DE102019111226A1

DE102019111226A1 - Vorrichtung, Anordnung und Verfahren zum Strahlschweißen mit Kühlung

Info

Publication number: DE102019111226A1
Application number: DE102019111226.5A
Authority: DE
Inventors: Alexei Vichniakov; Filipp Köhler
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-05

Abstract

Um Werkstücke (10) mit hoher Werkstückgüte und insbesondere mit schnellem Schweißverfahren, vorzugsweise zur Verwendung an Luftfahrzeugen, zu ermöglichen, schafft die Erfindung eine Strahlschweißvorrichtung (32) zum Schweißen eines Werkstücks mittels eines Schweißstrahls (16), umfassend eine Schweißstrahlquelle zum Erzeugen des Schweißstrahls (16) und wenigstens ein zumindest teilweise für den Schweißstrahl (16) transparentes Spannelement (40, 40a, 40b) zum Einspannen der Werkstücks (10), wobei die Schweißstrahlquelle dazu ausgebildet ist, den Schweißstrahl (16) durch das Spannelement (40, 40a, 40b) hindurch auf das Werkstück (10) zu leiten, und das Spannelement (40, 40a, 40b) wenigstens einen Kühlmediumhohlraum (46) für ein Kühlmedium (48) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlschweißvorrichtung, eine Strahlschweißanordnung und ein Strahlschweißverfahren zum Schweißen eines Werkstücks mittels eines Schweißstrahls, wie z.B. zum Laserschweißen mittels eines Lasers. Insbesondere betrifft die Erfindung Vorrichtungen, Anordnungen und Verfahren, mittels denen ein erstes Werkstückteil und ein zweites Werkstückteil, von denen wenigstens eines oder beide aus einem Faserverbundmaterial mit vorzugsweise thermoplastischer Matrix gebildet sind, mittels Strahlschweißen miteinander verbindbar sind.
Wenn zwei Werkstückteile, beispielsweise im Überlappstoß, mittels Strahlschwei-ßen, wie Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen, miteinander verbunden werden sollen, besteht eine Herausforderung darin, einerseits die Werkstückteile fest miteinander zu verspannen, damit sie an einer Kontaktstelle fest zusammenliegen und verschweißt werden können, und andererseits den Schweißstrahl zu der Kontaktstelle zu leiten. Dabei soll eine möglichst hohe Werkstückgüte, insbesondere Oberflächengüte, erreicht werden
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Strahlschweißen mit verbesserter Werkstückgüte zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Strahlschweißvorrichtung nach Anspruch 1 sowie eine Strahlschweißanordnung und ein Strahlschweißverfahren nach weiteren unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Anwendungen sowie damit erhältliche Schweißprodukte sind Gegenstand weiterer unabhängiger Ansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt davon eine Strahlschweißvorrichtung zum Schweißen eines Werkstücks mittels eines Schweißstrahls, umfassend eine Schweißstrahlquelle zum Erzeugen des Schweißstrahls und wenigstens ein zumindest teilweise für den Schweißstrahl transparentes Spannelement zum Einspannen der Werkstücks, wobei die Schweißstrahlquelle dazu ausgebildet ist, den Schweißstrahl durch das Spannelement hindurch auf das Werkstück zu leiten, und das Spannelement wenigstens einen Fluidmediumhohlraum für ein Fluidmedium aufweist.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung gehen hierzu von dem Ansatz aus, den Schweißstrahl zum Beispiel durch ein Spannelement und eventuell auch durch ein erstes Werkstückteil zu der Kontaktstelle zu leiten, um das Material der Werkstückteile zum Verschweißen zu plastifizieren.
Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung schaffen Vorrichtungen, Anordnungen und Verfahren zum Strahlschweißen, bei denen die Schweißwärme an der Schweißstelle konzentriert wird, ohne dass andere Bereiche des Werkstücks erwärmt werden, was zu Fehlstellen führen kann.
Es ist bevorzugt, dass das Spannelement aus einem für den Schweißstrahl transparenten Material gebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass das Spannelement aus einem flexiblen oder aus einem starren Material gebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass das Spannelement zumindest teilweise aus Glas oder Silikon gebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass das Spannelement als Spannbacke oder Druckplatte ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass das Spannelement wenigstens einen flexiblen Hautbereich zum Anliegen an dem Werkstück aufweist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Spannelement wenigstens einen Innenkantenbereich zum Einfassen oder Umgreifen einer Kante des Werkstücks aufweist. Bei anderen Ausgestaltungen kann das Spannelement auch vollständig flach auf dem Werkstück aufliegen, und z.B. nur durch Druckkraft das Werkstück spannen.
Es ist bevorzugt, dass der wenigstens eine Fluidmediumhohlraum wenigstens einen durch das Fluidmittel durchströmbaren Fluidmediumkanal aufweist oder durch einen solchen gebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass der wenigstens eine Fluidmediumhohlraum zumindest teilweise durch eine flexible Hülle begrenzt ist.
Es ist bevorzugt, dass der wenigstens eine Fluidmediumhohlraum zumindest teilweise durch eine starre Wandung begrenzt ist.
Es ist bevorzugt, dass der wenigstens eine Fluidmediumhohlraum mit einem für den Schweißstrahl zumindest teilweise transparenten Fluidmedium befüllt ist.
Vorzugsweise lässt sich mit Fluidmedium das Spannelement und somit das damit eingespannte Werkstück in seiner Temperatur kontrollieren. Beispielsiweise kann das Spannelement durch das Fluidmedium gekühlt werden. Mit Hilfe des Fluidmedium in dem Spannelement kann man beim Schweißprozess nicht nur „kühlen“ sondern das Spannelement und das Werkstück auch erwärmen, z.B. „vorheizen“ und „nachheizen“, um Energie zu sparen und/oder auch z.B. bessere Kristallinität zu erzeugen. Allgemein kann die Temperatur gesteuert werden. Insbesondere kann während des Schweißens gekühlt werden.
Es ist bevorzugt, dass der wenigstens eine Fluidmediumhohlraum mit einem Kühlfluid, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, als Kühlmedium befüllt ist.
Es ist bevorzugt, dass der wenigstens eine Fluidmediumhohlraum mit einem Fluidmedium aus der Gruppe von Fluidmedien befüllt ist, die Wasser, Öl, Hochtemperaturöl, Hochleistungskühlflüssigkeit, eine Suspension, eine Lösung und Zusammensetzungen daraus umfasst.
Der wenigstens eine Fluidmediumhohlraum kann einen beliebigen Querschnitt aufweisen. Zum Beispiel ist der wenigstens eine Fluidmediumhohlraum im Querschnitt rund, oval oder rechteckig ausgebildet.
Es ist bevorzugt, dass der wenigstens eine Fluidmediumhohlraum einen ersten Fluidmediumhohlraum und einen davon beabstandeten zweiten Fluidmediumhohlraum aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Schweißstrahlquelle zumindest einen Laser aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Schweißstrahlquelle zum Liefern eines Schweißstrahls zum Schweißen eines oder mehrerer Werkstückmaterialien ausgebildet ist, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die ein thermoplastisches Material, einen Kunststoff, einen faserverstärkten Kunststoff, eine thermoplastische Matrix, PPS, PEKK, PEEK, PA, PEI, ein Fasergewebe, ein Fasergelege, unidirektionale Fasern, Kurzfasern, Kohlenstofffasern, Glasfasern und Mischungen der genannten Materialien umfasst.
Es ist bevorzugt, dass die Schweißstrahlquelle zum Liefern eines Schweißstrahls ausgebildet ist, mittels dem eine Schweißverbindung zwischen einem ersten Werkstückteil und einem zweiten Werkstückteil herstellbar ist.
Es ist bevorzugt, dass die Schweißstrahlquelle zum Durchführen einer Nahtschweißung und/oder einer Punktschweißung ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Strahlschweißvorrichtung eine Kühleinrichtung zum Liefern von Kühlmedium zu dem wenigstens einen Fluidmediumhohlraum aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Kühleinrichtung wenigstens eine Kühleinheit aus der Gruppe von Kühleinheiten, die einen Kühlmediumkreislauf, eine Kühlmediumleitung, einen Kühler, einen Wärmetauscher, eine Pumpe und ein Fluidmediumreservoir umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Strahlschweißanordnung, umfassend ein zu schweißendes Werkstück und eine Strahlschweißvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen.
Es ist bevorzugt, dass das Werkstück ein erstes Werkstückteil und ein damit mittels Verschweißens durch die Strahlschweißvorrichtung zu verbindendes zweites Werkstückteil umfasst.
Es ist bevorzugt, dass das erste Werkstückteil ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, ein Bauteil mit einer Matrix aus thermoplastischen Material, ein Bauteil mit einer Matrix aus PPS, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEKK, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEEK, ein Bauteil mit einer Matrix aus PA, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEI, ein Bauteil aus einem Material, das zumindest teilweise für den Schweißstrahl transparent ist, ein Bauteil mit einer Matrix aus einem Material, das zumindest teilweise für den Schweißstrahl semitransparent ist, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form eines Gewebes, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form eines Geleges, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form von unidirektionalen Fasern, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form von Kurzfasern, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Glas, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Keramik umfasst.
Es ist bevorzugt, dass das zweite Werkstückteil ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, ein Bauteil mit einer Matrix aus thermoplastischen Material, ein Bauteil mit einer Matrix aus PPS, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEKK, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEEK, ein Bauteil mit einer Matrix aus PA, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEI, ein Bauteil aus einem Material, das für den Schweißstrahl intransparent ist, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form eines Gewebes, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form eines Geleges, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form von unidirektionalen Fasern, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form von Kurzfasern, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Glas, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Keramik umfasst.
Es ist bevorzugt, dass die Strahlschweißvorrichtung zum Verschweißen der Werkstückteile mittels Lasertransmissionsschweißens und/oder mittels Laserwärmekonduktionsschweißens ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Strahlschweißverfahren zum Schweißen eines Werkstücks mittels eines Schweißstrahls umfassend die Schritte:

a) Einspannen des Werkstücks mittels wenigstens eines Spannelements, welches zumindest teilweise für den Schweißstrahl transparent ist,
b) Leiten des Schweißstrahls durch das wenigstens eine Spannelement zu dem Werkstück, um dieses an einer Schweißstelle zu schweißen und
c) Einstellen einer Temperatur des Spannelements vor, während und/oder nach Schritt b), um wenigstens einen anderen Bereich des Werkstücks als die Schweißstelle in der Temperatur zu beeinflussen.

Vorzugsweise umfasst Schritt a) den Schritt:

a1) Aufpressen des Spannelements auf das Werkstück.

Vorzugsweise umfasst Schritt a) den Schritt:

a2) Verwenden eines Spannelements aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe aus Materialien, die ein für den Schweißstrahl transparenten Material, ein flexibles Material, ein starres Material, Glas und Silikon umfasst.

Vorzugsweise umfasst Schritt a) den Schritt:

a3) Verwenden einer Druckplatte oder Spannbacke als Spannelement.

Vorzugsweise umfasst Schritt a) den Schritt:

a4) Verwenden eines Spannelements mit wenigstens einem mit einem Fluidmedium befüllten Fluidmediumhohlraum.

Vorzugsweise umfasst Schritt a) den Schritt:

a5) Zusammenpressen eines ersten Werkstückteils und eines damit zu verschweißenden zweiten Werkstückteils.

Vorzugsweise umfasst Schritt a) den Schritt:

a6) Verspannen von zu dem Werkstück zu verschweißenden Werkstückteilen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, ein Bauteil mit einer Matrix aus thermoplastischen Material, ein Bauteil mit einer Matrix aus PPS, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEKK, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEEK, ein Bauteil mit einer Matrix aus PA, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEI, ein Bauteil aus einem Material, das zumindest teilweise für den Schweißstrahl transparent ist, ein Bauteil mit einer Matrix aus einem Material, das zumindest teilweise für den Schweißstrahl semitransparent ist, ein Bauteil mit einer Matrix aus einem Material, das zumindest teilweise für den Schweißstrahl intransparent ist, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form eines Gewebes, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form eines Geleges, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form von unidirektionalen Fasern, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form von Kurzfasern, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Glas, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Keramik umfasst.

Vorzugsweise umfasst Schritt a) den Schritt:

a7) Verspannen eines ersten Werkstückteils und eines zweiten Werkstückteils in Überlappung oder Teilüberlappung.

Vorzugsweise umfasst Schritt a) den Schritt:

a8) Umgreifen wenigstens einer Werkstückkante mittels des Spannelements.

Vorzugsweise umfasst Schritt a) den Schritt:

a9) Verwenden eines Schlauchs oder einer Blase aus flexiblem Material als Spannelement und Einleiten eines als Fluidmedium wirkenden Druckfluids in den Schlauch oder die Blase zum Verspannen.

Vorzugsweise umfasst Schritt a) den Schritt:

a10) Aufspannen einer Spannhaut auf das Werkstück.

Vorzugsweise umfasst Schritt b) den Schritt:

b1) Schweißen eines inneren Bereichs des Werkstücks.

Vorzugsweise umfasst Schritt b) den Schritt:

b2) Leiten des Schweißstrahls durch das Spannelement zwischen einem ersten darin gebildeten Fluidmediumhohlraum und einem zweiten Fluidmediumhohlraum.

Vorzugsweise umfasst Schritt b) den Schritt:

b3) Leiten des Schweißstrahls zumindest teilweise durch wenigstens einen in dem Spannelement vorgesehenen Fluidmediumhohlraum.

Vorzugsweise umfasst Schritt b) den Schritt:

b4) Durchführen einer Punktschweißung.

Vorzugsweise umfasst Schritt b) den Schritt:

b5) Bewegen des Schweißstrahls zum Bilden einer Schweißnaht.

Vorzugsweise umfasst Schritt b) den Schritt:

b6) Durchführen eines Strahltransmissionsschweißens durch Leiten des Schweißstrahls durch einen für den Schweißstrahl zumindest teilweise durchlässigen oder semitransparenten Bereich des Werkstücks.

Vorzugsweise umfasst Schritt b) den Schritt:

b7) Durchführen eines Strahlwärmekonduktionsschweißens, bei dem Wärme des Schweißstrahls durch Wärmekonduktion zu der Schweißstelle geleitet wird.

Vorzugsweise umfasst Schritt c) den Schritt:

c1) Beeinflussen, Steuern oder Kontrollieren einer Temperatur einer Oberfläche des Werkstücks.

Vorzugsweise umfasst Schritt c) den Schritt:

c2) Kühlen des Spannelements vor, während und/oder nach Schritt b), um wenigstens einen anderen Bereich des Werkstücks als die Schweißstelle in der Temperatur zu beeinflussen

Vorzugsweise umfasst Schritt c) den Schritt:

c3) Kühlen einer Oberfläche des Werkstücks.

Vorzugsweise umfasst Schritt c) den Schritt:

c4) Kühlen einer der Schweißstelle abgewandten Oberfläche des Werkstücks.

Vorzugsweise umfasst Schritt c) den Schritt:

c5) Durchleiten eines Fluidmediums zur Temperatursteuerung durch das Spannelement.

Vorzugsweise umfasst Schritt c) den Schritt:

c6) Verwenden eines Fluidmediums aus der Gruppe von Fluidmedien, die Kühlfluid, Kühlflüssigkeit, Wasser, Öl, Hochtemperaturöl, Hochleistungskühlflüssigkeit, Kühlsuspension, Kühllösung und Zusammensetzungen daraus umfasst.

Vorzugsweise umfasst Schritt c) den Schritt:

c7) Kühlen von Kühlmedium in einem Kühler oder Wärmetauscher.

Vorzugsweise umfasst Schritt c) den Schritt:

c8) Unter Druck setzen von Kühlmedium in einem Kühlmediumhohlraum in dem Spannelement. Vorzugsweise wird ein temperiertes Fluidmedium in einem Fluidmediumshohlraum in dem Spannelement unter Druck gesetzt. Damit kann man mit dem Fluidmedium einerseits eine Temperatursteuerung und andererseits eine Erzeugung von Spannkräften erreichen.

Vorzugsweise umfasst Schritt c) den Schritt:

c9) Kühlen von Kanten des Werkstücks.

Vorzugsweise umfasst Schritt c) den Schritt:

c10) Kühlen eines an einer Kante des Werkstücks diese umgreifend anliegenden Innenkantenbereichs des Spannelements.

Vorzugsweise umfasst Schritt c) den Schritt:

c11) Leiten von Kühlmedium durch eine Reihe von Kühlmediumkanälen.

Vorzugsweise umfasst Schritt c) den Schritt:

c12) Leiten von Kühlmedium durch einen ovalen oder rechteckigen Kühlmediumkanal.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das Durchführen des Strahlschweißverfahrens gemäß einer der voranstehenden Ausgestaltungen zum Verschweißen von Bauteilen oder Komponenten, von denen wenigstens eines aus thermoplastischem Faserverbundmaterial gebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Werkstück mit einer Verschweißung, die mittels einer Strahlschweißvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen oder eines Strahlschweißverfahrens nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen herstellbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Luftfahrzeug, mehr insbesondere Flugzeug, umfassend wenigstens ein solches Werkstück und/oder eine Verschweißung, die mittels einer Strahlschweißvorrichtung oder eines Strahlschweißverfahrens nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen erhältlich ist.
Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen eine gekühlte Konsolidierungsvorrichtung zum Laserschweißen von thermoplastischen Verbundmaterialien.
Besonders bevorzugt schafft die Erfindung eine transparente fluidgekühlte Konsolidierungsvorrichtung zum Laserschweißen, insbesondere von thermoplastischen Verbundmaterialien. Mehr vorzugsweise ist die Konsolidierungsvorrichtung flüssigkeitsgekühlt.
Strahlschweißen, wie insbesondere Laserschweißen, beinhaltet das Erhitzen von Proben - Werkstücke - mit einem Schweißstrahl, insbesondere Laserstrahl, beispielsweise an einem festgelegten Punkt oder als ein kontinuierlicher Prozess.
Simultan zu der Anwendung von Hitze durch den Schweißstrahl, insbesondere Laser, wird ein Verbindungsdruck zum Zusammenpressen von zu verbindenden Werkstückteilen aufgewandt.
Bei Ausgestaltungen der Erfindungen wird der Verbindungsdruck durch eine transparente Einrichtung, wie zum Beispiel ein Spannelement aus Glas - zum Beispiel in Form einer Glasplatte oder mit einer anderen geeigneten Form - aufgewandt.
Insbesondere ist die Erfindung anwendbar bei Schweißverfahren, bei dem zwei aufeinanderliegende Werkstückteile - zum Beispiel im Überlappstoß - miteinander verbunden werden sollen, und der Schweißstrahl von außen auf eine innenliegende Schweißstelle angewandt wird. Bei einem Strahltransmissionsschweißen, wie insbesondere Lasertransmissionsschweißen ist einer der Verbindungspartner für den Schweißstrahl transparent oder halbtransparent, und der Schweißstrahl wird durch diesen transparenten oder halbtransparenten Verbindungspartner hindurch zu der Schweißstelle geleitet. Bei einem anderen möglichen Verfahren, dem Strahlwärmekonduktionsschweißen können beide Schweißpartner nicht transparent sein. Hier kann der Schweißstrahl - insbesondere Laserstrahl - von außen auf den einen Schweißpartner aufgebracht werden, und dessen Wärme wird durch Konduktion - Wärmeleitung - bis zu der Schweißstelle übertragen.
Bei dem Strahltransmissionsschweißen, wie insbesondere Lasertransmissionsschweißen, wird die Wärme an der Schnittstelle zwischen den zu verbindenden Werkstückteilen - Schweißpartnern - aufgrund einer Absorption des Schweißstrahles durch einen nicht transparenten Verbindungspartner und die entsprechende Wärmeerzeugung erzeugt. Beim Strahlwärmekonduktionsschweißen, wie insbesondere Laserwärmekonduktionsschweißen, und auch beim Strahltransmissionsschweißen, wie insbesondere Lasertransmissionsschweißen, bei dickeren Werkstückteilen oder weniger transparenten Werkstückteilen wird die Wärme in demjenigen Verbindungspartner erzeugt, durch welchen der Schweißstrahl zu leiten ist - beispielsweise oberer Verbindungspartner - und wird durch diesen Verbindungspartner zu der Schweißzone übermittelt.
Mit ansteigender Dicke der Verbindungspartner wird der Temperaturgradient zwischen der Oberfläche des ersten Werkstückteiles - zum Beispiel oberer Verbindungspartner - und der Schweißzone größer. Dies kann Auswirkungen auf die Werkstückgüte des durch Schweißen herzustellenden Werkstückes haben.
Besondere Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben Ausgestaltungen und Funktionalitäten einer gekühlten Druckeinheit, welches eine Kühlfunktion bereitstellt, ohne den Schweißprozess zu stören.
Die Druckeinheit weist insbesondere ein gekühltes Spannelement zum Einspannen des Werkstückes auf.
Mit Ausgestaltungen der Erfindung kann eine Oberfläche - und die insbesondere die Oberfläche, wo der Schweißstrahl eintritt - gekühlt werden, um den Temperaturgradienten zwischen der Oberfläche und der Schweißzone zu reduzieren.
Durch eine Reduzierung dieses Temperaturgradienten kann ein frühes Schmelzen oder ein Überhitzen der Oberfläche vermieden werden.
Vorzugsweise wird eine Degradation von Harz oder dergleichen Matrixmaterialien an der Oberfläche vermieden.
Vorzugsweise werden an der Oberfläche Temperaturen über der Schmelztemepratur des entsprechenden Matrixmaterials vermieden.
Durch Ausgestaltungen der Erfindung lässt sich eine Strömung von geschmolzenem Material aufgrund eines Schmelzens von Oberflächenharz vermeiden. Hierdurch lassen sich Bereiche mit niedrigem Harzanteil an der Oberfläche und/oder Trockenpunkte („dry spots“) vermeiden.
Weiter lassen sich Fehler an der Oberfläche, die aufgrund von Anheftung von Harz an eine beispielsweise als Glasplatte ausgebildete Druckeinrichtung entstehen könnten, vermeiden.
Mit Ausgestaltungen der Erfindung lässt sich das Risiko einer Dekonsolidation, welche auftreten könnte, wenn die Verbindungspartner vollständig geschmolzen werden, vermeiden.
Weiter lässt sich aufgrund eines geringeren Temperaturgradienten eine vergrößerte Heizgeschwindigkeit erreichen.
Weiter wird das Risiko einer Degradation einer Polymermatrix verringert.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung schaffen eine Druckeinheit zum Laserstrahlschweißen - sowohl für Lasertransmissionsschweißen als auch für Laserwärmekonduktionsschweißen - welche für eine Kühlung der Oberfläche unter die Schmelztemperatur einer Polymermatrix des Werkstücks sorgt, ohne die Schweißwirkung des Laserstrahls zu stören. Die Kühlung wird entsprechend der verwendeten Polymermatrix eingestellt, so dass die Oberfläche unterhalb der Schmelztemperatur gehalten wird. So ist bei einem Werkstück, bei dem zumindest ein Werkstückteil aus einem Verbundwerkstoff mit PPS als Matrix gebildet ist, für eine Kühlung der Oberfläche auf eine Temperatur weniger als 240 Grad Celsius gesorgt. Ist PEKK als Polymermatrix eingesetzt, so wird für eine Kühlung der Oberfläche unterhalb von 350 Grad Celsius gesorgt.
Die als Spannelement wirkende Druckeinheit ist mit einem Kühlmedium befüllt oder wird durch ein Kühlmedium durchflossen. Als Kühlmedium werden vorzugsweise Flüssigkeiten eingesetzt, die weiter vorzugsweise möglichst transparent für den Schweißstrahl sind. Beispiele für Kühlmedien sind Wasser, Öl oder andere nahezu transparente Flüssigkeiten.
Vorzugsweise wird die Temperatur des Kühlmediums und insbesondere des Kühlfluids, mehr insbesondere der Kühlflüssigkeit gesteuert, um die Oberfläche der Verbindungspartner unterhalb der Schmelztemperatur zu halten.
Die Druckeinheit kann beispielsweise eine Glasplatte oder ein anders geformter vorzugsweise transparenter Körper sein.
Bei anderen Ausgestaltungen kann die Druckeinheit eine elastische Blase oder ein elastisches Hautelement - ähnlich einem Radreifen oder Schlauch sein - um so bis zu einem bestimmten Ausmaß elastisch zu sein. Besonders bevorzugt kann ein derartiges elastisches Spannelement durch das Kühlfluid unter Druck gesetzt werden. So kann sowohl die Kühlfunktion als auch eine Aufblasfunktion oder ein Anwenden von Druck durch das Kühlmedium erreicht werden. Vorzugsweise ist eine Kontaktoberfläche des Spannelements an die Form der zu kühlenden Oberfläche angepasst.
Weitere Vorteile besonderer Ausgestaltungen der Erfindung sind:

- eine Oberflächentemperatur des Werkstückes kann durch eine Temperatur eines Kühlfluids gesteuert werden, um Materialdegradation zu vermeiden.
- da nicht das gesamte Werkstückteil geschmolzen wird, kann die strukturelle Integrität aufrechterhalten werden.
- somit ist das Risiko einer Dekonsolidation reduziert.

Es kann somit eine Erhöhung der Heizgeschwindigkeit der Schweißzone und damit eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit erreicht werden. Da die Oberfläche gekühlt wird, muss die Heizgeschwindigkeit nicht aus dem Grund begrenzt werden, dass eine Hindurchleitung eines Schweißstrahles durch das Teil ohne Überhitzung der Oberfläche erfolgen sollte.
Einige bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung nutzen ein Spannelement mit einer Mehrzahl von Kühlmediumkanälen, die durch ein Kühlmittel durchströmbar sind. Vorzugsweise ist eine Steuerung für die Temperatur und/oder den Strömungsfluss oder die Durchflussrate des Kühlmittels vorgesehen.
Vorzugsweise sind bei mehreren Kühlmittelkanälen wenigstens zwei der Kühlmittelkanäle unterschiedlich ansteuerbar, so dass Temperatur und/oder Durchflussrate eines ersten Kühlmittelkanals und eines zweiten Kühlmittelkanals unterschiedliche eingestellt werden können.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine perspektivische schematische Darstellung eines aus einem ersten Werkstückteil und einem zweiten Werkstückteil durch Strahlschweißverfahren herzustellenden Werkstücks zur Verdeutlichung eines Lasertransmissionsschweißverfahrens;
2 eine perspektivische Darstellung eines aus einem ersten Werkstückteil und einem zweiten Werkstückteil durch Strahlschweißen herzustellenden Werkstücks zur Verdeutlichung eines Laserwärmekonduktionsschweißverfahrens;
3 eine schematische perspektivische Darstellung einer Strahlschweißanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Blockdarstellung einer Gesamtansicht der Strahlschweißanordnung;
5 eine perspektivische Darstellung einer nicht durch die Erfindung umfassten Strahlschweißanordnung ohne Kühlung mit einem Graphen, der den Temperaturgradienten durch ein Werkstück darstellt;
6 eine Darstellung wie in 5 für eine Ausführungsform der Erfindung umfassend eine Strahlschweißanordnung mit Kühlung, wobei der entsprechende Graph für den Temperaturgradienten dargestellt ist;
7 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Strahlschweißanordnung;
8 eine perspektivische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Strahlschweißanordnung;
9 eine perspektivische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Strahlschweißanordnung;
10 eine perspektivische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Strahlschweißanordnung;
11 eine perspektivische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Strahlschweißanordnung;
12 eine perspektivische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Strahlschweißanordnung;
13 eine perspektivische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Strahlschweißanordnung;
14 eine perspektivische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Strahlschweißanordnung;
15 eine perspektivische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Strahlschweißanordnung;
16 eine perspektivische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Strahlschweißanordnung;
17 eine perspektivische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Strahlschweißanordnung;
18 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs am Beispiel eines Luftfahrzeugs in Form eines Flugzeugs, welches Bauteile umfasst, die als Werkstücke in einer Strahlschweißanordnung gemäß einer der voranstehenden Ausführungsbeispiele hergestellt worden sind.

In den 1 und 2 sind zwei Ausführungsformen von Laserschweißverfahren als Beispiele für Strahlschweißverfahren zum Schweißen von Verbundwerkstoffen, insbesondere Faserverbundwerkstoffen und/oder Verbundwerkstoffen mit thermoplastischer Matrix, dargestellt. Bei den Laserschweißverfahren soll ein Werkstück 10 aus zwei Werkstückteilen 12 und 14 durch Zusammenschweißen der Werkstückteile 12, 14 hergestellt werden. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen liegen die Werkstückteile mit Kontaktflächen 12a, 14a aufeinander und sollen an diesen Kontaktflächen 12a, 14a - Schnittstelle - miteinander durch Schweißen verbunden werden. Bei den Werkstückteilen 12, 14 handelt es sich beispielsweise um flächige Werkstückteile wie Lagen oder Schichten oder um Werkstückteile, die im Überlappstoß an einer Überlappungsstelle miteinander verbunden werden sollen. Hierzu wird bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ein Schweißstrahl 16 in Form eines Laserstrahls 18 auf das erste Werkstückteil 12 gerichtet, um die Energie des Schweißstrahles 16 durch das erste Werkstückteil 12 zu einer Schweißstelle 20 zu leiten, wo die einander kontaktierenden Kontaktflächen 12a, 14a der Werkstückteile 12, 14 miteinander verbunden werden sollen.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen in 1 und 2 wird der Laserstrahl 18 kontinuierlich längs der Werkstückteile 12, 14 bewegt, um eine Schweißnaht 22 zu bilden. Bei anderen, hier nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen erfolgt ein Punktschweißen, so dass die Schweißstelle 20 jeweils punktförmig ausgebildet ist.
Bei beiden Ausführungsbeispielen ist zumindest eines der Werkstückteile 12, 14 für den Schweißstrahl 16, also hier den Laserstrahl 18, nicht transparent (intransparent), so dass der Laserstrahl 18 absorbiert wird und in Wärme umgewandelt wird, die zu einem Schmelzen eines Matrixmaterials des Werkstückteiles 12, 14 führt, um so das Schweißen durchzuführen. Das wenigstens eine nicht transparente Werkstückteil 14 ist beispielsweise aus Kohlenstofffaserverbundmaterial (CFRP) gebildet.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Werkstückteil 12, auf welches der Schweißstrahl 16 zuerst auftritt, für den Schweißstrahl 16 zumindest teilweise transparent. Beispielsweise ist das erste Werkstückteil 12 zum Schweißen mittels des Laserstrahls 18 aus glasfaserverstärktem Kunststoff ausgebildet, welcher zumindest einen Teil des Laserstrahls 18 hindurchlässt. Dieser Teil tritt dann auf die Kontaktfläche 14a des aus nicht transparentem Material gebildeten zweiten Werkstückteiles 14, wo er in Schmelzwärme umgewandelt wird. 1 zeigt somit ein Beispiel für Lasertransmissionsschweißen, welches ein Ausführungsbeispiel für Strahltransmissionsschweißen ist.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Werkstückteil 12 aus nicht transparentem Material gebildet. Der Schweißstrahl 16 wird so bereits in dem ersten Werkstückteil 12 absorbiert und in Schmelzwärme umgewandelt. Die Wärme breitet sich durch Konduktion durch das erste Werkstückteil 12 hindurch bis zu dem zweiten Werkstückteil 14 aus und führt so zu einem Schmelzen des Matrixmaterials auch an der Schweißstelle 20 an den Kontaktflächen 12a, 14a der Werkstückteile 12, 14. 2 zeigt somit ein Laserwärmekonduktionsschweißen, welches ein Ausführungsbeispiel für Strahlwärmekonduktionsschweißen ist.
Bei Ausführungsbeispielen liegen die Werkstückteile 12, 14 in Richtung des Schweißstrahles 16 aufeinander, so dass die Kontaktflächen 12a, 14a die Richtung des Schweißstrahles 16 kreuzen. Der Schweißstrahl 16 tritt so durch eine der Kontaktfläche 12a des ersten Werkstückteils 12 entgegengesetzte Oberfläche 24 ein.
Um eine sichere Verbindung an den Kontaktflächen 12a, 14a durch Schweißen zu ermöglichen, werden die Werkstückteile 12, 14 zusammengepresst, was durch Pfeile 26 angedeutet ist, die einen Verbindungsdruck darstellen. Der Verbindungsdruck 26 wird solange aufrechterhalten, bis sich das geschmolzene Material der Schweißstelle 20 wieder verfestigt hat und somit das Werkstück sich konsolidiert hat. Der Verbindungsdruck 26 kann daher auch als Konsoliderungsdruck bezeichnet werden.
Da sich durch das Durchführen des Schweißstrahles 16 durch das erste Werkstückteil 12 dieses insbesondere bei der Ausgestaltung nach 2, aber zum Teil auch bei der Ausgestaltung nach 1 erwärmt, kann auch die der Schweißstelle 20 entgegengesetzte Oberfläche 24 überhitzen. Auch kann das gesamte erste Werkstückteil 12 oder das gesamte Werkstück 10 überhitzen, was zu einem Erweichen oder gar Schmelzen des gesamten Matrixmaterials in dem Werkstück 10 mit entsprechender Verschlechterung der Werkstückgüte führen kann. Aus diesem Grund wurde bisher bei Laserschweißverfahren der in 1 und 2 gezeigten Art der Energieeintrag begrenzt, so dass das Schweißen entsprechend langsam von statten ging.
Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung wird dagegen die Oberfläche 24 gekühlt. Durch das Kühlen der Oberfläche 24 lässt sich ein Schmelzen von Matrixmaterial an der Oberfläche 24 zumindest verringern und eng begrenzen (insbesondere im Fall des Ausführungsbeispiels nach 2) oder auch ganz verhindern (insbesondere im Fall des Ausführungsbeispiels nach 1). So kann das Werkstück 10 gekühlt werden und die Laserschweißverfahren können schneller durchgeführt werden und führen zu Werkstücken 10 mit höherer Werkstückgüte.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Bereich einer Strahlschweißanordnung 28 in Form einer Laserstrahlschweißanordnung 30. Die Strahlschweißanordnung 28 weist eine Strahlschweißvorrichtung 32 in Form einer Laserschweißvorrichtung 34 und das Werkstück 10 mit den durch Schweißen zu verbindenden Werkstückteilen 12, 14 auf.
Die Strahlschweißvorrichtung 32 weist eine Strahlquelle 36 für den Schweißstrahl 16 und eine Druckeinheit 38 zum Auferlegen des Verbindungsdrucks auf.
Die Druckeinheit 38 weist wenigstens ein Spannelement 40 zum Einspannen des Werkstücks 10 und eine Kraftquelle 42 zum Beaufschlagen des Spannelements 40 mit der Spannkraft und somit der Konsolidierungskraft 44 auf.
Bei der Darstellung von 3 ist nur ein Spannelement 40 dargestellt, welches ein bewegliches Spannelement sein kann. Vorzugsweise sind ein erstes Spannelement 40a und ein zweites Spannelement 40b vorgesehen, zwischen denen das Werkstück 10 einspannbar ist, wobei eines der Spannelemente 40a, 40b stationär und das andere beweglich sein kann und die Kraftquelle 42 zwischen den Spannelementen 40a, 40b wirkt.
Wenigstens eines der Spannelemente 40, 40a, 40b weist einen Kühlmediumhohlraum 46 für ein Kühlmedium 48 auf. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Kühlmediumhohlraum 46 Kühlmediumkanäle 50a, 50b auf, die durch ein Kühlfluid als Kühlmedium 48 durchströmt werden können. Insbesondere werden die Kühlmediumkanäle 50a, 50b durch ein für den Schweißstrahl 16 transparentes oder zumindest teilweise transparentes Kühlfluid, insbesondere Kühlflüssigkeit 52 durchflossen.
Das Spannelement 40, 40a ist ebenfalls zumindest teilweise für den Schweißstrahl 16 transparent. Beispielsweise kann bei Verwendung des Laserstrahls 18 das Spannelement 40, 40a aus Glas oder dergleichen gebildet sein. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Spannelement 40, 40a als Glaskörper 54, beispielsweise Glasplatte 56 ausgebildet, wobei die mit der transparenten Kühlflüssigkeit 52 befüllten Kühlmediumkanäle 50a, 50 durch den Glaskörper 54 geführt sind.
Das Werkstück 10 weist bei einigen Ausführungsbeispielen das aus semi-transparentem Material, wie beispielsweise Glasfaserverbundwerkstoff (GFRP) gebildete erste Werkstückteil 12 und das aus nicht transparentem Material, beispielsweise aus Kohlenfaserverbundwerkstoff (CFRP) gebildete zweite Werkstückteil 14 auf.
Das gekühlte Spannelement 40, 40a aus zumindest teilweise transparentem Material kontaktiert das erste Werkstückteil 12 und spannt das zweite Werkstückteil 14 auf. Eine Schweißstelle 20 ist an den Kontaktflächen 12a, 14a als Schweißzone 58 ausgebildet, beispielsweise soll hier eine Schweißnaht wie in den 1 und 2 dargestellt entstehen.
Bei dieser Ausgestaltung wird der Konsolidationsdruck - Verbindungsdruck 26 - durch die transparente Glasplatte 56 aufgebracht.
Die Form des Glaskörpers 54 kann plattenförmig sein; sie kann aber auch entsprechend der benötigten Geometrie variieren. Insbesondere ist eine Druckfläche 60 des Spannelements 40, 40a, 40b an die gewünschte Form der Oberfläche 24 des Werkstückes 10 angepasst. Sie kann demgemäß eben oder konkav oder konvex gewölbt sein oder auch mit Sprüngen oder Stufen ausgebildet sein.
Kühlkanäle in Form der Kühlmediumkanäle 50a, 50b sind in den Glaskörper 54 eingebracht. Kühlflüssigkeit 52 wie zum Beispiel unter Druck gesetztes Wasser oder nahezu transparentes Öl wird durch die Kühlmediumkanäle 50a, 50b gepumpt.
Dadurch wird Wärme von der Oberfläche 24 weggeführt und die Oberfläche 24 wird abhängig von der Temperatur des Kühlmediums 48 unter die Schmelztemperatur der Polymermatrix des Werkstücks 10 oder des ersten Werkstückteils 12 gekühlt.
Das Kühlmedium 48 selbst kann in einem Wärmetauscher heruntergekühlt werden, wobei die Wärme für andere Prozesse benutzt werden kann, wenn erwünscht.
Da Wärme von der Oberfläche 24 wegtransportiert werden kann, kann die durch den Schweißstrahl 16 eingeführte Energie höher sein, ohne die Oberfläche 24 zu degradieren oder zu verschlechtern, wodurch die gesamte Heizgeschwindigkeit erhöht werden kann und die für den Schweißprozess benötigte Zeit verringert werden kann.
4 zeigt ein schematisches Ausführungsbeispiel mit einer Gesamtansicht der Strahlschweißanordnung 28 mit der Strahlschweißvorrichtung 32. Ein gekühltes transparentes Spannelement 40 ist hier als erstes Spannelement 40a ausgebildet, welches durch die Kraftquelle 42 relativ zu einem stationären zweiten Spannelement 40b beweglich ist. Das erste Spannelement 40a kann durch den Glaskörper 54 der in 3 genannten Art gebildet sein.
Die Strahlquelle 36 weist einen Laser 42 mit Optik 64, welche zum Beispiel Spiegel 66 und/oder Lichtleitfasern (nicht dargestellt) und/oder Linsen oder Linsensysteme (ebenfalls nicht dargestellt) aufweisen kann, um den Laserstrahl 18 auf die derzeit gewünschte Schweißstelle 20 zu richten.
Weiter ist die Druckeinheit 38 mit dem beispielsweise als Glasplatte 56 ausgebildeten ersten Spannelement 40a und der Kraftquelle 42 mit zwei zum Beispiel hydraulisch oder pneumatisch betätigten Teleskopzylindern 68 dargestellt. Das Spannelement 40a kann wie dargestellt als Glasplatte 56 und somit als Spannplatte ausgebildet sein. Andere Ausgestaltungen nutzen eine Spannbacke. Bei noch einer anderen Ausgestaltung ist das zweite Spannelement 40b, also zum Beispiel ein stationäres Spannelement, transparent und/oder mit Kühlmediumhohlraum 46 ausgebildet, der Schweißstrahl 16 kann dann auch durch das zweite Spannelement 40b geleitet werden.
Weiter ist eine Termperiereinrichtung, insbesondere Kühleinrichtung 70, dargestellt, die zum Liefern des Kühlmediums 48 zu dem Kühlmediumhohlraum 46, also insbesondere zu den Kühlmediumkanälen 50a, 50b ausgebildet ist. Die Kühleinrichtung 70 weist mehrere Kühleinheiten zum Handhaben des Kühlmediums 48 auf. Insbesondere weist die Kühleinrichtung einen oder mehrere Kühlmediumkreisläufe 72 mit Kühlmediumleitungen 74 (beispielsweise zumindest teilweise flexibel, zum Beispiel als Schläuche ausgebildet), Ventilen 76, Pumpen 78 und wenigstens einem Wärmetauscher 80 (beispielsweise ausgebildet als Kühler 82 oder als Prozesswärmetauscher zum Übertragen der Wärme von dem Kühlmedium auf andere Fluide zum Nutzen der Prozesswärme für andere Prozesse). Weiter ist ein Kühlmediumreservoir 84 vorgesehen. Bei einigen Ausführungsformen kann auch eine Wärmequelle für das z.B. als Kühlmedium zu verwendende Fluidmedium vorgesehen sein. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher 80 in einer Betriebsweise zum Abführen von Wärme aus dem dann als Kühlmedium wirkenden Fluidmedium dienen und in einer anderen Betriebsweise zum Erwärmen des dann als Heizmedium dienenden Fluidmediums dienen.
Die als Laserschweißvorrichtung 34 ausgebildete Strahlschweißvorrichtung 32 weist weiter eine Steuerung 86 zur automatischen Steuerung des Schweißverfahrens und/oder der Kühleinrichtung 70 auf. Insbesondere sind die Kühleinheiten wie insbesondere Ventile 76 und Pumpen 78 durch die Steuerung 86 ansteuerbar. In 4 sind ein erster Kühlmediumkreislauf 72a zum Versorgen eines ersten Kühlmediumkanals 50a und ein zweiter Kühlmediumkreislauf 72b zum Versorgen des zweiten Kühlmediumkanals 50b vorgesehen. Vorzugsweise sind Durchflussraten, Fließgeschwindigkeiten und/oder die Temperatur des Kühlmediums 48 in den unterschiedlichen Kühlmediumkreisläufen 72a, 72b und somit in unterschiedlichen Kühlmediumkanälen 50a, 50b getrennt steuerbar. Hierzu ist die Steuerung 86 mit entsprechenden Ablaufprogrammen versehen.
5 zeigt eine nicht von der Erfindung umfasste Laserstrahlschweißanordnung 30, ähnlich wie die Laserstrahlschweißanordnung 30 gemäß 3, jedoch ohne Kühlung, d. h. das Spannelement 40 ist zwar transparent aber nicht mit dem wenigstens einen Kühlmediumhohlraum 46 versehen. Weiter ist ein Temperaturgradient als Temperaturprofil dargestellt, welche den Verlauf der Temperatur T in Richtung des Schweißstrahles 16 durch das Werkstück 10 - in Dickenrichtung des Werkstückes 10 - hindurch darstellt. 6 zeigt eine entsprechende Darstellung wie 5 anhand des in 3 näher gezeigten Ausführungsbeispiels für die Laserstrahlschweißanordnung 30 gemäß der Erfindung mit dem entsprechenden als Temperaturprofil dargestellten Temperaturgradienten. Bei beiden Temperaturprofilen der 5 und 6 ist jeweils die Lage der Schweißzone 58 (entspricht t der Lage der Kontaktflächen 12a, 14a) und die Schmelztemperatur 88 der verwendeten Matrix angezeigt.
Wie bei dem Temperaturprofil der 5 zu sehen, besteht bei gleichem Temperaturprofil entlang der Dicke der Verbindungspartner (Werkstückteile 12, 14) bei gleichem Energieeintrag eine Temperatur in dem ersten Werkstückteil 12 oberhalb der Schmelztemperatur 88 der Matrix. Bei dem erfindungsgemäßen Laserschweißverfahren mit Kühlung der Oberfläche 24 ist das Temperaturprofil verschoben; die hohen Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur der Matrix werden im Bereich der Schweißzone 58 gehalten.
Im Folgenden wird anhand der Darstellung in 7, die eine Laserstrahlschweißanordnung 30 ähnlich der 3 zeigt, die Funktion der Kühlmediumkanäle 50a, 50b näher erläutert. Der Schweißstrahl 16 wird durch den Bereich des Spannelements 40 zwischen dem Kühlmediumkanälen 50a, 50b zu der Schweißzone 58 geleitet. Ohne Kühlung würde in dem Eintrittsbereich 90 der Oberfläche 24, wo der Schweißstrahl 16 eintritt, eine Erhöhung der Schweißenergie - beispielsweise Laserenergie - zu einem Überhitzen der Oberfläche des ersten Werkstückteiles 12 führen. Durch das Kühlmedium 48 in den Kühlmediumkanälen 50a, 50b wird ein Teil der vorgesehenen Energie abgeführt, aber nur von der Oberfläche 24. Die Temperatur in der Schweißzone 58 bleibt unverändert. Der andere Teil der Energie wird durch das erste Werkstückteil 12 zu der Schweißzone 58 übertragen.
Die 3, 4 und 6 zeigen eine Ausführungsform der Strahlschweißanordnung 28, wo in der Strahlschweißvorrichtung 32 ein Werkstück 10 mit dem Schweißverfahren gemäß 1 geschweißt wird. Demnach ist die als Laserschweißvorrichtung 34 ausgebildete Strahlschweißvorrichtung 32 zum Durchführen eines Strahltransmissionsschweißverfahrens geeignet.
8 zeigt eine weitere Ausgestaltung der als Laserstrahlschweißanordnung 30 ausgebildeten Strahlschweißanordnung 28, wobei die gleiche als Laserschweißvorrichtung 34 ausgebildete Strahlschweißvorrichtung 32 zum Durchführen eines Strahlwärmekonduktionsverfahrens gemäß 2 eingesetzt wird. Die Laserschweißvorrichtung 34 dieser Ausgestaltung ist somit die gleiche wie die Laserschweißvorrichtung 34 der Ausgestaltungen der 3, 4 und 6, jedoch ist ein Werkstück 10 gemäß 2 eingesetzt, bei dem das erste Werkstückteil 12 nicht transparent ausgebildet ist. Bei dem Werkstück 10 der 8 sind insbesondere das erste Werkstückteil 12 und das zweite Werkstückteil 14 aus nicht transparentem Material, wie zum Beispiel kohlenfaserverstärktem Kunststoffmaterial (CFRP) ausgebildet. Die zuvor anhand der Durchführung eines als Lasertransmissionsschweißverfahrens ausgebildeten Schweißstrahltransmissionsverfahrens erläuterten Merkmale, Funktionen und Vorteile sind auch auf das gemäß 8 durchzuführende als Laserwärmekonduktionsverfahren ausgebildete Strahlwärmekonduktionsverfahren anwendbar.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform der als Laserstrahlschweißanordnung 30 ausgebildeten Strahlschweißanordnung 28, wobei das transparente Spannelement 40, 40a, durch welche der Schweißstrahl 16 auf das erste Werkstückteil 12 zu richten ist, nicht aus starrem Material wie Glas, sondern aus flexiblem Material oder zumindest aus teilweise flexiblem Material gebildet ist. Beispielsweise weist das Spannelement 40, 40a einen flexiblen Hautbereich 92 auf, der zumindest teilweise den zum Beispiel als Kühlmediumkanal 50a ausgebildeten Kühlmediumhohlraum 46 umschließt. Das Spannelement 40, 40a kann beispielsweise als eine Art Schlauch 94, eine Blase oder wie ein elastischer Radreifen ausgebildet sein. Der Kühlmediumhohlraum 46 kann als Kühlmediumkanal 50a ausgebildet sein oder als einseitig geschlossener Hohlraum., um z. B. ein geschlossenes System zu bilden.
Durch Einleiten des Kühlmediums 48 unter Druck lässt sich der flexible Hautbereich 92 des Spannelements 40, 40a ausdehnen und so der Verbindungsdruck bzw. Konsolidierungsdruck auf das Werkstück 10 ausüben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist das erste Werkstückteil 12 aus semi-transparentem Material, wie zum Beispiel glasfaserverstärktem Kunststoff (GFRP) ausgebildet. Wie zuvor anhand der 8 erläutert, kann das erste Werkstückteil auch aus nicht transparentem Material ausgebildet sein. Bei der in 9 dargestellten Ausführungsform ist das erste Werkstückteil 12 als eine Art Versteifungsrippe oder Versteifungsprofil 96 ausgebildet, welches mit dem hier dargestellten Laserschweißverfahren auf ein als Hautelement 98 oder Plattenelement ausgebildetes zweites Werkstückteil 14 aufschweißbar ist. Das zweite Werkstückteil 14 ist vorzugsweise aus nicht transparentem Material, wie zum Beispiel kohlenstofffaserverstärktem Kunststoffmaterial ausgebildet. Eine Untergrundstruktur zum Schaffen eines Gegendrucks (beispielsweise das zweite Spannelement 40b von 4) ist in 9 der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Bei einer Variante der Ausgestaltung der Strahlschweißanordnung 28 nach 9 wird unter Druck gesetzte Kühlflüssigkeit 52 durch ein geschlossenes System gepumpt.
In diesem Fall hat der Druck der Kühlflüssigkeit 52 den Effekt, dass der flexible Bereich (beispielsweise flexibler Hautbereich 92) des Systems sich ausdehnt und daher eine Konsolidierungskraft auf die Schweißpartner - erstes Werkstückteil 12 und zweites Werkstückteil 14 - ausübt.
Verglichen mit dem Konzept einer steifen Glasplatte 56 ist die Konstruktion gemäß 9 flexibler und kann unterschiedliche Formen annehmen und sich an unterschiedliche Formen anpassen und auch an unterschiedliche Toleranzen angepasst werden.
Die Temperatur des Kühlmediums 48 wird abhängig von dem Wärmewiderstand des flexiblen Materials des Spannelements 40 gewählt und kann daher auch verglichen mit dem Glasplattenkonzept geringer sein.
Wie oben bereits erwähnt, ist dieses Konzept auch anwendbar um ausschließlich aus CFRP gebildete Werkstückteile 12, 14 durch Laserwärmekonduktionsschweißen mit einer aufgrund des Kühlens der Oberfläche 24 erhöhten Erhitzungsgeschwindigkeit zu schweißen.
Der wenigstens eine Kühlmediumhohlraum 46 und insbesondere der wenigstens eine Kühlmediumkanal 50a, 50b kann unterschiedlich ausgestaltet sein und auch unterschiedlich angesteuert werden. In 10 ist eine Ausgestaltung der Laserstrahlschweißanordnung 30 ähnlich derjenigen von 3 dargestellt, wobei ein erster bis vierter Kühlmediumkanal 50a-50d durch den Glaskörper 54 hindurchgeführt werden. Die Anzahl von Kühlmediumkanälen 50a-50d kann größer oder kleiner als vier gewählt werden.
Das transparente Spannelement 40, 40a, durch welches der Schweißstrahl 16 zu dem Werkstück 10 geleitet wird, kann aus festem Material, wie beispielsweise Glas oder aus flexiblem Material oder aus teilweise festem und aus teilweise flexiblem Material gebildet sein.
Unterschiedliche Kühlmediumkanäle 50a-50d erlauben die Steuerung der Temperatur mit unterschiedlichen Temperaturbereichen über die Oberfläche 24. Beispielsweise könnten die Temperaturen T₁ der mittleren Kühlmediumkanäle 50b, 50c höher sein als die Temperaturen T₂ der äußeren Kühlmediumkanäle 50a und 50d, wobei auch beispielsweise zusätzliche Energie durch den Schweißstrahl 16 zu der Schweißzone 58 transportiert werden kann, um die Schweißenergie zu erhöhen. An Kühlmediumkanälen 50a und 50d, die sich nahe der Kanten des Spannelements 40, 40a und/oder des Werkstücks 10 befinden, könnten geringere Temperaturen als in der Mitte eingestellt werden, um das Risiko des Schmelzens von Kanten 100 zu verringern und/oder um auch um das Risiko eines Verlustes von Verbindungsdruck 26 in der Schweißzone 58 zu verringern.
Die 11 und 12 zeigen Variationen in der Breite des Schweißstrahles 16 und der Überdeckung des Schweißstrahles 16 und der Überdeckung des Schweißstrahles 16 über die Kühlmediumkanäle 50a, 50b. Bei der Ausgestaltung der Strahlschweißanordnung 28 von 11 ist der Schweißstrahl 16 über und durch die Kühlmediumkanäle 50a, 50b geführt. Bei der Ausgestaltung der 12 ist der Schweißstrahl 16 durch einen Bereich des Spannelements 40 zwischen den Kühlmediumkanälen 50a, 50b geführt.
Weiter kann die Form der Kühlmediumkanäle 50a, 50b, 50c, 50d variieren. 14 zeigt eine Ausgestaltung der Strahlschweißanordnung 28, bei der der wenigstens eine Kühlmediumkanal 50a keinen kreisförmigen Querschnitt, sondern einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Beispielsweise ist der Schweißstrahl 16 durch das in diesem rechteckprofilförmigen Kühlmediumkanal 50a befindliche Kühlmedium 48 geführt.
15 zeigt eine Ausgestaltung, bei der der wenigstens eine Kühlmediumhohlraum 46 und insbesondere der wenigstens eine Kühlmediumkanal 50a oval oder elliptisch im Querschnitt ausgebildet ist. Mit den Ausgestaltungen der 15 sowie der 14, welche in 16 noch einmal ohne Schweißstrahl 16 dargestellt ist, lässt sich bei flachem Aufbau eine größere Überdeckung des Werkstücks 10 mit dem zu kühlendem Kühlmedium 48 erreichen.
Wie die Ausgestaltung von 17 zeigt, können auch mehrere Kühlmediumhohlräume 46 und insbesondere mehrere Kühlmediumkanäle 50a, 50b, 50c mit unterschiedlichen Querschnitten vorgesehen sein. Als Beispiel ist hier ein erster Kühlmediumkanal 50a mit kreisförmigem Querschnitt, ein zweiter Kühlmediumkanal 50b mit rechteckförmigem Querschnitt und ein dritter Kühlmediumkanal 50c mit kreisförmigem Querschnitt dargestellt.
Insbesondere können ein oder mehrere Kühlmediumkanäle 50a und 50c auch in seitlichen Bereichen des Spannelements 40, 40a selbst oder in daran angesetzten Elementen vorgesehen sein, so dass Kanten 100 des Werkstücks 10 und insbesondere des ersten Werkstückteils 12 durch gekühlte Druckflächen 60 umgriffen werden. So kann ein Abschmelzen an den Kanten vermieden werden. Das Spannelement 40, 40a kann hierbei wiederum aus festem Material, wie zum Beispiel Glas oder aus zumindest teilweise flexiblen Materialien gebildet sein. Es kann einen vorgeformten Innenkantenbereich 108 zum Umgreifen der Werkstückkanten 100 aufweisen.
Wie bereits oben erwähnt, kann der Körper des Spannelements 40, 40a insbesondere ein Glaskörper 54 oder auch ein Körper aus flexiblen Materialien, wie beispielsweise ein Schlauch 94, unterschiedlich geformt sein. 18 zeigt eine Ausgestaltung, bei der das Spannelement 40a, 40b mit durchgängig darin angeordnetem Kühlmediumkanal 50a um das erste Werkstückteil 12 herum angeordnet ist. Die in 18 dargestellte Ausführungsform des Spannelements 40, 40a lässt sich besonders gut mit einem flexiblen Spannelement, insbesondere ausgebildet als Schlauch 94 oder als Radreifen, ausbilden.
19 zeigt schematisch ein Flugzeug 102, welches Schweißverbindungen aufweist, die mit den zuvor erläuterten Schweißvorrichtungen und Schweißverfahren hergestellt sind. Insbesondere könnten benachbarte Hautpaneele 104 des Rumpfes 106 des Flugzeuges 102 an ihren Kanten im Überlappstoß auf- und aneinanderliegen und dann mittels der zuvor erläuterten Laserschweißvorrichtungen 34 mit Kühlung der Oberfläche 24 aneinandergeschweißt sein. Bei einer anderen Ausführungsform sind innere Versteifungsprofile 96 (zum Beispiel Stringer oder Spante) an den Hautpaneelen 104 mittels der Laserschweißverfahren, von 9 verbunden.
Im Folgenden werden mögliche Materialien für die Laserschweißvorrichtung 34 und die damit zu verschweißenden Werkstückteile 12, 14 gemäß bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung näher erläutert.
Gemäß Ausgestaltungen der Erfindung ist das Spannelement 40, 40a zumindest teilweise aus Glas (Beispiel für einen transparenten festen Werkstoff) oder aus Silikon (Beispiel für einen transparenten flexiblen Werkstoff) gebildet.
Das Kühlmedium 48 sollte möglichst durchgängig für den zu verwendenden Schweißstrahl 16 ausgebildet sein. Für einen Laserstrahl 18 können hierzu beispielsweise Wasser, Hochtemperaturöle oder kommerziell erhältliche Hochleistungswärmetransferfluide, wie zum Beispiel die Fluide, die auf dem Markt unter den Handelsnamen Marlotherm SH oder Duratherm FH erhältlich sind, eingesetzt werden.
Im Folgenden werden mögliche Materialien für die Verbindungspartner und die Verstärkungen erläutert:

Als zu verschweißende Materialien werden vorzugsweise Materialien mit thermoplastischen Polymermatrixmaterial wie beispielsweise PPS, PEKK, PEEK, PA oder PEI eingesetzt. Diese können mit Faser verstärkt sein oder auch nicht. Bevorzugte Ausgestaltungen weisen Faserverstärkungen in Form eines Gewebes, Gewirkes oder Geleges, in Form von unidirektionalen Fasern oder in Form von Kurzfasern auf. Mögliche Fasermaterialien sind zum Beispiel Kohlenstofffasern, Glasfasern oder andere Fasermaterialien, wie zum Beispiel Keramikfasern.

Es ist auch möglich Mischungen von unterschiedlichen Materialien in den Werkstücken 10 vorzusehen oder auch in Werkstückteilen 12, 14 aus unterschiedlich zusammengesetzten Materialien miteinander zu verschweißen.
Bezugszeichenliste

10: Werkstück
12: erstes Werkstückteil
12a: Kontaktfläche des ersten Werkstückteils
14: zweites Werkstückteil
14a: Kontaktfläche des zweiten Werkstückteiles
16: Schweißstrahl
18: Laserstrahl
20: Schweißstelle
22: Schweißnaht
24: Oberfläche
26: Verbindungsdruck
28: Strahlschweißanordnung
30: Laserstrahlschweißanordnung
32: Strahlschweißvorrichtung
34: Laserschweißvorrichtung
36: Schweißstrahlquelle
38: Druckeinheit
40: Spannelement
40a: erstes Spannelement
40b: zweites Spannelement
42: Kraftquelle
44: Konsolidierungskraft
46: Kühlmediumhohlraum (Fluidmediumhohlraum)
48: Kühlmedium (Fluidmedium)
50a: erster Kühlmediumkanal (erster Fluidmediumkanal)
50b: zweiter Kühlmediumkanal (zweiter Fluidmediumkanal)
50c: dritter Kühlmediumkanal (dritter Fluidmediumkanal)
50d: vierter Kühlmediumkanal (vierter Fluidmediumkanal)
52: Kühlflüssigkeit
54: Glaskörper
56: Glasplatte
58: Schweißzone
60: Druckfläche
62: Laser
64: Optik
66: Spiegel
68: Teleskopzylinder
70: Kühleinrichtung
72: Kühlmediumkreislauf
72a: erster Kühlmediumkreislauf
72b: zweiter Kühlmediumkreislauf
74: Kühlmediumleitung
76: Ventil
78: Pumpe
80: Wärmetauscher
82: Kühler
84: Kühlmediumreservoir (Fluidmediumreservoir)
86: Steuerung
88: Schmelztemperatur
90: Eintrittsbereich
92: flexibler Hautbereich
94: Schlauch
96: Versteifungsprofil
98: Hautelement
100: Kante
102: Flugzeug
104: Hautpaneele
106: Rumpf
108: Innenkantenbereich

Claims

Strahlschweißvorrichtung (32) zum Schweißen eines Werkstücks mittels eines Schweißstrahls (16), umfassend eine Schweißstrahlquelle (36) zum Erzeugen des Schweißstrahls (16) und wenigstens ein zumindest teilweise für den Schweißstrahl (16) transparentes Spannelement (40, 40a, 40b) zum Einspannen der Werkstücks (10), wobei die Schweißstrahlquelle (36) dazu ausgebildet ist, den Schweißstrahl (16) durch das Spannelement (40, 40a, 40b) hindurch auf das Werkstück (10) zu leiten, und das Spannelement (40, 40a, 40b) wenigstens einen Fluidmediumhohlraum (46) für ein Fluidmedium (48) aufweist.
Strahlschweißvorrichtung (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (40, 40a, 40b) 2.1 aus einem für den Schweißstrahl (16) transparenten Material gebildet ist und/oder 2.2 aus einem flexiblen oder aus einem starren Material gebildet ist und/oder 2.3 zumindest teilweise aus Glas oder Silikon gebildet ist und/oder 2.4 als Spannbacke oder Druckplatte ausgebildet ist und/oder 2.5 wenigstens einen flexiblen Hautbereich (92) zum Anliegen an dem Werkstück (10) aufweist und/oder 2.6 wenigstens einen Innenkantenbereich (108) zum Einfassen oder Umgreifen einer Kante des Werkstücks (10) aufweist.
Strahlschweißvorrichtung (32) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Fluidmediumhohlraum (46) 3.1 wenigstens einen durch das Fluidmedium (48) durchströmbaren Fluidmediumkanal (50a, 50b, 50c, 50d) aufweist oder durch einen solchen gebildet ist und/oder 3.2 zumindest teilweise durch eine flexible Hülle begrenzt ist und/oder 3.3 zumindest teilweise durch eine starre Wandung begrenzt ist und/oder 3.4 mit einem für den Schweißstrahl (16) zumindest teilweise transparenten Fluidmedium (48) befüllt ist und/oder 3.5 mit einem Kühlfluid oder einer Kühlflüssigkeit (52) als Fluidmedium (48) befüllt ist 3.6 mit einem Fluidmedium (48) aus der Gruppe von Fluidmedien (48) befüllt ist, die Wasser, Öl, Hochtemperaturöl, Hochleistungskühlflüssigkeit, eine Suspension, eine Lösung und Zusammensetzungen daraus umfasst, und/oder 3.7 im Querschnitt rund, oval oder rechteckig ausgebildet ist und/oder 3.8 einen ersten Fluidmediumhohlraum (46, 50a) und einen davon beabstandeten zweiten Kühlmediumhohlraum (46, 50b) aufweist.
Strahlschweißvorrichtung (32) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißstrahlquelle (36) 4.1 zumindest einen Laser (62) aufweist, und/oder 4.2 zum Liefern eines Schweißstrahls (16) zum Schweißen eines oder mehrere Werkstückmaterialien ausgebildet ist, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die ein thermoplastisches Material, einen Kunststoff, einen faserverstärkten Kunststoff, eine thermoplastische Matrix, PPS, PEKK, PEEK, PA, PEI, ein Fasergewebe, ein Fasergelege, unidirektionale Fasern, Kurzfasern, Kohlenstofffasern, Glasfasern und Mischungen der genannten Materialien umfasst; und/oder 4.3 zum Liefern eines Schweißstrahls (16), mittels dem eine Schweißverbindung zwischen einem ersten Werkstückteil (12) und einem zweiten Werkstückteil (14) herstellbar ist, ausgebildet ist, und/oder 4.4 zum Durchführen einer Nahtschweißung und/oder einer Punktschweißung ausgebildet ist.
Strahlschweißvorrichtung (32) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung (70) zum Liefern von Kühlmedium (48) zu dem wenigstens einen Fluidmediumhohlraum (46).
Strahlschweißvorrichtung (32) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (70) wenigstens eine Kühleinheit aus der Gruppe von Kühleinheiten, die einen Kühlmediumkreislauf (72), eine Kühlmediumleitung (74), einen Kühler (82), einen Wärmetauscher (80), eine Pumpe (78), ein Ventil (76) und ein Fluidmediumreservoir (84) umfasst.
Strahlschweißanordnung (28), umfassend ein zu schweißendes Werkstück (10) und eine Strahlschweißvorrichtung (32) nach einem der voranstehenden Ansprüche.
Strahlschweißanordnung (28) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) ein erstes Werkstückteil (12) und ein damit mittels Verschweißens durch die Strahlschweißvorrichtung (28) zu verbindendes zweites Werkstückteil (14) umfasst, wobei 8.1 das erste Werkstückteil (12) ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, ein Bauteil mit einer Matrix aus thermoplastischen Material, ein Bauteil mit einer Matrix aus PPS, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEKK, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEEK, ein Bauteil mit einer Matrix aus PA, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEI, ein Bauteil aus einem Material, das zumindest teilweise für den Schweißstrahl (16) transparent ist, ein Bauteil mit einer Matrix aus einem Material, das zumindest teilweise für den Schweißstrahl (16) semitransparent ist, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form eines Gewebes, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form eines Geleges, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form von unidirektionalen Fasern, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form von Kurzfasern, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Glas, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Keramik umfasst, und/oder 8.2 das zweite Werkstückteil (14) ausgewählt ist aus einer Gruppe, die ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, ein Bauteil mit einer Matrix aus thermoplastischen Material, ein Bauteil mit einer Matrix aus PPS, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEKK, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEEK, ein Bauteil mit einer Matrix aus PA, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEI, ein Bauteil aus einem Material, das für den Schweißstrahl intransparent ist, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form eines Gewebes, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form eines Geleges, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form von unidirektionalen Fasern, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form von Kurzfasern, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Glas, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Keramik umfasst, und/oder 8.3 die Strahlschweißvorrichtung (32) zum Verschweißen der Werkstückteile (12, 14) mittels Lasertransmissionsschweißen und/oder mittels Laserwärmekonduktionsschweißen ausgebildet ist.
Strahlschweißverfahren zum Schweißen eines Werkstücks (10) mittels eines Schweißstrahls (16) umfassend die Schritte: a) Einspannen des Werkstücks (10) mittels wenigstens eines Spannelements (40, 40a, 40b), welches zumindest teilweise für den Schweißstrahl (16) transparent ist, b) Leiten des Schweißstrahls (16) durch das wenigstens eine Spannelement (40, 40a, 40b) zu dem Werkstück (10), um dieses an einer Schweißstelle (20) zu schweißen und c) Einstellen einer Temperatur des Spannelements (40, 40a, 40b) vor, während und/oder nach Schritt b), um die Temperatur wenigstens eines anderen Bereichs des Werkstücks (10) als die Schweißstelle (20) zu beeinflussen.
Strahlschweißverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) wenigstens einen oder mehrere der folgenden Schritte umfasst: a1) Aufpressen des Spannelements (40, 40a, 40b) auf das Werkstück (10), a2) Verwenden eines Spannelements (40, 40a, 40b) aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe aus Materialien, die ein für den Schweißstrahl (16) transparentes Material, ein flexibles Material, ein starres Material, Glas, transparenter Kunststoff und Silikon umfasst, a3) Verwenden einer Druckplatte oder Spannbacke als Spannelement (40, 40a, 40b), a4) Verwenden eines Spannelements (40, 40a, 40b) mit wenigstens einem mit einem Fluidmedium (48) befüllten Fluidmediumhohlraum (46), a5) Zusammenpressen eines ersten Werkstückteils (12) und eines damit zu verschweißenden zweiten Werkstückteils (14), a6) Verspannen von zu dem Werkstück zu verschweißenden Werkstückteilen (12, 14), die ausgewählt sind aus der Gruppe, die ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, ein Bauteil mit einer Matrix aus thermoplastischen Material, ein Bauteil mit einer Matrix aus PPS, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEKK, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEEK, ein Bauteil mit einer Matrix aus PA, ein Bauteil mit einer Matrix aus PEI, ein Bauteil aus einem Material, das zumindest teilweise für den Schweißstrahl (16) transparent ist, ein Bauteil mit einer Matrix aus einem Material, das zumindest teilweise für den Schweißstrahl (16) semitransparent ist, ein Bauteil mit einer Matrix aus einem Material, das zumindest teilweise für den Schweißstrahl (16) intransparent ist, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form eines Gewebes, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form eines Geleges, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form von unidirektionalen Fasern, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern in Form von Kurzfasern, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Glas, ein Bauteil mit Verstärkungsfasern aus Keramik umfasst, und/oder a7) Verspannen eines ersten Werkstückteils (12) und eines zweiten Werkstückteils (14) in Überlappung oder Teilüberlappung, und/oder a8) Umgreifen wenigstens einer Werkstückkante (100) mittels des Spannelements (40, 40a, 40b), a9) Verwenden eines Schlauchs (94) oder einer Blase aus flexiblem Material als Spannelement (40, 40a, 40b) und Einleiten eines als Fluidmedium (48) zur Temperatursteuerung wirkenden Druckfluids in den Schlauch (94) oder die Blase zum Verspannen, und/oder a10) Aufspannen einer Spannhaut auf das Werkstück (10).
Strahlschweißverfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) wenigstens einen oder mehrere der folgenden Schritte aufweist: b1) Schweißen eines inneren Bereichs des Werkstücks (10), b2) Leiten des Schweißstrahls (16) durch das Spannelement (40, 40a, 40b) zwischen einem ersten darin gebildeten Fluidmediumhohlraum (46) und einem zweiten Fluidmediumhohlraum (46), b3) Leiten des Schweißstrahls (16) zumindest teilweise durch wenigstens einen in dem Spannelement (40, 40a, 40b) vorgesehenen Fluidmediumhohlraum (46), b4) Durchführen einer Punktschweißung, b5) Bewegen des Schweißstrahls (16) zum Bilden einer Schweißnaht (22), b6) Durchführen eines Strahltransmissionsschweißen durch Leiten des Schweißstrahls (16) durch einen für den Schweißstrahl (16) zumindest teilweise durchlässigen oder semitransparenten Bereich des Werkstücks (10); b7) Durchführen eines Strahlwärmekonduktionsschweißens, bei dem Wärme des Schweißstrahls (16) durch Wärmekonduktion zu der Schweißstelle (20) geleitet wird.
Strahlschweißverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) wenigstens einen oder mehrere der folgenden Schritte umfasst: c1) Beeinflussen, Steuern oder Kontrollieren der Temperatur einer Oberfläche (24) oder eines Oberflächenbereichs des Werkstücks (10); c2) Kühlen des Spannelements (40, 40a, 40b) vor, während oder nach Schritt b), um wenigstens einen anderen Bereich des Werkstücks (10) als die Schweißstelle zu kühlen; c3) Kühlen einer Oberfläche (24) oder eines Oberflächenbereichs des Werkstücks (10), c4) Kühlen einer der Schweißstelle (20) abgewandten Oberfläche (24) des Werkstücks (10), c5) Durchleiten eines Fluidmediums (48) zur Temperatursteuerung durch das Spannelement (40, 40a, 40b), c6) Verwenden eines Fluidmediums (48) aus der Gruppe von Kühlmedien oder sonstigen Fluidmedien (48) zur Temperatursteuerung, die Kühlfluid, Kühlflüssigkeit, Wasser, Öl, Hochtemperaturöl, Hochleistungskühlflüssigkeit, Kühlsuspension, Kühllösung und Zusammensetzungen daraus umfasst, c7) Kühlen von Kühlmedium (48) in einem Kühler (82) oder Wärmetauscher (80), c8) Unter Druck setzen von temperiertem Fluidmedium (48) in einem Fluidmediumhohlraum (46) in dem Spannelement (40, 40a, 40b), c9) Kühlen von Kanten (100) des Werkstücks (10); c10) Kühlen eines an einer Kante (100) des Werkstücks (10) diese umgreifend anliegenden Innenkantenbereichs (108) des Spannelements (40, 40a, 40b), c11) Leiten von Kühlmedium (48) durch eine Reihe von Kühlmediumkanälen (50a, 50b, 50c, 50d) c12) Leiten von Kühlmedium (48) durch einen ovalen oder rechteckigen Kühlmediumkanal (50a, 50b, 50c, 50d).
Durchführen des Strahlschweißverfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zum Verschweißen von Bauteilen oder Komponenten, von denen wenigstens eines aus thermoplastischem Faserverbundmaterial gebildet ist.
Werkstück (10) mit einer Verschweißung, die mittels einer Strahlschweißvorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines Strahlschweißverfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 13 herstellbar ist.
Fahrzeug, insbesondere Luftfahrzeug, mehr insbesondere Flugzeug (102), umfassend wenigstens ein Werkstück (10) nach Anspruch 14 und/oder eine Verschweißung, die mittels einer Strahlschweißvorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines Strahlschweißverfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 13 erhältlich ist.