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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auflegen von wenigstens zwei Fügeteilen während eines Schweißverfahrens, bei dem zum Verbinden der Fügeteile eine Schmelze erzeugt wird, um eine die Fügeteile verbindende Schweißnaht auszubilden. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Fügeteilen mittels der Vorrichtung.
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Derartige Vorrichtungen finden Anwendung beim Schweißen von Verbindungen mehrerer Fügeteile, insbesondere Bleche. Dabei werden die Fügeteile an der Vorrichtung angeordnet, insbesondere auf der Vorrichtung angebracht. Danach können die Fügeteile mittels einer Durchschweißung verbunden werden, sodass die Verbindung eine zufriedenstellende Festigkeit hat. Mittels des Schweißverfahrens wird eine Schmelze an den Fügeteilen erzeugt, die nach dem Erstarren eine Schweißnaht ausbildet. Dabei kommt es, je nach verwendetem Material, zu einem mehr oder weniger starken Durchhang der Unterseite (Wurzel) der Schweißnaht. Dieser Durchhang zieht auch einen starken Einfall der Schweißnaht selbst nach sich.
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Um dem Einfall der Schweißnaht entgegenzuwirken, werden häufig Schmelzbadstützen verwendet. Diese dienen dazu, die noch nicht erstarrte Schmelze an der Wurzel von unten abzustützen. Die Schmelzbadstütze kann je nach eingesetztem Fügeprozess aus Keramik, Stahl oder anderen Werkstoffen hergestellt sein.
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Die Schmelzbadstütze ist als Verschleißteil konzipiert, sodass sie in Abhängigkeit von den Prozessanforderungen in der Regel täglich gewechselt werden muss. Das bedingt hohe Kosten und einen erheblichen Aufwand für den Betreiber, die sich insbesondere bei einer hohen Anzahl von Schweißnähten 7 erheblich auswirken.
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Ein Verfahren zum Fügen von Fügepartnern artungleicher Zusammensetzung, bei dem das Schmelzbad an der Wurzel verdrängt wird, ist aus
DE 10 2015 121 064 B3 bekannt. Das Schmelzbad wird dabei durch Einfluss eines Magnetfelds verdrängt, alternativ mittels eines Gases mit Überdruck oder Unterdruck.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, die ein Verbinden von Fügeteilen mit reduziertem Teileverschleiß und geringerem Aufwand ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Auflegen von wenigstens zwei Fügeteilen während eines Schweißverfahrens, insbesondere während eines Laserschweißverfahrens, bei dem zum Verbinden der Fügeteile eine Schmelze erzeugt wird, um eine die Fügeteile verbindende Schweißnaht auszubilden. Die Vorrichtung umfasst ein Abstützelement, welches eine Oberfläche für die Fügeteile ausbildet, eine in das Abstützelement eingebrachte Ausnehmung und einen Fluidanschluss zum Beaufschlagen der Ausnehmung mit einem Fluid, vorzugsweise einem Gas, insbesondere Luft, um einen Überdruck in der Ausnehmung zu erzeugen und die Schmelze mittels des Überdrucks abzustützen.
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Aufgrund des Abstützens der Schmelze wird eine Schweißnaht erzeugt, welche keinen oder nur einen geringen Einfall aufweist. Somit wird eine hohe Güte der Schweißverbindung erzielt. Gleichzeitig kann auf eine als Verschleißteil ausgebildete Schmelzbadstütze verzichtet werden, da diese durch die Druckluft in der dafür vorgesehenen Ausnehmung ersetzt wird. Folglich ergibt sich eine reduzierte Anzahl von auszutauschenden Verschleißteilen und damit verbunden ein geringer Aufwand.
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Bei den Fügeteilen, die beispielsweise aus Stahl oder Aluminium bestehen können, kann es sich um Bleche handeln. Die Fügeteile werden vor dem Schweißen auf die Vorrichtung, genauer auf die Oberfläche des Abstützelements, aufgelegt, indem zumindest eines der Fügeteile unmittelbar mit der Oberfläche in Kontakt gebracht wird. Die übrigen Fügeteile müssen nicht, können jedoch ebenfalls zu der Oberfläche Kontakt haben. Es kann jedoch ausreichend sein, dass beispielsweise mehrere Fügeteile einen auf das Abstützelement aufgelegten Stapel ausbilden, wobei nur ein unterstes Fügeteil unmittelbar mit der Oberfläche in Kontakt ist, also auf dieser aufliegt. Das Abstützelement hat dann die Funktion eines Auflagestücks oder eines Auflageblocks, sodass die Oberfläche eine Auflagefläche ist, auf welche die Fügeteile übereinander gestapelt aufgelegt werden können.
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Die Fügeteile weisen jeweils einen Verbindungsbereich auf, in denen die Schweißverbindung erzeugt wird, also zum Verbinden der Fügeteile die Schmelze erzeugt wird, um dort die Schweißnaht auszubilden. Die Fügeteile werden insbesondere so an dem Abstützelement angeordnet, dass sich die Verbindungsbereiche im Bereich der Ausnehmung befinden. Dies bedeutet, dass zumindest der Verbindungsbereich des Fügeteils, das unmittelbar an dem Abstützelement beziehungsweise der Oberfläche angeordnet ist, direkt an die Ausnehmung angrenzt. Die Verbindungsbereiche der übrigen Fügeteile können sich im Bereich der Ausnehmung befinden, jedoch durch die Verbindungsbereiche der jeweils näher an der Ausnehmung befindlichen Fügeteile von der Ausnehmung getrennt sein, sodass eine durch alle Fügeteile durchgehende und diese miteinander verbindende Schweißnaht erzeugt werden kann.
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Bei dem Schweißverfahren wird in dem Verbindungsbereich die Schmelze erzeugt. Dabei bildet sich an der Wurzel ein Schmelzbad. Um einen daraus resultierenden Durchhang und einen Einfall der Schweißnaht zu verhindern, wird die Ausnehmung mit einem Fluid, vorzugsweise einem Gas, insbesondere Luft, beaufschlagt, um einen Überdruck in der Ausnehmung zu erzeugen und die Schmelze, insbesondere das Schmelzbad, mittels des Überdrucks abzustützen. Durch diesen Effekt wird somit eine Überdruckschmelzbadstütze erzeugt.
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Vorzugsweise ist die Ausnehmung als in das Abstützelement eingebrachte Nut ausgebildet. Durch die Ausgestaltung als Nut ist diese durch die Wände der Nut definiert und luftdicht begrenzt. Zudem ergibt sich eine einfach zu fertigende Ausgestaltung mit wenigen Einzelteilen.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird die Ausnehmung durch das Abstützelement und ein auf der Oberfläche platziertes Fügeteil begrenzt. Somit ist bei der Verwendung, bei der das Fügeteil auf der Oberfläche platziert ist, die Ausnehmung zu einer Seite durch das Abstützelement und zur anderen Seite durch das Fügeteil begrenzt, sodass in der Ausnehmung ein Überdruck erzeugt werden kann. Dadurch ist in den meisten Fällen keine zusätzliche Abdichtung erforderlich, da die auf der Oberfläche aufliegenden Fügeteile die Ausnehmung in der Regel ausreichend gute abdichten.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Fluidverbindung auf, die sich durch das Abstützelement erstreckt und den Fluidanschluss mit der Ausnehmung verbindet. So kann der Fluidanschluss beispielsweise an einer Außenseite des Abstützelements vorgesehen sein, wobei das Fluid durch die Fluidverbindung in die Ausnehmung geführt wird. Dies ermöglicht eine besonders gute Zugänglichkeit von außen.
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Die Vorrichtung kann vorteilhaft eine Auswurföffnung aufweisen, die die Ausnehmung mit einer Umgebung der Vorrichtung verbindet. Die Auswurföffnung kann insbesondere als in das Abstützelement eingebrachte Nut ausgebildet sein und bewirkt, dass ein von der Schmelze abfallender Schmelzrest nicht in der Ausnehmung liegen bleibt, sondern durch die Auswurföffnung aus der Ausnehmung in die Umgebung heraus befördert wird. Dabei wirkt der in der Ausnehmung erzeugte Überdruck zusätzlich unterstützend dabei, die Ausnehmung sauber zu halten. Die Auswurföffnung führt somit zu einem geringeren Reinigungsaufwand.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Dichtlippe zum Abdichten der Ausnehmung. Eine zusätzliche Abdichtung der Ausnehmung durch eine Dichtlippe ist häufig nicht unbedingt erforderlich, jedoch kann eine Dichtlippe insbesondere bei komplexen Geometrien der zu verbindenden Fügeteile hilfreich sein, um die Ausnehmung ausreichend abzudichten, sodass darin ein Überdruck erzeugt werden kann. Die Dichtlippe wird an einem oberen Rand der Ausnehmung an einem Übergang von der Ausnehmung zur Oberfläche des Abstützelements angebracht. Dadurch ergibt sich eine besonders wirksame Abdichtung der Ausnehmung, was die Erzeugung des Überdrucks erleichtert.
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Die Vorrichtung kann in bevorzugter Ausgestaltung ein Druckelement zum Fixieren der Fügeteile auf der Oberfläche aufweisen. Das Druckelement übt einen Druck auf die Fügeteile in Richtung der Oberfläche aus, sodass diese darauf sicher fixiert werden. Zudem wird durch den auf die Fügeteile ausgeübten Druck ebenfalls die Abdichtung zwischen den Fügeteilen und der Ausnehmung verbessert.
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Das Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Fügeteilen, die jeweils einen Verbindungsbereich aufweisen, mittels eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laserschweißverfahrens, bei dem in den Verbindungsbereichen eine Schmelze erzeugt wird, um eine die Fügeteile verbindende Schweißnaht auszubilden, wird mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt und umfasst die folgenden Schritte:
- Auflegen der Fügeteile auf die Oberfläche derart, dass sich die Verbindungsbereiche im Bereich der Ausnehmung befinden, Beaufschlagen der Ausnehmung mit einem Fluid, um einen Überdruck in der Ausnehmung zu erzeugen, und Erzeugen der Schmelze mittels des Schweißverfahrens zum Ausbilden der Schweißnaht, wobei die Schmelze mittels des Überdrucks abgestützt wird.
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Die Fügeteile werden vor dem Schweißen auf die Vorrichtung, genauer auf die Oberfläche des Abstützelements, aufgelegt, indem zumindest eines der Fügeteile unmittelbar mit der Oberfläche in Kontakt gebracht wird. Die übrigen Fügeteile müssen nicht, können jedoch ebenfalls zu der Oberfläche Kontakt haben. Es können mehrere Fügeteile einen auf das Abstützelement aufgelegten Stapel ausbilden, wobei nur ein unterstes Fügeteil unmittelbar mit der Oberfläche in Kontakt ist, also auf dieser aufliegt.
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Die Fügeteile werden so an dem Abstützelement angeordnet, dass sich die Verbindungsbereiche im Bereich der Ausnehmung befinden. Dies bedeutet, dass zumindest der Verbindungsbereich des Fügeteils, das unmittelbar an dem Abstützelement beziehungsweise der Oberfläche angeordnet ist, direkt die Ausnehmung begrenzt. Die Verbindungsbereiche der übrigen Fügeteile können sich im Bereich der Ausnehmung befinden, jedoch durch die Verbindungsbereiche der jeweils näher an der Ausnehmung befindlichen Fügeteile von der Ausnehmung getrennt sein, sodass eine durch alle Fügeteile durchgehende und diese miteinander verbindende Schweißnaht erzeugt werden kann.
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Nachdem die Fügeteile an dem Abstützelement angeordnet sind, wird die Ausnehmung mit einem Fluid beaufschlagt, um einen Überdruck zu erzeugen, und der Schweißvorgang begonnen. Dabei wird in den Verbindungsbereichen die Schmelze erzeugt. Das dadurch an der Wurzel ausgebildete Schmelzbad, welches an die Ausnehmung angrenzt, wird durch den in der Ausnehmung gebildeten Überdruck abgestützt, um einen resultierenden Durchhang und einen Einfall der Schweißnaht zu verhindern.
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Aufgrund des Abstützens der Schmelze wird eine Schweißnaht erzeugt, welche keinen oder nur einen geringen Einfall aufweist. Somit wird eine hohe Güte der Schweißverbindung erzielt. Gleichzeitig kann auf eine als Verschleißteil ausgebildete Schmelzbadstütze verzichtet werden, da diese durch die Druckluft in der dafür vorgesehenen Ausnehmung ersetzt wird. Folglich ergibt sich eine reduzierte Anzahl von auszutauschenden Verschleißteilen und damit verbunden ein geringer Aufwand.
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Vorzugsweise wird ein von der Schmelze abfallender Schmelzrest mittels des Überdrucks durch eine Auswurföffnung aus der Ausnehmung entfernt.
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Das Entfernen mittels des Überdrucks bewirkt, dass ein von der Schmelze abfallender Schmelzrest nicht in der Ausnehmung liegen bleibt, sondern durch die Auswurföffnung aus der Ausnehmung in die Umgebung heraus befördert wird. Dabei wirkt der in der Ausnehmung erzeugte Überdruck unterstützend dabei, die Ausnehmung sauber zu halten. Das Entfernen führt somit zu einem geringeren Rei n igungsaufwand.
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Das Schweißverfahren kann bevorzugt ein Laserschweißverfahren sein, welches besonders präzise Schweißverbindungen ohne großflächige Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften ermöglicht.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigt
- 1 eine Querschnittsansicht von einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
- 2 eine Querschnittsansicht von einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, die eine Auswurföffnung aufweist.
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In 1 und 2 ist jeweils eine Vorrichtung 11 zum Auflegen von Fügeteilen 12 während eines Schweißverfahrens gezeigt. Die Vorrichtungen 11 gemäß 1 und 2 weisen jeweils ein Abstützelement 13, eine Ausnehmung 15 und einen Fluidanschluss 16 auf.
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Das Abstützelement 13 bildet eine Oberfläche 14 aus, welche vorliegend als Auflagefläche für die Fügeteile 12, welche jeweils einen Verbindungsbereich 12a aufweisen, dient. Die Fügeteile 12, insbesondere Bleche aus Stahl oder Aluminium, können somit auf der Oberfläche 14 angeordnet werden und begrenzen dabei die Ausnehmung 15, welche als in das Abstützelement 13 eingebrachte Nut ausgebildet ist, nach oben. Zusätzlich werden die Fügeteile 12 durch ein Druckelement 18 nach unten auf die Oberfläche 14 gedrückt, sodass diese sicher auf der Oberfläche 14 fixiert werden. Nach unten wird die Ausnehmung 15 durch das Abstützelement 13 begrenzt.
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Durch die Fügeteile 12 ist die Ausnehmung 15 in der Regel ausreichend abgedichtet, jedoch kann es insbesondere bei komplexen Geometrien der Fügeteile 12 hilfreich sein, eine Dichtlippe 21 vorzusehen, welche gemäß 1 und 2 an einem oberen Rand der Ausnehmung 15 an einem Übergang von der Ausnehmung 15 zur Oberfläche 14 des Abstützelements 13 angebracht. Dadurch ergibt sich eine besonders wirksame Abdichtung der Ausnehmung 15, was die Erzeugung eines Überdrucks erleichtert.
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Der Fluidanschluss 16 dient zum Beaufschlagen der Ausnehmung 15 mit einem Fluid, vorzugsweise einem Gas, insbesondere Luft, um den Überdruck in der Ausnehmung 15 zu erzeugen. Dazu erstreckt sich von dem Fluidanschluss 16 eine Fluidverbindung 20 durch das Abstützelement 13, welches in die Ausnehmung 15 mündet.
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Die Vorrichtungen 11 gemäß 1 und 2 unterscheiden sich dadurch, dass die Vorrichtung 11 gemäß 2 eine als Auswurfnut ausgebildete Auswurföffnung 19 aufweist, welche in einen unteren Bereich des Abstützelements 13 eingebracht ist. Die Auswurföffnung 19 verbindet die Ausnehmung 15 mit einer Umgebung 22 der Vorrichtung 11.
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Wenn wenigstens zwei Fügeteile 12 miteinander verbunden werden, werden diese zunächst auf der Oberfläche 14 angeordnet, insbesondere gestapelt, sodass sich die Verbindungsbereiche 12a im Bereich der Ausnehmung 15 befinden. Dies bedeutet, dass wenigstens der Verbindungsbereich 12a des Fügeteils 12, welches unmittelbar auf der Oberfläche 14 aufliegt, so angeordnet sein muss, dass dieses in direktem Kontakt zu der Ausnehmung 15 steht. Wie 1 und 2 zeigen, sind die Verbindungsbereiche 12a der Fügeteile 12, die nicht direkt auf dem Abstützelement 13 aufliegen, durch die darunter liegenden Fügeteile 12 von der Ausnehmung 15 getrennt, befinden sich jedoch in einem Bereich der Ausnehmung 15, sodass eine durch alle Fügeteile 12 durchgehende und diese miteinander verbindende Schweißnaht 17 erzeugt werden kann.
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Sodann wird die Ausnehmung 15 mit einem Fluid beaufschlagt, um einen Überdruck darin zu erzeugen. Der Schweißvorgang wird begonnen. Dabei wird in den Verbindungsbereichen 12a die Schmelze erzeugt, um eine Schweißnaht 17 auszubilden, die die Fügeteile 12 miteinander verbindet. Ein beim Schweißvorgang an der Wurzel 17a der Schweißnaht 17 ausgebildetes Schmelzbad grenzt dabei aufgrund der Anordnung der Verbindungsbereiche 12a an die Ausnehmung 15 an. Das Schmelzbad wird durch den Überdruck in der Ausnehmung 15 abgestützt, um einen Durchhang und einen Einfall der Schweißnaht 17 zu vermeiden.
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Dabei ergibt sich eine Schweißverbindung von hoher Güte, wobei auf eine als Verschleißteil ausgebildete Schmelzbadstütze verzichtet werden kann. Somit ergibt sich eine reduzierte Anzahl von auszutauschenden Verschleißteilen und damit verbunden ein geringer Aufwand. Auch wird bei der Ausgestaltung nach 2 der Reinigungsaufwand reduziert, indem ein von der Schmelze abfallender Schmelzrest durch den in der Ausnehmung 15 vorherrschenden Überdruck durch die Auswurföffnung 19 in die Umgebung 22 befördert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Vorrichtung zum Auflegen von Fügeteilen
- 12
- Fügeteil
- 12a
- Verbindungsbereich
- 13
- Abstützelement
- 14
- Oberfläche
- 15
- Ausnehmung
- 16
- Fluidanschluss
- 17
- Schweißnaht
- 17a
- Wurzel
- 18
- Druckelement
- 19
- Auswurföffnung
- 20
- Fluidverbindung
- 21
- Dichtlippe
- 22
- Umgebung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015121064 B3 [0005]
