DE102016208701A1

DE102016208701A1 - Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels, Verbindungssystem und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016208701A1
Application number: DE102016208701.0A
Authority: DE
Inventors: Thorge Hammer; Dieter Päthe; Matthias Graul
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2017-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels (1) an einem Werkstück, bei dem eine Aussparung (50) in einem Werkstück (30) mittels eines Laserstrahls (60) erzeugt wird, das Werkstück (30) mittels des Laserstrahls (60) erwärmt wird, ein stiftartiger Abschnitt (20) eines Verbindungsmittels (1), insbesondere einer U-förmigen Klammer (10), in die Aussparung (50) eingebracht wird und eine Schweiß- oder Lötverbindung zwischen dem stiftartigen Abschnitt (20) und dem Werkstück (30) hergestellt wird, wobei parallel mit dem Erzeugen der Aussparung (50) die Erwärmung des Werkstücks (30) vorgenommen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verbindungssystem aufweisend eine Laserquelle (91), eine Vorrichtung zum Einbringen von Verbindungsmitteln (93) und eine Steuereinrichtung (94), die dazu eingerichtet ist, bei der Erzeugung der Aussparung (50) die Laserleistung derart einzustellen, dass eine Tiefenzunahme der Aussparung (50) erfolgt, und bei Erreichung eines definierten Wertes eines physikalischen Parameters die Laserleistung derart einzustellen, dass eine geringere Tiefenzunahme bei gleichzeitiger Erwärmung erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels an einem Werkstück mittels einer Schweiß- oder Lötverbindung, ein Verbindungssystem, insbesondere zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Werkstück und einem mit dem Werkstück erfindungsgemäß verbundenen Verbindungsmittel.
In der Fertigungstechnik werden zum unlösbaren Verbinden einiger Werkstoffe insbesondere Schweiß- und Lötverfahren eingesetzt. Dabei wird als Schweißen das unlösbare stoffschlüssige Verbinden von Werkstücken unter Anwendung von Wärme und/ oder Druck (DIN 1910-100) bezeichnet, während man unter dem Löten thermische Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstücken versteht, bei denen eine flüssige Phase z.B. durch Schmelzen eines Lotmaterials entsteht. Der Unterschied zwischen Schweiß- und Lötverfahren liegt darin, dass beim Schweißen die Schmelz- bzw. Liquidustemperatur der zu verschweißenden Werkstoffe überschritten wird, sich also eine Schmelze bildet, während beim Löten lediglich die Liquidustemperatur des Lotmaterials überschritten wird.
Aus dem Stand der Technik sind Laserschweißverfahren bekannt, bei denen die zum Schweißen benötigte Wärme mittels Einstrahlung eines Laserstrahls bereitgestellt wird. Dabei wird der Laserstrahl üblicherweise auf die zu verschweißenden Werkstücke fokussiert, um eine effektive Wärmeübertragung zu ermöglichen. In Abhängigkeit der Laserstrahlintensität bildet sich beim Laserschweißen in der Schmelze des dem Laserstrahl ausgesetzten Werkstücks in Laserstrahllängsrichtung eine mit Metalldampf und/ oder teilionisiertem Metalldampf gefüllte Dampfkapillare (auch als keyhole bezeichnet). Hierbei wird mittels des sogenannten Tiefschweißeffekts effektiv Wärme in die Tiefe des Werkstücks geleitet, wodurch der Werkstoff auch in seiner Tiefe aufgeschmolzen wird.
Aus dem Stand der Technik sind ebenfalls laserbasierte Bohrverfahren bekannt, bei denen durch lokal begrenztes Aufschmelzen des Werkstoffs infolge der Erwärmung durch den Laserstrahl eine Aussparung, insbesondere ein Sackloch oder Durchgangsloch, gebildet wird.
Aus der Schrift DE10 2008 058 917A1 ist weiterhin ein Fügeverfahren für überlappend angeordnete Werkstoffe bekannt, bei dem die Werkstoffe durch Erwärmung mittels eines Laserstrahls plastisch verformbar gemacht werden und dann mittels Einbringen eines Fügeelements unter mechanischer Verformung der Werkstoffe miteinander verbunden werden.
In der modernen Fertigungstechnik müssen häufig unterschiedliche Werkstoffe, beispielsweise Stahl, Aluminium, Kunststoffe und faserverstärkte Kunststoffe, miteinander verbunden werden.
Schweiß- und Lötverfahren sind jedoch im Allgemeinen für die Verbindung unterschiedlicher Materialien nur begrenzt einsetzbar, da aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften bei der Anwendung dieser Verfahren einige technologische und/ oder materialtechnische Probleme auftreten können.
Es besteht daher die Forderung, neue Methoden zur unlösbaren Verbindung, insbesondere unterschiedlicher Werkstoffe, zu entwickeln. Dabei ist eine möglichst hohe Festigkeit der Verbindung bei minimalem Materialeinsatz und kostengünstiger Herstellung anzustreben. Insbesondere ist hierbei das Auftreten von intermetallischen Phasen an einer Schweiß- oder Lötverbindung, welche die Qualität der Verbindung beeinträchtigen können, zu verhindern oder zu minimieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein effektives, breit anwendbares und kostengünstiges Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels an einem Werkstück, insbesondere zur Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe, ein Verbindungssystem zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels an einem Werkstück sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Werkstück und einem mit dem Werkstück erfindungsgemäß verbundenen Verbindungsmittel zur Verfügung zu stellen, welche den genannten Zielsetzungen gerecht werden.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1, das erfindungsgemäße Verbindungssystem nach Anspruch 8 sowie durch das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben und eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verbindungssystems ist in dem Unteranspruch 9 angegeben.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels an einem Werkstück, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

– Erzeugen einer Aussparung, insbesondere eines Sacklochs oder eines Durchgangslochs, in einem Werkstück mittels eines Laserstrahls,
– Erwärmen des Werkstücks zumindest im Bereich der Aussparung mittels des Laserstrahls, so dass in der Aussparung erweichtes Material oder eine Materialschmelze gebildet wird,
– Einbringen eines stiftartigen Abschnitts eines Verbindungsmittels, insbesondere einer U-förmigen Klammer, in die Aussparung,
– Herstellung einer Schweiß- oder Lötverbindung zwischen dem stiftartigen Abschnitt des Verbindungsmittels und dem Werkstück in der Aussparung,

Die Aussparung wird dabei in Laserstrahllängsrichtung, insbesondere mittels eines Laserbohrprozesses, erzeugt. Dabei wird insbesondere eine sogenannte Verdampfungskapillare (auch als „keyhole“ bezeichnet) erzeugt, deren Eigenschaften vom jeweiligen Werkstoff und von der Laserstrahlintensität abhängen. Die Tiefe der Aussparung nimmt mit steigender Laserstrahlintensität (aufgrund steigender Laserleistung) und/ oder mit der Bestrahlungszeit zu.
Der Laserstrahl wird insbesondere mittels einer Sammellinse auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Der Fokusdurchmesser des Laserstrahls an der Position des Auftreffens des Laserstrahls auf das Werkstück ist insbesondere an den maximalen Durchmesser des einzubringenden stiftartigen Abschnitts angepasst, vorzugsweise größer als der maximale Durchmesser des stiftartigen Abschnitts, damit die erzeugte Aussparung eine geeignete Größe aufweist, so dass der stiftartige Abschnitt kollisionslos in die Aussparung eingebracht werden kann. Je nach Eigenschaften des Laserstrahls sind auch mit kleineren Fokusdurchmessern ausreichend große Aussparungen erzeugbar.
Die von dem Laserstrahl in das Werkstück eingebrachte Wärme dient der Erweichung oder Aufschmelzung von Material des Werkstückes, insbesondere im Fall einer Herstellung einer Schweißverbindung, und/ oder eines Zusatzwerkstoffs, z.B. Lotmaterial, welches in die Aussparung zugeführt wird. Lotmaterial kann z.B. ein Bestandteil des in die Aussparung eingeführten stiftförmigen Abschnitts sein. Die Intensität des Laserstrahls wird dabei ausreichend hoch eingestellt, um die jeweiligen Materialien in kurzer Zeit schmelzen oder erweichen zu können.
Das Verfahren wird demzufolge derart vorteilhaft ausgeführt, dass Wärme von dem mittels des Laserstrahls erwärmten Bereich der Aussparung des Werkstücks auf den stiftartigen Abschnitt übertragen wird, nachdem der stiftartige Abschnitt in die Aussparung eingebracht wurde.
Das erweichte Material oder die Schmelze kann dabei das Material des erwärmten Werkstücks sein, und/ oder Material eines Zusatzwerkstoffes, wie z.B. eines Lotes sein, welches dann durch die zugeführte Wärme in einen breiigen Zustand oder in eine Schmelze umgewandelt wird.
Insbesondere kann der stiftartige Abschnitt des Verbindungsmittels aus einem solchen Zusatzwerkstoff bestehen oder einen solchen Zusatzwerkstoff aufweisen, z.B. in Form einer Beschichtung mit einem Lot. In diesem Fall wird eine Lötverbindung zwischen dem stiftartigen Abschnitt und dem Werkstück hergestellt. Dieses ist auch dann möglich, wenn der stiftartige Abschnitt und das Werkstück aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Im Gegensatz dazu kann eine Schweißverbindung zwischen dem stiftartigen Abschnitt und dem Werkstück unter der Voraussetzung hergestellt werden, dass der stiftartige Abschnitt und das Werkstück aus schweißbaren Werkstoffen bestehen.
Mit dem Begriff der zeitabschnittsweise gleichzeitigen Erwärmung ist erfindungsgemäß gemeint, dass während der Erzeugung der Aussparung eine Erwärmung durchgeführt wird, wobei die Erwärmungsphase nicht auf die Zeit der Erzeugung der Aussparung begrenzt ist, sondern auch länger dauern kann. Insbesondere kann sich bei späterer Zugabe eines Zusatzwerkstoffs, z.B. eines Lotmaterials, das Erzeugen der Aussparung nur zeitabschnittsweise mit der Bildung des erweichten Materials oder der Materialschmelze überlagern, weil erst nach der Zugabe des Zusatzwerkstoffs dieser erweicht oder geschmolzen werden kann.
Ein Vorteil des beschriebenen Verfahrens ist die Möglichkeit, gleichzeitig in einem Arbeitsschritt eine Aussparung in einem Werkstück zu erzeugen und die für einen Schweiß- oder Lötvorgang benötigte Wärme zuzuführen. Somit werden Energiekosten eingespart und die Fertigungszeit einer entsprechenden Schweiß- oder Lötverbindung wird vermindert. Ein weiterer Vorteil ist die Eignung des Verfahrens zum Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe, insbesondere unterschiedlicher Metalle, z.B. Stahl und Aluminium oder von Metallen und Kunststoffen (auch faserverstärkten Kunststoffen), die mit herkömmlichen Verfahren nur schwierig zu verbinden sind. Dabei können auch Werkstoffe mit Oberflächenbeschichtungen, insbesondere aus Kunststoffen, Lacken oder Klebstoffen, auf einfache Weise miteinander verbunden werden, da mittels des verwendeten Laserstrahls diese Beschichtungen im Bereich der Aussparung vorteilhafterweise verdampft werden. Das Verfahren lässt sich außerdem auf variable Werkstoffdicken und Mehrlagenverbindungen anwenden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird während der Herstellung der Schweiß- oder Lötverbindung, das heißt während des Erkaltens des Werkstücks und/ oder des stiftartigen Abschnitts eine mechanische Kraft auf das Verbindungsmittel ausgeübt. Diese Kraft kann beispielsweise mittels eines Zuführ- und/ oder Haltewerkzeugs, welches das Verbindungsmittel hält und/ oder den stiftartigen Abschnitt des Verbindungsmittels in die Aussparung einbringt, übertragen werden. Insbesondere wird die beim Einbringen des stiftartigen Abschnitts in die Aussparung aufgewendete Kraft so lange aufrechterhalten, bis sich eine ausreichend feste Schweiß- oder Lötverbindung zwischen dem stiftartigen Abschnitt und dem Werkstück ausgebildet hat.
Der stiftartige Abschnitt des Verbindungsmittels weist eine Mantelfläche auf und wird durch eine Stirnfläche in der Längserstreckungsrichtung des stiftartigen Abschnitts begrenzt. Dabei ist die Stirnfläche an demjenigen Ende des stiftartigen Abschnitts angeordnet, das zuerst in die Aussparung eingebracht wird. Durch Wärmeübertragung von dem Werkstück auf den stiftartigen Abschnitt wird der stiftartige Abschnitt insbesondere an seiner Stirnfläche und/ oder an zumindest einem Teilabschnitt seiner Mantelfläche aufgeschmolzen oder erweicht.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der stiftartige Abschnitt bis zur maximalen Tiefe der Aussparung in die Aussparung eingebracht, so dass das am Grund der Aussparung befindliche heiße Material des Werkstücks zur direkten Wärmeübertragung auf den stiftartigen Abschnitt beitragen kann, z.B. unter Ausbildung einer Schweiß- oder Lötverbindung zwischen dem Boden der Aussparung und der Stirnfläche des stiftartigen Abschnitts. Alternativ dazu ist aber auch ein nur teilweises Einbringen des stiftartigen Abschnitts in die Aussparung vorgesehen, so dass ein Abstand zwischen dem Grund der Aussparung und der Stirnfläche des stiftartigen Abschnitts besteht, wobei in diesem Fall nur auf die Mantelfläche des stiftartigen Abschnitts direkt Wärme übertragen wird.
Die übertragene Wärmemenge kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der Laserintensität so eingestellt werden, dass nur eine dünne Schicht des stiftartigen Abschnitts aufgeschmolzen oder erweicht wird. Dies hat den Vorteil, dass eine Ausbildung einer Schweiß- oder Lötverbindung mit geringem Energieaufwand und somit zu reduzierten Kosten ermöglicht wird.
In einer Ausführungsform weist der stiftartige Abschnitt einen mittels des Laserstrahls schmelzbaren oder erweichbaren Zusatzwerkstoff, insbesondere ein Lotmaterial, auf, so dass der stiftartige Abschnitt mittels einer Schweiß- oder Lötverbindung zwischen dem Zusatzwerkstoff und dem Werkstück an dem Werkstück befestigt werden kann. Der Zusatzwerkstoff kann dabei als Beschichtung des stiftartigen Abschnitts vorliegen.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Lotmaterial eine Kupfer-Silizium-Verbindung, beispielsweise CuSi₃, mit einem Silicium-Gewichtsanteil von 2% bis 4,5%, insbesondere 2,2% bis 3,5%, auf.
Bei einem Silicium-Gewichtsanteil im Bereich von 2,2% bis 3,5% ist das Lotmaterial aufgrund der Schmelzeigenschaften besonders flüssig.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Lotmaterial Zink mit einem Gewichtsanteil von 0,1% bis 2 %, insbesondere 0,25% bis 0,5%, auf.
Der stiftartige Abschnitt des Verbindungsmittels kann an seiner Stirnfläche eine Spitze aufweisen. Dies erleichtert das Einbringen des stiftartigen Abschnitts in die Aussparung durch Selbstzentrierung.
In einer Ausführungsform wird die Aussparung oder der stiftartige Abschnitt des Verbindungsmittels vor der Erwärmung der Aussparung und vor dem Einbringen des Verbindungsmittels in die Aussparung vorgewärmt, z.B. mittels des Laserstrahls. Zusätzlich kann das Verbindungsmittel oder das Werkstück auch nach dem Einbringen des stiftartigen Abschnitts in die Aussparung erwärmt werden, beispielsweise mittels des Laserstrahls, um die Schweißung bzw. Lötung zu begünstigen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels an einem Werkstück ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsmittels.
Dies hat den Vorteil, dass die Form und Dimensionierung des Verbindungsmittels an Parameter der zu verbindenden Werkstücke, insbesondere die Dicke und Materialeigenschaften der Werkstücke, angepasst werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird mittels des Einbringens des stiftartigen Abschnitts in die Aussparung zumindest ein Teil der Materialschmelze bzw. des erweichten Materials aus der Aussparung verdrängt.
Dies hat den Vorteil, dass sich bildende intermetallische Phasen, die sich im Allgemeinen schädlich auf die Verbindungsfestigkeit auswirken, herausgedrückt bzw. herausgespült werden. Hierbei werden vorteilhafterweise Verunreinigungen der Materialschmelze, welche zu einer schlechten Verschweißbarkeit führen können, im Zuge einer Schmelzbadreinigung beseitigt.
Insbesondere erfolgt das Einbringen des stiftartigen Abschnitts in die Aussparung mit hoher Geschwindigkeit, so dass das erweichte Material oder die Materialschmelze noch nicht erkaltet ist, wenn der stiftartige Abschnitt in die Aussparung eintritt und/ oder die Materialschmelze durch das schnelle Einbringen des stiftartigen Abschnitts so schnell verdrängt wird, dass eine besonders effektive Schmelzbadreinigung erreicht wird.
Das Einbringen des stiftartigen Abschnitts in die Aussparung erfolgt insbesondere in schneller zeitlicher Abfolge nach dem Erzeugen der Aussparung mittels des Laserstrahls. Dadurch wird die Schmelzbadreinigung effektiv durchgeführt, da durch das kürzere Zeitintervall weniger intermetallische Phasen gebildet werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens unterbricht während des Einbringens des stiftartigen Abschnitts in die Aussparung das Verbindungsmittel oder ein das Verbindungsmittel haltendes Haltewerkzeug den Laserstrahl.
Eine solche Abschattung des Laserstrahls durch das Verbindungsmittel oder das Haltewerkzeug hat den Vorteil, dass der Laserstrahl nicht koordiniert mit der Zuführung des Verbindungsmittels ausgeschaltet oder von einer separaten Vorrichtung abgeschattet werden muss. Dies ermöglicht die Durchführung des Verfahrens ohne eine entsprechende Steuerungseinrichtung und spart dadurch Kosten ein.
Bei dem beschriebenen Verfahren kann insbesondere der stiftartige Abschnitt mittels des Laserstrahls während der Unterbrechung des Laserstrahls erwärmt werden, wenn dies für den Schweiß- oder Lötprozess vorteilhaft ist.
Das Unterbrechen des Laserstrahls kann optional mit einer geeigneten Messvorrichtung, beispielsweise mittels optischer Kohärenztomographie detektiert werden, wobei insbesondere aufgrund der Detektion der Unterbrechung des Laserstrahls ein Signal zum Abschalten oder Ablenken des Laserstrahls generiert wird. Somit kann insbesondere durch den Laserstrahl verursachter Schaden an dem Verbindungsmittel oder dem das Verbindungsmittel haltenden Haltewerkzeug vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist das Verbindungsmittel einen Anpressabschnitt auf, der in einem Winkel von 45° bis 135°, insbesondere 90°, zu dem stiftartigen Abschnitt des Verbindungsmittels verläuft, wobei das Verbindungsmittel derart mit dem Werkstück verbunden wird, dass der Anpressabschnitt unter einer Druck-Vorspannung an einer Oberfläche eines Werkstücks anliegt.
Dabei kann das Werkstück, an dem der Anpressabschnitt anliegt, ein erstes Werkstück sein, an dem der stiftartige Abschnitt mittels Schweißung bzw. Lötung angeschlossen ist, oder aber insbesondere ein zweites Werkstück, welches derart mittels des Anpressabschnitts gegen das erste Werkstück gedrückt wird, dass mit dem Verbindungsmittel eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Werkstücken realisiert wird. Dabei muss der stiftartige Abschnitt nicht zwingend mit dem zweiten Werkstück verschweißt oder verlötet sein.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass mittels des Anpressabschnitts eine Erhöhung der Stabilität der Werkstückverbindung durch die Druck-Vorspannung des Anpressabschnitts erreicht wird. Dabei wirkt sich ein Zusammenziehen des Verbindungsmittels während des Erkaltens bei der Ausbildung der Schweiß- oder Lötverbindung vorteilhaft derart aus, dass die Druck-Vorspannung weiter erhöht wird und demzufolge die Wirkung des erzeugten Kraftschlusses vergrößert wird.
Insbesondere ist das Verbindungsmittel als U-förmige Klammer ausgeführt, deren mittlerer Bereich den Anpressabschnitt ausbildet, der an der Oberfläche eines Werkstücks zur Anlage kommt. Dabei ist die Erfindung nicht auf die Ausgestaltung des mittleren Bereichs der U-Klammer als Anpressabschnitt eingeschränkt.
Bei Verwendung einer U-förmigen Klammer weist die U-förmige Klammer zwei stiftartige Abschnitte auf, wobei in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Befestigung der U-förmigen Klammer an einem Werkstück mittels des Laserstrahls in dem Werkstück zwei Aussparungen in einem entsprechenden Abstand erzeugt werden, und wobei beide stiftartigen Abschnitte der U-förmigen Klammer in eine jeweilige Aussparung eingebracht werden.
Dabei können insbesondere die beiden Aussparungen gleichzeitig mittels zwei Laserstrahlen erzeugt werden. Diese zwei Laserstrahlen können beispielsweise mittels zwei getrennter Laserquellen erzeugt werden. Alternativ dazu kann ein mittels einer Laserquelle erzeugter Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten werden, beispielsweise mittels eines Strahlteilers. Gemäß einer weiteren Alternative werden die zwei Aussparungen zeitlich nacheinander, insbesondere in schneller zeitlicher Abfolge, mittels eines Laserstrahls erzeugt, wobei eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück stattfindet. Dies kann durch Bewegen der Laserquelle und/ oder des Werkstücks ermöglicht werden.
Die gleichzeitig oder zeitlich schnell aufeinander folgende Erzeugung mehrerer Aussparungen mittels eines oder mehrerer Laserstrahlen ist nicht auf die Verwendung U-förmiger Klammern beschränkt, sondern kann auch dazu dienen, mehrere Verbindungsmittel mit jeweils nur einem stiftartigen Abschnitt gleichzeitig oder in schneller zeitlicher Abfolge an dem Werkstück zu befestigen.
Die zwei stiftartigen Abschnitte der U-förmigen Klammer sind mittels eines Überbrückungsabschnitts mechanisch miteinander verbunden, wobei der Überbrückungsabschnitt in einem Winkel von 90° zu den stiftartigen Abschnitten verlaufen kann. Dabei kann der Überbrückungsabschnitt als Anpressabschnitt ausgeführt sein.
Die Verwendung einer U-förmigen Klammer in dem erfindungsgemäßen Verfahren hat den Vorteil, dass durch den mit beiden stiftartigen Abschnitten verbundenen Überbrückungsabschnitt zwei Schweiß- oder Lötverbindungen zusammengehalten werden, was der mittels der U-förmigen Klammer realisierten Verbindung zusätzliche Stabilität verleiht. Zudem ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Regelung der übertragenen Wärmemenge mittels der Laserintensität lediglich eine dünne Schicht des stiftartigen Abschnitts aufzuschmelzen oder zu erweichen, und durch Verwendung einer Klammer mit zwei stiftartigen Abschnitten trotzdem eine große Verbindungsstabilität zu erreichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Überbrückungsabschnitt, insbesondere bei einer Ausgestaltung des Überbrückungsabschnitts als Anpressabschnitt, gekrümmt geformt, so dass er eine Biegefeder ausbildet, die in Richtung auf die Oberfläche des Werkstücks wirkt und somit unter Vorspannung dauerhaft eine mechanische Druckkraft auf das Werkstück ausübt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück an einer Trennungsebene aneinander anliegend oder einen nur geringen Abstand zueinander aufweisend positioniert, wobei das erste Werkstück eine erste Aussparung aufweist, in die der stiftartige Abschnitt einzubringen ist, und wobei das zweite Werkstück eine zweite Aussparung aufweist, und der stiftartige Abschnitt in einem Winkel von 30° bis 150°, insbesondere 90°, zu der Trennungsebene durch die zweite Aussparung des zweiten Werkstücks hindurch in die erste Aussparung des ersten Werkstückes eingebracht wird.
Bei einer derartigen überlappenden Verbindung weist das zweite Werkstück insbesondere entweder ein vorgeformtes Durchgangsloch auf, das beim Einbringen des stiftartigen Abschnitts mit der Aussparung des ersten Werkstücks zur Deckung gebracht wird oder im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst das Durchgangsloch des zweiten Werkstücks und anschließend die Aussparung des ersten Werkstücks mittels des Laserstrahls gebildet.
Insbesondere werden bei dieser Alternative des Verfahrens ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück übereinander angeordnet, wobei zunächst ein über der Aussparung des ersten Werkstücks angeordnetes Durchgangsloch des zweiten Werkstücks von dem stiftartigen Abschnitt des Verbindungsmittels durchdrungen wird und anschließend der stiftartige Abschnitt in die Aussparung des ersten Werkstücks eingebracht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück an einer Trennungsebene aneinander anliegend oder einen nur geringen Abstand zueinander aufweisend positioniert, wobei das erste Werkstück eine erste Aussparung aufweist, in die der stiftartige Abschnitt einzubringen ist, und wobei das zweite Werkstück eine zweite Aussparung aufweist, wobei die erste und die zweite Aussparung jeweils rinnenartig an der jeweiligen Oberfläche des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks ausgebildet sind, wobei die erste und die zweite Aussparung im zueinander positionierten Zustand der Werkstücke derart angeordnet sind, dass die erste und die zweite Aussparung zusammen eine in der Trennungsebene angeordnete gemeinsame Aussparung, insbesondere ein Sackloch oder Durchgangsloch, ausbilden. Der stiftartige Abschnitt wird in die gemeinsame Aussparung eingebracht, so dass der stiftartige Abschnitt an gegenüberliegenden Seiten seiner Mantelfläche mit den beiden Werkstücken verschweißt oder verlötet wird.
Bei einer solchen sogenannten Stirnnahtverbindung wird insbesondere mittels des stiftartigen Abschnitts des Verbindungsmittels eine mechanische Verbindung zwischen den Werkstücken an gleichen Längenabschnitten gegenüberliegender Seiten der Werkstücke gebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück an einer Trennungsebene aneinander anliegend oder einen nur geringen Abstand zueinander aufweisend positioniert, wobei das erste Werkstück eine erste Aussparung aufweist, in die der stiftartige Abschnitt einzubringen ist, und wobei das zweite Werkstück eine zweite Aussparung aufweist. Die erste Aussparung und die zweite Aussparung sind jeweils als Sackloch oder Durchgangsloch ausgebildet. Das Verbindungsmittel weist einen ersten stiftartigen Abschnitt und einen zweiten stiftartigen Abschnitt auf, wobei der erste stiftartige Abschnitt in die erste Aussparung eingebracht wird und wobei der zweite stiftartige Abschnitt in die zweite Aussparung eingebracht wird.
Insbesondere ist hierbei das Verbindungsmittel als U-förmige Klammer mit zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten stiftförmigen Abschnitten ausgeführt, wobei die stiftförmigen Abschnitte in jeweils eine Aussparung eines der beiden Werkstücke eingebracht werden.
Insbesondere wird senkrecht zu der Trennungsebene zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück während zumindest eines Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens von einem geeigneten Haltewerkzeug eine mechanische Kraft ausgeübt, so dass das erste und das zweite Werkstück zusammengepresst werden.
Bei den beschriebenen Verbindungsverfahren zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück wird zumindest eine Schweiß- oder Lötverbindung zwischen dem stiftartigen Abschnitt des Verbindungsmittels und dem ersten Werkstück erzeugt.
Zusätzlich kann in bestimmten Ausführungsformen des Verfahrens auch das zweite Werkstück mittels einer Schweiß- oder Lötverbindung mit dem Verbindungsmittel verbunden werden.
Zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück wird mittels des Verbindungsmittels eine form- und kraftschlüssige Verbindung erzeugt. Insbesondere können die zweite Aussparung des zweiten Werkstücks und die erste Aussparung des ersten Werkstücks mittels eines Laserstrahls in einem Arbeitsschritt erzeugt werden.
Alternativ dazu können die erste Aussparung des ersten Werkstücks und die zweite Aussparung des zweiten Werkstücks separat erzeugt werden und vor dem Einbringen des Verbindungsmittels zur Deckung gebracht werden. Für diese Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn das Verbindungsmittel mit seinem Anpressabschnitt unter einer Druck-Vorspannung an der Oberfläche des zweiten Werkstücks anliegt.
Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass sich mehrere Werkstücke aus unterschiedlichen Materialien mechanisch miteinander verbinden lassen, die mit herkömmlichen Methoden nicht oder nur unzureichend verbunden werden können, beispielsweise schlecht verschweißbar sind. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Werkstücke indirekt mittels des Verbindungsmittels mechanisch miteinander verbunden werden, wobei ein Werkstück mit dem Verbindungsmittel verschweißt oder verlötet wird und das andere Werkstück von dem Verbindungsmittel mechanisch befestigt wird.
Zum Beispiel ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Stahl und Aluminium oder Metalle und Kunststoffe (auch faserverstärkte Kunststoffe) miteinander zu verbinden. Zudem lassen sich auch mehrere Werkstücke aus Kunststoff miteinander verbinden, insbesondere mittels eines Verbindungsmittels, dessen stiftartiger Abschnitt Kunststoff aufweist, wobei die Intensität, Einwirkungsdauer und/ oder Wellenlänge des Laserstrahls im Hinblick auf den niedrigeren Schmelzpunkt von Kunststoffen im Vergleich zu Metallen entsprechend reduziert werden kann. Mit einem entsprechenden Verfahren ist insbesondere auch ein Schweißvorgang zwischen einem Duroplastmaterial und einem Thermoplastmaterial möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird lediglich zwischen einer Mantelfläche des stiftförmigen Abschnitts und dem Werkstück die Schweiß- oder Lötverbindung hergestellt.
Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der stiftförmige Abschnitt aus einem Lotmaterial besteht oder an seiner Mantelfläche Lotmaterial aufweist, z.B. mit Lotmaterial beschichtet ist, welches durch die Erwärmung des Werkstückes erweicht oder aufgeschmolzen wird und dadurch die Lötverbindung mit dem Werkstück herstellt.
Eine Verbindung mittels der Mantelfläche hat den Vorteil, dass einerseits der stiftartige Abschnitt nicht vollständig in die Aussparung eingebracht werden muss, da die Stirnfläche des stiftartigen Abschnitts nicht mit dem Boden der Aussparung des Werkstück verbunden werden muss, und andererseits auch eine Befestigung des Verbindungsmittels an dem Werkstück möglich ist, wenn die Aussparung des Werkstücks als Durchgangsloch ausgeführt ist.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch zwischen der Stirnfläche des stiftförmigen Abschnitts und dem Werkstück die Schweiß- oder Lötverbindung hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird bei der Erzeugung der Aussparung mittels des Laserstrahls die Laserleistung in einer Einbrennphase derart eingestellt, dass eine Tiefenzunahme der Aussparung in Laserstrahllängsrichtung erfolgt, und bei der Erzeugung der Aussparung bei Erreichen eines definierten Wertes eines physikalischen Parameters, insbesondere der Tiefe der Aussparung, die Laserleistung in einer Erwärmungsphase derart eingestellt, dass eine geringere Tiefenzunahme je Zeiteinheit im Vergleich zu der Einbrennphase erfolgt, wobei während der Erwärmungsphase mittels des Laserstrahls das die Aussparung umgebende Material erwärmt wird.
Das heißt, bei Erreichen des definierten Wertes des physikalischen Parameters wird die Einbrennphase beendet und die Erwärmungsphase beginnt. Selbstverständlich wird auch bereits während der Einbrennphase das die Aussparung umgebende Material erwärmt.
Die Kontrolle eines physikalischen Parameters hat den Vorteil, dass Aussparungen gut reproduzierbarer Tiefe erzeugt werden können, was eine optimale Prozesskontrolle und eine Erzeugung von Verbindungen gut reproduzierbarer Festigkeit und Dimensionierung ermöglicht. Dabei sind geeignete physikalische Parameter beispielsweise die Tiefe der erzeugten Aussparung, die Temperatur im Bereich der Aussparung und/ oder die in die Aussparung eingebrachte Wärmemenge.
Insbesondere erfolgt während der Erwärmungsphase keine wesentliche Tiefenzunahme der Aussparung, sondern gegebenenfalls eine Aufweitung der Aussparung.
Die Laserleistung wird insbesondere während der Einbrennphase auf einem konstanten ersten Leistungswert gehalten und während der Erwärmungsphase auf einem konstanten zweiten Leistungswert gehalten, wobei der erste Leistungswert höher ist als der zweite Leistungswert. In Abhängigkeit der konkreten Leistungswerte und verwendeten Materialien führt ein solcher Leistungsverlauf insbesondere zu einem linearen Zuwachs der Tiefe der Aussparung während der Einbrennphase, wobei die Tiefe der Aussparung während der Erwärmungsphase nahezu konstant bleibt.
Insbesondere kann die Tiefe der erzeugten Aussparung mittels optischer Kohärenztomographie (OCT) gemessen werden. Dabei wird das Werkstück während der Erzeugung der Aussparung in den Messarm eines Interferometers eingekoppelt, so dass mittels des Interferenzsignals eines am Boden des Werkstücks reflektierten Messlaserstrahls mit einem in einem Referenzarm des Interferometers verlaufenden Referenzstrahl die Tiefe der gebildeten Aussparung bestimmbar ist.
Dabei ist die Vorrichtung insbesondere zur Durchführung der optischen Kohärenztomographie mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Laserintensität des die Aussparung erzeugenden Laserstrahls verbunden, so dass mittels der Steuereinrichtung in Abhängigkeit der gemessenen Tiefe der Aussparung die Laserintensität verändert werden kann. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, eine Zuführvorrichtung zur Zuführung eines Verbindungsmittels und/ oder Einbringung des stiftartigen Abschnitts des Verbindungsmittels in die Aussparung zu steuern, so dass mittels eines Signals der Steuereinrichtung, insbesondere bei Erreichen einer definierten Tiefe der Aussparung, ein Verbindungsmittel über der Aussparung positioniert werden kann und/ oder das Verbindungsmittel in die Aussparung eingebracht werden kann.
Dabei kann aufgrund des gemessenen physikalischen Parameters nach einer definierten Zeit der Lasereinstrahlung ein Signal zum Zuführen des Verbindungsmittels und/ oder Einbringen des stiftartigen Abschnitts des Verbindungsmittels in die Aussparung generiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein Verbindungsmittel, insbesondere eine U-förmige Klammer, unmittelbar vor dem Einbringen des Verbindungsmittels in die Aussparung in einem gekoppelten Prozessschritt erzeugt.
Dies hat den Vorteil, dass die zur Ausbildung der Schweiß- oder Lötverbindung benötigten Verbindungsmittel direkt im gleichen Prozess produziert werden können, wodurch insbesondere Kosten für die Lagerung und den Transport der Verbindungsmittel einspart werden können. Zudem kann die Dimensionierung der stiftartigen Abschnitte der Verbindungsmittel leicht den zu verbindenden Werkstücken angepasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Verbindungsmittel durch Abschneiden eines Drahtabschnitts von einem Draht und Biegen des Drahtabschnitts, insbesondere in eine U-Form, erzeugt. Dieser Prozess kann insbesondere automatisiert ausgeführt werden.
Ein Vorteil dieses Verfahrens ist die Möglichkeit, geeignete Verbindungsmittel einfach und kostengünstig aus einem entsprechenden Draht herzustellen.
Insbesondere weist der Draht ein mittels eines Laserstrahls schmelzbares oder erweichbares Zusatzmaterial, beispielsweise ein Lotmaterial auf. Der Draht kann z.B. mit dem Zusatzmaterial beschichtet, insbesondere ummantelt, sein. Alternativ dazu kann der Draht aus einem leicht schmelzbaren oder erweichbaren Material gefertigt sein. Diese Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass im Fall eines Lötvorgangs kein Zusatzmaterial separat in die Aussparung des Werkstücks zur Ausbildung der Lötverbindung eingebracht werden muss.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird mittels des Schneidevorgangs des Drahtes eine Spitze an einer Stirnfläche des stiftartigen Abschnitts des Verbindungsmittels erzeugt. Dies erleichtert das Einbringen des stiftartigen Abschnitts in die Aussparung durch Selbstzentrierung.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verbindungssystem zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels an einem Werkstück zur Verfügung gestellt. Das Verbindungssystem weist eine Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls auf, wobei der Laserstrahl dazu eingerichtet ist, in einem Werkstück eine Aussparung, insbesondere ein Sackloch oder Durchgangsloch, zu erzeugen und das Werkstück zumindest im Bereich der Aussparung derart zu erwärmen, dass in der Aussparung erweichtes Material oder eine Materialschmelze bildbar ist.
Weiterhin weist das Verbindungssystem eine Vorrichtung zum Einbringen von Verbindungsmitteln in ein Werkstück auf, die dazu eingerichtet ist, einen stiftartigen Abschnitt eines Verbindungsmittels, insbesondere einen stiftartigen Abschnitt einer U-förmigen Klammer, in die mittels des Laserstrahls erzeugte Aussparung so einzubringen, dass eine Schweiß- oder Lötverbindung zwischen dem stiftartigen Abschnitt und dem Werkstück in der Aussparung herstellbar ist.
Das Verbindungssystem weist außerdem eine Steuereinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, bei der Erzeugung der Aussparung mittels des Laserstrahls die Laserleistung in einer Einbrennphase derart einzustellen, dass eine Tiefenzunahme der Aussparung in Laserstrahllängsrichtung erfolgt, und bei Erreichung eines definierten Wertes eines physikalischen Parameters, insbesondere der Tiefe der Aussparung, die Laserleistung in einer Erwärmungsphase derart einzustellen, dass eine geringere Tiefenzunahme je Zeiteinheit im Vergleich zu der Einbrennphase bei gleichzeitiger Erwärmung des die Aussparung umgebenden Materials mittels des Laserstrahls erfolgt.
Dabei sind geeignete physikalische Parameter beispielsweise die Tiefe der erzeugten Aussparung, die Temperatur im Bereich der Aussparung und/ oder die in die Aussparung eingebrachte Wärmemenge.
Mittels einer derartigen Steuereinrichtung lassen sich die Prozessparameter aufgrund von physikalischen Messparametern optimal steuern, so dass eine hohe Reproduzierbarkeit der Festigkeit und Dimensionierung der erzeugten Verbindungen ermöglicht wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verbindungssystem eine Messeinrichtung zur Messung eines physikalischen Parameters der Aussparung, insbesondere mittels optischer Kohärenztomographie (OCT), auf, wobei die Messeinrichtung mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Laserintensität des die Aussparung erzeugenden Laserstrahls verbunden ist, so dass mittels der Steuereinrichtung in Abhängigkeit der gemessenen Tiefe der Aussparung die Laserintensität verändert werden kann. Insbesondere ist die Messeinrichtung eine Vorrichtung zur Durchführung einer optischen Kohärenztomographie (OCT), umfassend eine Messlaserquelle zur Erzeugung eines Messlaserstrahls, einen Messarm und einen Referenzarm, wobei mittels des Interferenzsignals zwischen dem Messarm und dem Referenzarm die Tiefe der gebildeten Aussparung des Werkstücks bestimmbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung mit einer Zuführvorrichtung zur Zuführung eines Verbindungsmittels und/ oder Einbringung des stiftartigen Abschnitts des Verbindungsmittels in die Aussparung verbunden, so dass mittels eines Signals der Steuereinrichtung, insbesondere bei Erreichen einer definierten Tiefe der Aussparung, ein Verbindungsmittel über der Aussparung positionierbar ist und/ oder das Verbindungsmittel in die Aussparung einbringbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verbindungssystem eine Biege- und Schneidvorrichtung zur Herstellung eines Verbindungsmittels mit einem stiftartigen Abschnitt auf. Die Biege- und Schneidvorrichtung ist dabei zur Herstellung einer U-förmigen Klammer eingerichtet. Die Biege- und Schneidvorrichtung weist einen Stempel und eine Matrize auf, wobei der Stempel ein Biegesegment und ein Schneidsegment aufweist. Die Biege- und Schneidvorrichtung ist dazu eingerichtet, durch eine Bewegung des Stempels relativ zu der Matrize mittels des Schneidsegments einen Drahtabschnitt von einem Draht abzuschneiden und im gleichen Hub den Drahtabschnitt mittels des Biegesegments zu verformen.
Dies hat den Vorteil, dass die zur Ausbildung der Schweiß- oder Lötverbindung benötigten Verbindungsmittel direkt im gleichen Prozess produziert werden können, wodurch insbesondere Kosten für die Lagerung und den Transport der Verbindungsmittel eingespart werden können. Mittels der beschriebenen Vorrichtung lassen sich einfach und kostengünstig Verbindungsmittel aus einem Draht herstellen.
Der Stempel weist insbesondere eine erste Kontaktfläche auf und die Matrize weist eine zweite Kontaktfläche auf, wobei die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche komplementär zueinander geformt sind, so dass ein zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche angeordneter Drahtabschnitt mittels einer Bewegung des Stempels relativ zu der Matrize durch Biegen des Drahtabschnitts eine Form annimmt, die im Wesentlichen der Form der Kontaktflächen aufweist.
Insbesondere weist die erste Kontaktfläche eine Vertiefung auf und die zweite Kontaktfläche weist einen zu der Vertiefung komplementär geformten Vorsprung auf, wobei beispielsweise die Vertiefung und der Vorsprung jeweils U-förmig ausgebildet ist, so dass aus dem Draht mittels der Biege- und Schneidvorrichtung eine U-förmige Klammer erzeugbar ist.
Die Biege- und Schneidvorrichtung weist eine Gegenschneide auf, wobei das Schneidsegment dazu eingerichtet ist, sich bei der Bewegung des Stempels relativ zu der Matrize derart in Bezug zu der Gegenschneide zu bewegen, dass ein zwischen dem Schneidsegment und der Gegenschneide positionierter Draht mittels des Schneidsegments und der Gegenschneide schneidbar ist.
Dabei kann entweder der Stempel oder die Matrize beweglich ausgeformt sein, so dass die Bewegung des Stempels relativ zu der Matrize entweder durch eine Bewegung des Stempels oder durch eine Bewegung der Matrize zustande kommen kann.
Das Schneidsegment kann insbesondere mit dem Stempel mechanisch verbunden sein oder als integraler Teil des Stempels ausgeführt sein.
Der Stempel oder die Matrize ist insbesondere mit einer Kolben-Zylinder-Einheit mechanisch verbunden, so dass eine Bewegung des Kolbens auf den Stempel oder die Matrize übertragbar ist.
Insbesondere weist die Biege- und Schneidvorrichtung eine Einstellvorrichtung zur Veränderung einer Anschlagposition auf, so dass die Anschlagposition derart veränderbar ist, dass Verbindungsmittel mit stiftartigen Abschnitten unterschiedlicher definierter Länge mittels der Biege- und Schneidvorrichtung erzeugbar sind.
Insbesondere weist der Draht ein mittels des Laserstrahls des Verbindungssystems schmelzbares oder erweichbares Zusatzmaterial, beispielsweise ein Lotmaterial auf. Der Draht kann z.B. mit dem Zusatzmaterial beschichtet, insbesondere ummantelt, sein. Alternativ dazu kann der Draht aus einem mittels des Laserstrahls schmelzbaren oder erweichbaren Material gefertigt sein. Diese Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass im Fall eines Lötvorgangs kein Zusatzmaterial separat in die Aussparung des Werkstücks zur Ausbildung der Lötverbindung eingebracht werden muss.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Schneidsegment dazu eingerichtet, mittels des Schneidevorgangs eine Spitze des stiftartigen Abschnitts des Verbindungsmittels zu erzeugen.
Das Verbindungssystem kann eine Transportvorrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, mittels der Biege- und Schneidvorrichtung erzeugte Verbindungsmittel der Vorrichtung zum Einbringen von Verbindungsmitteln in ein Werkstück zuzuführen.
Insbesondere weist die Biege- und Schneidvorrichtung einen Auswerfer zum Auswerfen des erzeugten Verbindungsmittels auf, wobei der Auswerfer dazu eingerichtet ist, erzeugte Verbindungsmittel der Transportvorrichtung zuzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verbindungssystem einen Drahtförderer, insbesondere einen Zweirollenförderer, zum Zuführen des Drahtes zu der Biege- und Schneidvorrichtung auf. Mittels des Drahtförderers kann der benötigte Draht von einer Drahtrolle abgewickelt und zu der Biege- und Schneidvorrichtung transportiert werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen zur Verfügung gestellt. Das Kraftfahrzeug weist zumindest ein Werkstück und ein Verbindungsmittel auf, wobei das Verbindungsmittel an dem Werkstück mittels einer durch ein Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung erzeugten Schweiß- oder Lötverbindung mechanisch befestigt ist.
Dabei ist das Werkstück insbesondere ein Karosserieteil des Kraftfahrzeugs. Beim Bau von Kraftfahrzeugen müssen häufig Werkstücke unterschiedlicher Materialien, die insbesondere mittels herkömmlicher Methoden nicht verschweißbar sind, verbunden werden. Hierfür ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft anwendbar.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen
1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2: eine schematische Darstellung eines Teilschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3: eine schematische Darstellung einer Schweiß- oder Lötverbindung zwischen einer U-förmigen Klammer mit gebogenem Anpressabschnitt und einem Werkstück,
4a–c: verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen stirnnahtförmigen Schweiß- oder Lötverbindung,
5: eine schematische Darstellung einer Schweiß- oder Lötverbindung zwischen einer U-förmigen Klammer mit geradem Anpressabschnitt und einem Werkstück,
6: eine weitere schematische Darstellung eines Teilschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens,
7: eine Anordnung zur gleichzeitigen Erzeugung zweier Laserstrahlen und
8: eine Vorrichtung zur Herstellung von U-förmigen Klammern.
Zur Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst Bezug genommen auf die 1.
Diese zeigt eine Schnittansicht eines ersten Werkstücks 31 und eines zweiten Werkstücks 32, wobei die Werkstücke 31, 32 schichtweise angeordnet sind. Weiterhin ist ein mittels einer Sammellinse 62 fokussierter Laserstrahl 60 gezeigt, der entlang einer zu der Oberfläche des zweiten Werkstücks 32 senkrecht angeordneten Laserstrahllängsrichtung 61 verläuft. Die 1 zeigt außerdem eine mittels des Laserstrahls 60 erzeugte Aussparung 50, wobei die Darstellungen der Aussparung 50 von links nach rechts einzelne Zustände eines zeitlichen Verlaufs der Erzeugung der Aussparung 50 mittels eines Laserbohrprozesses darstellen.
Im oberen Teil der 1 ist ein Zeit/Leistungsdiagramm mit einer die Zeit t darstellenden Zeitachse und einer die Leistung P des Laserstrahls 60 darstellenden Ordinate gezeigt. Weiterhin ist ein Zeit/Tiefe-Diagramm mit einer die Zeit darstellenden Zeitachse, die eine mit der Zeitachse des Zeit/Leistungsdiagramms identische Skala aufweist, und einer die Tiefe T der Aussparung 50 darstellenden Ordinate dargestellt.
Der Prozess beginnt zu dem Zeitpunkt t₀ mit dem Einschalten des Laserstrahls 60. Zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ bleibt die Leistung P konstant. Zu dem Zeitpunkt t₁ wird die Leistung P sprungartig auf einen niedrigeren Leistungswert gesenkt und bis zu dem Zeitpunkt t₂ konstant gelassen. Dabei entspricht die Fläche unter der gezeigten Zeit/Leistungskurve der mittels des Laserstrahls 60 zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₂ übertragbaren Wärme Q.
Zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ erhöht sich in Folge der konstant hohen Leistung P des Laserstrahls 60 die Tiefe T der Aussparung 50 linear. Aufgrund der Senkung der Leistung P im Zeitpunkt t₁ bleibt die Tiefe T der Aussparung 50 zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ nahezu konstant, wobei Wärme mittels des Laserstrahls 60 auf die Aussparung 50 übertragen wird.
Die Darstellungen der Aussparung 50 sind jeweils einem Zeitpunkt des Laserbohrprozesses zugeordnet, der demjenigen Punkt auf der Zeitachse entspricht, der in der Darstellung der 1 lotrecht über der jeweiligen Darstellung der Aussparung 50 angeordnet ist.
Eine an der Darstellung der Aussparung 50, welche dem Zeitpunkt t₂ zugeordnet ist, exemplarisch dargestellte Tiefe T der Aussparung 50 nimmt dabei während des zeitlichen Ablaufs des Laserbohrprozesses zu, so dass die zu dem Zeitpunkt t₂ vorliegende Aussparung 50 sich durch das zweite Werkstück 32 bis in das erste Werkstück 31 hinein erstreckt, wobei die Aussparung 50 durch ein Durchgangsloch des zweiten Werkstücks 32 und ein angrenzendes Sackloch des ersten Werkstücks 31 gebildet wird.
Die durch den Laserstrahl 60 auf das zweite Werkstück 32 und/ oder das erste Werkstück 31 übertragene Wärme Q führt zur Bildung von erweichtem Material bzw. einer Materialschmelze 70 in dem jeweiligen Bereich um die Aussparung 50.
Dabei ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt, dass wie in 1 gezeigt ein Erwärmungsbereich 71 neben dem erweichten Material bzw. der Materialschmelze 70 angeordnet ist, sondern insbesondere bei lediglich Erweichen des Materials kann der Erwärmungsbereich 71 auch das erweichte Material 70 umfassen.
Im rechten unteren Teil der 1 ist weiterhin ein Teil eines Verbindungsmittels 1 mit einem in der Aussparung 50 angeordneten stiftartigen Abschnitt 20 dargestellt. Dies stellt den Endzustand eines erfindungsgemäßen Verfahrens dar, bei dem nach Abschluss des Laserbohrprozesses der stiftartige Abschnitt 20 in die Aussparung 50 eingebracht wurde, insbesondere gesteuert von einem Signal 66 für eine in der 1 nicht dargestellte Vorrichtung zum Einbringen von Verbindungsmitteln in ein Werkstück. In der dargestellten Ausführungsform ist der stiftartige Abschnitt 20 mit einem Lotmaterial 26 beschichtet. Dabei ist der stiftartige Abschnitt 20 hier sowohl mittels seiner Mantelfläche 23 als auch mittels seiner Stirnfläche 24 mit dem ersten Werkstück 31 und/ oder dem zweiten Werkstück 32 mittels einer Lötverbindung fest verbunden.
Das Lotmaterial 26 wird während des Einbringens und/ oder nach dem Einbringen des stiftartigen Abschnitts 20 in die Aussparung 50 durch Übertragung von Wärme Q von dem mittels Laserstrahl 60 erzeugten erweichten Material oder der Materialschmelze 70 erweicht oder geschmolzen, so dass nach dem Einbringen des stiftartigen Abschnitts 20 das erweichte Material oder die Materialschmelze 70 mit dem geschmolzenen Lotmaterial 26 verbunden ist, und so dass sich nach dem Erkalten des erweichten Materials oder der Materialschmelze 70 eine feste Lötverbindung zwischen dem stiftartigen Abschnitt 20 und zumindest dem ersten Werkstück 31 ausbildet.
Alternativ zu dieser Ausführungsform kann bei Vorliegen von geschmolzenem Material auch eine Schweißverbindung zwischen einer Materialschmelze 70 und dem stiftartigen Abschnitt 20 ausgebildet werden, wenn durch Wärmeeintrag in den stiftartigen Abschnitt 20 dieser aufgeschmolzen wird.
Zum Beschreibung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden auf die 2 Bezug genommen.
Diese zeigt einen Teilschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem mittels eines Laserstrahls 60 eine Aussparung 50 einer Tiefe T in einem ersten Werkstück 31 und einem schichtweise über dem ersten Werkstück 31 angeordneten zweiten Werkstück 32 erzeugt wird. Dabei wird mittels der von dem Laserstrahl 60 übertragenen Wärme erweichtes Material bzw. eine Materialschmelze 70 und ein Erwärmungsbereich 71 erzeugt.
Der Laserstrahl 60 verläuft in einer Laserstrahllängsrichtung 61. Dabei wird ein hier nicht gezeigter Anteil des Laserstrahls 60 mittels eines halbdurchlässigen Spiegels 95 reflektiert und ein weiterer zwischen dem Spiegel 95 und der Aussparung 50 verlaufender Anteil des Laserstrahls 60 durchtritt den Spiegel 95 und wird von einer Sammellinse 62 fokussiert. Durch Reflexion des Laserstrahls 60 an dem Boden der Aussparung 50, in der hier gezeigten Darstellung an dem erweichten Material bzw. der Materialschmelze 70, entsteht ein reflektierter Laserstrahl 67. Der reflektierte Laserstrahl 67 wird teilweise von dem Spiegel 95 reflektiert und gelangt zu einer in der 2 nicht gezeigten Messeinrichtung.
Diese Messeinrichtung kann beispielsweise ein Interferometer zur Durchführung einer optischen Kohärenztomographie (OCT) sein. Mittels einer derartigen Messmethode ist die Tiefe T der Aussparung 50 durch Bestimmung des Lichtwegs des reflektierten Laserstrahls 67 messbar. Bei Erreichen einer definierten Tiefe T kann insbesondere ein Signal an eine Steuereinrichtung 94 weitergeleitet werden. Mittels der Steuereinrichtung 94 kann in Folge des Signals insbesondere die Laserquelle, welche den Laserstrahl 60 aussendet, ausgeschaltet werden oder die Leistung des Laserstrahls 60 verändert werden, so dass beispielsweise keine weitere Tiefenzunahme der Aussparung 50 erfolgt, sondern lediglich Wärme übertragen wird, und so dass gegebenenfalls wie in 1 dargestellt eine Vergrößerung des Durchmessers der erzeugten Aussparung 50 realisiert wird. Bei Verwendung eines OCT-Messsystems kann insbesondere auch der reflektierte Laserstrahl 67 spektral analysiert werden, um anhand von charakteristischen Absorptionsbanden die Materialzusammensetzung des reflektierenden Materials am Boden der Aussparung 50 zu analysieren.
Im Folgenden wird zur Beschreibung von Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schweiß- oder Lötverbindung zwischen einem Verbindungsmittel 1 und einem Werkstück 30 auf die 3, 4a, 4b, 4c und 5 Bezug genommen.
Diese zeigen jeweils eine Schweiß- oder Lötverbindung zwischen einem ersten Werkstück 31 und einem als U-förmige Klammer 10 ausgeformten Verbindungsmittel 1. Das erste Werkstück 31 ist jeweils angrenzend an ein zweites Werkstück 32 positioniert.
Die U-förmige Klammer 10 weist einen in einer ersten Aussparung 51 positionierten ersten stiftförmigen Abschnitt 21 und einen in einer zweiten Aussparung 52 positionierten zweiten stiftartigen Abschnitt 22 auf.
Details der Verbindung zwischen den stiftartigen Abschnitten 21, 22 und der jeweiligen Aussparung 51, 52 werden im Folgenden exemplarisch für den in 3 gezeigten ersten stiftartigen Abschnitt 21 beschrieben, gelten aber sowohl für den ersten stiftartigen Abschnitt 21 als auch für den zweiten stiftartigen Abschnitt 22 in den 3–5.
Der erste stiftartige Abschnitt 21 weist eine Mantelfläche 23 und eine Stirnfläche 24 auf, Dabei tritt bei der Verbindung des ersten stiftartigen Abschnitts 21 mit dem ersten Werkstück 31 der erste stiftartige Abschnitt 21 mittels eines Teils seiner Mantelfläche 23 und mit seiner gesamten Stirnfläche 24 mit erweichtem Material oder einer Materialschmelze 70 des ersten Werkstücks 31 in Kontakt, wobei Wärme von dem erweichten Material oder der Materialschmelze 70 auf den ersten stiftartigen Abschnitt 21 übertragen wird. Dies führt zu einer Erwärmung des ersten stiftartigen Abschnitts 21, so dass in Abhängigkeit vom Material des ersten stiftartigen Abschnittes 21 sowie vom Wärmeeintrag eine Schweiß- oder Lötverbindung zwischen dem ersten stiftartigen Abschnitt 21 und dem ersten Werkstück 31 realisiert wird.
Durch das Einbringen der stiftartigen Abschnitte 21, 22 in die entsprechenden Aussparungen 51, 52 wird insbesondere zumindest ein Teil des erweichten Materials oder der Materialschmelze 70 aus den Aussparungen 51, 52 verdrängt, so dass nur eine relativ dünne Schicht von erweichtem Material oder Materialschmelze 70 zwischen dem Werkstück 31, 32 und dem jeweiligen stiftartigen Abschnitt 21, 22 zurückbleibt. Dabei werden Verunreinigungen des erweichten Materials bzw. der Materialschmelze 70, z.B. intermetallische Phasen, beseitigt. Im Fall einer Materialschmelze 70 erfolgt hierdurch insbesondere eine Schmelzbadreinigung. Infolgedessen kann eine Schweiß- oder Lötverbindung ausreichender Festigkeit realisiert werden.
Der erste stiftartige Abschnitt 21 der U-förmigen Klammer 10 ist über einen entsprechenden Anpressabschnitt 25 mit dem zweiten stiftartigen Abschnitt 22 verbunden, wobei der Anpressabschnitt 25 im Wesentlichen rechtwinklig oder spitzwinklig zu den stiftartigen Abschnitten 21, 22 angeordnet ist.
Die stiftartigen Abschnitte 21, 22 weisen in den gezeigten Ausführungsformen an ihren jeweiligen Stirnflächen 24 jeweils eine Spitze 27 auf, welche das Einbringen des jeweiligen stiftartigen Abschnitts 21, 22 in die entsprechende Aussparung 51, 52 durch Selbstzentrierung erleichtert.
Die 3 zeigt eine Schnittansicht einer U-förmigen Klammer 10, eines ersten Werkstücks 31 und eines zweiten Werkstücks 32, wobei zwischen dem ersten Werkstück 31 und dem zweiten Werkstück 32 eine Schicht aus einem Klebstoff 34 zur Vorfixierung der Werkstücke 31, 32 angeordnet ist.
In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist sowohl die Mantelfläche 23 als auch die Stirnfläche 24 der U-förmigen Klammer 10 mit einem Lotmaterial 26 beschichtet. Bei der Verbindung des ersten stiftartigen Abschnitts 21 mit dem ersten Werkstück 31 wird infolgedessen Wärme von dem erweichten Material oder der Materialschmelze 70 auf das Lotmaterial 26 übertragen, so dass das Lotmaterial 26 aufgeschmolzen wird. Dabei bildet sich eine Lötverbindung zwischen dem ersten stiftartigen Abschnitt 21 und dem ersten Werkstück 31 aus.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist der Anpressabschnitt 25 als Biegefeder ausgeführt, wobei der Anpressabschnitt 25 in einer mit gestrichelten Linien dargestellten ursprünglichen Form 13 eine größere Krümmung aufweist als in der Position der fertigen Schweiß- oder Lötverbindung. Im Zuge des Einbringens der stiftartigen Abschnitte 21, 22 in die entsprechenden Aussparungen 51, 52 wird eine Einbringkraft 11 auf die U-förmige Klammer 10 ausgeübt, die die Klammer in die Aussparungen 51, 52 schiebt, bis der Anpressabschnitt 25 an einer Oberfläche 33 des zweiten Werkstückes 32 zu Anlage kommt und darüber hinaus. Dies führt zu einer Verformung des Anpressabschnitts 25 aus der ursprünglichen Form 13 in die hier als Anpressabschnitt 25 dargestellte Form.
Dadurch wirkt nach der Verformung eine Federkraft 12 von dem Anpressabschnitt 25 auf die Oberfläche 33 des zweiten Werkstücks 32. Infolgedessen wird das zweite Werkstück 32 mittels der U-förmigen Klammer 10 an das mit der U-förmigen Klammer 10 verbundene erste Werkstück 31 gepresst, wodurch ein Reibschluss zwischen dem ersten Werkstück 31 und dem zweiten Werkstück 32 zustande kommt.
Die 4a zeigt eine Schnittdarstellung einer Stirnnahtverbindung zwischen einem Werkstück 30 und einem nicht gezeigten weiteren Werkstück, wobei die Schnittebene eine Trennungsebene 40 zwischen den Werkstücken darstellt. In den 4b und 4c ist jeweils eine perspektivische Darstellung einer Stirnnahtverbindung zwischen einem ersten Werkstück 31 und einem zweiten Werkstück 32 gezeigt, wobei die Stirnnahtverbindung in der 4b teilweise in der Trennungsebene 40 aufgeschnitten dargestellt ist.
Die Stirnnahtverbindungen können Schweiß- oder Lötverbindungen sein und sind jeweils durch U-förmige Klammern 10 mit stiftartigen Abschnitten 21, 22 realisiert, wobei der jeweilige Anpressabschnitt 25 jeweils parallel zu der entsprechenden Trennungsebene 40 zwischen dem ersten Werkstück 31 und dem zweiten Werkstück 32 positioniert ist.
Dabei sind die erste und die zweite Aussparung 51, 52 jeweils durch Rinnen an der jeweiligen Oberfläche des ersten Werkstücks 31 und des zweiten Werkstücks 32 ausgebildet, so dass die erste und die zweite Aussparung 51, 52 im zueinander positionierten Zustand der Werkstücke 31, 32 eine in der Trennungsebene 40 angeordnete gemeinsame Aussparung 53 bilden. Der stiftartige Abschnitt 21, 22 wird bei der Herstellung der Schweiß- oder Lötverbindung in die gemeinsame Aussparung 53 eingebracht. Somit ist der stiftartige Abschnitt 21, 22 in der fertigen Schweiß- oder Lötverbindung an gegenüberliegenden Seiten seiner Mantelfläche 23 mit den beiden Werkstücken 31, 32 verbunden.
Die 5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer analog zu der Darstellung in 3 ausgeformten Schweiß- oder Lötverbindung, wobei hier der Anpressabschnitt 25 nicht als Biegefeder ausgeformt ist, sondern gerade rechtwinklig zu den stiftartigen Abschnitten 21, 22 verläuft. Die stiftartigen Abschnitte 21, 22 sind hier senkrecht zu der Trennungsebene 40 zwischen dem ersten Werkstück 31 und dem zweiten Werkstück 32 angeordnet. Dabei bestehen die Aussparungen 51, 52 jeweils aus einem Sackloch des ersten Werkstücks 31 und einem Durchgangsloch des zweiten Werkstücks 32, wobei der jeweilige stiftartige Abschnitt 21, 22 das jeweilige Durchgangsloch durchtritt und in das jeweilige Sackloch eingebracht ist, wo er mit dem Material des ersten Werkstücks 31 mittels einer Schweiß- oder Lötverbindung verbunden ist. Es soll dabei aber nicht ausgeschlossen werden, dass der stiftartige Abschnitt 21, 22 auch mit dem zweiten Werkstück 32 eine Schweiß- oder Lötverbindung herstellt.
In der 6 sind Teilschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Befestigung eines Verbindungsmittels an einem Werkstück schematisch dargestellt.
Es sind zwei schichtartig übereinander angeordnete Werkstücke 31, 32 gezeigt, in welche gleichzeitig mittels eines ersten Laserstrahls 68 und eines zweiten Laserstrahls 69 eine erste Aussparung 51 und eine zweite Aussparung 52 zum Einbringen eines Verbindungsmittels 1, insbesondere in Form einer U-förmigen Klammer 10, nebeneinander erzeugt werden.
Weiterhin ist eine Vorrichtung 93 zum Einbringen von Verbindungsmitteln mit einem Haltewerkzeug 80 gezeigt. Zudem ist eine durch das Haltewerkzeug 80 gehaltene U-förmige Klammer 10 gezeigt. Das Haltewerkzeug 80 ist mit einer Translationsführung 81 mechanisch verbunden, so dass die U-förmige Klammer 10 mittels einer Bewegung des Haltewerkzeugs 80 in der Translationsführung 81 mit seinen stiftartigen Abschnitten in die Aussparungen 51, 52 eingebracht werden kann.
Dabei entspricht der Abstand der Aussparungen 51, 52 dem Abstand der stiftartigen Abschnitte und der Durchmesser der Aussparungen 51, 52 entspricht mindestens dem Durchmesser der stiftartigen Abschnitte.
Die Detailansicht 6a zeigt eine erste Alternative einer Anordnung zur gleichzeitigen Erzeugung des ersten Laserstrahls 68 und des zweiten Laserstrahls 69. Hierin sind eine erste Laserquelle 91 zur Erzeugung des ersten Laserstrahls 68 und eine zweite Laserquelle 92 zur Erzeugung des zweiten Laserstrahls 69 gezeigt. Diese werden mittels einer ersten Sammellinse 63 und einer zweiten Sammellinse 64 fokussiert.
Die 7 zeigt eine zweite Alternative einer Anordnung zur gleichzeitigen Erzeugung eines ersten Laserstrahls 68 und eines zweiten Laserstrahls 69. Hierin wird ein einzelner Laserstrahl mittels einer ersten Laserquelle 91 erzeugt. Der Laserstrahl durchläuft eine erste Sammellinse 63 und einen Strahlteiler 65, der den Laserstrahl in den ersten Laserstrahl 68 und den zweiten Laserstrahl 69 aufspaltet. Der erste Laserstrahl 68 und der zweite Laserstrahl 69 werden dann von einer zweiten Sammellinse 64 fokussiert und treffen auf ein Werkstück 30, in dem mittels der Laserstrahlen 68, 69 eine erste Aussparung 51 und eine zweite Aussparung 52 erzeugt wird.
Die 8a zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung von U-förmigen Klammern 10 aus einem Draht 140, wobei die Vorrichtung eine Schneid- und Biegevorrichtung 100, eine Haspel 120 sowie einen Drahtförderer 130, insbesondere einen Zweirollenförderer, aufweist. Mittels des Drahtförderers 130 wird der Draht 140 von der Haspel 120 abgewickelt und der Schneid- und Biegevorrichtung 100 zugeführt.
Die Schneid- und Biegevorrichtung 100 weist einen Stempel 101 mit einem im Querschnitt als U-förmige Vertiefung ausgeformten Biegesegment 102 und einem Schneidsegment 103 auf. Die Schneid- und Biegevorrichtung 100 weist weiterhin eine Matrize 104 auf, welche einen komplementär zu dem Biegesegment 102 geformten Vorsprung aufweist. Der Stempel 101 ist mit einem Zylinder 110 mechanisch verbunden, so dass bei Bewegung des Zylinders 110 der Stempel 101 in Richtung auf die Matrize 104 bewegbar ist.
Bei einer Bewegung des Stempels 101 wird aus einem in der Schneid- und Biegevorrichtung 100 befindlichen Draht 140 mittels des Schneidsegments 103 und einer Gegenschneide 105 ein Drahtabschnitt 141 abgetrennt und in dem gleichen Hub der Drahtabschnitt 141 in eine U-Form gebogen, wobei eine U-förmige Klammer 10 gebildet wird. Die erzeugte U-förmige Klammer 10 kann mittels eines optionalen Auswerfers aus der Schneid- und Biegevorrichtung 100 ausgegeben werden und insbesondere einer Vorrichtung 93 zum Einbringen von Verbindungsmitteln zugeführt werden.
Die 8b zeigt eine mittels der Schneid- und Biegevorrichtung 100 erzeugte U-förmige Klammer 10 mit geradem Anpressabschnitt 25 und die 8c zeigt eine mittels einer erfindungsgemäßen Schneid- und Biegevorrichtung 100 erzeugte U-förmige Klammer 10 mit einem gebogenen Anpressabschnitt 25. Dabei kann die in 8c dargestellte Biegung des gebogenen Anpressabschnitts 25 während des beschriebenen Biegevorgangs mittels eines entsprechend geformten Stempels 101 erzeugt werden.
Bezugszeichenliste

1: Verbindungsmittel
10: U-förmige Klammer
11: Einbringkraft
12: Federkraft
13: Ursprüngliche Form
20: Stiftartiger Abschnitt
21: Erster stiftartiger Abschnitt
22: Zweiter stiftartiger Abschnitt
23: Mantelfläche
24: Stirnfläche
25: Anpressabschnitt
26: Lotmaterial
27: Spitze
30: Werkstück
31: Erstes Werkstück
32: Zweites Werkstück
33: Oberfläche
34: Klebstoff
40: Trennungsebene
50: Aussparung
51: Erste Aussparung
52: Zweite Aussparung
53: Gemeinsame Aussparung
T: Tiefe
60: Laserstrahl
61: Laserstrahllängsrichtung
62: Sammellinse
63: Erste Sammellinse
64: Zweite Sammellinse
65: Strahlteiler
66: Signal
67: Reflektierter Laserstrahl
68: Erster Laserstrahl
69: Zweiter Laserstrahl
P: Leistung
t: Zeit
Q: Wärme
70: Erweichtes Material oder Materialschmelze
71: Erwärmungsbereich
80: Haltewerkzeug
81: Translationsführung
91: Erste Laserquelle
92: Zweite Laserquelle
93: Vorrichtung zum Einbringen von Verbindungsmitteln
94: Steuereinrichtung
95: Spiegel
100: Schneid- und Biegevorrichtung
101: Stempel
102: Biegesegment
103: Schneidsegment
104: Matrize
105: Gegenschneide
110: Zylinder
120: Haspel
130: Drahtförderer
140: Draht
141: Drahtabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008058917 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 1910-100 [0002]

Claims

Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels (1) an einem Werkstück, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Erzeugen einer Aussparung (50), insbesondere eines Sacklochs oder eines Durchgangslochs, in einem Werkstück (30) mittels eines Laserstrahls (60), – Erwärmen des Werkstücks (30) zumindest im Bereich der Aussparung (50) mittels des Laserstrahls (60), so dass in der Aussparung (50) erweichtes Material oder eine Materialschmelze (70) gebildet wird, – Einbringen eines stiftartigen Abschnitts (20) eines Verbindungsmittels (1), insbesondere einer U-förmigen Klammer (10), in die Aussparung (50), – Herstellung einer Schweiß- oder Lötverbindung zwischen dem stiftartigen Abschnitt (20) des Verbindungsmittels (1) und dem Werkstück (30) in der Aussparung (50), wobei zumindest zeitabschnittsweise gleichzeitig mit dem Erzeugen der Aussparung (50) die Erwärmung des Werkstücks (30) zwecks Bildung des erweichten Materials oder der Materialschmelze (70) vorgenommen wird.
Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels (1) an einem Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Einbringens des stiftartigen Abschnitts (20) in die Aussparung (50) zumindest ein Teil der Materialschmelze bzw. des erweichten Materials (70) aus der Aussparung (50) verdrängt wird.
Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels (1) an einem Werkstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einbringens des stiftartigen Abschnitts (20) in die Aussparung (50) das Verbindungsmittel (1) oder ein das Verbindungsmittel (1) haltendes Haltewerkzeug (80) den Laserstrahl (60) unterbricht.
Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels (1) an einem Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (1) einen Anpressabschnitt (25) aufweist, der in einem Winkel von 45° bis 135° zu dem stiftartigen Abschnitt (20) des Verbindungsmittels (1) verläuft, wobei das Verbindungsmittel (1) derart mit dem Werkstück (30) verbunden wird, dass der Anpressabschnitt (25) unter einer Druck-Vorspannung an einer Oberfläche (33) eines Werkstücks anliegt.
Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels (1) an einem Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Werkstück (31) und ein zweites Werkstück (32) an einer Trennungsebene (40) aneinander anliegend oder einen nur geringen Abstand zueinander aufweisend positioniert werden, wobei das erste Werkstück (31) eine erste Aussparung (51) aufweist, in die der stiftartige Abschnitt (20) einzubringen ist, und wobei das zweite Werkstück (32) eine zweite Aussparung (52) aufweist und: i) der stiftartige Abschnitt (20) in einem Winkel von 30° bis 150°, insbesondere 90°, zu der Trennungsebene (40) durch die zweite Aussparung (52) des zweiten Werkstücks (32) hindurch in die erste Aussparung (51) des ersten Werkstückes (31) eingebracht wird, oder ii) die erste Aussparung (51) und die zweite Aussparung (52) jeweils rinnenartig an der jeweiligen Oberfläche des ersten Werkstücks (31) und des zweiten Werkstücks (32) ausgebildet sind, wobei die erste Aussparung (51) und die zweite Aussparung (52) im zueinander positionierten Zustand der Werkstücke (31, 32) derart angeordnet sind, dass die erste Aussparung (51) und die zweite Aussparung (52) zusammen eine in der Trennungsebene (40) angeordnete gemeinsame Aussparung (53), insbesondere ein Sackloch oder Durchgangsloch, ausbilden, wobei der stiftartige Abschnitt (20) in die gemeinsame Aussparung (53) eingebracht wird, so dass der stiftartige Abschnitt (20) an gegenüberliegenden Seiten seiner Mantelfläche (23) mit den beiden Werkstücken (31, 32) verschweißt oder verlötet wird, oder iii) wobei die erste Aussparung (51) und die zweite Aussparung (52) jeweils als Sackloch oder Durchgangsloch ausgebildet sind, und wobei das Verbindungsmittel (1) einen ersten stiftartigen Abschnitt (21) und einen zweiten stiftartigen Abschnitt (22) aufweist, wobei der erste stiftartige Abschnitt (21) in die erste Aussparung (51) eingebracht wird und wobei der zweite stiftartige Abschnitt (22) in die zweite Aussparung (52) eingebracht wird.
Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels (1) an einem Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich zwischen einer Mantelfläche (23) des stiftförmigen Abschnitts (20) und dem Werkstück (30) die Schweiß- oder Lötverbindung hergestellt wird.
Verfahren zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels (1) an einem Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung der Aussparung (50) mittels des Laserstrahls (50) die Leistung (P) des Laserstrahls (60) in einer Einbrennphase derart eingestellt wird, dass eine Tiefenzunahme der Aussparung (50) in Laserstrahllängsrichtung (61) erfolgt, und bei der Erzeugung der Aussparung (50) bei Erreichen eines definierten Wertes eines physikalischen Parameters, insbesondere der Tiefe (T) der Aussparung (50), die Leistung (P) des Laserstrahls (60) in einer Erwärmungsphase derart eingestellt wird, dass eine geringere Tiefenzunahme je Zeiteinheit im Vergleich zu der Einbrennphase erfolgt, wobei während der Erwärmungsphase mittels des Laserstrahls (60) das die Aussparung (50) umgebende Material erwärmt wird.
Verbindungssystem zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels (1) an einem Werkstück, aufweisend – eine Laserquelle (91) zur Erzeugung eines Laserstrahls (60), wobei der Laserstrahl (60) dazu eingerichtet ist, in einem Werkstück (30) eine Aussparung (50), insbesondere ein Sackloch oder Durchgangsloch, zu erzeugen und das Werkstück (30) zumindest im Bereich der Aussparung (50) derart zu erwärmen, dass in der Aussparung (50) erweichtes Material oder eine Materialschmelze (70) bildbar ist, – eine Vorrichtung zum Einbringen von Verbindungsmitteln (93), die dazu eingerichtet ist, einen stiftartigen Abschnitt (20) eines Verbindungsmittels (1), insbesondere einen stiftartigen Abschnitt (20) einer U-förmigen Klammer (10), in die mittels des Laserstrahls (60) erzeugte Aussparung (50) so einzubringen, dass eine Schweiß- oder Lötverbindung zwischen dem stiftartigen Abschnitt (20) und dem Werkstück (30) in der Aussparung (50) herstellbar ist, gekennzeichnet dadurch, dass das Verbindungssystem eine Steuereinrichtung (94) aufweist, die dazu eingerichtet ist, bei der Erzeugung der Aussparung (50) mittels des Laserstrahls (60) die Leistung (P) des Laserstrahls (60) in einer Einbrennphase derart einzustellen, dass eine Tiefenzunahme der Aussparung (50) in Laserstrahllängsrichtung (61) erfolgt, und bei Erreichung eines definierten Wertes eines physikalischen Parameters, insbesondere der Tiefe (T) der Aussparung (50), die Leistung (P) des Laserstrahls (60) in einer Erwärmungsphase derart einzustellen, dass eine geringere Tiefenzunahme je Zeiteinheit im Vergleich zu der Einbrennphase bei gleichzeitiger Erwärmung des die Aussparung (50) umgebenden Materials mittels des Laserstrahls (60) erfolgt.
Verbindungssystem zur mechanischen Befestigung eines Verbindungsmittels (1) an einem Werkstück nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungssystem eine Biege- und Schneidvorrichtung (100) zur Herstellung eines Verbindungsmittels (1) mit einem stiftartigen Abschnitt (20), insbesondere einer U-förmigen Klammer (10), aufweist, wobei die Biege- und Schneidvorrichtung (100) einen Stempel (101) und eine Matrize (104) aufweist, und wobei der Stempel (101) ein Biegesegment (102) und ein Schneidsegment (103) aufweist, wobei die Biege- und Schneidvorrichtung (100) dazu eingerichtet ist, durch eine Bewegung des Stempels (101) relativ zu der Matrize (104) mittels des Schneidsegments (103) einen Drahtabschnitt (141) von einem Draht (140) abzuschneiden und im gleichen Arbeitsschritt den Drahtabschnitt (141) mittels des Biegesegments (102) zu verformen.
Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, umfassend zumindest ein Werkstück (30) und ein Verbindungsmittel (1), wobei das Verbindungsmittel (1) an dem Werkstück (30) mittels einer durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erzeugten Schweiß- oder Lötverbindung mechanisch befestigt ist.