DE102018119991A1

DE102018119991A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Verbinden thermoplastischer Bauteile durch Widerstandsschweißen, insbesondere für die Herstellung von Luftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102018119991A1
Application number: DE102018119991.0A
Authority: DE
Inventors: Memis Tiryaki; Wolfgang Eilken; Amine Bahrani
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2020-02-20

Abstract

Eine Vorrichtung zum Verbinden thermoplastischer Bauteile von Luftfahrzeugen durch Widerstandsschweißen umfasst ein elektrisch leitfähiges Heizelement (30), um ein erstes Bauteil (11), das thermoplastisches Material umfasst, mit einem zweiten Bauteil (12), das thermoplastisches Material umfasst, in einem elektrisch beheizten Bereich der Bauteile (11, 12) zu verschweißen. Eine Einrichtung (31, 32) dient zum Verschieben des elektrisch beheizten Bereichs der Bauteile (11, 12) in einer Schweißrichtung. Insbesondere sind bewegbare Elektroden (31, 32) oder rollenförmige Elektroden (31, 32) zum kontinuierlichen Verschieben des beheizten Bereichs der Bauteile (11, 12) beim Schweißvorgang vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbinden thermoplastischer Bauteile durch Widerstandsschweißen, insbesondere für die Herstellung von Luftfahrzeugen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug, das mit einer Vorrichtung oder mit einem Verfahren zum Verbinden thermoplastischer Bauteile von Luftfahrzeugen durch Widerstandsschweißen hergestellt ist.
Zum Bau moderner Luftfahrzeuge werden vermehrt Bauteile oder Komponenten aus Verbundwerkstoffen bzw. Faserverbundwerkstoffen eingesetzt. Die einzelnen Komponenten werden beispielsweise durch Nieten, Kleben, Verschrauben oder Schweißen miteinander verbunden.
Der Rumpf eines Luftfahrzeugs besteht meist aus einem festen Rahmen aus Verstärkungselementen, die eine Haut aus einem Komposit- bzw. Verbundwerkstoff tragen. Als Verstärkungselemente dienen Stringer und Spanten, wobei die Stringer in Längsrichtung des Rumpfes und die Spanten in Umfangsrichtung des Rumpfes verlaufen. Bei der Herstellung eines Flugzeugrumpfes werden einzelne Rumpfsegmente getrennt voneinander gefertigt und anschließend zusammengefügt, um den gesamten Rumpf zu bilden.
Häufig werden die überlappenden Hautabschnitte der verschiedenen Segmente mit Nieten verbunden. Die Nietverbindungen sind jedoch punktuell und können daher Spannungskonzentrationen verursachen. Nietverbindungen sind aufwändig herzustellen.
Beim Kleben müssen die Klebeflächen aufwendig vorbereitet werden und es ist ein hoher Zeitaufwand für die Aushärtung des verwendeten Klebstoffs erforderlich. Beim Verbinden der Komponenten durch Verschrauben sind Bohrungen erforderlich, wodurch sich Nachteile in der Struktur des jeweiligen Bauteils ergeben können.
Die Druckschrift DE 10 2015 110 193 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schweißverbinden zweier Komponenten aus thermoplastischem Verbundwerkstoff mit mehreren Schichten.
Die Druckschrift DE 10 2007 003 357 A1 beschreibt das Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem Faserverbundmaterial durch Bewegungsschweißen oder Induktionsschweißen. Zum Induktionsschweißen ist ein elektrisch leitfähiges Material in einem Verbindungsbereich zwischen dem thermoplastischen Material und dem Faserverbundmaterial angeordnet.
Die Druckschrift EP 3 040 265 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden zweier Rumpfabschnitte oder -sektionen. Dabei wird ein Verbindungsrahmen verwendet.
2 zeigt ein bekanntes Verfahren zum Verbinden von Bauteilen durch Widerstandsschweißen. Dabei werden ein erstes Bauteil 110 und ein zweites Bauteil 120 miteinander verbunden. Hierzu ist zwischen den Bauteilen 110, 120 entlang der gesamten Schweißstrecke ein Heizelement 130 angeordnet, das elektrisch leitfähig ist, um Hitze in dem Verbindungsbereich zu erzeugen. Das Heizelement 130 ist hierzu auf beiden Seiten an elektrische Verbindungsklammern 131, 132 angeschlossen, die mit einer Spannungsquelle verbunden sind, um einen Stromfluss durch das Heizelement 130 zu erzeugen. Die am Heizelement 130 anliegende Spannung und der Strom werden gemessen.
Beim Verbinden einzelner Rumpfsegmente mittels Widerstandsschweißen besteht jedoch das Problem, dass Schweißverbindungen über große Längen erzeugt werden müssen. Im Fall von Rumpflängen, die z.B. im Bereich von 24 Metern liegen können, muss eine entsprechend lange Schweißverbindung der überlappenden Hautabschnitte der miteinander zu verbindenden Rumpfsegmente erfolgen. Beim Widerstandsschweißen über große Längen können jedoch Verlustströme entstehen, die zu einem ineffizienten Heizvorgang führen. Es können zudem ungleichmäßige oder fehlerhafte Schweißverbindungen entstehen. Darüber hinaus ist zum Schweißen über lange Strecken ein hoher Energieverbrauch notwendig.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, bei der Herstellung von Luftfahrzeugen Schweißverbindungen thermoplastischer Bauteile über große Längen mit hoher Qualität zu ermöglichen, den Energieverbrauch zu reduzieren, und den Zeitaufwand zu verringern. Insbesondere sollen ganze Rumpfsegmente in Längsrichtung durch Schweißen verbunden werden können, wobei eine hohe Qualität und Festigkeit der Verbindung gewährleistet ist, der Energieverbrauch reduziert ist und der Zeitaufwand verringert ist.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verbinden thermoplastischer Bauteile durch Widerstandsschweißen, die insbesondere für die Herstellung von Luftfahrzeugen geeignet ist, umfassend:

ein elektrisch leitfähiges Heizelement, um ein erstes Bauteil, das thermoplastisches Material umfasst, mit einem zweiten Bauteil, das thermoplastisches Material umfasst, in einem elektrisch beheizten Bereich der Bauteile zu verschweißen, und eine Einrichtung zum kontinuierlichen Verschieben des elektrisch beheizten Bereichs der Bauteile in einer Schweißrichtung W entlang der Bauteile.

Somit wird beim Schweißvorgang nur eine lokal begrenzte, sich fortbewegende Schweißstelle innerhalb des gesamten Verbindungsbereichs beheizt, an dem die Bauteile aneinander liegen bzw. überlappen.
Durch die Erfindung wird es insbesondere möglich, bei der Herstellung von Flugzeugen Rumpfsegmente schnell und zuverlässig miteinander zu verbinden, um den Rumpf herzustellen. Darüber hinaus wird der Energieverbrauch und der Stromverbrauch während des Widerstandsschweißens reduziert. Der Energieverlust wird minimiert, da die Beheizung insbesondere kontinuierlich an dem jeweiligen lokal begrenzten Schweißbereich erfolgt. Zudem wird insbesondere für sehr lange Schweißverbindungen ein verbessertes Toleranzmanagement ermöglicht. Insbesondere kann der Schweißvorgang während des kontinuierlichen Widerstandsschweißens besser gesteuert werden. Darüber hinaus wird durch die verschiedenartigen Vorteile der Erfindung Produktionszeit eingespart.
Vorteilhaft wird der elektrisch beheizte Bereich der Bauteile durch einen Teilbereich des Heizelements beheizt, wobei sich die Position des Teilbereichs im Heizelement beim Schweißvorgang verändert. Insbesondere wird dabei die Position kontinuierlich verändert. Insbesondere versorgt die Einrichtung zum Verschieben des elektrisch beheizten Bereichs während des Schweißvorgangs unterschiedliche Teilbereiche des Heizelements nacheinander mit Strom, um das Fortschreiten bzw. kontinuierliche Fortschreiten des beheizten Bereichs zu bewirken.
Bevorzugt umfasst die Einrichtung zum Verschieben des elektrisch beheizten Bereichs ein oder mehrere Kontaktelemente, die relativ zum Heizelement bewegbar sind, um das Heizelement nacheinander an unterschiedlichen Stellen elektrisch zu kontaktieren. Die Kontaktelemente dienen zur Stromversorgung des Heizelements und sind z.B. als Elektroden ausgestaltet.
Vorteilhaft sind die bewegbaren Kontaktelemente oder Elektroden als Rollen ausgestaltet, die bei ihrer Bewegung in Kontakt mit dem Heizelement stehen. Dadurch kann das Heizelement beim Schweißvorgang kontinuierlich nacheinander an unterschiedlichen Bereichen oder Stellen kontaktiert bzw. mit Strom versorgt werden.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ein oder mehrere Andruckelemente, um das erste Bauteil und das zweite Bauteil während des Schweißvorgangs in einem Andruckbereich aneinander zu drücken, wobei der Andruckbereich insbesondere synchron mit dem elektrisch beheizten Bereich bewegbar ist. Dadurch können die Bauteile gezielt in dem jeweils beheizten Bereich aneinandergedrückt werden, um sie auf diese Weise miteinander zu verschweißen.
Insbesondere ist das erste und/oder das zweite Andruckelement als bewegbare Andruckrolle ausgestaltet, oder es kann eine oder mehrere Andruckrollen umfassen.
Bevorzugt umfasst das Heizelement elektrisch leitende Fasern, die in Lastrichtung der herzustellenden Schweißverbindung ausgerichtet sind, wobei das Heizelement bzw. dessen leitfähige Fasern nach dem Schweißvorgang als Verstärkungselement der miteinander verschweißten Bauteile dienen. Insbesondere können zum Beispiel Kohlefasern verwendet werden. Das Heizelement erfüllt hierdurch zwei Funktionen. Zum einen dient es mit seinen stromdurchflossenen Fasern zum Widerstandsschweißen, zum anderen dient es mit seinen Fasern nach dem Verbleib in der Schweißnaht zur strukturellen bzw. strukturmechanischen Verstärkung des durch Verschweißen hergestellten Bauteils.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Verbinden thermoplastischer Bauteile durch Widerstandsschweißen geschaffen, das insbesondere zur Herstellung von Luftfahrzeugen geeignet ist, bei dem ein erstes Bauteil, das thermoplastisches Material umfasst, mit einem zweiten Bauteil, das thermoplastisches Material umfasst, an einem elektrisch beheizten Bereich der Bauteile verschweißt wird, wobei der elektrisch beheizte Bereich der Bauteile während des Schweißvorgangs in einer Schweißrichtung W relativ zu den Bauteilen bewegt wird.
Vorteilhaft werden während des Schweißvorgangs unterschiedliche Teilbereiche des Heizelements nacheinander mit Strom versorgt, um die Bewegung des elektrisch beheizten Bereichs, der auch als Schweißzone bezeichnet wird, relativ zu den Bauteilen zu bewirken.
Insbesondere werden während des Schweißvorgangs ein oder mehrere Kontaktelemente oder Elektroden zur Stromversorgung des Heizelements relativ zum Heizelement bewegt, um das Heizelement nacheinander an unterschiedlichen Stellen zu kontaktieren.
Bevorzugt stehen die Kontaktelemente bei ihrer Bewegung kontinuierlich in elektrischem Kontakt mit dem Heizelement.
Vorteilhafterweise werden das erste Bauteil und das zweite Bauteil während des Schweißvorgangs in einem Andruckbereich aneinandergedrückt, wobei insbesondere der Andruckbereich relativ zu den Bauteilen synchron mit dem elektrisch beheizten Bereich bewegt wird.
Bevorzugt werden eine oder mehrere Andruckrollen über die zu verschweißenden Bauteile bewegt, um die Bauteile während des Schweißvorgangs im Bereich der Schweißzone aneinander zu drücken.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verbinden von Teilen, insbesondere von Rumpfsegmenten eines Luftfahrzeugs verwendet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Luftfahrzeug geschaffen, das mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13 hergestellt ist. Insbesondere ist der Rumpf eines Flugzeugs auf diese Weise hergestellt.
Vorteile und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben sind, gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren, ebenso wie Vorteile und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung gelten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

1 schematisch eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der eine Überlappungsverbindung im Rumpfbereich eines Flugzeugs hergestellt wird;
2 eine schematische Ansicht einer bekannten Vorrichtung zum Widerstandsschweißen;
3 schematisch eine Draufsicht auf die in 1 gezeigte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Herstellung einer Schweißverbindung zweier überlappender Bauteile;
4 eine Seitenansicht einer hinteren Rumpfsektion eines Verkehrsflugzeugs mit erfindungsgemäß verschweißten Längsnähten;
5 eine Schnittansicht der in 4 gezeigten Rumpfsektion mit erfindungsgemäß verschweißten Längsnähten;
6 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß geschweißten Längsnaht eines Verkehrsflugzeugs.

1 zeigt eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Verbinden thermoplastischer Bauteile von Luftfahrzeugen mittels Widerstandsschweißen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Schnittansicht entspricht der gestrichelten Linie A in 3. Die Vorrichtung umfasst ein elektrisch leitfähiges Heizelement 30, das dazu dient, ein erstes Bauteil 11 mit einem zweiten Bauteil 12 in einem elektrisch beheizten Bereich der Bauteile zu verschweißen. Die zu verschweißenden Bauteile 11, 12 enthalten thermoplastisches Material und werden zum Widerstandsschweißen in einem überlappenden Bereich auf beiden Seiten des Heizelements 30 angeordnet.
Zwei als bewegbare Elektroden 31, 32 ausgebildete Kontaktelemente bilden eine Einrichtung, die den beheizten Bereich der Bauteile 11, 12 während des Schweißvorgangs entlang der Bauteile 11, 12 bewegt bzw. kontinuierlich verschiebt.
Der erhitzte Bereich bildet eine Schweißzone, in der die beiden Bauteile 11, 12 durch Schmelzen des thermoplastischen Materials und anschließendes Erstarren miteinander verschweißt werden.
Das Heizelement 30 ist flächig ausgebildet und erstreckt sich zwischen den beiden zu verbindenden Flächen der Bauteile 11, 12 in einer Längsrichtung L, die in der 1 senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Es umfasst elektrisch leitende Elemente 30a in Form von Drähten oder Fasern, die sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung durch den darin erzeugten Stromfluss erhitzen (siehe 3).
Die Kontaktelemente bzw. Elektroden 31, 32 dienen zum Anlegen der elektrischen Spannung an das Heizelement 30 und sind bewegbar ausgestaltet. In 1 ist die Bewegung der Elektroden 31, 32 senkrecht zur Zeichenebene, das heißt in Längsrichtung L des Heizelements 30. Sie kontaktieren das flächig ausgebildete Heizelement 30 an einem linken und einem rechten Randbereich, um den Stromfluss zwischen den beiden Elektroden 31, 32 durch das Heizelement 30 hindurch zu erzeugen. Dabei fließt der Strom in Richtung der Breite des Heizelements.
Die Elektroden 31, 32 sind mit einer Spannungsquelle 50 verbunden und als Rollen ausgestaltet. Die Rollen bzw. Rollenelektroden 31, 32 liegen beim Schweißvorgang an dem Heizelement 30 an, so dass jeweils ein Teil ihrer Umfangsfläche den Kontakt zum Heizelement 30 bildet, während sie auf der jeweiligen Kontaktfläche des Heizelements 30 abrollen.
Auf der ersten, bzw. in der 1 oben gelegenen Seite des Heizelements 30 wird dieses durch die erste Elektrode 31 in einem in der Figur rechts gelegenen Kontaktbereich 35, der ein Teilbereich bzw. Randbereich des Heizelements 30 ist, elektrisch kontaktiert.
Auf der zweiten, bzw. in der 1 unten gelegenen Seite des Heizelements 30 wird dieses durch die zweite Elektrode 32 in einem in der Figur links gelegenen Kontaktbereich 36, der ein weiterer Teilbereich bzw. Randbereich des Heizelements 30 ist, elektrisch kontaktiert.
Die Kontaktstellen innerhalb der Kontaktbereiche 35, 36 werden durch die jeweilige Umfangsfläche der an dem Heizelement 30 anliegenden Elektroden 31, 32 gebildet.
Durch das Abrollen der rollenförmig ausgestalteten Elektroden 31, 32 auf dem Heizelement 30 wird der stromdurchflossene Teilbereich des Heizelements 30 zwischen den beiden Elektroden 31, 32 in Längsrichtung L des Heizelements 30 bewegt, die sich senkrecht zur Zeichenebene der 1 erstreckt. Dadurch schreitet die elektrisch beheizte Schweißzone, die durch den stromdurchflossenen Teilbereich des Heizelements 30 gebildet wird, in Längsrichtung L kontinuierlich fort. Diese Bewegung entspricht der Schweißbewegung W.
Die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile 11, 12 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Heizelements 30, das heißt an dessen Oberseite bzw. Unterseite angeordnet. Die beiden Bauteile 11, 12 werden durch Hautabschnitte eines Rumpfsegments oder verschiedener Rumpfsegmente gebildet. Im vorliegenden Beispiel bildet ein oberes Hautelement das Bauteil 11, während ein unteres Hautelement das Bauteil 12 bildet.
Die beiden Hautabschnitte bzw. Bauteile 11, 12 werden mit Hilfe von zwei gegenüberliegenden Andruckelementen in Form von Andruckrollen 41, 42 beim Schweißvorgang im Bereich einer Andruckzone aneinandergedrückt. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel übt das oberhalb des ersten Bauteils 11 angeordnete Andruckelement 41 eine nach unten in Richtung der Schweißzone gerichtete Kraft auf das erste bzw. obere Bauteil 11 aus, während das unterhalb des zweiten Bauteils 12 angeordnete Andruckelement 42 eine nach oben in Richtung der Schweißzone gerichtete Kraft auf das zweite bzw. untere Bauteil 12 ausübt.
Im Betrieb werden die beiden Andruckelemente bzw. Andruckrollen 41, 42 synchron mit der fortschreitenden Schweißzone bewegt, so dass in dem jeweils beheizten, stromdurchflossenen Teilbereich des Heizelements 30 die beiden miteinander zu verschweißenden Bauteile 11, 12 aneinandergedrückt werden.
Die 3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Ansicht von oben bei der Durchführung eines Schweißvorgangs. Das erste Bauteil 11 überlappt das zweite Bauteil 12 in einem Überlappungsbereich. Beide Bauteile 11, 12 sind Hautabschnitte von miteinander zu verbindenden Rumpfsegmenten. Zwischen den beiden Hautabschnitten 11, 12 erstreckt sich das Heizelement 30 in der Längsrichtung L. Die erste Andruckrolle 41 befindet sich an der Oberseite des ersten Hautabschnitts bzw. Bauteils 11.
Auf der rechten Seite in der Figur, neben der oberen bzw. ersten Andruckrolle 41 befindet sich die erste bzw. obere rollenförmige Elektrode 31. Diese steht in elektrischem Kontakt mit dem darunter gelegenen Teilbereich bzw. Kontaktbereich 35 des Heizelements 30 an dessen Oberseite. Auf der linken Seite neben der unteren bzw. zweiten Andruckrolle 42 befindet sich die untere bzw. zweite Elektrode 32. Sie steht in elektrischem Kontakt mit dem darüber gelegenen Teil- bzw. Kontaktbereich 36 des Heizelements 30 an dessen Unterseite. Somit kontaktieren die beiden Elektroden 31, 32 das Heizelement 30 an dessen Oberseite bzw. Unterseite, jeweils an einem seitlich der Andruckzone bzw. des Überlappungsbereichs gelegenen Teilbereich des Heizelements 30.
Das heißt, die beiden Elektroden 31, 32 bzw. kontaktieren das Heizelement 30 an den beiden gegenüberliegenden Kontaktbereichen 35, 36 am jeweiligen Rand des Heizelements 30. Die Kontaktbereiche 35, 36 befinden sich seitlich neben dem Überlappungsbereich der Bauteile 11, 12. Die Breite des jeweiligen Rand- bzw. Kontaktbereichs 35, 36 entspricht im Wesentlichen der Breite der Umfangsfläche der jeweiligen Rollenelektrode 31 bzw. 32.
Das Heizelement 30 hat eine Breite, die größer ist als die Breite des Überlappungsbereichs der Hautabschnitte bzw. Bauteile 11, 12. Dadurch sind an beiden Seiten des Heizelements 30 die Kontaktbereiche 35, 36 zur Kontaktierung durch die rollenförmigen Elektroden 31, 32 ausgebildet.
Um die beheizte Schweißzone in der Längsrichtung L, die der Richtung der Schweißbewegung W entspricht, lokal einzugrenzen, verlaufen elektrisch leitfähige Elemente 30a oder Drähte des Heizelements 30 in der Längsrichtung L voneinander elektrisch isoliert zwischen den Kontaktbereichen 35, 36 an den beiden Seiten des Heizelements 30. Die elektrisch leitfähigen Elemente 30a erstrecken sich parallel zur jeweiligen Drehachse 31a, 32a der Rollenelektroden 31, 32 und parallel zu den Drehachsen 41a, 41b der rollenförmigen Andruckelemente 41, 42.
Nachfolgend wird anhand der 1 und 3 beispielhaft das Verbinden von zwei Bauteilen 11, 12, die als Hautabschnitte von Rumpfsegmenten vorliegen, gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Der erste Hautabschnitt 11 wird so an dem zweiten Hautabschnitt 12 angeordnet, dass sich die beiden Hautabschnitte in einem Teilbereich überlappen. Zwischen den beiden Hautabschnitten 11, 12 befindet sich das flächig ausgebildete Heizelement 30. Zum Ausbilden einer in Schweißrichtung W lokal begrenzten Schweißzone wird das Heizelement 30 nur in einem in Längsrichtung L lokal begrenzten Teilbereich mit Strom versorgt. Während des Schweißvorgangs wird die erhitzte Schweißzone des Heizelements 30 in Schweißrichtung bzw. in Richtung der Schweißbewegung W bewegt. Dabei bleibt das Heizelement 30 ortsfest zwischen den beiden Hautabschnitten 11, 12.
Es werden unterschiedliche Teilbereiche des Heizelements 30 nacheinander mit Strom versorgt, um auf diese Weise die lokal begrenzte Schweißzone in Schweißrichtung W zu bewegen bzw. fortschreiten zu lassen.
Hierzu werden bewegbare Elektroden 31, 32 mit elektrischem Strom versorgt, so dass das Heizelement 30 im Verbindungsbereich bzw. in der lokal in Längsrichtung L begrenzten Schweißzone von Strom durchflossen wird, während die übrigen Bereiche des Heizelements 30 nicht mit Strom versorgt und deshalb nicht erhitzt werden. Die Elektroden 31, 32 bewegen sich beim Schweißvorgang in Längsrichtung L des Heizelements 30, d.h. in Schweißrichtung W, und stehen dabei in kontinuierlichem elektrischen Kontakt mit dem Heizelement 30.
Die Andruckrollen 41, 42, welche die beiden Hautabschnitte 11, 12 beim Verschweißen gegeneinanderdrücken, werden synchron mit den bewegten Elektroden 31, 32 bewegt.
Bei der Durchführung des Verfahrens werden die jeweils für den Schweißvorgang benötigten Parameter berücksichtigt. Zum Beispiel liegt die Schweißgeschwindigkeit bevorzugt bei 100 bis 350 mm/min. Als Andruckelement 41, 42 wird bevorzugt ein keramischer Isolator verwendet, wodurch der Wärmeverlust verringert wird. Die Druckkraft kann beispielsweise im Bereich von ca. 6 bar liegen. Die Verbindung weist eine Scherfestigkeit auf, die zum Beispiel im Bereich von ca. 58 N/mm² liegen kann. Die Hautstärken der zu verschweißenden Bauteile oder Rumpfsegmente liegen in vielen Fällen im Bereich von 2 bis 3 mm. Sie können aber auch wesentlich größer sein und zum Beispiel in der Nähe von Türausschnitten beispielsweise 6 mm und mehr betragen.
In 4 ist eine Seitenansicht einer hinteren Rumpfsektion 80 eines Verkehrsflugzeugs mit erfindungsgemäß verschweißten Längsnähten 81 gezeigt.
In 5 ist ein Querschnitt der in 4 gezeigten Rumpfsektion 80 mit den Positionen der erfindungsgemäß geschweißten Längsnähten 81 dargestellt.
6 zeigt eine erfindungsgemäß geschweißten Längsnaht 81 eines Verkehrsflugzeugs mit überlappenden Hautabschnitten 11, 12 als Schnittansicht. Der erste, oben angeordneter Hautabschnitt 11 eines Rumpfsegments überlappt einen Bereich des zweiten, unten angeordneten Hautabschnitts 12. Zwischen beiden Hautabschnitten befindet sich das Heizelement 30.
Nach dem Zusammenschweißen kann das Heizelement 30 in der Naht 81 verbleiben. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Heizelement 30 Fasern und insbesondere Kohlefasern als elektrisch leitende Elemente 30a aufweist. Die Fasern werden zum Verschweißen so angeordnet, dass sie in Lastrichtung in Richtung der Hauptlast der herzustellenden Schweißverbindung ausgerichtet sind. Dadurch dient das Heizelement 30 bzw. dessen Fasern nach dem Schweißvorgang als Verstärkungselement der verschweißten Bauteile 11, 12.
Die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren stellen besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei bestimmten Anwendungen ist es beispielsweise auch möglich, lediglich ein Andruckelement bewegbar bzw. als Rolle auszugestalten, während das andere, gegenüberliegende Andruckelement feststeht und z.B. eine feststehende Andruckfläche unterhalb des Überlappungsbereichs der beiden Bauteile 11, 12 bildet.
Weiterhin kann in bestimmten Fällen lediglich eine Elektrode bewegbar bzw. als Rolle ausgestaltet sein, während die andere Elektrode feststeht und einen Bereich des Heizelements 30 flächig kontaktiert. Auch können die bewegbaren Elektroden zum Beispiel als Schleifkontakt ausgebildet sein.
Durch die Erfindung erfolgt beim Widerstandsschweißen ein kontinuierliches Beheizen mit Hilfe eines oder mehrerer bewegbarer Elemente, anstatt die gesamte Länge der herzustellenden Schweißverbindung auf einmal zu beheizen. Der Energieverbrauch und der Stromverbrauch beim Widerstandsschweißen werden dadurch reduziert.
Da eine kontinuierlich fortschreitende Beheizung nur lokal am Ort der momentan beheizten Schweißzone erfolgt, werden Energieverluste minimiert. Insbesondere können sehr lange Bauteile, insbesondere Rumpfsegmente, mittels Widerstandsschweißen miteinander verbunden werden. Toleranzen für lange zu verschweißende Bauteile können besser gehandhabt werden. Der Schweißprozess kann aufgrund des kontinuierlichen Widerstandsschweißens besser gesteuert werden. Aufgrund der Vorteile, die sich durch die Erfindung ergeben, kann der Zeitaufwand bei der Produktion insbesondere von Rümpfen von Luftfahrzeugen reduziert werden.
Bezugszeichenliste

11: erstes Bauteil / Hautabschnitt
12: zweites Bauteil / Hautaabschnitt
30: Heizelement
30a: elektrisch leitende Elemente
35, 36: Kontaktbereich
31, 32: Kontaktelement / Elektrode
31a, 32a: Drehachsen
41, 42: Andruckelement / Andruckrolle
41a,42a: Drehachsen
50: Spannungsquelle
80: Rumpfsektion
81: Längsnaht
L: Längsrichtung
W: Schweißrichtung
110, 120: Bauteile
130: Heizelement
131, 132: Verbindungsklammern
133: Spannungsquelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015110193 A1 [0006]
DE 102007003357 A1 [0007]
EP 3040265 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung zum Verbinden thermoplastischer Bauteile durch Widerstandsschweißen, insbesondere für die Herstellung von Luftfahrzeugen, umfassend: ein elektrisch leitfähiges Heizelement (30), um ein erstes Bauteil (11), das thermoplastisches Material umfasst, mit einem zweiten Bauteil (12), das thermoplastisches Material umfasst, in einem elektrisch beheizten Bereich der Bauteile (11, 12) zu verschweißen, und eine Einrichtung (31, 32) zum Verschieben des elektrisch beheizten Bereichs der Bauteile (11, 12) in einer Schweißrichtung W entlang der Bauteile (11, 12).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizte Bereich der Bauteile (11, 12) durch einen Teilbereich des Heizelements (30) beheizt wird, dessen Position im Heizelement (30) sich beim Schweißvorgang verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Verschieben ein oder mehrere Kontaktelemente (31, 32) umfasst, die relativ zum Heizelement (30) bewegbar sind, um das Heizelement (30) nacheinander an unterschiedlichen Stellen elektrisch zu kontaktieren.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegbaren Kontaktelemente (31, 32) als Rollen ausgestaltet sind, die bei ihrer Bewegung in Kontakt mit dem Heizelement (30) stehen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eines oder mehrere Andruckelemente (41, 42), um das erste Bauteil (11) und das zweite Bauteil (12) während des Schweißvorgangs in einem Andruckbereich aneinander zu drücken, wobei der Andruckbereich synchron mit dem elektrisch beheizten Bereich bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Andruckelement (41) und/oder das zweite Andruckelement (42) als bewegbare Andruckrolle ausgestaltet ist oder eine oder mehrere Andruckrollen umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (30) elektrisch leitende Fasern (30a) umfasst, die in Lastrichtung der herzustellenden Schweißverbindung ausgerichtet sind, wobei das Heizelement (30) nach dem Schweißvorgang als Verstärkungselement der verschweißten Bauteile (11, 12) dient.
Verfahren zum Verbinden thermoplastischer Bauteile durch Widerstandsschweißen, insbesondere für die Herstellung von Luftfahrzeugen, bei dem ein erstes Bauteil (11), das thermoplastisches Material umfasst, mit einem zweiten Bauteil (12), das thermoplastisches Material umfasst, an einem elektrisch beheizten Bereich der Bauteile (11, 12) verschweißt wird, wobei der elektrisch beheizte Bereich der Bauteile (11,12) während des Schweißvorgangs in einer Schweißrichtung W relativ zu den Bauteilen (11, 12) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schweißvorgangs unterschiedliche Teilbereiche des Heizelements (30) nacheinander mit Strom versorgt werden, um die Bewegung des elektrisch beheizten Bereichs relativ zu den Bauteilen (11, 12) zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schweißvorgangs eine oder mehrere Kontaktelemente (31, 32) zur Stromversorgung des Heizelements (30) relativ zum Heizelement (30) bewegt werden, um das Heizelement (30) nacheinander an unterschiedlichen Stellen zu kontaktieren.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (31, 32) bei ihrer Bewegung kontinuierlich in elektrischem Kontakt mit dem Heizelement (30) stehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (11) und das zweite Bauteil (12) während des Schweißvorgangs in einem Andruckbereich aneinandergedrückt werden, wobei der Andruckbereich relativ zu den Bauteilen (11, 12) synchron mit dem elektrisch beheizten Bereich bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Andruckrollen (41, 42) über die zu verschweißenden Bauteile (11, 12) bewegt werden, um die Bauteile (11, 12) während des Schweißvorgangs im Bereich der Schweißzone aneinander zu drücken.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Verbinden von Teilen oder Rumpfsegmenten eines Luftfahrzeugs.
Luftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass sein Rumpf mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13 hergestellt ist.