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WO2006051022A1 - Verfahren zum verbinden von bauteilen durch örtlich wirksame kaltfügetechnik, wie nieten oder schrauben, und laserschweissen - Google Patents

Verfahren zum verbinden von bauteilen durch örtlich wirksame kaltfügetechnik, wie nieten oder schrauben, und laserschweissen Download PDF

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WO2006051022A1
WO2006051022A1 PCT/EP2005/054650 EP2005054650W WO2006051022A1 WO 2006051022 A1 WO2006051022 A1 WO 2006051022A1 EP 2005054650 W EP2005054650 W EP 2005054650W WO 2006051022 A1 WO2006051022 A1 WO 2006051022A1
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WO
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laser
components
cold joining
rivet
joining technique
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Petring
Norbert Wolf
Gerd Meyer
Claudia Peuker
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/08—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of welds or the like
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/244—Overlap seam welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/02—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of fastening members using screw-thread
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/04—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of riveting

Definitions

  • Method for joining components by means of locally effective cold joining technology such as riveting or screwing, and laser welding
  • the invention relates to a method for connecting two or more, overlapping surface portions having components by laser beam, wherein the components before laser welding at least one of the overlapping surface sections by locally effective cold joining technique, preferably by means of rivets or screws, positively fixed to each other and then welded together by laser beam.
  • a method with the aforementioned features is known from EP 0 988 917 Bl.
  • two lightweight profiles with the same rectangular cross-section collide the front sides, arranged on opposite outer sides of sheet metal strips first and then connected by laser welding, as a circumferential fillet weld along the edges of the two metal strips.
  • the invention is based on the object, for the method with the generic features such training and Arrangement of the laser welds show that the generated by the clamping force of the cold joining technique (eg rivets or screws) backlash contact of the components is used optimally and the introduction of heat into the components by laser welding is minimized.
  • the cold joining technique eg rivets or screws
  • This object is achieved in that arranges a laser weld in the immediate vicinity of each created by the cold joining technique fixation, ie in particular as close as possible to the rivet or on the screw.
  • Embodiments is used as cold joining riveting, although quite other cold joining techniques can be provided, such. As screws, clinches or
  • FIGS. 1 to 3 each show a partial region of two components 1 and 2 to be joined, which have overlapping surface portions 1a and 2a, respectively.
  • these surface portions Ia and 2a before joining the two components 1 and 2 introduced by, for example, laser cutting holes are preferably arranged in such a precise grid that positioning and fixing the components 1 and 2 solely by inserting rivets 3a (alternatively screws) is possible. Separate devices or tools, which are usually expensive, will not needed. It is understood that with appropriate dimensions of the overlapping surface portions Ia and 2a at a distance from the row of rivets 3a shown in Figs. 1 to 3 can be provided additional rows of rivets. As rivets 3a blind rivets are preferred, the
  • Connecting the components 1 and 2 allow only one side.
  • Fig. 1 shows the possibility to place the laser weld 4 concentric to the central axis 3b of the created by the rivets 3a fixing site 3, these seams 4 are designed to be continuous circular. From Fig. 1 it can be further seen that the circular laser weld 4 can have a width adapted to the height of the stresses occurring.
  • FIG. 2 shows an embodiment, according to which the rivet 3a radiates from a number of laser welding seam 4 which is in each case straight is surrounded.
  • FIG. 3 illustrates that closely adjacent each rivet 3a, two laser welding seams 4, each designed as a straight line, extend parallel to one another.
  • the paired laser welds 4 can be arranged with their length in the direction in which act the highest forces to be transmitted.
  • the rivet 3a - it is also possible to arrange within a row or a pattern between adjacent fixing points 3 each have a laser weld 4, for any of circular or linear seam shapes is selectable.
  • the inventive method is suitable to be realized either highly automated with appropriate investment requirements as well as mobile without extensive investment.
  • a laser welding robot which leads the laser welding head, very advantageously also a scanner welding head.
  • manually guided laser welding heads are known that can produce linear seams with automated feed.
  • By arranging the welds in the immediate vicinity of the rivet it is possible to form the rivet head for positioning and / or guiding the laser welding head so that it fits to a corresponding counterpart on the welding head.
  • a welding head with scanner optics is possible, which allows the production of circular seams (continuous or quilted) by ringing the laser welding beam.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Connection Of Plates (AREA)
  • Insertion Pins And Rivets (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehreren, einander überlappende Flächenabschnitte (1a, 2a) aufweisenden Bauteilen (1, 2) durch Laserstrahl. Bei diesem Verfahren fixiert man die Bauteile (1, 2) vor dem Laserschweißen an zumindest einem der überlappenden Flächenabschnitte (1a, 2a) durch örtlich wirksame Kaltfügetechnik, vorzugsweise mittels Niete (3a) oder Schrauben, formschlüssig zueinander und verschweißt sie anschließend durch Laserstrahl miteinander, wobei man eine Laserschweißnaht (4) in unmittelbarer Nähe jeder durch die Kaltfügetechnik geschaffenen Fixierungsstelle (3) anordnet, also insbesondere so nahe wie möglich am Niet (3a) oder an der Schraube.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Verbinden von Bauteilen durch örtlich wirksame Kaltfügetechnik, wie Nieten oder Schrauben, und Laserschweißen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehreren, einander überlappende Flächenabschnitte aufweisenden Bauteilen durch Laserstrahl, bei dem man die Bauteile vor dem Laserschweißen an zumindest einem der überlappenden Flachenabschnitte durch ortlich wirksame Kaltfügetechnik, vorzugsweise mittels Niete oder Schrauben, formschlüssig zueinander fixiert und anschließend durch Laserstrahl miteinander verschweißt.
Ein Verfahren mit den zuvor genannten Merkmalen ist durch die EP 0 988 917 Bl bekannt. Bei diesem Verfahren werden beispielsweise ein Formteil aus Feinguss als erstes Bauteil und ein dünnwandiges Leichtbauprofil mit rechteckförmigem Querschnitt als zweites Bauteil durch Niete zueinander fixiert und anschließend durch Laserstrahl miteinander verschweißt, wobei an den Außenseiten des ersten Bauteils verlaufende Kehlnähte erzeugt werden. Bei einem anderen Anwendungsfall des bekannten Verfahrens werden mit zwei Leichtbauprofilen mit demselben rechteckförmigen Querschnitt, deren Stirnseiten zusammenstoßen, auf gegenüberliegenden Außenseiten angeordnete Blechstreifen zunächst vernietet und alsdann durch Laserschweißen verbunden, und zwar als umlaufende Kehlnaht entlang den Rändern der beiden Blechstreifen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das Verfahren mit den gattungsgemäßen Merkmalen eine derartige Ausbildung und Anordnung der Laserschweißnähte aufzuzeigen, dass der durch die Spannkraft der Kaltfügetechnik (z. B. Niete oder Schrauben) erzeugte spielfreie Kontakt der Bauteile optimal genutzt wird und das Einbringen von Wärme in die Bauteile durch das Laserschweißen möglichst gering ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass man eine Laserschweißnaht in unmittelbarer Nähe jeder durch die Kaltfügetechnik geschaffenen Fixierungsstelle anordnet, also insbesondere so nahe wie möglich am Niet oder an der Schraube.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in der Zeichnung prinzipartig dargestellt sind. Bei diesen
Ausführungsbeispielen wird als Kaltfügetechnik das Nieten angewendet, wobei durchaus auch andere Kaltfügetechniken vorgesehen werden können, wie z. B. Schrauben, Clinchen oder
Punktkleben.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils einen Teilbereich von zwei zu verbindenden Bauteilen 1 und 2, die einander überlappende Flächenabschnitte Ia bzw. 2a aufweisen. In diese Flächenabschnitte Ia und 2a vor dem Fügen der beiden Bauteile 1 und 2 durch beispielsweise Laserschneiden eingebrachte Bohrungen sind bevorzugt in einem so genauen Raster angeordnet, dass ein Positionieren und Fixieren der Bauteile 1 und 2 allein durch Einführen von Nieten 3a (alternativ auch Schrauben) möglich ist. Separate Vorrichtungen oder Werkzeuge, die in der Regel aufwändig sind, werden nicht benotigt. Es versteht sich, dass bei entsprechenden Abmessungen der einander überlappenden Flachenabschnitte Ia und 2a im Abstand von der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Reihe von Nieten 3a zusätzliche Nietreihen vorgesehen werden können. Als Niete 3a werden Blindniete bevorzugt, die das
Verbinden der Bauteile 1 und 2 von lediglich einer Seite her ermöglichen.
Um den durch die jeweilige Axialkraft der Niete 3a speziell in der Umgebung der Fixierungsstelle 3 geschaffenen spielfreien Flachenkontakt der zu verbindenden Bauteile 1 und 2 optimal zu nutzen, wird eine Laserschweißnaht 4 in unmittelbarer Nahe jedes Nietes 3a gezogen, d. h., so nahe wie möglich am Niet 3a. Durch diese in etwa punktförmigen Laserschweißnahte 4 wird nur wenig Warme in die zu verbindenden Bauteile 1 und 2 eingebracht, so dass kaum Verzug auftritt.
Fig. 1 zeigt die Möglichkeit, die Laserschweißnahte 4 konzentrisch zur Mittelachse 3b der durch die Niete 3a geschaffenen Fixierungsstelle 3 zu platzieren, wobei diese Nahte 4 durchgehend kreisförmig ausgeführt sind. Aus Fig. 1 ist weiter ersichtlich, dass die kreisförmigen Laserschweißnahte 4 eine der Hohe der auftretenden Beanspruchungen angepasste Breite aufweisen können.
In den Fig. 2 und 3 sind weitere Schweißnahtformen dargestellt. Gemäß Fig. 2 sind die ebenfalls konzentrisch zum jeweiligen Niet 3a verlaufenden Laserschweißnahte 4 kreisförmig gesteppt ausgeführt, wobei auch hier beispielhaft unterschiedliche Nahtbreiten gezeigt sind. Außerdem zeigt Fig. 2 eine Ausfuhrung, wonach der Niet 3a strahlenförmig von einer Anzahl jeweils gerade ausgeführter Laserschweißnahte 4 umgeben ist. Fig. 3 veranschaulicht, dass eng neben jedem Niet 3a zwei jeweils als Gerade ausgeführte Laserschweißnähte 4 parallel zueinander verlaufen. Dabei können die paarigen Laserschweißnähte 4 mit ihrer Länge in derjenigen Richtung angeordnet werden, in der die höchsten zu übertragenden Kräfte wirken.
Bei einer für den spielfreien Flächenkontakt der zu verbindenden Bauteile 1 und 2 ausreichenden Anzahl von Fixierungsstellen 3 - hier der Niete 3a - ist es auch möglich, innerhalb einer Reihe oder eines Musters zwischen benachbarten Fixierungsstellen 3 jeweils eine Laserschweißnaht 4 anzuordnen, für die eine beliebige der kreisförmigen oder linearen Nahtformen auswählbar ist.
Im Sinne des angestrebten möglichst minimalen Verzuges empfiehlt es sich, Schweißfolgen festzulegen. Wenn also eine lange Nietreihe mit einem der oben beschriebenen Schweißmuster zu versehen ist, sollte nicht der Reihe nach geschweißt werden, sondern alternierend. Bei Baustrukturen mit mehreren Nietreihen kann in die Schweißfolge ein Seitenwechsel einbezogen werden. Dadurch wird bezüglich des Schweißschrumpfes und damit des Verzuges eine Gegenwirkung erzeugt, die den Verzug bzw. Verformungen reduziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, entweder hochautomatisiert mit entsprechendem Investitionsbedarf als auch mobil ohne umfangreiche Investition realisiert zu werden. Zur Automatisierung bietet sich der Einsatz eines Laser-Schweißroboters an, der den Laserschweißkopf führt, sehr vorteilhaft auch ein Scanner-Schweißkopf. Zur mobilen Realisierung des Verfahrens sind manuell geführte Laserschweißköpfe bekannt, die Linearnähte mit automatisiertem Vorschub erzeugen können. Dadurch, dass die Schweißnähte in ummittelbarer Umgebung der Niete angeordnet sind, ist es möglich, den Nietkopf zur Positionierung und/oder Führung des Laserschweißkopfes auszubilden, so dass er zu einem entsprechenden Gegenstuck am Schweißkopf passt. Zur mobilen Realisierung ist ein Schweißkopf mit Scanneroptik möglich, der die Erzeugung der kreisförmigen Nähte (durchgehend oder gesteppt) erlaubt, indem er den Laser- Schweißstrahl ringförmig fuhrt.
Mit Hilfe des hier beschriebenen Verfahrens mit örtlich wirksamer Kaltfügetechnik, insbesondere durch formschlüssige Verbindung mittels Niete oder Schrauben, und stoffschlussiger Verbindung durch Laserschweißen können Baustrukturen in beliebiger Größe erstellt werden, beispielsweise Modulsektionen eines Wagenkastens für Schienenfahrzeuge.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehreren, einander überlappende Flächenabschnitte (Ia, 2a) aufweisenden Bauteilen (1, 2) durch Laserstrahl, bei dem man die Bauteile (1, 2) vor dem Laserschweißen an zumindest einem der überlappenden Flächenabschnitte (Ia, 2a) durch örtlich wirksame Kaltfügetechnik, vorzugsweise mittels Niete (3) oder Schrauben, formschlüssig zueinander fixiert und anschließend durch Laserstrahl miteinander verschweißt, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Laserschweißnaht (4) in unmittelbarer Nähe jeder durch die Kaltfügetechnik geschaffenen Fixierungsstelle (3) anordnet, also insbesondere so nahe wie möglich am Niet (3a) oder an der Schraube.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißnaht (4) konzentrisch zur Mittelachse (3b) der Fixierungsstelle (3) , beispielsweise des Nietes (3a), platziert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißnaht (4) durchgehend kreisförmig ausgeführt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißnaht (4) gesteppt kreisförmig ausgeführt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixierungsstelle (3) strahlenförmig von einer Anzahl jeweils gerade ausgeführter Laserschweißnähte (4) umgeben ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Laserschweißnähte (4) vorgesehen sind, die jeweils als Gerade ausgeführt sind und parallel zueinander neben der Fixierungsstelle (3) verlaufen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laserschweißnähte (4) mit ihrer Länge in derjenigen Richtung angeordnet sind, in der die höchsten zu übertragenden Kräfte wirken.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der als Kaltfügetechnik eingesetzte Niet (3) oder die Schraube dem Positionieren und/oder Führen des Laserschweißkopfes insbesondere eines handgeführten Schweißsystems dient.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kaltfügetechnik ein Clinchen der Bauteile (1, 2) vorgesehen ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kaltfügetechnik ein punktartiges Verkleben der Bauteile (1, 2) vorgesehen ist.
PCT/EP2005/054650 2004-11-11 2005-09-19 Verfahren zum verbinden von bauteilen durch örtlich wirksame kaltfügetechnik, wie nieten oder schrauben, und laserschweissen WO2006051022A1 (de)

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