DE102016125600A1

DE102016125600A1 - Fügeverfahren und Fügevorrichtung

Info

Publication number: DE102016125600A1
Application number: DE102016125600.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Reis; Gerson Meschut; Bah EISSARA
Original assignee: Newfrey LLC
Current assignee: Newfrey LLC
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2018-06-28
Also published as: EP3988235A1; EP3558579B1; JP7210454B2; JP2020501910A; WO2018114719A3; EP3558579A2; KR20190100263A; WO2018114719A2; CN110402178A; US20190314923A1

Abstract

Verfahren zum Fügen von Fügeelementen (24) an Bauteile (32), insbesondere zum Bolzenschweißen, mit den Schritten: Bereitstellen eines Fügeelementes (24), das eine erste Fügefläche (30) aufweist, und Bereitstellen eines Bauteiles (32), das eine zweite Fügefläche (34) aufweist; Vorbereiten der ersten und/oder der zweiten Fügefläche (30, 34), wobei der Vorbereitungsschritt beinhaltet, den Zustand der ersten und/oder der zweiten Fügefläche (30, 34) zu erfassen; Fügen des Fügeelementes (24) an das Bauteil (32); wobei der Vorbereitungsschritt beinhaltet, an der ersten und/oder an der zweiten Fügefläche (30, 34) wenigstens eines der folgenden Erfassungsverfahren durchzuführen: (i) eine elektrische Kontaktwiderstandsmessung an der Fügefläche (30, 34), (ii) eine elektrische Leitfähigkeitsmessung an der Fügefläche (30, 34) und (iii) eine Fluoreszenzmessung an der Fügefläche (30, 34). ()

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Fügeelementen an Bauteile, insbesondere zum Bolzenschweißen, mit den Schritten, ein Fügeelement bereitzustellen, das eine erste Fügefläche aufweist, ein Bauteil bereitzustellen, das eine zweite Fügefläche aufweist, und das Fügeelement an das Bauteil zu fügen, beispielsweise durch Bolzenschweißen oder auch durch Bolzenkleben oder dergleichen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Fügevorrichtung zum Fügen von Fügeelementen an Bauteile, insbesondere zur Durchführung des oben genannten Verfahrens, mit einem Fügekopf, an dem eine Halteeinrichtung zum Halten eines auf ein Bauteil zu fügendes Fügeelement angeordnet ist, derart, dass eine erste Fügefläche des Fügeelementes auf eine zweite Fügefläche des Bauteils ausrichtbar ist.
Bei dem oben genannten Verfahren werden vorzugsweise Fügeelemente wie Bolzen auf Bauteile wie Bleche gefügt, derart, dass die Bolzen senkrecht gegenüber einer Oberfläche des Bauteiles hervorstehen. Derartige gefügte Anordnungen lassen sich dazu verwenden, um beispielsweise Clips aus Kunststoff an dem Bolzen zu befestigen. Die Clips können beispielsweise dazu dienen, um Leitungen in Bezug auf das Bauteil festzulegen, wie beispielsweise Elektro-, Kraftstoff- oder Bremsleitungen. Das gattungsgemäße Fügeverfahren wird daher insbesondere auf dem Gebiet des Karosseriebaus für Kraftfahrzeuge eingesetzt.
Beim Bolzenschweißen wird ein elektrischer Stromfluss zwischen dem Fügeelement und dem Bauteil eingerichtet, wobei das Fügeelement gegenüber dem Bauteil abgehoben wird, so dass ein Lichtbogen dazwischen gezogen wird. Der Lichtbogen führt zu einem Anschmelzen der gegenüberliegenden Fügeflächen von Bauteil und Fügeelement. Anschließend wird das Fügeelement auf das Bauteil abgesenkt, so dass der elektrische Fügestrom kurzgeschlossen wird. Die Gesamtschmelze erstarrt und der Fügeprozess ist abgeschlossen.
Beim Bolzenkleben wird ein Fügeelement in der Regel vorab an einer Fügefläche mit einem aktivierbaren Klebstoff versehen. Das Bolzenkleben erfolgt dann, indem der Klebstoff aktiviert wird. Anschließend werden das Fügeelement und das Bauteil gegeneinander gepresst und schließlich wird der Klebstoff ausgehärtet. Dies kann durch verschiedene äußere Faktoren erfolgen, insbesondere durch Wärme.
Für die Qualität derartiger Fügeverbindungen ist nicht nur der eigentliche Fügeprozess verantwortlich. Eine nicht unwichtige Rolle spielen dabei auch die Materialbeschaffenheit und die Oberflächengüte des Bauteils, ggf. auch des Fügeelementes. Dies gilt dann, wenn das Bauteil und das Fügeelement aus einem Stahl hergestellt sind. Insbesondere ist diese Problematik jedoch vorhanden, wenn das Bauteil und das Fügeelement jeweils aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sind.
Bei Fügeverbindungen auf der Grundlage von Aluminiumlegierungen machen sich Änderungen in charakteristischen Eigenschaften des Werkstückes besonders bemerkbar. Derartige Eigenschaften können beinhalten, ob es sich bei der Aluminiumlegierung um ein recyceltes Material handelt. Ferner können Probleme hinsichtlich ungleichmäßiger Korngrößen an der oberen Schicht entstehen, die bis zu 1 mm tief reichen kann, und zwar insbesondere bei Strangpressmaterial. Derart ungleichmäßige Korngrößen können zu divergierenden Leitfähigkeiten führen. Dies kann folglich den Stromfluss durch den Lichtbogen hindurch beeinflussen.
Ferner werden manche Bauteile im Gussverfahren hergestellt. Hierbei ergibt sich das Problem, dass die Oberfläche mit Trennmitteln beschichtet ist, bei denen es sich um Wachse, Öle, Polysiloxane, Kohlenwasserstoffe, Polymere etc. handeln kann. Insbesondere dann, wenn der Belag mit derartigen Mitteln über die Fügefläche ungleichmäßig ist, ist es schwierig, Fügeparameter geeignet anzupassen. Bei einer Belegung mit Kohlenstoff kann dies zu Poren oder Lunkern in der Schweißverbindung führen, also insgesamt zu einer höheren Porosität der Schweißverbindung, was die Festigkeit der Schweißverbindung nachteilig beeinflussen kann. Zudem können Legierungselemente Einfluss auf die Schweißbarkeit haben.
Generell werden Bauteile zwar mit bestimmten Oberflächenspezifikationen angefordert. Die Praxis zeigt jedoch, dass diese Oberflächenspezifikationen, auf die ein Fügeprozess dann hinsichtlich der Fügeparameter speziell angepasst wird, nicht immer gut eingehalten werden.
Auf dem Gebiet des Bolzenschweißens ist es bekannt, vor dem eigentlichen Bolzenschweißprozess einen Lichtbogenreinigungsprozess („clean flash“) durchzuführen. Hierbei wird vor dem Schweißprozess ein Lichtbogen mit kleinerem Strom und wechselnder Polarität eingestellt, aufgrund dessen Verunreinigungen ionisiert werden und von der Bauteiloberfläche abgelöst werden. Problematisch bei diesem Prozess ist es, dass sich derartige Verunreinigungen anschließend an der anderen Fügefläche am Bolzen anlagern können, so dass auch in diesem Fall Probleme hinsichtlich konsistenter Fügeverbindungen auftreten können.
Es ist vor diesem Hintergrund eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Fügen von Fügeelemente auf Bauteile sowie eine verbesserte Fügevorrichtung anzugeben.
Die obige Aufgabe wird zum einen gelöst durch ein Verfahren zum Fügen von Fügeelementen an Bauteile, insbesondere zum Bolzenschweißen, mit den Schritten: Bereitstellen eines Fügeelementes, das eine erste Fügefläche aufweist, und Bereitstellen eines Bauteiles, das eine zweite Fügefläche aufweist; Vorbereiten der ersten und/oder der zweiten Fügefläche, wobei der Vorbereitungsschritt beinhaltet, den Zustand der ersten und/oder der zweiten Fügefläche zu erfassen; Fügen des Fügeelementes an des Bauteil; wobei der Vorbereitungsschritt beinhaltet, an der ersten und/oder an der zweiten Fügefläche wenigstens eines der folgenden Erfassungsverfahren durchzuführen: (i) eine elektrische Kontaktwiderstandsmessung an der Fügefläche, (ii) eine elektrische Leitfähigkeitsmessung an der Fügefläche und (iii) eine Fluoreszenzmessung an der Fügefläche.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Fügevorrichtung der eingangs genannten Art, wobei die Fügevorrichtung ferner wenigstens eine der folgenden Erfassungseinrichtungen zum Erfassen eines Zustandes der ersten und/oder der zweiten Fügefläche aufweist: (i) eine elektrische Kontaktwiderstandsmesseinrichtung, (ii) eine elektrische Leitfähigkeitsmesseinrichtung und (iii) eine Fluoreszenzmesseinrichtung.
Bei dem Durchführen des Erfassungsverfahrens kann wenigstens eine charakteristische Variable des Bauteils und/oder des Fügeelementes erfasst werden, um beispielsweise das Bauteil bzw. dessen Fügefläche zu klassifizieren. Es ist bevorzugt, wenn wenigstens eine charakteristische Variable eines Oberflächenabschnittes bzw. der Fügefläche des Bauteils erfasst wird, auf das das Fügeelement zu fügen ist. Die charakteristische Variable kann dabei das Material betreffen, eine Oberflächengüte, eine Oberflächenbearbeitung, eine Kohlenstoffbelegung an der Oberfläche, eine Reinheit, kann Trennstoffe bei einem Gusswerkstück betreffen, kann jedoch auch relative Größen wie beispielsweise das Bauteilmaterial in Bezug zu dem Fügeelementmaterial beinhalten.
Nachfolgend wird auf eine bevorzugte Variante abgestellt, bei der ausschließlich wenigstens eine charakteristische Variable des Bauteils erfasst wird. Demzufolge betrifft das Verfahren insbesondere das Vorbereiten der zweiten Fügefläche und das Durchführen des Vorbereitungsschrittes an der zweiten Fügefläche des Bauteils. Alle folgenden Bezugnahme auf das Vorbereiten und das Durchführen eines Erfassungsverfahrens können sich jedoch in gleicher Weise auch auf entsprechende Variablen eines Fügeelementes beziehen, soweit nicht explizit anderes angegeben ist.
Die Erfassungseinrichtungen sind vorzugsweise jeweils aktive Einrichtungen, bei denen das Bauteil aktiv mit einem physikalischen Prozess beaufschlagt wird, wobei anschließend eine Reaktion hierauf sensorisch erfasst wird.
Das Durchführen der Erfassung ermöglicht es, das Bauteil in einem anschließenden Bewertungsschritt zu klassifizieren. In Abhängigkeit von der Klassifizierung können dann beispielsweise Fügeparameter für einen darauffolgenden Fügeprozess geändert oder angepasst werden. Es ist auch möglich, in Abhängigkeit von der Klassifizierung vor dem Fügeprozess ein ergänzendes Reinigungsverfahren durchzuführen, bei dem es sich beispielsweise um ein Schneestrahlverfahren oder ein Verfahren unter Verwendung eines Plasmagases handeln kann.
Das Bauteil und das Fügeelement sind insbesondere aus einer Aluminiumlegierung hergestellt.
Insbesondere kann bei der Durchführung des Erfassungsverfahrens auf der Grundlage einer elektrischen Leitfähigkeitsmessung an der Fügefläche wenigstens eine der folgenden charakteristischen Variablen erfasst werden: Wärmeleitfähigkeit des Bauteilmaterials, Härte im Falle einer kaltaushärtbaren Aluminium-Legierung, Homogenität des Materials des Bauteils, Aushärtung des Materials des Bauteils, insbesondere in Form einer Aluminium-Legierung, Festigkeit und Härte des Materials des Bauteils, sowie Schwankungen der Leitfähigkeit in Al-Gussbauteilen aufgrund inhomogener Kornstrukturen.
Bei der Fluoreszenzmessung an der Fügefläche ist es insbesondere möglich, Beschichtungen bzw. Beläge (Ölfilme, Fett-Belegungen, Hotmelt-Belegungen, etc.) oder Verunreinigungen an der Fügefläche zu erfassen.
Die Kontaktwiderstandsmessung kann zur Beurteilung der Schweißfähigkeit von Metalloberflächen eingesetzt werden. Der Kontaktwiderstand ergibt sich dabei als Summe eines sogenannten Engewiderstandes und eines sogenannten Fremdschichtwiderstandes. Der Engewiderstand ist vorzugsweise bestimmt durch eine Einschnürung von Stromlinien durch die sehr kleinen Kontaktflächen zwischen einem Messkontakt und Oberflächenrauhigkeitsspitzen. Der sogenannte Fremdschichtwiderstand betrifft insbesondere Berührungsflächen mit Fremdschichten (Oxidationsschichten etc.). Die Kontaktwiderstandmessung arbeitet dabei vorzugsweise mit minimalen bzw. sehr kleinen Spannungen, die so niedrig sind, dass eine Verschweißung der sehr kleinen Kontaktflächen vermieden werden kann. Auf diese Weise kann eine Verfälschung der Kontaktwiderstandsmessung verhindert werden.
Durch die Kontaktwiderstandsmessung kann beispielsweise eine Alterung eines Aluminiumwerkstoffes erfasst werden, da hierdurch der Kontaktwiderstand deutlich erhöht sein kann.
Die Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die elektrische Leitfähigkeitsmessung, mittels eines Generators ein elektromagnetisches Generatorfeld zu erzeugen und den Generator in die Nähe der Fügefläche zu bringen, um in das Material des Bauteils und/oder in das Material des Fügeelementes einen elektrischen Wirbelstrom zu induzieren, und beinhaltet ferner, mittels eines Sensors ein durch den induzierten Wirbelstrom erzeugtes elektromagnetisches Antwortfeld zu erfassen.
Das von dem Generator erzeugte elektromagnetische Generatorfeld ist insbesondere ein magnetisches Generatorfeld, und vorzugsweise ein Wechselfeld. Der Generator wird vorzugsweise so angeordnet, dass er von der Fügefläche beabstandet ist. Zur Durchführung der Leitfähigkeitsmessung ist es bevorzugt, wenn vorab Referenzwerkstücke des Bauteils (oder des Fügeelementes) hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit gemessen werden, wobei die anschließenden Messungen dann mit den sich bei den Referenzwerkstücken ergebenden Werten verglichen werden. Das Material des Bauteils ist vorzugsweise ein nicht magnetisierbares Material. Der Messbereich der Leitfähigkeitsmessung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 MS/m bis 100 MS/m, vorzugsweise in einem Bereich von 1 MS/m bis 100 MS/m.
Von besonderem Vorzug ist es ferner, wenn das erzeugte elektromagnetische Generatorfeld eine Frequenz in einem Bereich von 10 kHz bis 2 MHz hat, insbesondere in einem Bereich von 10 kHz bis 500 kHz, und besonders bevorzugt in einem Bereich von 20 kHz bis 300 kHz.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Fluoreszenzmessung, die Fügefläche mittels eines Generators mit elektromagnetischer Generatorstrahlung zu beaufschlagen, so dass das Material oder Materialien eines Belages bzw. einer Belegung auf der Fügefläche atomar angeregt wird bzw. werden, wobei eine Emission von aufgrund dessen abgegebener Antwortstrahlung, insbesondere eine Emission von Lichtquanten, mittels eines Sensors erfasst wird.
Die elektromagnetische Generatorstrahlung liegt vorzugsweise in einem Frequenzbereich, der für Menschen sichtbar ist, zuzüglich UV und/oder zuzüglich IR.
Von besonderem Vorzug ist es, wenn die Generatorstrahlung eine UV-Strahlung ist.
Die Fluoreszenzmessung kann folglich als strahlungsinduzierte Fluorenzspektroskopie durchgeführt werden, und zwar basierend auf der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung und Materie. Die Atome in den Oberflächenschichten der Fügefläche werden durch die Lichtquanten bzw. die Quanten aus elektromagnetischer Strahlung auf ein höheres Energieniveau gebracht. Diese Energie wird anschließend aufgrund der Fluoreszenz in Form von Strahlung wieder abgegeben, insbesondere als Strahlungsimpulse. Je nach Material und Menge der Belegung werden unterschiedliche Mengen an Impulsen abgegeben. Diese Zählstände bzw. „Counts“ werden gezählt und ausgewertet.
Auch bei der Fluoreszenzmessung erfolgt vorzugsweise eine Reihe von Vorabversuchen mit Referenzbelegungen, um anschließend Vergleiche mit tatsächlichen Messungen an aktuellen Bauteilen durchführen und hiermit vergleichen zu können. Beispielsweise können hierzu Kalibrierungen in der Fluoreszenzerfassungseinrichtung gespeichert werden, beispielsweise für bestimmte Materialien des Bauteils in Kombination mit bestimmten Zusammensetzungen des Belages bzw. der Belegung.
Von besonderem Vorzug ist es, wenn die zur Anregung des Belages auf der Fügefläche verwendete Generatorstrahlung eine LED- oder eine Laserstrahlung ist. Ein hierzu verwendeter Laser kann beispielsweise ein Festkörperlaser sein, insbesondere in der Leistungsklasse 1M.
Die LED-Strahlung kann eine UV-LED-Strahlung sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Generator und der Sensor in einer Messsonde aufgenommen, deren Durchmesser in einem Bereich von 7 mm bis 50 mm liegt, insbesondere in einem Bereich von 8 mm bis 40 mm.
Bei der Leitfähigkeitsmesseinrichtung kann der Durchmesser der Messsonde beispielsweise in einem Bereich von 7 mm bis 20 mm liegen. Bei der Fluoreszenzmessung kann eine Messsonde bzw. ein Messkopf beispielsweise einen Durchmesser von 8 mm bis 40 mm haben, insbesondere 30 mm bis 40 mm.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn der Vorbereitungsschritt innerhalb eines Zeitraumes von größer gleich 0,1 s und kleiner gleich 2 s durchgeführt wird.
Hierdurch kann der Vorbereitungsschritt optimal in eine Fügeprozesskette integriert werden.
Der Vorbereitungsschritt kann entweder statisch durchgeführt werden, derart, dass eine Messsonde und das Bauteil für den Messzeitraum bzw. Vorbereitungszeitraum in einer festen Relativposition zueinander gehalten werden. Alternativ ist es auch möglich, den Vorbereitungsschritt dynamisch durchzuführen, wobei der Vorbereitungsschritt durchgeführt wird, während eine Relativbewegung zwischen dem Bauteil und einer Messsonde erfolgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Kontaktwiderstandsmessung, an die Fügefläche mittels einer Kontaktsonde ein elektrisches Potential anzulegen und (a) die Kontaktsonde mit steigender Kraft (F) auf die Fügefläche zu drücken und/oder (b) den Wert des elektrischen Potenzials (U) an der Kontaktsonde zu steigern, wobei eine sich aufgrund der Steigerung(en) ergebende Widerstandsänderung erfasst wird. Die Kontaktwiderstandsmessung eignet sich insbesondere zur Erfassung von kontaminierten Oberflächen oder Sperrschichten an der Fügefläche. Nach Durchbrechung dieser Schicht fällt der Kontaktwiderstand in der Regel deutlich ab, was durch eine entsprechende Widerstandsänderung erfassbar ist.
Die Kontaktwiderstandsmessung kann auch zur Bewertung von vorab durchgeführten Reinigungsverfahren durchgeführt werden. Die elektrische Leitfähigkeitsmessung kann Rückschlüsse auf zahlreiche schweißrelevante Materialkennwerte liefern und kann eine geringe Messzykluszeit besitzen. Ferner können die Abmessungen einer Messsonde bzw. eines Prüfkopfes gering sein.
Die Fluoreszenzmessung kann ebenfalls zur Bewertung von vorab durchgeführten Reinigungsverfahren genutzt werden. Es ergibt sich ferner eine niedrige Messzykluszeit. Auch die Abmessungen eines Prüfkopfes bzw. einer Messsonde können gering sein.
Die Erfassungseinrichtung oder die mehreren Erfassungseinrichtungen können unabhängig von einem Fügekopf in die Fügeanlagentechnik integriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine Erfassungseinrichtung an dem Fügekopf gelagert.
Hierdurch kann die Integration in die Fügeanlagentechnik deutlich erhöht werden. Zudem kann ein Roboter verwendet werden, um die Erfassungseinrichtung geeignet in Bezug auf eine Fügefläche zu positionieren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Fügevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Detailansicht II der 1;
3 ein Diagramm von Zählwerten über einer Belagdichte aus einer Fluoreszenzmessung an einer Fügefläche;
4 eine schematisch dargestellte Messsonde zur Durchführung einer Fluoreszenzmessung;
5 eine schematische Darstellung einer Messsonde zur Durchführung einer Leitfähigkeitsmessung;
6 ein bei der Leitfähigkeitsmessung verwendetes Diagramm zur Darstellung der Leitfähigkeit, der Härte und der Zugfestigkeit eines Materials in Abhängigkeit von der Temperatur;
7 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Kontaktwiderstandsmessung;
8 ein Diagramm von Widerstand über Kraft bei Durchführung eines Kontaktwiderstandsmessverfahrens; und
9 ein Diagramm von Widerstand über Spannung bei Durchführung eines Kontaktwiderstandsmessverfahrens.

In 1 ist eine Fügevorrichtung schematisch dargestellt und generell mit 10 bezeichnet. Die Fügevorrichtung 10 einen Fügekopf 12 auf, der vorzugsweise an einem Roboterarm 16 eines Roboters 14 festgelegt ist. An dem Fügekopf 12 ist ein Schlitten 18 entlang einer Fügeachse 20 verschieblich gelagert. An dem Schlitten 18 ist eine Halteeinrichtung 22 ausgebildet, mittels der ein Fügeelement 24 gehalten werden kann. Das Fügeelement 24 weist einen Schaftabschnitt 26 auf, an dem das Fügeelement 24 mittels der Halteeinrichtung 22 gehalten werden kann, sowie einen Flanschabschnitt 28. An einer dem Schaftabschnitt 26 axial abgewandten Seite des Flanschabschnittes 28 ist eine erste Fügefläche 30 ausgebildet.
Das Fügeelement 24 ist mittels der Fügevorrichtung 10 auf ein Bauteil 32, beispielsweise ein Blechbauteil einer Fahrzeugkarosserie, fügbar. Das Bauteil 32 weist eine zweite Fügefläche 34 auf, die mit der ersten Fügefläche 30 ausgerichtet wird, bevor der Fügeprozess beginnt.
Vorliegend ist die Fügevorrichtung zum Bolzenschweißen ausgebildet, könnte jedoch auch zum Bolzenkleben ausgebildet sein. Beim Bolzenschweißen wird das Fügeelement 24 durch Bewegung des Schlittens 18 auf das Bauteil 32 abgesenkt. Anschließend wird zwischen dem Fügeelement 24 und dem Bauteil 32 eine Spannung angelegt, so dass ein elektrischer Strom fließt. Anschließend wird das Bauteil 24 wieder abgehoben, so dass ein Lichtbogen gezogen wird. Durch den Lichtbogen schmelzen die einander gegenüberliegenden Fügeflächen 30, 34 an. Anschließend wird das Fügeelement 24 wieder auf das Bauteil 32 abgesenkt, wonach aufgrund des elektrischen Kurzschlusses der Lichtbogenstrom abgeschaltet wird. Die Gesamtschmelze erstarrt, und das Fügeelement 24 ist stoffschlüssig mit dem Bauteil 32 verbunden.
Ein derartiger Bolzenschweißprozess ist allgemein bekannt. Statt des beschriebenen Hubzündungsverfahrens kann auch ein Spitzenzündungsverfahren verwendet werden.
Das Fügeelement 24 und das Bauteil 32 sind vorzugsweise aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Das Durchführen des Fügeprozesses erfolgt mit gewissen Fügeparametern. Die Fügeparameter sind ggf. einstellbar, und zwar in Abhängigkeit davon, wie der Zustand insbesondere der zweiten Fügefläche 34 vor dem Fügeprozess ist.
Die Ermittlung des Zustandes der zweiten Fügefläche 34 kann dazu verwendet werden, um die Fügeparameter anzupassen oder um vor Einleitung des Fügeprozesse weitere Schritte zu initiieren, beispielsweise einen zusätzlichen Reinigungsschritt, bei dem die zweite Fügefläche 34 mittels eines physikalischen Mediums wie eines Plasmagases oder eines Schneestrahles beaufschlagt wird.
Generell kann eine zur Zustandserfassung verwendete Erfassungseinrichtung 40 rein passiv arbeiten. Vorliegend ist die Erfassungseinrichtung 40 jedoch als aktive Erfassungseinrichtung ausgebildet, bei der die Erfassungseinrichtung 40 die zweite Fügefläche 34 anregt, wie es bei 36 schematisch angedeutet ist, woraufhin an der zweiten Fügefläche 34 eine Reaktion entsteht, die in 1 schematisch bei 38 gezeigt ist und die von der Erfassungseinrichtung 40 erfassbar ist.
Die Erfassungseinrichtung 40 kann, wie dargestellt, an dem Fügekopf 12 gelagert sein.
Alternativ, wie es ebenfalls in 1 dargestellt ist, kann die Erfassungseinrichtung als separat von dem Fügekopf 12 ausgebildete Erfassungseinrichtung 40' ausgebildet sein.
In 1 ist bei D_F ein Durchmesser der zweiten Fügefläche 34 angedeutet. Vorzugsweise ist ein Durchmesser D_M, der von der Erfassungseinrichtung 40 oder 40' an der Oberfläche des Bauteils 32 abgedeckt werden kann, größer als der Durchmesser D_F. Beispielsweise kann die Erfassungseinrichtung 40' eine Messsonde aufweisen, die einen Durchmesser D_M hat, der vorzugsweise größer ist als D_F.
2 zeigt eine Detailansicht II der 1. Hier ist schematisch angedeutet, dass das Bauteil 32 in einer Oberflächenschicht eine Kornstruktur 42 haben kann, die beispielsweise kleinere Körner 44 und größere Körner 46 beinhalten kann.
Ferner ist in 2 dargestellt, dass an der Oberfläche bzw. der zweiten Fügefläche 34 des Bauteils 32 ein Belag bzw. eine Belegung 50 ausgebildet sein kann, die beispielsweise eine Ölfilm-, eine Fett-, eine Hotmelt-Belegung, eine Belegung mit Wachsen, Ölen, Polysiloxanen, eine Belegung mit Kohlenwasserstoffen, Polymeren etc. sein kann.
Die Materialien bzw. die Zusammensetzung des Belages 50 und eine in 2 schematisch angedeutete Belagdicke 52 können einen erheblichen Einfluss auf den oben beschriebenen Fügeprozess haben.
In 2 ist angedeutet, dass die Anregung 36 beispielsweise wellenförmig sein kann und Materialien des Belages 50 anregen kann, insbesondere atomar anregen kann, woraufhin von dem Belag 50 anschließend eine Reaktionsstrahlung 38 abgegeben wird.
2 zeigt damit ein Beispiel einer Erfassungseinrichtung in Form einer Fluoreszenzmesseinrichtung 40-1.
Hierbei wird die Fügefläche 34 bzw. deren Belag 50 mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mit Lichtstrahlung beaufschlagt, wobei die Bestandteile des Belages 50 und/oder des darunterliegenden Materials des Bauteils 32 angeregt werden und dann aufgrund der Fluoreszenzcharakteristik eine Reaktionsstrahlung 38 abgeben, die häufig in einem anderen Wellenlängenbereich liegt als die Anregungsstrahlung 36.
Insbesondere können hierbei von dem Belag 50 bzw. dem Bauteil 32 Reaktionsstrahlungsimpulse abgegeben werden, die sich zählen lassen.
3 zeigt ein Diagramm eines Zählstandes n über einer Belagsdichte bzw. -stärke, gemessen in g/m².
Es ist zu erkennen, dass mit steigender Dichte bzw. Belagstärke des Belages 50 aufgrund der dann größeren Anzahl von Atomen, die aufgrund der Anregungsstrahlung angeregt und in einen höheren Energiezustand versetzt werden, sich entsprechend höhere Zählstände ergeben.
Das in 3 gezeigte Diagramm 56 kann eine entsprechende Fluoreszenzkurve 58 beinhalten, die abschnittsweise linear sein kann, jedoch vorzugsweise nach der Funktion eines Verzögerungsgliedes mit ansteigender Belagsstärke in einen Sättigungsbereich geht.
In 3 sind dabei auf der Fluoreszenzkurve 58 mehrere Messpunkte mit linearen Kalibrierungsabschnitten gezeigt.
Um aktuelle zweite Fügeflächen 34 bewerten zu können, erfolgt vorzugsweise eine Kalibrierung der Fügefläche im Hinblick auf das Material des Bauteils 32 und/oder das Material bzw. den Hauptbestandteil des Belages 50. Hierdurch ist es möglich, aktuelle Fügeflächen 34 mit vorab gemessenen Referenzfügeflächen zu vergleichen, aufgrund derer die Erfassungseinrichtung 40-1 kalibriert worden ist, und zwar vorzugsweise für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Kombinationen von Material des Bauteils 32 und eines Hauptbestandteils des Belages 50.
In 4 ist in schematischer Form eine Erfassungseinrichtung 40-1 gezeigt, die in einer Messsonde bzw. einem Sondengehäuse 60 einen Generator 62 zum Erzeugen einer Generatorstrahlung 36-1 und einen Sensor 64 zum Erfassen einer Reaktionsstrahlung 38-1 beinhaltet.
Der Durchmesser der Messsonde 60 ist in 4 mit D_M1 angegeben und liegt vorzugsweise in einem Bereich von 8 mm bis 40 mm.
5 zeigt eine vergleichbare Ausführungsform einer Erfassungseinrichtung 40-2 in Form einer Leitfähigkeitsmesseinrichtung.
Hierbei ist in einer Messsonde 60 ein Generator 62 zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere eines magnetischen Wechselfeldes angeordnet. Ferner beinhaltet die Messsonde 60 in diesem Fall einen Sensor 64 zum Erfassen eines Reaktionsfeldes.
Bei dem Material des Bauteils 32 handelt es sich vorliegend vorzugsweise um ein nicht magnetisierbares Material. Folglich werden aufgrund des magnetischen Wechselfeldes 36-2 Wirbelströme i in dem Material des Bauteils 32 induziert, die wiederum zu dem Reaktionsfeld 38-2 führen.
Das Erfassen des Reaktionsfeldes 38-2 lässt Rückschlüsse auf die Leitfähigkeit des Bauteils 32 im Bereich der Fügefläche 34 zu.
6 zeigt beispielhaft ein Diagramm 66, bei dem die Leitfähigkeit a (gemessen in MS/m), eine Härte (gemessen in Barcol) und eine Zugfestigkeit c (gemessen in dN/mm²) über der Temperatur dargestellt sind, und zwar für ein beispielhaftes Material des Bauteils 32.
Aus einem derartigen Diagramm 66 lassen sich bestimmte Rückschlüsse ziehen, wenn die Leitfähigkeit bekannt ist, die sich beispielsweise durch die Erfassungseinrichtung 40-2 der 5 erfassen lässt.
Auch die Erfassungseinrichtung 40-2 der 5 ist vorzugsweise eine kalibrierte Erfassungseinrichtung, bei der vorab diverse Referenzfügeflächen 34 erfasst wurden, deren Messwerte mit Messwerten von aktuellen Fügeflächen verglichen werden.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Erfassungseinrichtung 40-3 in Form einer Kontaktwiderstandsmesseinrichtung.
Hierbei weist die Erfassungseinrichtung 40-3 eine Kontaktsonde 70 auf, die mit einer Kraft F auf die Fügefläche 34 drückbar ist.
Ferner kann an die Kontaktsonde 70 ein Potential in Form einer Spannung U angelegt werden, die einstellbar ist. Bei 74 kann ein Widerstand R zwischen der Kontaktsonde 70 und dem Bauteil 32 gemessen werden.
Bei der Kontaktwiderstandsmessung wird entweder die Kontaktsonde 70 allmählich mit einer immer größer werdenden Kraft in Richtung der Fügefläche 34 angedrückt, und/oder die Spannung U wird allmählich erhöht.
Im ersten Falle ergibt sich ein Diagramm 76, wie es in 8 gezeigt ist. Mit steigender Kraft F nimmt der Widerstand R ab. Bei Erreichen eines Schwellenwertes S (entsprechend einer Widerstandsdifferenz ΔR, ist für die durchgezogene Linie zu erkennen, dass es sich um ein Bauteil 32 ohne oder mit geringen Belägen handelt. Gestrichelt ist in 8 ein Fall dargestellt, bei dem auf der Fügefläche 34 ein Belag vorhanden ist. Demzufolge bleibt der Widerstand R auch mit zunehmender Kraft bis zu einem Schwellenwert S weitgehend konstant und fällt erst dann schlagartig ab. Hierdurch kann erkannt werden, dass auf der Fügefläche 34 ein Belag einer gewissen Stärke vorhanden ist, die von dem Wert von S abhängen kann.
In dem entsprechenden Diagramm 78 der 9 ist die alternative oder zusätzliche Variante gezeigt, bei der die Spannung U allmählich erhöht wird. Auch hier nimmt der Widerstand R allmählich ab. Wiederum ist eine Widerstandsdifferenz ΔR mit einem Schwellenwert S korreliert. Auch hier kann bei Vorhandensein eines Belages der Widerstand R bis zu einem solchen Schwellenwert S weitgehend konstant bleiben und erst dann steil abfallen.

Claims

Verfahren zum Fügen von Fügeelementen (24) an Bauteile (32), insbesondere zum Bolzenschweißen, mit den Schritten: - Bereitstellen eines Fügeelementes (24), das eine erste Fügefläche (30) aufweist, und Bereitstellen eines Bauteiles (32), das eine zweite Fügefläche (34) aufweist; - Vorbereiten der ersten und/oder der zweiten Fügefläche (30, 34), wobei der Vorbereitungsschritt beinhaltet, den Zustand der ersten und/oder der zweiten Fügefläche (30, 34) zu erfassen; - Fügen des Fügeelementes (24) an das Bauteil (32); wobei der Vorbereitungsschritt beinhaltet, an der ersten und/oder an der zweiten Fügefläche (30, 34) wenigstens eines der folgenden Erfassungsverfahren durchzuführen: (i) eine elektrische Kontaktwiderstandsmessung an der Fügefläche (30, 34), (ii) eine elektrische Leitfähigkeitsmessung an der Fügefläche (30, 34) und (iii) eine Fluoreszenzmessung an der Fügefläche (30, 34).
Fügeverfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrische Leitfähigkeitsmessung beinhaltet, mittels eines Generators (62) ein elektromagnetisches Generatorfeld (36-2) zu erzeugen und den Generator (62) in die Nähe der Fügefläche (30, 34) zu bringen, um in das Material des Bauteiles (32) und/oder in das Material des Fügeelementes (24) einen elektrischen Wirbelstrom (i) zu induzieren, und ferner beinhaltet, mittels eines Sensors (64) ein durch den induzierten Wirbelstrom (i) erzeugtes elektromagnetisches Antwortfeld (38-2) zu erfassen.
Fügeverfahren nach Anspruch 2, wobei das elektromagnetische Generatorfeld (36-2) eine Frequenz in einem Bereich von 10 kHz bis 2 MHz hat, insbesondere in einem Bereich von 10 kHz bis 500 kHz, vorzugsweise in einem Bereich von 20 kHz bis 300 kHz.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fluoreszenzmessung beinhaltet, die Fügefläche (30, 34) mittels eines Generators (62) mit elektromagnetischer Generatorstrahlung (36-1) zu beaufschlagen, so dass das das Material oder die Materialien eines Belages (50) auf der Fügefläche (30, 34) atomar angeregt wird/werden, wobei eine Emission von aufgrund dessen abgegebener Antwortstrahlung (38-1), insbesondere die Emission von Lichtquanten, mittels eines Sensors (64) erfasst wird.
Fügeverfahren nach Anspruch 4, wobei die zur Anregung des Belages (50) auf der Fügefläche (30, 34) verwendete Generatorstrahlung (36-1) eine LED- oder eine Laserstrahlung ist.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Generator (62) und der Sensor (64) in einer Messsonde (60) aufgenommen sind, deren Durchmesser (D_M) vorzugsweise in einem Bereich von 7 mm bis 50 mm liegt, insbesondere in einem Bereich von 8 mm bis 40 mm.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Vorbereitungsschritt in einem Zeitraum von größer gleich 0,1 s und kleiner gleich 2 s durchgeführt wird.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kontaktwiderstandsmessung beinhaltet, an die Fügefläche (30, 34) mittels einer Kontaktsonde (70) ein elektrisches Potential (U) anzulegen und (a) die Kontaktsonde mit steigender Kraft (F) auf die Fügefläche (30, 34) zu drücken und/oder (b) den Wert des elektrischen Potentials (U) an der Kontaktsonde (70) zu steigern, wobei eine sich aufgrund der Steigerung(en) ergebende Widerstandsänderung (ΔR) erfasst wird.
Fügevorrichtung (10) zum Fügen von Fügeelementen (24) an Bauteile (32), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Fügekopf (12), an dem eine Halteeinrichtung (22) zum Halten eines auf ein Bauteil (32) zu fügendes Fügeelement angeordnet ist, derart, dass eine erste Fügefläche (30) des Fügeelementes (24) auf eine zweite Fügefläche (34) des Bauteils (32) ausrichtbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügevorrichtung (10) ferner wenigstens eine der folgenden Erfassungseinrichtungen (40) zum Erfassen eines Zustandes der ersten und/oder der zweiten Fügefläche (30, 34) aufweist: (i) eine elektrische Kontaktwiderstandsmesseinrichtung (40-3), (ii) eine elektrische Leitfähigkeitsmesseinrichtung (40-2) und (iii) eine Fluoreszenzmesseinrichtung (40-1).
Fügevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Erfassungseinrichtung (40) an dem Fügekopf (12) gelagert ist.