DE102004062896B4

DE102004062896B4 - Vorrichtung und Verfahren zum formschlüssigen Verbinden von Werkstücken

Info

Publication number: DE102004062896B4
Application number: DE102004062896A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Prof. Dr.-Ing. Beyer; Jan Kalich; Hanno Kötter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: DE102004062896A1

Abstract

Vorrichtung zum formschlüssigen Verbinden von Werkstücken (4, 5) durch bereichsweise Umformung der Werkstücke (4, 5) mit mindestens zwei Werk zeugen (1, 2), die eine Druckkraft auf die miteinander zu verbindenden Werkstücke (4, 5) ausüben, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Werkzeug (1, 2) vollständig oder zumindest in einem Bereich aus einem für elektromagnetische Strahlung einer Laserlichtquelle transparenten Werkstoff gebildet ist, so dass ein(e) thermisches Aktivieren oder Erwärmung mittels elektromagnetischer Strahlung einer Laserlichtquelle, die durch das/die Werkzeug(e) (1, 2) punktuell auf einen Fügebereich (7) des/der Werkstücke(s) (4, 5) gerichtet ist, erreicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum formschlüssigen Verbinden von Werkstücken durch bereichsweise Umformung der Werkstücke mit mindestens zwei Werkzeugen, die eine Druckkraft auf die miteinander zu verbindenden Werkstücke ausüben. In bevorzugter Form kann die Verbindung durch ein Verfahren, das üblicherweise als „Clinchen" bezeichnet wird, ausgebildet werden, wobei bei der Umformung gleichzeitig eine thermische Aktivierung erfolgt und dadurch gegebenenfalls nicht nur eine formschlüssige, sondern auch zusätzlich eine stoffschlüssige Verbindung im jeweiligen Fügebereich ausgebildet werden kann.
Die Erfindung ist besonders für die Verbindung von Werkstücken, die in Form von plattenförmigen Elementen oder Blechen vorliegen, geeignet.
Für die Herstellung solcher Verbindungen sind unterschiedliche technologische Verfahren an sich bekannt. So ist es durchaus üblich ein lokales Umformen, ohne jegliche Wärmeeinwirkung durchzuführen. Außerdem sind thermische Fügeverfahren, wie das Schweißen oder Löten übliche Praktiken. Außerdem können Nietverbindungen oder auch andere stoffschlüssige Verbindungen durch Kleben hergestellt werden. Häufig weisen aber solche Verbindungen von Werkstücken bei den jeweiligen Applikationen Nachteile auf, wie dies beispielsweise Gefügeumwandlungen bei thermischem Energieeintrag in die jeweiligen Werkstücke, eine nicht ausreichende Warmfestigkeit oder auch fehlende Korrosionsbeständigkeit oder Säurebeständigkeit, als einige genannte Beispiele, sind.
Beim Clinchen (Durchsetzfügen) müssen aber bestimmte Randbedingungen eingehalten werden, so dass auch hier Grenzen für die Anwendbarkeit dieses Fügeverfahrens gegeben sind.
So muss die jeweilige Ausformung des Fügepunktes oder -bereiches der miteinander zu verbindenden Werkstücke berücksichtigt werden.
Die Werkstücke müssen aus Werkstoffen mit entsprechend geeigneter Duktilität gewählt werden, um sie entsprechend umformen zu können.
Außerdem können verfahrensbedingt nur Werkstücke mit relativ geringen Werkstückdicken in dieser Form formschlüssig miteinander verbunden werden, wobei in der Regel 3 mm die jeweilige Obergrenze darstellen.
Es können Festigkeiten an der in dieser Form hergestellten Verbindung R_m < 500 MPa, bei A₈₀ > 14 % und R_m < 800 MPa bei A₈₀ > 8% für Sonderanwendungen, erreicht werden.
Insbesondere, die jeweiligen Werkstückdicken und die Festigkeitsbereiche der Werkstückwerkstoffe setzen den Clinch-Verfahren Grenzen.
Außerdem können schwer umformbare Werkstoffe, wie z.B. Magnesium- oder Titanlegierungen sowie Werkstoffe, die für Gefügeänderungen anfällig sind, z.B. Al-Guss, nur schwer oder gar nicht in dieser Form eingesetzt werden.
In Ansätzen wurde zur Erweiterung des Einsatzbereiches dieses Fügeverfahrens über eine thermische Aktivierung der jeweiligen Fügebereiche nachgedacht und eine induktions- oder widerstandsbeheizt basisierte Erwärmung der Fügebereiche ins Spiel gebracht. Bei in dieser Form erfolgter thermischer Aktivierung und insbesondere in einer Großserienanwendung sind Grenzen dadurch gesetzt, dass die der eigentlich thermisch zu aktivierende Fügebereich sehr klein ist und die Anlagentechnik für eine induktions- oder widerstandsbeheizt basierte Aktivierung nicht in der Lage ist, einen so klein voluminierten Fügebereich allein entsprechend zu erwärmen. Außerdem die hierfür einsetzbare Anlagentechnik in die unmittelbare Nähe des jeweiligen Fügebereiches gebracht und dann wieder entfernt werden muss, wodurch die fertigungstechnologische Abfolge, also der jeweilige Zeittakt deutlich verlängert ist.

So ist eine Erwärmung von Fügeflächen durch induktive Beheizung aus DE 196 30 488 A1 bekannt.

Eine simultane thermische Aktivierung, die gleichzeitig mit dem Umformen und Fügen der Werkstücke durchführbar ist, kann eigentlich nicht in dieser Form erreicht werden und die entsprechend in die Werkstoffe eingebrachte Wärmeenergie ist in der Regel überdosiert und falls eine Unterdosierung auftritt, kann die gewünschte Wirkung nicht erreicht werden. Bei unerwünschtem überhöhten Wärmeeintrag treten Gefügeveränderungen im Bereich um und unmittelbar im Fügebereich auf, die zu in unerwünschter Form veränderten mechanischen Eigenschaften führen und häufig auch die Festigkeit der Werkstücke und auch der entsprechend hergestellten Fügeverbindung negativ beeinträchtigen.

Bei den meisten Umformverfahren entspricht aufgrund des jeweiligen Formbildungsgrades, die Wirkfläche des Verfahrens der projizierten Werkstückfläche. Ein Vorzug umformtechnischer Fügeverfahren, also ebenfalls dem des Clinchens, besteht in der erreichbaren punktförmigen Wirkfläche, die eine Beeinflussung weiterer Werkstückariale ausschließen kann.

Außerdem ist in DE 197 30 647 A1 eine Leichtbauplatte aus Metall in Form einer Höckerplatte bekannt, bei der ein Flachblech aus Aluminium und ein Höckerblech aus Stahl form- und stoffschlüssig miteinander verbunden werden sollen. Dabei ist auch eine Aktivierung mit einem Laserstrahl vorgesehen.

Die in EP 1 055 465 A2 beschriebene Lösung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Tiefziehen von Blechformteilen, bei dem ein örtlich begrenztes Entfestigungsglühen mit der Strahlenergie eines Laserstrahls durch geführt werden soll.

Aus DE 102 48 207 A1 ist eine Vorrichtung zum Scherschneiden bekannt, bei dem das Schneiden durch Erwärmung des Scherschneidortes erfolgen soll.

Ein Verfahren zum Innenhochdruckumformen ist in WO 03/053607 A1 beschrieben, bei dem die Verformung von als Hohlkörpern ausgebildeten Werkstücken vereinfacht und erleichtert werden soll, indem eine lokale Erwärmung mittels Laserstrahlung durch geführt wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten zu schaffen, mit denen Werkstücke durch bereichsweise Umformung formschlüssig miteinander verbunden werden können, die aus einem größeren Werkstoffspektrum, also beispielsweise mit geringerer Duktilität ausgewählt werden können und eine erhöhte Werkstückdicke aufweisen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 und einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 12 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei so ausgebildet, dass die formschlüssige Verbindung durch Umformen von Werkstücken mit mindestens zwei Werkzeugen, die eine Druckkraft auf die miteinander zu verbindenden Werkstücke ausüben, hergestellt wird. Durch die auf die miteinander zu verbindenden Werkstücke ausgeübte Druckkraft werden die Werkstücke verformt, wobei die gegeneinander wirkenden Werkzeuge entsprechend konturiert sind, so dass die jeweilige Form des dann verformten Fügeberreiches mit den Werkzeugkonturen vorgegeben ist.

So kann in mindestens einem der Werkzeuge eine Durchbrechung ausgebildet sein. Durch die eine oder auch mehrere Durchbrechung(en) wird elektromagnetische Strahlung einer Laserlichtquelle durch das jeweilige Werkzeug punktuell auf einen Fügebereich von Werkstücken gerichtet, so dass eine thermische Aktivierung oder Erwärmung im Fügebereich erreicht wird. In dieser Alternative können die Werkzeuge aus den üblichen Werkstoffen, wie z.B. Metalle, Metalllegierungen oder Keramiken hergestellt sein und dabei im Wesentlichen die mechanischen Parameter, beispielsweise Festigkeit und Härte berücksichtigt sein.

Erfindungsgemäß ist mindestens ein Werkzeug vollständig oder bereichsweise aus einem für elektromagnetische Strahlung von Laserlichtquellen transparenten Werkstoff gebildet. Der Werkstoff sollte eine Transparenz von mindestens 50 % für die jeweilige elektromagnetische Strahlung aufweisen, so dass ein entspre chend reduzierter Anteil der Strahlung, die auf eine Oberfläche auftrifft absorbiert wird und der das Werkzeug durchdringende Anteil der Strahlung für die thermische Aktivierung oder Erwärmung im Fügebereich genutzt werden kann.

Hierfür geeignete Werkstoffe sind beispielsweise transparente Keramiken.

Soll für ein Werkzeug lediglich ein Bereich für die elektromagnetische Strahlung transparent sein, kann z.B. ein Einsatzelement aus einem solchen Werkstoff in eine Durchbrechung, die im Werkzeug ausgebildet und in Bezug zu einem Fügebereich positioniert ist, eingesetzt werden. Die elektromagnetische Strahlung kann dann durch ein solches Einsatzelement zumindest mit einem ausreichenden Anteil auf den Fügebereich gerichtet werden.

Durch die thermische Aktivierung oder Erwärmung und den entsprechenden Energieeintrag im Fügebereich wird die Verformbarkeit der Werkstücke verbessert, so dass vorab nicht entsprechend zu verbindende Werkstoffe und Werkstücke mit größeren Werkstückdicken so miteinander verarbeitet bzw. verbunden werden können. Dies trifft insbesondere auch auf die im einleitenden Teil der Beschreibung bezeichneten Magnesium- und Titanlegierungen zu.

Durch den hochkonzentrierten Energieeintrag der elektromagnetischen Strahlung, die von einer Laserlichtquelle emittiert wird, kann ausschließlich der Fügebereich punktuell thermisch aktiviert/erwärmt werden, so dass eine gezielte Erwärmung des Fügebereiches erreicht werden kann, was insbesondere die maximalen und/oder vorgebbare Temperaturen betrifft und so z.B. Gefügeumwandlungen des Werkstoffes im Fügebereich mit sehr hoher Sicherheit und eigentlich generell vermieden werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform können die Werkzeuge, als Werkzeugstempel und Matrize ausgebildet werden, deren jeweilige Formgebungskontur für die Herstellung der formschlüssigen Verbindung durch Umformung die Gestalt der Fügeverbindung berücksichtigend und in jeweils komplementärer Form gestaltet sind.

So können im einfachsten Fall eine oder mehrere Bohrungen, als Durchbrechungen in mindestens einem der Werkzeuge ausgebildet sein, durch die die entsprechend fokussierte elektromagnetische Strahlung der Laserlichtquelle auf einen Fügebereich der Werkstücke gerichtet werden kann.

Zur Erhöhung der Flexibilität beim Einsatz der Erfindung können aber auch Lichtwellenleiter, bevorzugt flexible, wie beispielsweise Lichtleitfasern (Glasfasern) eingesetzt werden, in die die elektromagnetische Strahlung der Laserlichtquelle eingekoppelt wird und durch die die elektromagnetische Strahlung gezielt geführt und beim Austritt aus dem jeweiligen flexiblen Lichtwellenleiter auf den Fügebereich gerichtet werden kann. Die Lichtwellenleiter können da bei durch die Durchbrechungen oder auch lediglich in diese eingeführt sein, so dass eine solche Durchbrechung mit eingeführtem Lichtwellenleiter quasi ein Sackloch bildet und der Lichtwellenleiter innerhalb der Durchbrechung endet.

Unabhängig davon, ob die elektromagnetische Strahlung über flexible Lichtwellenleiter oder die elektromagnetische Strahlung unmittelbar durch die Durchbrechungen gerichtet ist, können an und/oder in Durchbrechungen mindestens ein strahlformendes optisches Element angeordnet sein, mit dem eine Fokussierung oder auch Defokussierung der auf den jeweiligen Fügebereich gerichteten elektromagnetischen Strahlung erreichbar ist. Mit einem solchen strahlformenden optischen Element kann die jeweilige Leistungsdichte im Brennfleck zusätzlich beeinflusst werden.

Es besteht aber auch die Möglichkeit die Durchbrechungen in anderer Form, als als Bohrungen an den jeweiligen Werkzeugen auszubilden. So können beispielsweise Spalten zwischen Teilen eines Werkzeuges, die Funktion einer Durchbrechung ohne weiteres erfüllen. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn zumindest eines der Werkzeuge in Form einer Rolle ausgebildet ist, die dann gegebenenfalls auch um eine Achse rotieren kann, so dass sich die Möglichkeit eröffnet, eine fortschreitende formschlüssige Verbindung von Werkstücken, bei gleichzeitiger Relativbewegung zwischen Werkstücken und Werkzeugen, orthogonal zur Druckkraftwirkungsrichtung beim Umformen, durchgeführt wird. So können quasi formschlüssige Verbindun gen in Nahtform an Werkstücken hergestellt werden.

Dabei kann die elektromagnetische Strahlung durch den zwischen den Teilen eines Werkzeuges, beispielsweise zwei Hälften eines Werkzeuges, ausgebildeten Spalt auf den Fügebereich gerichtet werden.

In besonders bevorzugter Form kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine gepulst betriebene Laserlichtquelle eingesetzt werden, was zusätzliche Möglichkeiten für die Einflussnahme auf eine simultane thermische Aktivierung vor und während der eigentlichen Umformung des Fügebereiches eröffnet. So kann die Pulsfrequenz und die jeweilige Pulsdauer über den gesamten Zeitraum eines Fügevorganges variiert werden, so dass der Energie- bzw. Wärmeeintrag während des Umform- und Fügevorgangs verändert und an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden kann. So besteht die Möglichkeit vor oder zu Beginn der Umformung einen erhöhten Energieeintrag vorzunehmen und nachfolgend dadurch und durch die Verformung der Werkstücke einhergehende Erwärmung der Werkstücke durch einen nachfolgend reduzierten Energieeintrag zu kompensieren bzw. zu berücksichtigen oder zu Beginn der Umformung ein geringerer Energieeintrag und zum Ende der Punktausbildung ein erhöhter Eintrag, da hier die größeren Kräfte aufzubringen sind.

Außerdem können Zu- und/oder Abschaltzeitpunkte variabel für bzw. über den Fügeprozess gesteuert werden.

Ein gepulster Betrieb ist aber auch mit einer konti nuierlich betriebenen Laserlichtquelle möglich, wenn in den Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung ein so genannter „Chopper" angeordnet ist, der die elektromagnetische Strahlung temporär sperrt und alternierend dann wieder frei gibt. Solche Chopper werden häufig als rotierende Elemente ausgebildet, in denen Schlitze oder ebenfalls Durchbrechungen ausgebildet sind, durch die dann die elektromagnetische Strahlung in bestimmten Winkelstellungen bei einem sich drehenden Chopper durchgelassen und nachfolgend wieder gesperrt werden. Dabei kann die Anzahl, Anordnung, Dimensionierung und die jeweilige Drehzahl solcher Chopper die entsprechende Pulsfrequenz vorgeben.

Wie bereits angesprochen, kann die Pulsfrequenz, die Einzelpulsdauer gesteuert werden. Allein oder zusätzlich kann aber auch die Leistung der Laserlichtquelle und/oder auch die Leistungsdichte im Brennfleck am Fügebereich entsprechend zeitlich gezielt gesteuert werden. Dabei kann der jeweilige Werkstoff von Werkstücken, die Werkstückdicken, die jeweils auf die Werkstücke wirkende Druckkraft und/oder der entsprechende Werkzeugvorschub während der Umformung bei der Steuerung mit berücksichtigt werden.

Zusätzlich kann eine thermische Aktivierung oder Erwärmung auch durch elektrische Widerstandsbeheizung erreicht werden, wobei der elektrische Stromfluss zwischen mindestens einem Werkzeug und einem Werkstück die Aktivierung oder Erwärmung bewirken und auch steuern kann.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch die thermische Aktivierung oder Erwärmung, neben der Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung auch eine stoffschlüssige Verbindung im Fügebereich ausgebildet wird. Dadurch kann die Gesamtfestigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen zusätzlich positiv beeinflusst werden, da unter anderem eine nahezu spaltfreie Verbindung zwischen den miteinander zu verbindenden Werk-stücken im Fügebereich vorliegt, so dass beispielsweise ein Korrosionsangriff in diesem Bereich, zumindest jedoch erheblich behindert wird. Außerdem kann dadurch die Festigkeit einer kombinierten form- und stoffschlüssigen Verbindung bei unterschiedlichsten mechanischen Belastungen, die an miteinander erfindungsgemäß verbundenen Werkstücken angreifen, verbessert werden, was beispielsweise auf eine erhöhte Kopfzugfestigkeit zutrifft.

Vorteilhaft sollte jedoch der Anteil der Festigkeit, der durch die stoffschlüssige Verbindung, im Vergleich zur formschlüssigen Verbindung < 20%, bevorzugt < 10% sein.

Dabei spielt auch der Aspekt eines entsprechend erhöhten Energieeintrages durch die thermische Aktivierung oder Erwärmung und die Verformung eine Rolle.

Bei der thermischen Aktivierung oder Erwärmung sollte aber der jeweilige Energieeintrag so gewählt werden, dass die an den Werkstücken auftretenden Temperaturen unterhalb der Gefügeumwandlungstemperatur der jeweiligen Werkstückwerkstoffe gehalten werden. Dabei kön nen die Parameter für die Steuerung des Verfahrens, wie auch die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der Werk-stücke berücksichtigt werden. Gegebenenfalls besteht auch eine Möglichkeit der lokalen Kühlung der Werk-stücke in an den Fügebereich angrenzenden Bereichen der Werkstücke.

Durch die von einer Laserlichtquelle emittierte elektromagnetische Strahlung kann eine punktförmige Wirkfläche mit Energie beaufschlagt und entsprechend erwärmt werden, ohne dass weitere zusätzliche Bereiche von Werkstücken in unerwünschter Form thermisch beeinflusst werden. Dabei kann der gesteuerte Betrieb vorteilhaft die Umformung des zu verformenden Werkstoffes erleichtern und es kann zusätzlich, wie bereits angesprochen, neben der Ausbildung der formschlüssigen Verbindung im Fügebereich auch ein gewisses Maß an Stoffschluss erzielt werden. Die Steuerung kann dabei simultan mit dem Umformprozess durchgeführt werden.

So kann eine deutlich verbesserte, gleichmäßigere Ausbildung von Verbindungen an Werkstücken, bei gleichzeitiger Einhaltung der Konsistenz und der mechanischen Eigenschaften im Bereich der Fügebereiche eingehalten werden.

Mit der insbesondere in den Fügebereich eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung kann auch eine Temperaturmessung, z.B. berührungslos mittels eines geeigneten optischen Detektors erfolgen. Dabei kann vom Fügebereich emittierte elektromagnetische Strahlung unmittelbar bzw. über den/die Lichtwellenleiter und einen Strahlteiler auf den optischen Detektor für den Fügebereich gerichtet wird.

Es besteht auch die Möglichkeit das so genannte Taumelclinchen/Radialclinchen (Überlagerung der translatorischen Bewegung eines Werkzeugstempels durch alternative Antriebskinematiken) entsprechend erfindungsgemäß auszubilden.

Außerdem können ähnliche Verbindungen, wie sie beim Schmelzschweißen ausgebildet werden, erhalten werden. Ähnlich wie beim Punktschweißen, kann auch bei einer fortschreitenden Vorschubbewegung der Werkzeuge gegenüber den Werkstücken eine stetige, nahtähnliche Fügeverbindung, wie beim Rollnahtschweißen, erhalten werden.

Es besteht die Möglichkeit, Werkstücke aus unterschiedlichen Werkstoffen und gegebenenfalls auch mit unterschiedlichen Festigkeiten durch die erfindungsgemäß einzusetzende thermische Aktivierung miteinander zu verbinden, so dass Werkstücke aus nahezu allen Stahl- und Nichteisenwerkstoffen, einschließlich thermoplastischer Halbzeuge eingesetzt werden können.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:
1 in schematischer Form zwei Werkstücke, die mittels eines Werkzeugstempels und einer Matrize formschlüssig verbunden werden sollen;
2 in schematischer Form die Fertigungsabfolge bei der Ausbildung formschlüssiger Verbindungen durch Clinchen in vier Prozess schritten und
3 eine erfindungsgemäß ausgebildete form- und stoffschlüssige Verbindung an zwei Blechen.
In 1 (linke Darstellung) sind zwei Werkzeuge, nämlich ein Werkzeugstempel 1, hier oben angeordnet und eine darunter angeordnete Matrize 2, als zweites Werkzeug eingesetzt worden. Zwischen Werkzeugstempel 1 und Matrize 2, deren Umformflächen jeweils komplementär konturiert sind, sind zwei Bleche 4 und 5, als formschlüssig miteinander zu verbindende Werkstücke angeordnet.
Durch den Werkzeugstempel 1 ist eine Bohrung als Durchbrechung 3 ausgebildet und ein flexibler Lichtwellenleiter 6 hindurchgeführt, über den elektromagnetische Strahlung einer hier nicht dargestellten Laserlichtquelle auf den eigentlichen Fügebereich 7, der durch Umformung formschlüssige Verbindungen der Werkstücke 4 und 5 bilden soll, gerichtet.
Der Werkzeugstempel 1 wird translatorisch in Richtung auf die Matrize 2 bewegt und dabei eine zur Umformung der Werkstücke 1 und 2 führende Druckkraft ausgeübt, so dass eine Verformung der Werkstücke 4 und 5 entsprechend der Konturen von Werkzeugstempel 1 und Matrize 2 erreichbar ist. Die Umformung wird durch thermische Aktivierung unterstützt und erleichtert, indem ein Energieeintrag durch die auf den Fügebereich gerichtete elektromagnetische Strahlung, der zu einer punktuellen Erwärmung im Fügebereich führt, erfolgt.
Dies kann, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits beschrieben, vor und/oder auch simultan zur Umformung in gesteuerter Form durchgeführt werden.
Die linke Darstellung von 1 zeigt dann nach entgegengesetzter Bewegung von Werkzeugstempel 1 und Matrize 2 die durch Umformung erhaltene formschlüssige Verbindung der Werkstücke 4 und 5.
Bei der thermischen Aktivierung kann auch ausgenutzt werden, dass Wärme durch Wärmeleitung der Werkstücke 4 und 5 sowie im Werkzeugstempel 1 und Matrize 2 verhindert, dass außerhalb des Fügebereiches, der umgeformt wird, erhöhte Temperaturen zu verzeichnen sind.
Die entsprechend durch Umformung erhaltene formschlüssige Verbindung der Werkstücke 4 und 5 ist in der Schnittdarstellung von 3 deutlicher erkennbar, wobei bei diesem Beispiel die thermische Aktivierung mit einem Energieeintrag so durchgeführt worden ist, dass im Fügebereich auch eine stoffschlüssige, neben der formschlüssigen Verbindung ausgebildet wird und zumindest bereichsweise keine Grenzflächen zwischen den so verbundenen Werkstücken 4 und 5 und ebenfalls keine Spalte oder Hohlräume verblieben sind.
In 2 ist in vier Schritten schematisch der technologische Prozess einer Fügung von ebenfalls Blechen als Werkstücke 4 und 5 mit Werkzeugstempel 1 und Matrize 2 gezeigt. Dabei ist aus der ganz linken Darstellung die unbearbeitete Situation der Werkstücke 4 und 5 und in der ganz rechten Darstellung die formschlüssig hergestellte Verbindung der Werkstücke 4 und 5 nach dem Umformprozess erkennbar. Die beiden mittleren Darstellungen zeigen die sukzessive Umformung der Werkstücke 4 und 5 beim Aufeinanderpressen von Werkzeugstempel 1 und Matrize 2.
Bei einer thermischen Aktivierung, die in nicht dargestellter Form auch allein oder zusätzlich über mindestens eine in der Matrize 2 ausgebildete Durchbrechung erreichbar ist, kann aber auch eine Reduzierung der erforderlichen Kräfte bei der Umformung der Werkstücke 4 und 5 erreicht werden.

Claims

Vorrichtung zum formschlüssigen Verbinden von Werkstücken (4, 5) durch bereichsweise Umformung der Werkstücke (4, 5) mit mindestens zwei Werk zeugen (1, 2), die eine Druckkraft auf die miteinander zu verbindenden Werkstücke (4, 5) ausüben, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Werkzeug (1, 2) vollständig oder zumindest in einem Bereich aus einem für elektromagnetische Strahlung einer Laserlichtquelle transparenten Werkstoff gebildet ist, so dass ein(e) thermisches Aktivieren oder Erwärmung mittels elektromagnetischer Strahlung einer Laserlichtquelle, die durch das/die Werkzeug(e) (1, 2) punktuell auf einen Fügebereich (7) des/der Werkstücke(s) (4, 5) gerichtet ist, erreicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkzeug ein Werkzeugstempel (1) und ein zweites Werkzeug eine Matrize (2) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Durchbrechungen (3) in Form von Bohrungen ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Durchbrechung(en) (3) jeweils ein Lichtwellenleiter (6) geführt oder in diese eingeführt ist, über den/die elektro magnetische Strahlung von der Laserlichtquelle auf einen Fügebereich (7) gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (6) flexibel ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an und/oder in der/den Durchbrechung(en) (3) mindestens ein strahlleitendes und/oder strahlformendes optisches Element angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechung(en) (3) in Form von Spalten zwischen Teilen eines Werkzeuges (1 oder 2) ausgebildet ist/sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander zu verbindenden Werkstücke (4, 5) plattenförmige Elemente oder Bleche sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gepulst betriebene Laserlichtquelle eingesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Werkzeuge (1, 2) vollständig oder in einem Bereich aus einem Werkstoff, der für mindestens 50 % der von einer Laserlichtquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung transparent ist, gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Keramik ist.
Verfahren zum formschlüssigen Verbinden von Werkstücken (4, 5) durch bereichsweise Umformung der Werkstücke (4, 5) mit mindestens zwei Werkzeugen (1, 2), die eine Druckkraft auf die miteinander zu verbindenden Werkstücke (4, 5) ausüben, dabei auf Werkstücke (4, 5) eine zur Umformung führende Druckkraft mittels translatorischer und/oder überlagerter Bewegungen konturierter Werkzeuge (1, 2) ausgeübt, dadurch die Werkstücke (4, 5) so verformt werden, dass ein Fügebereich (7) eine formschlüssige Verbindung der Werkstücke (4, 5) bildet, wobei vor und/oder während der Umformung der Fügebereich (7) punktuell mittels durch mindestens einen Bereich, der in mindestens einem der Werkzeuge (1, 2) aus einem für elektromagnetische Strahlung einer Laserlichtquelle transparenten Werkstoff ausgebildet ist, gerichteter elektromagnetischer Strahlung einer Laserlichtquelle das/die Werkstück(e) (4, 5) im Fügebereich (7) thermisch aktiviert wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung in gepulster Form auf den Fügebereich (7) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz, die Einzelpulsdauer, die Leistung der Laserlichtquelle, die Leistungsdichte im Brennfleck und/oder über den Fügeprozess variable Zu- und/oder Abschaltzeitpunkte gesteuert wird/werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die eingekoppelte elektromagnetische Strahlung zur Temperaturmessung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung in Abhängigkeit der Werkstoffe der Werkstücke, der Werkstückdicken, der jeweils auf die Werkstücke wirkenden Druckkraft und/oder dem Werkzeugvorschub durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass neben der formschlüssigen eine stoffschlüssige Verbindung im Fügebereich (7) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Festigkeitsanteil der stoffschlüssigen Verbindung < 20% eingehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der thermischen Aktivierung/Erwärmung mittels der elektromagnetischen Strahlung eine vorgebbare Temperatur der Werkstücke (4, 5) eingehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Aktivierung durch elektrischen Stromfluss durchgeführt wird.