DE102014212837B4 - Joining device and method for joining workpieces subject to tolerances - Google Patents

Joining device and method for joining workpieces subject to tolerances Download PDF

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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 EP 1 060 837 B1 eine Durchstrahl- Laser- Schweißeinrichtung, in die die Werkstücke eingespannt und an ihren Fügeflächen aneinander gedrückt werden. Bei dieser Schweißeinrichtung werden die Werkstücke zwischen zwei parallel zueinander angeordnete Spannbacken eingespannt.In order to avoid such gaps, the reference discloses EP 1 060 837 B1 a transmission laser welding device, in which the workpieces are clamped and pressed together at their joining surfaces. With this welding device, the workpieces are clamped between two clamping jaws arranged parallel to one another.

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 DE 10 2009 053 863 A1 zeigt eine Positioniereinrichtung für ein Handschweißgerät mit einer Andruckblende und einem Positionierring.The DE 10 2009 053 863 A1 shows a positioning device for a manual welding device with a pressure plate and a positioning ring.

Die DE 20 2008 006 180 U1 zeigt eine Laservorrichtung zum Verbinden von Werkstücken aus Kunststoff in Druckstrahltechnik mit einer Fokussiereinrichtung für den Laserstrahl.The DE 20 2008 006 180 U1 shows a laser device for joining plastic workpieces using pressure blasting technology with a focusing device for the laser beam.

Die EP 1 306 196 A1 zeigt eine Haltevorrichtung zum Gegeneinanderdrücken von zwei Werkstücken, wobei die Werkstücke zum Verschweißen mit Laserlicht gegeneinander gepresst werden sollen.The EP 1 306 196 A1 shows a holding device for pressing two workpieces against one another, the workpieces being intended to be pressed against one another for welding with laser light.

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 patent claim 1 and a method having the features of patent claim 11. Advantageous embodiments are described in the independent claims.

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.
The object is also achieved with a method for the integral joining of a first workpiece subject to tolerances to a second workpiece subject to tolerances by means of a radial energy input, in particular by means of laser transmission welding, with such a joining device, with the steps:
  • 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 die Fügevorrichtung aus 1, und in (b) und (c) verschiedene Ansichten einer weiteren Ausführungsform eines Niederhalters für die Fügevorrichtung 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).
The invention is described below with reference to figures. The figures are merely exemplary and do not limit the general inventive concept. Show it
  • 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 joining device 1 , and in (b) and (c) different views of a further embodiment of a hold-down device for the joining device 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).

1 zeigt in (a) eine perspektivische Ansicht einer Spannvorrichtung 12 für eine erfindungsgemäße Fügevorrichtung 1, die 1 (b) und (c) jeweils Schnittansichten, und die 1 (d) eine Draufsicht der Spannvorrichtung 12 aus 1 (a). 1 shows in (a) a perspective view of a clamping device 12 for a joining device 1 according to the invention, the 1 (b) and (c) sectional views, respectively, and the 1 (d) a plan view of the clamping device 12 from 1 (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. 3). Dafür umfasst sie eine Spannvorrichtung 12 sowie einen Werkstückhalter 13. Zudem umfasst sie eine Strahlungsquelle zum Erzeugen des strahlenförmigen Energieeintrags (nicht gezeigt).The joining device 1 is provided for joining a first workpiece 21, which is subject to tolerances and is at the top in a radiation direction 9 of a radiant input of energy, to a second workpiece 22, which is subject to tolerances and is below in the radiation direction 9, by means of the energy input (see Fig. 3 ). For this purpose, it includes a clamping device 12 and a workpiece holder 13. It also includes a radiation source for generating the radiant energy input (not shown).

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 device 1 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.

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. 1 (b) und (c)) auf die Werkstücke 21, 22. Die Kraftrichtung 43 ist mit dem Spannelement 12 einstellbar. Sie ist in einer Normalenrichtung quer zu einer vom Spannelement 123 aufgespannten fiktiven Ebene (nicht gezeigt) ausgerichtet.The clamping device 12 has a clamping element 123 which is provided for applying a prestressing force to the two workpieces 21, 22. The prestressing force acts in a force direction 43 (see 1 (b) and (c)) on the workpieces 21, 22. The direction of force 43 can be adjusted with the clamping element 12. It is aligned in a normal direction transverse to a notional plane (not shown) spanned by the clamping element 123 .

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 force 43, the clamping element 123 is moved from a basic position G, in which the direction of force 43 runs at a basic angle 40 to a support surface 4, which clamps the clamping device, into an adjustment position V, in which the direction of force 43 runs at an adjustment angle 40'. runs to the support surface 4, adjustable.

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 force 43, in which the prestressing force is applied to the workpieces 21, 22, can be adjusted, tolerances in the workpieces 21, 22 that lead to gaps between the workpieces 21, 22 can be compensated for with the clamping device 12, so that during there are no gaps between the workpieces 21, 22 during welding.

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 device 12 has a frame holder 120 which is spaced apart from a mounting plane 150 by spacers 124 . The Frame holder 120 is provided in a stationary manner in the joining device 1 .

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 first clamping frame 121 is mounted in the frame holder 120 so that it can be pivoted reversibly about a first pivot axis 41 in a first direction 410 . In addition, a second clamping frame 122 is mounted reversibly in the first clamping frame 121 so that it can pivot in a second direction 420 about a second pivot axis 42 . The first pivot axis 41 and the second pivot axis 42 span the support surface 4 . They are arranged horizontally here. The clamping element 123 is arranged in the second swing frame 122 .

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 element 123 can be pivoted with the first pivot frame 121 about the first pivot axis 41 in and against the first direction 410, and with the second pivot frame 122 about the second pivot axis 42 in and against the second direction 420. By pivoting the tensioning element 123 about the first and/or the second pivot axis 41, 42, the direction of force 43 is adjusted from the basic angle 40 to the adjustment angle 40'. The first clamping frame can preferably be pivoted by a first pivoting angle of about 2-5°, particularly preferably by about 3-4°, very particularly preferably by about 3.4°. The second clamping frame can preferably be pivoted by a second pivoting angle of about 3-6°, particularly preferably by about 4-5°, very particularly preferably by about 4.5°.

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 element 123 has a support edge 127 with which it bears against an upper side of the first workpiece 21 in the radiation direction 9 during welding. The support edge 127 is flat. In the basic position G it is preferably arranged horizontally. The basic angle 40 is then 90° in the basic position G. In the embodiment shown here, the direction of force 43 in the basic position G is therefore arranged transversely to the carrier surface 4 and the imaginary plane spanned by the tensioning element 123 is therefore arranged parallel to the carrier surface 4 .

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. 3) des ersten Werkstücks 21 an. In Abhängigkeit vom Verlauf des Schweißweges ist aber auch eine andere Kontur der Auflagekante 127 möglich.The shape of the support edge 127 is designed here to correspond to the cross section of the first workpiece 21 . During welding, it lies at a first edge 210 (see Fig. 3 ) of the first workpiece 21. Depending on the course of the welding path, however, a different contour of the bearing edge 127 is also possible.

1 (b) zeigt einen Schnitt durch die Spannvorrichtung 12 entlang der zweiten Schwenkachse 42 in der Grundposition G. 1 (b) shows a section through the clamping device 12 along the second pivot axis 42 in the basic position G.

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 1 (b) dargestellt.When the clamping element 123 is pivoted about the first pivot axis 41 in the first direction 410, the force direction 43 is pivoted from the base angle 40 by the first pivot angle 411 in the first direction 410 into the adjustment angle 40'. The direction of force 43' pivoted about the adjustment angle 40' is marked with a prime. In the region of the clamping element 123, the second pivot axis 42 then runs along an imaginary second pivot axis 42' pivoted by the first pivot angle 411. This is with dashed lines in the 1 (b) shown.

Dabei wird die Auflagekante 127 parallel der fiktiven zweiten Schwenkachse 42' verschwenkt.Here, the support edge 127 is pivoted parallel to the imaginary second pivot axis 42'.

1 (c) zeigt einen Schnitt durch die Spannvorrichtung 12 entlang der ersten Schwenkachse 42 in der Grundposition G. 1(c) shows a section through the clamping device 12 along the first pivot axis 42 in the basic position G.

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 1 (c) dargestellt.When the clamping element 123 is pivoted about the second pivot axis 42 in the second direction 420, the force direction 43 is pivoted from the base angle 40 by the second pivot angle 421 in the second direction 420 into the adjustment angle 40'. The direction of force 43' pivoted about the adjustment angle 40' is marked with a prime. In the region of the clamping element 123, the first pivot axis 41 then runs along an imaginary first pivot axis 41' pivoted by the second pivot angle 421. This is with dashed lines in the 1(c) shown.

Dabei wird die Auflagekante 127 parallel der fiktiven ersten Schwenkachse 41' verschwenkt.The support edge 127 is pivoted parallel to the imaginary first pivot axis 41'.

Die 1 (b) und (c) zeigen jeweils nur das Verschwenken des Spannelementes 123 um eine der beiden Schwenkachsen 41, 42. Das Spannelement 123 ist aber auch gleichzeitig um beide Schwenkachsen 41, 42 verschwenkbar.The 1 (b) and (c) only show the pivoting of the tensioning element 123 about one of the two pivot axes 41, 42. However, the tensioning element 123 can also be pivoted about both pivot axes 41, 42 at the same time.

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 passage 125 for the introduction of energy is provided in the tensioning element 123 . The passage 125 has a cross-sectional contour corresponding to the welding path. However, a clamping element 123 can also be used, the passage 125 of which has a different contour. However, the passage 125 must be larger than the welding path, and the bearing edge 127 must be able to be placed against the first workpiece 21 .

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 device 12 has a first fixing means 61 for fixing the first clamping frame 121 and/or a second fixing means 62 for fixing the second clamping frame 122. The clamping frames 121, 122 can be fixed with the locking means 61, 62 in such a way that they no longer move even when the prestressing force is applied. For this are preferred hydraulically and/or pneumatically acting locking means 61, 62 are used.

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 tensioning element 123 is still possible in a damped manner, in particular when a force is applied.

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 clamping element 123, in particular during welding, and/or to specifically change the applied preload force when the clamping element 123 is fixed or not fixed, the clamping device 12 also has a first sensor 51 for detecting the first swivel angle 411. and a second sensor 52 for detecting a second pivoting angle 421. The pivoting of the clamping element 123 can be controlled in a targeted manner by varying the prestressing force applied, in particular during welding.

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 1 (e) und (f) gezeigt. Die 1 (e) zeigt die Fügevorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht von schräg unten. Dadurch ist das Spannelement 123 von unten erkennbar. Die 1 (f) zeigt die Fügevorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben.In order to weld the workpieces 21, 22 to one another, they are first arranged in the joining device 1. The joining device 1 has a workpiece holder 13 for this purpose. The workpiece holder 13 is in the 1 (e) and (f) shown. The 1 (e) shows the joining device 1 in a perspective view obliquely from below. As a result, the clamping element 123 can be seen from below. The 1 (f) shows the joining device 1 in a perspective view obliquely from above.

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 workpiece holder 13 is arranged above the assembly level 150 . It comprises a carrier plate 130 which can be pulled out of the joining device 1 in a reversible manner in a pulling direction 91 and on which a workpiece holder 131 is arranged. For this purpose, a handle 132 is provided on the support plate 130 as a handle for the operator.

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 workpiece holder 131 is pot-shaped, so that the second workpiece 22 can be placed in an interior (not labeled) of the workpiece holder 131 . The first workpiece 21 can be placed against the second workpiece 22 .

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 second workpiece 22 during welding, the workpiece holder 13 has fixing means 111, 112. The fixing means 111, 112 are designed as grippers. They are each provided for fixing the second workpiece 22 in a horizontal direction. As a result, the second workpiece 22 is no longer horizontally adjusted when the clamping element 123 and/or the first workpiece 21 is pivoted, in particular when the first workpiece 21, 22 is welded to the second. For this purpose, the grippers 111, 112 are designed to be reversibly approachable to one another, for example displaceable or pivotable in opposite directions, so that the second workpiece 22 can be gripped between the grippers 111, 112.

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 grippers 111, 112 are arranged here on a stationary support component 151 of the workpiece holder 13. In order to be able to adapt the joining device 1 to workpieces 21, 22 of different dimensions, it is also preferred that the grippers 111, 112 on the workpiece holder 13 are displaceable or adjustable, in particular adjustable in height.

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 workpiece holder 13 shown here, the workpiece holder 131 can be reversibly adjusted in height against the radiation direction 9 in a lifting direction 93 . For this purpose, the workpiece holder comprises a lifting mechanism (not shown) that is driven in particular electrically, servo-electrically, pneumatically or hydraulically. In order to place the workpieces 21 , 22 against the clamping element 123 , the workpiece holder 131 is raised in the lifting direction 93 until the upper side of the first workpiece 21 in the radiation direction 9 rests against the clamping element 123 .

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 device 1 shown, the radiation direction 9 is the vertical direction from above. Depending on the workpieces 21, 22, introducing the energy input at an angle (not shown) greater than 0° to the vertical direction is also conceivable.

Die 2 (a) zeigt einen Niederhalter 14 für die Fügevorrichtung 1 der 1 in einer Draufsicht, die 2 (b) den an die Spannvorrichtung 12 der 1 (a) angeordneten Niederhalter 14 der 2 (a), und die 2 (c) einen weitere Ausführungsform eines Niederhalters 14. Der Niederhalter 14 ist optional an die Spannvorrichtung 12 anordbar.The 2 (a) shows a hold-down device 14 for the joining device 1 of FIG 1 in a top view, the 2 B) to the clamping device 12 of 1 (a) arranged hold-down device 14 of 2 (a) , and the 2(c) a further embodiment of a hold-down device 14. The hold-down device 14 can optionally be arranged on the clamping device 12.

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 device 14 has a support element 142 which is provided for pressing the first workpiece 21 against the second workpiece 22 during welding. This has proven to be advantageous in order to counteract a deformation of the first workpiece 21 during welding. In comparison to a clamping surface formed only by the bearing edge 127, this is enlarged by the bearing element 142. For this purpose, the support element 142 is arranged in the passage 125 so that a gap 146 remains between the support element 142 and the tensioning element 123 for the energy input.

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 device 14 includes a hold-down frame 140 which is arranged above the frame holder 120 . The hold-down frame 140 is fixed in place in the joining device 1 by means of fastening supports 144 . The support member 142 is arranged on a hold-down carrier 141 that can be displaced in a printing direction 94 .

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 first workpiece 21 onto the second workpiece 22 during welding with the hold-down device 14 , force means 63 are arranged on both sides of the hold-down device carrier 141 . A force can be applied to the hold-down support 141 in the pressure direction 94 by means of the force means 63 . As a result, it is displaced in the pressure direction 94. The support element is fastened to the hold-down support 141 so that it is displaced with it in the pressure direction 94 and presses the first workpiece 21 against the second workpiece 22 with the force. The direction of pressure 94 here is the vertical downward direction.

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 support element 142 is arranged on a spacer 145 so that it is spaced apart from the hold-down support 141 . So that it rests against the first workpiece 21, it is mounted on a ball joint (not shown). The shape of the support element 142 shown here corresponds to the cross section of the passage 125 and the first workpiece 21. Due to the flexible/pivotable mounting by means of the ball joint, however, another shape is also conceivable.

Um eine durchgängige Schweißnaht zu erzielen, und den strahlenförmigen Energieeintrag möglichst nicht durch den Niederhalterträger 141 zu behindern, weist der Niederhalterträger 141 der 2 (a) und (b) beidseitig des Auflageelementes 142 jeweils oberhalb des Spaltes 146 eine Ausnehmung 147 auf. Die Ausnehmungen 147 sind so groß, dass der Niederhalterträger 141 im Bereich der Ausnehmungen 147 jeweils nur durch zwei dünne Verbindungsstege 143 gebildet ist. Die beiden Verbindungsstege 143 stellen eine ausreichende Stabilität des Niederhalterträgers 141 sicher. Zudem wird der strahlenförmige Energieeintrag durch sie nur geringfügig verdeckt.In order to achieve a continuous weld seam and, if possible, not to impede the radial energy input through the hold-down carrier 141, the hold-down carrier 141 of 2 (a) and (b) a recess 147 on each side of the support element 142 above the gap 146 . The recesses 147 are so large that the hold-down support 141 is only formed by two thin connecting webs 143 in the region of the recesses 147 . The two connecting webs 143 ensure sufficient stability of the hold-down support 141 . In addition, the radial energy input is only slightly covered by them.

Die Ausführungsform der 2 (c) zeigt einen Niederhalter 14 mit einem Niederhalterträger141, der sich jeweils oberhalb des Spaltes 146 zu einem dünnen Verbindungssteg 143 verjüngt. Bei dieser Ausführungsform ist der strahlenförmige Energieeintrag daher noch weniger verdeckt.The embodiment of 2(c) shows a hold-down device 14 with a hold-down device support 141, which tapers to form a thin connecting web 143 above the gap 146 in each case. In this embodiment, the radiant input of energy is therefore even less covered.

Die 3 zeigt in (a) eine Ausführungsform eines ersten Werkstücks 21 und eines zweiten Werkstücks 22 in einer explosionsartigen Ansicht. Das erste Werkstück 21 ist hier ein Deckel, das zweite Werkstück 22 ein Oberteil einer Wasserpumpe 2. Die Wasserpumpe 2 mit am Oberteil 22 angeschweißtem Deckel 21 zeigt die 3 (b).The 3 shows in (a) an embodiment of a first workpiece 21 and a second workpiece 22 in an exploded view. The first workpiece 21 is a cover here, the second workpiece 22 is an upper part of a water pump 2. The water pump 2 with the cover 21 welded to the upper part 22 shows the 3 (b) .

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 first workpiece 21 has a bearing edge 210 with which it rests at least partially against a melting edge 220 of the second workpiece 22 before welding. In order to be able to position it easily on the second workpiece 22, an inner edge 211 is provided, which extends transversely to the supporting edge 210.

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 melting edge 220 on the second workpiece 22 is intended to be melted off during welding. It is heated by the radial energy input during welding until it melts. Due to the prestressing force acting on the workpieces 21, 22 during welding, the melting edge 220 is displaced from the first workpiece 21 as it melts. The first workpiece 21 is displaced in the direction of pressure 94 until the bearing edge 210 is in contact with a bearing edge 221 of the second workpiece 22 .

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 workpieces 21, 22 have manufacturing tolerances, so that a height 212 of the supporting edge 210, a height 223 of the melting edge 220 and a height 222 of the contact edge 221, and a width (not shown) of the melting edge 220 can differ.

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 second workpiece 22 is arranged in the workpiece holder 131 in order to achieve a continuous, cohesive and uniform weld seam (not shown). For this purpose, the carrier plate 130 is pulled out of the joining device 1 in the pulling direction 91 and the second workpiece 22 is then placed. The first workpiece 21 is then arranged on the second workpiece 22 so that its bearing edge 210 rests at least partially on the melting edge 220 . The inner edge 211 then extends into the second workpiece 22 .

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 second workpieces 21, 22 are arranged in the workpiece holder 131 manually by an operator. However, a joining device 1 is also preferred in which the extraction of the carrier plate 130 and/or the arrangement of the workpieces 21, 22 are automated.

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 element 123 is arranged in the basic position G on the first workpiece 21 . For this purpose, the carrier plate 130 is raised in the lifting direction 93 until the clamping element 123 is in contact with the first workpiece 21 . The second workpiece 22 is then fixed in its position with the fixing means 111, 112, so that the second workpiece 22 no longer moves horizontally when the clamping element 123 is subjected to a force.

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 workpiece holder 13 is raised further until the clamping element 123 is subjected to a holding force. The holding force is preferably about 100-1000N, particularly preferably about 600-800N, very particularly preferably 650N. It presses the second workpiece 22 against the first work piece 21, and the first workpiece 21 to the clamping element 123. The clamping element 123 moves from the basic position G to the adjustment position V.

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 device 1 shown here, the lifting mechanism of the workpiece holder 13 is therefore used to introduce the force into the clamping element 123 . However, other embodiments are also preferred in which, for example, the force is introduced into the clamping element 123 by a separate power source (not shown), or in which the clamping device 12 is moved/lowered to the workpiece holder 13 .

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 first pivoting angle 411 is detected by the first sensor 51 and the second pivoting angle 421 is detected by the second sensor 52 (zeroing).

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 element 123 is fixed with the locking means 61, 62, so that the clamping frames 121, 122 can no longer pivot. In a second variant of the method, the clamping element 123 is fixed in such a way that the clamping frames 121, 122 can be pivoted at least in a stiff/damped manner when a force is applied, in particular the prestressing force. The fixing of the clamping element 123, in which the clamping frames 121, 122 can be pivoted at least dampened/sluggishly when the force is applied, is referred to here as adjustable fixing.

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 element 123 is then subjected to the prestressing force by lifting the workpiece holder 12 . The prestressing force is greater than the holding force, since this is used to displace the melting edge 220. It is preferably about 100-1000N, particularly preferably about 850N.

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 workpieces 21, 22. It penetrates the first workpiece 21, which is the upper one in the direction of radiation 9, with only a slight effect on the material. The second workpiece 22, which is the lower one in the radiation direction 9, is heated with the radiant input of energy. The energy input is introduced in such a way that it hits the melting edge 220 of the second workpiece 22 and heats it. The weld path therefore runs along the melting edge 220.

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 first workpiece 21 lying against it is also heated and melts.

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 first workpiece 21 is pressed against the second workpiece 22 so strongly by the prestressing force that the melting edge 220 is at least partially displaced.

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 second workpiece 22 by following the melting path approximately 8-15 times, preferably 10-12 times. A laser with a power of about 200 watts is preferably used for the radiant energy input. Suitable lasers have an output of about 30-500 watts.

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 workpieces 21, 22 have hardened. The retention time is preferably about 1 s. Since the materials of both workpieces 21, 22 melt during the welding, the workpieces 21, 22 are bonded to one another along the weld seam.

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 workpieces 21, 22. In addition, the clamping frames 121, 122 are fixed in the adjustment position V, so that the first workpiece 21 and the clamping element 123 can no longer be adjusted during welding.

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 height 212, 223, 222 of the supporting edge 210, the melting edge 220 or the contact edge 221, or a changing width of the melting edge 220, the resulting weld seam can be unevenly thick, and/or the Melting edge 220 may not have completely melted off/displaced.

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 first workpiece 21 is misaligned/tilted if the melting edge 220 melts unevenly. The clamping element 123 is adjusted with it, so that the clamping frames 121, 122 pivot.

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 melting edge 220 melts to different extents in some areas, there is a risk that stresses will occur in the first workpiece 21 .

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 sensors 51, 52 are used for this. They are designed here as distance sensors. If the clamping element 123 pivots, this is detected as a pivoting of one of the clamping frames 121, 122 or as a pivoting of both. The measured values recorded are used to regulate the applied preload force.

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 workpiece holder 13 . In the event of strong pivoting, for example due to a narrow melting edge 220, the prestressing force is reduced by the workpiece holder 13 being lowered against the lifting direction 93. In the event of slight pivoting, for example due to a wide melting edge 220, the prestressing force is increased by the workpiece holder 13 being raised in the lifting direction 93.

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 first workpiece 21 during welding. In addition, the weld seam is very even.

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 device 12 enables the first workpiece 21 to be adjusted/pivoted, so that it rests better against the second workpiece 22 despite manufacturing tolerances. In a first variant of the method, the workpieces 21, 22 can then be welded with the same prestressing force over the entire welding path.

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 workpieces 21, 22 and to achieve an even further improved weld seam, the joining device 1 also allows the clamping element 123 to be adjusted during welding. In this second variant of the method, pivoting of the first workpiece 21 is also possible during the welding.

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 first workpiece 21 during welding, the joining device 1 also makes it possible for the prestressing force to be changed in a targeted manner during the welding with a clamping element 123 that can be adjusted during the welding. In this third variant of the method, differences in the volume of the melting edge 220 provided for melting, in particular differences in the width of the melting edge 220, are compensated for. With a wide melting edge 220, a greater prestressing force can then be used than with a narrow melting edge 220. As a result, a uniform weld seam can be achieved even with a greatly varying melting edge 220.

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 melting edge 220 to be compensated for and a uniform weld seam to be achieved.

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 device 1 shown is designed for joining two workpieces 21, 22 arranged one above the other. However, the invention also includes a joining device 1 with workpieces 21, 22 arranged differently to one another, in which these are arranged at an angle greater than 0° to the vertical direction, in particular next to one another. The arrangement of the clamping device 12, the workpiece holder 13 and/or the radiation source are then adapted accordingly.

Claims (12)

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, die eine Trägerfläche (4) aufspannt, und ein Spannelement (123) zum Beaufschlagen der Werkstücke (21, 22) mit einer Vorspannkraft in eine Kraftrichtung (43) auf die Werkstücke (21, 22) aufweist, wobei das 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, dass die 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 subjecting the workpieces (21, 22) to a prestressing force in a force direction (43) on the workpieces (21, 22), wherein the clamping element (123) from a basic position (G), in which the force direction (43) runs at a basic angle (40) to the support surface (4), into an adjustment position (V), in which the direction of force (43) at an adjustment angle (40') to the support surface (4), the clamping device (12) comprises a first clamping frame (121) which can be rotated about a first pivot axis (41) in the first direction (410) can be pivoted, 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 pivoting angle (421) of the second clamping frame (122) about the second pivot axis (42). Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwenkachse (41) und/oder die zweite Schwenkachse (42) die Trägerfläche (4) aufspannen.Joining device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first pivot axis (41) and/or the second pivot axis (42) span the carrier surface (4). Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (123) im zweiten Spannahmen (122) angeordnet ist.Joining device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the clamping element (123) is arranged in the second clamping seat (122). Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spannrahmen (122) um die zweite Schwenkachse (42) schwenkbar im ersten Spannrahmen (121), und der erste Spannrahmen (121) um die erste Schwenkachse (41) schwenkbar in einem ortsfesten Rahmenhalter (120) gelagert sind.Joining device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the second clamping frame (122) can be pivoted about the second pivot axis (42) in the first clamping frame (121), and the first clamping frame (121) can be pivoted about the first pivot axis (41). are mounted in a stationary frame holder (120). Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein erstes Feststellmittel (61) zum Feststellen des ersten Spannrahmens (121), und/oder ein zweites Feststellmittel (62) zum Feststellen des zweiten Spannrahmens (122) umfasst.Joining device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a first fixing means (61) for fixing the first clamping frame (121) and/or a second fixing means (62) for fixing the second clamping frame (122). Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (123) eine Auflagekante (127) aufweist, die an einer in Strahlungsrichtung (9) oberen Seite des ersten Werkstücks (21) anliegt.Joining device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the clamping element (123) has a bearing edge (127) which bears against an upper side of the first workpiece (21) in the radiation direction (9). Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (123) einen Durchlass (125) für den Energieeintrag umfasst.Joining device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the clamping element (123) comprises a passage (125) for the introduction of energy. Fügevorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Niederhalter (14) umfasst, mit einem Auflageelement (142), das im Durchlass (125) angeordnet ist und das erste Werkstück (21) beim Schweißen an das zweite Werkstück (22) drückt.Joining device (1) after claim 7 , characterized in that it comprises a holding-down device (14) with a bearing element (142) which is arranged in the passage (125) and presses the first workpiece (21) against the second workpiece (22) during welding. Fügevorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Werkstückhalter (13) zum Positionieren der Werkstücke (21, 22) in der Fügevorrichtung (1) umfasst, mit einer Werkstückaufnahme (131) zur Aufnahme des zweiten Werkstücks (22), und mit Fixierungsmitteln (111, 112) zum Fixieren des zweiten Werkstücks (22).Joining device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a workpiece holder (13) for positioning the workpieces (21, 22) in the joining device (1), with a workpiece holder (131) for receiving the second workpiece (22 ), and with fixing means (111, 112) for fixing the second workpiece (22). Fügevorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückaufnahme (131) höhenverstellbar ist.Joining device (1) after claim 9 , characterized in that the workpiece holder (131) is adjustable in height. Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen eines ersten toleranzbehafteten Werkstücks (21) an ein zweites toleranzbehaftetes Werkstück (22) mittels eines strahlenförmigen Energieeintrags, insbesondere mittels Laser-Durchstrahl- Schweißen, mit einer Fügevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, mit den Schritten: a) Anordnen der Werkstücke (21, 22) aneinander, so dass das erste Werkstück (21) zumindest teilweise am zweiten Werkstück (22) anliegt, b) Anordnen eines Spannelementes (123) in einer Grundposition (G) am ersten Werkstück (21), c) Fixieren des zweiten Werkstücks (22), d) Beaufschlagen des Spannelementes (123) mit einer Haltekraft, wobei sich das Spannelement (123) von der Grundposition (G) in eine Verstellposition (V) verstellt, e1) entweder Fixieren des Spannelementes (123), e2) oder verstellbares Feststellen des Spannelementes (123), f) Beaufschlagen des Spannelementes (123) mit einer Vorspannkraft, g) Einbringen eines strahlenförmigen Energieeintrags in eine Strahlungsrichtung (9) in die Werkstücke (21, 22), und f) Aushärten der Werkstücke (21, 22).Method for the integral joining of a first workpiece (21) subject to tolerances to a second workpiece (22) subject to tolerances by means of a radiant energy input, in particular by means of laser transmission welding, with a joining device according to one of the preceding claims, with the steps: a) arranging the workpieces (21, 22) on one another, so that the first workpiece (21) rests at least partially on the second workpiece (22), b) arranging a clamping element (123) in a basic position (G) on the first workpiece (21), c) fixing the second workpiece (22), d) subjecting the clamping element (123) to a holding force, with the clamping element (123) moving from the basic position (G) to an adjustment position (V), e1) either fixing the clamping element (123), e2) or adjustable fixing of the clamping element (123), f) subjecting the tensioning element (123) to a pretensioning force, g) introducing a radiant energy input in a radiation direction (9) into the workpieces (21, 22), and f) hardening of the workpieces (21, 22). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei verstellbar festgestelltem Spannelement (123) ein Verstellen des Spannelementes (123) während des Einbringens des Energieeintrags erfasst und die beaufschlagte Vorspannkraft verändert wird.procedure after claim 11 , characterized in that when the tensioning element (123) is fixed in an adjustable manner, an adjustment of the tensioning element (123) during the introduction of the energy input is detected and the applied pretensioning force is changed.
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