DE102015121314A1

DE102015121314A1 - Systeme und verfahren zum fügen von komponenten

Info

Publication number: DE102015121314A1
Application number: DE102015121314.1A
Authority: DE
Inventors: Hua-Tzu Fan; Chen-Shih Wang; Jorge F. Arinez; Susan M. Smyth
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2016-06-16
Also published as: CN105689912A; US20160167353A1

Abstract

Die vorliegende Technologie offenbart Verfahren, um ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück durch eine Verriegelungsverschweißung zu fügen, sowie dadurch gebildete Produkte. Das erste Werkstück weist eine erste Fläche und eine zweite Fläche gegenüberliegend der ersten Fläche auf, und das zweite Werkstück weist eine erste Fläche, eine Nut, die in der ersten Fläche gebildet ist, und eine zweite Fläche gegenüberliegend der ersten Fläche auf. Das System ist durch Anlegen von Energie an das System, zumindest teilweises Schmelzen von Material des ersten Werkstücks und Bewirken eines Fließens des Materials in die Nut und Zulassen oder Bewirken einer Kühlung des Materials ausgebildet, wobei eine verriegelte Schweißfügestelle gebildet wird, die die Werkstücke verbindet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Technologie betrifft allgemein das Fügen von Komponenten. Genauer betrifft die vorliegende Technologie Systeme und Verfahren zum Verriegeln zu fügender Komponenten.
Hintergrund der Offenbarung
Das Fügen von Werkstücken mit ähnlichen oder unähnlichen Materialeigenschaften ist zunehmend wichtig geworden, da Industrien reduziertes Gewicht und verbesserte Leistungsfähigkeit von Konstruktionen, wie u. a. Kraftfahrzeugen, Raumfahrt und Nautik anstreben.
Prozesse zum Fügen von ähnlichen oder unähnlichen Materialien umfassen u. a. ein mechanisches Fügen (z. B. Bolzen und Nieten), Schmelzfügen (z. B. Lichtbogen-Schmelzschweißen und Laserschweißen), Festkörperfügen (z. B. Reibrührschweißen und Ultraschallschweißen), Hart- und Weichlöten und Kleben.
Das fügen unähnlicher Materialien weist Herausforderungen hinsichtlich unterschiedlichem chemischem, mechanischem und thermischem Verhalten von Materialien auf, die nicht vorhanden sind, wenn ähnliche Materialien gefügt werden. Beim Auslegen einer Fügestelle aus unähnlichen Materialien müssen Faktoren, wie, jedoch nicht darauf beschränkt, Materialdicken, Oberflächenenergie, Unterschiede in der Schmelztemperatur, thermische Ausdehnung/Kontraktion jedes Materials berücksichtigt werden. Selbst bei Berücksichtigung der oben genannten Faktoren können Fügetechniken, wie Schweißen und Löten eine Flächenanbindung bereitstellen, die unter bestimmten gerichteten Lasten, wie einer Abziehspannung, gegenüber Schaden anfällig sein kann.
Das Fügen unähnlicher Materialien weist Herausforderungen auf, wie das Vermeiden von Verzerrung und Spannung, die sich tendenziell in den Materialien aufgrund verschiedener Wärmeausdehnungskoeffizienten bilden können. Diese ungewollten Bedingungen können Spannung, Korrosion, Rissbildung bewirken, was die Anwendung schwächt und zu einem vorzeitigen Ausfall der Fügestelle führen kann.
Andere Verfahren zum Fügen unähnlicher Materialien verwenden Befestigungseinrichtungen, wie Klebstoffe, Nieten und Bolzen. Jedoch führen diese Befestigungseinrichtungen zu Problemen, wie einem strukturellen Brechen der Klebstoffe sowie einer galvanischen Korrosion der Nieten und Schrauben. Zusätzlich tragen diese Befestigungseinrichtungen zu einem relativ großen Gewichtsbetrag bei, der konträr zu den Trends zu leichteren Komponenten in den meisten Industrien ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Aufgrund der vorher erwähnten Mängel existiert ein Bedarf nach Systemen und Verfahren, um Werkstücke sicher zu fügen, die unähnliche Materialien enthalten, ohne Befestigungseinrichtungen, wie Klebstoffe, Nieten oder Bolzen, hinzuzufügen. Die vorgeschlagenen Systeme und Verfahren fügen die Werkstücke durch mechanisches verriegeln der Materialien der Werkstücke gemäß einzigartiger Techniken, die keine zusätzlichen Befestigungseinrichtungen verwenden.
Die vorliegende Technologie weist ein System auf, durch das eine mechanische Verriegelung durch ausbilden von Nuten an einer Fügeschnittstelle zumindest eines der Werkstücke erreicht wird. Die Nuten sind derart ausgebildet, geschmolzenes Material von dem zu fügenden Werkstück zur Formung einer robusten Fügestelle aufzunehmen, wenn das geschmolzene Material abkühlt.
Bei einigen Ausführungsformen besitzen die gefügten Materialien eine ähnliche Zusammensetzung. Bei diesen Ausführungsformen können die Nuten in einem oder beiden Werkstücken geformt sein. Bei einer Ausführungsform ist das erste Werkstück so konfiguriert, zu schmelzen und die Nuten des zweiten Werkstücks zu füllen. Wenn das erste Werkstück die Nuten des zweiten Werkstücks füllt, schmelzen die Nuten geringfügig, um eine Verriegelung an der Fügestelle zu erhöhen.
Bei anderen Ausführungsformen besitzen die gefügten Materialien eine unähnliche Zusammensetzung. Bei diesen Ausführungsformen sollten die Nuten in dem Material geformt sein, das die höchste Schmelztemperatur aufweist. Das Formen von Nuten in das Werkstück, das die höhere Schmelztemperatur aufweist, erlaubt, dass das Material mit der geringeren Schmelztemperatur schmilzt und in die Nuten fließt. Bei einigen Implementierungen zum Fügen von Komponenten, die eine unähnliche Zusammensetzung besitzen, kann abhängig beispielsweise von einem Wert des höheren Schmelzpunktes und einer Temperatur des geschmolzenen Materials von der Komponente mit geringerem Schmelzpunkt das geschmolzene Material in die Nuten fließen, ohne die Nuten zu verformen oder aber die Nuten nur geringfügig zu verformen. Während in einigen Fällen eine Verformung von Nuten durch Unterstützen einer Verriegelung, wie oben beschrieben ist, nützlich sein kann, kann ein im Wesentlichen oder vollständiges Beibehalten des Nutenaufbaus auch basierend beispielsweise auf einer Nutenform, Nutenabmessungen und -Materialien eine Verriegelung und Ausbildung stärkerer Verschweißungen im Vergleich zu Verschweißungen ohne die Verwendung von Nuten unterstützen.
Andere von vielen Vorteilen der vorliegenden Technologie umfassen die Fähigkeit, Fügeschnittstellen zu bilden, die minimalen oder keinen negativen Einfluss auf ein Gestaltungsbild zumindest einer der Flächen gegenüberliegend der Fügeschnittstelle besitzen.
Bei einigen Ausführungsformen ist ein negativer Einfluss auf das Gestaltungsbild zumindest einer der Flächen gegenüberliegend der Fügeschnittstelle durch Verwendung einer Laseraufheizung zum Schmelzen des Materials eines der Werkstücke zur Einführung in Nuten des anderen Werkstücks minimiert oder vollständig vermieden. Bei anderen Ausführungsformen ist der negative Einfluss durch die Verwendung einer Induktionserwärmung zum Schmelzen des Werkstücks gegenüberliegend den Nuten begrenzt oder vermieden.
Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden teilweise offensichtlich und sind teilweise nachfolgend dargestellt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Querschnittsansicht von beispielhaften Fügesystemen zur Erzeugung einer robusten Verriegelung zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Lasererwärmungs-Fügeprozesses unter Verwendung eines Teils von einem der beispielhaften Fügesysteme von 1.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Induktionserwärmungs-Fügeprozesses unter Verwendung eines anderen Teils von einem der beispielhaften Fügesysteme von 1.
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ultraschallerwärmungs-Fügeprozesses unter Verwendung eines anderen Teils von einem der beispielhaften Fügesysteme von 1.
5 zeigt eine Draufsicht auf beispielhafte Muster, die durch ein Fügesystem von 1 geformt sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie es erforderlich ist, sind detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung hier offenbart. Die offenbarten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Formen und Kombinationen daraus ausgeführt werden können. Wie hier verwendet ist, betreffen beispielsweise, beispielhaft, illustrativ und ähnliche Begriffe breit Ausführungsformen, die als eine Darstellung, eine Probe, ein Modell oder Muster dienen.
Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, und einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. In einigen Fällen sind gut bekannte Komponenten, Systeme, Materialien oder Verfahren nicht detaillier beschrieben worden, um ein Verschleiern der vorliegenden Offenbarung zu vermeiden. Daher sind spezifische bauliche und funktionale Details, wie hier offenbart ist, nicht als beschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als Basis für die Ansprüche und als eine repräsentative Basis zur Unterrichtung des Fachmanns, die vorliegende Offenbarung auf verschiedene Weise anzuwenden.
I. Überblick über die Technologie – Fig. 1
1 zeigt ein Fügesystem 100, dass ein erstes Werkstück 110 und ein zweites Werkstück 120 aufweist. Das erste Werkstück 110 und das zweite Werkstück 120 können hinsichtlich der Materialstruktur ähnlich sein. Beispielsweise können das erste Werkstück 110 und das zweite Werkstück 120 beide aus einem Polymer-Verbundmaterial bestehen. Umgekehrt kann das erste Werkstück 110 aus einem anderen Material als das zweite Werkstück 120 bestehen. Beispielsweise kann das erste Werkstück 110 ein Verbundmaterial sein, während das zweite Werkstück 120 eine Aluminiumlegierung sein kann.
Bei einigen Ausführungsformen weist wenigstens eines der Werkstücke 110, 120 ein Polymer auf, wie Polycarbonat, Polyolefin (z. B. Polyethylen und Polypropylen), Polyamid (z. B. Nylon), Polyacrylat, oder Acrylnitril-Butadien-Styrol.
Bei einigen Ausführungsformen weist wenigstens eines der Werkstücke 110, 120 Verbundstoffe auf, wie beispielsweise einen verstärkten Thermoplast. Die Kunststoffe können beliebige der beispielhaften Polymere aufweisen, die oben aufgeführt sind, und die Verstärkung kann eines oder mehrere aus Ton, Glas, Kohlenstoff, Polymer in Form von Partikeln, Fasern (kurz oder lang), Plättchen, Whiskern und andere umfassen.
Das erste Werkstück 110 weist eine erste Fläche 112 und eine zweite Fläche 114 auf, und das zweite Werkstück 120 weist eine erste Fläche 122 und eine zweite Fläche 124 auf. Bei einer Ausführungsform ist das erste Werkstück 110 zum Fügen über dem zweiten Werkstück 120 positioniert, wobei in diesem Fall die zweite Fläche 114 des ersten Werkstücks 110 und die erste Fläche 122 des zweiten Werkstücks beim Fügen in Kontakt treten.
Um eine verbesserte Verriegelung zwischen den Werkstücken 110, 120 zu erzeugen, ist mindestens eine Nut in einer Fügefläche der Werkstücke 110, 120 gebildet (z. B. der zweiten Fläche 114 des ersten Werkstücks 110 oder der ersten Fläche 122 des zweiten Werkstücks 120). Die Nut(en) bilden einen Hohlraum in den Werkstücken 110, 120, der so konfiguriert ist, um geschmolzenes Material von dem zu fügenden Werkstück aufzunehmen.
Nuten können in jedem Werkstück ausgebildet werden, wenn das erste Werkstück 110 und das zweite Werkstück 120 aus ähnlichen Materialien hergestellt sind. Eine Ähnlichkeit der Werkstücke 110, 120 kann auf Eigenschaften basieren, wie beispielsweise, aber nicht darauf beschränkt, ob die Werkstücke 110, 120 aus der gleichen Materialzusammensetzung bestehen, ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben oder ähnliche Schmelzpunkte haben.
Bei einer Ausführungsform, bei der die Werkstücke 110, 120 ähnliche Materialien umfassen, ist das erste Werkstück 110 derart ausgebildet, zu schmelzen und die Nuten des zweiten Werkstücks 120 zu füllen. Wenn die Temperatur des Materials des ersten Werkstücks 110 steigt (aufgrund beispielsweise einer Ultraschallenergie und/oder Kompressionskraft, die verwendet wird, um die Werkstücke 110, 120 zu fügen) schmilzt das Material des ersten Werkstücks 110 und beginnt, die Nuten des zweiten Werkstücks 120 zu füllen.
Wenn die Nuten des zweiten Werkstücks 120 beginnen, sich mit geschmolzenem Material (im Schmelzzustand) zu füllen, das von dem ersten Werkstück 110 fließt, können die Wände der Nuten, die durch den Hohlraum definiert sind, geringfügig erweichen (z. B. schmelzen). Zumindest ein Teil des Wandmaterials wird erweicht, bevor das geschmolzene Material aus dem ersten Werkstück in die Nut in dem zweiten Werkstück 120 fließt. Eine geringfügige Erweichung der Nutwand/Nutwände kann eine zusätzliche Verriegelung an der Fügeschnittstelle bereitstellen, da die beiden getrennten Flächen (beispielsweise Schmelzfläche des ersten Werkstücks 110 und Erweichungsfläche der Nut) besser in Wechselwirkung treten, als es mit den Flächen der Fall wäre, wenn die Nutwand nicht geschmolzen wäre, abkühlen, um eine starke gefügte Schnittstelle zu bilden.
Bei einigen Implementierungen der Ausführungsform mischen sich ein Teil der Materialien des ersten Werkstücks 110 und des zweiten Werkstücks 120 in der Nut, um eine verbesserte Verriegelung der zweiten Fläche 114 des ersten Werkstücks 110 und der ersten Fläche 122 des zweiten Werkstücks 120 zu bilden. Bei einer Implementierung werden die zweite Fläche 114 des ersten Werkstücks 110 und die erste Fläche 122 des zweiten Werkstücks 120 gefügt, um eine Verbindung in der Nut zu bilden, der unterscheidbare Flächen fehlen, die vorhanden wären, wenn die Materialien in dem Bereich nicht miteinander verschmolzen wären.
Wenn das erste Werkstück 110 und das zweite Werkstück 120 unähnliche Materialien umfassen, sollten die Nuten in dem Material mit der höchsten Schmelztemperatur gebildet werden. Beispielsweise bei einem Anbinden eines Metall-Werkstücks, das eine Schmelztemperatur von 600 bis etwa 1200°C aufweisen kann, an ein thermoplastisches Werkstück, das eine Schmelztemperatur zwischen etwa 100 und etwa 300°C haben kann, sollten die Nuten innerhalb des Metallwerkstücks gebildet werden. Das thermoplastische Werkstück schmilzt bei einer niedrigeren Temperatur als das Metallwerkstück, was zur Folge hat, dass das thermoplastische Material in die Nuten fließt, die in dem Metallwerkstück gebildet sind.
Nuten können unter Verwendung mechanischer Verfahren (beispielsweise Sägen und Stanzen), elektrischer Verfahren (beispielsweise Bearbeitung mit Laser und Bearbeitung mit elektrischer Entladung (EDM)), chemischer Verfahren (z. B. Ätzen) und anderen erzeugt werden. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 1 weist das erste Werkstück 110 eine niedrigere Schmelztemperatur auf als das zweite Werkstück 120. Somit sind die Nuten in dem zweiten Werkstück 120 ausgebildet. Umgekehrt werden, wenn das zweite Werkstück 120 eine niedrigere Schmelztemperatur als das erste Werkstück 110 aufweist, die Nuten innerhalb des ersten Werkstücks gebildet.
Eine Schlitznut 130 kann in das zweite Werkstück 120 unter Verwendung eines Lasers, EDM oder andere Schnittbearbeitung eingeführt werden. Die Schlitznut 130 stellt eine zusätzliche Verriegelung des ersten Werkstücks 110 mit dem zweiten Werkstück 120 bereit. Wenn das erste Werkstück 110 während des Anbindens erwärmt wird, beginnt das Material zu schmelzen und füllt die Schlitznut.
Eine einseitige Schlitznut, die als die erste Schlitznut 130 in 1 dargestellt ist, ist vorteilhaft, wenn die Fügestelle so ausgelegt ist, dass sie eine Belastungskraft in einer bestimmten Richtung aushält. Beispielsweise kann eine einseitige Schlitznut verwendet werden, wenn die Schlitznut 130 in das erste Werkstück 110 in einer vorbestimmten Richtung eingesetzt ist.
Die Schlitznut 130 weist eine Länge 132 auf, die ausreichend ist, um Material von dem ersten Werkstück 110 aufzunehmen. Die Länge 132 der Schlitznut 130 kann zwischen etwa 10 Mikrometer (μm) und etwa 1000 Millimeter (mm) betragen.
Die Schlitznut 130 ist unter einem Winkel 134 zu der Fügefläche des Werkstücks (beispielsweise der ersten Fläche 122 des zweiten Werkstücks 120) ausgebildet. Der Winkel 134 verbessert die Verriegelung des geschmolzenen Materials von dem ersten Werkstück 110 mit den Hohlräumen, die durch die Schlitznut 130 erzeugt sind. Der Winkel 134 kann eine zusätzliche Struktur liefern, um die Fügestelle in Bezug auf Bruch (z. B. Abziehbruch) zu stärken.
Der Winkel 134 kann einen Bereich zwischen 0 und 90 Grad von der ersten Fläche 122 aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Winkel 134 zwischen etwa 30 und 60 Grad betragen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Winkel 134 etwa 45 Grad betragen.
Bei einigen Ausführungsformen sind zwei oder mehr Schlitznuten 130 zur Überlappung positioniert, wobei eine Öffnung für eine erhöhte Kontaktoberfläche zur Aufnahme von Material von dem ersten Werkstück 110 beim Schmelzen erzeugt wird (als die zweite und dritte Schlitznut 130 in 1 gezeigt). Eine Erhöhung der Kontaktoberfläche während der Anbindung kann die Festigkeit der Anbindung nach dem Fügen verbessern.
Bei Ausführungsformen mit mehreren Schlitznuten kann jede Schlitznut 130 relativ zu der ersten Fläche 122 (z. B. dem Winkel 134) positioniert sein. Eine erste Schlitznut 130 in den Ausführungsformen mit mehreren Schlitznuten kann eine Seite aufweisen, die sich unter einem ersten Winkel von der ersten Fläche 122 des zweiten Werkstücks 120 erstreckt. Der erste Winkel kann beispielsweise im Bereich zwischen 0 Grad und 90 Grad liegen. Eine zweite Schlitznut 130 kann eine Seite aufweisen, die sich unter einem zweiten Winkel von der ersten Fläche 122 des zweiten Werkstücks 120 erstreckt, wobei eine Überlappung mit der ersten Schlitznut 130 gebildet wird. Der zweite Winkel kann beispielsweise im Bereich zwischen 90 und 180 Grad liegen.
Zusätzlich oder alternativ kann jede Schlitznut bei Ausführungsformen mit mehreren Schlitznuten mit Bezug auf die anderen Schlitznuten 130 (z. B. einem Winkel 136) positioniert sein. Der Winkel 136 kann beispielsweise im Bereich zwischen 0 und 180 Grad liegen.
Zusätzlich kann in der Ausführungsform mit mehreren Schlitznuten zumindest eine der Schlitznuten 130 die Länge 132 aufweisen. Alternativ kann zumindest eine der Schlitznuten 130 hinsichtlich der Länge zwischen etwa 10 μm und etwa 1000 mm variieren.
Eine geformte Nut 140 kann in das zweite Werkstück 120 unter Verwendung von Prägen/Stanzen oder einen anderen mechanischen und/oder elektrischen Herstellprozess eingesetzt werden. Wie in 1 zu sehen ist, kann die geformte Nut 140 gemäß variierender geometrischer Gestaltungen geformt sein, wie, jedoch nicht beschränkt auf, quadratisch, dreieckig, trapezförmig, kreisförmig und oval. Die geformte Nut 140 sieht ähnlich der Schlitznut 130 eine zusätzliche Verriegelung zwischen den Werkstücken 110, 120 vor.
Die geformte Nut 140 kann eine Tiefe 142 in das zweite Werkstück 120 aufweisen. Die Tiefe sollte ausreichend sein, um Material von dem ersten Werkstück 110 aufzunehmen (beispielsweise zwischen etwa 10 μm und etwa 100 mm).
Bei einigen Ausführungsformen ist die geformte Nut 140 unter einem Winkel zu der ersten Fläche 122 des zweiten Werkstücks 120 positioniert. Wenn beispielsweise die geformte Nut 140 in der Form eines Trapezes vorliegt, kann ein Winkel 144 zu der ersten Fläche 122 ein spitzer Winkel sein. Jedoch kann, wenn die geformte Nut 140 in der Form eines umgedrehten Dreiecks vorliegt, ein Winkel 146 zu der ersten Fläche 122 ein stumpfer Winkel sein.
Eine geätzte Nut 150 kann in das zweite Werkstück 120 unter Verwendung von Chemikalien (z. B. Säure und Beize) eingesetzt werden, um in die erste Fläche 122 zu schneiden. Die geätzte Nut 150 kann mit oder ohne eine Ätzmaskierung (nicht gezeigt) geformt sein.
Wenn Ätzen eine Vertiefung bildet, wie in 1 gezeigt ist, kann eine Tiefe 152 der Vertiefung unter Verwendung einer bekannten Ätzzeit und einer bekannten Ätzrate des Ätzmittels gesteuert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die geätzte Nut 150 die Ätzmaskierung hinterschneiden und eine Vertiefung mit schrägen Seitenwänden bilden. Die Tiefe 152 sollte ausreichend sein, um Material von dem ersten Werkstück 110 aufzunehmen (beispielsweise zwischen etwa 10 μm und etwa 100 mm).
Die geätzte Nut 150 kann unter Verwendung eines Nassätzmittels in Flüssigphase (beispielsweise gepufferte Fluorwasserstoffsäure (HF), Phosphorsäure (H₃PO₄) und Salpetersäure (HNO₃)) oder eines Trockenätzmittels in Plasmaphase (beispielsweise Kohlenstofftetrachlorid (CCl₄), Siliziumtetrachlorid (SiCl₄) und Bortrichlorid (BCl₃;)) oder anderer Ätzmittel gebildet werden. Beispielsweise kann die geätzte Nut 150 unter Verwendung eines isotropen Prozesses oder eines anisotropen Prozesses, der Phosphorsäure aufweist, gebildet werden, wobei das zweite Werkstück 120 aus einer Aluminiumzusammensetzung besteht.
Bei einigen Ausführungsformen bilden die Nuten 130, 140, 150 eine kontinuierliche Nut über eine Länge (nicht dargestellt) des ersten Werkstücks 110 oder des zweiten Werkstücks 120. Kontinuierliche Nuten können erwünscht sein, wenn ein kontinuierliches Fügen zwischen dem ersten Werkstück 110 und dem zweiten Werkstück 120 erwünscht ist. Beispielsweise kann ein kontinuierlicher Kontakt erwünscht sein, wenn die Werkstücke 110, 120 Bedingungen von Scherkraft und/oder Abziehkraft unterliegen.
Bei einigen Ausführungsformen wird dem Werkstück mit niedrigerer Schmelztemperatur zusätzliches Material zugesetzt (beispielsweise dem ersten Werkstück 110 in 1). Das zusätzliche Material kann beispielsweise als ein oder mehrere Vorsprünge vorgesehen sein, die sich von einer oder beiden Flächen des ersten Werkstücks erstrecken. Wenn die Nuten 130, 140, 150 eine bestimmte Länge und/oder Tiefe aufweisen, braucht das erste Werkstück 110 nicht ausreichend Material zu enthalten, um die Nuten 130, 140, 150 zu füllen, so dass die erste Fläche 112 des ersten Werkstücks 110 mit eingefallenen Stellen nach dem Fügen zurückbleibt. Um eingefallene Stellen auf der ersten Fläche 112 zu vermeiden, kann das erste Werkstück 110 zusätzliches Material aufweisen, um die Nuten 130, 140, 150 zu füllen.
Das zusätzliche Material kann an einer Stelle angeordnet werden, die den Nuten 130, 140, 150 an dem zweiten Werkstück 120 entspricht, so dass das zusätzliche Material direkt in die Nuten 130, 140, 150 fließen kann.
Bei einer Ausführungsform umfasst das zusätzliche Material ein Gussmaterial 160, das direkt auf die zweite Fläche 114 des ersten Werkstücks 110 geformt werden kann. Bei einer anderen Ausführungsform kann das zusätzliche Material ein separates Material 170 umfassen, das an der zweiten Fläche 114 des ersten Werkstücks 110 während eines Herstellungsprozesses angebracht werden kann. Alternativ kann das separate Material 170 während des Fügens eingeführt werden.
Das Gussmaterial 160 und/oder das separate Material 170 besitzen eine Dicke 165, welche ausreichend ist, um die Nuten 130, 140, 150 zu füllen, ohne eingefallene Stellen an der ersten Fläche 112 des ersten Werkstücks 110 zurückzulassen. Die Dicke 165 kann direkt der Länge und/oder Tiefe der Nuten 130, 140, 150 entsprechen. Beispielsweise kann die Dicke 165 zwischen etwa 10 μm und etwa 100 mm betragen.
Jede der Nuten 130, 140, 150, die in dem zweiten Werkstück 120 gebildet sind, können vor dem Fügen vorgefertigt sein. Zusätzlich kann das Gussmaterial 160 und/oder das separate Material 170 auf dem ersten Werkstück 110 vorgefertigt oder daran angebracht sein.
II. Verfahren zum Fügen
Das Fügesystem 100 kann durch eine Anzahl herkömmlicher Formgebungsprozesse gebildet werden, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Laserheizung, Induktionsheizung und Ultraschallschweißen. Jeder Prozess ist mit einer der beispielhaften Nuten 130, 140, 150 gezeigt, wie oben beschrieben ist. Jedoch kann jeder Prozess eine der oben genannten Nuten verwenden, um das Fügen der Werkstücke 110, 120 zu erleichtern.
2 veranschaulicht das Fügen des ersten Werkstücks 110 und des zweiten Werkstücks 120 unter Verwendung eines Lasererwärmungsprozesses. Der Lasererwärmungsprozess ist bei Anwendungen mit hohem Volumen von Vorteil, wo kurze Fügezeiten gewünscht sind. Zusätzlich kann aufgrund eines konzentrierten Wärmeabdrucks von Lasern der Lasererwärmungsprozess verwendet werden, wenn das Fügen innerhalb eines engen Raumes stattfinden soll.
Bei dem beispielhaften Lasererwärmungsprozess wird eine Fügestelle durch Kompression (Kompressionskraft, wie durch Pfeile angegeben) der zweiten Fläche 114 des ersten Werkstücks 110 proximal zu der ersten Fläche 122 des zweiten Werkstücks 120 ausgebildet, dass eine Schmelztemperatur aufweist, die höher als die des ersten Werkstücks 110 ist. Ein Laserstrahl 205 sieht dann konzentrierte Wärme auf der zweiten Fläche 124 des zweiten Werkstücks 120 vor. Eine konzentrierte Erwärmung des zweiten Werkstücks 120 bildet einen Laserschweißbereich 200 (als ein Bereich innerhalb eines Kreises in 2 dargestellt), der sich zu dem ersten Werkstück 110 erstreckt, wobei ein Schmelzen von Material des ersten Werkstücks 110 bewirkt wird. Beim Schmelzen treibt der Kompressionsdruck – beispielsweise durch die Klemmung erzeugt – das Material des ersten Werkstücks 110 zur Füllung der Schlitznuten 130 innerhalb des zweiten Werkstücks 120, wodurch die Fügestelle geformt wird.
3 veranschaulicht das Fügen des ersten Werkstücks 110 und des zweiten Werkstücks 120 unter Verwendung eines Induktionserwärmungsprozesses. Der Induktionserwärmungsprozess ist von Vorteil, wenn die Werkstücke 110, 120 elektrisch leitendes Material enthalten (z. B. Metall).
Bei dem beispielhaften Induktionserwärmungsprozess liegt eine Kompressionskraft an der zweiten Fläche 114 des ersten Werkstücks 110 an, dass thermoplastische Materialien enthält, wobei die erste Fläche 122 des zweiten Werkstücks 120 leitende Materialien umfasst. Eine Induktionsheizung 305 (beispielsweise eine Heizspule) leitet elektrischen Strom (beispielsweise Wirbelstrom) durch das zweite Werkstück 120, und der Widerstand führt zu einer Erwärmung der zweiten Fläche 124 des zweiten Werkstücks 120. Eine Erwärmung des zweiten Werkstücks 120 bildet einen Induktionsschweißbereich 300 (als ein Bereich innerhalb eines Kreises in 3 dargestellt), der sich zu dem ersten Werkstück 110 erstreckt, wobei ein Schmelzen des thermoplastischen Materials bewirkt wird. Beim Schmelzen treibt der Kompressionsdruck – beispielsweise durch Klemmung erzeugt – das thermoplastische Material zum Füllen der geformten Nuten 140 in dem zweiten Werkstück 120, wobei die Fügestelle gebildet wird.
Alternativ kann die Induktionsheizung 305 Wärme unter Verwendung von Verlusten erzeugen, die der magnetischen Hysterese zugeordnet sind. Das Erzeugen von Wärme unter Verwendung von Verlusten aus der magnetischen Hysterese kann nützlich sein, wenn das Material des zweiten Werkstücks 120 eine Permeabilität aufweist.
4 veranschaulicht ein Fügen des ersten Werkstücks 110 und des zweiten Werkstücks 120 unter Verwendung eines Ultraschallschweißprozesses. Der Ultraschallschweißprozess kann aufgrund einer Inanspruchnahme von Kraft (als Pfeile bezeichnet) durch ein Schweißhorn 405 und einem Amboss 407 eine Fügestelle mit erhöhter Festigkeit produzieren. Ultraschallschweißen kann verwendet werden, wenn sichtbare Schweißnähte bevorzugt sind.
In dem beispielhaften Ultraschallprozess bringt die Kompressionskraft des Schweißhorns 405 und des Amboss 407 die zweite Fläche 114 des ersten Werkstücks 110 in Anlage mit der ersten Fläche 122 des zweiten Werkstücks 120. Schwingungen von dem Schweißhorn 405 erzeugen Wärme innerhalb der ersten Fläche 112 des ersten Werkstücks 110, wobei ein Ultraschallschweißbereich 400 (dargestellt als ein Bereich innerhalb eines Kreises in 4) gebildet wird. Wärme innerhalb des Ultraschallschweißbereichs 400 schmilzt das Material des ersten Werkstücks 110, das die geätzten Nuten 150 innerhalb des zweiten Werkstücks 120 füllt, wobei die Fügestelle gebildet wird.
III. Muster – Fig. 5
Innerhalb des Fügesystems 100 können die Nuten 130, 140, 150 die Muster erzeugen, wie in 5 gezeigt ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Gussmaterial 160 und/oder das separate Material die Muster erzeugen, wie in 5 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen können die Nuten 130, 140, 150 ein erstes Muster erzeugen und das Gussmaterial 160/separate Material 170 können ein zweites Muster bilden, das dem ersten Muster entspricht, was eine Verriegelung des ersten Werkstücks 110 mit dem zweiten Werkstück 120 unterstützt.
Das Fügesystem 100, wie oben beschrieben ist, kann Nuten 130, 140, 150 mit Zufallsmustern an mindestens einem der Werkstücke 110, 120 aufweisen, wie in einer zufälligen Verteilung 510 zu sehen ist. Alternativ können die Nuten 130, 140, 150 innerhalb eines der Werkstücke 110, 120 in Mustern geformt sein, die einen Nutzen für die Fügeanwendung bieten.
Muster können eine zusätzliche Festigkeit innerhalb der Fügestelle bereitstellen, wenn zumindest eine Fläche zumindest eines der Werkstücke 110, 120 krummlinige Eigenschaften aufweist (beispielsweise das erste Werkstück 110 gekrümmt ist). Bei einer Ausführungsform bilden die Nuten 130, 140, 150 ein Parallellinienmuster 520, bei dem die Nuten 130, 140, 150 entlang einer Länge und/oder einer Breite von mindestens einem der Werkstücke 110, 120 beabstandet sind. Bei einer Ausführungsform bilden die Nuten 130, 140, 150 ein Kreuzschraffur-Linienmuster 525, um eine zusätzliche Festigkeit in mehr als einer Richtung bereitzustellen.
Bei einer Ausführungsform bilden die Nuten 130, 140, 150 ein Muster 527 mit kontinuierlicher Linie. Das Muster 527 mit kontinuierlicher Linie kann aus parallelen Linien bestehen, wie in 5 gezeigt ist. Das Muster mit kontinuierlicher Linie kann auch Muster mit gerader Linie bilden, wie unter anderem eine Kreuzschraffur.
Zusätzlich können Muster verwendet werden, um eine zusätzliche Festigkeit innerhalb der Fügestelle bereitzustellen, wenn zumindest eines der Werkstücke 110, 120 geometrisch geformt ist (beispielsweise das erste Werkstück 110 kreisförmig ist). Muster können unter Verwendung von geometrischen Formen gebildet werden, wie Quadrate, Kreise, Ovale, Dreiecke und andere.
Geometrische Muster können konzentrischer Natur sein, wie durch ein konzentrisches quadratisches Muster 530 und ein konzentrisches Kreismuster 535 von 5 zu sehen ist. Alternativ können geometrische Muster unabhängiger Natur sein, wie durch ein unabhängiges quadratisches Muster 540 und ein unabhängiges Kreismuster 545 zu sehen ist.
Bei einer Ausführungsform bilden die Nuten 130, 140, 150 ein kontinuierliches konzentrisches Muster 537 oder ein kontinuierliches unabhängiges Muster 547. Das kontinuierliche konzentrische Muster 537 und das kontinuierliche unabhängige Muster 547 können, wie oben erwähnt, eine beliebige Anzahl von geometrischen Formen bilden.
Andere Muster sind möglich und können für einen Systemkonstrukteur abhängig von der Anwendung bevorzugt sein.
IV. Gewählte Merkmale der vorliegenden Technologie
Viele Merkmale der vorliegenden Technologie sind hierin oben beschrieben. Der vorliegende Abschnitt stellt zusammenfassend einige ausgewählte Merkmale der vorliegenden Technologie dar. Der vorliegende Abschnitt hebt nur einige der vielen Merkmale der Technologie hervor und die folgenden Absätze sind nicht als einschränkend beabsichtigt.
Ein Vorteil der vorliegenden Technik ist, dass die Werkstücke robust durch mechanische Verriegelung gefügt werden, die durch Nuten bereitgestellt wird, die an einer Fügefläche von zumindest einem Werkstück gebildet sind. Eine mechanische Verriegelung erfolgt durch Formen von Nuten an dem Werkstücken) an der Fügefläche, was die Fügefestigkeit, wie Abziehfestigkeit, über Werkstücke, die ohne Nuten gefügt sind, verbessern kann.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Technologie besteht darin, dass physikalische Eigenschaften der Nuten für eine bestimmte Fügeanwendung verändert werden können. Die Größe, Form und Tiefe der Nuten kann gemäß Konstruktionsanforderungen geändert werden, wie Festigkeit oder erforderliche Fügegeschwindigkeit. Zusätzlich können die Nuten in dem Werkstück in Mustern gemäß Auslegungsanforderungen und/oder Werkstückform gebildet werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Technik besteht darin, dass die mechanische Verriegelung an der Fügefläche ohne Verwendung von separaten mechanischen Verriegelungselementen erreicht werden kann, wie Klebstoffe, Nieten oder Schrauben. Das beseitigen der Notwendigkeit separater mechanische Verriegelungselemente kann das Gewicht der Fügestelle reduzieren und eine glatte Fügefläche bereitstellen, die nicht durch Schrauben-, Bolzen- bzw. Nietenköpfe unterbrochen ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Technologie ist, dass die glatte Fügefläche durch einseitiges Fügen erreicht wird. Ein einseitiges Fügen hinterlässt keine sichtbaren Erscheinungsauswirkungen auf die Werkstückflächen gegenüberliegend der Fügefläche. Die Beseitigung von sichtbaren Auswirkungen auf die Werkstücke ermöglicht eine Freiheit bei der Fügegestaltung und Gestaltungsfreiheit bei der Anwendung.
IV. Schluss
Es sind hier verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart. Die offenbarten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Formen und Kombinationen daraus ausgeführt werden können.
Varianten, Modifikationen und Kombinationen können an den oben beschriebenen Ausführungsformen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Ansprüche durchgeführt werden. Alle derartigen Varianten, Modifikationen und Kombinationen sind hier durch den Schutzumfang dieser Offenbarung und die folgenden Ansprüche enthalten.

Claims

Verfahren zum Formen einer Fügefläche zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück, umfassend, dass: eine dem ersten Werkstück zugehörige zweite Fläche, die einer ersten Fläche gegenüberliegt, für einen Kontakt mit einer dem zweiten Werkstück zugehörigen ersten Fläche, die einer zweiten Fläche gegenüberliegt, bereitgestellt wird, wobei die erste Fläche des zweiten Werkstücks eine darin geformte Nut aufweist; Energie an zumindest eines des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks angelegt wird, was ein Schmelzen von Material des ersten Werkstücks, wobei geschmolzenes Material erzielt wird, und ein Fließen in die Nut bewirkt wird, die in der ersten Fläche des zweiten Werkstücks ausgebildet ist; und zugelassen oder bewirkt wird, dass das geschmolzene Material kühlt, wobei eine Verriegelungsverschweißung gebildet wird, die das erste Werkstück mit dem zweiten Werkstück fügt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die Nut unter einem Winkel zwischen 90 Grad und 0 Grad zu der ersten Fläche des zweiten Werkstücks erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die erste Fläche des zweiten Werkstücks eine Vielzahl von darin geformten Nuten aufweist; eine erste der Nuten eine Seite aufweist, die sich unter einem ersten Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad von der ersten Fläche des zweiten Werkstücks in einem Referenzrahmen erstreckt, und eine zweite der Nuten eine Seite aufweist, die sich unter einem zweiten Winkel zwischen 90 Grad und 180 Grad von der ersten Fläche des zweiten Werkstücks in dem Referenzrahmen erstreckt; und eine Energieaufbringung bei der Bildung des Systems umfasst, dass das Material des ersten Werkstücks schmilzt, was zur Folge hat, dass dieses in jede der Nuten, die in der ersten Fläche des zweiten Werkstücks geformt sind, zur Bildung der Verriegelungsverschweißung fließt, die das erste Werkstück mit dem zweiten Werkstück fügt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das erste Werkstück vor der Energieaufbringung einen Vorsprung umfasst, der sich von der zweiten Fläche gegenüberliegend der Nut in der ersten Fläche des zweiten Werkstücks erstreckt; und eine Energieaufbringung bei der Bildung des Systems, um das Material des ersten Werkstücks zu schmelzen, umfasst, dass zumindest ein Teil des Vorsprungs geschmolzen wird, so dass er in die Nut zur Bildung der Verriegelungsverschweißung fließt, die das erste Werkstück mit dem zweiten Werkstück fügt.
System, umfassend: ein erstes Werkstück, das eine erste Fläche und eine zweite Fläche gegenüberliegend der ersten Fläche umfasst; und ein zweites Werkstück, das eine erste Fläche umfasst, die durch eine Verriegelungsverschweißung mit der zweiten Fläche des ersten Werkstücks verbunden ist und darin geformt eine Nut aufweist, die Teil der Verriegelungsverschweißung bildet; wobei das System dadurch geformt wird, dass: die zweite Fläche des ersten Werkstücks in Kontakt mit der ersten Fläche des zweiten Werkstücks vorgesehen wird; Energie an zumindest eines des erste Werkstücks und des zweiten Werkstücks angelegt wird, was ein Schmelzen von Material des ersten Werkstücks, wobei geschmolzenes Material erzielt wird, und ein Fließen in die Nut bewirkt, in der ersten Fläche des zweiten Werkstücks ausgebildet ist; und zugelassen oder bewirkt wird, dass das geschmolzene Material kühlt, wobei eine Verriegelungsverschweißung gebildet wird, die das erste Werkstück mit dem zweiten Werkstück fügt.
System nach Anspruch 5, wobei: die erste Fläche des zweiten Werkstücks eine Vielzahl von darin geformten Nuten aufweist; eine erste der Nuten eine Seite aufweist, die sich unter einem ersten Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad von der ersten Fläche des zweiten Werkstücks in einem Referenzrahmen erstreckt, und eine zweite der Nuten eine Seite aufweist, die sich unter einem zweiten Winkel zwischen 90 Grad und 180 Grad von der ersten Fläche des zweiten Werkstücks in dem Referenzrahmen erstreckt; und eine Energieaufbringung bei der Bildung des Systems umfasst, dass das Material des ersten Werkstücks schmilzt, was zur Folge hat, dass dieses in jede der Nuten, die in der ersten Fläche des zweiten Werkstücks geformt sind, zur Bildung der Verriegelungsverschweißung fließt, die das erste Werkstück mit dem zweiten Werkstück fügt.
System nach Anspruch 5, wobei: die Nuten eine erste Wand und eine zweite Wand aufweisen; sich zumindest ein Teil der ersten Wand unter einem ersten Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad von der ersten Fläche des zweiten Werkstücks in einem Referenzrahmen erstreckt; und sich zumindest ein Teil der zweiten Wand unter einem zweiten Winkel zwischen 90 Grad und 180 Grad von der ersten Fläche des zweiten Werkstücks in dem Referenzrahmen erstreckt.
System, umfassend: ein erstes Werkstück, das eine erste Fläche und eine zweite Fläche gegenüberliegend der ersten Fläche umfasst; und ein zweites Werkstück, das eine erste Fläche umfasst, die durch eine Verriegelungsverschweißung mit der zweiten Fläche des ersten Werkstücks verbunden ist und darin geformt eine Nut aufweist, die Teil der Verriegelungsverschweißung bildet; wobei das System dadurch geformt wird, dass: die zweite Fläche des ersten Werkstücks in Kontakt mit der ersten Fläche des zweiten Werkstücks vorgesehen wird; Energie an zumindest eines des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks angelegt wird, was ein Schmelzen von Material des ersten Werkstücks, wobei geschmolzenes Material erzielt wird, und ein Erweichen von Wandmaterial der Nut bewirkt, die in der ersten Fläche des zweiten Werkstücks ausgebildet ist, wobei ein erweichtes Material erzielt wird; und zugelassen oder bewirkt wird, dass das geschmolzene Material des ersten Werkstücks in die Nut des zweiten Werkstücks fließt; und zugelassen oder bewirkt wird, dass das geschmolzene Material des ersten Werkstücks und das erweichte Material der Nut des zweiten Werkstücks kühlen, wobei eine Verriegelungsverschweißung gebildet wird, die das erste Werkstück an das zweite Werkstück fügt.
System nach Anspruch 8, wobei das Wandmaterial bei der Formung des Systems dadurch erweicht wird, dass das geschmolzene Material in die Nut fließt.
System nach Anspruch 8, wobei zumindest ein Teil des Wandmaterials bei der Formung des Systems erweicht wird, bevor das geschmolzene Material in die Nut fließt.