DE102014218968B4 - Verfahren zum Aufschweißen einer Kugel auf ein erstes Bauteil, Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile, entsprechend hergestelltes Bauteil und Bauteilverbindung - Google Patents

Verfahren zum Aufschweißen einer Kugel auf ein erstes Bauteil, Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile, entsprechend hergestelltes Bauteil und Bauteilverbindung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Aufschweißen einer Kugel (2) auf ein erstes Bauteil (1), mit folgenden Schritten: – Bereitstellen des ersten Bauteils (1), – Herstellen einer physischen Markierung in oder an dem ersten Bauteil (1), – Platzieren der Kugel (2) an der Stelle, an der die physische Markierung hergestellt worden ist, – berührungsloses Verschweißen der Kugel (2) mit dem ersten Bauteil (1) mittels einer entfernt von dem ersten Bauteil (1) und der Kugel (2) angeordneten Laser-Schweißeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die physische Markierung mittels eines Umformwerkzeugs, mit dem das erste Bauteil (1) umgeformt wird oder umgeformt worden ist, hergestellt wird oder wurde.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufschweißen einer Kugel auf ein erstes Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 15 sowie ein entsprechend hergestelltes Bauteil bzw. eine Bauteilverbindung.
  • Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist aus der JP S61 115 691 A bekannt. Zum technischen Hintergrund der Erfindung zählen die DE 198 06 636 A1 , DE 10 2010 028 323 A1 , DE 10 2012 205 837 A1 sowie die DE 10 2011 079 483 A1 .
  • Aus der EP 2 475 475 B1 der Anmelderin ist eine Bauteilverbindung bekannt, bei der auf ein erstes Blechbauteil eine Kugel aufgeschweißt ist. Das erste Blechbauteil ist über die Kugel formschlüssig mit einem zweiten Bauteil verbunden, in dem ein schlüssellochartiges Durchgangsloch vorgesehen ist, in welches die Kugel hinein ragt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mittels dem eine Kugel mit hoher Positionsgenauigkeit auf ein erstes Bauteil aufschweißbar ist, sowie ein Verfahren anzugeben, bei dem zwei Bauteile unter Anwendung des Aufschweißverfahrens miteinander verbunden werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufschweißen einer Kugel auf ein erstes Bauteil. Die Kugel und/oder das erste Bauteil kann z. B. aus Metall (z. B. Stahl, Aluminium, Neodym o. ä.) sein. Alternativ dazu kann die Kugel und/oder das erste Bauteil auch aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere aus einem durch Fasern (z. B. Kohlefasern, Glasfasern etc.) verstärkten Kunststoffmaterial, hergestellt sein.
  • Ein – mit Blick auf die Erreichung einer hohen Positionsgenauigkeit – zentrales Merkmal der Erfindung ist, dass in oder an dem ersten Bauteil eine „physische Markierung” hergestellt wird, die dazu geeignet und bestimmt ist, eine aufzuschweißende Kugel zu positionieren, d. h. an einer vorgegebenen Stelle, d. h. an der Stelle der physischen Markierung, zu „zentrieren”.
  • Nach dem Herstellen der physischen Markierung wird die Kugel an der Stelle, an der die physische Markierung vorgesehen ist, platziert. Aufgrund der physischen Markierung wird die Kugel „automatisch” sehr präzise positioniert.
  • Vorzugsweise wird die Kugel unter Ausnutzung einer Magnetkraft positioniert, d. h. die Kugel und das erste Bauteil werden durch eine Magnetkraft an der Stelle der physischen Markierung „zusammengezogen”. Dies hat den Vorteil, dass keine die Kugel gegen das erste Bauteil drückende Spannvorrichtung o. ä. benötigt wird. Das erste Bauteil kann also beliebig im Raum angeordnet werden und die Kugel braucht nur „angesteckt” werden. Gehalten wird die Kugel dann durch die Magnetkraft. Vorzugsweise ist die Magnetkraft so groß, dass die Kugel auch von unten her an das erste Bauteil angebracht werden kann, wobei die Magnetkraft größer als die Gewichtskraft der Kugel ist.
  • Denkbar ist, dass eine magnetische Kugel verwendet wird, die das erste Bauteil anzieht. Prinzipiell könnte auch das erste Bauteil magnetisch sein und eine nicht-magnetische Kugel verwendet werden, wobei dann das erste Bauteil die Kugel anziehen würde. Denkbar ist ferner, dass mit einer stromdurchflossenen Spule gearbeitet wird, welche ein Magnetfeld erzeugt, das die Kugel an der Stelle der physischen Markierung mit dem ersten Bauteil „zusammenzieht”.
  • Anschließend wird die Kugel berührungslos mit dem ersten Bauteil verschweißt. „Berührungslos” bedeutet, dass keine Schweißzange o. ä. unmittelbar an die Kugel und/oder das erste Bauteil angesetzt werden muss. Vielmehr wird die Kugel mittels einer entfernt von dem ersten Bauteil und entfernt von der Kugel angeordneten Laser-Schweißvorrichtung verschweißt.
  • Die Erfindung mag auf den ersten Blick relativ einfach erscheinen. Das Herstellen einer physischen Markierung in oder an dem ersten Bauteil ist aber von ganz zentraler Bedeutung, wenn es darum geht, z. B. in einer Großserienfertigung (wie z. B. dem Fahrzeugkarosseriebau) eine Kugel stets exakt, d. h. mit sehr hoher Genauigkeit an einer vorbestimmten Stelle eines ersten Bauteils relativ zu dem ersten Bauteil zu platzieren. Dies ist z. B. im Fahrzeugkarosseriebau von großer Bedeutung, da dort in Serienfertigung als Verbindungselemente fungierende Kugeln mit hoher Positionsgenauigkeit auf Bauteile aufgeschweißt werden müssen.
  • Die physische Markierung wird gemäß der Erfindung mittels eines Umformwerkzeugs, insbesondere mittels eines Tiefziehwerkzeugs, mit dem oder in dem das erste Bauteil umgeformt wird, hergestellt werden. Im Fahrzeugkarosseriebau werden Karosserieteile aus Blechplatinen durch Tiefziehen hergestellt. Wenn die physische Markierung während des Tiefziehvorgangs, d. h. in dem Tiefziehwerkzeug oder mit dem Tiefziehwerkzeug oder mit einem in das Tiefziehwerkzeug integrierten „Markierungswerkzeug” (z. B. Stanzelement, Stempel, o. ä.) hergestellt wird, kann die Markierung mit sehr hoher Genauigkeit hergestellt werden.
  • Bei der physischen Markierung kann es sich bspw. um eine muldenartige Vertiefung handeln. Wenn die Kugel auf eine derartige muldenartige Vertiefung aufgelegt wird, nimmt sie automatisch eine stabile Position ein, d. h. sie zentriert sich automatisch selbst, ähnlich wie dies bei einem in bzw. auf einen Eierbecher aufgesetzten Ei der Fall ist.
  • Alternativ zu einer muldenartigen Vertiefung kann es sich auch um eine Vertiefung in der Form eines Fadenkreuzes o. ä. handeln. Wichtig ist, dass die Vertiefung so gestaltet ist, dass die Kugel „automatisch” zentriert wird.
  • Alternativ zu einer einfachen muldenartigen Vertiefung kann die physische Markierung auch in der Art einer vulkankraterartigen Erhebung mit einer mittigen, muldenartigen Vertiefung hergestellt sein. Eine derartige physische Markierung ist mit der Form mancher Eierbecher vergleichbar.
  • Alternativ oder ergänzend zu einer muldenartigen Vertiefung, wie sie oben beschrieben wurde, kann die physische Markierung in der Art eines das erste Bauteil durchsetzenden Lochs hergestellt sein, dessen Durchmesser zumindest etwas kleiner als der Durchmesser der Kugel ist. Bereits ein im Vergleich zum Kugeldurchmesser kleines Loch genügt, um die Kugel exakt zu positionieren bzw. zu zentrieren.
  • Insbesondere kann die physische Markierung in der Art einer vulkankraterartigen Erhebung hergestellt sein, welche ein mittiges Durchgangsloch aufweist. Selbstverständlich weist das Durchgangsloch auch in diesem Fall einen geringeren Durchmesser als die Kugel auf.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der zum Verschweißen der Kugel mit dem ersten Bauteil eingesetzte Laserstrahl mittels einer Laser-Schweißeinrichtung erzeugt, wobei der Laserstrahl von „einer Seite her” in einen zwischen der Kugel und dem ersten Bauteil befindlichen „Hinterschnittbereich” gelenkt wird. Als „Hinterschnittbereich” wird ein Bereich zwischen einer Äquatorebene der Kugel und dem Aufstandspunkt bzw. dem Aufstandsbereich der Kugel auf dem ersten Bauteil verstanden.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mit dem Laserstrahl eine sich um die Kugel herum erstreckende Ringnaht erzeugt wird.
  • Alternativ oder ergänzend dazu kann vorgesehen sein, dass mittels der Laser-Schweißeinrichtung ein Laserstrahl erzeugt wird, der von einer der Kugel abgewandten Seite her auf das erste Bauteil gerichtet wird. Die zum Verschweißen erforderliche Wärmeenergie wird in diesem Fall also von der „Rückseite” des ersten Bauteils her durch das erste Bauteil hindurch in den Aufstandspunktbereich der Kugel auf dem ersten Bauteil eingebracht, so dass das erste Bauteil und/oder die Kugel in diesem Bereich lokal aufschmelzen und miteinander verschweißen.
  • Alternativ oder ergänzend dazu kann vorgesehen sein, dass mittels der Laser-Schweißeinrichtung ein Laserstrahl erzeugt wird, der auf eine dem ersten Bauteil abgewandte Seite der Kugel gerichtet wird. Während einer ersten Phase wird mittels des Laserstrahls Kugelmaterial verdampft. Auf diese Weise wird von der dem ersten Bauteil abgewandten Seite der Kugel her ein sich in Richtung des ersten Bauteils erstreckendes Loch in die Kugel „eingebrannt”. In einer zweiten Phase wird dann mittels des in das Loch eindringenden Laserstrahls die Kugel von einem Grund des Lochs her durch das verbleibende Kugelmaterial hindurch mit dem ersten Bauteil verschweißt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile wird zunächst nach dem oben beschriebenen Verfahren eine Kugel auf ein erstes Bauteil aufgeschweißt und anschließend wird ein zweites Bauteil, welches ein Durchgangsloch aufweist, so an dem ersten Bauteil angeordnet, dass die Kugel in das Durchgangsloch hinein ragt oder durch das Durchgangsloch hindurch ragt.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das zweite Bauteil mit seinem Durchgangsloch auf die Kugel aufgeklemmt. Zwischen dem Durchgangsloch und der Kugel entsteht also eine Klemmverbindung.
  • Alternativ oder ergänzend dazu kann vorgesehen sein, dass das zweite Bauteil mittels eines auf die Kugel aufgeclipsten Clip-Elements mit dem ersten Bauteil verbunden wird. In diesem Fall muss zwischen dem Durchgangsloch und der Kugel nicht notwendigerweise eine Klemmverbindung bestehen. Wenn das Clip-Element das Durchgangsloch überkragt, kann durch Aufclipsen des Clip-Elements auf die Kugel eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil hergestellt werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1–3 verschiedene Verfahren zum Aufschweißen einer Kugel auf ein erstes Bauteil.
  • 1 zeigt ein erstes Bauteil 1, bei dem es sich bspw. um ein Stahl- oder Aluminiumblech handeln kann. Von einer Oberseite 1a des ersten Bauteils 1 wird an einer vorgegebenen Stelle eine „physische Markierung” (in 1 nicht zu erkennen) z. B. in der Form einer fadenkreuzartigen oder kugelkalottenartigen Einprägung erzeugt. Alternativ zu einer derartigen Einprägung könnte auch eine vulkankraterartige Erhebung mit einer mittigen muldenartigen Vertiefung und/oder mit einem mittigen Durchgangsloch erzeugt werden.
  • Nach der Herstellung der physischen Markierung wird auf die Oberseite 1a des ersten Bauteils 1 wird eine Kugel 2 aufgebracht, wobei die Kugel 2 exakt an der Stelle der physischen Markierung platziert und durch die physische Markierung exakt in Bezug auf das erste Bauteil 1 ausgerichtet wird (selbstzentrierend).
  • Wenn mit einer die Kugel 2 und das erste Bauteil 1 zusammenziehenden Magnetkraft gearbeitet wird, kann das erste Bauteil beliebig im Raum angeordnet sein, d. h. die Kugel 2 kann z. B. auch von unten her an das erste Bauteil angesetzt werden, ohne dass eine Spannvorrichtung o. ä., welche die Kugel 2 gegen das erste Bauteil drückt, benötigt wird.
  • Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird mittels einer hier nicht näher dargestellten, entfernt von der Kugel 2 angeordneten Laser-Schweißeinrichtung ein Laserstrahl 3 erzeugt, der von einer dem ersten Bauteil 1 abgewandten Seite der Kugel 2 auf die Kugel 2 gerichtet ist und Kugelmaterial verdampft, so dass in der Kugel 2 ein sich in Richtung des ersten Bauteils 1 erstreckendes Loch 2a entsteht.
  • Nach dem Erzeugen des Lochs 2 wird mittels des Laserstrahls 3 von einem Grund 2b des Lochs 2a her durch das verbleibende Kugelmaterial hindurch geschweißt, d. h. die Kugel 2 und/oder das erste Bauteil 1 werden in einem Aufstandsbereich 4 lokal aufgeschmolzen und miteinander verschweißt.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem vor dem Aufsetzen der Kugel 2 auf das Bauteil 1 in ganz analoger Weise eine physische Markierung erzeugt worden ist. Mittels einer hier nicht näher dargestellten Laser-Schweißeinrichtung wird ein Laserstrahl 3 erzeugt, der von einer der Kugel 2 abgewandten Seite her auf das erste Bauteil 1 gerichtet wird. Der Laserstrahl 3 wird also von der „Rückseite” des ersten Bauteils her auf das erste Bauteil 1 gerichtet. Dabei wird Wärmeenergie durch das erste Bauteil 1 hindurch im Aufstandsbereich 4 zugeführt, was zu einem lokalen Verschmelzen der Kugel 2 mit dem ersten Bauteil 1 führt.
  • Wenn die physische Markierung auch von der der Kugel 2 abgewandten Rückseite des ersten Bauteils 1 her erkennbar bzw. durch eine Optoelektronik detektierbar ist, kann die Lage bzw. Position der physischen Markierung auch zur positionsgenauen Ausrichtung des Laserstrahls 3 verwendet werden.
  • Beim Ausführungsbeispiel der 3 wird ebenfalls, wie oben beschrieben, vor dem Aufsetzen der Kugel 2 auf das erste Bauteil 1 eine physische Markierung erzeugt. Anschließend wird von einer Seite her ein Laserstrahl 3 in einen zwischen der Kugel 2 und dem ersten Bauteil 1 befindlichen Hinterschnittbereich, d. h. in den Aufstandsbereich 4 gelenkt. Durch „Herumführen” des Laserstrahls 3 um die Kugel herum, kann eine sich um die Kugel 2 herum erstreckende Ringnaht erzeugt werden.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Aufschweißen einer Kugel (2) auf ein erstes Bauteil (1), mit folgenden Schritten: – Bereitstellen des ersten Bauteils (1), – Herstellen einer physischen Markierung in oder an dem ersten Bauteil (1), – Platzieren der Kugel (2) an der Stelle, an der die physische Markierung hergestellt worden ist, – berührungsloses Verschweißen der Kugel (2) mit dem ersten Bauteil (1) mittels einer entfernt von dem ersten Bauteil (1) und der Kugel (2) angeordneten Laser-Schweißeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die physische Markierung mittels eines Umformwerkzeugs, mit dem das erste Bauteil (1) umgeformt wird oder umgeformt worden ist, hergestellt wird oder wurde.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Umformwerkzeug ein Tiefziehwerkzeug verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die physische Markierung in der Art einer muldenartigen Vertiefung hergestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die physische Markierung in der Art einer vulkankraterartigen Erhebung mit einer mittigen, muldenartigen Vertiefung hergestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die physische Markierung in der Art eines das erste Bauteil (1) durchsetzenden Lochs hergestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die physische Markierung in der Art einer vulkankraterartigen Erhebung mit einem mittigen Durchgangsloch hergestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Laser-Schweißeinrichtung ein Laserstrahl (3) erzeugt wird, der von einer Seite her in einem zwischen der Kugel (2) und dem ersten Bauteil befindlichen Hinterschnittbereich (4), in dem die Kugel (2) das erste Bauteil (1) berührt, gelenkt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Laserstrahl (3) eine sich um die Kugel (2) herum erstreckende Ringnaht erzeugt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Laser-Schweißeinrichtung ein Laserstrahl (3) erzeugt wird, der von einer der Kugel (2) abgewandten Seite her auf das erste Bauteil (1) gerichtet wird, derart, dass das erste Bauteil (1) und/oder die Kugel (2) lokal aufschmilzt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Laser-Schweißeinrichtung ein Laserstrahl (3) erzeugt wird, der auf eine dem ersten Bauteil (1) abgewandte Seite der Kugel (2) gerichtet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Phase mittels des Laserstrahls Material der Kugel (2) verdampft wird, so dass in der Kugel (2) ein sich in Richtung des ersten Bauteils (1) erstreckendes Loch (2a) entsteht.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Phase mittels des in das Loch (2) eindringenden Laserstrahls (3) die Kugel (2) von einem Grund (2b) des Lochs her durch das verbleibende Kugelmaterial hindurch mit dem ersten Bauteil (1) verschweißt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (2) und das erste Bauteil durch eine Magnetkraft an der Stelle der physischen Markierung zusammengezogen werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Kugel verwendet wird.
  15. Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile, wobei zunächst nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 eine Kugel (2) auf ein erstes Bauteil (1) aufgeschweißt wird und anschließend ein ein Durchgangsloch aufweisendes zweites Bauteil so an dem ersten Bauteil angeordnet wird, dass die Kugel (2) in das Durchgangsloch hinein oder durch das Durchgangsloch hindurch ragt.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil mit seinem Durchgangsloch auf die Kugel aufgeklemmt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil mittels eines auf die Kugel (2) aufgeclipsten Clip-Elements, welches das Durchgangsloch überkragt, mit dem ersten Bauteil (1) verbunden wird.
  18. Bauteil (1) mit einer aufgeschweißten Kugel (2), wobei die Verbindung zwischen dem Bauteil (1) und der Kugel (2) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt worden ist.
  19. Bauteilverbindung hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17.
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