WO2016169668A1

WO2016169668A1 - Fügeeinrichtung

Info

Publication number: WO2016169668A1
Application number: PCT/EP2016/053324
Authority: WO
Inventors: Lars WIESE; Jan Kretschmer; Christoffer Meyer; Manfred Reinholtz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2016-10-27
Anticipated expiration: 2017-10-23
Also published as: DE102015207518A1

Abstract

Fügeeinrichtung zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile, mit einem Fügestempel und einem Gegenhalter, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, um die Bauteile zwischen einander aufzunehmen, und einer Zuführvorrichtung (30). Der Fügestempel ist entlang seiner Mittellängsachse verfahrbar, um ein Arbeitslängsende dessen mit einer Zustellbewegung auf den Gegenhalter zu und mit einer Wegstellbewegung davon weg zu bewegen. Die Zuführvorrichtung hat einen Führungskanal (34), der sich längs senkrecht zur Mittellängsachse des Fügestempels erstreckt, so dass ein Fügeelement entlang des Führungskanals in einer Zuführrichtung (R2) an das Arbeitslängsende auf eine Bereitstellungsposition zuführbar ist, in der eine Endfläche eines Kopfabschnitts des Fügeelements dem Arbeitslängsende zugewandt ist und eine Mittellängsachse des Fügeelements koaxial zur Mittellängsachse des Fügestempels ausgerichtet ist. Die Zuführvorrichtung ist eingerichtet, das zugeführte Fügeelement bei einer Zustellbewegung des Fügestempels gegen in der Mittellängsachse Verkippen zu sichern. Der Fügestempel und der Gegenhalter fungieren als elektrische Elektroden, und es sind Stromsteuermittel vorgesehen, die eingerichtet sind, den Fügestempel und den Gegenhalter gesteuert mit elektrischem Strom zu beaufschlagen, um zum Durchführen eines Widerstandsschweißens elektrischen Stromfluss über das Fügeelement zu realisieren.

Description

Beschreibung

Fügeeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine wie im Oberbegriff des Anspruch 1 definierte Fügeeinrichtung zum Zusammenfügen mindestens zweier insbesondere plattenförmiger Bauteile.

Eine Fügeeinrichtung der eingangsgenannten Art ist beispielsweise aus DE 195 12 198 A1 bekannt. Diese Fügeeinrichtung ist als Stanznieteinrichtung ausgebildet und nutzt Stanznieten als Fügeelemente.

Zur Senkung kraftstoffverbrauchsrelevanter Fahrzeuggewichte geht insbesondere im Fahrzeugbau derzeit die Entwicklung dahin, Karosseriestrukturen im Mischbau aus unterschiedlichen Werkstoffen wie konventionellem Karosseriestahl, hochfestem FeMn-Stahl und Leitmetallen wie Aluminium und Magnesium zu fertigen.

Allerdings können beim wie in DE 195 12 198 A1 beschriebenen Stanznieten, wenn dieses zum Fügen mindestens zweier Bauteile im Mischbau eingesetzt wird, durch z.B. das hochfeste Material eines der Fügepartner hohe Prozesskräfte wirken, welche eine starke Belastung der Fügeeinrichtung und somit deren schnellen Verschleiß verursachen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die wie eingangsgenannte Fügeeinrichtung so fortzubilden, dass diese verschleißarm auch zum Fügen mindestens zweier Bauteile im Mischbau eingesetzt werden kann. Dies wird mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Gemäß der Erfindung weist eine Fügeeinrichtung zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile einen länglichen Fügestempel und einen Gegenhalter sowie eine Zuführvorrichtung auf. Der Fügestempel und der Gegenhalter sind einander gegenüberliegend angeordnet, um die aufeinander angeordneten Bauteile zwischen einander aufzunehmen. Der Fügestempel ist entlang einer Mittellängsachse dessen verfahrbar, um ein Arbeitslängsende des Fügestempels mit einer Zustellbewegung auf den Gegenhalter zu und mit einer Wegstellbewegung davon weg zu bewegen.

Die Zuführvorrichtung weist einen Führungskanal auf, der sich seiner Länge nach senkrecht zur Mittellängsachse des Fügestempels erstreckt, so dass ein nietartiges Fügeelement entlang des Führungskanals in einer Zuführrichtung an das Arbeitslängsende des Fügestempels auf eine Bereitstellungsposition zuführbar ist. In der Bereitstellungsposition ist eine Endfläche eines zylindrischen Kopfabschnitts des Fügeelements dem Arbeitslängsende des Fügestempels zugewandt und ist eine Mittellängsachse des Fügeelements koaxial zur Mittellängsachse des Fügestempels ausgerichtet. Die Zuführvorrichtung ist außerdem eingerichtet, das zugeführte Fügeelement bei einer Zustellbewegung des Fügestempels gegen in der Mittellängsachse Verkippen zu sichern,

Die erfindungsgemäße Fügeeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Fügestempel und der Gegenhalter als elektrische Elektroden fungieren und Stromsteuermittel vorgesehen sind, die eingerichtet sind, den Fügestempel und den Gegenhalter gesteuert mit elektrischem Strom zu beaufschlagen, um zum Durchführen eines Widerstandsschweißens elektrischen Stromfluss über das Fügeelement zu realisieren.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Fügeeinrichtung, bei welcher Fügestempel und Gegenhalter neben ihrer mechanischen Drückwirkung auch als elektrische Elektroden fungieren, welche gesteuert mit elektrischem Strom beaufschlagbar sind, lässt sich ein mechanischthermisch kombinierter Schweißnietprozess realisieren, bei dem die mechanischen Belastungen stark reduziert sind. Somit kann die Fügeeinrichtung verschleißarm auch zum Fügen mindestens zweier Bauteile im Mischbau eingesetzt werden.

Bevorzugt wird dabei das Fügeelement eingebracht, indem ein Längsende eines Schaftabschnitts dessen durch den Fügestempel in Kontaktanlage an eines der Bauteile gedrückt wird und ein elektrischer Anfangsstromfluss bzw. Vorimpuls durch das elektrisch leitfähige Fügeelement und das elektrisch leitfähige eine Bauteil hindurch realisiert wird, so dass das eine Bauteil im Kontaktbereich zum Fügeelement fließfähig gemacht wird. Der Schaftabschnitt wird angetrieben durch die Druckkraft durch den fließfähig gemachten Kontaktbereich des einen Bauteils hindurchgedrückt, bis das Längsende des Schaftabschnitts das andere Bauteil kontaktiert und ein Kopfabschnitt des Fügeelements in Kontakt mit dem einen Bauteil gelangt. Dann wird ein elektrischer Schweißstromfluss durch das Fügeelement und das vom Längsende des Schaftabschnitts kontaktierte elektrisch leitfähige andere Bauteil hindurch realisiert, so dass das Längsende des Schaftabschnitts und das andere Bauteil durch Widerstandsschweißen miteinander verschweißt werden.

Bevorzugt sind die beiden zusammenzufügenden Bauteile aus Metall hergestellt, so dass sie jeweils elektrisch leitfähig sind. Noch bevorzugter sind die beiden Bauteile jeweils als Metall- blech ausgebildet und werden zum Zusammenfügen flächig aufeinandergelegt bzw. aufeinander angeordnet, so dass sich die beiden Bauteile in einem zusammenzufügenden Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappen. Das eine Bauteil ist bevorzugt aus einem Nichteisenmetall bzw. Leichtmetall wie insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Magnesium oder einer Magnesiumlegierung hergestellt und bildet bevorzugt ein Deckblech. Das andere Bauteil ist bevorzugt aus einem Eisenmetall wie insbesondere formgehärteten Stahl hergestellt und bildet bevorzugt ein Basisblech. Bevorzugt besteht das Fügeelement aus einem metallischen Werkstoff, der eine ausreichend hohe Festigkeit und Schmelztemperatur sowie eine gute schweißmetallurgische Verträglichkeit mit dem Werkstoff des anderen Bauteils (Basisblech) aufweist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Zuführvorrichtung an einem Ende des Führungskanals einen Anschlag auf, welcher in Zuführrichtung die Bereitstellungsposition für das Fügeelement definiert. Damit kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass ein zuzuführendes Fügeelement in seiner Bewegung im Führungskanal automatisch an der Bereitstellungsposition gestoppt wird, womit das Zuführen erleichtert und wiederholsicherer gemacht wird. Im Ergebnis wird die Funktionssicherheit der Fügeeinrichtung erhöht.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Zuführvorrichtung eine Positionssicherung auf, welche an einer Längsposition vor der Bereitstellungsposition federvorgespannt in den Führungskanal eingreift, um das in der Bereitstellungsposition befindliche Fügeelement gegen ein Bewegen entgegen der Zuführrichtung zu sperren. Damit kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass sich ein einmal zugeführtes Fügeelement nicht unbeabsichtigt entlang des Führungskanals entgegen der Zuführrichtung aus der Bereitstellungsposition herausbewegt. Auf diese Weise kann die Positioniersicherheit für das Fügeelement und damit die Funktionssicherheit der Fügeeinrichtung weiter erhöht werden.

Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung weist die Zuführvorrichtung zwei längliche Klemmbacken auf, welche nebeneinander angeordnet zwischen einander den Führungskanal definieren, um beim Zuführen das Fügeelement mit auf diametral entgegengesetzten Seiten seines Kopfabschnitts mit vordefinierter Klemmkraft radial angreifenden Klemmbacken entlang des Führungskanals zu führen.

Bevorzugt weisen die beiden Klemmbacken zueinander benachbarte jeweilige erste Längsenden auf, welche jeweils um eine sich parallel zur Mittellängsachse des Fügestempels erstreckende Schwenkachse schwenkbar gelagert sind und welche ein Eintrittsende des Führungs- kanals definieren. Die beiden Klemmbacken weisen außerdem zueinander benachbarte jeweilige zweite Längsenden auf, welche in der Bereitstellungsposition einen sich entlang der Mittellängsachse des Fügestempels erstreckenden Durchläse definieren. Der Durchlass ist so definiert, dass das Fügeelement in der Bereitstellungsposition unter der vordefinierten Klemmkraft an seinem Kopfabschnitt radial klemmbar ist und bei einer Zustellbewegung des Fügestempels unter Überwinden der Klemmkraft entlang der Mittellängsachse des Fügestempels in Richtung zum Gegenhalter hin vorantreibbar ist.

Durch die Klemmung des Fügeelements im Führungskanal und im Durchlass kann ein weiterer Freiheitsgrad des Fügeelements gesperrt werden bzw. ein Herausfallen des Fügeelements aus dem Führungskanal bzw. der Bereitstellungsposition verhindert werden. Im Ergebnis lassen sich bei der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung sämtliche Freiheitsgrade eines zuzuführenden bzw. zugeführten Fügelements sperren, so dass die Fügeeinrichtung ohne Verlagerungsgefahr für das Fügeelement in beliebigen Fügepositionen (z.B. Überkopf) zum Einsatz kommen kann. Auf diese Weise ist die Fügeeinrichtung bei hoher Funktionssicherheit außerordentlich flexibel handhabbar bzw. einsetzbar.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein hülsenförmiger Niederhalter vorgesehen, der einen kreiszylindrischen Innenraum mit einer Mittellängsachse hat, welche koaxial zur Mittellängsachse des Fügestempels ausgerichtet ist. Der Innenraum des Niederhalters ist konfiguriert, um ein Hindurchtreten des Fügestempels für eine Zustellbewegung und eine Wegstellbewegung zu ermöglichen und ein zugeführtes Fügeelement bei einer Zustellbewegung des Fügestempels durch umfängliches Umschließen eines Außendurchmessers bzw. einer Mantelfläche des Kopfabschnitts gegen in der Mittellängsachse Verkippen zu sichern. Der Niederhalter ist parallel zum Fügestempel mit vorbestimmter Kraft separat verfahrbar, um eine senkrecht zur Mittellängsachse des Fügestempels verlaufende Längsendfläche des Niederhalters mit einer Zustellbewegung auf den Gegenhalter zu und mit einer Wegstellbewegung davon weg zu bewegen.

Mit anderen Worten dient die Mantelfläche des Kopfabschnitts des Fügeelements als Kontaktfläche zu einer Umfangsfläche des Innenraums des Niederhalters, um das Fügelement durch den Innenraum des Niederhalters zu führen. In Verbindung mit der axialen Kraft des Fügestempels kann das Fügeelement somit an seinem Kopfabschnitt geführt ohne zu Verkippen durch den Niederhalter gedrückt werden, bis das Fügeelement die Deckblechoberfläche (eine freie Seite des einen Bauteils) erreicht. Hierbei wird vorteilhaft ermöglicht, dass das Fügeelement im Wesentlichen senkrecht zur Deckblechoberfläche auf dem einen Bauteil zum Aufsitzen kommt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind Niederhalterantriebsmittel vorgesehen, um den Niederhalter für eine Zustellbewegung und eine Wegstellbewegung anzutreiben. Die Niederhalterantriebsmittel sind eingerichtet, zumindest bei der Zustellbewegung eine Druckfederwirkung bereitzustellen. Auf diese Weise kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass eine Niederhalterkraft des Niederhalters beim Aufsetzen auf der freien Seite (Deckblechoberfläche) des einen Bauteils gedämpft wird.

Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung sind Stempelantriebsmittel vorgesehen, um den Fügestempel für eine Zustellbewegung und eine Wegstellbewegung anzutreiben. Der Fügestempel ist mindestens zweiteilig ausgebildet, wobei ein erster Fügestempelteil mit den Stempelantriebsmitteln verbunden ist und ein zweiter Fügestempelteil das Arbeitslängsende des Fügestempels definiert. Der erste und der zweite Fügestempelteil sind lösbar miteinander verbunden. Auf diese Weise kann der zweite Fügestempelteil vorteilhaft als auswechselbares bzw. regenerierbares Verschleißteil fungieren, womit die Wartung und Umrüstung der Fügeeinrichtung erleichtert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zumindest einer von dem ersten und dem zweiten Fügestempelteil im Inneren mit einer Kühlmittelpassage zum Hindurchzirkulieren von Kühlmittel versehen. Durch die Kühlung lässt sich vorteilhaft eine Überhitzung des Fügestempels und damit eine Festigkeitsreduzierung dessen beim mechanisch-thermisch kombinierten Fügeprozess vermeiden.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der mit der Kühlmittelpassage versehene Fügestempelteil im Erstreckungsbereich der Kühlmittelpassage mit äußeren Verstärkungsrippen versehen. Durch diese steifigkeitsoptimierte Ausführung kann die Kühlmittelpassage (z.B. im Durchmesser) größer ausgebildet sein, was zu verbesserten Kühleigenschaften für den Fügestempel und damit zur Verbesserung des Verschleißverhaltens führt.

Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung - soweit dies technisch sinnvoll ist - beliebig miteinander kombiniert sein können.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden. Fig. 1 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Fügeeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem ersten Betriebszustand.

Fig. 2 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht die Fügeeinrichtung von Fig. 1 in einem zweiten Betriebszustand.

Fig. 3 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht die Fügeeinrichtung von Fig. 1 in einem dritten Betriebszustand.

Fig. 4 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht die Fügeeinrichtung von Fig. 1 in einem vierten Betriebszustand.

Fig. 5 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht die Fügeeinrichtung von Fig. 1 in einem fünften Betriebszustand.

Fig. 6 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht die Fügeeinrichtung von Fig. 1 in einem sechsten Betriebszustand.

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht in das Innere eines Setzkopfs der Fügeeinrichtung von Fig. 1.

Fig. 8 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht des Setzkopfs der Fügeeinrichtung von Fig. 1 .

Fig. 9 zeigt in schematischer Längsschnittansicht einen Niederhalter der Fügeeinrichtung von Fig. 1 in einer ersten Axialeinstellung.

Fig. 10 zeigt in schematischer Längsschnittansicht den Niederhalter der Fügeeinrichtung von Fig. 1 in einer zweiten Axialeinstellung.

Fig. 1 1 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht einen Fügestempelteil eines Fügestempels der Fügeeinrichtung von Fig. 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 12 zeigt in drei unterschiedlichen Ansichten einen Fügestempelteil eines Fügestempels der Fügeeinrichtung von Fig. 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 13 zeigt in drei unterschiedlichen Ansichten einen Fügestempelteil eines Fügestempels der Fügeeinrichtung von Fig. 1 gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 14 zeigt in drei unterschiedlichen Ansichten einen Fügestempelteil eines Fügestempels der Fügeeinrichtung von Fig. 1 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 14 erfindungsgemäße Ausführungsformen einer Fügeeinrichtung 1 zum Zusammenfügen mindestens zweier insbesondere plattenformiger Bauteile B1 , B2 beschrieben werden. Die Fügeeinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist als eine Schweißzange (nicht vollständig dargestellt) ausgebildet, wie sie zum Widerstandspunktschweißen eingesetzt wird. Insbesondere lässt sich die Fügeeinrichtung 1 unter Verwendung beliebiger üblicher C-Bügelschweißzangen realisieren.

Die beiden zusammenzufügenden Bauteile B1 , B2 sind aus Metall hergestellt, so dass sie jeweils elektrisch leitfähig sind. Genauer sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung die beiden Bauteile B1 , B2 jeweils als Metallblech ausgebildet und zum Zusammenfügen flächig aufeinandergelegt bzw. aufeinander angeordnet, so dass sich die beiden Bauteile in einem zusammenzufügenden Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappen, wie in Fig. 1 gezeigt. Ein erstes Bauteil B1 der beiden Bauteile B1 , B2 ist aus einem Nichteisenmetall bzw. Leichtmetall wie insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Ein zweites Bauteil B2 der beiden Bauteile B1 , B2 ist aus einem Eisenmetall wie insbesondere form gehärteten Stahl hergestellt. Das zweite Bauteil B2 bildet in der vorliegenden Ausführungsform ein Basisblech, wohingegen das erste Bauteil B1 ein Deckblech bildet.

Die als Schweißzange ausgebildete Fügeeinrichtung 1 hat einen Setzkopf 2, einen als eine erste elektrische Elektrode fungierenden länglichen Fügestempel 3, der sich relativbeweglich dazu durch den Setzkopf 2 hindurch erstreckt, einen als eine zweite Elektrode fungierenden Gegenhalter 4 für den Setzkopf 2 und den Fügestempel 3, Antriebsmittel 10, 15 zum Antreiben des Setzkopfs 2 und des Fügestempels 3 sowie eine Steuervorrichtung 20 zum mechanischen und elektrischen Steuern der Fügeeinrichtung 1. Zum elektrischen Steuern der Fügeeinrichtung 1 sind Stromsteuermittel (eine Stromsteuereinheit) 21 in die Steuervorrichtung 20 integriert. Die Stromsteuermittel 21 sind eingerichtet, zum Zusammenfügen der beiden Bauteile B1 , B2 den Fügestempel 3 und den Gegenhalter 4 gesteuert mit elektrischem Strom zu beaufschlagen, um zum Durchführen eines Widerstandsschweißens elektrischen Stromfluss über ein Fügeelement 90 zu realisieren.

Der Setzkopf 2 umfasst eine Zuführvorrichtung 30 zum Zuführen bzw. Positionieren von elektrisch leitfähigen Fügeelementen 90 zum Zusammenfügen der beiden Bauteile B1 , B2. Die Fügeelemente 90 bestehen jeweils aus einem metallischen Werkstoff, der eine ausreichend hohe Festigkeit und Schmelztemperatur sowie eine gute schweißmetallurgische Verträglichkeit mit dem hochfesten Stahlwerkstoff des zweiten Bauteils B2 aufweist.

Die Fügeelemente 90 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung sind jeweils in Form eines kreiszylindrischen Niets (nietartig) ausgebildet. Genauer weist, wie in Fig. 1 gezeigt, jedes Fügeelement 90 einen kreiszylindrischen Schaftabschnitt 91 und einen an ein erstes Längsende 91 .1 des Schaftabschnitts 91 angeformten kreiszylindrischen Kopfabschnitt 92 auf, welcher einen gegenüber dem Schaftabschnitt 91 vergrößerten Außendurchmesser hat.

Der Fügestempel 3 und der Gegenhalter 4 sind einander gegenüberliegend angeordnet, um die aufeinander angeordneten Bauteile B1 , B2 mit deren Überlappungsabschnitt zwischen einander aufzunehmen. Der Fügestempel 3 ist entlang einer Mittellängsachse A1 dessen bzw. in einer Arbeitsrichtung R1 (siehe Fig. 1 ) verfahrbar, um ein Arbeitslängsende 3L1 (siehe Fig. 6) des Fügestempels 3 mit einer Zustellbewegung auf den Gegenhalter 4 zu und mit einer Wegstellbewegung davon weg zu bewegen. Zum Antreiben der Zustellbewegung und der Wegstellbewegung des Fügestempels 3 umfassen die Antriebsmittel Stempelantriebsmittel 10, welche mit der Steuervorrichtung 20 verbunden sind, so dass die Zustellbewegung und die Wegstellbewegung des Fügestempels 3 durch die Steuervorrichtung 30 steuerbar sind. In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung umfassen die Stempelantriebsmittel 10 einen koaxial zum Fügestempel 3 angeordneten Pneumatikzylinder 10.1.

Der Setzkopf 2 umfasst außerdem einen daran befestigten hülsenförmigen Niederhalter 60 (siehe Fig. 2), der einen kreiszylindrischen Innenraum 61 (siehe Fig. 1 ) mit einer Mittellängsachse (nicht separat bezeichnet) hat, welche koaxial zur Mittellängsachse A1 des Fügestempels 3 ausgerichtet ist. Der Innenraum 61 des Niederhalters 60 ist konfiguriert, um ein Hindurchtreten des Fügestempels 3 für dessen Zustellbewegung und Wegstellbewegung zu ermöglichen.

Der Niederhalter 60 ist parallel zum Fügestempel 3 mit vorbestimmter Kraft separat verfahrbar, um eine senkrecht zur Mittellängsachse A1 des Fügestempels 3 verlaufende Längsendfläche 62 (siehe Fig. 5 und Fign. 8-10) des Niederhalters 60 mit einer Zustellbewegung auf den Gegenhalter 4 zu und mit einer Wegstellbewegung davon weg zu bewegen. Zum Antreiben der Zustellbewegung und der Wegstellbewegung des Niederhalters 60 umfassen die Antriebsmittel Niederhalterantriebsmittel 15, welche mit der Steuervorrichtung 20 verbunden sind, so dass die Zustellbewegung und die Wegstellbewegung des Niederhalters 60 unabhängig vom Fügestempel 3 durch die Steuervorrichtung 30 steuerbar sind. In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung umfassen die Niederhalterantriebsmittel 15 zwei beidseitig des Fügestempels 3 angeordnete Pneumatikzylinder 15.1 , 15.2, deren Kolbenstangen mit dem Setzkopf 2 gekuppelt sind.

Im Innenraum 61 des Niederhalters 60 ist ausgehend von der Längsendfläche 62 eine ringförmige Formkavität 61 .1 (siehe Fign. 9 und 10) mit einer bestimmten axialen Tiefe (in Arbeitsrich- tung R1 ) und einem Innendurchmesser definiert, der größer als der Außendurchmesser des Kopfabschnitts 92 der jeweiligen Fügeelemente 90 ist.

Für das Zusammenfügen der beiden Bauteile B1 , B2 sind der Fügestempel 3 und der Setzkopf 2 gemeinsam mit der Zuführvorrichtung 30 und dem Niederhalter 60 gesteuert durch die Steuervorrichtung 30 vom Gegenhalter 4 wegfahrbar, um dazwischen den zusammenzufügenden Überlappungsabschnitt der ersten und zweiten Bauteile B1 , B2 aufzunehmen, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Zuführvorrichtung 30 des Setzkopfs 2 ist dabei vorgesehen und eingerichtet, um ein für den Fügeprozess benötigtes jeweiliges Fügeelement 90 so zu positionieren, dass das positionierte Fügeelement 90 mit einem dem Kopfabschnitt 92 abgewandten freien zweiten Längsende 91.2 des Schaftabschnitts 91 dem ersten Bauteil B1 zugewandt ist, wie in Fig. 1 gezeigt.

Wie genauer in den Figuren 7 und 8 gezeigt, umfasst zu diesem Zweck die Zuführvorrichtung 30 ein Gehäuse 31 , in dem zwei längliche Klemmbacken 32, 33 nebeneinander angeordnet zwischen einander einen Führungskanal 34 definieren. Der Führungskanal 34 erstreckt sich seiner Länge nach senkrecht zur Mittellängsachse A1 des Fügestempels 3, so dass ein jeweiliges Fügeelement 90 entlang des Führungskanals 34 in einer Zuführrichtung R2 an das Arbeitslängsende 3L1 des Fügestempels 3 auf eine wie in Fig. 1 und Fig. 7 gezeigte Bereitstellungsposition P1 zuführbar ist. Das Fügeelement 90 ist dabei so zuführbar, dass in der Bereitstellungsposition P1 eine Endfläche 92.1 des Kopfabschnitts 92 des Fügeelements 90 dem Arbeitslängsende 3L1 des Fügestempels 3 zugewandt ist und eine Mittellängsachse (nicht separat bezeichnet) des Fügeelements 3 koaxial zur Mittellängsachse A1 des Fügestempels 3 ausgerichtet ist.

Genauer weisen die beiden Klemmbacken 32, 33 zueinander benachbarte jeweilige erste Längsenden 32.1 , 33.1 auf, welche jeweils um eine sich parallel zur Mittellängsachse A1 des Fügestempels 3 erstreckende Schwenkachse A2, A3 schwenkbar gelagert sind und welche ein Eintrittsende (für Fügeelemente 90) des Führungskanals 34 definieren. Um eine vordefinierten Klemmkraft bereitzustellen, sind die beiden Klemmbacken 32, 33 mittels zweier Druckfedern 36 von ihrer Außenseite her in Richtung zueinander hin vorgespannt, um beim Zuführen das Fügeelement 90 mit auf diametral entgegengesetzten Seiten seines Kopfabschnitts 92 mit der vordefinierten Klemmkraft radial angreifenden Klemmbacken 32, 33 entlang des Führungskanals 34 zu führen.

Die beiden Klemmbacken 32, 33 weisen außerdem zueinander benachbarte jeweilige zweite Längsenden 32.2, 33.2 auf, welche in der Bereitstellungsposition P1 einen sich entlang der Mit- tellängsachse A1 des Fügestempels 3 und koaxial dazu erstreckenden Durchlass 35 definieren. Der Durchlass 35 ist dabei so definiert, dass das Fügeelement 90 in der Bereitstellungsposition P1 unter der vordefinierten Klemmkraft an seinem Kopfabschnitt 92 radial klemmbar ist und bei einer Zustellbewegung des Fügestempels 3 unter Überwinden der Klemmkraft entlang der Mittellängsachse A1 des Fügestempels 3 in Richtung zum Gegenhalter 4 hin vorantreibbar ist.

Um in Zuführrichtung R2 des Führungskanals 34 die Bereitstellungsposition P1 für ein zuzuführendes Fügeelement 90 zu definieren, weist die Zuführvorrichtung 30 an einem Ende des Führungskanals 34 einen Anschlag 37 auf. Um ein in der Bereitstellungsposition P1 befindliches Fügeelement 90 gegen ein Bewegen entgegen der Zuführrichtung R2 zu sperren, weist die Zuführvorrichtung 30 außerdem eine Positionssicherung 38 auf, welche an einer Längsposition vor der Bereitstellungsposition P1 federvorgespannt in den Führungskanal 34 eingreift. Genauer umfasst die Positionssicherung 38 zwei jeweils schwenkbar im Gehäuse 31 gelagerte Riegel 38.1 , 38.2, welche mittels jeweiliger Druckfedern 39 so vorgespannt sind, dass freie Längsenden der Riegel 38.1 , 38.2 jeweils in Tiefenrichtung dessen zum Führungskanal 34 hin gedrückt werden. Wenn ein jeweiliges Fügeelement 90 den Führungskanal 34 in Zuführrichtung durchläuft, drückt dessen die freien Längsenden der Riegel 38.1 , 38.2 passierender Kopfabschnitt 92 die Riegel 38.1 , 38.2 entgegen der Federvorspannung aus dem Führungskanal 34 und rasten die freien Längsenden der Riegel 38.1 , 38.2 hinter dem Kopfabschnitt 92 zur Positionssicherung in den Führungskanal 34 ein, sobald sich das Fügeelement 90 in der Bereitstellungsposition P1 befindet.

Die Zuführvorrichtung 30 ist außerdem eingerichtet, ein zugeführtes jeweiliges Fügeelement 90 bei einer Zustellbewegung des Fügestempels 3, mit welcher das Fügeelement 90 aus der Bereitstellungsposition P1 heraus in Richtung zum Gegenhalter 4 hin gedrückt wird, gegen in der Mittellängsachse Verkippen zu sichern. Genauer ist der Innenraum 61 des Niederhalters 60 konfiguriert, um das betreffende Fügeelement 90 bei der Zustellbewegung des Fügestempels 3 durch umfängliches Umschließen eines Außendurchmessers bzw. einer Mantelfläche des Kopfabschnitts 92 gegen in der Mittellängsachse Verkippen zu sichern. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, ist zu diesem Zweck bevorzugt eine Innenhülse 60.2 in den Niederhalter 60 als Führungsbuchse eingesetzt, welche den Innenraum 61 des Niederhalters 60 definiert und deren Innenumfangs- fläche bei der Zustellbewegung des Fügestempels 3 eine Führungsfläche für den Außendurchmessers bzw. die Mantelfläche des Kopfabschnitts 92 des betreffenden Fügeelements 90 bildet. Nachdem mittels der Zuführvorrichtung 30 ein jeweiliges Fügeelement 90 in die Bereitstellungsposition P1 gebracht wurde, wie in Fig. 1 gezeigt, sind dann der Setzkopf 2 und der Fügestempel 3 gesteuert durch die Steuervorrichtung 30 über eine gemeinsame Zustellbewegung in Arbeitsrichtung R1 zum Gegenhalter 4 hin verfahrbar, bis die Längsendfläche 62 des Niederhalters 60 auf einer dem zweiten Bauteil B2 abgewandten oberen freien Seite des ersten Bauteils B1 zum Aufsitzen kommt und dadurch eine dem ersten Bauteil B1 abgewandte freie Seite des zweiten Bauteils B2 gegen den Gegenhalter 4 gedrückt wird, wie in Fig. 2 gezeigt.

Der Setzkopf 2 wird dabei durch die beiden Pneumatikzylinder 15.1 , 15.2 angetrieben, so dass eine Niederhalterkraft des Niederhalters 60 beim Aufsetzen auf der freien Seite des ersten Bauteils B1 gedämpft wird. Durch diese Konfiguration sind die Niederhalterantriebsmittel 15 eingerichtet, bei der Zustellbewegung eine Druckfederwirkung für den Niederhalter 60 bereitzustellen. Durch ein Entlüftungsventil (nicht gezeigt) an beiden Pneumatikzylindern 15.1 , 15.2 ist es vorteilhaft möglich, die Niederhalterkraft in Relation zur Nachgiebigkeit des Entlüftungsventils zu steuern. Dadurch kann die Niederhalterkraft z.B. zwischen 100 N bis 3000 N eingestellt und an den Fügeprozess angepasst werden.

Nach Aufsetzen des Niederhalters 60 auf der freien Seite des ersten Bauteils B1 vollzieht der Fügestempel 3 gesteuert durch die Steuervorrichtung 30 eine Zustellbewegung in Arbeitsrichtung R1 , um mit seinem Arbeitslängsende 3L1 unter Druckkraft die zum Schaftabschnitt 91 entgegengesetzte Endfläche 92.1 des Kopfabschnitts 92 des positionierten Fügeelements 90 zu kontaktieren und das Fügeelement 90 durch die Innenhülse 60.2 des Niederhalters 60 hindurchzudrücken, bis das zweite Längsende 91.2 des Schaftabschnitts 91 unter der Druckkraft des Fügestempels 3 auf der freien Seite des ersten Bauteils B1 aufsitzt, wie in Fig. 3 gezeigt.

Um nach auf dem ersten Bauteil B1 Aufsitzen des zweiten Längsendes 91.2 des Schaftabschnitts 91 des Fügeelements 90 den Fügeprozess fortzusetzen, sind die Stromsteuermittel 21 der Steuervorrichtung 20 eingerichtet, in diesem Zustand einen elektrischen Anfangsstromfluss bzw. Vorimpuls durch das Fügeelement 90 und das erste Bauteil B1 hindurch zu realisieren. Genauer erfolgt in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung der Anfangsstromfluss durch den Fügestempel 3, das aufsitzende Fügeelement 90, das erste Bauteil B1 , das zweite Bauteil B2 und den Gegenhalter 4 hindurch.

Der Anfangsstromfluss dient dazu, das erste Bauteil B1 in einem Kontaktbereich, in dem das zweite Längsende 91 .2 des Schaftabschnitts 91 des Fügeelements 90 in Kontaktanlage an die freie Seite des ersten Bauteils B1 gedrückt wird, fließfähig zu machen, so dass der Schaftab- schnitt 91 angetrieben durch die Druckkraft des Fügestempels 3 im Kontaktbereich durch das erste Bauteil B1 hindurchdrückbar ist, bis das zweite Längsende 91.2 das zweite Bauteil B2 kontaktiert und der Kopfabschnitt 92 des Fügeelements 90 in Kontakt mit dem ersten Bauteil B1 gelangt, wie in Fig. 4 gezeigt. Der Anfangsstromfluss kann mit einem linearen Stromanstieg oder mit einem impulsformigen Stromanstieg realisiert werden. Beim linearen Stromanstieg wird das Material des ersten Bauteils B1 im Kontaktbereich plastifiziert (in einen teigigen Zustand gebracht). Beim impulsformigen Stromanstieg kommt es dahingegen zu einer Verschmelzflüs- sigung des Materials im Kontaktbereich.

Die Formkavität 61.1 des Niederhalters 60 dient dabei dazu, eine lokale Begrenzung des Materialflusses des ersten Bauteils B1 zu bewirken. Genauer fängt die Formkavität 61 .1 des Niederhalters 60 das beim durch den Kontaktbereich des ersten Bauteils B1 Hindurchdrücken verdrängte fließfähige Material auf und formt dieses um die Mantelfläche des Kopfabschnitts 92 des Fügeelements 90 herum, so dass die ausgeformte und erstarrte Schmelze die Mantelfläche vollständig umschließt. Die Mantelfläche des Kopfabschnitts 92 weist dabei entweder eine glatte Oberfläche oder eine Oberflächenstruktur auf, die so definiert ist (z.B. gerastert ist), dass sie verbesserte Haftungseigenschaften für das um die Mantelfläche zu formende fließfähige Material bereitstellt.

Die Oberfläche der Formkavität bzw. Niederhalternut 61.1 hat für das Umformen eine definierte Geometrie und bevorzugt eine strukturierte Oberflächenbeschaffenheit. Im Ergebnis kann der aufzufangende schmelzflüssige oder teigige Werkstoff des ersten Bauteils B1 mit einer definierten Form und einer definierten Oberflächenstruktur spaltlos und komplett abgedichtet an den Kopfabschnitt 92 des Fügeelements 90 angesetzt werden. Infolgedessen wird das Fügeelement 90 gegen Spaltkorrosion zwischen erstem Bauteil B1 (Leichtbaublech) und dem Kopfabschnitt 92 isoliert, wodurch ein Einsatz einer solchen Fügestelle im Nassbereich möglich ist.

Für die strukturierte Oberflächenbeschaffenheit ist eine die axiale Tiefe der Formkavität 61 .1 begrenzende Innenfläche 61.2 (siehe Fig. 9) des Niederhalters 60 mit einer definierten Struktur versehen. Die Struktur ist so ausgebildet, dass sie haftungsvermindernde Eigenschaften aufweist, um ein Anhaften des beim durch den Kontaktbereich des ersten Bauteils B1 Hindurchdrücken verdrängten fließfähigen Materials an der Innenfläche 61 .2 der Formkavität 61 .1 zu vermeiden. Zusätzlich oder alternativ kann die Struktur ausgebildet sein, um den Verschleiß an der Innenfläche 61 .2 zu reduzieren. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Struktur ausgebildet sein, um an dem umformten Kopfabschnitt 92 des Fügeelements 90 eine Funktionsfläche bereitzustellen. Die Struktur der Innenfläche 61.2 des Niederhalters 60 kann z.B. rasterförmig, rautenförmig, globular oder linienförmig aufgebaut sein. Bevorzugt besitzt der Niederhalter 60 außerdem eine Entgasungsbohrung (in den Figuren nicht dargestellt), um aus der Fügezone den Sauerstoff entweichen zu lassen, welcher als Störgröße hinsichtlich der Wulstoberfläche (umformter Kopfabschnitt 92) angesehen wird und vom Fügeprozess fern gehalten werden sollte.

Wie oben bereits erwähnt, ist es durch gezielte Ansteuerung der Niederhalterantriebsmittel 15 mit der Steuervorrichtung 20 möglich, die Niederhalterkraft (Druckkraft) in einem Bereich von 100 N bis 3 kN beliebig zu variieren, um den Werkstofffluss des Materials des ersten Bauteils B1 zu beeinflussen. Außerdem kann vorgesehen sein, dass von den Stromsteuermitteln 21 beim Durchschmelzen des Fügeelements 90 die jeweilige Blechstärke des ersten Bauteils B1 anhand physikalischer Eigenschaften, die in einem Steuerprogramm hinterlegt sind, detektiert werden und die notwendige Leistung des Anfangsstromflusses auf die detektierte Blechstärke angepasst werden kann.

Um eine Anpassung an unterschiedliche Blechstärken des ersten Bauteils B1 und damit unterschiedliche Mengen an beim durch das erste Bauteil B1 Hindurchdrücken des Schaftabschnitts 91 des Fügeelements 90 verdrängtem fließfähigem Material zu ermöglichen, ist auch die Form- kavität 61 .1 des Niederhalters wie in den Fign. 9 und 10 gezeigt in ihrem Volumen bzw. ihrer axiale Tiefe veränderbar. Zu diesem Zweck kann der Niederhalter 60 mehrstufig aufgebaut sein, um das Schmelzfüllvolumen flexibel an die Blechstärke des ersten Bauteils B1 anpassen zu können, da z.B. eine stärkere Blechdicke ein größeres Füllvolumen der Schmelze in der Form- kavität bzw. Niederhalternut 61.1 zur Folge hat.

Genauer weist der Niederhalter 60 eine die Längsendfläche 62 definierende Außenhülse 60.1 und die den Innenraum 61 des Niederhalters 60 definierende Innenhülse (Führungshülse) 60.2 auf, die axial in die Außenhülse 60.1 eingeschoben ist, so dass ein Ringflansch 60.3, der an einem zur Längsendfläche 62 korrespondierenden Längsende der Innenhülse 60.2 vorgesehen ist, in den Innendurchmesser der Formkavität 61.1 eingepasst ist. Eine axiale Breite bzw. Dickenabmessung des Ringflansches 60.3 ist dabei um eine vorbestimmte Differenz kleiner als die axiale Tiefe der Formkavität 61.1 , so dass durch axiales in der Außenhülse 60.1 Verschieben der Innenhülse 60.2 der Ringflansch 60.3 in der Formkavität 61.1 um die vorbestimmte Differenz axial verstellbar ist und dadurch die axiale Tiefe der Formkavität 61.1 veränderbar ist. Mit anderen Worten bildet die Innenhülse 60.2 mit dem Ringflansch 60.3 einen Schließmechanismus, mit dem der Niederhalternutdurchmesser verändert werden kann. Fig. 9 zeigt dabei den Ringflansch 60.3 der Innenhülse 60.2 in einer Axialeinstellung für z.B. Blechstärken < 1.5 mm, und Fig. 10 zeigt den Ringflansch 60.3 der Innenhülse 60.2 in einer Axialeinstellung für z.B. Blechstärken > 1 ,5 mm. Alternativ kann auch ein Niederhalter 60 ohne verstellbare Innenhülse 60.2 vorgesehen sein. Dann werden für unterschiedliche Füllvolumen verschiedene Niederhalter 60 (mit unterschiedlicher axialer Tiefe der Formkavität 61.1 ) benötigt.

Die Stromsteuermittel 21 der Steuervorrichtung 20 sind außerdem eingerichtet, sobald das zweite Längsende 91 .2 des durch das erste Bauteil B1 hindurchgedrückten Schaftabschnitts 91 des Fügeelements 90 das zweite Bauteil B2 kontaktiert hat und das verdrängte fließfähige Material des ersten Bauteils B1 um die Mantelfläche des Kopfabschnitts 92 des Fügeelements 90 herumgeformt und erstarrt ist, einen elektrischen Schweißstromfluss durch das Fügeelement 90 und das zweite Bauteil B2 hindurch zu realisieren. Der Schweißstromfluss wird dann so realisiert, dass das zweite Längsende 91.2 des Schaftabschnitts 91 und das zweite Bauteil B2 durch Widerstandsschweißen unter Ausbildung einer Schweißlinse miteinander verschweißt werden. Der Schweißstromfluss wird gegenüber dem Anfangsstromfluss mit einem relativ hohen Strom, d.h. mit einem höheren Maximalstromwert als der Anfangsstromfluss, realisiert.

Nach Vollendung der Verschweißung des zweiten Längsendes 91.2 des Schaftabschnitts 91 des Fügeelements 90 und des zweiten Bauteils B2 vollziehen gesteuert durch die Steuervorrichtung 20 der Setzkopf 2 und der Fügestempel 3 eine gemeinsame Wegstellbewegung in Arbeitsrichtung R1 , um sowohl die Längsendfläche 62 des Niederhalters 60 als auch das Arbeitslängsende 3L1 des Fügestempels 3 von der freien Seite des ersten Bauteils B1 bzw. vom Gegenhalter 4 wegzubewegen, wie in Fig. 6 gezeigt.

Optional kann vorgesehen sein, dass gesteuert durch die Steuervorrichtung 20 die Wegstellbewegung des Setzkopfs 2 jener des Fügestempels 3 vorgelagert wird, wie in Fig. 5 gezeigt, um den Niederhalter 60 beim Schweißen (insbesondere beim Schweißstromfluss) vor Verschmutzung und Beschädigung zu schützen.

Im Folgenden werden nun noch unter spezieller Bezugnahme auf die Figuren 1 1 bis 14 unterschiedliche Ausführungsformen des Fügestempels 3 aufgezeigt. Allen Ausführungsformen des Fügestempels 3 ist dabei gemein, dass der Fügestempel 3 mindestens zweiteilig ausgebildet ist, wobei ein erster Fügestempelteil 3.1 (siehe Fig. 1 ) entweder direkt oder über ein oder mehrere weitere Fügestempelteile mit den Stempelantriebsmitteln 10 verbunden ist und ein zweiter Fügestempelteil 3.2 (im Speziellen in den Figuren 1 1 bis 14 mit den Bezugszeichen 3.2, 3.2', 3.2", 3.2"' bezeichnet) das Arbeitslängsende 3L1 des Fügestempels 3 definiert. Der erste Fügestempelteil 3.1 und der zweite Fügestempelteil 3.2 sind dabei lösbar miteinander verbunden. Außerdem ist zumindest der zweite Fügestempelteil 3.2 in seinem Inneren mit einer Kühlmittelpassage zum Hindurchzirkulieren von Kühlmittel versehen.

In Fig. 1 1 ist als eine erste Ausführungsform der zweite Fügestempelteil 3.2 des Fügestempels 3 als Flaschenhalselektrode mit innerer Kühlmittelpassage ausgebildet gezeigt. Der zweite Fügestempelteil 3.2 wird direkt als Elektrodenkappe eingesetzt und wird mit seinem Innenkonus (nicht separat bezeichnet) auf einen Außenkonus eines standardisierten Elektrodenschafts als erstem Fügestempelteil 3.1 aufgesetzt.

In Fig. 12 ist als eine zweite Ausführungsform der zweite Fügestempelteil 3.2' des Fügestempels 3 als Flaschenhalselektrode mit zwei äußeren Flanken (Rippen) und innerer Kühlmittelpassage ausgebildet gezeigt. Mit anderen Worten ist der mit der Kühlmittelpassage versehene zweite Fügestempelteil 3.2' im Erstreckungsbereich der Kühlmittelpassage mit äußeren Verstärkungsrippen versehen. Die Verstärkungsrippen dienen zur Erhöhung der Steifigkeit, um eine möglichst große Kühlmittelpassage für die Elektrode vorsehen zu können. Durch die Verstärkungsrippen kann noch besser sichergestellt werden, dass die Flaschenhalselektrode trotz Kühlmittelpassage nicht durch die Druckspannungen, die während des Prozesses bei der Krafteinleitung auftreten, versagt. Der Kraftfluss verläuft dabei über die Verstärkungsrippen bzw. Flanken des Schaftes und wird dann auf die angrenzenden Abschnitte weitergeleitet, wie in Fig. 12 durch die Pfeile innerhalb der Schraffur angedeutet. Der zweite Fügestempelteil 3.2' wird wieder direkt als Elektrodenkappe eingesetzt und wird mit seinem Innenkonus (nicht separat bezeichnet) auf einen Außenkonus eines standardisierten Elektrodenschafts als erstem Fügestempelteil 3.1 aufgesetzt.

In den Figuren 13 und 14 sind zwei modifizierte Ausführungsformen der Ausführungsform von Fig. 12 gezeigt. Bei den Ausführungsformen der Figuren 13 und 14 ist der zweite Fügestempelteil 3.2", 3.2"' zweiteilig als Flaschenhalselektrode mit zwei äußeren Flanken (Rippen) und innerer Kühlmittelpassage ausgebildet, so dass der zweite Fügestempelteil 3.2", 3.2"' einen Elektro- denkappenaufnahmeschaft mit Innenkonus (Fig. 13) oder mit Außenkonus (Fig. 14) sowie eine mit dem Konus des Elektrodenaufnahmeschafts lösbar verbundene Elektrodenkappe 3.3", 3.3"' aufweist.

Die Elektrodenkappe 3.3", 3.3"' definiert das Arbeitslängsende 3L1 des Fügestempels 3 und bildet ein Verschleißteil. Der Elektrodenkappenaufnahmeschaft, welcher kein Verschleißteil ist, ist so konstruiert, dass dieser analog zu den Ausführungsformen der Figuren 1 1 und 12 als Stempel dient und durch den Setzkopf 2 durchgeführt werden kann. Mit diesem Elektrodenkap- penaufnahmeschaft ist vorteilhaft die Einbindung von Kühlröhrchen aus der Schweißzange möglich. Jede Elektrodenkappe 3.3", 3.3"' besitzen eine Kühlmittelpassage, um sowohl einen Zufluss durch das Kühlröhrchen als auch einen Abfluss durch die Wand der Kühlmittelpassage zu ermöglichen. Die Elektrodenkappen 3.3", 3.3"' können kostengünstig z.B. vollvorwärtsfließ- gepresst (kaltgeschlagen) werden.

Ein weiterer Vorteil der Ausführungsformen der Figuren 13 und 14 liegt im verhältnismäßig kleineren Durchmesser der Elektrodenkappe 3.3", 3.3"' gegenüber Standardkappen, die beim Widerstandselementschweißen eingesetzt werden. Dadurch ist es möglich, die Fügeeinrichtung 1 an Flanschbreiten von Bauteilen B1 , B2 bis zu 12 mm einzusetzen. Insgesamt lassen die stei- figkeitsoptimierten Ausführungsformen der Figuren 12 bis 14 gegenüber den standardisierten Flaschenhalselektroden größere Kühlmittelpassagen zu, was zu verbesserten Kühleigenschaften der Elektrode und damit zur Verbesserung des Verschleißverhaltens führt.

Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 14 und die oben beschriebenen Konfigurationen der Fügeeinrichtung 1 ein Verfahren zum Zusammenfügen (im Folgenden Fügeverfahren) der mindestens zwei Bauteile B1 , B2 beschrieben werden.

Gemäß dem Fügeverfahren werden die ersten und zweiten Bauteile B1 , B2 wie in Fig. 1 gezeigt aufeinander angeordnet, so dass sich die ersten und zweiten Bauteile B1 , B2 zumindest in dem Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappen. Außerdem wird ein wie oben beschriebenes Fügeelement 90 über einen mit Druckluft beaufschlagten Profilschlauch 40 (siehe Fig. 7) bereitgestellt und mittels der Zuführeinrichtung 30 zugeführt und in der Bereitstellungsposition P1 positioniert.

Dann vollzieht gemäß dem Fügeverfahren der Niederhalter 60 eine Zustellbewegung in Arbeitsrichtung R1 zum Gegenhalter 4 hin, bis die Längsendfläche 62 des Niederhalters 60 auf der oberen freien Seite des ersten Bauteils B1 zum Aufsitzen kommt und dadurch die freie Seite des zweiten Bauteils B2 gegen den Gegenhalter 4 gedrückt wird, wie in Fig. 2 gezeigt.

Gemäß dem Fügeverfahren wird im Überlappungsabschnitt das Fügeelement 90 mit dem dem Kopfabschnitt 92 abgewandten zweiten Längsende 91.2 des Schaftabschnitts 91 voran in das erste Bauteil B1 unter Druckkraft eingebracht, bis der Schaftabschnitt 91 das erste Bauteil B1 durchdrungen hat und das zweite Längsende 91.2 des Schaftabschnitts 91 das zweite Bauteil B2 kontaktiert. Genauer wird gemäß dem Fügeverfahren das in das erste Bauteil B1 Einbringen des Fügeelements 90 durchgeführt, indem das zweite Längsende 91 .2 des Schaftabschnitts 91 durch eine Zustellbewegung des Fügestempels 3 in Arbeitsrichtung R1 zum Gegenhalter 4 hin in Kontaktanlage an das erste Bauteil B1 gedrückt wird, wie in Fig. 3 gezeigt.

Um das Fügeelement 90 sicher dem Setzkopf 2 zuführen und dieses ohne Verkippungsgefahr für beliebige Schweißpositionen (z.B. Überkopf) halten zu können, wird das Fügeelement 90 am Kopfabschnitt 92 zwischen den beiden Klemmbacken 32, 33 geführt, welche an der Außenseite mit den beiden Druckfedern 36 gespannt sind. Dadurch ist die notwenige Klemmkraft zum Halten des Kopfabschnitts 92 gegeben. Die federnd gelagerte Positionssicherung 38 stellt sicher, dass das Fügeelement 90 nicht mehr in Richtung des zuführenden Profilschlauchs 40 aus der Bereitstellungsposition P1 verschoben werden kann. Dadurch sind sämtliche Freiheitsgrade (im Falle eines unerwünschten Positionswechsels z.B. durch ruckartige Bewegungen) des Fügelements 90 beschränkt, so dass sich das Fügeelement 90 konzentrisch über der definierten Führungsbuchse (Innenhülse 60.2) innerhalb der Zuführvorrichtung 30 befindet. Nach z.B. einer sensortechnischen Abfrage hinsichtlich des Vorhandenseins eines Fügeelements 90 am Anschlag 37 (in der Bereitstellungsposition P1 ) fährt die Schweißzange zu. Die Elektrode (Fügestempel 3) presst das Fügeelement 90 durch die Innenhülse 60.2. Die Mantelfläche des Kopfabschnitts 92 des Fügeelements 90 dient hierbei als Kontaktfläche zur Innenfläche der Innenhülse 60.2, um das Fügelement 90 durch die Innenhülse 60.2 zu führen. Durch radiale Presskraft der Führungsbuchse (Innenhülse 60.2) in Verbindung mit der axialen Kraft des Fügestempels 3 wird das Fügeelement 90 an seinem Kopfabschnitt 92 ohne zu Verkippen durch die Führungsbuchse gepresst, bis das zweite Längsende 91.2 des Fügeelements 90 die Deckblechoberfläche (freie Seite des ersten Bauteils B1 ) erreicht hat.

Dann wird von den Stromsteuermitteln 21 der elektrische Anfangsstromfluss durch das Fügeelement 90 und das erste Bauteil B1 hindurch so realisiert, dass das erste Bauteil B1 im Kontaktbereich zum Fügeelement 90 fließfähig gemacht wird. Dann wird der Schaftabschnitt 91 angetrieben durch die Druckkraft des Fügestempels 3 durch den fließfähig gemachten Kontaktbereich des ersten Bauteils B1 hindurchgedrückt, wobei der Kopfabschnitt 92 in Kontakt mit dem ersten Bauteil B1 gelangt, wie in Fig. 4 gezeigt.

Gemäß dem Fügeverfahren wird beim durch den fließfähig gemachten Kontaktbereich des ersten Bauteils B1 Hindurchdrücken des Schaftabschnitts 91 des Fügeelements 90 Material des ersten Bauteils B1 durch Verdrängung dazu gebracht wird, in Richtung zum Kopfabschnitt 92 des Fügeelements 90 hin zu fließen, so dass der Kopfabschnitt 92 in das verdrängte Material des ersten Bauteils B1 eintaucht. Dabei wird das von dem Schaftabschnitt 91 des Fügeele- ments 90 verdrängte Material beim Fließen durch die Formkavitat 61.1 des Niederhalters 60 so geführt, dass der Kopfabschnitt 92 des Fügeelements 90 mit Ausnahme der mit der Druckkraft beaufschlagten zu dem Schaftabschnitt 91 entgegengesetzten Endfläche 92.1 dessen vollständig von dem verdrängten Material des ersten Bauteils B1 umschlossen wird. Genauer fängt die Formkavität 61 .1 des Niederhalters 60 das beim durch den Kontaktbereich des ersten Bauteils B1 Hindurchdrücken verdrängte fließfähige Material auf und formt dieses um die Mantelfläche des Kopfabschnitts 92 des Fügeelements 90 herum, so dass die ausgeformte und erstarrte Schmelze die Mantelfläche vollständig umschließt.

Mit anderen Worten ausgedrückt entsteht durch den Anfangsstromfluss via resistiver Erwärmung an den Kontaktwiderständen Wärme. Hierbei wird das Fügeelement 90 mit Hilfe der Wärme über die Zeit durch das erste Bauteil B1 mit dem Anfangsstromfluss bzw. Vorimpuls durchgeschmolzen. Der Werkstoff des ersten Bauteils B1 schmilzt im Kontaktbereich lokal auf und wird durch den Niederhaitereinfluss zum axialen plastischen Fluss in Richtung des Kopfab- schnitts 92 in die Formkavität bzw. Niederhalterringnut 61.1 hinein gezwungen und wird dort aufgefangen und ausgeformt. Eine Oberfläche des den Kopfabschnitt 92 des Fügeelements 90 umschließenden Materials des ersten Bauteils B1 wird dabei durch die Innenfläche 61.2 der Formkavität 61 .1 des Niederhalters 60 mit einer definierten Struktur versehen, welche zur Haftungsverminderung und/oder zum Bereitstellen einer Funktionsfläche dient.

Nachdem der Anfangsstromfluss beendet wurde und das von dem Schaftabschnitt 91 des Fügeelements 90 verdrängte und mit dem Kopfabschnitt 92 in Kontakt stehende Material des ersten Bauteils B1 erstarrt ist, wird von den Stromsteuermitteln 21 der elektrische Schweißstrom- fluss durch das Fügeelement 90 und das vom zweiten Längsende 91.2 des Schaftabschnitts 91 kontaktierte zweite Bauteil B2 hindurch realisiert, wie in Fig. 4 gezeigt. Der Schweißstromfluss wird so realisiert, dass das zweite Längsende 91.2 des Schaftabschnitts 91 und das zweite Bauteil B2 durch Widerstandsschweißen unter Ausbildung einer Schweißlinse miteinander verschweißt werden.

Optional kann nach Erstarrung des verdrängten Materials der Setzkopf 2 mit dem Niederhalter 60 mittels einer Wegstellbewegung in Arbeitsrichtung R1 vom Gegenhalter 4 und dem ersten Bauteil B1 wegbewegt werden, wie in Fig. 5 gezeigt, um den Niederhalter 60 beim Erzeugen der Schweißlinse vor Verschmutzung und Beschädigung zu schützen.

Nachdem das Material von Fügelement 90 und zweitem Bauteil B2 in der Schweißlinse erstarrt ist, wird eine Situation hergestellt, in welcher der Setzkopf 2 mit dem Niederhalter 60 und der Fügestempel 3 zur Abkühlung und Entnahme der zusammengefügten Bauteile B1 , B2 sowie zum Starten eines neuen Fügeprozesses vom Gegenhalter 4 weggefahren sind, wie in Fig. 6 gezeigt.

Zusammenfassend wird nach dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren, welches auch als Widerstandsschweißnieten (WSN) bezeichnet werden kann, eine Verbindung der beiden Bauteile B1 , B2 (Fügepartner) über ein Zusatzelement (Fügeelement 90) realisiert, wobei die metallurgisch unverträglichen Werkstoffe der beiden Bauteile B1 , B2 nicht miteinander vermischt werden. Das erfindungsgemäße Fügeverfahren ist gewissermaßen einstufig ausgebildet, da das Fügeelement 90 im Unterschied zu üblichen Verfahren nicht mehr mechanisch durchgestanzt wird, sondern in Kombination bei mechanisch-thermischem Einfluss z.B. mit einer konventionellen Punktschweißzange in das erste Bauteil B1 (hier Aluminiumblech) eingeschmolzen wird.

Das Fügeelement 90 besteht aus einem Werkstoff, der die notwendige Festigkeit und Schmelztemperatur zum Durchstanzen und Durchschmelzen des ersten Bauteils (hier Leichtbauwerkstoffs) und eine gute schweißmetallurgische Verträglichkeit mit dem zweiten Bauteil B2 (hier hochfestem Stahlwerkstoff) aufweist. Die Form des Fügeelements 90 und die Dimensionen können so gewählt werden, dass hohe Festigkeiten und hohe Durchschmelzeigenschaften in allen Belastungsrichtungen erreicht werden können.

Die Erfindung lässt sich vorteilhaft z.B. für eine Mischbauweise im Fahrzeugkarosseriebau einsetzen, wobei übliche Stahlwerkstoffe mit Leichtbauwerkstoffen wie z.B. Aluminium und Magnesium zusammengefügt werden. Die Erfindung kann vorteilhaft unter Nutzung von Standardpunktschweißzangen realisiert werden und besitzt hohes Automatisierungspotenzial, da vorteilhaft eine Schweißregelung und -Überwachung in die Steuervorrichtung 20 implementiert ist. Falls als erstes Bauteil B1 Werkstücke mit vorfixiertem Fügeelement 90 zur Verfügung stehen, können diese z.B. in Fertigungsanlagen des Karosseriebaus für die konventionelle Stahlbauweise eingeschleust werden. Somit können z.B. sowohl herkömmlicher Stahlbau als auch Stahl/Aluminium-Mischbau über eine einzige Fertigungslinie produziert werden. Der Niederhalter 60 ist dabei vorteilhaft konstruktiv so realisiert, dass er innerhalb kurzer Zeit (z.B. 2 min) demontiert und montiert werden kann, um ein möglichst schnelles und flexibles Wechseln an der Anlage zu realisieren.

Die Erfindung gewährleistet eine einheitliche Reproduzierbarkeit des Fügeprozesses bei konzentrischer Positionierung von Fügeelementen 90 unter dem Fügestempel bzw. der Schweißelektrode 3. Die beiden Pneumatikzylinder 15.1 , 15.2 zur Steuerung der Niederhalterkraft und die Bewegung des Niederhalters 60 können optional so gesteuert werden, dass während des Prozesses der Niederhalter 60 axial hochgefahren wird, um eine Verschmutzung oder Beschädigung des Niederhalters 60 durch Schweißspritzer zu vermeiden. Hierbei bewegt sich der Niederhalter 60 fern von der Schweißstelle. Das Hochfahren der Pneumatikzylinder 15.1 , 15.2 und des Niederhalters 60 hat keinen Einfluss auf die Ausführung des Schweißprozesses an sich. Darüber hinaus dient die voll eingefahrene Zylinderstellung der Pneumatikzylinder 15.1 , 15.2 zum Freisetzen der Elektrodenkappe des Fügestempels 3, um z.B. ein Kappenfräsen zu ermöglichen.

Bezugszeichenliste Fügeeinrichtung

Setzkopf

Fügestempel

Arbeitslängsende

Fügestempelteil

, 3.2' Fügestempelteil

", 3.2"' Fügestempelteil

", 3.3"' Elektrodenkappe

Gegenhalter

Stempelantriebsmittel

.1 Pneumatikzylinder

Niederhalterantriebsmittel

.1 , 15.2 Pneumatikzylinder

Steuervorrichtung

Stromsteuermittel

Zuführvorrichtung

Gehäuse

, 33 Klemmbacke

.1 , 33.1 Längsende

.2, 33.2 Längsende

Führungskanal

Durchlass

Druckfeder

Anschlag

Positionssicherung

.1 . 38.2 Riegel

Druckfeder

Profilschlauch

Niederhalter

.1 Außenhülse

.2 Innenhülse

.3 Ringflansch

Innenraum

.1 Formkavität 61.2 Innenfläche

62 Längsendfläche

90 Fügeelement

91 Schaftabschnitt

91.1 . 91.2 Längsende

92 Kopfabschnitt

92.1 Endfläche

A1 Mittellängsachse

A2, A3 Schwenkachse

B1 , B2 Bauteil

P1 Bereitstellungsposition

R1 Arbeitsrichtung

R2 Zuführrichtung

Claims

Patentansprüche

Fügeeinrichtung (1 ) zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile (B1 , B2), aufweisend:

einen länglichen Fügestempel (3) und einen Gegenhalter (4), die einander gegenüberliegend angeordnet sind, um die aufeinander angeordneten Bauteile (B1 , B2) zwischen einander aufzunehmen, wobei der Fügestempel (3) entlang einer Mittellängsachse (A1 ) dessen verfahrbar ist, um ein Arbeitslängsende (3L1 ) des Fügestempels (3) mit einer Zustellbewegung auf den Gegenhalter (4) zu und mit einer Wegstellbewegung davon weg zu bewegen, und

eine Zuführvorrichtung (30), welche einen Führungskanal (34) aufweist, der sich seiner Länge nach senkrecht zur Mittellängsachse (A1 ) des Fügestempels (3) erstreckt, so dass ein nietartiges Fügeelement (90) entlang des Führungskanals (34) in einer Zuführrichtung (R2) an das Arbeitslängsende (3L1 ) des Fügestempels (3) auf eine Bereitstellungsposition (P1 ) zuführbar ist, in der eine Endfläche (92.1 ) eines zylindrischen Kopfabschnitts (92) des Fügeelements (90) dem Arbeitslängsende (3L1 ) des Fügestempels (3) zugewandt ist und eine Mittellängsachse des Fügeelements (90) koaxial zur Mittellängsachse (A1 ) des Fügestempels (3) ausgerichtet ist, wobei die Zuführvorrichtung (30) eingerichtet ist, das zugeführte Fügeelement (90) bei einer Zustellbewegung des Fügestempels (3) gegen in der Mittellängsachse Verkippen zu sichern,

dadurch gekennzeichnet, dass der Fügestempel (3) und der Gegenhalter (4) als elektrische Elektroden fungieren und Stromsteuermittel (21 ) vorgesehen sind, die eingerichtet sind, den Fügestempel (3) und den Gegenhalter (4) gesteuert mit elektrischem Strom zu beaufschlagen, um zum Durchführen eines Widerstandsschweißens elektrischen Strom- fluss über das Fügeelement (90) zu realisieren.

Fügeeinrichtung (1 ) gemäß Anspruch 1 , wobei die Zuführvorrichtung (30) an einem Ende des Führungskanals (34) einen Anschlag (37) aufweist, welcher in Zuführrichtung (R2) die Bereitstellungsposition (P1 ) für das Fügeelement (90) definiert.

Fügeeinrichtung (1 ) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Zuführvorrichtung (30) eine Positionssicherung (38) aufweist, welche an einer Längsposition vor der Bereitstellungsposition (P1 ) federvorgespannt in den Führungskanal (34) eingreift, um das in der Bereitstellungsposition (P1 ) befindliche Fügeelement (90) gegen ein Bewegen entgegen der Zuführrichtung (R2) zu sperren. Fügeeinrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zuführvorrichtung (30) zwei längliche Klemmbacken (32, 33) aufweist, welche nebeneinander angeordnet zwischen einander den Führungskanal (34) definieren, um beim Zuführen das Fügeelement (90) mit auf diametral entgegengesetzten Seiten seines Kopfabschnitts (92) mit vordefinierter Klemmkraft radial angreifenden Klemmbacken (32, 33) entlang des Führungskanals (34) zu führen.

Fügeeinrichtung (1 ) gemäß Anspruch 4, wobei die beiden Klemmbacken (32, 33) zueinander benachbarte jeweilige erste Längsenden (32.1 , 33.1 ), welche jeweils um eine sich parallel zur Mittellängsachse (A1 ) des Fügestempels (3) erstreckende Schwenkachse (A2, A3) schwenkbar gelagert sind und welche ein Eintrittsende des Führungskanals (34) definieren, und zueinander benachbarte jeweilige zweite Längsenden (32.2, 33.2) aufweisen, welche in der Bereitstellungsposition (P1 ) einen sich entlang der Mittellängsachse (A1 ) des Fügestempels (3) erstreckenden Durchlass (35) so definieren, dass das Fügeelement (90) in der Bereitstellungsposition (P1 ) unter der vordefinierten Klemmkraft an seinem Kopfabschnitt (92) radial klemmbar ist und bei einer Zustellbewegung des Fügestempels (3) unter Überwinden der Klemmkraft entlang der Mittellängsachse (A1 ) des Fügestempels (3) in Richtung zum Gegenhalter (4) hin vorantreibbar ist.

Fügeeinrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein hülsenförmiger Niederhalter (60) vorgesehen ist, der einen kreiszylindrischen Innenraum (61 ) mit einer Mittellängsachse hat, welche koaxial zur Mittellängsachse (A1 ) des Fügestempels (3) ausgerichtet ist, wobei der Innenraum (61 ) des Niederhalters (60) konfiguriert ist, um ein Hindurchtreten des Fügestempels (3) für eine Zustellbewegung und eine Wegstellbewegung zu ermöglichen und ein zu geführtes Fügeelement (90) bei einer Zustellbewegung des Fügestempels (3) durch umfängliches Umschließen eines Außendurchmessers des Kopfabschnitts (92) gegen in der Mittellängsachse Verkippen zu sichern, und wobei der Niederhalter (60) parallel zum Fügestempel (3) mit vorbestimmter Kraft separat verfahrbar ist, um eine senkrecht zur Mittellängsachse (A1 ) des Fügestempels (3) verlaufende Längsendfläche (62) des Niederhalters (60) mit einer Zustellbewegung auf den Gegenhalter (4) zu und mit einer Wegstellbewegung davon weg zu bewegen.

Fügeeinrichtung (1 ) gemäß Anspruch 6, wobei Niederhalterantriebsmittel (15) vorgesehen sind, um den Niederhalter (60) für eine Zustellbewegung und eine Wegstellbewegung anzutreiben, und wobei die Niederhalterantriebsmittel (15) eingerichtet sind, zumindest bei der Zustellbewegung eine Druckfederwirkung bereitzustellen. Fügeeinrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Stempelantriebsmittel (10) vorgesehen sind, um den Fügestempel (3) für eine Zustellbewegung und eine Wegstellbewegung anzutreiben, wobei der Fügestempel (3) mindestens zweiteilig ausgebildet ist, wobei ein erster Fügestempelteil (3.1 ) mit den Stempelantriebsmitteln (10) verbunden ist und ein zweiter Fügestempelteil (3.2, 3.2', 3.2", 3.2"') das Arbeitslängsende (3L1 ) des Fügestempels (3) definiert, und wobei der erste Fügestempelteil (3.1 ) und der zweite Fügestempelteil (3.2, 3.2', 3.2", 3.2"') lösbar miteinander verbunden sind.

Fügeeinrichtung (1 ) gemäß Anspruch 8, wobei zumindest einer von dem ersten Fügestempelteil (3.1 ) und dem zweiten Fügestempelteil (3.2, 3.2', 3.2", 3.2"') im Inneren mit einer Kühlmittelpassage zum Hindurchzirkulieren von Kühlmittel versehen ist.

Fügeeinrichtung (1 ) gemäß Anspruch 9, wobei der mit der Kühlmittelpassage versehene Fügestempelteil (3.2', 3.2", 3.2"') im Erstreckungsbereich der Kühlmittelpassage mit äußeren Verstärkungsrippen versehen ist.