werkstücke 102, 104 hindurch übertragen wird, die Energie mit der Zeit an einem Scheitelpunkt des/der Energie-Richtungsgeber/s 110 konzentrieren, was einen schnellen Aufbau von Hitze zur Folge hat. Dies bewirkt, dass der Richtungsgeber schmilzt. Die Materialschmelze fließt über die Fügestellengrenzfläche hinweg und bildet eine Molekülbindung mit der zusammenpassenden Fläche.
Was die Richtungsgeber-Bildung und -Anordnung betrifft, so werden in einem üblichen Fall vorstehende Energie-Richtungsgeber beim Formpressen eines der Werkstücke unter Verwendung von Ausnehmungen in der Form gebildet. Die Richtungsgeber erstrecken sich zwischen den Werkstücken 102, 104, und bilden einen Weg für die Schweißenergie (z. B. Ultraschallschwingungen), die an das nahegelegene Werkstück 102 übertragen wird, um sich zu dem Bereich der Grenzfläche 108 zwischen den Stücken und in Richtung des distalen Stücks 104 auszubreiten.
Die Schwingungen erzeugen Reibungswärme, anfänglich an Stoß-Grenzflächen (d. h. von Werkzeug zu Werkstück, von Werkstück zu Werkstück) und dann eine intermolekulare Reibung in dem Verbundwerkstoff, die bewirkt, dass das Material schmilzt. Wenn das Schmelzen an der Grenzfläche 108 stattfindet, wie z. B. infolge der Schwingungen, die auf die Energie-Richtungsgeber 110 übertragen werden, werden die Werkstücke dort durch Molekülbindungen (z. B. Schmelz- oder kovalente Bindungen) der Materialschmelze gefügt.
Gelegentlich werden fehlerhafte oder unstimmige Schweißnähte gebildet. Eine unstimmige Schweißnaht ist allgemein jede Schweißnaht, die sich unerwünschterweise von einer Soll-Schweißnahtausgestaltung unterscheidet. Ein übliches Manko besteht darin, dass die Schweißnaht zu klein oder sonst wie weniger robust ist als erwünscht. In einem Szenario, in dem unter einer gegebenen Blechstärke erwünscht ist, dass Schweißnähte vorhanden sind, die in der Breite etwa 7 mm oder mehr messen, können unstimmige Schweißnähte Breiten zwischen etwa 0 mm und etwa 4 mm aufweisen.
2 zeigt die zu fügenden Werkstücke 102, 104, die Schweißenergie empfangen (z. B. akustische Hochfrequenz(HF)-Schwingungen), aber auf eine unerwünschte Weise, wodurch eine unstimmige Schweißnaht 202 gebildet wird. Die Schweißnaht 202 ist fehlerhaft und weist einen unzureichenden primären Abschnitt 202 auf. Die Schweißregion oder -zone 202 umfasst in diesem Beispiel auch eine unzureichende Nebenschweißung 206. 3 zeigt, wie das Schweißhorn 106 von den neu und unzureichend gefügten Stücken 102, 104 zurückgezogen wird.
4 zeigt ein Beispiel für ein Szenario 400, in dem eine hinreichende, erwünschte Schweißnaht 402 gebildet wird. Schweißnähte, denen es an einer gewünschten Qualität mangelt, können als unstimmig bezeichnet werden, wie oben beschrieben.
Die Nebenschweißung 206 kann als Ausquetschung bezeichnet werden, da es sich dabei wahrscheinlich um abgekühlte Materialschmelze handelt, die von dem primären Abschnitt 204 unter dem Druck des Zusammendrückens der Werkstücke 102, 104 während des Schweißens zur Seite gedrückt wurde. Allgemein ist das Ausmaß der Ausquetschung desto größer, je höher der Betrag an Hitze ist, die beim Bilden des primären Schweißabschnitts 204 erzeugt wird.
Ein Versuch, die vorhandene unstimmige Schweißnaht 202 unter Verwendung der/des gleichen Werkzeugbestückung und Prozesses erneut zu schweißen, wäre zumindest deshalb unwirksam, da das Werkstück 102 wahrscheinlich verändert (an das Werkstück 104 gefügt) wurde, sodass es nicht noch einmal hinreichend Reibungswärme an den Stoß-Grenzflächen zum Schweißen in Ansprechen auf die Schwingungen erzeugen wird. Im Spezielleren wäre die Struktur des Werkstücks, insbesondere an einer Oberfläche oder einem Umfang der zuvor geschweißten Zone während der ersten Schweißung verändert worden und wäre zu eingeschränkt, um erneut eine hinreichende Schweißwärme zu erzeugen.
Der Versuch, eine Schweißnaht durch Hinzufügen zusätzlicher Schweißnähte um die unstimmige Schweißnaht 202 herum zu reparieren, ist aufgrund des/der begrenzten Raums, Materials, Zeit und Energie nicht durchführbar. Es wäre raum-, zeit-, material- und energieraubend, die zusätzlichen neuen Schweißnähte um die unstimmige Schweißnaht 202 herum zu bilden.
Eine unerwünschte Alternative ist das Aussondern der Werkstücke 102, 104, welche die unstimmige Schweißnaht 202 aufweisen. Theoretisch könnten einige der nicht einwandfrei gefügten Werkstücke auch irgendwie rezykliert werden, aber auch dieser Prozess braucht Ressourcen und schafft keine Abhilfe für die Herausforderung, unerwünschte unstimmige Schweißnähte zu vermeiden.
Eine noch andere Alternative ist ein herkömmliches mechanisches Befestigen der Werkstücke 102, 104 aneinander anstatt des Schweißens oder nachdem eine Teilschweißnaht identifiziert wurde. Die Werkstücke 102, 104 können zum Beispiel zusammengeschraubt oder mithilfe von Muttern und Schrauben verbunden werden. Diese Verbindungen weisen Unzulänglichkeiten auf, unter anderem unerwünschtes hinzugefügtes Gewicht, unansehnliche frei liegende Abschnitte der Befestigungselemente, mehr Zeit als erwünscht, und möglicherweise weniger robuste Fügestellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Technologie betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum Reparieren fehlerhafter oder unstimmiger Schweißnähte, die zwischen zwei Werkstücken erzeugt werden. Die Werkstücke können z. B. einen polymeren Verbundwerkstoff umfassen. Andere beispielhafte Materialien sind unten stehend beschrieben.
In einer Hauptanwendung ist die unstimmige Schweißnaht unzureichend, und die Reparaturtechnik vergrößert die Größe und/oder erhöht die Robustheit einer vorhandenen unzureichenden Schweißnaht. Die Reparatur kann die Anwendung von zusätzlicher Schweißenergie auf die unstimmige Schweißnaht mittels eines Schweißenergie-Applikators umfassen, der speziell dimensioniert und geformt ist, um die Energie zu liefern, die benötigt wird, um die vorhandene Schweißnaht auszubessern.
Vorteile der vorliegenden Technologie umfassen Einsparungen bei Material und Kosten, die mit herkömmlichen Aufwänden, wie beispielsweise dem Aussondern fehlerhafter Produkte, dem Hinzufügen neuer Schweißnähte oder dem Hinzufügen einer oder mehrerer mechanischer Verbindungen verbunden sind. Auch die Zykluszeit wird durch die Vermeidung dieser Aufwände verkürzt.
Das resultierende Produkt ist robuster und weist eine stärkere Fügestelle zwischen den Werkstücken auf.
Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden hierin nachfolgend zum Teil offensichtlich und zum Teil hervorgehoben.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 illustriert schematisch eine herkömmliche Ultraschall-Schweißanordnung mit einem Schweißhorn und zwei Werkstücken, die durch Energie-Richtungsgeber getrennt sind, vor dem Zusammenschweißen der Stücke.
2 zeigt die Anordnung von 1, wenn eine Schweißung begonnen wird.
3 zeigt die Anordnung, wenn die Schweißung beendet ist, und unerwünschtes überschüssiges oder ausgequetschtes Werkstückmaterial gebildet ist, was eine unstimmige Schweißnaht ergibt.
4 zeigt die Anordnung von 1 nach einer bevorzugten Schweißung, welche die illustrierte vollständige Schweißnaht zur Folge hat.
5 illustriert schematisch eine Querschnittsansicht eines neuartigen Ultraschall-Schweißnaht-Reparaturwerkzeuges gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie.
6 zeigt einen Grundriss des Schweißnaht-Reparaturwerkzeuges von 5 von oben.
7 zeigt die Anordnung wie jene von 3, welche die unstimmige Schweißnaht zeigt, und zeigt eine erste Aktivität an, wobei die Schulter der Werkzeugbestückung von 5 in Richtung eines nahegelegenen Werkstücks der Werkstücke, die gefügt werden, gesenkt wird.
8 zeigt die Anordnung, nachdem die Werkzeugbestückung wie in 7 positioniert wurde und Schweißenergie über die Werkzeugbestückung angewendet wird.
9 zeigt die Anordnung, wenn letzte Energie angewendet wird und die unstimmige Schweißnaht soeben repariert wurde.
10 zeigt die Anordnung, nachdem die Energie angewendet wurde und die Werkzeugbestückung zurückgezogen wird.
11 zeigt eine Draufsicht der resultierenden Schweißnaht, wobei die Werkstücke zur Einfachheit der Darstellung nicht gezeigt sind.
12 zeigt eine Nahansicht der Ansicht eines Abschnitts von 7, welche die unstimmige Schweißnaht zeigt, um auf Spalte um einen Nebenschweißnahtabschnitt der unstimmigen Schweißnaht herum Bezug zu nehmen.
13 zeigt eine Ansicht des reparierten Produkts von 9, aber mit einer kombinierten Form einer reparierten Schweißnaht.
14 zeigt einen Grundriss der reparierten Schweißnaht von 13 von oben.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Je nach Anforderung sind hierin detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart. Die offenbarten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Formen und Kombinationen davon ausgeführt sein können. Wie hierin verwendet, beziehen sich zum Beispiel, beispielhaft und ähnliche Ausdrücke weitgehend auf Ausführungsformen, die als ein/e Veranschaulichung, Probeexemplar, Modell oder Muster dienen.
Die Fig. sind nicht unbedingt maßstabgetreu und einige Elemente können übertrieben oder stark verkleinert sein, um z. B. Details spezieller Komponenten zu zeigen. In einigen Fällen wurden gut bekannte Komponenten, Systeme, Materialien oder Verfahren nicht im Detail beschrieben, um zu vermeiden, dass die vorliegende Offenbarung unklar wird. Aus diesem Grund sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend, sondern rein als eine Basis für die Ansprüche und als eine repräsentative Basis zu betrachten, Fachleute darüber zu unterrichten, die vorliegende Offenbarung auf verschiedenste Weise zu verwenden ist.
Während die Beschreibung einen allgemeinen Kontext von durch einen Computer ausführbaren Befehlen umfasst, kann die vorliegende Offenbarung auch in Kombination mit anderen Programmodulen und/oder als eine Kombination aus Hardware und Software angewendet werden. Der Begriff „Anwendung” oder Varianten davon wird/werden hierin weitgehend so verwendet, dass er/sie Routinen, Programmmodule, Programme, Komponenten, Datenstrukturen, Algorithmen und dergleichen umfassten.
Anwendungen können auf verschiedenen Systemkonfigurationen implementiert werden, die Einzelprozessor- oder Mehrprozessorsysteme, mikroprozessorbasierte Elektronik, Kombinationen davon und dergleichen umfassen. In bestimmten Ausführungsformen werden einige oder alle Aktivitäten (z. B. das Steuern einer Hornanwendung) durch eine Rechenvorrichtung wie z. B. einen Prozessor durchgeführt oder zumindest initiiert, der von einem Computer ausführbare Befehle ausführt, die in einem computerlesbaren Medium gespeichert oder umfasst sind. Und jeder beliebige oder mehrere Schritte des Prozesses können durch automatisierte Maschinen, wie z. B. Roboter, durchgeführt, initiiert oder anderweitig erleichtert werden.
I. Allgemeiner Überblick über die Offenbarung
Es werden eine Vorrichtung und Verfahren zum Reparieren von fehlerhaften oder unstimmigen Schweißnähten, wie z. B. einer unzureichenden Punktschweißnaht, die zwischen zwei Werkstücken erzeugt wurde, beschrieben. Nachfolgend sind Beispiele für Werkstückmaterialien beschrieben.
In Fällen, in denen eine unstimmige (z. B. unzureichende) Schweißnaht gebildet wird, arbeitet die Reparaturtechnik, um die Größe, die mangelnde Verschmelzung und/oder Robustheit der unstimmigen Schweißnaht zu verbessern.
Die Reparatur kann eine Anwendung von zusätzlicher Schweißenergie auf die unstimmige Schweißnaht mithilfe eines Schweißenergie-Applikators umfassen, der speziell dimensioniert und geformt ist, um die Energie zu liefern, wie sie erforderlich ist, um die vorhandene Schweißnaht auszubessern. In einer Ausführungsform ist der Applikator ein allgemein donutförmiges Horn – er weist z. B. einen zylinderförmigen Leerraum auf, um ein kreisringförmiges Anwendungsende zu bilden, wie nachfolgend weiter beschrieben und in den Fig. (z. B. 5 und 6) gezeigt ist. Das Reparaturwerkzeug kann andere Formen aufweisen wie z. B. eine Schulter aufweisen, die einen allgemein ovalen oder elliptischen zentralen Leerraum bildet. In einer Ausführungsform weist der Leerraum ein quadratisches unteres Profil oder ein anderes rechteckiges unteres Profil auf. In einigen Ausführungsformen weist der Leerraum andere Formen, wie z. B. sechseckig, fünfeckig etc. oder eine Form auf, die eine oder mehrere gerade Linien und/oder eine oder mehrere gebogene Linien aufweist.
In einer Ausführungsform wird eine allgemeine Form der unstimmigen Schweißnaht – z. B. allgemein kreisförmig vs. Allgemein länglich oval – bestimmt, und es wird ein entsprechendes Reparaturwerkzeug verwendet, um sie zu reparieren. In einer Ausführungsform wird ein entsprechendes Reparaturwerkzeug aus mehreren verfügbaren, unterschiedlich geformten Reparaturwerkzeugen zum Reparieren der unstimmigen Schweißnaht ausgewählt. Wie vorgesehen, kann jede dieser Aktivitäten manuell oder automatisiert erfolgen. Die Bestimmung, die Auswahl und die Reparaturschweißung unter Verwendung des gewählten Werkzeuges können zum Beispiel manuell oder automatisiert erfolgen.
Für Fälle, in denen eine Hilfs- oder Ausquetsch-Schweißnaht vorhanden ist – z. B. den Schweißnahtabschnitt 206 in 3 – dient die Nebenschweißnaht während der Reparaturschweißung als ein Energie-Richtungsgeber (in 8 und 9 schematisch gezeigt). Die Energie-Richtungsgeberfunktion der Nebenschweißnaht 206 ist nachfolgend unter Bezugnahme auf 8 und 9 weiter beschrieben.
Die Nebenschweißnaht 206 begünstigt als effektiver Energie-Richtungsgeber die Lieferung der Schweißenergie an den/die Punkt/e, wo die Energie benötigt wird – z. B. den Bereich der Neben- oder Ausquetsch-Schweißnaht.
Das resultierende Produkt, das eine neue Schweißlinse umfasst, welche die ursprüngliche zentrale Schweißnaht umgibt und bevorzugt mit der ursprünglichen Schweißnaht verschmilzt und diese verstärkt (z. B. 9, 10 und 11), ist robuster und weist eine stärkere Fügestelle zwischen den Werkstücken auf.
Durch die vorliegende Technologie werden Material eingespart und Kosten gesenkt. Material und Kosten werden gesenkt, indem z. B. herkömmliche Aufwände, wie beispielsweise das Aussondern fehlerhafter Produkte, das Hinzufügen neuer Schweißnähte oder das Hinzufügen einer oder mehrerer mechanischer Verbindungen, vermieden werden.
Die Systemkomponenten, Algorithmen und Aktivitäten sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren weiter beschrieben.
II. Verfahren, Werkzeugbestückung und Werkstücke – Fig. 5–Fig. 11
Die vorliegende Technologie wird nun unter Bezugnahme auf Beispiele für Systeme, eine Werkzeugbestückung und Werkstücke beschrieben. Es wird auf die Figuren verwiesen, um das Verständnis der Technologie zu erleichtern und nicht um ihren Schutzumfang einzuschränken.
Bezugnahmen auf Richtungen hierin wie z. B. obere/s/r, untere/s/r, oben, unten und seitlich sind bereitgestellt, um die Beschreibung der vorliegenden Technologie zu erleichtern, stellen aber keine Einschränkung des Schutzumfangs der Technologie dar. Eine Beschreibung, in der ein Horn als auf ein nahegelegenes Werkstück nach unten herabkommend beschrieben wird, ist zum Beispiel nicht darauf beschränkt, dass sich das Horn vertikal nach unten in dem Erd- oder Umgebungsrahmen bewegt. Das Horn kann sich in diesem Fall in dem Umgebungsrahmen z. B. von links nach rechts bewegen.
Wendet man sich erneut den Figuren und im Spezielleren der fünften Figur zu, so zeigt 5 schematisch ein Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug 500 gemäß der vorliegenden Technologie.
Das Reparaturwerkzeug 500 wird als Reaktion auf das Feststellen eingeführt, dass eine unstimmige Schweißnaht vorhanden ist. Die Feststellung kann auf jede beliebige entsprechende Weise erfolgen. In einer Ausführungsform erfolgt die Feststellung mithilfe der Lehren einer oder beider von den U.S.-Patentschriften Nr. 883 9 247 und der U.S.-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2011/010 8 181, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind.
Da das Vorhandensein einer unstimmigen Schweißnaht während und/oder unmittelbar nach der Bildung der unstimmigen Schweißnaht erfolgen kann, kann der Reparaturprozess unmittelbar danach begonnen werden, ohne dass es notwendig ist, die Werkstücke umzulagern. Das Reparaturwerkzeug 500 kann benachbart oder anderweitig in der Nähe des ursprünglichen Schweißwerkzeuges (z. B. des Horns 106) positioniert sein. Das Werkzeug 500 wird in der Nähe des ursprünglichen Werkzeuges 106 angeordnet, sodass es einfach bewegt werden kann, um das ursprüngliche Werkzeug in einer Position über der unstimmigen Schweißnaht auszutauschen. Die beiden Werkzeuge 500, 106 können auf einem Drehteil oder einer Gleitschiene (nicht im Detail gezeigt) befestigt sein, um zuzulassen, dass die beiden gegenseitig ausgetauscht werden. Die Anordnung ist in einer Ausführungsform ausgestaltet, um manuell, in einer Ausführungsform durch automatisierte Maschinen, in einer Ausführungsform durch beides und in einer Ausführungsform selektiv durch eines von beiden bedient zu werden.
Das Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug 500 umfasst (einen) erweiterte/n Abschnitt/e 502. Der/die erweiterte/n Abschnitte 502 kann/können anders bezeichnet werden wie z. B. als Schultern, Vorsprünge, Erweiterungen etc. In einer Ausführungsform bildet/n der/die erweiterte/n Abschnitte 502 einen oder mehrere Leerräume 504 oder Hohlraum oder eine Ausnehmung
In einer Ausführungsform ist die Schulter 502 kreisringförmig und definiert einen zylindrischen Hohlraum 504.
Das Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug 500 ist ausgestaltet, um Schweißenergie – z. B. akustische HF-Schwingungen auf die unzureichende Schweißnaht 202 (7) zu richten, wie es notwendig ist, um die Schweißnaht auszubessern – d. h. die Schweißnaht von unzureichend zu robust und stark zu verstärken, wie nachfolgend weiter beschrieben ist.
6 zeigt einen Grundriss des Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeuges 500 von unten, das die Schulter 502 umfasst, welche den zentralen Leerraum 504 definiert.
7 zeigt schematisch das Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug 500, das in Richtung des nahegelegenen Werkstücks 102 der Werkstücke 102, 104 gesenkt wird, welche durch die unstimmige Schweißnaht 202 gefügt sind.
Die zusammengeschweißten Werkstücke 102, 104 können ähnlich oder verschiedenartig sein. Eines oder beide Stücke umfasst/umfassen ein Polymer, wie zum Beispiel in der Form eines polymeren Verbundwerkstoffes. Beispiele für Materialien von Werkstücken werden nachfolgend in näherem Detail weiter beschrieben ist.
Aufgrund der Form des Werkzeuges 500 wird nur die Schulter 502 des Werkzeuges 500 mit dem nahegelegenen Werkstück 102 in Kontakt gebracht.
In 8 wird mit dem Werkzeug 500, das mit dem nahegelegenen Werkstück 102 in Kontakt steht, wie beschrieben, eine Schweißaktivität eingeleitet, wobei die Schweißenergie 800 – z. B. akustische HF-Schwingungen – mithilfe des Werkzeuges 500 an das nahegelegene Werkstück 102 bereitgestellt wird.
Ferner wird infolge der Form des Werkzeuges 500 die Schweißenergie nur mithilfe der Schulter 502 an das nahegelegene Werkstück 102 geliefert, wie in 8 gezeigt.
Wie erwähnt, wirkt die Nebenschweißnaht in Szenarien, in denen eine Neben- oder Ausquetsch-Schweißnaht – z. B. der Schweißnahtabschnitt 206 in 7 und 8 – vorhanden ist, während der Reparatur als ein Energie-Richtungsgeber (in den 8 und 9 schematisch gezeigt).
Wie vorgesehen, begünstigt die Nebenschweißnaht 206, die effektiv als ein Energie-Richtungsgeber wirkt, die Lieferung der Schweißenergie 800 zu den Punkten, an denen die Energie benötigt wird – z. B. den Bereich bei und etwas benachbart der Neben- oder Ausquetsch-Schweißnaht 206. Ultraschallenergie wird durch die Ausquetschung (oder das lose Stück) 206 hindurch übertragen, und die Reibungswärme von den Grenzflächen und die intermolekulare [engl. intermocular] Reibung konzentrieren sich an der Nebenschweißnaht 206, was einen schnellen Aufbau von Hitze zur Folge hat, der bewirkt, dass die Ausquetschung schmilzt.
In der weiteren Erklärung wird die Energie-Richtungsgeberfunktion der Nebenschweißnaht 206 durch die übliche Form von Nebenschweißnähten begünstigt, wobei hier Räume oder Spalte benachbart des Schweißmaterials vorhanden sind. Beispielhafte Spalte sind in 12 gezeigt, die eine Nahansicht eines Abschnitts von 7 ist. Die Spalte sind durch die Bezugszeichen 1200 in der Fig. bezeichnet. Während die Spalte 1200 der Einfachheit halber nur auf der linken Seite der Fig. ausdrücklich angegeben sind, sind sie auf beiden Seiten der Anordnung einschließlich entlang der Umfänge der Nebenschweißnaht 206 vorhanden, wie gezeigt ist.
Die Spalte begünstigen die Erzeugung von Wärme um die als der Energie-Richtungsgeber wirkende Nebenschweißnaht 206 herum, wodurch zugelassen wird, dass sich die Ultraschallschwingungen in der Schweißnaht und/oder dem Werkstückmaterial direkt benachbart des Spalts fokussieren, was ein Erwärmen und ein Schmelzen dieses Schweißnaht- und/oder Werkstückmaterials direkt benachbart des Spalts bewirkt.
Wenn die Schweißenergie 800 (z. B. akustische HF-Schwingungen) angewendet wird, wie in 8 gezeigt, wird die Energie 800 aufgrund der Konstruktion (z. B. Schultern) des Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeuges 500 und da die Nebenschweißnaht 206 als ein Energie-Richtungsgeber wirkt, vorwiegend, wenn nicht sogar vollständig, transferiert, um die Nebenschweißnaht 206 zu durchlaufen.
Infolgedessen beginnt die Schweißnaht 206 zu schmelzen. Die Aktivität wird auch bewirken, dass Material eines oder beider Werkstücke, welche der Schweißnaht benachbart sind und zuvor nicht geschmolzen sind, erwärmt und geschmolzen wird. Es werden auch Material der primären Schweißnaht 204 und Werkstückmaterial benachbart der Schweißnaht erwärmt und können bis zu einem Grad schmelzen, der teilweise auf der Menge angewendeter Energie basiert. Das resultierende Produkt umfasst eine größere Nebenschweißnaht, die sich zwischen den Stücken 102, 104 befindet und an die primäre Schweißnaht gefügt oder robuster gefügt ist, welche auch größer oder robuster sein kann.
Wie vorgesehen, ist es in einem Szenario erwünscht, dass Schweißnähte vorhanden sind, deren Breite etwa 7 mm oder mehr misst. Mithilfe der vorliegenden Technik können resultierende Schweißnähte, die 7 mm oder mehr messen, durch das Reparieren von unstimmigen Schweißnähten mit Breiten irgendwo zwischen etwa 0 mm und etwa 4 mm erzielt werden.
9 zeigt das resultierende Produkt 900, das eine erste Form einer reparierten Schweißnaht 9021 umfasst. Die reparierte Schweißnaht 902 umfasst eine größere Nebenschweißnaht 906 zwischen den Stücken 102, 104 und ist an eine größere primäre Schweißnaht 904 gefügt oder robuster gefügt, welche auch die Stücke 102, 104 fügt.
Wie vorgesehen, können sich der primäre und/oder der Nebenschweißnahtabschnitt 904, 906 während der Reparaturschweißung entwickeln, sodass die zwei miteinander verbunden oder verschmolzen werden. Wenn sie im Wesentlichen verbunden sind, können sich der erste und der Nebenschweißnahtabschnitt zu einer einzigen reparierten Schweißnaht 9022 kombinieren, wie in 13 gezeigt ist. Insbesondere sind die erste reparierte Schweißnaht 9021 und die zweite reparierte Schweißnaht 9022, die unter Verwendung der vorliegenden Technologie gebildet werden, robuster und größer als die unstimmige Schweißnaht (z. B. 202 in den 2 und 3), die repariert wurde. Die erste reparierte Schweißnaht 9021 und die zweite reparierte Schweißnaht 9022, die unter Verwendung der vorliegenden Technologie gebildet werden, könnten auch robuster und größer sein als Schweißnähte, die anfänglich ohne Unstimmigkeit gebildet wurden – z. B. die Schweißnaht 402 von 4.
Die vorliegende Technik kann auch allgemein selbst in Szenarien verwendet werden, in denen die anfänglich unzureichende Nebenschweißnaht 206 unbedeutend oder überhaupt nicht vorhanden ist. In diesen Fällen lenkt das maßgeschneidert geformte Werkzeug 500 immer noch Schwingungen und somit Reibungswärme in Richtung eines Umfangsbereiches an der und/oder benachbart der anfänglichen, unzureichenden primären Schweißnaht 204. Diese anfängliche Reibungswärme wird die intermolekulare Reibung in dem polymeren Verbundwerkstoff erhöhen.
Infolgedessen wird eine anfängliche Nebenschweißnaht 206 vergrößert (z. B. 906 in 9). Wenn anfänglich keine Nebenschweißnaht vorhanden ist, wird eine durch die Energie 800 gebildet, die von den Schultern 502 des Spezialwerkzeuges 500 ausgestrahlt wird (8), die primäre Schweißnaht 204 wird an und/oder benachbart der ursprünglichen primären Schweißnaht 204 oder beiden vergrößert (z. B. 904 in 9), wodurch die als solche gebildete Nebenschweißnaht (z. B. 906 in 9) bevorzugt mit der vergrößerten primären Schweißnaht (z. B. 904 in 9) verbunden wird.
Wie vorgesehen, können die Werkstücke 102, 104, die zusammengeschweißt werden, ähnlich oder verschiedenartig sein. Was verschiedenartige Werkstückmaterialien betrifft, kann ein Werkstück z. B. ein Kunststoff oder ein anderes Polymer sein, und das andere kann Stahl, Aluminium, eine Legierung oder ein anderes Metall etc. umfassen. Somit können die Lehren der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um ein Polymer (z. B. einen polymeren Verbundwerkstoff) an ein anderes Polymer zu fügen, oder um z. B. ein Polymer an ein Metall zu fügen.
In einer Ausführungsform umfasst das Material der Stücke 102, 104 Polyethylen. In einer Ausführungsform umfasst das Material Polyethylen-Terephthalat (PET), Polyethylen hoher Dichte (HDPE, vom engl. high density polyethylene) und/oder Ethylen-Vinylalkohol (EVOH).
In einer Ausführungsform umfasst zumindest eines der Werkstücke 101, die gefügt werden, ein Polymer. Zumindest eines der Werkstücke 102, 104 kann synthetische oder anorganische Moleküle umfassen. Während die Verwendung von sogenannten Biopolymeren (oder grünen Polymeren) zunimmt, sind Polymere auf Erdölbasis noch immer viel weiter verbreitet.
Das Material eines oder beider Werkstücke 102, 104 kann auch rezykliertes Material wie z. B. ein Polybutylen-Terephthalat(PBT)-Polymer umfassen, das aus etwa fünfundachtzig Prozent Alt-Polyethylen-Terephthalat (PET) besteht.
In einer Ausführungsform umfassten eines oder beide von den Werkstücken 102, 104 eine Art von Kunststoff. In einer Ausführungsform umfasst das Material einen Thermoplast.
In einer Ausführungsform umfassten eines oder beide von den Werkstücken 102, 104 einen Verbundwerkstoff. In einer Ausführungsform umfassten eines oder beide von den Werkstücken z. B. einen faserverstärkten Polymer(FRP, vom engl. fiber-reinforced polymer)-Verbundwerkstoff wie z. B. ein kohlefaserverstärktes Polymer (CFRP, vom engl. carbon-fiber-reinforced polymer) oder ein glasfaserverstärktes Polymer (GFRP, vom engl. glass-fiber-reinforced polymer). Der Verbundwerkstoff kann z. B. ein Faserglas-Verbundwerkstoff sein. In einer Ausführungsform ist der FRP-Verbundwerkstoff ein Hybrid-Kunststoff-Metall-Verbundwerkstoff.
Das Material 102, 104 umfasst in einigen Anwendungen ein Polymer in Polyamid-Qualität, das allgemein als Polyamid bezeichnet werden kann.
Das Material eines oder beider von den Werkstücken 102, 104 kann auch Polyvinylchlorid (PVC) umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst das Material 102, 104 Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS).
In einer Ausführungsform umfasst das Material 102, 104 ein Polycarbonat (PC).
Das Material eines oder beider von den Werkstücken 102, 104 kann auch eine Art von Harz umfassen. Beispielhafte Harze umfassen ein Faserglas-Polypropylen(PP)-Harz, ein PC/PBT-Harz und ein PC/ABS-Harz.
Die Werkstücke 102, 104 können vordem Schweißen vorbehandelt, z. B. erwärmt und formgepresst, werden.
Wie erwähnt, kann jede beliebige der Aktivitäten durch automatisierte Maschinen wie z. B. Roboter durchgeführt, initiiert oder anderweitig erleichtert werden. Ein Roboter (nicht im Detail gezeigt) kann ausgestaltet und angeordnet (z. B. mit dem Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug 500 verbunden) werden, um das Senken des Schweißnaht-Reparaturwerkzeuges 500 zu steuern. Der Roboter kann automatisiert oder durch Automatisierung gesteuert sein, die z. B. in einem Rechner oder einer anderen elektronischen Steuereinrichtung (nicht gezeigt) ausgeführt ist.
Der Controller umfasst in einer Ausführungsform eine/n konkrete/n, computerlesbaren Speichervorrichtung oder Speicher. Der Speicher ist mit von einem Computer ausführbaren Anweisungen oder einem Code programmiert (d. h. er speichert diese), welche/r, wenn sie/er von einem Prozessor wie z. B. einem Prozessor des Controllers ausgeführt wird/werden, bewirkten, dass der Prozessor eine Bewegung des Schweißnaht-Reparaturwerkzeuges 500 initiiert und steuert.
Der Controller kann eine Abwärtsbewegung des Werkzeuges 404, eine Gesamtstrecke oder -verschiebung der Bewegung und eine Geschwindigkeit oder Rate einer Verschiebung und Richtung (z. B. nach unten oder nach oben) steuern.
In einer Ausführungsform ist das Horn 500 ausgestaltet (z. B. durch Gewicht oder Federbelastung) und/oder gesteuert, um während des Schweißens eine Abwärtskraft auf den Werkstücken 102, 104 anzuwenden. In einigen Ausführungsformen wird durch das System auch eine Aufwärts-Gegenkraft, wie z. B. durch eine/n statische/n Stütze oder Amboss, oder ein Aufwärtsdruck (nicht im Detail gezeigt) bereitgestellt. Dieses Szenario schafft eine Komprimierung, welche eine Verbindung zwischen den Werkstücken begünstigt, wenn die Schweißenergie (z. B. HF-Schwingungen) durch die Stücke 102, 104 hindurch übertragen wird.
10 zeigt das resultierende reparierte Produkt 900 und wie das Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug 500 zurückgezogen – z. B. nach oben und von dem reparierten Produkt 900 weg gehoben – wird. Wenn dies geschieht und sobald die Anwendung der Energie 800 (8) eingestellt wird, beginnen das Produkt 900 und insbesondere die neue, reparierte Schweißnaht abzukühlen und auszuhärten, wodurch die reparierte Schweißnaht zum Erstarren gebracht wird.
11 zeigt die reparierte Schweißnaht 902, welche die vergrößerte primäre Schweißnaht 904 und die vergrößerte oder relativ große, neu gebildete Nebenschweißnaht 906 umfasst.
III. Verschiedene Merkmale der Technologie
Viele, aber nicht alle Merkmale Motivationen, Vorzüge und Vorteile in Bezug auf die vorliegende Technologie sind oben beschrieben, und einige, aber nicht alle davon, sind in diesem Abschnitt beschrieben.
Die Vorteile der vorliegenden Technologie umfassen das Einsparen von Material und Kosten in Verbindung mit herkömmlichen Aufwänden.
Es werden z. B. eine Zykluszeit und Verarbeitungskosten (elektrischer Strom, Roboterbetrieb usw.) reduziert, da keine Zeit notwendig ist, um zu bestimmen, wie viele neue Schweißnähte zu erzeugen sind und wo solche Schweißnähte zu erzeugen sind.
Die Zykluszeit und die Verarbeitungskosten (elektrischer Strom, Roboterbetrieb usw.) können auch dadurch verbessert werden, dass Aktivitäten zum Aussondern von fehlerhaften Produkten vermieden werden.
Die zeitliche Steuerung und die Kosten werden weiter verbessert, da es nicht notwendig ist, eine oder mehrere mechanische Verbindungen hinzuzufügen, wie es in einer anderen in Erwägung gezogenen Reparaturtechnik der Fall ist. Es wird auch die kosmetische Qualität verbessert oder beibehalten, indem mechanische Verbindungen (z. B. Klammern) vermieden werden.
Als ein anderer Vorteil ist das resultierende Produkt robuster, da es eine stärkere Fügestelle zwischen den Werkstücken aufweist.
Die Vorteile machen das Schweißen in einer Montageumgebung viel kostensparender und führen zu leichtgewichtigen Produkten (z. B. Fahrzeugkomponenten und das gesamte Fahrzeug), die stärkere und robustere Fügestellen aufweisen.
IV. Schluss
Hierin sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart. Die offenbarten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Formen und Kombinationen davon ausgeführt sein können. Wie hierin verwendet, beziehen sich z. B. „exemplarisch” und ähnliche Ausdrücke weitgehend auf Ausführungsformen, die als ein/e Veranschaulichung, Probeexemplar, Modell oder Muster dienen.
Die Fig. sind nicht unbedingt maßstabgetreu und einige Elemente können übertrieben oder stark verkleinert sein, um z. B. Details spezieller Komponenten zu zeigen. In einigen Fällen wurden gut bekannte Komponenten, Systeme, Materialien oder Verfahren nicht im Detail beschrieben, um zu vermeiden, dass die vorliegende Offenbarung unklar wird. Aus diesem Grund sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend, sondern rein als eine Basis für die Ansprüche und als eine repräsentative Basis zur Belehrung von Fachleuten zu betrachten.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind rein exemplarische Illustrationen von Anwendungen, welche für ein klares Verständnis der Prinzipien der Offenbarung dargelegt sind. Es können Abwandlungen, Modifikationen und Kombinationen an den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen. Alle derartigen Abwandlungen, Modifikationen und Kombinationen sind hierin von dem Schutzumfang dieser Offenbarung und den folgenden Ansprüchen umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8839247 [0054]

Claims

Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug zur Verwendung beim Reparieren einer unstimmigen Schweißnaht zwischen Werkstücken, umfassend: einen erweiterten Abschnitt; und einen Hohlraum benachbart der erweiterten Abschnitte; wobei: die unstimmige Schweißnaht einen unzureichenden primären Abschnitt umfasst; und das Werkzeug ausgestaltet ist, um, wenn der erweiterte Abschnitt in Kontakt mit einem nahegelegenen der Werkstücke steht, Schweißenergie, die an dem Werkzeug empfangen oder erzeugt wird, über den erweiterten Abschnitt zu dem nahegelegenen Werkstück zu kanalisieren, um eine Schweißung an einem Umfang des primären Abschnitts oder direkt benachbart des primären Abschnitts zu bilden oder zu vergrößern.
Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug nach Anspruch 1, wobei: der erweiterte Abschnitt eine allgemein kreisringförmige Form aufweist; und der Hohlraum eine allgemein zylindrische Form aufweist.
Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug nach Anspruch 1, wobei: die unstimmige Schweißnaht einen unzureichenden Nebenabschnitt umfasst; und das Werkzeug, indem es ausgestaltet ist, um Schweißenergie zu dem nahegelegenen Werkstück zu kanalisieren, ausgestaltet ist, die Energie zu den nahegelegenen Werkstücken zu kanalisieren, um den Nebenabschnitt zu vergrößern, was eine reparierte, vergrößerte Nebenschweißnaht ergibt.
Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug nach Anspruch 1, wobei: das erste Werkstück und das zweite Werkstück ein verschiedenartiges Material aufweisen; und zumindest eines der Werkstücke ein Polymer umfasst.
Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Werkzeug Teil einer Werkzeuganordnung ist, welche das Schweißnaht-Reparaturwerkzeug, das ein erstes Werkzeug ist, und ein zweites, alternatives Schweißnahtreparatur-Werkzeug mit einer von einer Form des ersten Werkzeuges unterschiedlichen Form umfasst, wobei jedes Werkzeug für eine andere entsprechende Art von unstimmiger Schweißnaht ausgestaltet ist.
Verfahren zum Reparieren einer unstimmigen Schweißnaht, die einen unzureichenden primären Abschnitt umfasst und sich zwischen Werkstücken befindet, unter Verwendung eines Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeuges, welches einen erweiterten Abschnitt und einen Hohlraum benachbart der erweiterten Abschnitte umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: das Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug und die Werkstücke so positioniert werden, dass der erweiterte Abschnitt des Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeuges mit einem nahegelegenen Werkstück der Werkstücke in Kontakt steht und der Hohlraum allgemein mit dem primären Abschnitt ausgerichtet ist; und Schweißenergie von dem Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug über den erweiterten Abschnitt an das nahegelegene Werkstück in Kontakt mit dem Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeug geliefert wird, was bewirkt, dass die Energie eine Schweißung an einem Umfang des primären Abschnitts oder direkt benachbart des primären Abschnitts bildet oder vergrößert.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Liefern der Schweißenergie umfasst, dass die Energie zu den nahegelegenen Werkstücken kanalisiert wird, um einen Nebenabschnitt zu vergrößern, was eine reparierte, vergrößerte Nebenschweißnaht ergibt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei Luftspalte benachbart des Nebenabschnitts begünstigen, dass der Nebenabschnitt als ein Energie-Richtungsgeber wirkt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Nebenabschnitt während des Schweißens als ein Energie-Richtungsgeber wirkt, der die Schweißenergie weiter in Richtung eines Bereiches des Nebenabschnitts zum Reparieren der unstimmigen Schweißnaht fokussiert.
Verfahren zum Reparieren einer unstimmigen Schweißnaht, die einen unzureichenden primären Abschnitt umfasst und sich zwischen Werkstücken befindet, unter Verwendung eines Schweißnahtreparatur-Spezialwerkzeuges, welches einen erweiterten Abschnitt und einen Hohlraum benachbart der erweiterten Abschnitte umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine allgemeine Form der unstimmigen Schweißnaht bestimmt wird; aus den Werkzeugen auf der Basis der bestimmten Form ein Werkzeug einer Werkzeuganordnung gewählt wird, welche das Schweißnaht-Reparaturwerkzeug, das ein erstes Werkzeug ist, und ein zweites, alternatives Schweißnahtreparatur-Werkzeug mit einer von einer Form des ersten Werkzeuges unterschiedlichen Form umfasst, wobei jedes Werkzeug für eine andere entsprechende Art von unstimmiger Schweißnaht ausgestaltet ist.