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Die
Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung für ein
stoffschlüssiges Fügen mittels eines Zusatzwerkstoffs
zum Erzeugen einer Fügenaht, mit einer Zuführeinrichtung
für einen Zusatzwerkstoff, die ausgebildet ist, den Zusatzwerkstoff
im Betrieb der Fügevorrichtung zuzuführen, mit
einer Leiteinrichtung für wenigstens einen Energiestrahl
zum Schmelzen des Zusatzwerkstoffs und einem Tastelement, das mit
der Zuführeinrichtung, dem Zusatzwerkstoff und der Leiteinrichtung
für den Energiestrahl derart verbunden ist, dass eine laterale
Auslenkung des Tastelements – bezogen auf den Verlauf einer
zu erzeugenden Fügenaht – eine entsprechende Auslenkung
der Zuführeinrichtung und der Leiteinrichtung bewirkt.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Fügevorrichtung
für ein stoffschlüssiges Fügen.
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Aus
der
DE 100 068 52
C5 ist eine Fügevorrichtung für ein stoffschlüssiges
Fügen mittels eines Energiestrahls, insbesondere Laserstrahls,
unter Verwendung eines Zusatzdrahtes bekannt. Der Zusatzdraht wird
mittels einer Zuführeinrichtung zugeführt und
als mechanisches Tastelement verwendet. Nachteilig an dieser Vorrichtung
ist, dass die kraftschlüssige Führung des Zusatzdrahtes
zu einer Durchbiegung desselben sowie einer Verlagerung des Zusatzdrahtes
in einem Drahtzuführkanal der Zuführeinrichtung
führt, da der Innendurchmesser des Drahtzuführkanals
notwendigerweise etwas größer sein muss als der
Durchmesser des Zusatzdrahtes. Dies wiederum führt zu einer
Verlagerung des Energiestrahls in Kraftrichtung. Dies kann zwar grundsätzlich
durch ein sogenanntes „Offset” kompensiert werden,
problematisch ist allerdings, dass die zusätzliche Verlagerung
von verschiedenen Einflussgrößen wie der Andruckkraft,
der Temperatur und dem Verschleißzustand der Drahtzuführeinrichtung
abhängt.
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Die
kraftschlüssige Führung des Zusatzdrahtes erhöht
den Verschleiß in der Zuführeinrichtung und erhöht
darüber hinaus die Anforderungen an die durch das Drahtfördersystem
aufzubringende und auf den Draht zu übertragende Kraft.
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Bei
sehr weichem Draht (z. B. AlSi12-Draht) führt die prinzipbedingte
Reibung dazu, dass sich der Drahtzuführkanal mit der Zeit
zusetzt. Zur Lösung dieses Problems werden derzeit Zuführkanäle
aus hochtemperaturfesten Kunststoffen verwendet. Diese Kunststoffteile
sind jedoch sehr teuer und haben im Dauerbetrieb nur geringe Standzeiten.
Bei sehr dünnem und/oder weichem Zusatzdraht biegt sich der
Draht aufgrund der kraftschlüssigen Führung sehr
stark durch und reagiert empfindlich auf Kraftschwankungen. Daraus
resultiert eine Fehlpositionierung des Energiestrahls. Auch kann
die Überlast zum Abknicken des Drahtes und einer damit
einhergehenden Fehlfunktion führen, die eine Zerstörung
von Anlagenkomponenten verursachen kann.
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Durch
die Entwicklung höherfester Stähle ist mit einem
zunehmenden Einsatz dünnerer Bleche zu rechnen, wodurch
die Anzahl der Fügeaufgaben mit kleiner Kantenhöhe
erheblich zunehmen wird. Hierfür sind entsprechend dünne
Zusatzdrähte erforderlich, bei denen die vorstehend beschriebenen
Probleme auftreten.
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Schnell
wechselnde dynamische Belastungen auf das aus der
DE 100 068 52 C5 bekannte Nahtführungssystem
können von diesem nur mit zeitlicher Verzögerung
ausgeregelt werden. Dies führt zu temporären Schwankungen
der Durchbiegung des Drahtes und damit zu Fehlpositionierungen des
Energiestrahls und entsprechenden Qualitätseinbußen.
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Ferner
ist das aus der
DE
100 068 52 C2 bekannte System nicht einsetzbar, wenn kein
Zusatzdraht erwünscht ist. Ein solcher Zusatzdraht kann zum
Beispiel aus Kostengründen entfallen. Auch gibt es Fügeprozesse,
die keinen kalten Zusatzdraht zulassen oder empfindlich auf dessen
Zuführung reagieren.
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Beim
Herstellen von Heftnähten mit Zusatzdraht wird üblicherweise
nach jeder Naht abgesetzt, wobei erst der Zusatzdraht vom Werkstück
abgetrennt und danach der Ener giestrahl abgeschaltet wird. Diese
Vorgehensweise kostet allerdings relativ viel Zeit. Alternativ kann
man auch bis zur nächsten Heftnaht durchfahren, womit man
riskiert, dass der Zusatzdraht am Nahtende anfriert und hängenbleibt, was
zu einer Belastung des Nahtführungssystems bis hin zur
Zerstörung des Systems führen kann.
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Beim
Einsatz der aus der
DE
100 068 52 C5 bekannten Vorrichtung in einem handgeführten
System käme es durch die ungleichförmige Bewegung des
Systems schnell zu einem Abknicken oder einem Abheben des Zusatzdrahtes.
In beiden Fallen sind Einbußen in der Nahtqualität
bis hin zur völligen Störung des Fügeprozesses
die Folge.
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Eine
definierte Drahtanpresskraft ist insbesondere beim Löten
eine wichtige Prozessgröße. Beim Stand der Technik
nach der
DE 100 068
52 C5 kann die Drahtanpresskraft jedoch nicht unabhängig eingestellt
werden, da sie als wichtige Einstellgröße für
die Nahtführung genutzt wird. Hierbei wird stets ein gewisser
Kraftüberschuss und damit eine Vorspannung des Zusatzdrahtes
als Regelreserve benutzt.
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Eine
weitere prozessrelevante Option ist die gezielte Modulation der
Drahtanpresskraft und Position der Drahtspitze im Bezug auf das
Schmelzbad. Hierdurch kann die Schmelzbaddynamik beeinflusst werden.
Diese Option steht beim Stand der Technik gemäß der
DE 100 068 52 C5 jedoch
nicht zur Verfügung, da eine Modulation der Drahtanpresskraft
zu einer Modulation der Drahtdurchbiegung und mithin zu einer Modulation
des Wirkpunktes des Energiestrahls führen würde.
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Bei
Anwendungen, in denen relativ dicke Schweiß- bzw. Lötnähte
erforderlich sind, werden der Zusatzdraht und der Energiestrahl üblicherweise
gependelt. Diese pendelnde Arbeitsweise wäre mit der Vorrichtung
gemäß der
DE 100 068 52 C5 grundsätzlich möglich,
würde aber wegen der Drahtdurchbiegung an die oben aufgezeigten
Grenzen stoßen.
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Bekannt
sind ferner Vorrichtungen zum Laserschweißen bzw. Laserlöten
von Werkstücken unter Verwendung von Zusatzdraht, die einen
festen, vorlaufenden Führungsfinger zur Nahtführung
aufweisen. Da sich dieser kraftschlüssig entlang der Kontur
des Fügestoßes geführte Führungsfinger nicht
nennenswert durchbiegt, treten bei diesen Vorrichtungen die inhärenten
Probleme der Vorrichtung gemäß der
DE 100 068 52 C5 nicht
auf. Jedoch liefern diese Vorrichtungen aufgrund des Vorlaufes des festen
Führungsfingers nur bei im Wesentlichen gerade verlaufendem
Fügestoß und minimalen Winkelabweichungen von
der programmierten Führungsbahn eine einwandfreie Schweiß-
bzw. Löt nahtqualität, da es ansonsten aufgrund
des Vorlaufes des Führungsfingers zu Positionierfehlern
für den Wirkpunkt des Laserstrahls kommt.
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Darüber
hinaus unterliegt der feste Führungsfinger naturgemäß einem
Verschleiß. Der Verschleißzustand wirkt sich direkt
auf die Lage des Laserstrahls aus und muss regelmäßig
durch eine Nachjustage kompensiert werden. Außerdem besteht
bei Anwendungen dieser Vorrichtungen und gleichzeitiger Verwendung
von Zusatzdraht die Problematik, drei Punkte, nämlich die
Führungsfingerspitze, die Zusatzdrahtspitze und den Wirkpunkt
des Energiestrahls im Bezug auf den Stoß zu positionieren,
was eine sehr genaue und entsprechend aufwendige Robotergrundprogrammierung
notwendig macht und regelmäßig dazu führt,
dass entweder der Prozess instabil wird oder der Führungsfinger
weder am Stoß noch an der benachbarten Werkstückoberfläche
anliegt.
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Die
DE 10 2006 056 252
A1 , die den nächstliegenden Stand der Technik
darstellt, räumt die angeführten Nachteile der
Vorrichtung gemäß der
DE 100 068 52 C5 aus. Die
Vorrichtung der
DE
10 2006 056 252 A1 weist dazu einen Sensor an der Zuführeinrichtung
auf, der die Lage eines Stoßes relativ zu dem Tastelement
(Führungsfinger) detektiert, eine Regelungseinrichtung
und einen an das Tastelement abgestützten Aktor auf. Das
Tastelement ist über den Aktor mit der Leiteinrichtung
verbunden, und die Regelungseinrichtung steuert den Aktor in Abhängigkeit der
detektierten Lage des Stoßes relativ zum Tastelement so
an, dass der Wirkpunkt des Energiestrahls an einer gewünschten
Position am Stoß anliegt. Die Lage des Energiestrahls wird
somit nicht vom Tastelement beeinflusst. Eine solche Vorrichtung
hat einen komplexen Aufbau, da mindestens ein Sensor zur Messung
der auf den Draht wirkenden Kraft und mindestens ein Aktor zur Regelung
der Position des Tastelementes notwendig sind.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Fügevorrichtung
für ein stoffschlüssiges Fügen bereitzustellen,
das einfach und kostengünstig herzustellen ist.
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Dies
wird bei einer Fügevorrichtung für ein stoffschlüssiges
Fügen eingangs genannter Art dadurch erreicht, dass die
Fügevorrichtung einen Grundkörper aufweist, der
in Bezug auf eine zu erzeugende Fügenaht in lateraler Richtung
auslenkbar ist, dass das Tastelement und die Leiteinrichtung fest mit
dem Grundkörper verbunden sind und dass die Zuführeinrichtung über
ein passives Andruckelement mit der Fügevorrichtung derart
verbunden ist, dass das passive Andruckelement im Betrieb der Fügevorrichtung
eine Vorspannungskraft eines distalen Endes des Zusatzwerkstoffs
in Richtung einer zu erzeugenden Fügenaht bewirkt und die
Zuführeinrichtung in Bezug auf laterale Auslenkungen des
Grundkörpers (in y-Richtung; siehe 1a) mit
diesem gekoppelt ist.
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Erfindungsgemäß ist
die Fügevorrichtung also so ausgebildet, dass eine laterale
Auslenkung des Tastelementes eine laterale Auslenkung des Grundkörpers
bewirkt. Das Tastelement ist dabei fest mit dem Grundkörper
verbunden, so dass eine laterale Auslenkung des Tastelementes unmittelbar
eine laterale Auslenkung des Grundkörpers bewirkt, d. h. es
liegt eine unmittelbare mechanische Kopplung ohne das Vorhandensein
einer Regelung und/oder eines differenziert geregelten oder gesteuerten
Aktuators vor. Die Zuführeinrichtung ist in Bezug auf die laterale
Richtung (y-Richtung; siehe 1a) ebenfalls
so mit dem Grundkörper gekoppelt, dass diese bei einer
lateralen Auslenkung des Tastelementes und damit verbunden einer
lateralen Auslenkung des Grundkörpers ebenfalls eine laterale
Auslenkung erfährt.
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In
Bezug auf die vertikale Richtung (z-Richtung; siehe 1a)
ist die Zuführeinrichtung jedoch gegenüber dem
Grundkörper beweglich und mittels eines passiven Andruckelements
gegenüber einer zu erzeugenden Fügenaht vorgespannt.
Aufgrund des passiven Andruckelementes wirkt eine Vorspannungskraft,
die insbesondere annähernd konstant ist, auf das distale
Ende des Zusatzwerkstoffes in Richtung einer zu erzeugenden Fügenaht.
Unter einem „passiven Andruckelement” ist ein
Element zu verstehen, das nicht aktiv geregelt bzw. angesteuert
wird, also beispielsweise ein federelastisches Element oder ein
Elektromagnet. In diesem Sinne kann das passive Andruckelement eine
einfache Feder sein, aber auch ein mit im Betrieb konstantem Druck
beaufschlagtem Pneumatikzylinder oder ein elektromotorisches Andruckelement,
das im Betrieb mit einem konstanten Strom versorgt wird.
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Die
Zuführeinrichtung ist mit dem Grundkörper in Bezug
auf laterale Auslenkungen vorzugsweise fest verbunden. Alternativ
kann eine Relativbewegung zwischen dem Grundkörper und
der Zuführeinrichtung in lateraler Richtung erlaubt sein,
beispielsweise um eine durch ein Federelement bewirkte Neutralstellung
herum.
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Vorzugsweise
ist das Tastelement derart mit dem in vertikaler Richtung auslenkbaren
Grundkörper verbunden, dass eine vertikale Auslenkung des Tastelementes – bezogen
auf den Verlauf einer zu erzeugenden Fügenaht – unmittelbar
eine vertikale Auslenkung des Grundkörpers bewirkt. Auch
hier ist „unmittelbar” als unmittelbare mechanische
Kopplung ohne Aktuator und ohne Regelung zu verstehen.
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Das
Tastelement ist bevorzugt starr mit dem Grundkörper verbunden,
so dass jede Bewegung des Tastelementes eine Bewegung des Grundkörpers
nach sich zieht. Das Tastelement und der Grundkörper sind
unmittelbar miteinander verbunden, d. h. es liegt eine unmittelbare
mechanische Kopplung der beiden Teile ohne Vorhandensein eines Aktuators
und/oder einer Regelung vor. Insbesondere sind das Tastelement und
der Grundkörper einstückig miteinander ausgebildet.
Die bevorzugte starre Verbindung zwischen Tastelement und Grundkörper
stellt sicher, dass die mit dem Grundkörper verbundene
Leiteinrichtung für den Energiestrahl direkt durch das
Tastelement geführt wird, während die Verbindung
zwischen Zuführeinrichtung und Grundkörper dergestalt
ist, dass eine Relativbewegung zwischen Grundkörper und
Zuführeinrichtung in – bezogen auf den Verlauf
einer zu erzeugenden Fügenaht – vertikaler Richtung
(z-Richtung; siehe 1a) gerade nicht starr ist.
Letzteres erlaubt es, das Zusatzmaterial – in der Regel
ein Metalldraht oder dünner Metallstab – mit relativ
konstanter Kraft gegenüber dem zu fügenden Material
vorzuspannen, weil das Zusatzmaterial und die Zuführeinrichtung
für das Zusatzmaterial – anders als beim Stand
der Technik – nicht die laterale und vertikale Auslenkung
des Grundkörpers und der Leiteinrichtung für den
Energiestrahl bewirken müssen.
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Gleichzeitig
ist durch die feste mechanische Kopplung der Zuführeinrichtung
an den Grundkörper in Bezug auf die laterale Richtung (y-Richtung)
sichergestellt, dass die Zuführeinrichtung und das Zusatzmaterial
durch das Tastelement passiv entlang der zu erzeugenden Fügenaht
geführt wird, ähnlich wie dies aus dem Stand der
Technik bereits bekannt ist. So ist es möglich, die Vorteile
der an sich bekannten passiven Führung beizubehalten und
gleichzeitig solche nun erkannten Nachteile wie eine allzu starke seitliche
Ausbiegung des Zusatzmaterials zu vermeiden.
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Genauso
gut kann jedoch auch eine Relativbewegung zwischen dem Grundkörper
und der Zuführeinrichtung erlaubt sein, d. h. eine Relativbewegung
zwischen Grundkörper und Zuführeinrichtung in – bezogen
auf den Verlauf einer zu erzeugenden Fügenaht – lateraler
Richtung (y-Richtung; siehe 1a). Beispielsweise
könnte die Zuführeinrichtung gegen eine zwischen
Grundkörper und Zuführeinrichtung lateral wirkende
Federkraft auslenkbar sein.
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Der
Grundkörper ist insbesondere zusammen mit der Zuführeinrichtung
und dem Tastelement um eine gemeinsame Schwenkachse schwenkbar ausgeführt.
Die Schwenkachse ist dabei im Betrieb in etwa parallel zu einer
zu erzeugenden Fügenaht ausgerichtet und erlaubt so die
gewünschte laterale Auslenkbarkeit von Grundkörper,
Leiteinrichtung und Zuführeinrichtung durch das einer zu
erzeugenden Fügenaht vorlaufende Tastelement.
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Gemäß der
bevorzugten Ausführungsform ist der Grundkörper
in Richtung einer zu erzeugenden Fügenaht vorgespannt.
Dadurch wird sichergestellt, dass das mit dem Grundkörper
verbundene Tastelement immer mit ausreichender Kraft gegen das zu
fügende Material gedrückt wird und passiv der zu
erzeugenden Fügenaht folgen kann. Dadurch werden Aktuatoren
zur aktiven Nachführung des Grundkörpers und der
damit verbundenen Leiteinrichtung überflüssig.
Insbesondere ist der Grundkörper mittels eines federelastischen
Elementes oder aufgrund der Schwerkraft in Richtung einer zu erzeugenden
Fügenaht vorgespannt. Auch kann der Grundkörper
mittels einer pneumatischen oder elektromagnetischen Vorrichtung
vorgespannt sein.
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Vorzugsweise
ist die auf die Zuführeinrichtung mittels des passiven
Andruckelementes ausgeübte Kraft kleiner als die auf die
Fügevorrichtung mittels des federelastischen Elementes,
aufgrund der Schwerkraft oder mittels einer pneumatischen oder elektromagnetischen
Vorrichtung ausgeübte Kraft. Bei umgekehrten Kraftverhältnissen,
also bei einer mittels des passiven Andruckelementes auf die Zuführeinrichtung
ausgeübten Kraft, die größer als die auf
die Fügeeinrichtung mittels des federelastischen Elementes,
aufgrund der Schwerkraft oder mittels einer pneumatischen oder elektromagnetischen
Vorrichtung ausgeübte Kraft ist, würde das Tastelement von
den zu verbindenden Bauteilen abheben. Auch würde sich
die Lage des Energiestrahls unkontrolliert verlagern. Ein Kräftegleichgewicht
würde zu einem undefinierten Zustand führen. Der
Draht würde entweder von den zu verbindenden Bauteilen
abheben oder an den zu verbindenden Bauteilen anliegen, ohne dass
einer der beiden Zustände gezielt herbeigeführt
werden könnte. Bei einer auf die Zuführeinrichtung
mittels des passiven Andruckelementes ausgeübten Kraft,
die kleiner als die auf die Fügevorrichtung mittels des
federelastischen Elementes, aufgrund der Schwerkraft oder mittels
einer pneumatischen oder elektromagnetischen Vorrichtung ausgeübten
Kraft ist, wie es die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
vorsieht, hingegen liegt der Draht zwar an den zu verbindenden Bauteilen
an, führt jedoch nicht selbst. Da die auf die Zuführeinrichtung mittels
des passiven Andruckelementes ausgeübte Kraft kleiner sein
kann und in der Regel kleiner ist, als beim Stand der Technik, weil
das Zusatzmaterial (der Draht) nicht die Führung des Grundkörpers übernehmen
muss, reibt der Draht nicht so stark an der Austrittsöffnung
der Drahtzuführeinrichtung, und die Verschleißintensität
der Zuführeinrichtung verringert sich erheblich.
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Die
Zuführeinrichtung ist entweder in Bewegungsrichtung der
Fügevorrichtung vorlaufend, d. h. schleppend, oder in Bewegungsrichtung
der Fügevorrichtung nachlaufend, d. h. stechend. Die nachlaufende
Ausbildung hat den Vorteil, dass der Energiestrahl im Vorlauf ungehindert
auf die zu fügenden Bauteile treffen und die zu verbindenden
Bauteile vorwärmen kann. Somit ist der Prozess stabiler.
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Ferner
ist mittels der Erfindung eine Zuführung des Drahtes quer
zum Verlauf der erzeugenden Fügenaht, d. h. unter einem
Winkel von 90° zum Verlauf der erzeugenden Fügenaht,
oder in einem beliebigen Winkel zum Verlauf zur erzeugenden Fügenaht vorstellbar.
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Vorzugsweise
ist der Zusatzwerkstoff ein Draht, der beim Fügen abgeschmolzen
wird.
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Die
Zuführeinrichtung ist unter einem Winkel, der größer
als 0° und kleiner oder gleich 90° ist, zum Verlauf
der zu erzeugenden Fügenaht ausgerichtet. Da der im Betrieb
der Fügevorrichtung der Zuführeinrichtung zugeführte
Zusatzwerkstoff weder der Führung noch der Kraftmessung
in Abstandsrichtung dient, kann er unter einem beliebigen Winkel
angeordnet werden. Dies verändert die Bauform des Systems
und verbessert die Zugänglichkeit zur Fügevorrichtung.
Eine Anordnung unter 90° ist bei einem Energiestrahl mit
mehreren Teilstrahlen möglich.
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Das
Tastelement kann einen Kanal aufweisen, über den während
der Herstellung der Verbindung ein Flussmittel und/oder ein Zusatzgas
zuführbar ist.
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Die
Spitze des Tastelementes kann Aussparungen aufweisen, die der Zuführeinrichtung
zugewandt sind. Die Aussparungen sind beispielsweise annähernd
U-förmig. Aufgrund der Aussparungen kann das Tastelement
möglichst dicht am Zusatzwerkstoff positioniert werden.
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Bevorzugt
ist ein Aktor vorgesehen, der eine Pendelbewegung eines am Energiestrahl
abschmelzenden, distalen Endes des Zusatzwerkstoffes und/oder des
Energiestrahls erzeugt. Durch eine solche Pendelbewegung des Drahtes
und/oder des Energiestrahls entlang einer zu erzeugenden Fügenaht kann
eine breite Schweiß- bzw. Lötnaht erzeugt werden.
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Vorzugsweise
ist eine Fokussiereinrichtung vorgesehen, mittels der der Energiestrahl
in Abhängigkeit des Abstandes zwischen Zuführeinrichtung und
Leiteinrichtung positioniert wird, da sich dieser bei vertikalen
Versprüngen im Verlauf der zu erzeugenden Fügenaht deshalb
geringfügig ändern kann, weil die Leiteinrichtung über
den Grundkörper starr mit dem Tastelement verbunden ist,
während die Zuführeinrichtung in vertikaler Richtung
(z-Richtung) relativ zum Grundkörper beweglich ist. Dabei
ist z. B. ein Sensor vorgesehen, der auf eine Relativbewegung zwischen
Leiteinrichtung und Zuführeinrichtung anspricht und der
so mit der Fokussiereinrichtung zusammenwirkt, dass der Energiestrahl
in Abhängigkeit von Ausgangssignalen des Sensors positioniert
bzw. fokussiert wird. Insbesondere kann der Sensor auch eine Relativbewegung
zwischen dem Grundkörper und der Zuführeinrichtung
in vertikaler Richtung (z-Richtung) und gegebenenfalls in lateraler
Richtung (y-Richtung) detektieren, um mit Hilfe des Sensorausgangssignals
die Leiteinrichtung nachführen zu können.
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Auch
könnte eine Einrichtung vorgesehen sein, mit der dynamische
Aufmodulationen auf den Zusatzwerkstoff und das Tastelement, die
durch Unebenheiten in der Oberfläche eines zu verbindenden Bauteils
verursacht werden, kreuzkorreliert werden und zur Ermittlung einer
Ist-Geschwindigkeit genutzt werden.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Verwendung der erfindungsgemäßen
Fügevorrichtung als handgeführtes System. Hinsichtlich
der Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und den Zeichnungen. Die Erfindung wird anhand mehrerer
Ausführungsformen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung
gemäß einer ersten Ausführungsform,
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1a eine
schematische Ansicht zweier zu verbindenden Bauteilen mit einem
Koordinatensystem,
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2 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung
gemäß einer zweiten Ausführungsform,
und
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3 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung
gemäß einer dritten Ausführungsform.
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In 1 ist
eine Fügevorrichtung 10 für ein stoffschlüssiges
Fügen gezeigt. Die Fügevorrichtung 10 weist
einen Grundkörper 12, eine Leiteinrichtung 14 für
wenigstens einen Energiestrahl zum Schmelzen eines Zusatzwerkstoffes 16,
ein Tastelement 18, das über eine Halterung 20 fest
mit dem Grundkörper 12 verbunden ist, und eine
Zuführeinrichtung 22 für den Zusatzwerkstoff 16 auf.
Die Leiteinrichtung 14 kann eine Optik zum Leiten beispielsweise
eines Laserstrahls oder eine Düse eines Gasbrenners oder dergleichen
sein.
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Die
Zuführeinrichtung 22 führt den Zusatzwerkstoff 16 einer
zu erzeugenden Fügenaht zu und ist mit dem Grundkörper 12 der
Fügevorrichtung 10 derart verbunden, dass eine
laterale Auslenkung des Tastelementes 18 und damit verbunden
eine laterale Auslenkung (y-Richtung in 1a) des
Grundkörpers 12 eine entsprechende laterale Auslenkung (y-Richtung
in 1a) der Zuführeinrichtung 22 bewirkt,
d. h. die Zuführeinrichtung 22 ist in Bezug auf laterale
Auslenkungen des Grundkörpers 12 mit diesem gekoppelt.
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In
einer – bezogen auf den Verlauf einer zu erzeugenden Fügenaht
(x-Richtung in 1a) – vertikaler Richtung
(z-Richtung in 1a) ist die Zuführeinrichtung 22 mittels
eines passiven Andruckelementes 24 gegenüber zu
fügenden Bauteilen 26 vorgespannt und gegenüber
dem Grundkörper 12 beweglich. Das passive Andruckelement 24 ist
im Ausführungsbeispiel eine Andruckfeder und beaufschlagt
die Zuführeinrichtung 22 in Richtung einer zu erzeugenden
Fügenaht 28, die die beiden Bauteile 26 miteinander
verbindet. Insbesondere bewirkt das passive Andruckelement 24 eine
Vorspannungskraft, die annähernd konstant ist, auf ein
distales Ende des Zusatzwerkstoffes 16 in Richtung der
Fügenaht 28.
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Dabei
kann die Zuführeinrichtung 22 in lateraler Richtung
gesehen entweder fest mit dem Grundkörper 12 verbunden
sein oder alternativ so mit dem Grundkörper verbunden sein,
dass eine Relativbewegung in lateraler Richtung zwischen dem Grundkörper 12 und
der Zuführeinrichtung 22 möglich ist,
so wie dies weiter vorn bereits erwähnt ist.
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Die
Zuführeinrichtung 22 ist in Richtung einer Relativbewegung
der Fügevorrichtung 10 gegenüber den
zu fügenden Bauteilen 26 vorlaufend angeordnet (Bewegungsrichtung
entspricht im Wesentlichen der x-Richtung in 1a) und
so ausgebildet, dass die Spitze des zugeführten Zusatzwerkstoffes 16 in
den Energiestrahl der Leiteinrichtung 14 hineinragt. Insbesondere
ist die Zuführeinrichtung 22 unter einem Winkel α zu
der zu erzeugenden Fügenaht 28 angeordnet.
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Der über
die Zuführeinrichtung 22 zugeführte Zusatzwerkstoff 16 ist
ein Draht, der beim Fügen abgeschmolzen wird und für
das Verbinden der Bauteile 26 benötigt wird.
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Wie
bereits angeführt ragt der Zusatzwerkstoff 16 in
den Energiestrahl der Leiteinrichtung 14. Dabei ist der
Energiestrahl der Leiteinrichtung 14 beispielsweise ein
Strahlenbündel in Form eines Kegels, auf dessen Spitze
hin alle Strahlen zulaufen. Der Energiestrahl ist vorzugsweise ein
Laserlichtstrahl. Aufgrund von nicht gezeigten Linsen liegt ein Strahlenbündel
vor. Die Linsen dienen der Fokussierung des Energiestrahls.
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Die
Leiteinrichtung 14 für den Energiestrahl ist fest
mit dem Grundkörper 12 verbunden, so dass eine
Auslenkung des Grundkörpers 12 auch eine Auslenkung
der Leiteinrichtung 14 bewirkt.
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Der
Grundkörper 12 ist mittels eines federelastischen
Elementes 29 in Richtung der zu erzeugenden Fügenaht 28 vorgespannt,
wobei sich das federelastische Element 29 an einem Roboter 31 abstützt.
Es ist nur ein Abschnitt des Roboters 31 dargestellt. Anstelle
des federelastischen Elementes kann der Grundkörper 12 auch
aufgrund der Schwerkraft in Richtung der zu erzeugenden Fügenaht 28 vorgespannt
sein. Genauso gut kann die Vorspannkraft mittels einer pneumatischen
oder elektromagnetischen Einrichtung erzeugt werden.
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Dabei
ist die auf den Grundkörper 12 wirkende Kraft
so gewählt, dass sie größer als die auf
die Zuführeinrichtung 22 mittels des passiven
Andruckelementes 24 ausgeübte Kraft ist. Dadurch
liegt der Zusatzwerkstoff 16 zwar an den zu verbindenden Bauteilen 26 an,
führt jedoch nicht selbst, weshalb sich der Verschleiß der
Zuführeinrichtung 22 erheblich verringert. Bei
umgekehrten Kraftverhältnissen, also bei einer mittels
des passiven Andruckelementes auf die Zuführeinrichtung
ausgeübten Kraft, die größer als die
auf die Fügeeinrichtung mittels des federelastischen Elementes
oder aufgrund der Schwerkraft ausgeübte Kraft ist, würde
das Tastelement von den zu verbindenden Bauteilen abheben, was zu
einem nicht optimalen Fügeprozesses führen würde.
Auch würde sich die Lage des Energiestrahls unkontrolliert
verlagern. Ein Kräftegleichgewicht würde zu einem
undefinierten Zustand führen. Der Draht würde
entweder von den zu verbindenden Bauteilen abheben oder an den zu
verbindenden Bauteilen anliegen, ohne dass einer der beiden Zustände
gezielt herbeigeführt werden könnte.
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Das
Tastelement 18 weist einen Kanal 30 (schematisch
gezeigt) auf, über den während der Herstellung
der Verbindung ein Flussmittel und/oder ein Zusatzgas zuführbar
ist.
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Die
Spitze des Tastelementes 18 weist ferner nicht gezeigte
Aussparungen auf, die der Zuführeinrichtung 22 zugewandt
sind und im Wesentlichen U-förmig sind. Aufgrund der Aussparungen
kann das Tastelement 18 möglichst dicht am Zusatzwerkstoff 16 positioniert
werden.
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In 1 ist
ferner schematisch ein Sensor 32 gezeigt, der eine von
einer Relativbewegung zwischen Leiteinrichtung 14 und Zuführeinrichtung 22 abhängige
Größe erfasst und so konfiguriert ist, dass der
Energiestrahl in Abhängigkeit des Ausgangssignals des Sensors 32 fokussiert
wird.
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Auch
kann ein nicht gezeigter Aktor vorgesehen sein, der eine Pendelbewegung
eines am Energiestrahl abschmelzenden distalen Endes des Zusatzwerkstoffes 16 und/oder
des Energiestrahls erzeugt, so dass sich eine breite Schweiß-
bzw. Lötnaht ergibt.
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Genauso
gut kann ein schematisch in 1 gezeigter
Aktor 34 vorgesehen sein, der die Zuführeinrichtung 22 für
den Zusatzwerkstoff 16 gezielt anheben und wieder freigeben
kann, so dass eine sogenannte Steppnaht erzeugt werden kann.
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Genauso
gut könnte eine Einrichtung vorgesehen sein, mit der die
auf den Zusatzwerkstoff 16 und das Tastelement 18 durch
die in der Oberfläche eines zu verbindenden Bauteils 26 erzeugten
dynamischen Aufmodulationen kreuzkorreliert werden und zur Ermittlung
einer Ist-Geschwindigkeit genutzt werden.
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In 1a sind
die zu verbindenden Bauteile 26 gezeigt. Ein Koordinatensystem
erläutert die Richtungen, wobei die zu erzeugende Fügenaht
in x-Richtung verläuft, die vertikale Richtung mit z und
die laterale Richtung mit y bezeichnet sind.
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Die
in 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet
sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform
nur darin, dass die Zuführeinrichtung 22 nachlaufend,
d. h. stechend, in Bewegungsrichtung (x-Richtung in 1a)
der Fügevorrichtung 10 angeordnet ist.
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Gemäß der
in 3 gezeigten Ausführungsform ist das Tastelement 18 derart
mit dem Grundkörper 12 verbunden, dass eine vertikale
Auslenkung (z-Richtung in 1a) des
Tastelementes 18 bezogen auf den Verlauf einer zu erzeugenden
Fügenaht 28 unmittelbar eine vertikale Auslenkung
(z-Richtung in 1a) des Grundkörpers 12 bewirkt.
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Die
Zuführeinrichtung 22 erstreckt sich durch den
Grundkörper 12 hindurch und ist so an dem Roboter 31 befestigt,
dass eine vertikale Auslenkung (z-Richtung in 1a)
des Tastelementes 18 zwar eine vertikale Auslenkung (z-Richtung
in 1a) des Grundkörpers 12 bewirkt,
jedoch keine vertikale Auslenkung der Zuführeinrichtung 22.
Wie bei den zuvor dargestellten Ausführungsvarianten ist
die Zuführeinrichtung 22 in y-Richtung (siehe 1a)
fest mit dem Grundkörper 12 gekoppelt. Im Unterschied
zu den zuvor dargestellten Ausführungsvarianten ist das passive
Andruckelement 24 bei der in 3 dargestellten
Ausführungsvariante nicht zwischen Grundkörper 12 und
Zuführeinrichtung 22 sondern direkt zwischen einer
Aufhängung für den Grundkörper 12 (z.
B. dem Roboter) und der Zuführeinrichtung 22 angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10006852
C5 [0002, 0006, 0009, 0010, 0011, 0012, 0013, 0015]
- - DE 10006852 C2 [0007]
- - DE 102006056252 A1 [0015, 0015]