DE19625873C2 - Verfahren zum Verfügen von Fügepartnern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines aus zwei Fügepartnern bestehenden Verbindungsstücks.

Trotz der Vielzahl bekannter Fügeverfahren zur festen Verbindung zweier Fügepartner, sind bislang keine zufriedenstellenden Fügeverfahren bekannt, mit denen auf möglichst einfache Weise eine feste Verbindung, insbesondere zwischen zwei Teilen herstellbar ist, die zusammengebracht, offene bzw. geschlossene Hohlkörper bzw. Knoten- oder Verbindungsstücke ergeben.

Zwar werden in dem meisten Fällen Schraubverbindungen verwendet, um derartige Teile fest miteinander zu verbinden, doch bedarf es beispielsweise zusätzlicher Dichtungen, ohne die die Schraubverbindungen weder gas- noch flüssigkeitsdicht wären.

Auch bedürfen an sich bekannte Flanschverbindungen Schraubverbindungen, die nicht nur das Bauteil vergrößern, sondern überdies zu einer Erhöhung der Gesamtmasse sowie des Gewichtes des entstehenden Bauteils beitragen.

Zusätzliche Dichtwerkstoffe, die die Flanschverbindung gas- bzw. flüssigkeitsdicht machen sollen, tragen überdies zu einem ohnehin hohen Kostenaufwand bei und bedingen letztlich große Vorbereitungs- und Montagearbeiten.

Neben der Verwendung von Flanschverbindungen werden auch Punktschweißverbindungen eingesetzt, die jedoch zu inneren lokalen Verspannungen im Fügebereich der Fügepartner führen und überdies weder gas- noch flüssigkeitsdichte Verbindungen darstellen. Neben den nur unzureichenden Dichtigkeitseigenschaften bei Punktschweißverbindungen kann zusätzlich von einem geometrisch bedingt ungünstigen Korrosionsverhalten der Verbindung ausgegangen werden.

Es ist daher festzustellen, daß bislang keine zufriedenstellenden Fügeverfahren für die Herstellung offener und geschlossener Hohlkörper bzw. Knoten- oder Verbindungsstücke bekannt sind, die die vorstehend aufgezeigten Nachteile nicht aufweisen.

In der DE 41 04 941 A1 ist eine Vorrichtung zum Montieren einer Lochmaske am Lochmaskenrahmen beschrieben, zur Herstellung einer Kathodenstrahlröhre. Hierbei wird die Lochmaske mit Hilfe einer geeigneten Fügevorrichtung teilweise mit dem Lochmaskenrahmen in Überlappung gebracht und anschließend mittels Elektroschweißens fest miteinander verfügt. Eine derartige Lochmaskenkonstruktion muss jedoch keinen äußeren mechanischen Kräften standhalten noch eine tragende Funktion übernehmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur gegenseitigen Verbindung von Fügepartnern, vorzugsweise zur Herstellung von offenen Hohlkörpern, die teilweise in Überlappung gebracht werden und mittels an sich bekannter Schweißverfahren verbunden werden sollen, derart anzugeben, daß die Fügeverbindungen kompakter und leichter ausgestaltet werden können.

Insbesondere soll erreicht werden, daß die miteinander zu verfügenden Teile keine Zwischenspalte in den Überlappbereichen aufweisen, so daß die Verbindung gas- und flüssigkeitsdicht ist. Ferner soll vermieden werden, daß durch innere mechanische Verspannungen im Fügebereich lokale Kraftspannungen auftreten. Das erfindungsgemäße Fügeverfahren soll mit den bisher bekannten Schweißtechniken durchgeführt werden können, so daß die Fügeverbindungen leicht herstellbar sind und geringe Kosten verursachen.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die die Erfindung weiterbildenden Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindunsgemäß zeichnet sich ein Verfahren zur Herstellung eines aus zwei Fügepartnern bestehenden Verbindungsstückes zur Verbindung von Bauteilen aus der Karosseriekonstruktion, durch Verfügen beider Fügepartner zu einem offenen Hohlkörper, mit dem die Bauteile gegenseitig fixierbar sind, dadurch aus, daß die gegenseitig zu fixierenden Bauteile in einen Fügepartner eingelegt werden, daß die zwei Fügepartner, von denen wenigstens einer eine Stoßkante aufweist, derart unter elastischer oder thermischer Verformung eines Fügepartners definiert teilweise in Überlappung gebracht werden, dass sich beide Fügepartner im Überlappbereich, der von der Stoßkante, an der der andere Fügepartner anliegt, begrenzt wird, ganzflächig, durch Vorspannung des elastisch oder thermisch verformten Fügepartners, derart kraftbeaufschlagt berühren, so daß sie in diesem Bereich zur gegenseitigen Fixierung sowie zur Fixierung der Bauteile ohne weitere Spannmaßnahmen eine selbsthemmende Reibschlußverbindung eingehen bevor sie mittels Schweißverfahren ohne Verwendung von Spann- bzw. Klemmhilfsmitteln verbunden werden.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, zwei miteinander in feste Verbindung zu bringende Fügepartner vor dem Schweißvorgang durch kraftbeaufschlagtes Gegeneinanderdrücken beider Fügepartner gegenseitig zu fixieren. Wesentlich ist, daß zwischen den Berührungsflächen der Fügepartner eine normal zu diesen Flächen gerichtete Kraft herrscht, die eine Reibschlußverbindung zwischen den Fügepartnern erzeugt. Durch die sich ausbildende selbsthemmende Reibschlußverbindung werden beide Fügepartner fest gegeneinander fixiert, so daß der nachfolgende Schweißvorgang ohne Gefahr eines gegenseitigen Verutschens der Fügepartner durchgeführt werden kann.

Die Ausbildung der selbsthemmenden Reibschlußverbindung zwischen den Fügepartnern, bevor die zwei zu verbindenden Teile fest miteinander verschweißt werden, führt insbesondere beim Zusammenfügen zweier Teile, die einen offenen Hohlkörper bilden, zu entscheidenden Vorteilen.

Besonders eigenen sich Fügepartner, die aus Einzelprofilen mit U-förmigem Querschnitt bestehen und derart verbunden werden, daß sie einen zweiseitig offenen Hohlkörper bilden. Hierzu werden ihre offenen Schenkelseiten einander gegenüberliegend positioniert. Auf den Innenseiten beider Seitenflanken eines der beiden U-förmigen Profile verläuft parallel zu den Oberkanten jeweils eine Stoßkante, die durch einen, in das Profilinnere gerichteten Materialabsatz ausgebildet ist. Das gegenüber diesem Profil positionierte zweite U-förmige Profil weist hingegen an den Außenseiten der Kanten beider Seitenflanken Abschrägungen auf, so daß das Ineinanderfügen beider U-förmigen Profile erleichtert wird und darüberhinaus selbstzentrierend und selbstpositionierend ist. Vor dem Ineinanderfügen wird jedoch erfindungsgemäß das die Abschrägungen an den oberen Seitenflanken aufweisende U-förmige Profil durch z. B. eine entsprechende Greifervorrichtung derart aufgenommen, so daß beide Seitenflanken elastisch gegeneinander verformt werden. In diesem elastisch verformten Zustand werden die miteinander zu verfügenden Teile förmlich ineinander gesteckt.

Das von den Greifern aufgenommene U-förmige Profil ist dabei derart ausgestaltet, daß nach Lösen der Greifervorrichtung beide ineinander gefügte Fügepartner aufgrund der Vorspannung des einen der beiden Fügepartner an ihrem beidseitigen Überlappungsbereich eine Reibschlußverbindung eingehen, so daß beide Fügepartner gegenseitig sicher und definiert fixiert sind.

Für eine selbsthemmende Reibschlußverbindung, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Kern der Erfindung darstellt, gilt die Beziehung

µ = F_H/F_N,

wobei µ die Haftreibungszahl der Werkstoffpaarung beider Fügepartner darstellt, F_H die Haftreibungskraft und F_N die Normalkraft ist, die senkrecht zu den Berührflächen beider Fügepartner aufgrund der elastischen Verformung wirkt.

Unter Beachtung dieser Zusammenhänge erhält man bei gegebener Stoffund Vorspannungswahl sowie geeignete Wahl der Öffnungswinkel der Einführschrägen der Fügepartner eine selbsthemmende Reibschlußverbindung, die zum sicheren Fügen der Bauteile beispielsweise mittels nachfolgenden berührungslosen und kraftfreien Strahlschweißen ausreicht.

Besonders eignen sich für das Schweißverfahren Laserstrahl- oder Elektronenstrahlschweißen. Ebenso können jedoch auch Plasmaschweißen, Metall- Inert-Gas- bzw. Wolfram-Inert-Gas-Schweißen, Elektrodenschweißen, Gassschweißen und weitere Schweißverfahren angewendet werden.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen Vorspannung, die durch elastische Verformung wenigstens eines Fügepartners erzeugbar ist, können durch die Klemm- bzw. Reibschlußverbindung die beim Strahlschweißen als kritisch anzusehenden Zwischenspalte minimiert oder eliminiert werden.

Durch das Vorsehen geeigneter Kantengeometrien, die auf das verwendete Schweißverfahren abzustimmen sind, kann die Schweißsicherheit, das Festigkeitsverhalten, das Nahtaussehen sowie das Korrosionsverhalten und die Dichtigkeit der Schweißverbindung positiv beeinflußt werden. Insbesondere ist die Oberkante des Seitensteges eines Fügepartners an das Schweißverfahren entsprechend anzupassen, die an der Außenseite beider zusammengefügter Fügepartner zu liegen kommt. Für Strahlschweißverfahren eignet sich hierzu insbesondere eine abgeschrägte Kante, die als Kehlnaht eine unkritische Schweißnaht bildet. Ebenso geeignet sind gefaste Kanten, insbesondere für Durchschweißungen, die zudem relativ geringe Ansprüche an die Positionier- bzw. Bahnführungsgenauigkeit des Schweißstrahles stellen und gewährleisten darüber hinaus einen besonders fließenden Übergang der miteinander zu verbindenden Fügepartner.

Bestehen die Fügepartner jeweils aus Gußwerkstoffen, beispielsweise aus Aluminiumgußlegierungen, kann auf den Einsatz von Zusatzwerkstoffen in den meisten Fällen verzichtet werden. Die in Überlappung gebrachten zu verbindenden Berührungsflächen beider Fügepartner stellen genügend aufschmelzbares Material zur Verfügung, so daß die Gefahr von Restspalten vermieden werden kann. Die auf diese Weise entstehenden, durchgehenden Schweißnähte weisen verbesserte Kraftverläufe auf und sind darüberhinaus gas- und flüssigkeitsdicht.

Die Ausbildung einer Reibschlußverbindung zwischen den Fügepartnern vor dem Schweißen dient erfindungsgemäß der Fixierung bzw. Verklemmung von Bauteilen, die in den sich ergebenden, offenen Hohlkörper gesteckt bzw. zuvor eingelegt werden. Auf diese Weise lassen sich größere Baugruppen zusammenstecken und anschließend in einfacher Weise fest miteinander durch Schweißen verbinden.

Durch das gegenseitige Fixieren der ineinander geklemmten Bauteile sowie ineinander gesteckten Baugruppen können entsprechend angepaßte Kantengeometrien sowie Einführschrägen und das Vorsehen von Stoßkanten bzw. Anschlägen vorteilhaft genutzt werden.

Im Leichtbau mit Aluminiumlegierungen können beispielsweise Strangpreßprofile durch Gußknoten miteinander verbunden werden. Auch hier ist der Einsatz von Zusatzwerkstoffen nicht erforderlich, weil die Gußteile genügend Silizium bein halten, wodurch die Gefahr des Auftretens von Heißrissen beseitigt ist.

Neben dem Zusammenfügen zweier Fügepartner, die einen offenen Hohlkörper ergeben, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Herstellung geschlossener Hohlkörper möglich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise zwei halbschalenartige Fügepartner ineinandergefügt werden, so daß sie im ineinandergefügten Zustand ebenfalls über eine selbsthemmende Reibschlußverbindung gegeneinander fixiert sind. Dies jedoch setzt voraus, daß der Fügepartner, der in den anderen Fügepartner eingeführt wird, relativ zum Innendurchmesser des aufnehmenden Fügepartners einen Außendurchmesser mit etwas Übermaß aufweist. Der Fügevorgang wird zum einen durch das Vorsehen einer Einführschräge auf beide sich gegenüber liegenden Halbschalenkanten erleichtert, wodurch sich beide Fügepartner während des Zusammenfügens selbst zentrieren. Zum anderen wird die Fügetiefe über eine Stoßkante vorgegeben, die im aufnehmenden, halbschalenförmigen Fügepartner vorgesehen ist. Durch die Klemmwirkung sind ebenfalls jegliche Spalte zwischen den Fügepartnern im Bereich der Fügestelle eliminiert bzw. minimiert.

Das Zusammenfügen beider vorstehend genannter, halbschalenförmig ausgebildeter Fügepartner kann auch durch Erwärmung des Fügepartners, in dem der andere eingefügt werden soll, vorgenommen werden. Auf diese Weise kann der innere Fügepartner ohne Kraftaufwand in den ausgedehnten äußeren Fügepartner eingebracht werden, wobei sich nach Abkühlen des äußeren Fügepartners und die damit einhergehende Volumenkontraktion sich selbständig eine Reibschlußverbindung im Fügebereich ergibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 Zusammenfügen zweier einen U-förmigen Querschnitt aufweisende Fügepartner zu einem offenen Hohlkörper.

Anhand von Fig. 1 soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines offenen Hohlkörpers beschrieben werden. Die erfindungsgemäße Fügeverbindung soll am Beispiel eines sogenannten Space-Frames aus Aluminiumlegierungen, einer neuartigen, besonders leichten und dennoch sehr stabilen Karosseriekonstruktion, verdeutlicht werden. Ein Space-Frame kann beispielsweise aus Strangpreßprofilen und Gußknoten bestehen. Hierbei werden Strangpreßprofile durch die im weiteren näher beschriebenen Gußknoten verbunden. Die Gußknoten sind dabei offene Hohlkörper, die aus zwei zusammengeschweißten Gußteilen bestehen. Ein schematisch dargestellter Gußknoten ist in Fig. 1 dargestellt.

Mittels einer Haltevorrichtung H wird ein erster Fügepartner 1, der ein U-förmiges Querschnittsprofil aufweist, möglichst spannungsfrei und in der Auflageebene beweglich fixiert. Hierzu greifen zwei Haltedorne der Haltevorrichtung H durch eine untere Öffnung des Fügepartners 1 ein und verspreizen sich in diese Öffnung.

Ein zweiter Fügepartner 2 wird von Greiferbacken G1 und G2 unter Ausübung elastischer Verformungskräfte derart gehalten, daß die Schenkel S1 und S2 des Fügepartners 2 elastisch verformt und somit vorgespannt werden. Die elastische Verformung des Fügepartners 2 erfolgt in der Weise, daß der lichte Abstand beider Schenkelendenaußenseiten S1 und S2 maximal dem Abstand der Innenseiten der Schenkelenden des ersten Fügepartners 1 entspricht. In dieser Stellung können beide Fügepartner ineinander gefügt werden.

Besonders vorteilhaft sind die an den Schenkelenden S1 und S2 des Fügepartners 2 vorgesehenen Einführschrägen E1 und E2, die das Ineinanderfügen beider Fügepartner durch Selbstzentrierung erleichtern. Den Einführschrägen E1 und E2 entsprechend im zusammengefügten Zustand gegenüberliegend weist der Fügepartner 1 eine auf der Innenseite der Schenkel Stoßkanten 3 und 4 auf, die die Eindringtiefe des Fügepartners 2 in den Fügepartner 1 begrenzt.

Sind beide Fügepartner in der beschriebenen Weise gemäß der unteren Bilddarstellung der Fig. 1 zusammengefügt, so werden die Greiferarme G1 und G2 von dem Fügepartner 2 weggefahren. Die freiwerdende elastische Vorspannung des Fügepartners 2 lastet nun ausschließlich an den Überlappbereichen zwischen den beiden Fügepartnern. Die Vorspannung ist dabei so groß gewählt, daß es zwischen den beiden Fügepartnern zu einer Reibschlußverbindung kommt. Durch die entstehende Klemmkraft zwischen den beiden Fügepartnern und der sich dadurch ergebenden Selbsthemmung sind für das nachfolgende Schweißen keine weiteren Spannmaßnahmen erforderlich. Sind bereits in den Hohlraum beider Fügepartner weitere Baugruppen bzw. Strangpreßprofile eingelegt worden, so können diese durch den vorstehend beschriebenen Fügeprozeß ebenfalls fest mit eingeklemmt werden.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß während des Verschweißens beider Fügepartner keine weiteren Spann- bzw. Klemmhilfsmittel verwendet werden müssen.

Die in Fig. 1 dargestellten, zusammengefügten Fügepartner 1 und 2 werden vorzugsweise mit Strahlschweißverfahren, beispielsweise Laser- oder Elektronenstrahlschweißen miteinander fest verbunden. Siehe hierzu die stilisiert eingetragenen Schweißstrahlkegel SK. Der Einsatz von Strahlschweißverfahren kann in seiner Schweißwirkung dadurch verbessert werden, indem die äußere Kante des Fügepartners 1, der den Fügepartner 2 teilweise umschließt eine angepaßte Kantengeometrie aufweist. So sind besonders abgeschrägte Kanten gemäß der Detaildarstellung in der Fig. 1 mit den Bezugszeichen K1 für den Einsatz von Laser- bzw. Elektronen strahlschweißen von Vorteil, da hierdurch eine kerbarme Kehlnaht erzeugt wird. Ebenso eignen sich besonders gefaste Kanten (siehe hierzu Detaildarstellung K2), die eine I-Naht ergeben.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines aus zwei Fügepartnern (1, 2) bestehenden Verbindungsstückes zur Verbindung von Bauteilen aus der Karosseriekonstruktion, durch Verfügen beider Fügepartner (1, 2) zu einem offenen Hohlkörper, mit dem die Bauteile gegenseitig fixierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitig zu fixierenden Bauteile in einen Fügepartner (1) eingelegt werden, daß die zwei Fügepartner (1, 2), von denen wenigstens einer eine Stoßkante (3, 4) aufweist, derart unter elastischer oder thermischer Verformung eines Fügepartners (2) definiert teilweise in Überlappung gebracht werden, dass sich beide Fügepartner (1, 2) im Überlappbereich, der von der Stoßkante (3, 4), an der der andere Fügepartner (2) anliegt, begrenzt wird, ganzflächig, durch Vorspannung des elastisch oder thermisch verformten Fügepartners (2), derart kraftbeaufschlagt berühren, so daß sie in diesem Bereich zur gegenseitigen Fixierung sowie zur Fixierung der Bauteile ohne weitere Spannmaßnahmen eine selbsthemmende Reibschlußverbindung eingehen bevor sie mittels Schweißverfahren ohne Verwendung von Spann- bzw. Klemmhilfsmitteln verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügepartner (1, 2) Profile mit U-förmigem Querschnitt sind, die nach der gegenseitigen Fixierung einen offenen Hohlkörper ergeben, wobei ein erster Fügepartner (1) mittels einer Haltevorrichtung (H) derart gelagert wird, daß die beiden Schenkelenden des Profils frei zugänglich sind und in das Profilinnere orientierte Stoßkanten (3, 4) aufweisen, daß der zweite Fügepartner (1) von einer Handhabungsvorrichtung an den beiden gegenüberliegenden Schenkeln (S1, S2) unter Ausübung elastischer Verformungskräfte gehalten wird und die Schenkel (S1, S2) derart elastisch verformt, so daß der lichte Abstand beider Schenkelendenaußenseiten maximal dem Abstand der Innenseiten der Schenkelenden des ersten Fügepartners (1) entspricht, daß die Handhabungsvorrichtung den zweiten Fügepartner (2) in den inneren Schenkelbereich des ersten Fügepartners (1) einführt, bis der zweite Fügepartner (2) mit seinen Schenkelenden an der Stoßkante (3, 4) des ersten Fügepartners (1) anstößt, daß die elastischen Verformungskräfte, die von der Handhabungsvorrichtung auf die Schenkel (S1, S2) des zweiten Fügepartners (2) ausgeübt werden zumindest reduziert werden, und daß die über die sich bildende Reibschlußverbindung gegenseitig fixierten Überlappbereiche beider Fügepartner (1, 2) gegenseitig verschweißt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur der Schenkelenden des ersten Fügepartners (1) als abgeschrägte Kante (Kehlnaht) oder als gefaste Kante (I-Naht) ausgebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Fügepartner (2) zumindest im Überlappbereich eine Einführschräge (E1, E2) aufweist, wodurch eine Selbstzentrierung beim Einbringen des zweiten Fügepartners (2) in den ersten (1) ermöglicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführschrägen (E1, E2), Stoßkanten (3, 4) und Kantengeometrien während des Gießens oder Formens der Fügepartner mit berücksichtigt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißverfahren mittels Laser- oder Elektronenstrahlschweißen durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser- oder Elektronenstrahl schräg auf den Überlappungsbereich beider Fügepartner (1, 2) gerichtet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügepartner (1, 2) Formteile aus Guß- oder Knetwerkstoffen sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügepartner (1, 2) aus metallischen Werkstoffen, vorzugsweise Aluminiumlegierungen, oder aus Kunststoff bestehen.