EP3694683A1 - Verfahren zur herstellung einer unlösbaren verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten werkstück, konstruktion und verwendung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer unlösbaren verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten werkstück, konstruktion und verwendung

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Publication number
EP3694683A1
EP3694683A1 EP17783474.4A EP17783474A EP3694683A1 EP 3694683 A1 EP3694683 A1 EP 3694683A1 EP 17783474 A EP17783474 A EP 17783474A EP 3694683 A1 EP3694683 A1 EP 3694683A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
metallic layer
thermal
joint connection
construction
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17783474.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erwin Blumensaat
Peter Klauke
Oliver Kleinschmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG, ThyssenKrupp AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Publication of EP3694683A1 publication Critical patent/EP3694683A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/242—Fillet welding, i.e. involving a weld of substantially triangular cross section joining two parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/324—Bonding taking account of the properties of the material involved involving non-metallic parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B3/00—Hulls characterised by their structure or component parts
    • B63B3/14—Hull parts
    • B63B3/26—Frames
    • B63B3/28—Frames of transverse type; Stringers
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
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    • B63B73/00—Building or assembling vessels or marine structures, e.g. hulls or offshore platforms
    • B63B73/40—Building or assembling vessels or marine structures, e.g. hulls or offshore platforms characterised by joining methods
    • B63B73/43—Welding, e.g. laser welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/10—Measures concerning design or construction of watercraft hulls

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a permanent connection between a first workpiece and at least one second workpiece. Furthermore, the invention relates to a construction comprising a first workpiece with at least one non-detachably connected second workpiece and a use of the construction.
  • Sandwich panels can also have damping properties, in particular noise-damping properties, compared to monolithic materials.
  • Such sandwich panels have been available and established on the market for decades.
  • the sandwich panels produced and sold, for example, by the applicant under the trade name "bondal®” are characterized in that they consist of two cover plates with an intermediate viscoelastic core layer Applicant also goes back to the patent DE 10 2014 007 066 B3, in which a fusion-welded or solderable sandwich sheet is disclosed.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method with which in particular existing, automated manufacturing processes can be maintained and with which a construction can be made with a resilient connection.
  • a method for producing a permanent connection between a first workpiece and at least one second workpiece wherein the first workpiece is a sandwich material comprising a first and at least one second metallic layer having at least one damping layer disposed between the first and second metallic layers the method comprising the following steps:
  • first and the second metallic layer of the first workpiece at least partially in an area adjacent to the contact region by means of thermal joining be connected together to produce a thermal joint connection.
  • the inventors have found that a particularly stable, permanent connection between a first workpiece consisting of a sandwich material and a second workpiece can be produced in such a way if, prior to the joining of the two workpieces, the first and the second metallic layer of the sandwich material or of the first workpiece at least in sections in a region adjacent to the contact region by means of thermal joining to produce a thermal joint connection are interconnected.
  • thermo joining connection between the two metallic layers Due to the thermal joining connection between the two metallic layers, a state and in particular properties on the sandwich material or on the first workpiece can be set at least in sections, which is comparable to a monolithic material having a thickness corresponding to the sum of the individual thicknesses of the metallic layers for the same material /are. It is advantageous to provide the thermal joining connection in a region which lies adjacent to the contact region between the first and second workpiece, so that a particularly stable connection between the two workpieces can be ensured at least in regions along the contact region when the joining connection is produced.
  • the region in which the thermal joining connection between the metallic layers of the first workpiece is converted has a longitudinal and transverse extent, which defines a plane which extends substantially parallel to the surface of the first workpiece.
  • the contact region can be understood more as a contact surface which extends substantially parallel to the surface of the first workpiece and parallel to the plane of the region with a longitudinal and transverse extension.
  • the area can essentially be congruent to the contact area between the first and the second workpiece, but also smaller and / or larger in its dimensioning to the longitudinal and / or transverse extent of the contact area.
  • the thermal joining connection between the first and the second metallic layer of the first workpiece can be implemented, for example, at the manufacturer of the sandwich material, so that the processor of the sandwich material does not need to change its production process and, as usual, can assemble the corresponding workpieces.
  • the processor can have an individual, prefabricated, adapted to his needs tes first workpiece with a predefined thermal joint connection between its metallic layers are provided.
  • thermal joint connection is not limited to a joint connection, but under thermal joint connection can also be understood several joints.
  • the thermal joining connection between the first and the second metallic layer is carried out as a thermal joining connection which does not completely penetrate the first workpiece in its thickness.
  • the damping layer can be removed in the region or in the regions in which or in which the thermal joining connection between the metallic layers is to be produced. As an alternative to removal, the damping layer can also not be selectively applied in the one or more areas.
  • a laser is used to produce the thermal joint connection and / or the joint connection.
  • the laser is advantageous because higher welding speeds compared to other joining methods are possible and that the penetration depth and thus the welding depth can be adjusted in a targeted manner, so that in particular a thermal joining connection that does not fully penetrate the first workpiece can be produced.
  • relatively narrow (thermal) joints can be produced (seams) and the set welding depth, the path energy and thus especially the thermal distortion can be kept as low as possible.
  • the cross section of the thermal joint or joint can be customized to the requirements of the construction.
  • the invention relates to a construction comprising a first workpiece having at least one non-detachably connected second workpiece, the first workpiece being a sandwich material having a first and at least one second metallic layer with at least one damping layer disposed between the first and second metallic layers comprising, at least in sections, a joining connection along its contact region, wherein the first and the second metallic layer are connected to one another at least in a region adjacent to the contact region by means of thermal joining connection.
  • a particularly stable connection between the two workpieces can be ensured.
  • the thermal joining connection between the first and the second metallic layer is designed as a thermal joining connection which does not completely penetrate the first workpiece in its thickness.
  • the thermal joining connection may in particular be formed at least punctiform, meandering, as a stitching and / or continuous seam, in particular along the longitudinal extension of the area, depending on the requirement for the connection or to corresponding operational strength specifications.
  • the area preferably has a plurality of stitched seams and / or a plurality of continuous seams, which in particular run at a defined distance from one another.
  • the first and the second metallic layer of the first workpiece consist of a steel material.
  • a steel material Especially in shipbuilding steel is the most commonly used material, so that similar steel materials used as metallic layers and thereby, without having to operate a large effort, can be joined together conventionally.
  • Other metallic layers for example made of aluminum material or stainless steel are also usable.
  • the thickness of the respective layers, in particular of steel material can be between 0.5 and 10 mm, in particular between 1.0 and 8.0, preferably between 2.0 and 5.0 mm.
  • the metallic layers may each be the same thickness (symmetrical) or different you (asymmetric) as needed.
  • the second workpiece consists of a monolithic, metallic material, preferably steel material or aluminum material or stainless steel.
  • the second workpiece may be a stiffener for stiffening the first workpiece, passing over its face in T-joint on the surface of the first workpiece positioned and formed by the contact a contact area to the first workpiece.
  • the two workpieces are then connected to each other at least in sections undetachably along the contact area.
  • the contact area is many times smaller than the surface or the longitudinal and transverse extent of the first workpiece.
  • a plurality of contact areas are provided, so that according to a further embodiment of the construction a plurality of second workpieces are connected to the first workpiece, which in particular may extend with a defined distance from each other.
  • the damping layer of the first workpiece consists of a polymer material, preferably of a viscoelastic polymer material.
  • the thickness of the damping layer between the metallic layers is at least 0.005 mm, in particular at least 0.01 mm, preferably at least 0.02 mm.
  • the thickness is limited to a maximum of 0, 1 mm, in particular a maximum of 0.075 mm, in particular a maximum of 0.05 mm, as there are no (further) positive effects with increasing thickness and the corresponding thickness in particular not negative on the generation of the thermal joint between affects the two metallic layer.
  • the area or areas in which or in which the thermal joint connection between the metallic layers is to be generated be free, ie the areas have no damping position.
  • the invention relates to a use of the construction according to one of the aforementioned embodiments in shipbuilding.
  • the construction is used as a panel for the manufacture of a ship section.
  • Fig. 2 shows an embodiment of a first workpiece in a schematic plan view
  • Fig. 3 is a schematic sectional view of an embodiment of the construction according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic process sequence according to an exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • the exemplary embodiment shows a sequence for producing a permanent connection between a first workpiece 1 and at least one second workpiece 2.
  • steps I and II the first workpiece 1 and the second workpiece 2 are provided.
  • the workpieces 1, 2 are brought into contact in step III to form a contact region 6.
  • step IV the first workpiece 1 is connected to the second workpiece 2 by joining to produce a joint connection 5 at least partially along the contact region 6.
  • the first workpiece 1 is a sandwich material which comprises a first metallic layer 1.1 and at least one second metallic layer 1.2 with at least one damping layer 1.3 arranged between the first and second metallic layer 1.1, 1.2.
  • the first metallic layer 1.1 and the second metallic layer 1.2 consist of a steel material or aluminum material.
  • the thickness of the respective layers 1.1, 1.2 may be between 0.5 and 10 mm, in particular between 1.0 and 8.0, preferably between 2.0 and 5.0 mm.
  • the damping layer 1.3 consists of a polymer material, preferably of a viscoelastic polymer material.
  • the thickness of the damping layer 1.3 between the metallic layers 1.1, 1.2 is between 0.005 and 0.1 mm, in particular between 0.01 and 0.075 mm, preferably between 0.02 and 0.05 mm.
  • the first metallic layer 1.1 and the second metallic layer 1.2 of the first workpiece 1 at least in sections in a region 4 adjacent to the contact region 6 by means of thermal joining to produce a thermal joint 3 with each other connected.
  • no damping layer 1.3 is provided in the region 4.
  • a first workpiece is shown in a schematic plan view.
  • the dashed sections on the side / surface of the first metallic layer 1.1 of the first workpiece 1 reflect the regions 4 or the contact regions 6 lying on the side of the second metallic layer 1.2 facing away from the representation, which connect to the workpiece 1, for example, a plurality of second workpieces 2 to get prepared.
  • a thermal joining connection between the first metallic layer 1.1 and the second metallic layer 1.2 of the workpiece 1 in the region adjacent to the contact region 6 can be generated by thermal joining, preferably by laser welding, wherein the thermal joint 3 meandering, as a stitching, as a continuous seam or at least selectively, in particular along the longitudinal extent of the area 4 one or more rows (enlarged view in Fig. 2 from left to right).
  • the region 4 has a plurality of stitched seams or a plurality of continuous seams (multi-row), which in particular run at a defined distance from each other, wherein the seam width is, for example, 1 mm with a maximum spacing of 0.5 mm from each other. The distance between the seams may also be greater or zero.
  • the contact region or the contact regions 6 is / are smaller by a multiple than the surface or the longitudinal and transverse extent of the first workpiece 1. A correspondingly prefabricated first workpiece 1 is provided for further processing.
  • Fig. 3 is an embodiment of a construction 10 according to the invention is shown in a schematic sectional view.
  • the structure 10 may be embodied as a panel for making a ship section.
  • a plurality of second workpieces 2 running at defined distances from each other, for example as stiffeners and / or bulkheads, are connected in a particularly stable manner to the workpiece 1 at least in sections along the contact regions 6 via joint connections 5.
  • the workpiece 1 is formed, for example, as a belt and the or the workpieces 2 connected in the T-joint webs of a panel.
  • the invention is not limited to the embodiments shown, but the individual features can be combined with each other.
  • the construction is not limited to use in shipbuilding. Rather, other uses are conceivable in which particularly stable compounds, especially when using sandwich materials are required, for example in vehicle for the production of land or rail vehicles or aerospace. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer unlösbaren Verbindung zwischen einem ersten Werkstück und mindestens eine zweiten Werkstück. Ferner betrifft die Erfindung eine Konstruktion aufweisend ein erstes Werkstück mit mindestens einem unlösbar verbundenen zweiten Werkstück sowie eine Verwendung der Konstruktion.

Description

Verfahren zur Herstellung einer unlösbaren Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Werkstück, Konstruktion und Verwendung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer unlösbaren Verbindung zwischen einem ersten Werkstück und mindestens einem zweiten Werkstück. Ferner betrifft die Erfindung eine Konstruktion aufweisend ein erstes Werkstück mit mindestens einem unlösbar verbundenen zweiten Werkstück sowie eine Verwendung der Konstruktion.
Technischer Hintergrund
Werkstoffverbunde aus unterschiedlichen Werkstoffen vereinen in der Regel gegensätzliche Eigenschaften. Sandwichbleche können auch im Vergleich zu monolithischen Werkstoffen dämpfende Eigenschaften, insbesondere Geräusch dämpfende Eigenschaften aufweisen. Derartige Sandwichbleche sind bereits seit Jahrzehnten auf dem Markt erhältlich und etabliert. Die beispielsweise von der Anmelderin unter dem Markennamen„bondal®" hergestellten und vertriebenen Sandwichbleche zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus zwei Deckblechen mit einer dazwischenliegenden viskoelastischen Kernschicht bestehen. Derartige Sandwichbleche werden verstärkt im Automobilbereich eingesetzt und mittels Widerstandschweißen mit anderen Bauteilen verbunden. Auf die Anmelderin geht auch die Patentschrift DE 10 2014 007 066 B3 zurück, in welcher ein schmelzschweiß- bzw. lötgeeignetes Sandwichblech offenbart ist.
Insbesondere um die sich ständig erhöhenden Anforderungen an die Akustik im Schiffsbau in technisch zuverlässiger Form, ökonomisch und ökologisch optimiert, zu erfüllen, können zukünftig gattungsgemäße Sandwichbleche beispielsweise für die Herstellung von Schiffsdecks eingesetzt werden. Um die derzeit konventionell eingesetzten monolithischen Bleche zu Schiffspaneelen verarbeiten zu können, müssen die Bleche mit sogenannten Steifen (auch HP- oder Holland- Profile genannt) verstärkt werden. Die Schiffspaneele werden insbesondere auf großen Werften mittels Lasertechnik in automatisierten Fertigungsabläufen erzeugt. Bei der anschließenden Weiterverarbeitung zu sogenannten Schiffssektionen werden Schottwände auf die Schiffspaneele geschweißt. Die Schiffsklassifikationsgesellschaften verlangen, das bei der Ausführung der Verbindungen stets sichergestellt ist, dass durch die Schweißungen die Steifen bzw. Schotten belastbar verbunden werden/sind. Dies wäre beim Einsatz von Sandwichblechen nicht sichergestellt, da im Belastungsfall nur einseitig auf das Blech eingewirkt wird und dadurch nur eine Verbindung zwischen Steife bzw. Schotte mit dem in Kontakt stehenden Deckblech die auftretenden Kräfte überträgt. Eine Verbindung der Schotte bzw. Steife mit beiden Deckblechen würde mit einem zusätzlichen apparativen Aufwand bzw. mit weiteren Schritten in den Fertigungsabläufen einhergehen.
In der US-amerikanischen Offenlegungsschrift US 2010/0147818 AI sind beispielhaft ein gattungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer unlösbaren Verbindung zwischen Sandwichblech und einem monolithischen Blech sowie eine durch das Verfahren hergestellte Konstruktion offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem insbesondere bestehende, automatisierte Fertigungsabläufe beibehalten werden können und mit welcher eine Konstruktion mit einer belastbaren Verbindung hergestellt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs l.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer unlösbaren Verbindung zwischen einem ersten Werkstück und mindestens einem zweiten Werkstück bereitgestellt, wobei das erste Werkstück ein Sandwichmaterial ist, welches eine erste und mindestens eine zweite metallische Lage mit mindestens einer zwischen der ersten und zweiten metallischen Lage angeordneten Dämpfungslage umfasst, das Verfahren umfassend folgende Schritte:
Bereitstellen des ersten und des zweiten Werkstücks,
In Kontaktbringen der Werkstücke unter Ausbildung eines Kontaktbereichs,
Verbinden des ersten Werkstücks mit dem zweiten Werkstück mittels Fügens zur Erzeugung einer Fügeverbindung zumindest bereichsweise entlang des Kontaktbereichs, wobei vor dem Bereitstellen des ersten Werkstücks, die erste und die zweite metallische Lage des ersten Werkstücks zumindest abschnittsweise in einem an den Kontaktbereich angrenzenden Bereich mittels thermischen Fügens zur Erzeugung einer thermischen Fügeverbindung miteinander verbunden werden. Die Erfinder haben festgestellt, dass ein besonders stabile, unlösbare Verbindung zwischen einem aus einem Sandwichmaterial bestehenden ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück derart hergestellt werden kann, wenn vor dem Verbinden der beiden Werkstücke die erste und die zweite metallische Lage des Sandwichmaterials respektive des ersten Werkstücks zumindest abschnittsweise in einem Bereich angrenzend an den Kontaktbereich mittels thermischen Fügens zur Erzeugung einer thermischen Fügeverbindung miteinander verbunden werden.
Durch die thermische Fügeverbindung zwischen den beiden metallischen Lagen kann zumindest abschnittsweise ein Zustand und insbesondere Eigenschaften am Sandwichmaterial respektive am ersten Werkstück eingestellt werden, der/die mit einem monolithischen Material mit einer Dicke entsprechend der Summe der einzelnen Dicken der metallischen Lagen bei gleichem Material vergleichbar ist/sind. Von Vorteil ist es, die thermische Fügeverbindung in einem Bereich vorzusehen, welcher angrenzend an den Kontaktbereich zwischen dem ersten und zweiten Werkstück liegt, so dass bei Erzeugung der Fügeverbindung zumindest bereichsweise entlang des Kontaktbereichs eine besonders stabile Verbindung zwischen den beiden Werkstücken sichergestellt werden kann.
Der Bereich, in welchem die thermische Fügeverbindung zwischen den metallischen Lagen des ersten Werkstücks umgesetzt wird, weist eine Längs- und Quererstreckung auf, welche eine Ebene definiert, welche sich im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten Werkstücks erstreckt. Der Kontaktbereich kann mehr als Kontaktfläche verstanden werden, welche sich im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des ersten Werkstücks und parallel zur Ebene des Bereichs mit einer Längs- und Quererstreckung erstreckt. Der Bereich kann im Wesentlichen deckungsgleich zu dem Kontaktbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück, aber in seiner Dimensionierung auch kleiner und/oder größer zur Längs- und/oder Quererstreckung des Kontaktbereichs ausgeführt sein. Mit anderen Worten, es erfolgt eine thermische Fügeverbindung zwischen den metallischen Lagen des ersten Werkstücks in dem Bereich, welcher sich angrenzend zum Kontaktbereich bzw. unterhalb des Kontaktbereichs befindet.
Die thermische Fügeverbindung zwischen der ersten und der zweiten metallischen Lage des ersten Werkstücks kann beispielsweise beim Hersteller des Sandwichmaterials umgesetzt werden, so dass der Weiterverarbeiter des Sandwichmaterials seinen Fertigungsablauf nicht umzustellen braucht und weiter, wie gewohnt, die entsprechenden Werkstücke zusammenbauen kann. So kann dem Weiterverarbeiter ein individuell, vorkonfektioniertes, an seine Bedürfnisse angepass- tes erstes Werkstück mit vordefinierter thermischer Fügeverbindung zwischen seinen metallischen Lagen bereitgestellt werden.
Die thermische Fügeverbindung ist nicht auf eine Fügeverbindung beschränkt, sondern unter thermischer Fügeverbindung können auch mehrere Fügeverbindungen verstanden werden.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens wird die thermische Fügeverbindung zwischen der ersten und der zweiten metallischen Lage als eine nicht das erste Werkstück in seiner Dicke vollständig durchdringende thermische Fügeverbindung ausgeführt. Dies hat den Vorteil, insbesondere wenn das thermische Fügen auf der den Kontaktbereich aufweisenden, abgewandten Seite durchgeführt wird, dass der Kontaktbereich und somit die zu verbindenden Werkstücke zumindest abschnittsweise entlang des Kontaktbereichs im Wesentlichen nicht negativ durch den thermischen Einfluss zur Erzeugung der thermischen Fügeverbindung beeinflusst werden. Dadurch verbleibt im Kontaktbereich des ersten Werkstücks auch eine gewisse Ebenheit bestehen bzw. die Oberfläche unangetastet und die sich infolge des thermischen Fügens bildenden Überstände können sich nicht störend auf den Kontaktbereich und die Fügeverbindung zwischen dem ersten und zweiten Werkstück auswirken.
Um Spritzer und Porenbildung bei der Erzeugung der thermischen Fügeverbindung weitestgehend vermeiden zu können, kann die Dämpfungslage in dem Bereich bzw. in den Bereichen, in welchem bzw. in welchen die thermische Fügeverbindung zwischen den metallischen Lagen erzeugt werden soll, entfernt werden. Alternativ zur Entfernung kann die Dämpfungslage auch gezielt in dem oder den Bereichen nicht appliziert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Laser zur Erzeugung der thermischen Fügeverbindung und/oder der Fügeverbindung verwendet. Der Laser ist von Vorteil, da höhere Schweißgeschwindigkeiten gegenüber anderen Fügeverfahren möglich sind und dass gezielt die Eindringtiefe und somit die Schweißtiefe eingestellt werden kann, so dass insbesondere eine nicht das erste Werkstück in seiner Dicke vollständig durchdringende thermische Fügeverbindung erzeugt werden kann. Mit dem Laser können relativ schmale (thermische) Fügeverbindungen erzeugt werden (Nähte) und durch die eingestellte Einschweißtiefe kann die Streckenenergie und damit vor allem der thermische Verzug möglichst gering gehalten werden. Der Querschnitt der thermischen Fügeverbindung bzw. Fügeverbindung kann an die Erfordernisse der Konstruktion individuell angepasst werden. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Konstruktion aufweisend ein erstes Werkstück mit mindestens einem unlösbar verbundenen zweiten Werkstück, wobei das erste Werkstück ein Sandwichmaterial ist, welches eine erste und mindestens eine zweite metallische Lage mit mindestens einer zwischen der ersten und zweiten metallischen Lage angeordneten Dämpfungslage umfasst, aufweisend eine Fügeverbindung zumindest abschnittsweise entlang ihres Kontaktbereichs, wobei die erste und die zweite metallische Lage zumindest in einem Bereich angrenzend an den Kontaktbereich mittels thermischer Fügeverbindung miteinander verbunden sind. Dadurch kann eine besonders stabile Verbindung zwischen den beiden Werkstücken sichergestellt werden. Die zu dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile gelten auch für die erfindungsgemäße Konstruktion, auf die Bezug genommen wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Konstruktion ist die thermische Fügeverbindung zwischen der ersten und der zweiten metallischen Lage als eine nicht das erste Werkstück in seiner Dicke vollständig durchdringende thermische Fügeverbindung ausgeführt. Dadurch wird die Oberfläche insbesondere im Kontaktbereich nicht negativ beeinflusst. Die thermische Fügeverbindung kann insbesondere mindestens punktuell, mäanderförmig, als Steppnaht und/oder durchgehende Naht insbesondere entlang der Längserstreckung des Bereichs ausgebildet sein, abhängig von der Anforderung an die Verbindung bzw. an entsprechende Betriebsfestigkeitsvorgaben. Vorzugsweise weist der Bereich mehrere Steppnähte und/oder mehrere durchgehende Nähte auf, welche insbesondere mit einem definierten Abstand zueinander verlaufen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Konstruktion bestehen die erste und die zweite metallische Lage des ersten Werkstücks aus einem Stahlwerkstoff. Insbesondere im Schiffsbau ist Stahl der meist eingesetzte Werkstoff, so dass artgleiche Stahlwerkstoffe als metallische Lagen verwendet und dadurch, ohne großen Aufwand betreiben zu müssen, miteinander konventionell gefügt werden können. Andere metallischen Lagen beispielsweise aus Aluminiumwerkstoff oder Edelstahl sind ebenfalls verwendbar. Die Dicke der jeweiligen Lagen, insbesondere aus Stahlwerkstoff kann zwischen 0,5 und 10 mm, insbesondere zwischen 1,0 und 8,0, vorzugsweise zwischen 2,0 und 5,0 mm betragen. Die metallischen Lagen können jeweils gleich dick (symmetrisch) oder unterschiedlich dich (asymmetrisch) je nach Bedarf ausgeführt sein.
Gemäß einer Ausgestaltung der Konstruktion besteht das zweite Werkstück aus einem monolithischen, metallischen Werkstoff, vorzugsweise Stahlwerkstoff oder Aluminiumwerkstoff oder Edelstahl. Das zweite Werkstück kann beispielsweise eine Steife zur Versteifung des ersten Werkstücks sein, wobei es über seine Stirnseite im T-Stoß auf der Oberfläche des ersten Werkstücks positioniert und durch die Kontaktierung einen Kontaktbereich zum ersten Werkstück ausbildet. Die beiden Werkstücke werden anschließend zumindest abschnittsweise entlang des Kontaktbereichs miteinander unlösbar verbunden. Der Kontaktbereich ist um ein Vielfaches kleiner als die Oberfläche respektive die Längs- und Quererstreckung des ersten Werkstücks.
Vorzugsweise sind mehrere Kontaktbereiche vorgesehen, so dass gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Konstruktion mehrere zweite Werkstücke mit dem ersten Werkstück verbunden sind, welche insbesondere mit einem definierten Abstand zueinander verlaufen können.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Konstruktion besteht die Dämpfungslage des ersten Werkstücks aus einem Polymerwerkstoff, vorzugsweise aus einem viskoelastischen Polymerwerkstoff. Um einen Geräusch dämpfenden Effekt gewährleisten zu können, beträgt die Dicke der Dämpfungslage zwischen den metallischen Lagen mindestens 0,005 mm, insbesondere mindestens 0,01 mm, vorzugsweise mindestens 0,02 mm. Die Dicke ist auf maximal 0, 1 mm, insbesondere maximal 0,075 mm, insbesondere maximal 0,05 mm beschränkt, da sich mit zunehmender Dicke keine (weiteren) positiven Effekte ergeben und die entsprechende Dicke sich insbesondere nicht negativ auf die Erzeugung der thermischen Fügeverbindung zwischen dem beiden metallischen Lage auswirkt. Beispielsweise können der Bereich bzw. die Bereiche, in welchem bzw. in welchen die thermische Fügeverbindung zwischen den metallischen Lagen erzeugt werden soll, frei sein, sprich die Bereiche weisen keine Dämpfungslage auf.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung der Konstruktion nach einer der vorgenannten Ausführung im Schiffsbau. Vorzugsweise findet die Konstruktion als Paneel zur Herstellung einer Schiffssektion Verwendung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Prozessabfolge gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines ersten Werkstücks in schematischer Draufsicht und Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Konstruktion.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In Fig. 1 ist eine schematische Prozessabfolge gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Abfolge zur Herstellung einer unlösbaren Verbindung zwischen einem ersten Werkstück 1 und mindestens einem zweiten Werkstück 2. In den Schritten I und II werden das erste Werkstück 1 und das zweite Werkstück 2 bereitgestellt. Die Werkstücke 1, 2 werden in Schritt III unter Ausbildung eines Kontaktbereichs 6 in Kontakt gebracht. In Schritt IV wird das erste Werkstück 1 mit dem zweiten Werkstück 2 mittels Fügens zur Erzeugung einer Fügeverbindung 5 zumindest bereichsweise entlang des Kontaktbereichs 6 verbunden.
Das erste Werkstück 1 ist ein Sandwichmaterial, welches eine erste metallische Lage 1.1 und mindestens eine zweite metallische Lage 1.2 mit mindestens einer zwischen der ersten und zweiten metallischen Lage 1.1, 1.2 angeordneten Dämpfungslage 1.3 umfasst. Die erste metallische Lage 1.1 und die zweite metallische Lage 1.2 bestehen aus einem Stahlwerkstoff oder Aluminiumwerkstoff. Die Dicke der jeweiligen Lagen 1.1, 1.2 kann zwischen 0,5 und 10 mm, insbesondere zwischen 1,0 und 8,0, vorzugsweise zwischen 2,0 und 5,0 mm betragen. Die Dämpfungslage 1.3 besteht aus einem Polymerwerkstoff, vorzugsweise aus einem viskoelastischen Polymerwerkstoff. Die Dicke der Dämpfungslage 1.3 zwischen den metallischen Lagen 1.1, 1.2 beträgt zwischen 0,005 und 0, 1 mm, insbesondere zwischen 0,01 und 0,075 mm, vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,05 mm.
Erfindungsgemäß werden vor dem Bereitstellen (Schritt I) des ersten Werkstücks 1, die erste metallische Lage 1.1 und die zweite metallische Lage 1.2 des ersten Werkstücks 1 zumindest abschnittsweise in einem an den Kontaktbereich 6 angrenzenden Bereich 4 mittels thermischen Fügens zur Erzeugung einer thermischen Fügeverbindung 3 miteinander verbunden. Vorzugsweise ist in dem Bereich 4 keine Dämpfungslage 1.3 vorgesehen. In Fig. 2 ist ein erstes Werkstück in schematischer Draufsicht dargestellt. Die strichlinierten Abschnitte auf der Seite/Oberfläche der ersten metallischen Lage 1.1 des ersten Werkstücks 1 spiegeln die Bereiche 4 respektive die auf der der Darstellung abgewandten Seite der zweiten metallischen Lage 1.2 liegenden Kontaktbereiche 6, die zur Verbindung beispielsweise mehrerer zweiter Werkstücke 2 mit Werkstück 1 vorbereitet werden. Je nach Anforderung an die Verbindung respektive an entsprechende Betriebsfestigkeitsvorgaben können mittels thermischen Fügens, vorzugsweise mittels Laserschweißen, eine thermische Fügeverbindung zwischen der ersten metallischen Lage 1.1 und der zweiten metallischen Lage 1.2 des Werkstücks 1 im an den Kontaktbereich 6 angrenzenden Bereich 4 erzeugt werden, wobei die thermische Fügeverbindung 3 mäanderförmig, als Steppnaht, als durchgehende Naht oder mindestens punktuell insbesondere entlang der Längserstreckung des Bereichs 4 ein oder mehrreihig (vergrößerte Darstellung in Fig. 2 von links nach rechts). Vorzugsweise weist der Bereich 4 mehrere Steppnähte oder mehrere durchgehende Nähte (mehrreihig) auf, welche insbesondere mit einem definierten Abstand zueinander verlaufen, wobei die Nahtbreite beispielsweise 1 mm beträgt mit einem Abstand von maximal 0,5 mm zueinander. Der Abstand zwischen den Nähten kann auch größer sein oder aber auch null betragen. Der Kontaktbereich bzw. die Kontaktbereiche 6 ist/sind um ein Vielfaches kleiner als die Oberfläche respektive die Längs- und Quererstreckung des ersten Werkstücks l. Es wird ein entsprechend vorkonfektioniertes erstes Werkstück 1 zur Weiterverarbeitung bereitgestellt.
In Fig. 3 ist in einer schematischen Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konstruktion 10 dargestellt. Die Konstruktion 10 kann als ein Paneel zur Herstellung einer Schiffssektion ausgeführt sein. Insbesondere sind mehrere in definierten Abständen zueinander verlaufende zweite Werkstücke 2 beispielsweise als Steifen und/oder Schotte mit dem Werkstück 1 zumindest abschnittsweise entlang der Kontaktbereiche 6 über Fügeverbindungen 5 besonders stabil verbunden. Das Werkstück 1 ist beispielsweise als Gurt und das oder die Werkstücke 2 im T-Stoß verbundene Stege eines Paneels ausgebildet.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungen beschränkt, sondern die einzelnen Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar. Die Konstruktion ist jedoch nicht eingeschränkt auf die Verwendung im Schiffsbau. Vielmehr sind auch andere Verwendungen denkbar, bei welchen besonders stabile Verbindungen, insbesondere beim Einsatz von Sandwichmaterialien erforderlich sind, beispielsweise im Fahrzeugbau zur Herstellung von land- oder schienengebundenen Fahrzeugen bzw. Luft- und Raumfahrt. Bezugszeichenliste
1 erstes Werkstück
1.1 erste metallische Lage, Decklage
1.2 zweite metallische Lage, Decklage
1.3 Dämpfungslage, Kernlage
2 zweites Werkstück
3 thermische Fügeverbindung
4 Bereich
5 Fügeverbindung
6 Kontaktbereich
10 Konstruktion

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer unlösbaren Verbindung zwischen einem ersten Werkstück (1) und mindestens einem zweiten Werkstück (2), wobei das erste Werkstück (1) ein Sandwichmaterial ist, welches eine erste und mindestens eine zweite metallische Lage (1.1, 1.2) mit mindestens einer zwischen der ersten und zweiten metallischen Lage (1.1, 1.2) angeordneten Dämpfungslage (1.3) umfasst, das Verfahren umfassend folgende Schritte:
- Bereitstellen des ersten und des zweiten Werkstücks (1, 2),
- In Kontaktbringen der Werkstücke (1, 2) unter Ausbildung eines Kontaktbereichs (6),
- Verbinden des ersten Werkstücks (1) mit dem zweiten Werkstück (2) mittels Fügens zur Erzeugung einer Fügeverbindung (5) zumindest bereichsweise entlang des Kontaktbereichs (6),
dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Bereitstellen des ersten Werkstücks (1), die erste und die zweite metallische Lage (1.1, 1.2) zumindest abschnittsweise in einem an den Kontaktbereich (6) angrenzenden Bereich (4) mittels thermischen Fügens zur Erzeugung einer thermischen Fügeverbindung (3) miteinander verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Fügeverbindung (3) zwischen der ersten und der zweiten metallischen Lage (1.1, 1.2) als eine nicht das erste Werkstück (1) in seiner Dicke vollständig durchdringende thermische Fügeverbindung (3) ausgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Fügen auf der den Kontaktbereich (6) aufweisenden, abgewandten Seite durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der thermischen Fügeverbindung (3) und/oder der Fügeverbindung (5) ein Laser verwendet wird.
5. Konstruktion (10) aufweisend ein erstes Werkstück (1) mit mindestens einem unlösbar verbundenen zweiten Werkstück (2), wobei das erste Werkstück (1) ein Sandwichmaterial ist, welches eine erste und mindestens eine zweite metallische Lage (1.1, 1.2) mit mindestens einer zwischen der ersten und zweiten metallischen Lage (1.1, 1.2) angeordneten Dämpfungslage umfasst (1.3), aufweisend eine Fügeverbindung (5) zumindest bereichsweise entlang ihres Kontaktbereichs (6), insbesondere hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und die zweite metallische Lage (1.1, 1.2) zumindest in einem Bereich (4) angrenzend an den Kontaktbereich (6) mittels thermischer Fügeverbindung (3) miteinander verbunden sind.
6. Konstruktion nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Fügeverbindung (3) zwischen der ersten und der zweiten metallischen Lage (1.1, 1.2) als eine nicht das erste Werkstück (1) in seiner Dicke vollständig durchdringende thermische Fügeverbindung (3) ausgeführt und insbesondere mindestens punktuell, mäanderförmig, als Steppnaht und/oder durchgehende Naht entlang der Längserstreckung des Bereichs (4) ausgebildet ist.
7. Konstruktion nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (4) mehrere Steppnähte und/oder mehrere durchgehende Nähte aufweist, insbesondere mit einem definierten Abstand zueinander.
8. Konstruktion nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zweite Werkstücke (2) mit dem ersten Werkstück (1) verbunden sind, insbesondere mit einem definierten Abstand zueinander.
9. Konstruktion nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite metallische Lage (1.1, 1.2) des ersten Werkstücks (1) aus einem Stahlwerkstoff oder Aluminiumwerkstoff bestehen.
10. Konstruktion nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkstück (2) aus einem monolithischen, metallischen Werkstoff besteht, vorzugsweise Stahlwerkstoff oder Aluminiumwerkstoff.
11. Konstruktion nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungslage (1.3) des ersten Werkstücks (1) aus einem Polymerwerkstoff besteht, vorzugsweise viskoelastischer Polymerwerkstoff.
12. Verwendung der Konstruktion (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 11 im Schiffsbau.
13. Verwendung nach Anspruch 12 als Paneel zur Herstellung von Schiffssektionen.
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