DE102014212837B4 - Joining device and method for joining workpieces subject to tolerances - Google Patents
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Abstract
Fügevorrichtung (1) zum Fügen eines ersten, in einer Strahlungsrichtung (9) eines strahlenförmigen Energieeintrags oberen, toleranzbehafteten Werkstücks (21) an ein zweites, in Strahlungsrichtung (9) unteres toleranzbehaftetes Werkstück (22) mittels des Energieeintrags, insbesondere mittels Laser- Durchstrahl- Schweißen, wobei die Fügevorrichtung (1) eine Spannvorrichtung (12) umfasst, dieeine Trägerfläche (4) aufspannt, undein Spannelement (123) zum Beaufschlagen der Werkstücke (21, 22) mit einer Vorspannkraft in eine Kraftrichtung (43) auf die Werkstücke (21, 22) aufweist, wobeidas Spannelement (123) von einer Grundposition (G), in der die Kraftrichtung (43) in einem Grundwinkel (40) zur Trägerfläche (4) verläuft, in eine Verstellposition (V), in der die Kraftrichtung (43) in einem Verstellwinkel (40') zur Trägerfläche (4) verläuft, verstellbar ist,die Spannvorrichtung (12) einen ersten Spannrahmen (121) umfasst, der reversibel um eine erste Schwenkachse (41) in die erste Richtung (410) verschwenkbar ist, und einen zweiten Spannrahmen (122), der reversibel um eine zweite Schwenkachse (42) in die zweite Richtung (420) verschwenkbar ist,dadurch gekennzeichnet, dassdie Fügevorrichtung (1) einen ersten Sensor (51) zum Erfassen des ersten Schwenkwinkels (411) des ersten Spannrahmens (121) um die erste Schenkachse (41) sowie einen zweiten Sensor (52) zum Erfassen eines zweiten Schwenkwinkels (421) des zweiten Spannrahmens (122) um die zweite Schwenkachse (42) umfasst.Joining device (1) for joining a first workpiece (21), which is subject to tolerances and is at the top in a radiation direction (9) of a radiant energy input, to a second workpiece (22), which is subject to tolerances and is below in the radiation direction (9), by means of the energy input, in particular by means of laser transmission Welding, the joining device (1) comprising a clamping device (12) which clamps a carrier surface (4), and a clamping element (123) for applying a prestressing force to the workpieces (21, 22) in a force direction (43) on the workpieces (21 , 22); ) runs at an adjustment angle (40') to the support surface (4), the clamping device (12) comprises a first clamping frame (121) which can be pivoted reversibly about a first pivot axis (41) in the first direction (410), and a second clamping frame (122) which can be pivoted reversibly about a second pivot axis (42) in the second direction (420), characterized in that the joining device (1) has a first sensor (51) for detecting the first pivot angle (411) of the first clamping frame (121) about the first pivot axis (41) and a second sensor (52) for detecting a second pivot angle (421) of the second clamping frame (122) about the second pivot axis (42).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum Fügen eines ersten, in einer Strahlungsrichtung eines strahlenförmigen Energieeintrags oberen, toleranzbehafteten Werkstücks an ein zweites, in Strahlungsrichtung unteres toleranzbehaftetes Werkstück mittels des Energieeintrags, insbesondere mittels Laser- Durchstrahl- Schweißen, wobei die Fügevorrichtung eine Spannvorrichtung zum Einbringen einer Vorspannkraft in eine Kraftrichtung auf die Werkstücke umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Fügen der toleranzbehafteten Werkstücke aneinander.The present invention relates to a joining device for joining a first workpiece subject to tolerances, which is at the top in a radiation direction of a radial energy input, to a second workpiece subject to tolerances, which is lower in the radiation direction, by means of the energy input, in particular by means of laser transmission welding, the joining device having a clamping device for introducing a Includes biasing force in a direction of force on the workpieces. The present invention further relates to a method for joining the workpieces subject to tolerances to one another.
Werkstücke, beispielsweise aus Kunststoff, werden häufig mittels Laserschweißen stoffschlüssig miteinander verbunden. Beim Durchstrahl-Schweißen ist dafür das Material des dem Laserstrahl zugewandten, oberen Werkstücks für den verwendeten Laserstrahl transparent oder teilweise transparent, so dass der Laserstrahl dieses Werkstück unter geringer oder ohne Materialbeeinflussung durchdringt. Das darunter angeordnete Werkstück ist hingegen für den Laserstrahl nicht transparent ausgebildet und wird mittels des Laserstrahls erwärmt, so dass es schmilzt. Durch die Erwärmung des unteren Werkstücks wird auch das obere Werkstück erwärmt und geschmolzen, so dass sich die Materialien der Werkstücke miteinander verbinden können. Nach dem Abkühlen und Aushärten sind sie stoffschlüssig miteinander verbunden.Workpieces, for example made of plastic, are often firmly bonded to one another by means of laser welding. In the case of transmission welding, the material of the upper workpiece facing the laser beam is transparent or partially transparent for the laser beam used, so that the laser beam penetrates this workpiece with little or no effect on the material. The workpiece arranged underneath, on the other hand, is not transparent to the laser beam and is heated by the laser beam so that it melts. By heating the lower work piece, the upper work piece is also heated and melted, allowing the materials of the work pieces to bond together. After cooling and hardening, they are firmly bonded to one another.
Bei toleranzbehafteten Werkstücken ist es erforderlich, dass sich die Fügeflächen der Werkstücke dabei berühren, damit das in Strahlungsrichtung untere Werkstück das obere Werkstück erwärmen und dadurch schmelzen kann, damit keine Spalte in der Schweißnaht zwischen den Werkstücken entstehen und die Schweißnaht gleichmäßig wird.In the case of workpieces subject to tolerances, it is necessary for the joining surfaces of the workpieces to touch so that the lower workpiece in the direction of radiation can heat up the upper workpiece and thereby melt it, so that there are no gaps in the weld seam between the workpieces and the weld seam is even.
Um solche Spalte zu vermeiden, offenbart die Druckschrift
Jedoch ist der Spanndruck, der bei Verwendung von solchen parallelen Werkzeugen auf die Werkstücke wirkt, aufgrund von Toleranzen der Werkstücke über die Schweißkontur bereichsweise verschieden. Dadurch ist das Schweißergebnis, d. h. die entstehende Schweißnaht, ungleichmäßig.However, the clamping pressure that acts on the workpieces when using such parallel tools is different in some areas due to tolerances of the workpieces over the welding contour. As a result, the welding result, i. H. the resulting weld seam, uneven.
Die
Die
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Zusammenfügen solcher toleranzbehafteter Werkstücke sowie eine Spannvorrichtung dafür zu schaffen, mit denen die erzielte Schweißnaht verbessert, insbesondere gleichmäßiger, ist, und/oder mit denen der Spanndruck auf die Werkstücke, insbesondere während des Verschweißens, über den Schweißweg konstant ist.The object of the invention is to create a method for assembling such tolerance-prone workpieces and a clamping device for it, with which the weld seam achieved is improved, in particular more uniform, and/or with which the clamping pressure on the workpieces, in particular during welding, is welding path is constant.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Fügevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den unabhängigen Ansprüche beschrieben.The object is achieved with a joining device having the features of
Dafür wird eine Fügevorrichtung geschaffen, die zum Fügen eines ersten, in einer Strahlungsrichtung eines strahlenförmigen Energieeintrags oberen, toleranzbehafteten Werkstücks an ein zweites, in Strahlungsrichtung unteres toleranzbehaftetes Werkstück mittels des Energieeintrags vorgesehen ist. Die Fügevorrichtung umfasst eine Spannvorrichtung, die eine Trägerfläche aufspannt, und die ein Spannelement aufweist, das zum Einbringen einer Vorspannkraft in eine Kraftrichtung auf die Werkstücke vorgesehen ist.A joining device is created for this purpose, which is provided for joining a first workpiece subject to tolerances, which is at the top in a radiation direction of a radiant energy input, and is subject to tolerances, to a second workpiece, which is subject to tolerances, and is below in the radiation direction, by means of the energy input. The joining device comprises a clamping device which clamps a carrier surface and which has a clamping element which is provided for applying a prestressing force in a direction of force to the workpieces.
Das Spannelement ist von einer Grundposition, in der die Kraftrichtung in einem Grundwinkel zur Trägerfläche verläuft, in eine Verstellposition, in der die Kraftrichtung in einem Verstellwinkel zur Trägerfläche verläuft, verstellbar.The tensioning element can be adjusted from a basic position, in which the direction of force runs at a basic angle to the support surface, into an adjustment position, in which the direction of force runs at an adjustment angle to the support surface.
Dadurch ist die Kraftrichtung, in der die Vorspannkraft auf die Werkstücke eingebracht wird, in Abhängigkeit von den Toleranzen der Werkstücke einstellbar. Die Werkstücke sind dadurch genauer, insbesondere ohne Spalte zwischen ihnen, aneinander fügbar.As a result, the direction of force in which the preload force is applied to the workpieces can be adjusted depending on the tolerances of the workpieces. As a result, the workpieces can be joined together more precisely, in particular without gaps between them.
Um das Spannelement von der Grundposition in die Verstellposition zu verstellen, umfasst die Spannvorrichtung einen ersten Spannrahmen, der reversibel um eine erste Schwenkachse in eine erste Richtung verschwenkbar ist, und einen zweiten Spannrahmen, der reversibel um eine zweite Schwenkachse in eine zweite Richtung verschwenkbar ist. Die erste Schwenkachse und die zweite Schwenkachse sind bevorzugt quer zueinander angeordnet.In order to adjust the tensioning element from the basic position to the adjustment position, the tensioning device comprises a first tensioning frame which can be rotated about a first pivot axis into a is pivotable in the first direction, and a second clamping frame which is reversibly pivotable about a second pivot axis in a second direction. The first pivot axis and the second pivot axis are preferably arranged transversely to one another.
Die Fügevorrichtung zeichnet sich durch einen ersten Sensor zum Erfassen des ersten Schwenkwinkels und einen zweiten Sensor zum Erfassen eines zweiten Schwenkwinkels aus. Dadurch ist ein Verschwenken des Spannelementes, insbesondere während des Schweißens, erfassbar. Durch Variation der Vorspannkraft ist das Verschwenken des Spannelementes dann gezielt steuerbar.The joining device is characterized by a first sensor for detecting the first pivot angle and a second sensor for detecting a second pivot angle. As a result, pivoting of the clamping element, in particular during welding, can be detected. The pivoting of the clamping element can then be controlled in a targeted manner by varying the prestressing force.
Als strahlenförmiger Energieeintrag ist ein Laserstrahl bevorzugt. Besonders bevorzugt wird die Fügevorrichtung zum Laser- Durchstrahl-Schweißen verwendet, und ist eine Laser- Durchstrahl-Schweißvorrichtung. Sie eignet sich aber auch für andere Energieeinträge, beispielsweise für Ultraschall zum Fügen mittels Ultraschallschweißen. Im Folgenden wird das Einbringen des Energieeintrags als Schweißen bezeichnet.A laser beam is preferred as the radiant input of energy. The joining device is particularly preferably used for laser transmission welding and is a laser transmission welding device. However, it is also suitable for other energy inputs, for example for ultrasound for joining by means of ultrasonic welding. In the following, the introduction of the energy input is referred to as welding.
Dafür ist es bevorzugt, dass die erste Schwenkachse und/oder die zweite Schwenkachse die Trägerfläche aufspannen. Besonders bevorzugt verlaufen die Schwenkachsen und die Trägerfläche dabei quer zur Strahlungsrichtung. In Abhängigkeit von den Bauraumverhältnissen und/oder der Form der Werkstücke ist aber auch eine andere Anordnung der Schwenkachsen sowie der Trägerfläche zur Strahlungsrichtung, und/oder der Schwenkachsen zueinander, bevorzugt. Zudem ist es ebenfalls bevorzugt, die Strahlungsrichtung in Abhängigkeit von den Bauraumverhältnissen und/oder der Form der Werkstücke zu ändern.For this it is preferred that the first pivot axis and/or the second pivot axis span the support surface. The pivot axes and the carrier surface particularly preferably run transversely to the direction of radiation. However, depending on the installation space conditions and/or the shape of the workpieces, a different arrangement of the pivot axes and the carrier surface with respect to the radiation direction and/or the pivot axes with respect to one another is also preferred. In addition, it is also preferred to change the radiation direction as a function of the installation space conditions and/or the shape of the workpieces.
Die Spannvorrichtung weist bevorzugt einen ortsfesten Rahmenhalter auf, in dem der erste Spannrahmen und der zweite Spannrahmen gelagert sind. Der zweite Spannrahmen ist bevorzugt um die zweite Schwenkachse schwenkbar im ersten Spannrahmen angeordnet. Weiterhin bevorzugt ist der erste Spannrahmen um die erste Schwenkachse schwenkbar im ortsfesten Rahmenhalter gelagert. Das Spannelement ist bevorzugt im zweiten Spannahmen angeordnet.The clamping device preferably has a stationary frame holder in which the first clamping frame and the second clamping frame are mounted. The second clamping frame is preferably arranged in the first clamping frame such that it can be pivoted about the second pivot axis. Furthermore, the first clamping frame is preferably mounted in the stationary frame holder such that it can be pivoted about the first pivot axis. The clamping element is preferably arranged in the second clamping frame.
Das Einbringen des Energieeintrags erfolgt bevorzugt durch einen im Spannelement vorgesehenen Durchlass. Das Spannelement ist bevorzugt aus einem für den Energieeintrag beständigen Material gefertigt, beispielsweise aus einem Edelstahl.The energy input is preferably introduced through a passage provided in the tensioning element. The tensioning element is preferably made of a material that is resistant to the energy input, for example stainless steel.
Der Durchlass weist bevorzugt eine zum Schweißweg korrespondierende Querschnittskontur auf. Weiterhin bevorzugt weist das Spannelement eine Auflagekante auf, mit der es an einer in Strahlungsrichtung oberen Seite des ersten Werkstücks anliegt. Besonders bevorzugt liegt die Auflagekante auf einem Rand des ersten Werkstücks auf. In Abhängigkeit von der Form der Werkstücke und/oder dem Schweißweg sind aber auch andere Anordnungen denkbar.The passage preferably has a cross-sectional contour that corresponds to the welding path. Furthermore, the clamping element preferably has a support edge with which it bears against an upper side of the first workpiece in the direction of radiation. The support edge particularly preferably rests on an edge of the first workpiece. Depending on the shape of the workpieces and/or the welding path, however, other arrangements are also conceivable.
Um die Werkstücke in der Fügevorrichtung zu positionieren, ist es bevorzugt, dass die Fügevorrichtung einen Werkstückhalter umfasst. Der Werkstückhalter ermöglicht das Anordnen der Werkstücke aneinander, so dass das erste Werkstück zumindest teilweise am zweiten Werkstück anliegt. Vorzugsweise sind die Werkstücke in vertikaler Richtung übereinander angeordnet. Dafür weist der Werkstückhalter bevorzugt eine Werkstückaufnahme auf, die zur Aufnahme des zweiten Werkstücks vorgesehen ist. Bei vertikaler Anordnung der beiden Werkstücke ist das erste Werkstück dann auf dem zweiten Werkstück platzierbar. Die Erfindung umfasst aber auch eine Fügevorrichtung, bei der nebeneinander angeordnete Werkstücke oder in einem anderen Winkel zueinander angeordnete Werkstücke miteinander verschweißt werden.In order to position the workpieces in the joining device, it is preferred that the joining device comprises a workpiece holder. The workpiece holder enables the workpieces to be arranged on one another, so that the first workpiece is at least partially in contact with the second workpiece. The workpieces are preferably arranged one above the other in the vertical direction. For this purpose, the workpiece holder preferably has a workpiece holder, which is provided for receiving the second workpiece. If the two workpieces are arranged vertically, the first workpiece can then be placed on the second workpiece. However, the invention also includes a joining device in which workpieces arranged next to one another or workpieces arranged at a different angle to one another are welded to one another.
Zudem ist es bevorzugt, dass der Werkstückhalter Fixierungsmittel zum Fixieren des zweiten Werkstücks aufweist. Vorzugsweise wird das zweite Werkstück in der Grundposition des Spannelementes fixiert. Besonders bevorzugt wird es mit den Fixierungsmitteln gegen ein Verstellen in und gegen eine horizontale Richtung fixiert. Dadurch kann das Spannelement anschließend in die Verstellposition verstellt werden, ohne die Positionierung des zweiten Werkstücks in und gegen die horizontale Richtung dabei zu verändern.In addition, it is preferred that the workpiece holder has fixing means for fixing the second workpiece. The second workpiece is preferably fixed in the basic position of the clamping element. It is particularly preferably fixed with the fixing means against displacement in and against a horizontal direction. As a result, the clamping element can then be moved into the adjustment position without changing the positioning of the second workpiece in and against the horizontal direction.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Werkstückaufnahme verschiebbar oder verstellbar. Oder ebenfalls bevorzugt ist der Träger oder der Werkstückhalter, und mit ihm die Werkstückaufnahme, verschiebbar oder verstellbar. Dadurch kann die Werkstückaufnahme dem Spannelement angenähert werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Spannelement, oder die Spannvorrichtung, und mit ihr das Spannelement, verschiebbar oder verstellbar. Dadurch kann das Spannelement der Werkstückaufnahme angenähert werden, insbesondere heran gefahren werden. Bevorzugt sind die Werkstückaufnahme und/oder das Spannelement in vertikaler Richtung höhenverstellbar. Diese Ausführungsform ist dafür vorgesehen, übereinander angeordnete Werkstücke miteinander zu verschweißen.In a preferred embodiment, the workpiece holder is displaceable or adjustable. Or also preferred is the carrier or the workpiece holder, and with it the workpiece holder, displaceable or adjustable. As a result, the workpiece holder can be brought closer to the clamping element. In a further preferred embodiment, the clamping element or the clamping device, and with it the clamping element, can be displaced or adjusted. As a result, the clamping element can be brought closer to the workpiece holder, in particular it can be moved closer. The workpiece holder and/or the clamping element are preferably height-adjustable in the vertical direction. This embodiment is intended for welding work pieces arranged one on top of the other to one another.
Die Fixierungsmittel sind bevorzugt als Greifer ausgebildet. Vorzugsweise ist zumindest ein Greifer in eine Greifrichtung verstellbar, so dass die Greifer einander annäherbar sind. Besonders bevorzugt sind beide Greifer gegenläufig zueinander verstellbar. Dadurch ist das zweite Werkstück zwischen den Greifern greifbar.The fixing means are preferably designed as grippers. Preferably, at least one gripper is adjustable in a gripping direction, so that the Grei fer are approachable to each other. Both grippers are particularly preferably adjustable in opposite directions to one another. As a result, the second workpiece can be gripped between the grippers.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fixierungsmittel an einem Trägerbauteil des Werkstückhalters angeordnet. Besonders bevorzugt sind sie ortsfest an dem Trägerbauteil angeordnet. Es ist aber ebenfalls eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die Fixierungsmittel gemeinsam verschiebbar oder verstellbar, insbesondere höhenverstellbar, sind. Dadurch ist die Fügevorrichtung an Werkstücke mit verschiedenen Ausmaßen anpassbar.In a preferred embodiment, the fixing means are arranged on a carrier component of the workpiece holder. They are particularly preferably arranged in a stationary manner on the carrier component. However, an embodiment is also preferred in which the fixing means can be moved or adjusted together, in particular the height can be adjusted. As a result, the joining device can be adapted to workpieces with different dimensions.
Der Werkstückhalter ist bevorzugt höhenverstellbar. Dadurch ist er an das Spannelement heran fahrbar, bis das Spannelement an der oberen Seite des ersten Werkstücks anliegt. Es ist aber auch eine Ausführungsform bevorzugt, bei der das Spannelement oder die Spannvorrichtung an den Werkstückhalter heran fahrbar ist.The workpiece holder is preferably adjustable in height. As a result, it can be moved up to the clamping element until the clamping element is in contact with the upper side of the first workpiece. However, an embodiment is also preferred in which the clamping element or the clamping device can be moved up to the workpiece holder.
Zum Verstellen des Spannelementes von der Grundposition in die Verstellposition ist es bevorzugt, dass das Spannelement mit einer Haltekraft beaufschlagt wird. Die Haltekraft drückt das erste Werkstück auf das zweite Werkstück. Weiterhin bevorzugt wird das Spannelement beim Schweißen mit der Vorspannkraft beaufschlagt, die das erste Werkstück auf das zweite Werkstück drückt. Die Vorspannkraft ist bevorzugt größer als die Haltekraft, da diese zum Verdrängen einer beim Schmelzen des zweiten Werkstücks entstehenden Schmelze genutzt wird.To adjust the tensioning element from the basic position to the adjustment position, it is preferable for the tensioning element to be subjected to a holding force. The holding force presses the first workpiece onto the second workpiece. Furthermore, the clamping element is preferably subjected to the prestressing force during welding, which presses the first workpiece onto the second workpiece. The prestressing force is preferably greater than the holding force, since this is used to displace a melt produced when the second workpiece is melted.
Weiterhin bevorzugt umfasst die Spannvorrichtung ein Feststellmittel zum Feststellen des Spannelementes in der Verstellposition. Bevorzugt ist das Feststellmittel ein hydraulisches Feststellmittel. Es ist aber auch ein pneumatisch wirkendes Feststellmittel verwendbar. In dieser Ausführungsform lässt das Feststellmittel neben einem Fixieren des Spannelementes in seiner Verstellposition auch ein verstellbares Feststellen zu, bei dem das Verstellen des Spannelementes noch, insbesondere unter Beaufschlagung einer Kraft, gedämpft möglich ist.Furthermore, the tensioning device preferably comprises a locking means for locking the tensioning element in the adjustment position. The locking means is preferably a hydraulic locking means. However, a pneumatically acting locking means can also be used. In this embodiment, the fixing means not only allows the clamping element to be fixed in its adjustment position, but also an adjustable fixing, in which the adjustment of the clamping element is still possible in a damped manner, in particular when a force is applied.
Besonders bevorzugt umfasst das Spannelement ein erstes Feststellmittel zum Feststellen des ersten Spannrahmens, und/oder ein zweites Feststellmittel zum Feststellen des zweiten Spannrahmens. In dieser Ausführungsform sind die Spannrahmen getrennt voneinander anwendungsspezifisch feststellbar.The clamping element particularly preferably comprises a first fixing means for fixing the first clamping frame and/or a second fixing means for fixing the second clamping frame. In this embodiment, the clamping frames can be fixed separately from one another in an application-specific manner.
Es ist zudem bevorzugt, dass die Fügevorrichtung einen Niederhalter umfasst, mit einem Auflageelement, das im Durchlass angeordnet ist und das erste Werkstück beim Schweißen an das zweite Werkstück drückt. Das Auflageelement weist bevorzugt eine Querschnittskontur auf, die korrespondierend zu der des Durchlasses ausgebildet ist. Um den Energieeintrag in die Werkstücke zu ermöglichen, ist es weiterhin bevorzugt, dass das Auflageelement kleiner als der Durchlass ist, so dass zwischen dem Auflageelement und dem Durchlass ein Spalt für den Energieeintrag verbleibt.It is also preferred that the joining device includes a hold-down device with a support element that is arranged in the passage and presses the first workpiece against the second workpiece during welding. The support element preferably has a cross-sectional contour which is designed to correspond to that of the passage. In order to enable energy to be introduced into the workpieces, it is also preferable for the support element to be smaller than the opening, so that a gap remains between the supporting element and the opening for the energy input.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen eines ersten toleranzbehafteten Werkstücks an ein zweites toleranzbehaftetes Werkstück mittels eines strahlenförmigen Energieeintrags, insbesondere mittels Laser- Durchstrahl- Schweißen, mit einer solchen Fügevorrichtung, mit den Schritten:
- a) Anordnen der Werkstücke aneinander, so dass das erste Werkstück zumindest teilweise am zweiten Werkstück anliegt,
- b) Anordnen des Spannelementes am ersten Werkstück,
- c) Fixieren des zweiten Werkstücks,
- d) Beaufschlagen des Spannelementes mit einer Haltekraft, wobei sich das Spannelement von einer Grundposition in eine Verstellposition verstellt,
- e1) entweder Fixieren des Spannelementes,
- e2) oder verstellbares Feststellen des Spannelementes,
- f) Beaufschlagen des Spannelementes mit einer Vorspannkraft,
- g) Einbringen eines strahlenförmigen Energieeintrags in eine Strahlungsrichtung in die Werkstücke, und
- f) Aushärten der Werkstücke.
- a) arranging the workpieces on one another, so that the first workpiece rests at least partially on the second workpiece,
- b) arranging the clamping element on the first workpiece,
- c) fixing the second workpiece,
- d) subjecting the clamping element to a holding force, with the clamping element moving from a basic position to an adjustment position,
- e1) either fixing the clamping element,
- e2) or adjustable locking of the clamping element,
- f) subjecting the tensioning element to a pretensioning force,
- g) introducing a radiant energy input in a radiation direction into the workpieces, and
- f) hardening of the workpieces.
Durch das Verstellen des Spannelementes von der Grundposition in die Verstellposition wird das erste Werkstück bereits mit der Haltekraft vor dem Schweißen so an das zweite Werkstück gedrückt, dass weniger oder keine Spalte zwischen den Werkstücken bestehen. Dadurch kann eine zu Spalten führende Welligkeit der Fügeflächen der Werkstücke sehr gut ausgeglichen werden. Dann wird das Spannelement, und über das Spannelement das erste Werkstück, mit einer Vorspannkraft beaufschlagt und verschweißt. Das Verfahren ermöglicht ein stoffschlüssiges Verbinden der Werkstücke miteinander über den gesamten Schweißweg.By adjusting the clamping element from the basic position to the adjustment position, the first workpiece is already pressed against the second workpiece with the holding force before welding in such a way that there are fewer or no gaps between the workpieces. As a result, waviness of the joining surfaces of the workpieces, which leads to gaps, can be compensated for very well. Then the clamping element, and via the clamping element the first workpiece, is subjected to a prestressing force and welded. The process enables the workpieces to be bonded together over the entire welding path.
Bei verstellbar festgestelltem Spannelement ist das Spannelement, zumindest unter Beaufschlagung einer Kraft, insbesondere der Vorspannkraft, gedämpft verstellbar. Durch das Abschmelzen eines Schmelzrandes wird das erste Werkstück mit dem Spannelement um den Weg, um den der Schmelzrand sich verformt / verkleinert, in Kraftrichtung verschoben. Dadurch ist eine gleichmäßigere Schweißnaht erzielbar. When the tensioning element is fixed in an adjustable manner, the tensioning element can be adjusted in a damped manner, at least when a force is applied, in particular the pretensioning force. By melting a melting edge, the first workpiece with the Clamping element shifted in the direction of the force by the distance by which the melting edge deforms/reduces. As a result, a more even weld seam can be achieved.
Wenn das Volumen des Schmelzrandes aufgrund von Toleranzen des Werkstücks variiert, variiert der Weg, um den das erste Werkstück dabei verschoben wird, gegebenenfalls bereichsweise. Um dabei Spannungen im ersten Werkstück zu vermeiden, ist es weiterhin bevorzugt, dass das Verstellen des Spannelementes während des Einbringens des Energieeintrags erfasst und die beaufschlagte Vorspannkraft verändert wird. Vorzugsweise wird die Vorspannkraft bei einem starken Verschieben des Spannelementes verringert. Ebenfalls bevorzugt wird die Vorspannkraft bei geringem oder ausbleibendem Verschieben erhöht. Dadurch sind Differenzen im Volumen des Schmelzrandes, insbesondere Differenzen in seiner Breite, ausgleichbar.If the volume of the melting edge varies due to tolerances in the workpiece, the path by which the first workpiece is displaced varies, possibly in certain areas. In order to avoid stresses in the first workpiece, it is also preferred that the adjustment of the clamping element is detected during the introduction of the energy input and the applied prestressing force is changed. The pretensioning force is preferably reduced when the tensioning element is displaced significantly. The pretensioning force is also preferably increased when there is little or no displacement. As a result, differences in the volume of the melting edge, in particular differences in its width, can be compensated for.
Um die Vorspannkraft und/oder das Verstellen des Spannelementes gezielt zu verändern, ist es zudem bevorzugt, dass der Verstellwinkel, insbesondere durch Erfassung des ersten und zweiten Schwenkwinkels, vor dem Fixieren oder verstellbaren Feststellen des Spannelementes erfasst, oder fortlaufend erfasst wird. Mit diesem Verfahren ist eine sehr gleichmäßige Schmelznaht erzielbar.In order to change the pretensioning force and/or the adjustment of the tensioning element in a targeted manner, it is also preferred that the adjustment angle is recorded, in particular by recording the first and second pivot angle, before the fixing or adjustable locking of the tensioning element, or is recorded continuously. With this method, a very even fusion seam can be achieved.
Um Differenzen in der Breite des Schmelzrandes auszugleichen, ist es ebenfalls bevorzugt, dass die Leistung des strahlenförmigen Energieeintrags bereichsweise geregelt wird, insbesondere durch Regelung der Geschwindigkeit, mit der der strahlenförmige Energieeintrag den Schweißweg abfährt.In order to compensate for differences in the width of the melting edge, it is also preferable for the power of the radiant energy input to be regulated in certain areas, in particular by regulating the speed at which the radiant energy input travels the welding path.
Der Energieeintrag wird dabei entlang eines Schweißweges in die Werkstücke eingebracht. Bevorzugt wird der Schweißweg mehrfach abgefahren, vorzugsweise ca. 8 - 15 Mal.The energy input is introduced into the workpieces along a welding path. The welding path is preferably traversed several times, preferably about 8-15 times.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein. Es zeigen
-
1 in (a) - (d) verschiedene Ansichten einer Spannvorrichtung für die Fügevorrichtung, und in (e) und (f) jeweils einen Ausschnitt aus der Fügevorrichtung in verschiedenen Ansichten, -
2 in (a) eine erste Ausführungsform eines Niederhalters für dieFügevorrichtung aus 1 , und in (b) und (c) verschiedene Ansichten einer weiteren Ausführungsform eines Niederhalters für dieFügevorrichtung aus 1 , und -
3 in (a) ein erstes toleranzbehaftetes Werkstück und einen Ausschnitt aus einem zweiten toleranzbehafteten Werkstück, und in (b) die beiden aneinander angefügten toleranzbehafteten Werkstücke aus (a).
-
1 in (a) - (d) different views of a clamping device for the joining device, and in (e) and (f) a section of the joining device in different views, -
2 in (a) shows a first embodiment of a hold-down device for the joiningdevice 1 , and in (b) and (c) different views of a further embodiment of a hold-down device for the joiningdevice 1 , and -
3 in (a) a first workpiece subject to tolerances and a section from a second workpiece subject to tolerances, and in (b) the two workpieces subject to tolerances joined together from (a).
Die Fügevorrichtung 1 ist zum Fügen eines ersten, in einer Strahlungsrichtung 9 eines strahlenförmigen Energieeintrags oberen, toleranzbehafteten Werkstücks 21 an ein zweites, in Strahlungsrichtung 9 unteres toleranzbehaftetes Werkstück 22 mittels des Energieeintrags, vorgesehen (s.
Die Strahlungsquelle ist bevorzugt ein Laser, wobei der strahlenförmige Energieeintrag ein Laserstrahl ist. Dieser wird bevorzugt zum Laser-Durchstrahl- Schweißen verwendet. Die Fügevorrichtung 1 ist aber auch für andere Energieeinträge geeignet, beispielsweise für Ultraschall zum Fügen mittels Ultraschallschweißen. Im Folgenden wird das Einbringen des Energieeintrags als Schweißen bezeichnet.The radiation source is preferably a laser, with the radiant input of energy being a laser beam. This is preferably used for laser transmission welding. However, the joining
Die Spannvorrichtung 12 weist ein Spannelement 123 auf, das zum Beaufschlagen der beiden Werkstücke 21, 22 mit einer Vorspannkraft vorgesehen ist. Die Vorspannkraft wirkt in einer Kraftrichtung 43 (s.
Zum Einstellen der Kraftrichtung 43 ist das Spannelement 123 von einer Grundposition G, in der die Kraftrichtung 43 in einem Grundwinkel 40 zu einer Trägerfläche 4, die die Spannvorrichtung aufspannt, verläuft, in eine Verstellposition V, in der die Kraftrichtung 43 in einem Verstellwinkel 40' zur Trägerfläche 4 verläuft, verstellbar.To set the direction of
Da die Kraftrichtung 43, in der die Vorspannkraft auf die Werkstücke 21, 22 eingebracht wird, einstellbar ist, können Toleranzen der Werkstücke 21, 22, die zu Spalten zwischen den Werkstücken 21, 22 führen, mit der Spannvorrichtung 12 ausgeglichen werden, so dass während des Schweißens keine Spalten zwischen den Werkstücken 21, 22 bestehen.Since the direction of
Die Spannvorrichtung 12 weist dafür einen Rahmenhalter 120 auf, der von einer Montageebene 150 mit Abstandshaltern 124 beabstandet ist. Der Rahmenhalter 120 ist in der Fügevorrichtung 1 ortsfest vorgesehen.For this purpose, the clamping
Im Rahmenhalter 120 ist ein erster Spannrahmen 121 reversibel um eine erste Schwenkachse 41 in eine erste Richtung 410 schwenkbar gelagert. Im ersten Spannrahmen 121 ist zudem ein zweiter Spannrahmen 122 reversibel um eine zweite Schwenkachse 42 in eine zweite Richtung 420 schwenkbar gelagert. Die erste Schwenkachse 41 und die zweite Schwenkachse 42 spannen die Trägerfläche 4 auf. Sie sind hier horizontal angeordnet. Das Spannelement 123 ist im zweiten Schwenkrahmen 122 angeordnet.A
Bei dieser Anordnung ist das Spannelement 123 mit dem ersten Schwenkrahmen 121 um die erste Schwenkachse 41 in und gegen die erste Richtung 410, und mit dem zweiten Schenkrahmen 122 um die zweite Schwenkachse 42 in und gegen die zweite Richtung 420 schwenkbar. Durch Verschwenken des Spannelementes 123 um die erste und/oder die zweite Schwenkachse 41, 42 wird die Kraftrichtung 43 vom Grundwinkel 40 in den Verstellwinkel 40' verstellt. Der erste Spannrahmen ist dabei bevorzugt um einen ersten Schwenkwinkel von etwa 2 - 5°, besonders bevorzugt um etwa 3 - 4°, ganz besonders bevorzugt um etwa 3,4° verschwenkbar. Der zweite Spannrahmen ist dabei bevorzugt um einen zweiten Schwenkwinkel von etwa 3 - 6°, besonders bevorzugt um etwa 4 - 5°, ganz besonders bevorzugt um etwa 4,5° verschwenkbar.In this arrangement, the clamping
Das Spannelement 123 weist eine Auflagekante 127 auf, mit der es beim Schweißen an einer in Strahlungsrichtung 9 oberen Seite des ersten Werkstücks 21 anliegt. Die Auflagekante 127 ist eben ausgebildet. In der Grundposition G ist sie vorzugsweise horizontal angeordnet. Der Grundwinkel 40 beträgt in der Grundposition G dann 90°. In der hier gezeigten Ausführungsform ist die Kraftrichtung 43 in der Grundposition G daher quer zur Trägerfläche 4 und die vom Spannelement 123 aufgespannte fiktive Ebene daher parallel der Trägerfläche 4 angeordnet. The clamping
Die Form der Auflagekante 127 ist hier korrespondierend zum Querschnitt des ersten Werkstücks 21 ausgebildet. Sie liegt beim Schweißen an einem ersten Rand 210 (s.
Bei einem Verschwenken des Spannelementes 123 um die erste Schwenkachse 41 in die erste Richtung 410 wird die Kraftrichtung 43 vom Grundwinkel 40 um den ersten Schwenkwinkel 411 in die erste Richtung 410 in den Verstellwinkel 40' verschwenkt. Die um den Verstellwinkel 40' verschwenkte Kraftrichtung 43' ist mit einem Hochstrich gekennzeichnet. Im Bereich des Spannelementes 123 verläuft die zweite Schwenkachse 42 dann entlang einer fiktiven um den ersten Schwenkwinkel 411 verschwenkten zweiten Schwenkachse 42'. Dies ist mit gestrichelten Linien in der
Dabei wird die Auflagekante 127 parallel der fiktiven zweiten Schwenkachse 42' verschwenkt.Here, the
Bei einem Verschwenken des Spannelementes 123 um die zweite Schwenkachse 42 in die zweite Richtung 420 wird die Kraftrichtung 43 vom Grundwinkel 40 um den zweiten Schwenkwinkel 421 in die zweite Richtung 420 in den Verstellwinkel 40' verschwenkt. Die um den Verstellwinkel 40' verschwenkte Kraftrichtung 43' ist mit einem Hochstrich gekennzeichnet. Im Bereich des Spannelementes 123 verläuft die erste Schwenkachse 41 dann entlang einer fiktiven um den zweiten Schwenkwinkel 421 verschwenkten ersten Schwenkachse 41'. Dies ist mit gestrichelten Linien in der
Dabei wird die Auflagekante 127 parallel der fiktiven ersten Schwenkachse 41' verschwenkt.The
Die
Im Spannelement 123 ist ein Durchlass 125 für den Energieeintrag vorgesehen. Der Durchlass 125 weist eine zum Schweißweg korrespondierende Querschnittskontur auf. Es ist aber auch ein Spannelement 123 verwendbar, dessen Durchlass 125 eine andere Kontur aufweist. Der Durchlass 125 muss aber größer als der Schweißweg sein, und die Auflagekante 127 muss am ersten Werkstück 21 anlegbar sein.A
Um die Spannrahmen 121, 122 in der Verstellposition V zu fixieren, weist die Spannvorrichtung 12 ein erstes Feststellmittel 61 zum Feststellen des ersten Spannrahmens 121, und/oder ein zweites Feststellmittel 62 zum Feststellen des zweiten Spannrahmens 122 auf. Mit den Feststellmitteln 61, 62 sind die Spannrahmen 121, 122 so fixierbar, dass sie sich auch unter Beaufschlagung der Vorspannkraft nicht mehr verstellen. Dafür werden bevorzugt hydraulisch und/oder pneumatisch wirkende Feststellmittel 61, 62 genutzt.In order to fix the clamping frames 121, 122 in the adjustment position V, the clamping
Die Feststellmittel 61, 62 lassen aber auch ein verstellbares Feststellen zu, bei dem das Verstellen des Spannelementes 123 noch, insbesondere unter Beaufschlagung einer Kraft, gedämpft möglich ist.However, the locking means 61, 62 also allow an adjustable locking, in which the adjustment of the
Um bei verstellbar festgestelltem oder nicht festgestelltem Spannelement 123 das Verstellen des Spannelementes 123, insbesondere während des Schweißens, zu erfassen, und/oder die beaufschlagte Vorspannkraft gezielt zu verändern, weist die Spannvorrichtung 12 zudem einen ersten Sensor 51 zum Erfassen des ersten Schwenkwinkels 411 auf, sowie einen zweiten Sensor 52 zum Erfassen eines zweiten Schwenkwinkels 421. Das Verschwenken des Spannelementes 123 ist durch Variation der beaufschlagten Vorspannkraft damit gezielt, insbesondere während des Schweißens, regelbar.In order to detect the adjustment of the
Um die Werkstücke 21, 22 miteinander zu Verschweißen, werden sie zunächst in der Fügevorrichtung 1 angeordnet. Dafür weist die Fügevorrichtung 1 einen Werkstückhalter 13 auf. Der Werkstückhalter 13 ist in den
Der Werkstückhalter 13 ist oberhalb der Montageebene 150 angeordnet. Er umfasst eine reversibel in eine Zugrichtung 91 aus der Fügevorrichtung 1 ausziehbare Trägerplatte 130, an der eine Werkstückaufnahme 131 angeordnet ist. Dafür ist an der Trägerplatte 130 ein Griff 132 als Handhabung für den Bediener vorgesehen.The
Die Werkstückaufnahme 131 ist topfförmig ausgebildet, so dass das zweite Werkstück 22 in einem Innenraum (nicht bezeichnet) der Werkstückaufnahme 131 platzierbar ist. Das erste Werkstück 21 ist an das zweite Werkstück 22 anlegbar.The
Um das zweite Werkstück 22 beim Verschweißen zu fixieren, weist der Werkstückhalter 13 Fixierungsmittel 111, 112 auf. Die Fixierungsmittel 111, 112 sind als Greifer ausgebildet. Sie sind jeweils zum Fixieren des zweiten Werkstücks 22 in eine horizontale Richtung vorgesehen. Dadurch wird das zweite Werkstück 22 bei einem Verschwenken des Spannelementes 123 und/oder des ersten Werkstücks 21, insbesondere beim Verschweißen des ersten mit dem zweiten Werkstück 21, 22, nicht mehr horizontal verstellt. Die Greifer 111, 112 sind dafür reversibel einander annäherbar ausgebildet, beispielsweise in gegensätzliche Richtungen verschiebbar oder verschwenkbar, so dass das zweite Werkstück 22 zwischen den Greifern 111, 112 greifbar ist.In order to fix the
Die Greifer 111, 112 sind hier an einem ortsfesten Trägerbauteil 151 des Werkstückhalters 13 angeordnet. Um die Fügevorrichtung 1 an Werkstücke 21, 22 verschiedener Ausmaße anpassen zu können, ist es ebenfalls bevorzugt, dass die Greifer 111, 112 am Werkstückhalter 13 verschiebbar oder verstellbar, insbesondere höhenverstellbar, sind.The
Bei dem hier gezeigten Werkstückhalter 13 ist die Werkstückaufnahme 131 reversibel gegen die Strahlungsrichtung 9 in eine Heberichtung 93 höhenverstellbar. Dafür umfasst der Werkstückhalter einen, insbesondere elektrisch, servoelektrisch, pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen, Hebemechanismus (nicht gezeigt). Um die Werkstücke 21, 22 an das Spannelement 123 anzulegen, wird der Werkstückhalter 131 in die Heberichtung 93 angehoben, bis die in Strahlungsrichtung 9 obere Seite des ersten Werkstücks 21 am Spannelement 123 anliegt.In the case of the
Bei der dargestellten Fügevorrichtung 1 ist die Strahlungsrichtung 9 die vertikale Richtung von oben. In Abhängigkeit von den Werkstücken 21, 22 ist auch ein Einbringen des Energieeintrags in einem Winkel (nicht gezeigt) größer als 0° zur vertikalen Richtung denkbar.In the joining
Die
Der Niederhalter 14 weist ein Auflageelement 142 auf, das dafür vorgesehen ist, das erste Werkstück 21 beim Verschweißen an das zweite Werkstück 22 anzudrücken. Dies hat sich als vorteilhaft erwiesen, um einem Verformen des ersten Werkstücks 21 während des Schweißens entgegen zu wirken. Im Vergleich zu einer nur durch die Auflagekante 127 gebildeten Spannfläche wird diese durch das Auflageelement 142 vergrößert. Das Auflageelement 142 ist dafür im Durchlass 125 angeordnet, so dass zwischen dem Auflageelement 142 und dem Spannelement 123 ein Spalt 146 für den Energieeintrag verbleibt.The hold-down
Der Niederhalter 14 umfasst einen Niederhalterrahmen 140, der oberhalb des Rahmenhalters 120 angeordnet ist. Der Niederhalterrahmen 140 ist mittels Befestigungsträgern 144 ortsfest in der Fügevorrichtung 1 befestigt. Das Auflageelement 142 ist an einem in eine Druckrichtung 94 verschiebbaren Niederhalterträger 141 angeordnet.The hold-down
Um das erste Werkstück 21 beim Verschweißen mit dem Niederhalter 14 an das zweite Werkstück 22 anzudrücken, sind beidseitig des Niederhalterträgers 141 Kraftmittel 63 angeordnet. Mit den Kraftmitteln 63 ist der Niederhalterträger 141 in Druckrichtung 94 mit einer Kraft beaufschlagbar. Dadurch verschiebt er sich in die Druckrichtung 94. Das Auflageelement ist am Niederhalterträger 141 befestigt, so dass es sich mit ihm in die Druckrichtung 94 verschiebt und das erste Werkstück 21 mit der Kraft an das zweite Werkstück 22 drückt. Die Druckrichtung 94 ist hier die vertikale Richtung nach unten.In order to press the
Das Auflageelement 142 ist an einem Abstandhalter 145 angeordnet, so dass es vom Niederhalterträger 141 beabstandet ist. Damit es sich an das erste Werkstück 21 anlegt, ist es an einem Kugelgelenk (nicht gezeigt) gelagert. Die Form des hier gezeigten Auflageelementes 142 ist korrespondierend zum Querschnitt des Durchlasses 125 und des ersten Werkstücks 21. Aufgrund der flexiblen/ verschwenkbaren Lagerung mittels des Kugelgelenks ist aber auch eine andere Form denkbar.The
Um eine durchgängige Schweißnaht zu erzielen, und den strahlenförmigen Energieeintrag möglichst nicht durch den Niederhalterträger 141 zu behindern, weist der Niederhalterträger 141 der
Die Ausführungsform der
Die
Das erste Werkstück 21 weist einen Auflagerand 210 auf, mit dem es vor dem Verschweißen zumindest teilweise an einem Schmelzrand 220 des zweiten Werkstücks 22 anliegt. Um es leicht am zweiten Werkstück 22 positionieren zu können, ist eine Innenkante 211 vorgesehen, die sich quer zum Auflagerand 210 erstreckt.The
Der Schmelzrand 220 am zweiten Werkstück 22 ist zum Abschmelzen beim Verschweißen vorgesehen. Er wird durch den strahlenförmigen Energieeintrag beim Verschweißen erwärmt, bis er schmilzt. Durch die beim Schweißen auf die Werkstücke 21, 22 wirkende Vorspannkraft wird der Schmelzrand 220 beim Abschmelzen von dem ersten Werkstück 21 verdrängt. Das erste Werkstück 21 verschiebt sich dabei in die Druckrichtung 94, bis der Auflagerand 210 an einem Anlagerand 221 des zweiten Werkstücks 22 anliegt.The
Die Werkstücke 21, 22 weisen Herstellungstoleranzen auf, so dass eine Höhe 212 des Auflagerandes 210, eine Höhe 223 des Schmelzrandes 220 und eine Höhe 222 des Anlagerandes 221, sowie eine Breite (nicht dargestellt) des Schmelzrandes 220 differieren können.The
Um eine durchgängige stoffschlüssige und gleichmäßige Schweißnaht (nicht gezeigt) zu erzielen, wird das zweite Werkstück 22 in der Werkstückaufnahme 131 angeordnet. Dafür wird die Trägerplatte 130 aus der Fügevorrichtung 1 in Zugrichtung 91 ausgezogen und das zweite Werkstück 22 anschließend platziert. Danach wird das erste Werkstück 21 am zweiten Werkstück 22 angeordnet, so dass es mit seinem Auflagerand 210 zumindest teilweise am Schmelzrand 220 anliegt. Die Innenkante 211 erstreckt sich dann in das zweite Werkstück 22 hinein.The
Das Anordnen des ersten und zweiten Werkstücks 21, 22 in die Werkstückaufnahme 131 erfolgt händisch durch einen Bediener. Es ist aber ebenfalls eine Fügevorrichtung 1 bevorzugt, bei der das Ausziehen der Trägerplatte 130 und/oder das Anordnen der Werkstücke 21, 22 automatisiert sind.The first and
Dann wird das Spannelement 123 in der Grundposition G am ersten Werkstück 21 angeordnet. Dafür wird die Trägerplatte 130 in Heberichtung 93 angehoben, bis das Spannelement 123 am ersten Werkstück 21 anliegt. Anschließend wird das zweite Werkstück 22 in seiner Position mit den Fixierungsmitteln 111, 112 fixiert, so dass sich das zweite Werkstück 22 bei Beaufschlagen des Spannelementes 123 mit einer Kraft nicht mehr horizontal verstellt.Then the clamping
Danach wird der Werkstückhalter 13 weiter angehoben, bis das Spannelement 123 mit einer Haltekraft beaufschlagt ist. Die Haltekraft beträgt bevorzugt etwa 100 - 1 000N, besonders bevorzugt etwa 600 - 800N, ganz besonders bevorzugt 650N. Sie drückt das zweite Werkstück 22 an das erste Werkstück 21, und das erste Werkstück 21 an das Spannelement 123. Dabei verstellt sich das Spannelement 123 von der Grundposition G in die Verstellposition V.Thereafter, the
In der hier gezeigten Ausführungsform der Fügevorrichtung 1 wird der Hebemechanismus des Werkstückhalters 13 daher zum Einleiten der Kraft in das Spannelement 123 genutzt. Es sind aber auch andere Ausführungsformen bevorzugt, bei denen beispielsweise die Kraft durch eine separate Kraftquelle (nicht gezeigt) in das Spannelement 123 eingeleitet wird, oder bei denen die Spannvorrichtung 12 zum Werkstückhalter 13 gefahren / abgesenkt wird.In the embodiment of the joining
In der Grundposition G werden der erste Schwenkwinkel 411 mit dem ersten Sensor 51 und der zweite Schwenkwinkel 421 mit dem zweiten Sensor 52 erfasst (Abnullen).In the basic position G, the
Anschließend wird das Spannelement 123 in einer ersten Verfahrensvariante mit den Feststellmitteln 61, 62 fixiert, so dass die Spannrahmen 121, 122 nicht mehr verschwenken können. In einer zweiten Verfahrensvariante wird das Spannelement 123 so festgestellt, dass die Spannrahmen 121, 122 unter Beaufschlagung einer Kraft, insbesondere der Vorspannkraft, zumindest noch schwergängig / gedämpft verschwenkbar sind. Das Feststellen des Spannelementes 123, bei dem die Spannrahmen 121, 122 unter Beaufschlagung der Kraft zumindest noch gedämpft/ schwergängig verschwenkbar sind, ist hier als verstellbares Feststellen bezeichnet.Then, in a first variant of the method, the clamping
Anschließend wird das Spannelement 123 durch Anheben des Werkstückhalters 12 mit der Vorspannkraft beaufschlagt. Die Vorspannkraft ist größer als die Haltekraft, da diese zum Verdrängen des Schmelzrandes 220 genutzt wird. Sie beträgt bevorzugt etwa 100 - 1 000N, besonders bevorzugt etwa 850N.The clamping
Danach wird der strahlenförmige Energieeintrag in die Werkstücke 21, 22 eingebracht. Er durchdringt das erste, in Strahlungsrichtung 9 obere Werkstück 21, mit nur geringfügiger Materialbeeinflussung. Das zweite, in Strahlungsrichtung 9 untere Werkstück 22 wird mit dem strahlenförmigen Energieeintrag erwärmt. Der Energieeintrag wird so eingeleitet, dass er auf den Schmelzrand 220 des zweiten Werkstücks 22 trifft und diesen erwärmt. Der Schweißweg verläuft daher entlang des Schmelzrandes 220. After that, the radiant input of energy is introduced into the
Dieser wird so stark erwärmt, dass er schmilzt. Dabei wird der an ihm anliegende Bereich des ersten Werkstücks 21 ebenfalls erwärmt und schmilzt.This is heated so much that it melts. The area of the
Durch die Vorspannkraft wird das erste Werkstück 21 so stark an das zweite Werkstück 22 angedrückt, dass der Schmelzrand 220 dabei zumindest teilweise verdrängt wird.The
Der strahlenförmige Energieeintrag wird dabei in das zweite Werkstück 22 eingebracht, indem der Schmelzweg etwa 8 - 15 mal, vorzugsweise 10 - 12 Mal, abgefahren wird. Für den strahlenförmigen Energieeintrag wird dabei bevorzugt ein Laser mit einer Leistung von etwa 200 Watt genutzt. Geeignete Laser weisen eine Leistung von etwa 30 - 500 Watt auf.The radiant input of energy is introduced into the
Anschließend wird der strahlenförmige Energieeintrag gestoppt, wobei die Vorspannkraft für eine Nachhaltezeit beibehalten wird, bis die Materialien der Werkstücke 21, 22 ausgehärtet sind. Die Nachhaltezeit beträgt bevorzugt etwa 1s. Da die Materialien beider Werkstücke 21, 22 während des Schweißens schmelzen, verbinden die Werkstücke 21, 22 sich entlang der Schweißnaht stoffschlüssig miteinander.Subsequently, the radiant energy input is stopped, with the prestressing force being maintained for a hold time until the materials of the
Bei der ersten Verfahrensvariante ist die Vorspannkraft während des Verschweißens der Werkstücke 21, 22 konstant. Zudem sind die Spannrahmen 121, 122 in der Verstellposition V festgestellt, so dass sich das erste Werkstück 21 und das Spannelement 123 beim Schweißen nicht mehr verstellen.In the first variant of the method, the prestressing force is constant during the welding of the
Jedoch kann die dabei entstehende Schweißnaht aufgrund von Herstellungstoleranzen, wie beispielsweise eine sich ändernde Höhe 212, 223, 222 des Auflagerandes 210, des Schmelzrandes 220 oder des Anlagerandes 221, oder eine sich ändernde Breite des Schmelzrandes 220, ungleichmäßig dick sein, und/oder der Schmelzrand 220 ist gegebenenfalls nicht vollständig abgeschmolzen / verdrängt.However, due to manufacturing tolerances, such as a changing
Um solche Toleranzen weiter auszugleichen, wird die zweite Verfahrensvariante genutzt. Bei dieser Verfahrensvariante bleiben die Spannrahmen 121, 122 unter Beaufschlagung einer Kraft, insbesondere der Vorspannkraft, noch gedämpft verschwenkbar. Dadurch wird das erste Werkstück 21 bei einem ungleichmäßigen Abschmelzen des Schmelzrandes 220 verstellt / verkippt. Mit ihm verstellt sich das Spannelement 123, so dass die Spannrahmen 121, 122 verschwenken.The second method variant is used to further compensate for such tolerances. In this variant of the method, the clamping frames 121, 122 can still be pivoted in a damped manner when a force is applied, in particular the prestressing force. As a result, the
Die zweite Verfahrensvariante ist mit konstanter Vorspannkraft durchführbar. Allerdings besteht bei bereichsweise verschieden starkem Abschmelzen des Schmelzrandes 220 die Gefahr, dass im ersten Werkstück 21 dabei Spannungen auftreten.The second variant of the method can be carried out with a constant prestressing force. However, if the
Daher wird das Verschwenken der Spannrahmen 121, 122 während des Schweißens in einer dritten Verfahrensvariante jeweils erfasst. Dafür werden die Sensoren 51, 52 genutzt. Sie sind hier als Wegmesssensoren ausgebildet. Verschwenkt das Spannelement 123, wird dies als ein Verschwenken eines der, oder als ein Verschwenken beider Spannrahmen 121, 122 erfasst. Die erfassten Messwerte werde dafür genutzt, die beaufschlagte Vorspannkraft zu regeln.Therefore, the pivoting of the clamping frames 121, 122 during the welding is recorded in a third variant of the method. The
Die beaufschlagte Vorspannkraft wird verändert, indem der Hebemechanismus den Werkstückhalter 13 absenkt oder anhebt. Bei einem starken Verschwenken, beispielsweise aufgrund eines schmalen Schmelzrandes 220, wird die Vorspannkraft verringert, indem der Werkstückhalter 13 gegen die Heberichtung 93 abgesenkt wird. Bei einem schwachen Verschwenken, beispielsweise aufgrund eines breiten Schmelzrandes 220, wird die Vorspannkraft erhöht, indem der Werkstückhalter 13 in die Heberichtung 93 angehoben wird.The biasing force applied is changed by the lifting mechanism lowering or raising the
Die dritte Verfahrensvariante sieht daher eine bewusste Regelung der Vorspannkraft in Abhängigkeit von den Schwenkwinkeln 411, 421 der Spannrahmen 121, 122 vor. Dadurch wird ein Verziehen des ersten Werkstücks 21 beim Schweißen verringert oder sogar vermieden. Zudem ist die Schweißnaht sehr gleichmäßig.The third variant of the method therefore provides for a deliberate regulation of the prestressing force as a function of the pivoting angles 411, 421 of the clamping frames 121, 122. This reduces or even avoids distortion of the
Die Spannvorrichtung 12 ermöglicht ein Verstellen / Verschwenken des ersten Werkstücks 21, so dass es trotz Herstellungstoleranzen besser am zweiten Werkstück 22 anliegt. Die Werkstücke 21, 22 können dann in einer ersten Verfahrensvariante mit derselben Vorspannkraft über den gesamten Schweißweg verschweißt werden.The clamping
Um Spalte zwischen den Werkstücken 21, 22 noch weiter zu verringern oder zu vermeiden, und um eine noch weiter verbesserte Schweißnaht zu erzielen, ermöglicht die Fügevorrichtung 1 zudem ein Verstellen des Spannelementes 123 während des Schweißens. In dieser zweiten Verfahrensvariante ist ein Verschwenken des ersten Werkstücks 21 auch während des Schweißens möglich.In order to further reduce or avoid gaps between the
Um ein Verziehen des ersten Werkstücks 21 beim Verschweißen zu vermeiden, ermöglicht die Fügevorrichtung 1 zudem, dass die Vorspannkraft bei während des Schweißens verstellbarem Spannelement 123 während des Schweißens gezielt verändert wird. In dieser dritten Verfahrensvariante werden vor allem Differenzen im Volumen des zum Aufschmelzen vorgesehenen Schmelzrandes 220, insbesondere Differenzen in der Breite des Schmelzrandes 220, ausgeglichen. Bei breitem Schmelzrand 220 kann dann eine größere Vorspannkraft genutzt werden, als bei einem schmalen Schmelzrand 220. Dadurch ist auch bei stark variierendem Schmelzrand 220 eine gleichmäßige Schweißnaht erzielbar.In order to avoid distortion of the
Alternativ oder zusätzlich wird die Leistung des strahlenförmigen Energieeintrags bereichsweise geregelt, beispielsweise indem die Geschwindigkeit, mit der der strahlenförmige Energieeintrag den Schweißweg abfährt, ortsabhängig geregelt wird. Auch dadurch können Differenzen in der Breite des Schmelzrandes 220 ausgeglichen, und eine gleichmäßige Schweißnaht erzielt werden.As an alternative or in addition, the power of the radiant energy input is regulated area by area, for example by the speed at which the radial energy input travels the welding path being locally controlled. This also allows differences in the width of the
Die dargestellte Fügevorrichtung 1 ist zum Fügen zweier übereinander angeordneter Werkstücke 21, 22 ausgebildet. Die Erfindung umfasst aber auch eine Fügevorrichtung 1 mit anders zueinander angeordneten Werkstücken 21, 22, bei der diese in einem Winkel größer als 0° zur vertikalen Richtung, insbesondere nebeneinander, angeordnet sind. Die Anordnung der Spannvorrichtung 12, des Werkstückhalters 13 und/oder der Strahlungsquelle sind dann dementsprechend angepasst.The joining
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