WO2020161119A1 - Verfahren und vorrichtung zum fügen eines ersten werkstückes mit einem zweiten werkstück - Google Patents

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WO2020161119A1
WO2020161119A1 PCT/EP2020/052719 EP2020052719W WO2020161119A1 WO 2020161119 A1 WO2020161119 A1 WO 2020161119A1 EP 2020052719 W EP2020052719 W EP 2020052719W WO 2020161119 A1 WO2020161119 A1 WO 2020161119A1
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WO
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metal layer
workpiece
electrode
layer
joint
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PCT/EP2020/052719
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Lambert Feher
Jürgen Männle
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Progress-Werk Oberkirch Ag
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    • B23K11/10—Spot welding; Stitch welding
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    • B23K2103/166—Multilayered materials
    • B23K2103/172—Multilayered materials wherein at least one of the layers is non-metallic

Definitions

  • the invention relates to a method for joining a first workpiece with a second workpiece at a joint, the first workpiece having a layered laminate having at least one metal layer and an associated plastic layer, and wherein the second workpiece has at least one metal layer having, and wherein the first workpiece rests at the joint on the second workpiece, so that a layer arrangement results which has an outside first metal layer of the one workpiece, and in which the plastic layer between the outside first metal layer and a further metal layer of the other Work piece is arranged.
  • the invention also relates to a device with which the above-mentioned method in particular can be carried out.
  • Workpieces made of hybrid materials which have a layered laminate.
  • Such a layered laminate combines the classic work materials metal, especially steel, and plastic.
  • a layered laminate usually has two outer metal layers and a plastic layer between the two outer metal layers.
  • a layered laminate can also have only one metal layer and one plastic layer connected to it.
  • the metal layer or layers can be thin sheet steel, and the plastic layer can be a single or multi-layer polymer layer, which is optionally fiber-reinforced.
  • Hybrid materials of this type have the advantage over conventional materials that they are significantly lighter than conventional solid steel, but are also resistant to bending and buckling. For this reason, such layered laminates are very well suited for the body construction of motor vehicles.
  • a layered laminate with a plastic layer is, however, high
  • two of the three electrodes form a further pair of electrodes that attack from the outside of the workpiece to be joined with the laminate, and with which the environmental parameters of the welding point required for the subsequent spot welding, in particular temperature and electrical conductivity, are produced via preheating.
  • the layered laminate can only be welded with a solid steel sheet.
  • the welding of the laminate with, for example, a tubular workpiece is not possible, at least with a simple electrode geometry.
  • Another disadvantage is that the plastic layer of the layered laminate is heated via the outside of the second workpiece to be joined with the laminate.
  • a flat electrode is required on the second workpiece in order to heat the layered laminate through the second workpiece, the area of the heating being significantly larger than the joint or the weld point itself workpiece to be joined with the laminate is a pipe.
  • the 3-electrode arrangement described above also makes the welding device complex and expensive.
  • the previous method disadvantageously also requires a geometric and electrical-thermal coordination of the method parameters with three different electrodes.
  • the invention is based on the object of providing a method of the type mentioned and a device of the type mentioned, with which the above-mentioned disadvantages are avoided.
  • the method should be able to be carried out with less effort than the conventional method.
  • the procedural Ren and the device it should in particular be possible not only to join sheet-metal or plate-shaped workpieces together.
  • the device for performing the method should be less complex and less expensive.
  • a method for joining a first workpiece with a second workpiece at a joint is provided, the first workpiece having a layered laminate having at least one metal layer and a plastic layer connected thereto, and wherein the second workpiece has at least one metal layer , and wherein the first workpiece at the joint on the second Workpiece, so that a layer arrangement results which has a first metal layer on the outside of the one workpiece, and in which the plastic layer is arranged between the first metal layer on the outside and a further metal layer of the other workpiece, with the steps:
  • a device for joining a first workpiece with a second workpiece and a joint having a layered laminate having at least one metal layer and a plastic layer connected thereto, and wherein the second workpiece has at least one has further metal layer, and wherein the first workpiece rests at the joint on the second workpiece, so that a layer arrangement results which has an outside first metal layer, and in which the plastic layer is arranged between the outside first metal layer and the further metal layer :
  • the inventive method breaks away from the previous concept of softening or melting the plastic layer in the layered laminate and welding of opposite outer sides of the workpiece arrangement from the first and second workpiece.
  • the softening or melting of the plastic layer in the layered laminate takes place rather from the same outside first metal surface of the layer arrangement as the welding of the outside metal layer with the further metal layer.
  • the outside first metal layer can be the outside metal layer of the laminate facing away from the other workpiece, and the further metal layer can be the only metal layer of the other workpiece, for example if this is designed as a full metal workpiece, or the further metal layer can be the outside facing the laminate side metal layer of the other workpiece if this is also designed as a layered laminate.
  • the outer first metal layer is the outer metal layer of the laminate facing away from the other workpiece, since no heat transfer from the second workpiece to the laminate is required, as is the case with conventional methods.
  • the introduction of current heat into the plastic layer can also be carried out in a more targeted manner and, in particular, locally limited to the joint. Because the heat input into the plastic layer in the method according to the invention can take place more specifically and locally at the joint, gas emissions caused by the melted plastic layer are also significantly reduced compared to previous methods in which the layered laminate is heated over the entire surface.
  • the current heat input into the plastic layer also takes place instantaneously, including a time period of preferably less than 5 seconds, more preferably less than 3 seconds, more preferably
  • the pressing of the layer arrangement and thus the laminate is preferably carried out at the joint from the first metal layer on the outside in order to bring it into contact with the further metal layer.
  • "Bringing into contact” here does not necessarily mean mechanical contact, but rather an electrical or galvanic contact is sufficient so that an electrical current can flow from one metal layer into the other metal layer.
  • one or more further metal layers of one and / or the other of the two workpieces, through which the current flow then additionally passes can be present between the outer first metal layer and the further metal layer. But it is also possible that the pressing also brings the two metal layers mentioned mechanically into contact.
  • first metal layer of one workpiece and the further metal layer of the other workpiece at the joint by means of a welding electrode that is attached to the outer term first metal layer.
  • a welding electrode that is attached to the outer term first metal layer.
  • all of the above-mentioned work steps take place from the same outside of the workpiece arrangement of the first and second workpiece, preferably from the outside of the laminate.
  • Technical devices such as a pair of electrodes, the electrodes of which attack from opposite outer sides of the arrangement, can thus be completely dispensed with.
  • a laminate can be welded together with a workpiece not in the form of a plate, in particular a workpiece which has a complex geometry or which is designed, for example, in the form of a hollow body.
  • the device only requires technical cal facilities which are arranged on a single working side of the workpiece arrangement during operation of the device in order to carry out the above-mentioned steps of the method according to the invention.
  • the device according to the invention is therefore less expensive and less complex.
  • the welding circuit is closed over the further metal layer or over the workpiece which has the further metal layer.
  • a preheating electrode can be attached to the first metal layer on the outside in the region of the joint and the preheating electrode can be energized.
  • the preheating electrode has the advantage that the heat input into the plastic layer can take place locally and in a very short time, for example less than 1 second, in order to soften the plastic layer.
  • the current intensity of the energization of the preheating electrode is selected to be sufficiently high, for example in the range of over 1 kA.
  • the outside first metal layer, on the outside of which the preheating electrode is attached, is thereby raised to a sufficiently high temperature to sufficiently soften the plastic layer only in the area in which the preheating electrode is attached.
  • the thermally conductive input of instantaneous electrical current heat through the first metal layer on the outside can include inductive heating of the first metal layer on the outside.
  • the outside first metal layer can also be heated very quickly by induction in order to melt the plastic layer underneath.
  • the introduction of current heat into the plastic layer can also be carried out in a targeted manner, locally limited to the joint.
  • the advantage of inductive heat input is that the heat input can take place without contact.
  • at least one induction coil can be used for this purpose.
  • the induction coil can optionally be integrated into the welding electrode, so that a separate preheating electrode can be omitted.
  • the preheating electrode can be spaced apart from the outside first metal layer during the pressing.
  • the pressing is more preferably carried out by means of the welding electrode.
  • the advantage here is that an additional pressing tool can be dispensed with and the welding electrode can perform two functions, namely on the one hand pressing the layer arrangement in order to bring the outer first metal layers and the further metal layer into contact with one another, and welding of these two metal layers.
  • the welding electrode is preferably not energized during pressing.
  • the welding electrode is only activated when a sufficient current flow between the outside first metal layer and the further metal layer is ensured by the pressing.
  • the advantage here is that, due to the homogeneous temperature distribution, the softening of the plastic layer in the area of the joint is also homogeneous, so that when the laminate is pressed, the first metal layer on the outside and the further metal layer in the area of the joint can be brought into uniform contact.
  • the pressing can also include an embossing of the layer arrangement.
  • embossing of the layer arrangement is from
  • both the first and the second workpiece each have a layered laminate which has at least one metal layer and an associated plastic layer.
  • the method according to the invention can thus be used for joining two layered laminates to one another.
  • At least one of the workpieces can have a layered laminate that
  • Adhesive can be introduced at the joint between the two workpieces, which in the vicinity of the weld nugget produced during resistance pressure welding
  • the means for introducing current heat have a preheating electrode that can be energized.
  • the preheating electrode is preferably a ring electrode or a partial ring electrode
  • a homogeneous temperature spot can be produced in a simple manner on the first metal layer on the outside, which homogeneously softens the plastic layer underneath.
  • Entries of instant electrical current heat is placed on one of the workpieces, is preferably adapted to the surface geometry of the workpiece, so that it rests evenly and flat.
  • the support surface can lie in one plane, i.e. be plan.
  • the support surface can also be curved, for example concave or convex, in accordance with the surface geometry of the workpiece. For example, a spherical, elliptical or saddle-shaped contour of the support surface is possible.
  • the contact surface of the ring electrode 46 can be smooth. However, it can also have a texture optimized for the current coefficient.
  • the welding electrode is preferably arranged within the preheating electrode, in particular coaxially to it. This creates a particularly compact arrangement of the preheating electrode and welding electrode.
  • the means for introducing current heat which can be designed as a preheating electrode according to one of the above-mentioned configurations, can be moved in the direction of the first metal layer on the outside or away from it.
  • the welding electrode preferably applies to the welding electrode.
  • the welding electrode and the preheating electrode can preferably be moved relative to one another.
  • the measures mentioned above are particularly advantageous for an automated implementation of the method according to the invention.
  • the steps of introducing electrical heat and resistance pressure welding can be carried out by means of corresponding automated energization of the preheating electrode and the welding electrode with short cycle times.
  • the welding electrode is preferably also designed for embossing the layer arrangement.
  • the welding electrode and / or the preheating electrode can be thin channels for air or
  • the device preferably has a controller for the means for entering
  • the controller can in particular be designed to control the means for introducing electrical heat, the means for pressing and the welding electrode in a high-cycle automated process.
  • the control can be designed to move the preheating electrode and the welding electrode in their direction of travel, to move them relative to one another and to control the welding current and the preheating current.
  • the controller can be designed to automatically switch between the preheating current with which the preheating electrode is applied and the welding current with which the welding electrode is applied.
  • the device according to the invention can in particular have a plurality of joining stations, in particular working simultaneously, which are controlled by a common controller.
  • the inventive method and the inventive device allow short
  • Cycle times good local joining of the workpieces to be joined together, low component distortion due to welding heat, good automation capability, high energy efficiency, and are very suitable for larger parts.
  • the method according to the invention and the device according to the invention can be adapted to diverse geometries of workpieces.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a device for joining a first workpiece on one side with a second workpiece
  • FIG. 2 shows a perspective view of a welding head of the device in FIG. 1 in
  • FIG. 3 shows a perspective view of an electrode arrangement of the welding head in FIG. 2 in isolation; 4 shows a section through the device in FIG. 1 along the line IV-IV in FIG. 1, FIG. 4 illustrating a method step of a method for joining the first and second workpiece on one side;
  • FIG. 5 shows a section through the device in FIG. 1 along the line IV-IV in FIG. 1, FIG. 5 illustrating a further method step of the method for joining the first and second workpiece on one side;
  • FIG. 6 shows a section through the device in FIG. 1 along the line IV-IV in FIG. 1, FIG. 6 illustrating a further method step of the method for joining the first and second workpiece on one side;
  • FIG. 8 shows a perspective view, similar to FIG. 1, for the simultaneous joining of the first and the second workpiece at a plurality of joining points.
  • Fig. 1 is provided with the general reference numeral 10 device for
  • FIG. 1 One-sided joining of a first workpiece 12 with a second workpiece 14 at a joint 16 is shown.
  • the geometry of the first workpiece 12 is to be understood as an example in FIG. 1.
  • the workpiece 12 is shown in Fig. 1 as a U-shaped body 18 with two angled flanges 20 as an example.
  • the second workpiece 14 is shown by way of example as a tubular body.
  • the example of the workpiece 12 shows that the device 10 can also be used well in difficult-to-access areas of workpieces that are to be joined together.
  • At least one of the two workpieces is designed as a layered laminate, for example the first workpiece 12, as shown in FIG. 7A.
  • the first workpiece 12 has a layer-shaped one Laminate, a first metal layer 22, a second metal layer 24 and a
  • the two metal layers 22 and 24 and the plastic layer 26 are firmly connected to one another.
  • the second workpiece 14 is designed as a full metal sheet 28 in the exemplary embodiment in FIG. 7A.
  • a circle 30 designates, for example, the joint 16 at which the two workpieces 12 and 14 can be joined to one another. It goes without saying that the workpieces 12 and 14 can be joined at a plurality of joining points 16, depending on the configuration of the workpieces and the required strength of the resulting workpiece arrangement comprising the first and second workpiece 12 and 14.
  • the first metal layer 22 is an example of an outside first metal layer of the one workpiece, and the solid metal sheet 28 is an example of a further metal layer of the other workpiece.
  • Fig. 7B shows a using the same reference numerals as in Fig. 7A
  • the first metal layer 22 is an example of an outside first metal layer of one workpiece
  • the solid metal sheet 28 is an example of a further metal layer of the other workpiece.
  • FIG. 7C shows another using the reference numerals in Figure 7A
  • the workpiece 12 in FIG. 7C is designed like the workpiece 12 in FIG. 7A, ie as a layered laminate with metal layers 22, 24 and an intermediate one with the metal layers 22, 24 firmly connected plastic layer 26.
  • the second workpiece 14 is also designed as a layered laminate, and has a first metal layer 32, a second metal layer 34 and a plastic layer 36 embedded in between, which is fixed to the metal layers 32 and 34 connected that is.
  • the first metal layer 22 of the workpiece 12 is an example of an external first metal layer of the one workpiece
  • the metal layer 32 of the workpiece 14 is an example of a further metal layer of the other workpiece.
  • the metal layer 34 of the workpiece 14 is also an example of a first metal layer on the outside of the one workpiece, and the metal layer 24 is an example of a further metal layer of the other workpiece.
  • An exemplary joint 16 is indicated by a circle 30.
  • All of the aforementioned metal layers can be sheet steel or steel in general
  • FIGS. 7A to 7C are not to be understood as an exhaustive list of possible structures of the first and second workpiece 12, 14.
  • the laminate in FIG. 7C of the workpiece 14 can have only the metal layer 32 or the metal layer 34 and the plastic layer 36, or only the two metal layers 32 and 34.
  • the exemplary embodiments in FIGS. 7A to 7C are intended to illustrate that With the device to be described and the method to be described, a laminate that has at least one metal layer and one plastic layer is joined to another laminate or to a single or multi-layer full metal sheet, as shown in FIGS. 7A and 7B can be.
  • the device 10 for joining the first workpiece 12 on one side with the second workpiece 14 at the joint 16 is described.
  • the device 10 has means for the thermally conductive local input of instantaneous electrical current heat in the area of the joint 16, means for pressing the layer arrangement, which results from the contact between the first and second workpiece 12, 14, and a current-carrying welding electrode for resistance pressure welding of workpieces 12 and 14 on one another.
  • These above-mentioned means and the welding electrode are combined in the device in a welding head 40 which is very compact overall and only engages on one side of the workpiece arrangement made up of the first and second workpiece 12, 14, as shown in FIG.
  • the electrodes required for joining namely a preheating electrode and a welding electrode, which will be discussed below
  • the means 42 for introducing instantaneous electrical current heat have a
  • the preheating electrode 44 is designed as a ring electrode 46, as can be seen in FIG. 2.
  • the preheating electrode 44 can also be designed as a partial ring electrode, i. as an electrode that is not completely closed.
  • electrical current heat have one or more induction coils.
  • the one or more induction coils can be integrated in the welding head 40, for example in the welding electrode 50.
  • the preheating electrode 44 has a shaft 48, on the outside of which
  • the end of the ring electrode 46 is arranged.
  • the (underside or distal side) preferably round, in particular circular ring-shaped contact surface of the ring electrode 46 with which it is placed on the outer first metal layer runs essentially perpendicular to the shaft 48.
  • the contact surface can lie in one plane, i.e. be plan.
  • the support surface can, however, also be curved, for example concave or convex, or generally be adapted to the surface geometry of the workpiece on which the ring electrode 46 is placed. For example, a saddle-shaped contour of the support surface is possible.
  • the contact surface of the ring electrode 46 can be smooth. However, it can also have a texture optimized for the current coefficient.
  • the welding electrode 50 is designed as a spot welding electrode and has a
  • the welding electrode 50 has a shaft 54, on whose end facing the ring electrode 46 of the preheating electrode 44 the welding electrode tip 52 is arranged.
  • the welding electrode 50 is within the first electrode
  • the preheating electrode 44 Arranged preheating electrode 44, the welding electrode 50 in particular coaxially to the preheating electrode 44 is arranged.
  • the preheating electrode can thus also be referred to as the outer electrode and the welding electrode as the inner electrode of a coaxial electrode arrangement.
  • the preheating electrode 44 and the welding electrode 50 are arranged together in a holder 55.
  • the holder 55 also serves to make electrical contact with the preheating electrode 44.
  • the preheating electrode 44 and the welding electrode 50 are also connected to a drive element 56 which is connected to a drive (not shown). Via the drive, the preheating electrode 44 and the welding electrode 50 can be moved in the direction of a longitudinal axis 58 according to a double arrow 60.
  • the preheating electrode 44 and the welding electrode 50 can be moved independently of one another in the direction of the longitudinal axis 58. In this way, the preheating electrode 44 and the welding electrode 50 can be moved individually or together in the direction of the workpieces 12 and 14 and away from them, as will be described later.
  • the pre-heating electrode 44 and the welding electrode 50 can be biased into an initial position via one or more springs (not shown), from which they can be actively moved against the spring action.
  • the preheating electrode 44 and the welding electrode 50 can be energized independently of one another. Accordingly, you are contacted independently of one another.
  • the preheating electrode 44 and the welding electrode 50 are electrically separated from one another, so that a direct current flow between the preheating electrode 44 and the welding electrode 50 is prevented.
  • the electrical or galvanic separation can be achieved using isolators and / or air gaps.
  • the preheating electrode 44 and the welding electrode 50 can have channels for air or
  • the welding electrode 50 is not only used for resistance pressure welding, in particular resistance spot welding of the workpieces 12 and 14 to one another, but also represents a means for pressing the workpieces 12 and 14 to one another in order, as will be described later, after the instantaneous electrical input Current heat in the plastic layer (26 and / or 36 in Fig. 7A and 7C), the outer first metal layer and the further metal layer, which are to be welded together, to bring into contact with one another, so that a current flow required for the welding through them Metal layers is made possible.
  • the welding electrode 50 in addition to embossing the
  • Workpiece arrangement can be formed from workpieces 12 and 14 or used for this.
  • the device 10 also has a controller 66, which is indicated in FIG. 1, and which is designed to control the preheating electrode 44 and the welding electrode 50 both with regard to their energization and their movement in the direction of the longitudinal axis 58.
  • FIGS. 4 to 6 are sectional views along the line IV-IV in FIG. 1.
  • a layer arrangement results which has a first metal layer on the outside, here the metal layer 22 of the workpiece 12 and a further metal layer, here the solid metal sheet 28 of the second workpiece 14.
  • instantaneous electrical current heat is initially introduced locally in the area of the joint 16 through the outer first metal layer 22 in order to soften the plastic layer 26 in the area of the joint 16.
  • the entry of the electrical current heat through the outer metal layer 22 of the laminate of the first workpiece 12 is particularly advantageous because, in contrast to an entry of the electrical current heat through the solid metal sheet 28, ie from the "underside" of the workpiece 14, has the advantage that the current heat can be introduced directly and very specifically locally through the usually thin metal layer 22 into the plastic layer 26.
  • This advantage is all the more pronounced when the second workpiece 14, here the full metal sheet 28, has a greater strength (thickness) than the outside first metal layer 22 of the laminate of the workpiece 12, so that a heat input via the metal layer 28 and additionally via the Metal layer 24 requires significantly more time than through the metal layer 22.
  • the electrical current heat introduced through the metal layer 22 therefore acts locally and directly on the plastic layer 26 underneath, without heat spreading to a disruptive extent in areas of the laminate outside the ring electrode 46 of the preheating electrode 44.
  • the ring electrode 46 delimits the area of the heat input and is essentially no larger or only slightly larger than the diameter of the welding electrode 50.
  • the ring electrode 46 of the preheating electrode 44 is attached to the first metal layer 22 on the outside in the region of the joint 16.
  • the preheating electrode 44 is then energized.
  • 4 shows a preheating circuit 70 with a voltage supply 72. As shown in FIG. 4, the preheating electrode 44 is contacted via the holder 55 (contacts 74 and 76). The current flow of the preheating current thus does not pass through the workpieces 12 and 14, but only along the surface of the metal layer 22 which is enclosed by the ring electrode 46. If the means 42 for introducing current heat have one or more induction coils, the heat-conducting introduction takes place without contact, ie no mechanical contact is established between a preheating electrode and the outer metal layer 22.
  • the welding electrode 50 is preferably moved away from the first metal layer 22 on the outside. It is thus located at a clear height from the workpieces 12 and 14.
  • the preheating electrode 44 can be energized with a current of, for example
  • the metal layer 22 is raised instantaneously in the region of the joint 16, ie in a time span of less than 5, preferably even less than 1 second, to a sufficiently high and homogeneous temperature to allow the field enclosed by the ring electrode 46 is a circular area and covers the joint 16 to soften the plastic layer 26 sufficiently.
  • the softening of the plastic layer 26 in the area of the joint 16 is therefore much faster and more targeted than in conventional methods in which a large-area preheating electrode is applied to the side of the second workpiece 14 facing away from the laminate of the workpiece 12.
  • FIG. 5 shows a step of pressing the layer arrangement of the workpieces 12 and 14 immediately following the instantaneous input of the electrical current heat.
  • the pressing takes place in the area of the joint 16 and serves to display the first metal layer 22 and the further metal layer 28 on the outside of the joint 16 in contact with one another, so that they are connected in an electrically conductive manner.
  • the previously softened plastic of the plastic layer 26 is displaced in the area of the joint 16.
  • the pressing takes place with the welding electrode 50, which is in the de-energized state during the pressing.
  • the welding electrode 50 is moved towards the metal layer 22 according to an arrow 78 in such a way that the welding electrode tip 52 presses the metal layer 22 against the metal layer 28 of the second workpiece 14.
  • the metal layer 22 and the metal layer 28 now make electrical contact conductive, and can also touch mechanically.
  • the preheating electrode 44 can continue to rest on the metal layer 22, as is shown in FIG. 5, but can also be raised from the metal layer 22.
  • the electrode arrangement comprising preheating electrode 44 and welding electrode 50 is not energized during the pressing step.
  • the pressing of the layer arrangement, which is formed by the first and second workpiece 12, 14, takes place in a period of less than one second.
  • the welding electrode 50 can be energized in order to join the outside first metal layer 22 and the further metal layer 28 at the joint 16 by resistance pressure welding.
  • the counter stand pressure welding is thus carried out from the same outside of the workpiece assembly 12 and 14 as the input of the instantaneous electrical current heat to soften the plastic layer.
  • a welding circuit 80 with a voltage supply 82 is shown.
  • the voltage supply 82 is connected to the welding electrode 50 via a contact 84, and is closed via the second workpiece 14, here the further metal layer 28 of the layer arrangement, as shown with a contact 86 on the metal layer 28.
  • a high welding current of several kA is used.
  • a schematically indicated weld nugget 88 is correspondingly formed, which connects the metal layers 22, 24 and 28 to one another in a fixed manner.
  • the lead to the preheating electrode 44 can be interrupted during the welding process in the preheating circuit 70 via, for example, relay switches 90 and 92.
  • an embossing can also be made in the layer arrangement in the area of the joint 16 by means of the welding electrode 50.
  • a one- or two-component adhesive is introduced between the two workpieces 12 and 14 in the joint gap between the metal layer 24 and the metal layer 28, which then hardens in the vicinity of the weld nugget 88 produced during resistance pressure welding and the joint strengthened or solidified.
  • the method and the device according to the invention can be used to join layered laminates with workpieces not in the form of circuit boards, in particular with workpieces which are designed as hollow bodies, as indicated in FIG. 1.
  • the second workpiece 14 in FIG. 1 which is shown as a tube open on one side, can also be designed as a completely closed tube.
  • the method according to the invention and the device according to the invention to join a laminate with a workpiece which is, for example, wholly or partially spherical, or which has different radii of curvature in two mutually perpendicular directions, such as a curved pipe, etc.
  • the first workpiece 12 and the second workpiece 14 can be joined at the same time at a plurality of joining points 16a and 16b or further joining points (not shown), which cannot be implemented with conventional methods or can only be implemented with increased effort.
  • 8 shows, by way of example, two electrode arrangements, each with a pair of electrodes comprising preheating electrode 44a and welding electrode 50a or preheating electrode 44b and welding electrode 50b, which work in parallel at joints 16a and 16b.
  • the totality of the electrode arrangements can be controlled by a common controller or by controllers individually assigned to each electrode pair.

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  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum einseitigen Fügen eines ersten Werkstückes (12) mit einem zweiten Werkstück (14) an einer Fügestelle (16) beschrieben, wobei das erste Werkstück (12) ein schichtförmiges Laminat aufweist, das zumindest eine Metallschicht und eine damit verbundene Kunststoffschicht aufweist, und wobei das zweite Werkstück (14) zumindest eine Metallschicht aufweist, und wobei das erste Werkstück (12) an der Fügestelle (16) an dem zweiten Werkstück (14) anliegt, so dass sich eine Schichtanordnung ergibt, die eine außenseitige erste Metallschicht (22) des einen Werkstückes aufweist, und bei der die Kunststoffschicht (26) zwischen der außenseitigen ersten Metallschicht (22) und einer weiteren Metallschicht (28) des anderen Werkstückes angeordnet ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Wärmeleitendes Einträgen von instantaner elektrischer Stromwärme lokal im Bereich der Fügestelle (16) durch die außenseitige erste Metallschicht (22) hindurch, um die Kunststoffschicht (26) im Bereich der Fügestelle (16) aufzuweichen; Pressen der Schichtanordnung im Bereich der Fügestelle (16), um die außenseitige erste Metallschicht (22) und die weitere Metallschicht (28) an der Fügestelle (16) miteinander in Kontakt zu bringen; Widerstandspressschweißen der außenseitigen ersten Metallschicht (22) und der weiteren Metallschicht (28) an der Fügestelle (16) mittels einer an die außenseitige erste Metallschicht (22) angesetzten Schweißelektrode (50). Des Weiteren wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Fügen eines ersten Werkstückes
mit einem zweiten Werkstück
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines ersten Werkstückes mit einem zweiten Werkstück an einer Fügestelle, wobei das erste Werkstück ein schichtförmiges Laminat aufweist, das zumindest eine Metallschicht und eine damit verbundene Kunst stoffschicht aufweist, und wobei das zweite Werkstück zumindest eine Metallschicht aufweist, und wobei das erste Werkstück an der Fügestelle an dem zweiten Werkstück anliegt, so dass sich eine Schichtanordnung ergibt, die eine außenseitige erste Metall schicht des einen Werkstückes aufweist, und bei der die Kunststoffschicht zwischen der außenseitigen ersten Metallschicht und einer weiteren Metallschicht des anderen Werk stückes angeordnet ist.
[0002] Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung, mit der insbesondere das vorstehend genannte Verfahren ausgeführt werden kann. [0003] Es sind Werkstücke aus Hybridwerkstoffen bekannt geworden, die ein schichtförmiges Laminat aufweisen. Ein solches schichtförmiges Laminat vereint die klassischen Werk stoffe Metall, insbesondere Stahl, und Kunststoff miteinander. Ein schichtförmiges Lami nat weist üblicherweise zwei äußere Metallschichten und eine Kunststoffschicht zwischen den beiden äußeren Metallschichten auf. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ein schichtförmiges Laminat aber auch nur eine Metallschicht und eine damit verbundene Kunststoffschicht aufweisen. Die Metallschicht oder -schichten kann bzw. können dünnes Stahlblech sein, und die Kunststoffschicht kann eine ein- oder mehrlagige Polymerschicht sein, die gegebenenfalls faserverstärkt ist. Solche Hybridwerkstoffe haben gegenüber den herkömmlichen Werkstoffen den Vorteil, dass sie deutlich leichter sind als herkömmliches Stahlvollblech, aber auch zugleich biege- und beulsteif sind. Aus diesem Grund eignen sich derartige schichtförmige Laminate sehr gut für den Karosseriebau von Kraftfahrzeu gen.
[0004] Ein schichtförmiges Laminat mit einer Kunststoffschicht stellt allerdings hohe
Anforderungen an die Fügetechnik, wenn ein solches schichtförmiges Laminat mit einem anderen Werkstück durch Widerstandspressschweißen, insbesondere Widerstandspunkt schweißen gefügt werden soll, unabhängig ob das andere Werkstück ein Vollmetallwerk stück ist oder ebenfalls ein schichtförmiges Laminat aus Metall und Kunststoff ist.
[0005] Bisher wurden zum Fügen eines Werkstückes, das ein schichtförmiges Laminat aufweist, mit einem anderen metallischen Werkstück durch Widerstandspunktschweißen drei Elektroden verwendet. Zwei von diesen Elektroden bilden dabei ein Paar Elektroden zum Schweißen, die von gegenüberliegenden Außenseiten der Anordnung aus erstem und zweiten Werkstück angreifen, d.h. eine Elektrode befindet sich auf einer ersten Außensei te der Werkstückanordnung, und die andere auf der der ersten Außenseite gegenüberlie genden Außenseite der Werkstückanordnung. Dies bedingt es, dass beide Außenseiten der Werkstückanordnung metallisch sein müssen, um den Stromfluss zwischen beiden Elektroden zu gewährleisten. Des Weiteren bilden zwei der drei Elektroden ein weiteres Elektrodenpaar, das von der Außenseite des mit dem Laminat zu fügenden Werkstückes angreift, und mit dem über eine Vorerwärmung die für das nachfolgende Punktschweißen erforderliche Umgebungsparameter des Schweißpunktes, insbesondere Temperatur und elektrische Leitfähigkeit, hergestellt werden. Durch die Vorerwärmung wird dabei die Kunststoffschicht soweit aufgeweicht, dass sie schmilzt, so dass durch Ausüben eines Druckes auf die Werkstückanordnung die außenseitigen Metallschichten in Kontakt gebracht werden, so dass mit den beiden Elektroden des zuerst genannten Elektroden paars die Schweißung durchgeführt werden kann.
[0006] Dieses bisherige Verfahren hat folgende Nachteile. Das schichtförmige Laminat kann nur mit einem Stahlvollblech geschweißt werden. Das Schweißen des Laminats mit bei spielsweise einem rohrförmigen Werkstück ist zumindest mit einfacher Elektrodengeomet rie nicht möglich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Erwärmung der Kunststoff schicht des schichtförmigen Laminats über die Außenseite des mit dem Laminat zu fügenden zweiten Werkstückes erfolgt. Hierzu wird nämlich eine flächige Elektrode am zweiten Werkstück benötigt, um das schichtförmige Laminat durch das zweite Werkstück hindurch zu erwärmen, wobei der Bereich der Erwärmung signifikant größer ist als die Fügestelle bzw. der Schweißpunkt selbst. Auch hier besteht wiederum eine besondere Schwierigkeit, wenn das mit dem Laminat zu fügende Werkstück ein Rohr ist. Durch die vorstehend beschriebene 3-Elektroden-Anordnung ist die Schweißvorrichtung außerdem komplex und aufwändig. Das bisherige Verfahren bedingt nachteilhafterweise außerdem eine geometrische wie elektrisch-thermische Abstimmung der Verfahrensparameter mit drei unterschiedlichen Elektroden.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll das Verfahren mit gegenüber dem herkömmlichen Verfahren verringertem Aufwand durchführbar sein. Mit dem Verfah ren und der Vorrichtung soll es insbesondere möglich sein, nicht nur blech- bzw. platinen förmige Werkstücke miteinander zu fügen. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens soll weniger komplex und weniger kostenaufwändig sein.
[0008] Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Fügen eines ersten Werkstückes mit einem zweiten Werkstück an einer Fügestelle bereitgestellt, wobei das erste Werkstück ein schichtförmiges Laminat aufweist, das zumindest eine Metallschicht und eine damit verbundene Kunststoffschicht aufweist, und wobei das zweite Werkstück zumindest eine Metallschicht aufweist, und wobei das erste Werkstück an der Fügestelle an dem zweiten Werkstück anliegt, so dass sich eine Schichtanordnung ergibt, die eine außenseitige erste Metallschicht des einen Werkstückes aufweist, und bei der die Kunststoffschicht zwischen der außenseitigen ersten Metallschicht und einer weiteren Metallschicht des anderen Werkstückes angeordnet ist, mit den Schritten:
Wärmeleitendes Einträgen von instantaner elektrischer Stromwärme lokal im Bereich der Fügestelle durch die außenseitige erste Metallschicht hindurch, um die Kunststoffschicht im Bereich der Fügestelle aufzuweichen,
Pressen der Schichtanordnung im Bereich der Fügestelle, um die außenseitige erste Metallschicht und die weitere Metallschicht an der Fügestelle miteinander in Kontakt zu bringen,
Widerstandspressschweißen der außenseitigen ersten Metallschicht und der weiteren Metallschicht an der Fügestelle mittels einer an die außenseitige erste Metallschicht angesetzten Schweißelektrode.
[0009] Weiterhin erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Fügen eines ersten Werkstückes mit einem zweiten Werkstück und einer Fügestelle bereitgestellt, wobei das erste Werk stück ein schichtförmiges Laminat aufweist, das zumindest eine Metallschicht und eine damit verbundene Kunststoffschicht aufweist, und wobei das zweite Werkstück zumindest eine weitere Metallschicht aufweist, und wobei das erste Werkstück an der Fügestelle an dem zweiten Werkstück anliegt, so dass sich eine Schichtanordnung ergibt, die eine außenseitige erste Metallschicht aufweist, und bei der die Kunststoffschicht zwischen der außenseitigen ersten Metallschicht und der weiteren Metallschicht angeordnet ist, mit:
Mitteln zum wärmeleitenden Einträgen von instantaner elektrischer Stromwärme lokal im Bereich der Fügestelle durch die außenseitige erste Metallschicht hindurch, um die Kunststoffschicht im Bereich der Fügestelle aufzuweichen, Mitteln zum Pressen der Schichtanordnung im Bereich der Fügestelle, um die außenseiti ge erste Metallschicht und die weitere Metallschicht an der Fügestelle miteinander in Kontakt zu bringen, einer bestrombaren Schweißelektrode zum Widerstandspressschweißen der außenseiti gen ersten Metallschicht und der weiteren Metallschicht an der Fügestelle, wobei die Schweißelektrode an einer selben Arbeitsseite angeordnet ist wie die Mittel zum Einträ gen der Stromwärme.
[0010] Das erfindungsgemäße Verfahren löst sich von dem bisherigen Konzept, das Aufweichen bzw. Aufschmelzen der Kunststoffschicht im schichtförmigen Laminat und das Schweißen von gegenüberliegenden Außenseiten der Werkstückanordnung aus erstem und zweiten Werkstück durchzuführen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Aufweichen bzw. Aufschmelzen der Kunststoffschicht in dem schichtförmigen Laminat vielmehr von derselben außenseitigen ersten Metallfläche der Schichtanordnung her wie das Schwei ßen der außenseitigen Metallschicht mit der weiteren Metallschicht. Die außenseitige erste Metallschicht kann dabei die vom anderen Werkstück abgewandte außenseitige Metallschicht des Laminats sein, und die weitere Metallschicht kann die einzige Metall schicht des anderen Werkstückes sein, bspw. wenn dieses als Vollmetallwerkstück ausgebildet ist, oder die weitere Metallschicht kann die dem Laminat zugewandte außen seitige Metallschicht des anderen Werkstückes sein, wenn dieses ebenfalls als schicht förmiges Laminat ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die außenseitige erste Metallschicht die vom anderen Werkstück abgewandte außenseitige Metallschicht des Laminats ist, da kein Wärmeübertrag vom zweiten Werkstück auf das Laminat erforderlich ist, wie dies bei herkömmlichen Verfahren der Fall ist. Der Stromwärmeeintrag in die Kunststoffschicht kann auch gezielter und insbesondere lokal auf die Fügestelle begrenzt durchgeführt werden. Dadurch, dass der Wärmeeintrag in die Kunststoffschicht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gezielter und lokaler an der Fügestelle erfolgen kann, werden auch Gasemissionen, die durch die aufgeschmolzene Kunststoffschicht verursacht werden, deutlich reduziert gegenüber den bisherigen Verfahren, bei denen das schichtförmige Laminat flächig aufgeheizt wird. Der Stromwärmeeintrag in die Kunststoff schicht erfolgt des Weiteren instantan, worunter eine Zeitdauer von vorzugsweise weniger als 5 Sekunden, weiter vorzugsweise weniger als 3 Sekunden, weiter vorzugsweise
weniger als 1 Sekunde verstanden wird.
[0011] Auch das Pressen der Schichtanordnung und damit des Laminats wird an der Fügestelle vorzugsweise von der außenseitigen ersten Metallschicht her durchgeführt, um diese mit der weiteren Metallschicht in Kontakt zu bringen. "In Kontakt Bringen" bedeutet hier nicht zwingend einen mechanischen Kontakt, sondern ein elektrischer oder galvanischer Kontakt ist ausreichend, so dass ein elektrischer Stromfluss von der einen Metallschicht in die andere Metallschicht möglich ist. Beispielsweise können zwischen der außenliegen den ersten Metallschicht und der weiteren Metallschicht eine oder mehrere weitere Metallschichten des einen und/oder anderen der beiden Werkstücke vorhanden sein, durch die der Stromfluss dann zusätzlich hindurchgeht. Es ist aber auch möglich, dass das Pressen die beiden genannten Metallschichten auch mechanisch in Kontakt bringt.
[0012] Weiter erfindungsgemäß findet das Widerstandspressschweißen der außenseitigen
ersten Metallschicht des einen Werkstückes und der weiteren Metallschicht des anderen Werkstückes an der Fügestelle mittels einer Schweißelektrode statt, die an die außensei tige erste Metallschicht angesetzt wird. Somit finden alle vorstehend genannten Arbeits schritte von derselben Außenseite der Werkstückanordnung aus erstem und zweitem Werkstück her statt, vorzugsweise von der Außenseite des Laminats her. Damit können technische Einrichtungen, wie beispielsweise ein Elektrodenpaar, deren Elektroden von gegenüberliegenden Außenseiten der Anordnung angreifen, vollständig entfallen. Außer dem lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Laminat mit einem nicht platinenförmigen Werkstück, insbesondere einem Werkstück, das eine komplexe Geometrie aufweist, oder das beispielsweise in Form eines Hohlkörpers ausgebildet ist, zusammenschweißen. Es ist sogar möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Laminat mit einem Werkstück zu fügen, das beispielsweise ganz oder teilweise kugelförmig ist, oder das in zwei zueinander senkrechten Richtungen unterschiedliche Krümmungsradien aufweist, wie beispielsweise ein gekrümmtes Rohr.
[0013] Beim Widerstandspressschweißen mit der Schweißelektrode gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren kann der Stromkreis über die weitere Metallschicht oder allgemein über das Werkstück, das die weitere Metallschicht aufweist, geschlossen
werden, ohne dass hierzu eine Elektrodenanordnung an diesem Werkstück erforderlich ist.
[0014] Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die gleichen Vorteile auf wie das
erfindungsgemäße Verfahren. Darüber hinaus benötigt die Vorrichtung lediglich techni sche Einrichtungen, die im Betrieb der Vorrichtung auf einer einzigen Arbeitsseite der Werkstückanordnung angeordnet sind, um die oben genannten Schritte des erfindungs gemäßen Verfahrens auszuführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit weniger aufwändig und weniger komplex.
[0015] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Widerstandspressschweißen mit der
Schweißelektrode der Schweißstromkreis über die weitere Metallschicht oder über das Werkstück, das die weitere Metallschicht aufweist, geschlossen.
[0016] Vorteilhafterweise kann hierdurch eine Schweißgegenelektrode, die an das zweite
Werkstück angesetzt wird, gänzlich entfallen.
[0017] Das Einträgen von instantaner elektrischer Stromwärme durch die außenseitige erste
Metallschicht hindurch kann ein Ansetzen einer Vorheizelektrode an die außenseitige erste Metallschicht im Bereich der Fügestelle und ein Bestromen der Vorheizelektrode aufweisen.
[0018] Das Einträgen von Stromwärme in die Kunststoffschicht über eine bestrombare
Vorheizelektrode hat den Vorteil, dass der Wärmeeintrag in die Kunststoffschicht gezielt lokal und in sehr kurzer Zeit, beispielsweise weniger als 1 Sekunde erfolgen kann, um die Kunststoffschicht aufzuweichen. Die Stromstärke der Bestromung der Vorheizelektrode wird ausreichend hoch gewählt, beispielsweise im Bereich von über 1 kA. Die außenseiti ge erste Metallschicht, an deren Außenseite die Vorheizelektrode angesetzt wird, wird dadurch auf eine ausreichend hohe Temperatur angehoben, um nur in dem Bereich, in dem die Vorheizelektrode angesetzt ist, die Kunststoffschicht hinreichend aufzuweichen. [0019] In weiterer Ausgestaltung kann das wärmeleitende Einträgen von instantaner elektrischer Stromwärme durch die außenseitige erste Metallschicht hindurch ein induktives Erwärmen der außenseitigen ersten Metallschicht aufweisen.
[0020] Durch Induktion kann die außenseitige erste Metallschicht ebenfalls sehr rasch erwärmt werden, um die darunter liegende Kunststoffschicht aufzuschmelzen. Der Stromwärme eintrag in die Kunststoffschicht kann hierbei ebenfalls gezielt lokal auf die Fügestelle begrenzt durchgeführt werden. Der Vorteil eines induktiven Wärmeeintrags ist, dass der Wärmeeintrag berührungslos erfolgen kann. Hierzu kann beispielsweise zumindest eine Induktionsspule verwendet werden. Die Induktionsspule kann optional in die Schwei ßelektrode integriert sein, so dass eine separate Vorheizelektrode entfallen kann.
[0021] Weiter vorzugsweise wird während des Pressens der Schichtanordnung und damit
Pressens des Laminats die Vorheizelektrode nicht mit Strom beaufschlagt. Die Vorheiz elektrode kann während des Pressens von der außenseitigen ersten Metallschicht beabstandet werden.
[0022] Weiter vorzugsweise wird das Pressen mittels der Schweißelektrode durchgeführt.
[0023] Der Vorteil hierbei ist, dass auf ein zusätzliches Presswerkzeug verzichtet werden kann und die Schweißelektrode zwei Funktionen ausüben kann, nämlich einerseits das Pres sen der Schichtanordnung, um die außenseitige erste Metallschichten und die weitere Metallschicht miteinander in Kontakt zu bringen, und das Schweißen dieser beiden Metallschichten.
[0024] Vorzugsweise wird die Schweißelektrode während des Pressens nicht bestromt.
Hierdurch wird vorteilhafterweise ein vorzeitiges Schweißen des ersten Werkstückes an das zweite Werkstück vermieden, da eine solche unerwünschte vorzeitige Schweißung fehlerhaft sein kann. Erst wenn ein ausreichender Stromfluss zwischen der außenseitigen ersten Metallschicht und der weiteren Metallschicht durch das Pressen sichergestellt ist, wird die Schweißelektrode aktiviert. [0025] Wie bereits oben erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn das Einträgen von Stromwärme in die Kunststoffschicht lokal auf den Bereich der Fügestelle begrenzt ist. Hierdurch wird ein Aufweichen oder gar Aufschmelzen und Vergasen der Kunststoffschicht in nicht zu fügenden Bereichen des Laminats vermieden, wodurch nicht nur Gasemissionen reduziert werden, sondern auch die mechanischen Eigenschaften des Laminats nicht beeinträchtigt werden.
[0026] Vorzugsweise wird das Einträgen von Stromwärme zum Zwecke des Aufweichens der
Kunststoffschicht so durchgeführt, dass sich eine homogene Temperaturverteilung in der außenseitigen ersten Metallschicht und damit in der Kunststoffschicht im Bereich der Fügestelle durchgeführt. Hierbei ist von Vorteil, dass aufgrund der homogenen Tempera turverteilung auch das Aufweichen der Kunststoffschicht im Bereich der Fügestelle homogen ist, und damit beim Pressen des Laminats die außenseitige erste Metallschicht und die weitere Metallschicht im Bereich der Fügestelle in gleichmäßigen Kontakt ge bracht werden können.
[0027] Das Pressen kann auch ein Prägen der Schichtanordnung umfassen. Hierbei ist von
Vorteil, dass ein weiterer Arbeitsschritt insbesondere mittels der Schweißelektrode, vorzugsweise im unbestromten Zustand, durchgeführt werden kann, wodurch die Schwei ßelektrode eine weitere Funktion erhält.
[0028] Im Unterschied zu den herkömmlichen Verfahren kann bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren sowohl das erste als auch das zweite Werkstück jeweils ein schichtförmiges Laminat aufweisen, das zumindest eine Metallschicht und eine damit verbundene Kunst stoffschicht aufweist. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen zweier schichtförmiger Laminate aneinander verwendet werden.
[0029] Zumindest eines der Werkstücke kann ein schichtförmiges Laminat aufweisen, das
zwischen zwei Metallschichten eine Kunststoffschicht aufweist.
[0030] Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann ein ein- oder zweikomponentiger
Klebstoff an der Fügestelle zwischen die beiden Werkstücke eingebracht werden, der in der Umgebung der beim Widerstandspressschweißen entstehenden Schweißlinse
aushärtet. Hierdurch kann die Fügung vorteilhaft verstärkt werden.
[0031] In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Mittel zum Einträgen von Stromwärme eine bestrombare Vorheizelektrode auf.
[0032] Vorzugsweise ist die Vorheizelektrode als Ringelektrode oder Teilringelektrode
ausgebildet. Mit einer Ringelektrode oder Teilringelektrode kann auf einfache Weise auf der außenseitigen ersten Metallschicht ein homogener Temperaturspot erzeugt werden, der die darunterliegende Kunststoffschicht homogen aufweicht.
[0033] Die (unterseitige oder distalseitige) Auflagefläche der Ringelektrode, mit der sie zum
Einträgen instantaner elektrischer Stromwärme auf eines der Werkstücke aufgesetzt wird, ist vorzugsweise an die Oberflächengeometrie des Werkstückes angepasst, so dass sie gleichmäßig und flächig aufliegt. Die Auflagefläche kann in einer Ebene liegen, d.h. plan sein. Die Auflagefläche kann aber auch gewölbt sein, bspw. konkav oder konvex, ent sprechend der Oberflächengeometrie des Werkstückes. So ist bspw. eine sphärische, elliptische oder sattelförmige Kontur der Auflagefläche möglich. Die Auflagefläche der Ringelektrode 46 kann glatt sein. Sie kann aber auch eine Strombeiwert-optimierte Textur aufweisen.
[0034] Die Schweißelektrode ist vorzugsweise innerhalb der Vorheizelektrode, insbesondere koaxial zu dieser, angeordnet. Hierdurch entsteht eine besonders kompakte Anordnung aus Vorheizelektrode und Schweißelektrode.
[0035] Vorzugsweise sind die Mittel zum Einträgen von Stromwärme, die gemäß einer der oben genannten Ausgestaltungen als Vorheizelektrode ausgebildet sein können, in Richtung zur außenseitigen ersten Metallschicht hin bzw. von dieser weg verfahrbar. Das Gleiche gilt vorzugsweise für die Schweißelektrode.
[0036] Die Schweißelektrode und die Vorheizelektrode sind vorzugsweise relativ zueinander verfahrbar. [0037] Die vorstehend genannten Maßnahmen sind für eine automatisierte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft.
[0038] Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Vorheizelektrode und die Schweißelektrode
unabhängig voneinander bestrombar sind.
[0039] Somit können die Schritte des Eintragens von Stromwärme und des Widerstandspress schweißens durch entsprechendes automatisiertes Bestromen der Vorheizelektrode und der Schweißelektrode mit kurzen Takt- bzw. Zykluszeiten durchgeführt werden.
[0040] Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Schweißelektrode zum Pressen der
Schichtanordnung ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Schweißelektrode auch zum Prägen der Schichtanordnung ausgebildet.
[0041] Die Schweißelektrode und/oder die Vorheizelektrode können dünne Kanäle für Luft- oder
Wasserkühlung aufweisen, um die Lebensdauer der Schweiß- und/oder Vorheizelektrode im hochtaktigen Serienbetrieb zu erhöhen.
[0042] Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine Steuerung für die Mittel zum Einträgen von
Stromwärme, die Mittel zum Pressen und die Schweißelektrode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer oder mehreren der oben genannten Ausge staltungen auf. Die Steuerung kann insbesondere dazu ausgelegt sein, die Mittel zum Einträgen von Stromwärme, die Mittel zum Pressen und die Schweißelektrode in einem hochtaktigen automatisierten Prozess zu steuern. Die Steuerung kann dazu ausgelegt sein, die Vorheizelektrode und die Schweißelektrode in ihrer Verfahrrichtung zu bewegen, relativ zueinander zu bewegen und den Schweißstrom und den Vorheizstrom zu steuern.
[0043] Insbesondere kann die Steuerung dazu ausgelegt sein, ein automatisches Umschalten zwischen dem Vorheizstroms, mit dem die Vorheizelektrode beaufschlagt wird, und dem Schweißstrom, mit dem die Schweißelektrode beaufschlagt wird, zu steuern. [0044] Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere eine Mehrzahl an insbesondere gleichzeitig arbeitenden Fügestationen aufweisen, die von einer gemeinsamen Steuerung gesteuert werden.
[0045] Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung erlauben kurze
Zykluszeiten, eine gute lokale Fügung der miteinander zu fügenden Werkstücke, einen geringen Bauteilverzug durch Schweißwärme, eine gute Automatisierungsfähigkeit, eine hohe Energieeffizienz, und eignen sich sehr gut für größere Teile. Außerdem sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung an vielfältige Geometrien von Werkstücken anpassbar.
[0046] Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
[0047] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu
erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0048] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit
Bezug auf diese nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum einseitigen Fügen eines ersten Werkstückes mit einem zweiten Werkstück;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Schweißkopfes der Vorrichtung in Fig. 1 in
Alleinstellung;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Elektrodenanordnung des Schweißkopfes in Fig. 2 in Alleinstellung; Fig. 4 einen Schnitt durch die Vorrichtung in Fig. 1 entlang der Linie IV-IV in Fig. 1 , wobei Fig. 4 einen Verfahrensschritt eines Verfahrens zum einseitigen Fügen des ersten und zweiten Werkstückes veranschaulicht;
Fig. 5 einen Schnitt durch die Vorrichtung in Fig. 1 entlang der Linie IV-IV in Fig. 1 , wobei Fig. 5 einen weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens zum einseitigen Fügen des ersten und zweiten Werkstückes veranschaulicht;
Fig. 6 einen Schnitt durch die Vorrichtung in Fig. 1 entlang der Linie IV-IV in Fig. 1 , wobei Fig. 6 einen weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens zum einseitigen Fügen des ersten und zweiten Werkstückes veranschaulicht;
Fig. 7A-7C Beispiele für Werkstücke, die mit der Vorrichtung in Fig. 1 und dem Verfahren in Fig. 4 bis 6 gefügt werden können; und
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht, ähnlich zu Fig. 1 , zum gleichzeitigen Fügen des ersten und des zweiten Werkstückes an mehreren Fügestellen.
[0049] In Fig. 1 ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Vorrichtung zum
einseitigen Fügen eines ersten Werkstückes 12 mit einem zweiten Werkstück 14 an einer Fügestelle 16 gezeigt. Die Geometrie des ersten Werkstückes 12 ist in Fig. 1 beispielhaft zu verstehen. Das Werkstück 12 ist in Fig. 1 als U-förmiger Körper 18 mit zwei abgewin kelten Flanschen 20 als Beispiel dargestellt. Das zweite Werkstück 14 ist beispielhaft als rohrförmiger Körper gezeigt. Das Beispiel des Werkstückes 12 zeigt, dass die Vorrichtung 10 auch an schwer zugänglichen Bereichen von aneinander zu fügenden Werkstücken gut einsetzbar ist.
[0050] Mit Bezug auf Fig. 7A bis 7C werden nachfolgend zunächst Beispiele für Strukturen erster
Werkstücke und zweiter Werkstücke beschrieben, die mit der Vorrichtung in Fig. 1 gefügt werden können. Zumindest eines der beiden Werkstücke ist dabei als schichtförmiges Laminat ausgebildet, beispielsweise das erste Werkstück 12, wie in Fig. 7A gezeigt ist. In dem Ausführungsbeispiel in Fig. 7A weist das erste Werkstück 12 ein schichtförmiges Laminat auf, das eine erste Metallschicht 22, eine zweite Metallschicht 24 und eine
Kunststoffschicht 26, beispielsweise eine Polymerschicht, zwischen der ersten Metall schicht 22 und der zweiten Metallschicht 24 aufweist. Die beiden Metallschichten 22 und 24 und die Kunststoffschicht 26 sind fest miteinander verbunden. Das zweite Werkstück 14 ist in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 7A als Vollmetallblech 28 ausgebildet. Ein Kreis 30 bezeichnet beispielhaft die Fügestelle 16, an der die beiden Werkstücke 12 und 14 aneinander gefügt werden können. Es versteht sich, dass die Werkstücke 12 und 14 an einer Mehrzahl von Fügestellen 16 gefügt werden können, ja nach Ausgestaltung der Werkstücke und geforderter Festigkeit der daraus resultierenden Werkstückanordnung aus erstem und zweitem Werkstück 12 und 14.
[0051] Die erste Metallschicht 22 ist ein Beispiel einer außenseitigen ersten Metallschicht des einen Werkstückes, und das Vollmetallblech 28 ist ein Beispiel für eine weitere Metall schicht des anderen Werkstückes.
[0052] Fig. 7B zeigt unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 7A eine
Ausgestaltung der Struktur des ersten Werkstückes 12, die nur die erste Metallschicht 22 und die damit fest verbundene Kunststoffschicht 26 aufweist. Das Werkstück 12 in Fig. 7B weist demnach nicht die zweite Metallschicht 24 auf. Das zweite Werkstück 14 weist wiederum das Vollmetallblech 28 auf. Eine beispielhafte Fügestelle 16 ist durch einen Kreis 30 bezeichnet. Bei der Werkstückanordnung in Fig. 7B ist die erste Metallschicht 22 ein Beispiel für eine außenseitige erste Metallschicht des einen Werkstücks, und das Vollmetallblech 28 ist ein Beispiel für eine weitere Metallschicht des anderen Werkstü ckes.
[0053] Fig. 7C zeigt unter Verwendung der Bezugszeichen in Fig. 7A ein weiteres
Ausführungsbeispiel für eine Struktur eines ersten Werkstückes 12 und eines zweiten Werkstückes 14. Das Werkstück 12 in Fig. 7C ist so ausgebildet wie das Werkstück 12 in Fig. 7A, d.h. als schichtförmiges Laminat mit Metallschichten 22, 24 und einer dazwischen liegenden, mit den Metallschichten 22, 24 fest verbundenen Kunststoffschicht 26. In Fig. 7C ist das zweite Werkstück 14 ebenfalls als schichtförmiges Laminat ausgebildet, und weist eine erste Metallschicht 32, eine zweite Metallschicht 34 und eine dazwischen eingebettete Kunststoffschicht 36 auf, die mit den Metallschichten 32 und 34 fest verbun- den ist. Die erste Metallschicht 22 des Werkstückes 12 ist ein Beispiel für eine außensei tige erste Metallschicht des einen Werkstückes, und die Metallschicht 32 des Werkstü ckes 14 ist ein Beispiel für eine weitere Metallschicht des anderen Werkstückes. Ebenso ist aber auch die Metallschicht 34 des Werkstückes 14 ein Beispiel für eine außenseitige erste Metallschicht des einen Werkstückes, und die Metallschicht 24 ein Beispiel für eine weitere Metallschicht des anderen Werkstückes. Eine beispielhafte Fügestelle 16 ist durch einen Kreis 30 angedeutet.
[0054] Alle zuvor genannten Metallschichten können Stahlblech oder allgemein aus Stahl
gefertigt sein.
[0055] Die Ausführungsbeispiele in Fig. 7A bis 7C sind nicht als abschließende Aufzählung von möglichen Strukturen des ersten und zweiten Werkstückes 12, 14 zu verstehen. So kann beispielsweise das Laminat in Fig. 7C des Werkstückes 14 nur die Metallschicht 32 oder die Metallschicht 34 und die Kunststoffschicht 36 aufweisen, oder nur die beiden Metall schichten 32 und 34. Die Ausführungsbeispiele in den Fig. 7A bis 7C sollen veranschauli chen, dass mit der noch zu beschreibenden Vorrichtung und dem noch zu beschreiben den Verfahren ein Laminat, das zumindest eine Metallschicht und eine Kunststoffschicht aufweist, mit einem weiteren Laminat oder mit einem ein- oder mehrlagigen Vollmetall blech, wie in Fig. 7A und 7B gezeigt ist, gefügt werden kann.
[0056] Wieder mit Bezug auf Fig. 1 und zusätzlich auf Fig. 2 und 3 wird nachfolgend die
Vorrichtung 10 zum einseitigen Fügen des ersten Werkstückes 12 mit dem zweiten Werkstück 14 an der Fügestelle 16 beschrieben. Als Flauptbestandteile weist die Vorrich tung 10 Mittel zum wärmeleitenden lokalen Einträgen von instantaner elektrischer Strom wärme im Bereich der Fügestelle 16, Mittel zum Pressen der Schichtanordnung, die sich durch das Aneinanderliegen des ersten und zweiten Werkstückes 12, 14 ergibt, und eine bestrombare Schweißelektrode zum Widerstandspressschweißen der Werkstücke 12 und 14 aneinander auf. Diese vorstehend genannten Mittel und die Schweißelektrode sind bei der Vorrichtung in einem Schweißkopf 40 zusammengefasst, der insgesamt sehr kompakt ist und nur an einer Seite der Werkstückanordnung aus dem ersten und zweiten Werk stück 12, 14 angreift, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die für das Fügen benötigten Elektroden, und zwar eine Vorheizelektrode und eine Schweißelektrode, die nachfolgend noch
beschrieben werden, sind in dem Schweißkopf 40 zusammengefasst.
[0057] Die Mittel 42 zum Einträgen von instantaner elektrischer Stromwärme weisen eine
bestrombare Vorheizelektrode 44 auf. Die Vorheizelektrode 44 ist als Ringelektrode 46 ausgebildet, wie in Fig. 2 zu sehen ist. Die Vorheizelektrode 44 kann auch als Teilrin gelektrode ausgebildet sein, d.h. als nicht über einen vollen Umfang geschlossene Elektrode.
[0058] In weiteren Ausgestaltungen können die Mittel 42 zum Einträgen von instantaner
elektrischer Stromwärme eine oder mehrere Induktionsspulen aufweisen. Die eine oder mehreren Induktionsspulen können in den Schweißkopf 40 integriert sein, beispielsweise in deie Schweißelektrode 50.
[0059] Gemäß Fig. 3 weist die Vorheizelektrode 44 einen Schaft 48 auf, an dessen äußerem
Ende die Ringelektrode 46 angeordnet ist. Die (unterseitige oder distalseitige) vorzugs weise runde, insbesondere kreisringförmige Auflagefläche der Ringelektrode 46, mit der sie auf die außenseitige erste Metallschicht aufgesetzt wird verläuft im Wesentlichen senkrecht zum Schaft 48. Die Auflagefläche kann in einer Ebene liegen, d.h. plan sein. Die Auflagefläche kann aber auch gewölbt sein, bspw. konkav oder konvex, oder allge mein an die Oberflächengeometrie des Werkstückes angepasst sein, auf das die Rin gelektrode 46 aufgesetzt wird. So ist bspw. eine sattelförmige Kontur der Auflagefläche möglich. Die Auflagefläche der Ringelektrode 46 kann glatt sein. Sie kann aber auch eine Strombeiwert-optimierte Textur aufweisen.
[0060] Die Schweißelektrode 50 ist als Punktschweißelektrode ausgebildet und weist eine
Schweißelektrodenspitze 52 auf, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Die Schweißelektrode 50 weist einen Schaft 54 auf, an dessen der Ringelektrode 46 der Vorheizelektrode 44 zugewandten Ende die Schweißelektrodenspitze 52 angeordnet ist.
[0061 ] Wie aus Fig. 2 und 3 weiter hervorgeht, ist die Schweißelektrode 50 innerhalb der
Vorheizelektrode 44 angeordnet, wobei die Schweißelektrode 50 insbesondere koaxial zur Vorheizelektrode 44 angeordnet ist. Die Vorheizelektrode kann somit auch als Au ßenelektrode und die Schweißelektrode als Innenelektrode einer koaxialen Elektrodenan ordnung bezeichnet werden.
[0062] Die Vorheizelektrode 44 und die Schweißelektrode 50 sind gemeinsam in einem Halter 55 angeordnet. Der Halter 55 dient dabei auch zur elektrischen Kontaktierung der Vorheiz elektrode 44. Die Vorheizelektrode 44 und die Schweißelektrode 50 sind weiterhin mit einem Antriebselement 56 verbunden, das mit einem nicht gezeigten Antrieb in Verbin dung steht. Über den Antrieb sind die Vorheizelektrode 44 und die Schweißelektrode 50 in Richtung einer Längsachse 58 gemäß einem Doppelpfeil 60 verfahrbar. Dabei sind die Vorheizelektrode 44 und die Schweißelektrode 50 in Richtung der Längsachse 58 unab hängig voneinander verfahrbar. Auf diese Weise können die Vorheizelektrode 44 und die Schweißelektrode 50 einzeln oder gemeinsam in Richtung zu den Werkstücken 12 und 14 hin und von diesen weg verfahren werden, wie später noch beschrieben wird. Die Vor heizelektrode 44 und die Schweißelektrode 50 können über eine oder mehrere Federn (nicht gezeigt) in eine Ausgangsstellung vorgespannt sein, aus der sie gegen die Feder wirkung aktiv verfahren werden können.
[0063] Die Vorheizelektrode 44 und die Schweißelektrode 50 sind unabhängig voneinander bestrombar. Sie sind entsprechend unabhängig voneinander kontaktiert. Die Vorheizelekt rode 44 und die Schweißelektrode 50 sind elektrisch voneinander getrennt, so dass ein direkter Stromfluss zwischen der Vorheizelektrode 44 und der Schweißelektrode 50 unterbunden ist. Die elektrische bzw. galvanische Trennung kann über Isolatoren und/oder Luftabstände erreicht werden. Das Bestromen der Vorheizelektrode 44 und der Schweißelektrode 50 bei der Durchführung des Verfahrens zum Fügen der Werkstücke 12 und 14 wird nachfolgend noch beschrieben.
[0064] Die Vorheizelektrode 44 und die Schweißelektrode 50 können mit Kanälen zur Luft- oder
Wasserkühlung versehen sein, die in Fig. 3 mit unterbrochenen Linien 62 für die Schwei ßelektrode 50 und Linien 64 für die Vorheizelektrode 44 angedeutet sind. [0065] Die Schweißelektrode 50 dient nicht nur zum Widerstandspressschweißen, insbesondere Widerstandspunktschweißen der Werkstücke 12 und 14 aneinander, sondern stellt auch ein Mittel zum Pressen der Werkstücke 12 und 14 aneinander dar, um, wie später noch beschrieben wird, nach dem Einträgen der instantanen elektrischen Stromwärme in die Kunststoffschicht (26 und/oder 36 in Fig. 7A und 7C), die außenliegende erste Metall schicht und die weitere Metallschicht, die miteinander zu schweißen sind, miteinander in Kontakt zu bringen, so dass ein für das Schweißen erforderlicher Stromfluss durch diese Metallschichten ermöglicht wird.
[0066] Des Weiteren kann die Schweißelektrode 50 zusätzlich zum Prägen der
Werkstückanordnung aus Werkstücken 12 und 14 ausgebildet sein bzw. dafür genutzt werden.
[0067] Die Vorrichtung 10 weist weiterhin eine Steuerung 66 auf, die in Fig. 1 angedeutet ist, und die dazu ausgelegt ist, die Vorheizelektrode 44 und die Schweißelektrode 50 sowohl hinsichtlich ihrer Bestromung als auch ihrer Bewegung in Richtung der Längsachse 58 zu steuern.
[0068] Mit Bezug auf Fig. 4 bis 6 wird nachfolgend ein Verfahren zum einseitigen Fügen des ersten Werkstückes 12 mit dem zweiten Werkstück 14 an der Fügestelle 16 beschrieben. Fig. 4 bis 6 sind Schnittdarstellungen entlang der Linie IV-IV in Fig. 1 .
[0069] Das Verfahren wird nachfolgend anhand des Ausführungsbeispiels der Struktur des
Werkstücks 12 und des Werkstücks 14 gemäß Fig. 7A erläutert. Es versteht sich jedoch, dass die nachfolgende Beschreibung in gleicher Weise auf die Ausführungsbeispiele der Strukturen der Werkstücke 12 und 14 gemäß Fig. 7B und 7C übertragbar ist, sowie auf weitere nicht gezeigte Ausführungsbeispiele von Strukturen von Werkstücken. Das Verfahren kann allgemein zum Fügen schichtförmiger Laminate mit einem anderen Werkstück aus Vollmetall oder ebenfalls aus schichtförmigem Laminat angewandt wer den. [0070] In Fig. 4 liegen die Werkstücke 12 und 14 bereits aneinander, sind jedoch noch nicht aneinander gefügt. Indem die Werkstücke 12 und 14 gemäß Fig. 4 aneinanderliegen, ergibt sich eine Schichtanordnung, die eine außenseitige erste Metallschicht, hier die Metallschicht 22 des Werkstückes 12 und eine weitere Metallschicht, hier das Vollmetall blech 28 des zweiten Werkstückes 14 aufweist. In dem Schritt in Fig. 4 wird zunächst instantan wirkende elektrische Stromwärme lokal im Bereich der Fügestelle 16 durch die außenseitige erste Metallschicht 22 hindurch eingetragen, um die Kunststoffschicht 26 im Bereich der Fügestelle 16 aufzuweichen. Das Einträgen der elektrischen Stromwärme über die äußere Metallschicht 22 des Laminats des ersten Werkstückes 12 hindurch ist insbesondere vorteilhaft, da im Unterschied zu einem Eintrag der elektrischen Stromwär me über das Vollmetallblech 28, also von der "Unterseite" des Werkstückes 14, den Vorteil hat, dass die Stromwärme unmittelbar und sehr gezielt lokal durch die üblicher weise dünne Metallschicht 22 hindurch in die Kunststoffschicht 26 eingetragen werden kann. Dieser Vorteil ist umso mehr ausgeprägt, wenn das zweite Werkstück 14, hier das Vollmetallblech 28 eine größere Stärke (Dicke) aufweist als die außenseitige erste Metall schicht 22 des Laminats des Werkstückes 12, so dass ein Wärmeeintrag über die Metall schicht 28 und zusätzlich über die Metallschicht 24 deutlich mehr Zeit benötigt als durch die Metallschicht 22 hindurch. Die durch die Metallschicht 22 hindurch eingetragene elektrische Stromwärme wirkt daher lokal und unmittelbar auf die darunterliegende Kunststoffschicht 26, ohne dass sich in störendem Ausmaß Wärme in Bereiche des Laminats außerhalb der Ringelektrode 46 der Vorheizelektrode 44 ausbreitet. Die Rin gelektrode 46 begrenzt den Bereich des Wärmeeintrages und ist im Wesentlichen nicht größer oder nur geringfügig größer als der Durchmesser der Schweißelektrode 50.
[0071] In dem Schritt des Eintragens der instantanen elektrischen Stromwärme durch die
außenseitige erste Metallschicht 22 hindurch wird die Ringelektrode 46 der Vorheizelekt rode 44 an die außenseitige erste Metallschicht 22 im Bereich der Fügestelle 16 ange setzt. Die Vorheizelektrode 44 wird dann bestromt. Fig. 4 zeigt einen Vorheizstromkreis 70 mit einer Spannungsversorgung 72. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird die Vorheizelektrode 44 über den Halter 55 kontaktiert (Kontakte 74 und 76). Der Stromfluss des Vorheizstro mes geht somit nicht durch die Werkstücke 12 und 14 hindurch, sondern nur entlang der Fläche der Metallschicht 22, die von der Ringelektrode 46 eingeschlossen ist. [0072] Wenn die Mittel 42 zum Einträgen von Stromwärme eine oder mehrere Induktionsspulen aufweisen, erfolgt das wärmeleitende Einträgen berührungslos, d.h. es wird kein mecha nischer Kontakt zwischen einer Vorheizelektrode und der äußeren Metallschicht 22 hergestellt.
[0073] Während des Eintragens der Stromwärme in die Kunststoffschicht 26 ist die
Schweißelektrode 50, wie in Fig. 4 gezeigt, vorzugsweise von der außenseitigen ersten Metallschicht 22 weg verfahren. Sie befindet sich somit in einer lichten Höhe von den Werkstücken 12 und 14 beabstandet.
[0074] Die Bestromung der Vorheizelektrode 44 kann mit einem Strom von beispielsweise
wenigen kA (Kilo-Ampere) über eine voreingestellte Zeitperiode, beispielsweise weniger als eine Sekunde erfolgen. Die Metallschicht 22 wird im Bereich der Fügestelle 16 instan- tan, d.h in einer Zeitspanne von weniger als 5, vorzugsweise sogar weniger als 1 Sekun de, auf eine ausreichend hohe und homogene Temperatur angehoben, um in dem durch die Ringelektrode 46 umschlossenen Feld, das eine Kreisfläche ist und die Fügestelle 16 überdeckt, die Kunststoffschicht 26 hinreichend aufzuweichen. Das Aufweichen der Kunststoffschicht 26 im Bereich der Fügestelle 16 erfolgt somit wesentlich schneller und gezielter als bei den herkömmlichen Verfahren, bei denen eine großflächige Vorheizelekt rode an die dem Laminat des Werkstückes 12 abgewandte Seite des zweiten Werkstü ckes 14 angelegt wird.
[0075] Fig. 5 zeigt einen dem instantanen Einträgen der elektrischen Stromwärme unmittelbar nachfolgenden Schritt des Pressens der Schichtanordnung der Werkstücke 12 und 14. Das Pressen erfolgt im Bereich der Fügestelle 16 und dient dazu, die außenseitige erste Metallschicht 22 und die weitere Metallschicht 28 an der Fügestelle 16 miteinander in Kontakt zu bringen, so dass sie elektrisch leitend verbunden sind. Durch das Pressen wird der zuvor aufgeweichte Kunststoff der Kunststoffschicht 26 im Bereich der Fügestelle 16 verdrängt. Das Pressen erfolgt mit der Schweißelektrode 50, die sich während des Pressens in unbestromtem Zustand befindet. Die Schweißelektrode 50 wird zum Pressen gemäß einem Pfeil 78 zur Metallschicht 22 hin verfahren, derart, dass die Schweißelekt rodenspitze 52 die Metallschicht 22 gegen die Metallschicht 28 des zweiten Werkstückes 14 drückt. Die Metallschicht 22 und die Metallschicht 28 berühren sich nun elektrisch leitend, und können sich auch mechanisch berühren. Während des Pressens kann die Vorheizelektrode 44 weiterhin auf der Metallschicht 22 aufliegen, wie in Fig. 5 gezeigt ist, kann jedoch auch von der Metallschicht 22 abgehoben sein. Die Elektrodenanordnung aus Vorheizelektrode 44 und Schweißelektrode 50 ist beim Schritt des Pressens un- bestromt.
[0076] Das Pressen der Schichtanordnung, die durch das erste und zweite Werkstück 12, 14 gebildet ist, erfolgt in einer Zeitdauer von weniger als eine Sekunde.
[0077] Nunmehr kann im nächsten Schritt des Verfahrens gemäß Fig. 6 die Schweißelektrode 50 bestromt werden, um die außenseitige erste Metallschicht 22 und die weitere Metall schicht 28 an der Fügestelle 16 durch Widerstandspressschweißen zu fügen. Das Wider standspressschweißen erfolgt somit von derselben Außenseite der Werkstückanordnung 12 und 14 wie das Einträgen der instantanen elektrischen Stromwärme zum Aufweichen der Kunsstoffschicht. In Fig. 6 ist ein Schweißstromkreis 80 mit einer Spannungsversor gung 82 gezeigt ist. Die Spannungsversorgung 82 ist über einen Kontakt 84 mit der Schweißelektrode 50 verbunden, und ist über das zweite Werkstück 14, hier die weitere Metallschicht 28 der Schichtanordnung geschlossen, wie mit einem Kontakt 86 an der Metallschicht 28 gezeigt ist.
[0078] Es wird beim Widerstandspressschweißen, das hier insbesondere als Widerstandspunkt schweißen ausgeführt ist, mit einem hohen Schweißstrom von mehreren kA gearbeitet. Im Fügebereich 16 bildet sich entsprechend eine schematisch angedeutete Schweißlinse 88 aus, die die Metallschichten 22, 24 und 28 miteinander endfest verbindet.
[0079] Wenn für den Vorheizstromkreis 70 (Fig. 4) und den Schweißstromkreis 80 (Fig. 6)
dieselbe Spannungsversorgungsquelle verwendet wird, kann während des Schweißvor ganges in dem Vorheizstromkreis 70 über beispielsweise Relaisschalter 90 und 92 die Zuleitung zur Vorheizelektrode 44 unterbrochen werden. [0080] Beim oben beschriebenen Vorgang des Pressens der Werkstücke 12 und 14
gegeneinander kann dabei auch eine Prägung in die Schichtanordnung im Bereich der Fügestelle 16 mittels der Schweißelektrode 50 eingebracht werden.
[0081 ] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vor dem Schritt in Fig. 4, d.h. bevor die Werkstücke 12 und 14 aneinandergelegt werden, in den Fügespalt zwischen der Metallschicht 24 und der Metallschicht 28 ein ein- oder zweikomponentiger Klebstoff zwischen die beiden Werkstücke 12 und 14 eingebracht werden, der dann in der Umge bung der beim Widerstandspressschweißen entstehenden Schweißlinse 88 aushärtet und die Fügung verstärkt bzw. verfestigt.
[0082] Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, dass mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung schichtförmige Laminate mit nicht platinenförmigen Werkstücken gefügt werden können, insbesondere mit Werkstücken, die als Hohlkörper ausgebildet sind, wie in Fig. 1 angedeutet ist. Es versteht sich, dass das zweite Werkstück 14 in Fig. 1 , das als einseitig offenes Rohr gezeigt ist, auch als voll ständig geschlossenes Rohr ausgebildet sein kann. Es ist sogar möglich, mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Laminat mit einem Werkstück zu fügen, das beispielsweise ganz oder teilweise kugelförmig ist, oder das in zwei zueinander senkrechten Richtungen unterschiedliche Krümmungsradien aufweist, wie beispielsweise ein gekrümmtes Rohr, usw.
[0083] Fig. 8 zeigt des Weiteren, dass das erfindungsgemäße Verfahren gleichzeitig an
mehreren Fügestellen ausgeführt werden kann. Das erste Werkstück 12 und das zweite Werkstück 14 können gleichzeitig an mehreren Fügestellen 16a und 16b bzw. noch weiteren nicht gezeigten Fügestellen gefügt werden, was mit herkömmlichen Verfahren nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand realisiert werden kann. Fig. 8 zeigt beispielhaft zwei Elektrodenanordnungen mit jeweils einem Elektrodenpaar aus Vorheizelektrode 44a und Schweißelektrode 50a bzw. Vorheizelektrode 44b und Schweißelektrode 50b, die parallel an den Fügestellen 16a und 16b arbeiten. Die Gesamtheit der Elektrodenanordnungen kann durch eine gemeinsame Steuerung oder durch jedem Elektrodenpaar individuell zugeordnete Steuerungen gesteuert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum einseitigen Fügen eines ersten Werkstückes (12) mit einem
zweiten Werkstück (14) an einer Fügestelle (16), wobei das erste Werkstück (12) ein schichtförmiges Laminat aufweist, das zumindest eine Metallschicht und eine damit verbundene Kunststoffschicht aufweist, und wobei das zweite Werkstück (14) zumindest eine Metallschicht aufweist, und wobei das erste Werkstück (12) an der Fügestelle (16) an dem zweiten Werkstück (14) anliegt, so dass sich eine Schichtanordnung ergibt, die eine außenseitige erste Metallschicht (22) des einen Werkstückes aufweist, und bei der die Kunststoffschicht (26) zwischen der außen seitigen ersten Metallschicht (22) und einer weiteren Metallschicht (28) des ande ren Werkstückes angeordnet ist, mit den Schritten:
Wärmeleitendes Einträgen von instantaner elektrischer Stromwärme lokal im Bereich der Fügestelle (16) durch die außenseitige erste Metallschicht (22) hin durch, um die Kunststoffschicht (26) im Bereich der Fügestelle (16) aufzuweichen,
Pressen der Schichtanordnung im Bereich der Fügestelle (16), um die außenseiti ge erste Metallschicht (22) und die weitere Metallschicht (28) an der Fügestelle (16) miteinander in Kontakt zu bringen,
Widerstandspressschweißen der außenseitigen ersten Metallschicht (22) und der weiteren Metallschicht (28) an der Fügestelle (16) mittels einer an die außenseitige erste Metallschicht (22) angesetzten Schweißelektrode (50).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei beim Widerstandspressschweißen mit der Schweißelektrode (50) der Schweißstromkreis (80) über die weitere Metallschicht (28) oder das zweite Werkstück (14) geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Einträgen von instantaner Strom wärme ein Ansetzen einer Vorheizelektrode (44) an die außenseitige erste Metall schicht (22) im Bereich der Fügestelle (16) und ein Bestromen der Vorheizelektro de (44) aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei während des Pressens der Schichtanordnung die Vorheizelektrode (44) nicht mit Strom beaufschlagt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei während des Pressens der Schichtan ordnung die Vorheizelektrode (44) von der außenseitigen ersten Metallschicht (22) beabstandet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wärmeleitende Einträgen von
instantaner elektrischer Stromwärme durch die außenseitige erste Metallschicht hindurch ein induktives Erwärmen der außenseitigen ersten Metallschicht aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Pressen mittels der
Schweißelektrode (50) durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Schweißelektrode (50) während des
Pressens nicht bestromt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Einträgen von Strom
wärme so durchgeführt wird, dass sich eine homogene Temperaturverteilung im Bereich der Fügestelle (16) ergibt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Pressen ein Prägen der Schichtanordnung umfasst.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste und das zweite Werkstück (12, 14) jeweils ein schichtförmiges Laminat aufweisen, das zumindest eine Metallschicht und eine damit verbundene Kunststoffschicht aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei das schichtförmige Laminat zwei Metallschichten (22, 24) aufweist und die Kunststoffschicht (26) zwischen den beiden Metallschichten (22, 24) eingebettet ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein ein- oder zweikomponen- tiger Klebstoff an der Fügestelle (16) zwischen die beiden Werkstücke (12, 14) eingebracht wird, der in der Umgebung der beim Widerstandspressschweißen ent stehenden Schweißlinse (88) aushärtet.
14. Vorrichtung zum einseitigen Fügen eines ersten Werkstückes (12) mit einem
zweiten Werkstück (14) an einer Fügestelle (16), wobei das erste Werkstück (12) ein schichtförmiges Laminat aufweist, das zumindest eine Metallschicht und eine damit verbundene Kunststoffschicht aufweist, und wobei das zweite Werkstück (14) zumindest eine Metallschicht aufweist, und wobei das erste Werkstück (12) an der Fügestelle (16) an dem zweiten Werkstück (14) anliegt, so dass sich eine Schichtanordnung ergibt, die eine außenseitige erste Metallschicht (22) des einen Werkstückes aufweist, und bei der die Kunststoffschicht (26) zwischen der außen seitigen ersten Metallschicht (22) und einer weiteren Metallschicht (28) des ande ren Werkstückes angeordnet ist, mit:
Mitteln (42) zum wärmeleitenden Einträgen von instantaner elektrischer Strom wärme lokal im Bereich der Fügestelle durch die außenseitige erste Metallschicht (22) hindurch, um die Kunststoffschicht (26) im Bereich der Fügestelle (16) aufzu weichen,
Mitteln zum Pressen der Schichtanordnung im Bereich der Fügestelle (16), um die außenseitige erste Metallschicht (22) und die weitere Metallschicht (28) an der Fü gestelle (16) miteinander in Kontakt zu bringen, einer bestrombaren Schweißelektrode (50) zum Widerstandspressschweißen der außenseitigen ersten Metallschicht (22) und der weiteren Metallschicht (28) an der Fügestelle (16), wobei die Schweißelektrode (50) an einer selben Arbeitsseite an geordnet ist wie die Mittel (42) zum Einträgen von Stromwärme.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Mittel (42) zum Einträgen von Strom wärme eine bestrombare Vorheizelektrode (44) aufweisen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Vorheizelektrode (44) als Ringelektrode (46) oder Teilringelektrode ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Schweißelektrode (50) innerhalb der Vorheizelektrode (44), vorzugsweise koaxial zur Vorheizelektrode (44) ange ordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Mittel (42) zum Einträgen von Strom wärme eine bestrombare Induktionsspule aufweisen.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die Mittel (42) zum
Einträgen von Stromwärme in Richtung zur außenseitigen ersten Metallschicht (22) hin bzw. von dieser weg verfahrbar sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die Schweißelektrode (50) in Richtung zur außenseitigen ersten Metallschicht (22) hin bzw. von dieser weg verfahrbar ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei die Schweißelektrode (50) und die Mittel (42) zum Einträgen von Stromwärme relativ zueinander ver fahrbar sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , wobei die Mittel (42) zum
Einträgen von Stromwärme und die Schweißelektrode (50) unabhängig voneinan der bestrombar sind.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei die Schweißelektrode (50) zum Pressen der Schichtanordnung ausgebildet ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei die Schweißelektrode (50) zum Prägen der Schichtanordnung ausgebildet ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, soweit auf Anspruch 14 rückbe zogen, wobei die Vorheizelektrode (44) Kanäle (64) zur Luft- oder Wasserkühlung aufweist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 25, wobei die Schweißelektrode (50) Kanäle (62) zur Luft- oder Wasserkühlung aufweist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 26, mit einer Steuerung (66) für die Mittel (42) zum Einträgen von Stromwärme, die Mittel zum Pressen und die Schweißelektrode (50) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprü che 1 bis 12.
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