DE60219134T2

DE60219134T2 - Schweißanlage mit inandergreifenden leitenden Endabschnitten

Info

Publication number: DE60219134T2
Application number: DE60219134T
Authority: DE
Inventors: Gianfranco Troy GABBIANELLI; Victor J. Warren MALCZEWSKI; Richard Berkley ASHLEY
Original assignee: Magna International Inc
Current assignee: Magna International Inc
Priority date: 2001-01-05
Filing date: 2002-01-03
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2022-01-04
Also published as: US6566624B2; WO2002053317A9; WO2002053317A1; US20010019039A1; EP1347857B1; DE60219134D1; CA2433052C; CA2433052A1; EP1347857A1

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der US-Anmeldung mit der lfd. Nr. 09/754114, die am 5. Januar 2001 eingereicht wurde und eine Teilfortsetzung ("continuation-in-part") der US-Patentanmeldung mit der lfd. Nr. 09/518.646 ist, die am 3. März 2000 eingereicht wurde.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Schweißverfahren und auf eine Kombination aus einer Schweißvorrichtung, zwei schweißbaren Elementen und einem Schweißmaterial. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Schweißverfahren und auf eine Kombination aus einer Schweißvorrichtung, zwei schweißbaren Elemente und einem Schweißmaterial, die eine ausreichende Kraft und einen ausreichenden Strom durch leitfähige Enden bereitstellt, um eine Oberfläche-Oberfläche-Schweißstelle zwischen schweißbaren Elementen zu erzeugen.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Kombination sind aus dem Dokument US-A-5818008 bekannt, das die Merkmale der Oberbegriffe von Anspruch 1 und 8 in Kombination offenbart.
Hintergrund der Erfindung
Schweißvorrichtungen werden in vielen industriellen Anwendungen verwendet, etwa bei einer Fahrzeugkonstruktion auf Anlagen zum Zusammenbau von Fahrzeugen. Um einige Schweißverbindungen auszubilden, muss eine gewünschte Menge Schweißmaterial zwischen den Oberflächen der schweißbaren Elemente, bei denen die Schweißverbindung ausgebildet werden soll, angeordnet werden. Dieser Typ einer Schweißverbindung ist schwierig auszubilden, wenn die schweißbaren Elemente rohrförmig sind, da es schwierig ist, einen direkten Zugriff auf die Schweißflächen zu erhalten. Beispielsweise können herkömmliche Punktschweißstellen keinen ausreichenden Strom durch die Kontaktflächen der Elemente bereitstellen, um die Schweißverbindung auszubilden.
Darüber hinaus wird in der Industrie zunehmend eine Rohr-Hydroformungstechnik verwendet, insbesondere in der Automobilindustrie. US 5,818,008 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Widerstandsschweißen von rohrförmigen Teilen. Die Vorrichtung enthält eine Schweißpistole mit verschiebbaren Elektroden, deren Kontaktflächen mit den Teilen in Eingriff gelangen. Die Kontaktflächen sind so entworfen, dass sie die Kräfte verteilen, die auf die Teile durch die Elektroden aufgebracht werden, um eine Verformung zu verhindern und um die Teile zuverlässig zusammenzuhalten, um eine unerwünschte Verschiebung der Elektrode zu minimieren. Der Testcomputer überwacht den Betrag der Elektrodenverschiebung, der als ein Ergebnis eines Durchdringens der Teile ineinander während des Schweißens erfolgt. Die Hydroformungstechnologie bietet viele Vorteile für eine Kraftfahrzeugrahmenkonstruktion, aber Schwierigkeiten beim Schweißen von hydrogeformten Bauteilen entstehen wegen der rohrförmigen Form der Teile, wie es zuvor beschrieben wurde.
Folglich besteht in der Kraftfahrzeugindustrie ein Bedarf an einer Technologie, die eine schnelle, kostengünstige Verbindungsausbildung zwischen rohrförmigen hydrogeformten Elementen ermöglicht.
Insbesondere besteht ein Bedarf an einer Schweißvorrichtung, die rohrförmige Elemente mit einer Oberfläche-Oberfläche-Verbindungstechnik miteinander verbinden kann. Diese Erfindung richtet sich auf diese Belange auf dem Gebiet sowie auf weitere Belange, die für einen Fachmann auf dem Gebiet durch diese Offenbarung hervorgehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kombination aus einer Schweißvorrichtung, zwei schweißbaren Elementen und einem Schweißmaterial zum Verbinden von schweißbaren Elementen miteinander zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine derartige Kombination zum Verbinden von rohrförmigen hydrogeformten Elementen miteinander zu schaffen.
Eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine derartige Kombination zu schaffen, die eine ausreichende Kraft und einen ausreichenden Strom durch leitfähige Enden bereitstellt, um eine Oberfläche-Oberfläche-Schweißstelle zwischen schweißbaren Elementen zu erzeugen.
Eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kombination aus einer Schweißvorrichtung, zwei schweißbaren Elementen und einem Schweißmaterial zu schaffen, bei der leitfähige Enden im Wesentlichen die gleiche Größe aufweisen wie die schweißbaren Elemente.
Eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kombination aus einer Schweißvorrichtung, zwei schweißbaren Elementen und einem Schweißmaterial zu schaffen, bei der leitfähige Enden mit den schweißbaren Elementen verschachtelt sind.
Eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine derartige Kombination zu schaffen, die an einem beweglichen Automaten bzw. Roboter angebracht ist.
Die zuvor genannten Aufgaben werden grundsätzlich durch Schaffen eines Schweißverfahrens gemäß Anspruch 1 und durch eine Kombination aus einer Schweißvorrichtung, zwei schweißbaren Elementen und einem Schweißmaterial gemäß Anspruch 8 gelöst.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung hervor, die ein Teil dieser Offenbarung ist und die beispielhaft die Prinzipien dieser Erfindung veranschaulicht.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die beigefügte Zeichnung erleichtert ein Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen dieser Erfindung. Für die Zeichnung gilt:
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Schweißmaterialband-Baugruppe, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Schweißmaterial-Baugruppe, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert und an einem ersten schweißbaren Element angebracht wurde;
3 ist eine Querschnittsansicht, die die Schweißmaterial-Baugruppe zeigt, die in einem Abschnitt einer Schweißbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist, wobei die Schweißmaterial-Baugruppe vor einer Verbindungsausbildung zwischen dem ersten schweißbaren Element und einem zweiten schweißbaren Element angeordnet ist und eine Widerstandsschweißvorrichtung zeigt, die mit den schweißbaren Elementen in Eingriff ist, wobei der Querschnitt von 3 längs einer ähnlichen Linie wie 9 gebildet wurde;
4 ist eine ähnliche Ansicht wie 3, abgesehen davon, dass sie das erste und das zweite schweißbare Element nach einer Verbindungsausbildung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines räumlichen Rahmens für ein Kraftfahrzeug, der Verbindungen enthält, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet wurden;
6 zeigt eine schematische Ansicht einer Hydroformungsstempel-Baugruppe;
7 ist eine Seitenansicht einer Schweißbaugruppe, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde, die eine Schweißpistole und zwei schweißbare Elemente enthält;
8 ist eine Draufsicht auf die Schweißbaugruppe von 7;
9 ist eine Querschnittsansicht der Schweißbaugruppe längs der Linie 9-9 von 8;
10 ist eine Querschnittsansicht der Schweißbaugruppe längs der Linie 10-10 von 8;
11 ist eine perspektivische Ansicht, die eine vollendete Schweißstellen-Verbindung gemäß der Erfindung zeigt, die das zweite schweißbare Element zeigt, das über dem ersten schweißbaren Element liegend angeordnet wurde, wobei die Schweißmaterial-Baugruppe zwischen diesen angeordnet ist; und
12 ist eine perspektivische Ansicht eines räumlichen Rahmens, wie er in 5 gezeigt ist, mit einer Schweißvorrichtung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die in einer Schweißposition ausgerichtet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine Schweißmaterialband-Baugruppe, die allgemein mit 10 bezeichnet ist, die aus mehreren Schweißmaterial-Baugruppen 12 gebildet ist, die lösbar miteinander verbunden sind, um ein aufrollbares ununterbrochenes Band zu bilden. Jede Schweißmaterial-Baugruppe 12 enthält wenigstens ein Schweißmaterial-Element 14, das auf einem biegsamen Tragblech 16 in einer vorgegebenen Anordnung angebracht ist. Offensichtlich kann ein Tragblech 16 von der Bandbaugruppe 10 gelöst und zwischen zwei Oberflächen angeordnet werden, bei denen eine Schweißverbindung ausgebildet werden soll, um dadurch die durch das Tragblech 16 getragenen Schweißmaterial-Elemente 14 zwischen den Oberflächen zu positionieren.
Genauer ist jede Schweißmaterial-Baugruppe 12 so konstruiert und angeordnet, dass sie Schweißmaterial elektrisch leitend zwischen den äußeren Oberflächenabschnitten eines ersten und eines zweiten schweißbaren Elements an einer Stelle positioniert, an der das erste und das zweite schweißbare Element miteinander verbunden werden sollen. Jedes Schweißmaterial-Element 14 ist aus einem elektrisch leitfähigen, metallischen Schweißmaterial konstruiert, das schmelzen kann, wenn es durch das Aufbringen eines elektrischen Stromes erwärmt wird. Jedes Schweißmaterial-Element 14 ist auf dem Tragblech 16 derart angebracht, dass jedes Schweißmaterial-Element 14 elektrisch leitend dazwischen angeordnet wird, wenn das Blech zwischen äußeren Oberflächen eines ersten und eines zweiten zu verschweißenden schweißbaren Elements angeordnet wird.
Die Details der Konstruktion und Verwendung der Schweißmaterial-Baugruppen 12 geht aus 2–4 hervor. 2 zeigt eine einzelne Schweißmaterial-Baugruppe 12, die an einem äußeren Oberflächenabschnitt 20 eines zweiten schweißbaren Elements 18 liegend angebracht ist, das in der Form eines zweiten rohrförmigen hydrogeformten Elements veranschaulicht ist. 3 zeigt ein erstes schweißbares Element 22 in der Form eines ersten rohrförmigen hydrogeformten Elements, das über dem zweiten schweißbaren Element 18 liegend angeordnet ist, wobei die Schweißmaterial-Baugruppe 12 dazwischen angeordnet ist. Das erste schweißbare Element 22 und das zweite schweißbare Element 18 in 2–4 sind dafür vorgesehen, eine allgemeine Darstellung von zwei Elementen zu sein, die zusammengeschweißt werden können, indem eine Schweißmaterial-Baugruppe 12 auf eine nachfolgend beschriebene Weise verwendet wird. Wie ersichtlich ist, sind das beispielhafte erste Element 22 und das zweite Element 18, die verwendet werden, um das Schweißverfahren zu veranschaulichen, Abschnitte von einzelnen hydrogeformten Elementen, die miteinander verbunden werden, um einen Teil eines räumlichen Rahmens auszubilden, wie es in 5 gezeigt ist. Eine abgeänderte Widerstandsschweißvorrichtung oder eine Schweißvorrichtung, die allgemein mit 28 bezeichnet ist, ist in 3 schematisch gezeigt, wobei sie mit den schweißbaren Elementen 18, 22 in Eingriff ist. 4 zeigt das erste schweißbare Element 22 und das zweite schweißbare Element 18 nach einer Verbindungsausbildung.
Das in 3–4 veranschaulichte Schweißverfahren ist vom Widerstandsschweißen abgeleitet und nutzt eine flüssige Übergangsphasenverbindung und eine Widerstandsheizung. Die Schweißmaterial-Baugruppe 14 kann beispielsweise verwendet werden, um zwei rohrförmige hydrogeformte Elemente 18, 22 miteinander zu verbinden. Die Schweißmaterial-Baugruppe 14 und ein bevorzugtes Verfahren zu deren Verwendung stellen eine Art und Weise bereit, um einzelne hohle hydrogeformte Abschnitte des Paars hydrogeformter Elemente 18, 22 ohne einen direkten Zugriff auf die jeweiligen Schweißoberflächen 20, 24, der schweißbaren Elemente 18, 22 während der Ausbildung der Schweißverbindung (oder der Verbindung) nebeneinander liegend miteinander zu verschweißen.
Die Schweißverbindung wird ausgebildet, indem wenigstens ein Schweißmaterial-Element 14, das aus einem metallischen Schweißmaterial konstruiert ist, das sich von dem metallischen Material unterscheidet, das zur Konstruktion der beiden schweißbaren hydrogeformten Elemente 18, 22 verwendet wurde, zwischen den zu verbindenden äußeren Oberflächen 20, 24 positioniert wird. Vorzugsweise werden mehrere Schweißmaterial-Elemente 14 auf dem jeweiligen Tragblech 16 angebracht (obwohl lediglich eines erforderlich ist), um es zwischen die zu verbindenden (d. h. zusammenzuschweißenden) Oberflächen 20, 24 zu positionieren, und vorzugsweise sind diese Schweißmaterial-Elemente auf dem jeweiligen Tragblech 16 so angeordnet, dass sie die Schweißmaterial-Elemente 14 so positionieren, dass die Verbindungsfestigkeit maximiert und die Verbindungs ausbildung optimiert wird. Bei der beispielhaften Ausführungsform der in 1–3 gezeigten Schweißmaterial-Baugruppe 12 ist jedes Schweißmaterialelement 14 ein dünnes, scheibenförmiges Element mit kleinem Durchmesser, selbstverständlich kann jedoch ein großer Bereich von Formen und Größen eines Schweißmaterial-Elements in Erwägung gezogen werden.
Die für die jeweiligen Schweißmaterial-Elemente 14 ausgewählt Größe und Form hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Materialien, die verwendet wurden, um die schweißbaren Elemente zu konstruieren, der Materialien, die verwendet wurden, um die Schweißmaterial-Elemente zu konstruieren, und der Größe und Form des Verbindungsbereichs zwischen den zwei schweißbaren Elementen (d. h. die Größe und Form der überlappenden Oberflächenbereiche der zwei schweißbaren Elemente). Jedes Schweißmaterial-Element wird als eine kreisförmige Scheibe gezeigt, es kann jedoch eine beliebige gewünschte Form annehmen. Wie es erwähnt wurde, wird in Erwägung gezogen, Schweißmaterial-Baugruppen zu schaffen, bei denen ein einzelnes Schweißmaterial-Element auf jedem Tragblech angebracht ist. Ein Bereich von breiten, dünnen Formen (z. B. eine große X-Form) für das Schweißmaterial-Element kann beispielsweise in Erwägung gezogen werden, bei denen lediglich ein Schweißmaterial-Element auf dem jeweiligen Blech 16 angebracht ist. Vorzugsweise werden jedoch mehrere Schweißmaterial-Elemente 14, die alle die Form einer kleinen dünnen Scheibe haben, auf dem jeweiligen Tragblech angebracht, da diese dünne Scheibenform mit kleinem Durchmesser am einfachsten verteilte örtliche Bereiche von elektrischem Stromfluss zwischen den schweißbaren Elementen 18, 22 ermöglicht, was ein Schmelzen der Elemente 14 erleichtert.
Ein bevorzugtes Schweißmaterial für die Schweißmaterial-Elemente 14 ist beispielsweise rostfreier Stahl, bei dem die hydrogeformten schweißbaren Elemente 18, 22 aus einem Normalstahl konstruiert wurden, der ebenfalls bevorzugt ist. Es ist jedoch in Erwägung zu ziehen, einen großen Bereich von metallischen Schweißmaterialien zu verwenden, um die Schweißmaterial-Baugruppen zu konstruieren, und die Baugruppen zu verwenden, um Schweißverbindungen zwischen schweißbaren Elementen auszubilden, die aus anderen Materialien wie etwa Aluminium konstruiert sind.
Das zur Konstruktion des jeweiligen Schweißmaterial-Elements 14 verwendete Schweißmaterial sollte einen größeren elektrischen Widerstand (d. h. es sollte einen größeren Widerstand gegenüber dem Fließen eines elektrischen Stroms haben) und einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als das metallische Material, das zur Konstruktion des jeweiligen schweißbaren Elements 18, 22 verwendet wurde.
Die Tragbleche 16 ermöglichen, dass die Schweißmaterial-Elemente 14 einfach zu handhaben sind und in einer vorgegebenen Konfiguration zwischen den zusammenzuschweißenden Oberflächen 20, 24 gehalten werden können, bevor die Schweißstelle ausgebildet wird. Dennoch ist es möglich, Schweißmaterial-Elemente 14 an der zu verschweißenden Oberfläche 20 mit anderen Mitteln, beispielsweise durch Projektionsschweißen zu befestigen. Vorzugsweise besitzt ein mittlerer Abschnitt 30 des jeweiligen Tragblechs 16 eine Größe und Form, die dem Überlappungsbereich zwischen den zu verbindenden, übereinander liegenden, äußeren angrenzenden Oberflächen 20, 24 entspricht, und vorzugsweise haben die Schweißmaterial-Elemente 14 eine vorgegebene Größe und Form und sind in einem vorgegebenen Muster angeordnet, um eine optimale Verbindung zwischen den schweißbaren Elementen 18, 22 sicherzustellen.
Vorzugsweise ist jedes Tragblech 16 aus einem Material konstruiert, das sich während des Schweißverfahrens in einem Ausmaß zersetzt, das ausreichend ist, damit sich die Schweißmaterial-Elemente 14 im Durchmesser ausdehnen können, wenn sie während des Schweißens schmelzen. Das Tragblech 16 sollte dünner sein als die Schweißmaterial-Elemente 14, so dass das Tragblech 16 nicht die Kräfte beeinträchtigt, die während des Schweißens aufgebracht werden, wie es beschrieben wird. Die Schweißmaterial-Elemente 14 sind an dem Tragblech 16 vorzugsweise dadurch befestigt, dass die Schweißmaterial-Elemente 14 in vorgeformte Löcher im Tragblech 16 gezwängt werden, so dass die Schweißmaterial-Elemente 14 in den vorgeformten Löchern verkeilt werden.
Vorzugsweise umfasst das Tragblech 16 ferner eine Mehrzahl von zum Befestigen dienenden schweißbaren Materialelementen 32, die so konstruiert und angeordnet sind, dass sie das Tragblech 16 an einer Oberfläche eines der schweißbaren Elemente wie etwa der Oberfläche 20 eines metallischen Elements 18 an einer Stelle fixieren, bei der eine Schweißverbindung ausgebildet werden soll. Die zum Befestigen dienenden schweißbaren Materialelemente 32 halten das Tragblech 16 an seinem Ort, während das erste schweißbare Element 22 darüber liegend angeordnet wird. Bei der beispielhaften Ausführungsform der beispielsweise in 2 gezeigten Schweißmaterial-Baugruppe 12 weist das Tragblech 16 ein Paar konisch zulaufender Abschnitte 34 auf jeder Seite des mittleren Abschnitts 30 auf, die in schmalen Endabschnitten 36 enden. Ein zum Befestigen dienendes schweißbares Materialelement 32 ist an jedem Endabschnitt 36 vorgesehen, um zu ermöglichen, dass die Baugruppe 12 vor einem Widerstandsschweißen an die Seiten eines der hydrogeformten Elemente angeschweißt wird. Alternativ können die Elemente 32 Klebelemente wie etwa zweiseitiges Klebeband oder eine beliebige andere geeignete Struktur sein, die das Tragblech 16 bei einem hydrogeformten Element halten kann, während das andere hydrogeformte Element darüber liegend angeordnet wird.
Wie es zuvor erwähnt wurde und wie es in 1 gezeigt ist, können die einzelnen Schweiß-Tragbleche 16 lösbar Ende an Ende befestigt sein, um die Schweißmaterialband-Baugruppe 10 auszubilden. Da die Tragbleche 16 dünn und biegsam sind, kann die Schweißmaterialband-Baugruppe 10 leicht zu einer Rolle 40 geformt werden. Die beispielhafte Bandbaugruppe 10 ist in 1 gezeigt, wobei sie für eine einfache Aufbewahrung, einen einfachen Versand und eine einfache Handhabung um eine Achse 42 gewickelt ist. Die Tragbleche 16 sind vorzugsweise als ein ununterbrochenes Band aus Material hergestellt, das an Grenzen zwischen angrenzenden Endabschnitten 36 durch eine Reihe von kleinen ausgerichteten Schlitzen 44 perforiert ist, obwohl ein großer Bereich von Herstellungsverfahren und Strukturen zur lösbaren Befestigung der Bleche miteinander in Erwägung gezogen werden kann.
Um eine Verbindung gemäß dem Verfahren der Erfindung auszubilden, wird ein Tragblech 16 von der Schweißmaterialband-Baugruppe 10 abgelöst, um eine Schweißmaterial-Baugruppe 12 von dem ununterbrochenen Band abzutrennen. Die einzelne Schweißmaterial-Baugruppe 12 wird auf den äußeren Oberflächenabschnitt 20 des zweiten hydrogeformten Elements 18 (2) an die Stelle gelegt, an der die Verbindung ausgebildet werden soll, und sie wird dort durch die zum Befestigen dienenden schweißbaren Materialelemente 32 gehalten. Das erste hydrogeformte Element 22 wird über dem Blech 16 liegend angeordnet (3), so dass die äußere Oberfläche 24 mit den Schweißmaterial-Elementen 14 in Kontakt ist.
Die abgeänderte Widerstandsschweißpistolen-Vorrichtung 28 oder die Schweißvorrichtung (oder eine abgeänderte Punktschweißpistole) wird verwendet, um einen elektrischen Strom und eine axiale Kraft (d. h. eine Kraft senkrecht zu den zwei äußeren Oberflächen 20, 24 bei den schweißbaren Elementen 18, 22) über den zwei hydrogeformten Elementen 18, 22 und über die Schweißmaterial-Elemente 14 während der Verbindungsausbildung aufzubringen. Genauer umfasst die Vorrichtung 28 ein Paar Strom führende Elemente 46, 48, oder leitfähige Enden (die einen elektrischen Strom von einer Stromquelle liefern, um die Schweißstelle auszubilden), die an äußere Oberflächen 50, 52 der zwei hydrogeformten Elemente 18, 22 angelegt werden, die in dem Bereich, in dem die Schweißverbindung oder die Verbindung zwischen diesen ausgebildet werden soll, verbunden werden sollen. Die Schweißpistolenvorrichtung 28 kann manuell oder automatisch gesteuert werden.
Die leitfähigen Elemente oder die leitfähigen Enden 46, 48 sind Elektroden, die bewirken, dass ein Strom durch die aneinander zu befestigenden (d. h. zu verbindenden) Oberflächen 20, 24 und durch die Schweißmaterial-Elemente 14 fließt. Das Schweißmaterial hat einen größeren Widerstand und einen niedrigeren Schmelzpunkt als das metallische Basismaterial der Verbindung, das verwendet wurde, um die hydrogeformten Elemente 18, 22 zu konstruieren. Die Materialeigenschaften der angrenzenden Elemente 14, 18, 22 sind aufeinander abgestimmt, um vorzugsweise eine Erwärmung und ein anschließendes örtliches Schmelzen der Schweißmaterial-Elemente 14 vor dem Schmelzen des Hohlabschnittmaterials der hydrogeformten Elemente 18, 22 zu erzeugen. Die Schweißmaterial-Elemente 14 verflüssigen sich während des Schweißverfahrens.
Die Energie, die erforderlich ist, um die Schweißmaterial-Elemente 14 zu verflüssigen, wird durch den angelegten elektrischen Strom erzeugt. Die Schweißmaterial-Elemente heizen sich bevorzugt auf und bewirken ein Schmelzen der Schweißmaterial-Elemente 14 und hierauf ein örtliches Schmelzen des angrenzenden metallischen Materials der hydrogeformten Elemente 18, 22. Das geschmolzene Material der Schweißmaterial-Elemente 14 verbindet sich mit dem metallischen Basismaterial der hydrogeformten Elemente 18, 22 unter dem axialen Druck, der durch die leitfähigen Elemente oder die leitfähigen Enden 46, 48 aufgebracht wird. Nachdem das zuvor erwähnte Schmelzen erfolgt ist, wird der Stromfluss durch die Oberflächen 20, 24 abgeschaltet. Die axiale Kraft wird vorzugsweise nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit danach entfernt.
Die resultierende Schweißverbindung ist in 4 dargestellt. Das Tragblech 16 wurde in 4 im Wesentlichen zersetzt. Wie es gezeigt ist, wurde zudem ein sehr schmaler Spalt zwischen den hydrogeformten Elementen 18, 22 frei gelassen. Die Kombination der metallischen Materialien der Metallelemente 14, 18, 22 ist in der Querschnittsansicht von 4 angegeben. Es ist klar, dass diese Darstellung des geschweißten Bereichs vergrößert und verdeutlich wurde, um die Schweißverbindung deutlicher zu veranschaulichen und um die Vermischung der metallischen Materialien in den Bereichen, in denen die Schweißstelle ausgebildet wurde, zu zeigen.
Vorzugsweise wird der Strom durch das erste schweißbare Element 22 und durch das zweite schweißbare Element 18 und über die Schweißmaterial-Elemente 14 angelegt, um so die Schweißmaterial-Elemente 14 zu schmelzen und um daraufhin Abschnitte des ersten schweißbaren Elements 22 und des zweiten schweißbaren Elements 18 in Bereichen zu schmelzen, die an die Schweißmaterial-Elemente angrenzen, und vorzugsweise werden die Kräfte so aufgebracht, dass sich die äußeren Oberflächen 20, 24 aufeinander zu bewegen.
Vorzugsweise ist jede der äußeren Oberflächen 20, 24 eben, obwohl sie jede beliebige Konfiguration aufweisen können, die für eine Verbindungsausbildung geeignet ist. Beispielsweise können die Oberflächen einander ergänzende konvexe/konkave Konfigurationen und dergleichen aufweisen.
Es versteht sich, dass die Schweißmaterial-Baugruppen 12 und die Verfahren zur Verwendung derselben besonders gut geeignet sind, um Verbindungen zwischen einzelnen hydrogeformten Elementen auszubilden. Es ist zu erwägen, die Schweißmaterial-Baugruppen 12 und die Verfahren der vorliegenden Erfindung dafür zu verwenden, Verbindungen zwischen den einzelnen hydrogeformten Elementen auszubilden, die verwendet werden, um einen räumlichen Rahmen für ein Kraftfahrzeug zu konstruieren. Ein Beispiel eines Verfahrens zur Verwendung einer Schweißmaterial-Baugruppe 12 zur Ausbildung einer Verbindung eines räumlichen Rahmens wird nachfolgend beschrieben. Das Beispiel wird anhand einer beispielhaften Ausführungsform eines räumlichen Rahmens für einen in 5 gezeigten Geländewagen beschrieben. Andere Beispiele von Verbindungen räumlicher Rahmen, die besonders geeignet sind, um mit den vorliegenden Schweißmaterial-Baugruppen und mit Verfahren, die diese Baugruppen verwenden, verwendet zu werden, sind in der übertragenen US-Patentanmeldung mit der lfd Nr. 09/173.554 offenbart, die den Titel HYDROFORMED SPACE FRAME AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME trägt, und die in ihrer Gesamtheit in der vorliegenden Anmeldung durch Literaturhinweis für das gesamte dort offenbarte Material vollständig enthalten ist.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines räumlichen Rahmens 60 für ein Kraftfahrzeug. Der räumlicher Rahmen 60 enthält ein Paar sich längs erstreckender, seitlich beabstandeter Längsträgerstrukturen 62, ein Paar hydrogeformter oberer Längselemente 64, 66, ein Paar hydrogeformter U-förmiger Querelemente 68, 70 und eine hintere Ringbaugruppe 72. Vorzugsweise werden die Längsträgerstrukturen 62 durch ein Paar spiegelbildlich konstruierte, hydrogeformte Elemente 78, 80 bereitgestellt. Mehrere sich seitlich erstreckende Querstrukturen, die allgemein mit 82 bezeichnet werden, sind zwischen den Längsträgerstrukturen 62 verbunden, und ein Paar sich seitlich erstreckender oberer Querstrukturen 84 ist zwischen dem Paar oberer Längselemente 64, 66 verbunden.
Jedes hydrogeformte obere Längselement 64, 66 enthält einen Säulen bildenden Abschnitt 86 und einen sich längs erstreckenden Abschnitt 88. Jedes obere Längselement 64, 66 ist mit einer zugeordneten Längsträgerstruktur 62 verbunden und erstreckt sich davon nach oben, um eine A-Säule des räumlichen Rahmens 60 zu bilden. Jedes hydrogeformte Querelement 68, 70 enthält jeweils einen Querabschnitt 90, 92 und jeweils ein Paar Beinabschnitte 94, 96, das sich von Verbindungsstellen 98, 100 bei gegenüberliegenden Enden des zugeordneten Querabschnitts erstreckt. Jeder Beinabschnitt des Querelements ist mit einer entsprechenden Längsträgerstruktur 62 verbunden und erstreckt sich davon nach oben, um eine mittlere Säule bereitzustellen (d. h. die B-Säulen und die C-Säulen). Der sich längs erstreckende Abschnitt 88 des jeweiligen oberen Längselements 64, 66 ist mit der Verbindungsstelle 98, 100 des zugeordneten Querelements 68, 70 verbunden, um jeweils eine Verbindung 102, 104 auszubilden.
Der Aufbau der Längsträgerstrukturen 62 (und folglich der Längsträgerelemente 78, 80), die rückwärtige Ringbau gruppe 72, die Querstrukturen 82, 84 und die Art und Weise, auf die diese Komponenten zum räumlichen Rahmen 60 zusammengebaut sind, sind in der zuvor erwähnten lfd Nr. 09/173,554 beschrieben und diese Beschreibung wird in der vorliegenden Anmeldung nicht wiederholt.
Jedes obere Längselement 64, 66 und jedes Querelement 68, 70 besteht vorzugsweise aus einer rohrförmigen hydrogeformten Konstruktion und wird jeweils ausgebildet, indem eine Metallwand eines Rohr-Zuschnitts hydrogeformt wird, derart, dass jedes hydrogeformte Element durch eine nach außen verformte Metallwand definiert wird, die in einer vorgegebenen äußeren Oberflächenkonfiguration fixiert wird, die jener des Hydroformungs-Stempelhohlraums entspricht. Vorzugsweise wird der Zuschnitt hydrogeformt, derart, dass die rohrförmige Wand während des Hydroformungsverfahrens ungleichmäßig nach außen verformt wird.
Eine vollständige Beschreibung des Hydroformungsverfahrens ist in der lfd Nr. 09/173,554 enthalten und ist in die vorliegende Anmeldung durch Literaturhinweis eingeschlossen. Folglich wird das Hydroformungsverfahren in der vorliegenden Anmeldung nicht ausführlich betrachtet, es wird jedoch kurz beschrieben, so dass die Verwendung der Schweißmaterial-Baugruppe 12 bei der Konstruktion eines räumlichen Rahmens verstanden werden kann.
Hydroformungsverfahren
Das bevorzugte Hydroformungsverfahren zum Ausbilden des jeweiligen hydrogeformten Elements des beispielhaften räumlichen Rahmens 60 kann aus 6 verstanden werden. Jedes hydrogeformte Element ist aus einem rohrförmigen Zuschnitt 108 gebildet, der aus einem ersten metallischen Material konstruiert ist. Der Zuschnitt 108 hat einen geschlossenen querlaufenden Querschnitt, offene rohrförmige Enden und eine vorgegebene Länge.
Falls die Geometrie des Teils komplex ist oder falls bei dem fertig gestellten Element irgendwelche scharfen Krümmungen vorgesehen sind (eine Krümmung größer als 30°), kann der Zuschnitt 108 auf Wunsch vor einer Hydroformung gebogen werden. Vorzugsweise wird der Rohling gemäß den Lehren des US-Patents Nr. 5,953,945 mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR WRINKLE-FREE HYDROFORMING OF ANGLED TUBULAR PARTS gebogen, das hier durch Literaturhinweis vollständig enthalten ist. Selbstverständlich wird die Vorgehensweise von Patent Nr. 5,953,945 vorzugsweise nicht für Teile verwendet, die in einem Winkel von weniger als 30° gebogen werden.
Der Rohling 108 wird hierauf zwischen die Stempelhälften 110, 112 einer Stempelbaugruppe 114 gelegt und die Baugruppe wird geschlossen. Die Stempelbaugruppe 114 kann ein Werkzeug mit einem Hohlraum oder mit mehreren Hohlräumen sein, abhängig von der Konfiguration des herzustellenden hydrogeformten Elements. Der Zuschnitt 108 wird mit Hydroformungsfluid gefüllt und eine Hydroformungs-Kolbenbaugruppe 116, 118 gelangt mit den beiden Enden des Zuschnitts 108 in Eingriff. Das Hydroformungsverfahren verwendet einen hohen Innendruck von Hydroformungsfluid, um den rohrförmigen Zuschnitt in die gewünschte Form zu formen. Ein Kolbenelement 120, 122 der jeweiligen Baugruppe 116, 118 dichtet ein jeweiliges Ende des Zuschnitts 108 ab. Die Kolbenelemente 120, 122 enthalten hydraulische Verstärker, die das Hydroformungsfluid verstärken können, wodurch der Fluiddruck in dem Zuschnitt 108 erhöht wird, um die allgemein mit 124 bezeichnete rohrförmige Metallwand des rohrförmigen Zuschnitts 108 in Übereinstimmung mit den Stempeloberflächen 126 des Stempelhohlraums nach außen zu verformen, um dadurch ein hydrogeformtes Element mit einer äußeren Oberfläche auszubilden, die auf der Grundlage des Stempelhohlraums in einer vorgegebenen Konfiguration fixiert worden ist.
Das heißt, der rohrförmige Zuschnitt 108 dehnt sich in Übereinstimmung mit den Oberflächen 126, die den Hydroformungs-Stempelhohlraum definieren, derart aus, dass die metallische Wand 124 des Zuschnitts 108 in Übereinstimmung mit den Oberflächen 108 der Stempelbaugruppe 114 ungleichmäßig (oder gleichmäßig) nach außen ausgedehnt wird, um die metallische Wand 124 mit einer Form zu versehen, die der gewünschten Form für das Element entspricht. Die Form des jeweiligen Stempelhohlraums, der verwendet wird, um das jeweilige hydrogeformte Element des räumlichen Rahmens 60 gemäß der vorliegenden Erfindung auszubilden, ist für die Form der hier betrachteten neuartigen und vorteilhaften hydrogeformten rohrförmigen Elemente besonders geeignet.
Es ist einzusehen, dass sich der querlaufende Querschnitt vieler hydrogeformter Elemente des räumlichen Rahmens 60 längs der Länge eines bestimmten hydrogeformten Elements ändert. Selbstverständlich kann eine Änderung der Querschnittskonfiguration irgendeines der hier gezeigten und/oder beschriebenen rohrförmigen hydrogeformten Elemente erzielt werden, ohne von den Prinzipien der vorliegenden Erfindung abzuweichen, so dass die Verwendung der Schweißmaterial-Baugruppen und der Schweißverfahren der vorliegenden Erfindung nicht auf hydrogeformte Elemente mit irgendeiner bestimmten Querschnittsanordnung beschränkt ist. Die Querschnitte der Elemente können gleichmäßig sein (d. h. gleichförmig) sein, oder sie können ungleichmäßig (d. h. nicht gleichförmig) sein.
Aus der Beschreibung der beispielhaften Schweißmaterial-Baugruppe 12, des beispielhaften räumlichen Rahmens 60 und des Hydroformungsverfahrens geht hervor, dass die Schweißmaterial-Baugruppen verwendet werden können, um Verbindungen zwischen einzelnen rohrförmigen hydrogeformten Elementen eines räumlichen Rahmens während der Konstruktion des räumlichen Rahmens auszubilden. Ein Beispiel der Konstruktion der Verbindung 102 eines räumlichen Rahmens ist in 2–4 gezeigt und wird daraus deutlich. Folglich geht aus der allgemeinen Beschreibung der zuvor dargelegten Schweißverfahren hervor, dass das hydrogeformte Querelement 68 das zuvor erwähnte zweite schweißbare Element 18 enthält und dass das hydrogeformte obere Längselement 64 das erste schweißbare Element 22 ist. Selbstverständlich können viele Verfahren zur Ausbildung eines räumlichen Rahmens (und zur Ausbildung von Verbindungen eines räumlichen Rahmens) für ein Kraftfahrzeug in Erwägung gezogen werden, wobei ein bevorzugtes Verfahren beinhaltet, dass das jeweilige Paar aus oberen Längselementen 64, 66 und ein Querelement 68 in einem Hydroformungsverfahren ausgebildet werden. Jedes Hydroformungsverfahren umfasst: Bereitstellen eines rohrförmigen Zuschnitts 108, der aus einem ersten metallischen Material hergestellt ist; Anordnen des Zuschnitts 108 in eine Stempelbaugruppe 114 mit Stempeloberflächen 126, die einen Stempelhohlraum definieren; Bereitstellen eines mit Druck beaufschlagten Fluids in einem Innenraum des Zuschnitts 108, um die Metallwand des Zuschnitts in Übereinstimmung mit den Stempeloberflächen 126 auszudehnen, wodurch ein hydrogeformtes Element 64, 66 oder 68 ausgebildet wird, das durch eine nach außen verformte Metallwand definiert wird, die in einer vorgegebenen äußeren Oberflächenkonfiguration fixiert ist. Jedes obere Längselement 64, 66 ist ein einteiliges, einteilig ausgebildetes hydrogeformtes Element und enthält einen Säulen bildenden Abschnitt 86 und einen sich längs erstreckenden Abschnitt 88. Das umgedrehte U-förmige Querelement 68 ist ein einteiliges, einteilig ausgebildetes hydrogeformtes Element mit einem Paar Beinabschnitten 94, das sich von Verbindungsstellen 98 bei dem jeweiligen Ende eines Querabschnitts 90 erstrecken. Jeder sich längs erstreckende Abschnitt 88 und jede Verbindungsstelle 98 enthält jeweils einen äußeren Oberflächenabschnitt 24 und 20 (siehe z. B. den Querschnitt von 3). Ein Paar Längsträgerstrukturen 62 ist vorzugsweise durch ein Paar rohrförmiger, hydrogeformter Elemente vorgesehen; die Längsträgerstrukturen 62 sind mit den Elementen 64, 66, 68 zusammengebaut, derart, dass (1) der Säulen bildende Abschnitt 86 jedes oberen Längselements 64, 66 auf einer entsprechenden Längsträgerstruktur 62 mit einer Säulenstruktur (z. B. der A-Säule) verbunden ist und diese ausbildet, (2) jeder Beinabschnitt 94 des Querelements 68 mit einer entsprechenden Längsträgerstruktur 62 verbunden ist und eine mittlere Säule (z. B. die B-Säule) bereitstellt, und (3) der Oberflächenabschnitt 24 des jeweiligen oberen Längselements 64, 66 und der Oberflächenabschnitt 20 der zugeordneten Verbindungsstelle 98 des Querelements 68 nebeneinander liegend angeordnet sind. Die jeweilige Verbindung 102, eine an jedem Endabschnitt des Querabschnitts 90, ist bei den oberen Ecken des räumlichen Rahmens 60 durch Positionieren der schweißbaren Elemente 64, 66, 68 und einer Schweißmaterial-Baugruppe 12 ausgebildet, derart, dass die Schweißmaterial-Elemente 14 Strom führend zwischen den zugeordneten äußeren Oberflächenabschnitten 24, 20, die zusammengeschweißt werden sollen, angeordnet sind. Ein elektrischer Strom und Kräfte werden über die schweißbaren Elemente 64, 68 derart angelegt, dass der angelegte Strom durch das zugeordnete Paar Oberflächen 24, 20 und durch das jeweilige Schweißmaterial-Element 14 fließt, das dazwischen angeordnet ist, um so das jeweilige Schweißmate rial-Elemente 14 zu schmelzen und dadurch die äußeren Oberflächenabschnitte 24, 20 miteinander zu verschweißen.
Vorzugsweise wird der Strom jeweils über zugeordnete Paare schweißbarer Elemente 64, 68 und 66, 68 und über das jeweilige Schweißmaterial-Element 14 angelegt, um so das jeweilige Schweißmaterial-Element 14 zu schmelzen und daraufhin Abschnitte des jeweiligen schweißbaren Elements 64, 68 und 66, 68 des jeweiligen zugeordneten Paars in Bereichen zu schmelzen, die an das jeweilige Schweißmaterial-Element 14 angrenzen, wobei die Kräfte so aufgebracht werden, dass die äußeren Oberflächenabschnitte (zum Beispiel die Oberflächen 24, 20 des Paars 64, 68) der zugeordneten schweißbaren Elemente des jeweiligen Paars aufeinander zu bewegt werden, wenn die Schweißmaterial-Elemente 14 schmelzen.
Selbstverständlich können die zu verbindenden hydrogeformten Elemente (zum Beispiel das Paar 64, 68) hydrogeformt werden, derart, dass die Oberflächenabschnitte 24, 20 einen großen Bereich an Formen und Größen annehmen können. Vorzugsweise wird jedes Element 64, 68 hydrogeformt, derart, dass jeweils die äußeren Oberflächenabschnitte 24, 20 eben sind, obwohl die Oberflächen 24, 20 jede beliebige sich ergänzende Konfiguration wie etwa konkav/konvex aufweisen können.
Es ist zu berücksichtigen, dass die einzelnen hydrogeformten Elemente des räumlichen Rahmens aus einem großen Bereich von Materialien konstruiert werden können. Jedes beliebige schweißbare und hydroformbare metallische Material mit geeigneter Festigkeit kann bei der Konstruktion der einzelnen hydrogeformten Komponenten für den räumlichen Rahmen verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Schweißmaterial-Element 16 der jeweiligen Baugruppe 12 aus einem rostfreien Stahl konstruiert, und jedes rohrförmige hydrogeformte Element 64, 66, 68 aus einem Normalstahl konstruiert.
Es geht hervor, dass der räumliche Rahmen 60 den in der zuvor erwähnten lfd Nr. 09/173,554 gezeigten und beschriebenen räumlichen Rahmen ähnlich ist, abgesehen davon, dass bei den in der lfd Nr. 09/173,554 gezeigten beispielhaften räumlichen Rahmen die Verbindungsstelle des jeweiligen hydrogeformten Querelements über dem sich längs erstreckenden Abschnitt des entsprechenden zugeordneten oberen Längselement liegend angeordnet ist, wobei in der vorliegenden Anmeldung diese Beziehung umgekehrt ist, so dass der sich längs erstreckende Abschnitt 88 des jeweiligen oberen Längselements 64, 68 über der (d. h. oberhalb der) zugeordneten Verbindungsstelle 98, 100 des Querelements 68, 70 liegend angeordnet ist. Selbstverständlich liegt es jedoch im Umfang der vorliegenden Erfindung, die Schweißmaterial-Baugruppen 12 und die Verfahren der vorliegenden Erfindung zu verwenden, um eine Verbindung zwischen dem sich längs erstreckenden Abschnitt des jeweiligen oberen Längselements und der Verbindungsstelle des zugeordneten Querelements in den räumlichen Rahmen auszubilden, die wie es in der lfd Nr. 09/173,554 gezeigt ist, konstruiert sind.
Die unter Verwendung der Schweißmaterial-Baugruppe 12 erzeugte Schweißstelle bildet eine Verbindung für einen räumlichen Rahmen, die in ihrer Festigkeit mit einer Verbindung vergleichbar ist, die durch herkömmliches MIG-Schweißen ausgebildet wurde, eine Verbindung durch Verwendung einer Schweißmaterial-Baugruppe wird jedoch in einer kürzeren Zeitspanne im Vergleich zum MIG-Schweißen und durch Zufuhr einer geringeren Menge an Wärme zu der Verbindung als die Wärmemenge, die während des MIG-Schweißens bei einer hydrogeformten Verbindung zugeführt werden muss, ausgebildet. Der relativ hohe Grad an Wärme, die zu dem Verbindungsbereich der hydrogeformten Elemente während eines MIG-Schweißvorgangs übertragen wird, ist unerwünscht, da diese Wärme, die durch das MIG-Schweißen erzeugt wird, zur Verzerrung des räumlichen Rahmens und folglich zu einer Ungenauigkeit in den Abmessungen des räumlicher Rahmen beiträgt. Der Einsatz einer Schweißmaterial-Baugruppe und von Verfahren zur Ausbildung einer Verbindung, die eine Schweißmaterial-Baugruppe verwenden, erzeugt eine nicht vergleichbare Wärmemenge während der Verbindungsausbildung und erhöht folglich die Genauigkeit in den Abmessungen des räumlichen Rahmens gegenüber einem MIG-Schweißen.
Während die Schweißmaterialband-Baugruppe bestimmte Vorteile beim Schweißen von rohrförmigen hydrogeformten schweißbaren Elementen schafft, muss berücksichtigt werden, dass sie auch beim Schweißen weiterer schweißbarer Elemente angewendet werden kann, die nicht hydrogeformt worden sind, bei denen jedoch nichtsdestotrotz ein Zugang zu den Schweißoberflächen verhindert ist.
In 7–12 wird nun eine bevorzugte Ausführungsform einer Schweiß-Baugruppe 139 gemäß der Erfindung genauer veranschaulicht. Die Schweißbaugruppe 139 umfasst die Schweißvorrichtung oder Pistole 28, das erste schweißbare Element 22 und das zweite schweißbare Element 18. Die Schweißvorrichtung oder die Schweißpistole 28 stellt eine Art und Weise bereit, dass Abschnitte des Paares hydrogeformter Elemente 18, 22 ohne direkten Zugriff zu den Schweißoberflächen 20, 24 der Elemente 18, 22, während der Ausbildung der Schweißverbindung nebeneinander liegend miteinander verschweißt werden.
Das erste schweißbare Element 22 hat eine erste Längsachse 141 und einen ersten Querschnitt querlaufend zur ersten Längsachse 141. Das erste schweißbare Element 22 ist in der Form eines ersten rohrförmigen, hydrogeformten Elements veranschaulicht, derart, dass der erste Querschnitt geschlossen ist, hohl ist und eine erste Breite W₁ aufweist. Die erste Breite W₁ umspannt die äußere Oberfläche 50.
Das zweite schweißbare Element 18 hat eine zweite Längsachse 151 und einen zweiten Querschnitt querlaufend zur zweiten Längsachse 151. Das zweite schweißbare Element 18 ist in der Form eines zweiten rohrförmigen hydrogeformten Elements veranschaulicht, so dass der zweite Querschnitt geschlossen ist, hohl ist und eine zweite Breite W₂ aufweist. Die zweite Breite W₂ umspannt die äußere Oberfläche 52. Obwohl die Elemente 18, 22 als rohrförmige, hydrogeformte Elemente beschrieben sind, kann irgendein geeigneter Typ eines schweißbaren Elements mit der Pistole 28 verwendet werden. Beispielsweise können rohrförmige Elemente, die nicht durch Hydroformung ausgebildet wurden, oder nicht rohrförmige Elemente durch die Pistole 28 zusammengeschweißt werden.
Die schweißbaren Elemente 18, 22 stellen Abschnitte von einzelnen rohrförmigen, hydrogeformten Elementen dar, die miteinander verbunden werden, um einen Teil einer Struktur wie den räumlichen Rahmen 60 auszubilden, wie es in 5 gezeigt ist. Wie es zuvor ausführlicher beschrieben wurde, umfasst das hydrogeformte Querelement 68 das zweite schweißbare Element 18 und das hydrogeformte obere Längselement 64 umfasst das erste schweißbare Element 22. Eine der Verbindungen 102 wird bei oberen Ecken des räumlichen Rahmens 60 ausgebildet, indem die schweißbaren Elemente 64, 68 und die Schweißmaterial-Baugruppe 12 positioniert werden, derart, dass das schweißbare Element 14 Strom führend zwischen zugeordneten äußeren Oberflächenabschnitten 24, 20, die zusammengeschweißt werden sollen, angeordnet ist.
Die Pistole 28 enthält jeweils ein erstes und ein zweites Schweißteil 140, 144, die jeweils an schweißbaren Elementen 22, 18 befestigt werden. Die Schweißteile 140, 144 bilden zusammen mit verschiedenen anderen nachfolgend besprochenen Teilen eine einzelne Struktur 186, um die Pistole 28 auszubilden. Wie es in der Zeichnung veranschaulicht ist, kann die Pistole ferner einen Transformator 180, einen Luftzylinder 190 und eine Automatenbefestigung 188 enthalten.
Das erste Schweißteil, das allgemein bei 140 gezeigt ist, weist eine erste Halterung 142 auf und enthält ein leitfähiges Ende 46, das als ein erstes leitfähiges Ende bezeichnet wird. Das erste leitfähige Ende 46 kann mit einer zu verschweißenden Struktur wie etwa dem ersten schweißbaren Element 22 verbunden werden. Das zweite Schweißteil, das allgemein bei 144 gezeigt ist, ist mit dem ersten Schweißteil 140 durch die Pistolenstruktur 186 verbunden und weist eine zweite Halterung 146 und das leitfähige Ende 48 auf, das als ein zweites leitfähiges Ende bezeichnet wird. Das zweite leitfähige Ende 48 kann mit der zu verschweißenden Struktur wie etwa dem zweiten schweißbaren Element 18 verbunden werden.
Wie es am deutlichsten in 9 und 10 gesehen werden kann, weist insbesondere das erste leitfähige Ende 46 ein erstes Bodenteil 150, das mit der ersten Halterung 142 gekoppelt ist, und einen ersten umrissenen Abschnitt 152 auf. Der erste umrissene Abschnitt 152 ist mit dem ersten Bodenteil 150 einteilig ausgebildet und erstreckt sich von diesem weg und er enthält eine erste konkave Vertiefung 154, die mit der zu verschweißenden Struktur verschachtelt wird, in diesem Fall dem Element 22. Der erste umrissene Abschnitt 152 hat geflanschte Enden 153, die auf Enden der zu verschweißenden Struktur ruhen, um die Verschachtelungseigenschaft weiter zu verbessern.
Das zweite leitfähige Ende 48 weist ein zweites Bodenteil 160, das mit der zweiten Halterung 146 gekoppelt ist, und einen zweiten umrissenen Abschnitt 162 auf. Der zweite umrissene Abschnitt 162 ist mit dem zweiten Bodenteil 160 einteilig ausgebildet und erstreckt sich von diesem weg und es enthält eine zweite konkave Vertiefung 164, die mit der zu verschweißenden Struktur verschachtelt wird, in diesem Fall dem Element 18. Der zweite umrissene Abschnitt 162 hat geflanschte Enden 163, die auf Enden der zu verschweißenden Struktur ruhen, um die Verschachtelungseigenschaft weiter zu verbessern.
In 9 und 10 haben das erste leitfähige Ende 46 und das zweite leitfähige Ende 48 jeweils mehrere Löcher 170, 172. Die Löcher 170, 172 erstrecken sich durch ihr jeweiliges leitfähiges Ende 46, 48, derart, dass Befestigungselemente 174 wie etwa Nieten oder Schrauben durch die Löcher 170, 172 eingesetzt werden können, um jeweils eine Verbindung mit der ersten und der zweiten Halterung 142, 146 herzustellen.
Das erste leitfähige Ende 46 hat eine erste umrissene Oberfläche 158 gegenüber dem ersten Bodenteil 150, die mit der äußeren Oberfläche 50 des ersten schweißbaren Elements 22 während des Schweißvorgangs verschachtelt wird. Die erste Oberfläche 158 des Endes 46 erstreckt sich vorzugsweise im Wesentlichen längs der gesamten Ausdehnung der ersten Breite W₁ des ersten schweißbaren Elements 22 längs des Abschnitts der äußeren Oberfläche 50, die dem Ende 46 zugewandt ist.
Das zweite leitfähige Ende 48 hat eine zweite umrissene Oberfläche 168 gegenüber dem zweiten Bodenteil 160, die mit der äußeren Oberfläche 52 des zweiten schweißbaren Elements 18 während des Schweißvorgangs verschachtelt wird. Die zweite Oberfläche 168 des Endes 48 erstreckt sich im Wesentlichen längs der gesamten Ausdehnung der zweiten Breite W₂ des zweiten schweißbaren Elements 18 längs des Abschnitts der äußeren Oberfläche 52, die dem Ende 48 zugewandt ist.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform weist das erste leitfähige Ende 46 einen im Allgemeinen V-förmigen Querschnitt mit einer im Allgemeinen V-förmigen Vertiefung auf, und das zweite leitfähige Ende 48 weist einen im Allgemeinen U-förmigen Querschnitt mit einer im Allgemeinen U-förmigen Vertiefung auf, wie es in 9–10 gezeigt ist. Die leitfähigen Enden 46, 48 und ihre entsprechenden umrissenen Oberflächen 158, 168 können jedoch eine beliebige Form und Größe haben, die es ermöglicht, dass sich die jeweilige umrissene Oberfläche 158, 168 mit der Breite der zu verschweißenden Elemente verschachtelt und längs dieser erstreckt.
Die leitfähigen Teile 140 und 144 sind vorzugsweise als integrale, einteilige, einheitliche Elemente aus einem leitfähigen Material wie etwa Kupfer ausgebildet.
Der Transformator 180 wird an der Struktur 186 befestigt und wird mit dem ersten leitfähigen Ende 46 verbunden, um Strom durch die schweißbaren Elementen 18, 22 für einen Schweißvorgang anzulegen. Insbesondere entlädt der Transformator 180 den erforderlichen Strom durch einen oberen Nebenwiderstand 182 zu der ersten Halterung 142. Der Strom fließt nacheinander durch die erste Halterung 142, das erste leitfähige Ende 46, das erste schweißbare Element 22, das Schweißmaterial-Element 14 und das zweite schweißbare Element 18, um die Verbindung zu erzeugen. Der Strom fließt weiter aus dem zweiten leitfähigen Ende 48 und der zweiten Halterung 146 zu dem Transformator 180 durch einen unteren Nebenwiderstand 184. Der Schweißstrom und die Zyklenzeit werden genau gesteuert, um die Verbindung zwischen dem ersten schweißbaren Element 22 und dem zweiten schweißbaren Element 18 zu erzeugen. Der Transformator 180 kann irgendein geeigneter Transformator sein, beispielsweise kann der Transformator 180 ein Transformator sein, der bis zu 65000 Ampere (Mittelfrequenz-Gleichstrom) liefern kann.
Der als ein Luftzylinder veranschaulichte Mechanismus 190 zum Aufbringen einer Kraft ist mit der ersten Halterung 142 verbunden. Druck wird durch den Luftzylinder 190 durch eine Ausgleichseinheit 192 aufgebracht, die die schweißbaren Elemente 18, 22 durch die leitfähigen Enden 46, 48 einschließt. Eine gleiche Kraft wird bei den äußeren Oberflächen 50, 52 der schweißbaren Elemente 18, 22 aufgebracht, um so die äußeren Oberflächen 20, 24 aufeinander zuzubewegen, wobei die schweißbaren Elemente 18, 22 nicht verformt werden. Ein beliebiger geeigneter Mechanismus zum Aufbringen einer Kraft kann verwendet werden. Beispielsweise kann der Mechanismus zum Aufbringen der Kraft ein Luftzylinder sein. Ein typischer Luftzylinder zum Aufbringen von Kraft bei rohrförmigen Elementen eines Kraftfahrzeugrahmens würde im Allgemeinen fähig sein, 1250 "pounds" Druck auszuüben.
Wie aus dem Vorherigen hervorgeht, werden ein elektrischer Strom und eine Kraft über die schweißbaren Elemente 18, 22 aufgebracht, derart, dass der angelegte Strom jedes Schweißmaterial-Element 14 schmilzt und dadurch die äußeren Oberflächenabschnitte 24, 20 miteinander verbindet, wobei die Schweißstelle durch das geschmolzene Schweißmaterial 14 erzeugt wird.
Beim Durchführen eines Schweißvorgangs wird insbesondere die Deckschicht 16 von der Bandbaugruppe 10 entfernt und an einem der schweißbaren Elemente befestigt, etwa der äußeren Oberfläche 20 des zweiten schweißbaren Elements 18, bei dem eine Schweißverbindung ausgebildet werden soll. Ein weiteres schweißbares Element wie etwa das erste schweißbare Element 22 wird darüber liegend angeordnet, so dass die äußeren Oberflächen 20, 24 elektrisch leitend zu den Schweißmaterial-Elementen 14 positioniert sind, wie es in 11 gezeigt ist.
Elektrischer Strom wird durch den Transformator 180 über die äußeren Oberflächen 50, 52 der hydrogeformten Elemente 18, 22 angelegt. Da sich die erste und die zweite Oberfläche 158, 168 der leitfähigen Enden 46, 48 jeweils längs der gesamten Ausdehnung der ersten und der zweiten Breite W₁, W₂ erstrecken und damit verschachtelt sind, wird ausreichend Strom angelegt und fließt durch die schweißbaren Elemente 18, 22, die Oberflächen 20, 24 und das Schweißmaterial-Element 14, um die Verbindung zu erzeugen. Die verschachtelte Konfiguration zwischen den leitfähigen Enden 46 und 48 und den schweißbaren Elementen 18 und 22 bildet eine hervorragende elektrische Verbindung, da der Kontakt zwischen den Elementen im Bereich der Schweißstelle so großflächig ist und den Strom von Elektrizität erleichtert, der erforderlich ist, um die Schweißstelle auszubilden. Die Schweißmaterial-Elemente 14 schmelzen hierauf und verbinden sich mit den hydrogeformten Elementen 18, 22 unter dem axialen Druck, der durch den Luftzylinder 190 bei den leitfähigen Enden 46, 48 aufgebracht wird, und durch die Elektrizität, die von dem Transformator 180 geliefert wird.
Nachdem das Schmelzen erfolgt, wird der durch den Transformator 180 bereitgestellte Strom, der durch die Oberflächen 20, 24 fließt, ausgeschaltet, und die durch den Luftzylinder 190 aufgebrachte axiale Kraft wird vorzugsweise nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit danach entfernt. Die resultierende Schweißverbindung ist in 4 gezeigt, die die kombinierten metallischen Materialien von Elementen 14, 18, 22 beispielhaft verdeutlicht.
Vorzugsweise ist jeder äußere Abschnitt 20, 24 eben, wie es gezeigt ist, obwohl sie irgendeine beliebige Konfiguration aufweisen können, die zum Ausbilden einer Verbindung geeignet ist. Beispielsweise können die Oberflächen sich ergänzende konvexe/konkave Konfigurationen und dergleichen haben. Ferner können die äußeren Oberflächen 50, 52 der Elemente 18, 22 ebenfalls eine beliebige Konfiguration aufweisen. Unterschiedlich konfigurierte Oberflächen 50 und 52 weisen vorzugsweise unterschiedlich konfigurierte leitfähige Enden 46 und 48 auf, die unterschiedlich konfigurierte umrissene Abschnitte 152 und 162 aufweisen, die der Form der äußeren Oberflächen 50 und 52 entsprechen.
In 12 kann die Pistole 28 auf irgendeine geeignete Weise angebracht werden, um zwei Elemente miteinander zu verschweißen. Vorzugsweise wird die Pistole 28 so angebracht, dass sie einfach zwischen Schweißpositionen bewegt werden kann. Die Pistole 28 kann beispielsweise an einem Roboter bzw. einem Automaten 196 angebracht werden, wie es in 12 veranschaulicht ist, so dass sie zwischen einer ersten und einer zweiten Schweißposition bewegt werden kann. Der in 12 veranschaulichte Aufbau 186 enthält die Automatenbefestigung 188 zum Anbringen der Struktur 186 an dem Automaten 196. Eine bewegliche Befestigung für die Pistole 28 wie der Automat 196 erleichtert das Schweißverfahren, da der Automat 196 ermöglicht, dass die Pistole 28 zu mehreren Positionen in Bezug auf den räumlichen Rahmen 60 bewegt wird, um mehrere Schweißvorgänge durchzuführen, Selbstverständlich kann auf Wunsch ein Computer die Bedienung des Automaten steuern, um ein automatisches Verfahren zu erzeugen.
In Gebrauch kann der Automat 196 die Pistole 28 Strom führend in Bezug auf die schweißbaren Elemente 64, 68 positionieren, um die Verbindung 102 auszubilden. Nach Vollendung des Schweißvorgangs kann der Automat die Pistole 28 bewegen, um die Verbindung 102 zu vollenden, indem er schweißbare Elemente 66, 68 verbindet. Weitere Verbindungen können am räumlichen Rahmen 60 durchgeführt werden, etwa die Verbindung 104, die aus den Elementen 64, 66 und 70 besteht.
Es ist folglich klar, dass die Aufgaben der vorliegenden Erfindung vollständig und wirksam gelöst worden sind. Die vorhergehenden bestimmten Ausführungsformen wurden bereitgestellt, um den Aufbau und das Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen und sie sind daher nicht als Einschränkung gedacht. Im Gegenteil ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung alle Abwandlungen, Änderungen und Ersetzungen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche umfasst.

Claims

Schweißverfahren, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines ersten schweißbaren Elements (22) mit einer ersten Längsachse (141) und einem ersten, zur Längsachse (141) querlaufenden Querschnitt, wobei der Querschnitt geschlossen und hohl ist und eine erste Seite (50) hat; Bereitstellen eines zweiten schweißbaren Elements (18) mit einer zweiten Längsachse (151) und einem zweiten, zur zweiten Längsachse (151) querlaufenden Querschnitt, wobei der Querschnitt geschlossen und hohl ist und eine zweite Seite (52) hat; Bereitstellen einer Schweißvorrichtung (28) mit einem ersten Schweißteil (140) mit einer ersten Fläche (158) und einem zweiten Schweißteil (144) mit einer zweiten Fläche (168); Ineingriffbringen der ersten Fläche (158) der Schweißvorrichtung (28) mit der ersten Seite (50) des ersten schweißbaren Elements (22), so dass die erste Fläche (158) im Wesentlichen koextensiv bzw. deckungsgleich mit der ersten Seite (50) des ersten schweißbaren Elements (22) ist; Ineingriffbringen der zweiten Fläche (168) der Schweißvorrichtung (28) mit der zweiten Seite (52) des zweiten schweißbaren Elements (18), so dass die zweite Fläche (168) im Wesentlichen koextensiv bzw. deckungsgleich mit der zweiten Seite (52) des zweiten schweißbaren Elements (18) ist; und Leiten von Elektrizität durch die erste Fläche (158) der Schweißvorrichtung (28), die erste Seite (50) des ersten schweißbaren Elements (22), die zweite Seite (52) des zweiten schweißbaren Elements (18) und die zweite Fläche (168) der Schweißvorrichtung (28), gekennzeichnet durch Einführen eines Schweißmaterials (14) zwischen das erste und zweite schweißbare Element (22, 18); und Schmelzen des Schweißmaterials (14) durch den Elektrizitätsfluss durch das erste und das zweite schweißbare Element (22, 18) und Bilden einer Schweißstelle zwischen dem ersten und zweiten schweißbaren Element (22, 18) am Ort des Schweißmaterials durch die Verbindung des Schweißmaterials (14) sowohl mit dem ersten wie auch mit dem zweiten schweißbaren Element (22, 18) unter von der Schweißvorrichtung ausgeübtem Druck.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner umfasst: Bilden des ersten und zweiten schweißbaren Elements (22, 18) durch Hydroformen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Einführen eines Schweißmaterials (14) ein Einführen eines aus mehreren Klumpen gebildeten schweißbaren Materials zwischen das erste und zweite schweißbare Element (18, 22) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Bereitstellen eines zweiten schweißbaren Elements (18) ein Ausrichten des zweiten schweißbaren Elements (18) in ein angrenzendes Verhältnis zu dem ersten schweißbaren Element (22) umfasst, so dass die zweite Längsachse (151) des zweiten schweißbaren Elements (18) querlaufend und beabstandet von der ersten Längsachse (141) des ersten schweißbaren Elements (22) ist.
Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner umfasst: Bereitstellen einer Schweißvorrichtung (28) mit einem ersten Schweißteil (140) mit einer ersten Halterung (142) und einem ersten leitenden Ende (46), wobei das erste leitende Ende (46) einen mit der ersten Halterung (142) verbundenen ersten Bodenteil (150) und eine dem ersten Bodenteil (150) gegenüberliegende erste Fläche (158) aufweist; Leiten von Elektrizität durch das erste leitende Ende (46) der Schweißvorrichtung (28) und das erste schweißbare Element (22) durch das Leiten von Elektrizität durch die erste Fläche (158) der Schweißvorrichtung (28) und die erste Seite (50) des ersten schweißbaren Elements (22); Bereitstellen eines zweiten Schweißteils (144) an der Schweißvorrichtung (28), wobei das zweite Schweißteil (144) eine zweite Halterung (146) und ein zweites leitendes Ende (48) aufweist, wobei das zweite leitende Ende (48) ein mit der zweiten Halterung (146) verbundenes zweites Bodenteil (160) und eine dem zweiten Bodenteil (160) gegenüberliegende zweite Fläche (168) aufweist; Leiten der Elektrizität, die durch das erste schweißbare Element (22) geleitet ist, durch das zweite schweißbare Element (18) und durch das zweite leitende Ende (48) der Schweißvorrichtung (28), indem Elektrizität durch die erste Seite (50) des ersten schweißbaren Elements (22) und die zweite Fläche (168) der Schweißvorrichtung (28) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Einführen eines Schweißmaterials (14) ein Einführen eines aus mehreren Klumpen gebildeten schweißbaren Stoffs zwischen den ersten und zweiten schweißbaren Elementen (18, 22) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Bereitstellen eines zweiten schweißbaren Elements (18) ein Ausrichten des zweiten schweißbaren Elements (18) in ein angrenzendes Verhältnis zu dem ersten schweißbaren Element (22) umfasst, so dass die zweite Längsachse (151) des zweiten schweißbaren Elements (18) querlaufend und beabstandet von der ersten Längsachse (141) der ersten schweißbaren Element (22) ist.
Kombination einer Schweißvorrichtung (28), zweier schweißbarer Elemente (18, 22) und eines Schweißmaterials (14) mit: einem ersten schweißbaren Element (22) mit einer ersten Längsachse (141) und einem ersten, zur Längsachse (141) querlaufenden Querschnitt, wobei der Querschnitt geschlossen und hohl ist und eine erste Breite (W₁) hat, wobei die erste Breite (W₁) eine erste äußere Fläche (50) aufweist, die sich im Wesentlichen entlang der gesamten Breite (W₁) erstreckt; einem zweiten schweißbaren Element (18) mit einer zweiten Längsachse (151) und einem zweiten, zur Längsachse (151) querlaufenden Querschnitt, wobei der Querschnitt geschlossen und hohl ist, und eine zweite Breite (W₂) hat, wobei die zweite Breite (W₂) eine zweite äußere Fläche (52) aufweist, die sich im Wesentlichen entlang der gesamten Breite (W₂) erstreckt; einer Schweißvorrichtung (28) mit einem ersten Schweißteil (140) und einem mit dem ersten Schweißteil (140) verbundenen zweiten Schweißteil (144), wobei das erste Schweißteil (140) eine erste Halterung (142) und ein erstes leitendes Ende (46) aufweist, wobei das erste leitende Ende (46) einen mit der ersten Halterung (142) verbundenen ersten Bodenteil (150) und eine dem ersten Bodenteil (150) gegenüberliegende erste leitende Fläche (158) aufweist, wobei die erste leitende Fläche (158) mit der ersten äußeren Fläche (50) des ersten schweißbaren Elements (22) zusammengebracht ist, so dass die erste leitende Fläche (158) im Wesentlichen koextensiv mit der ersten äusseren Fläche (50) des ersten schweißbaren Elements (22) ist; wobei das zweite Schweißteil (144) eine zweite Halterung (146) und ein zweites leitendes Ende (48) aufweist, wobei das zweite leitende Ende (48) einen mit der zweiten Halterung (146) verbundenen zweiten Bodenteil (160) und eine dem zweiten Bodenteil (160) gegenüberliegende zweite leitende Fläche (168) aufweist, wobei die zweite leitende Fläche (168) mit der zweiten äußeren Fläche (52) des zweiten schweißbaren Elements (18) in Eingriff ist, so dass die zweite leitende Fläche (168) im Wesentlichen koextensiv mit der zweiten äusseren Fläche (52) des zweiten schweißbaren Elements (18) ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißmaterial (14) an einer Stelle zwischen dem ersten und zweiten schweißbaren Element (22, 18) positioniert ist, so dass eine Schweißstelle zwischen dem ersten und zweiten schweißbaren Element (22, 18) an der Stelle des Schweißmaterials (14) gebildet werden kann.
Kombination nach Anspruch 8, wobei das erste und zweite schweißbare Element (22, 18) hydrogeformt sind.
Kombination nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Schweißmaterial (14) ein aus mehreren Klumpen gebildetes Schweißmaterial ist.
Kombination nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das zweite schweißbare Element (18) an das erste schweißbare Element (22) grenzt, so dass die zweite Längsachse (151) des zweiten schweißbaren Elements (18) querlaufend zu und beabstandet von der ersten Längsachse (141) des ersten schweißbaren Elements (22) ist.
Kombination nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die erste leitende Fläche (158) des ersten Schweißteils (140) eine umrissene Fläche ist, die zum Verschachteln mit der ersten äußeren Fläche (50) des ersten schweißbaren Elements (22) geeignet ist, und wobei die zweite leitende Fläche (168) des zweiten Schweißteils (144) eine umrissene Fläche ist, die zum Verschachteln mit der zweiten äußeren Fläche (52) des zweiten schweißbaren Elements (18) geeignet ist.
Kombination nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das erste leitende Ende (46) des ersten Schweißteils (140) einen ersten umrissenen Bereich (152) aufweist, der sich von dem Bodenteil (150) aus erstreckt und eine erste konkave Vertiefung (154) zur Aufnehmung des ersten schweißbaren Elements (22) aufweist, und wobei das zweite leitende Ende (48) des zweiten Schweißteils (144) einen zweiten umrissenen Bereich (162) aufweist, der sich von dem Bodenteil (160) aus erstreckt und eine zweite konkave Vertiefung (164) zum Verschachteln mit dem zweiten schweißbaren Elements (18) aufweist.
Kombination nach Anspruch 13, wobei der erste umrissene Bereich (152) geflanschte Enden (153) aufweist, die auf den Enden des ersten schweißbaren Elements (22) liegen, um die Verschachtelungseigenschaft zu verbessern, und wobei der zweite umrissene Bereich (162) geflanschte Enden (163) aufweist, die auf den Enden des zweiten schweißbaren Elements (18) liegen.
Kombination nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die erste und zweite leitenden Fläche (158, 168) der ersten und zweiten leitenden Ende (46, 48) sich im Wesentlichen jeweils entlang der gesamten ersten und zweiten Breite (W₁, W₂) erstrecken und damit jeweils verschachtelt sind.