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DE102014203559B4 - Method and device for producing a material connection - Google Patents

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DE102014203559B4
DE102014203559B4 DE102014203559.7A DE102014203559A DE102014203559B4 DE 102014203559 B4 DE102014203559 B4 DE 102014203559B4 DE 102014203559 A DE102014203559 A DE 102014203559A DE 102014203559 B4 DE102014203559 B4 DE 102014203559B4
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DE
Germany
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inductor
pressing
pressing element
until
Prior art date
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German (de)
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Thomas Forstner
Ingo Mantei
Florian Oefele
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Bauteilen (52, 54) mit den Schritten:- Erwärmen eines Fügebereichs (56) mittels eines Induktors (20), wobei im Fügebereich (56) zumindest ein elektrisch leitfähiger Werkstoff vorhanden ist,- Aufbringen eines Fügedrucks (F) auf den Fügebereich (56) mittels einer Anpressvorrichtung (30) mit zumindest einem Anpresselement (300), wobei das Anpresselement (300) aktiv gekühlt wird zur Abkühlung der Bauteile (52, 54) und die Abkühlrate der Bauteile (52, 54) mittels der Temperatur des Anpresselements (300) geregelt wird.Method for producing a material connection between components (52, 54) with the steps: - heating a joining area (56) by means of an inductor (20), wherein at least one electrically conductive material is present in the joining area (56), - applying a joining pressure ( F) on the joining area (56) by means of a pressing device (30) with at least one pressing element (300), the pressing element (300) being actively cooled to cool the components (52, 54) and the cooling rate of the components (52, 54) is controlled by the temperature of the pressing element (300).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere zum Fügen von zwei Bauteilen, wobei zumindest ein Bauteil aus einem Faserverbundkunststoff besteht.The invention relates to a method and a device for producing an integral connection, in particular for joining two components, with at least one component consisting of a fiber-reinforced plastic.

Die gegenwärtigen Verbindungstechniken stoßen mit der Einführung moderner Leichtbauwerkstoffe an ihre Grenzen. Insbesondere bei Anforderungen an eine hohe Oberflächenqualität und Festigkeit oder beim Verbinden von neuartigen Faserverbundwerkstoffen sind die konventionellen Schweißverfahren nur eingeschränkt geeignet.With the introduction of modern lightweight materials, current joining technologies are reaching their limits. Conventional welding processes are only suitable to a limited extent, particularly when there are requirements for high surface quality and strength or when connecting new types of fiber composite materials.

Induktionsschweißen ist als Fügeverfahren für Faserverbundmaterialien mit thermoplastischem Matrixmaterial bekannt. Hierzu muss in der Fügezone ein elektrisch leitfähiger Werkstoff beinhaltet sein. Dieser kann als Schweißzusatzmaterial der Fügezone zugegeben werden oder kann in einem oder beiden der zu verbindenden Bauteile beinhaltet sein, z.B. in Form von elektrisch leitfähigen Fasern.Induction welding is known as a joining method for fiber composite materials with thermoplastic matrix material. For this purpose, an electrically conductive material must be included in the joining zone. This can be added to the joining zone as a welding filler material or can be contained in one or both of the components to be connected, e.g. in the form of electrically conductive fibers.

Beim Induktionsschweißen wird ein Induktor als Teil eines Schwingkreises durch einen Generator mit einem hochfrequenten Wechselstrom angeregt. Der Induktor erzeugt ein Magnetfeld, wodurch in elektrisch leitfähigen Werkstoffen, die im Wirkbereich des Magnetfelds angeordnet sind, Wirbelströme induziert werden. Aufgrund von Widerstandseffekten und dielektrischer Hysterese erwärmt sich der elektrisch leitende Werkstoff und führt durch Wärmeleitung zu einem Aufschmelzen der zu verbindenden Bauteile. Die Erwärmung durch den Induktor erfolgt schnell und kann berührungslos erfolgen. Zur Herstellung der Fügeverbindung wird auf die aufgeschmolzenen Bauteile mittels einer Anpressvorrichtung ein Fügedruck aufgebracht. Zur Konsolidierung werden die Bauteile abgekühlt.In induction welding, an inductor as part of an oscillating circuit is excited by a generator with a high-frequency alternating current. The inductor generates a magnetic field, which induces eddy currents in electrically conductive materials that are located in the effective range of the magnetic field. Due to resistance effects and dielectric hysteresis, the electrically conductive material heats up and causes the components to be connected to melt due to heat conduction. The inductor heats up quickly and can be done without contact. To produce the joint connection, a joining pressure is applied to the melted components using a pressing device. The components are cooled for consolidation.

Aus der Druckschrift DE 10 2012 100 620 A1 ist ein Verfahren zum Induktionsschweißen von Faser-Kunststoffverbunden mit thermoplastischem Matrixmaterial bekannt, bei dem ein Induktor über die Fügezone der zu verschweißenden Bauteile geführt wird und eine Kühleinrichtung dem Induktor nachgeführt oder gemeinsam mit diesem geführt wird. Die gekühlte Oberfläche wird durch eine Anpressvorrichtung beaufschlagt. Dieses Verfahren reduziert die Gefahr einer thermischen Schädigung an der dem Induktor benachbarten Oberfläche der zu verbindenden Bauteile.From the pamphlet DE 10 2012 100 620 A1 a method for induction welding of fiber-plastic composites with thermoplastic matrix material is known, in which an inductor is guided over the joining zone of the components to be welded and a cooling device follows the inductor or is guided together with it. The cooled surface is acted upon by a pressing device. This process reduces the risk of thermal damage to the surface of the components to be connected that is adjacent to the inductor.

Aus der Druckschrift DE 10 2005 018 478 A1 ist eine Vorrichtung zum Induktionsschweißen von Kunststoffteilen unter zumindest lokaler Druckbeaufschlagung mittels einer Anpressvorrichtung bekannt, wobei ein Induktor zu Erwärmung der Schweißzone in die Antriebsvorrichtung integriert ist.From the pamphlet DE 10 2005 018 478 A1 discloses a device for induction welding of plastic parts with at least local pressurization by means of a pressing device, with an inductor for heating the welding zone being integrated into the drive device.

Die Druckschrift US 5 635 094 A beschreibt eine Vorrichtung zum Induktionsschweißen von Kunststoffbauteilen, bei denen ein Fluid gefülltes Rad als Anpresselement ausgebildet ist. In dem Rad ist ein Schlitten angeordnet mit einer Induktionsspule zur Erwärmung der Schweißzone.The pamphlet U.S. 5,635,094 A describes a device for induction welding of plastic components in which a fluid-filled wheel is designed as a pressing element. A carriage with an induction coil for heating the welding zone is arranged in the wheel.

Weiterhin ist aus der Druckschrift US 2003 / 0 062 118 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Laminats aus einer Schichtanordnung bekannt, bei dem die Schichtanordnung induktiv erwärmt wird, anschließend in einer Konsolidierungszone mit Druck beaufschlagt wird und in einer nachfolgenden Kühlzone abgekühlt wird, wobei die Abkühlung in einer auf die Mittenebene gerichteten Art und Weise erfolgt.Furthermore, from the publication US 2003 / 0 062 118 A1 a method for producing a fiber composite laminate from a layer arrangement is known, in which the layer arrangement is inductively heated, is then subjected to pressure in a consolidation zone and is cooled in a subsequent cooling zone, wherein the cooling occurs in a median plane directed manner.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem eine stoffschlüssige Verbindung mit verbesserten Eigenschaften erzielt werden kann, insbesondere eine Fügeverbindung mit zumindest einem Bauteil aus einem Faserverbundkunststoff.The object of the present invention is to specify a method and a device with which an integral connection with improved properties can be achieved, in particular a joint with at least one component made of a fiber-reinforced plastic.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 6.This problem is solved by a method according to patent claim 1 and a device according to patent claim 6.

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen zwei Bauteilen wird ein Fügebereich mittels eines Induktors erwärmt, wobei im Fügebereich zumindest ein elektrisch leitfähiger Werkstoff vorhanden ist. Auf den erwärmten Fügebereich wird ein Fügedruck aufgebracht mittels einer Anpressvorrichtung mit zumindest einem Anpresselement, wobei das Anpresselement aktiv gekühlt wird zur Abkühlung der Bauteile.In a method for producing an integral connection between two components, a joining area is heated by means of an inductor, with at least one electrically conductive material being present in the joining area. A joining pressure is applied to the heated joining area by means of a pressing device with at least one pressing element, the pressing element being actively cooled in order to cool the components.

Die Bauteile werden durch den Kontakt mit dem Anpresselement gekühlt, der Wärmeübergang erfolgt hauptsächlich durch Wärmeleitung. Hierdurch ist eine besonders schnelle Abkühlung, insbesondere der Bauteiloberfläche, gegeben, wodurch die Gefahr eine Beschädigung der Bauteiloberfläche verringert werden kann.
Darüber hinaus erhöht das Aufbringen von Druck und Temperaturgradient an derselben Stelle die Qualität und Reproduzierbarkeit der
Konsolidierungsbedingungen und führt zu Fügeverbindungen mit verbesserten Eigenschaften. Durch die aktive Kühlung des Anpresselements ist eine geführte Abkühlung der Bauteile möglich.The components are cooled through contact with the pressure element, the heat transfer occurs mainly through thermal conduction. This results in particularly rapid cooling, in particular of the component surface, which means that the risk of damage to the component surface can be reduced.
In addition, the application of pressure and temperature gradient at the same point increases the quality and reproducibility of the
consolidation conditions and leads to joints with improved properties. The active cooling of the pressure element enables controlled cooling of the components.

Die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen kann eine Schweißverbindung, eine Klebeverbindung oder eine Lötverbindung sein. Für eine Klebeverbindung wird vor Beginn der Erwärmung ein thermisch aushärtender Klebstoff zwischen den Bauteilen aufgebracht.The material connection between the components can be a welded connection, an adhesive connection or a soldered connection. For an adhesive connection, before starting the heating a thermally curing adhesive is applied between the components.

Die Schweißverbindung kann je nach Material der Bauteile mit oder ohne Zusatzwerkstoff ausgeführt werden. Die Bauteile können insbesondere im Überlappstoß oder T-Stoß verbunden werden.Depending on the material of the components, the welded connection can be made with or without additional material. The components can be connected in particular in the lap joint or T-joint.

Die Fügezone muss zumindest einen elektrisch leitfähigen Werkstoff beinhalten, d.h. mindestens ein Bauteil, der Klebstoff oder der Schweißzusatzwerkstoff muss einen elektrisch leitenden Werkstoff beinhalten oder aus einem elektrisch leitenden Werkstoff bestehen.The joining zone must contain at least one electrically conductive material, i.e. at least one component, the adhesive or the welding filler material must contain an electrically conductive material or consist of an electrically conductive material.

Zumindest ein Bauteil oder alle Bauteile können z.B. aus Faserverbundkunststoffen bestehen, bei denen die Fasern elektrisch leitfähig sind, z.B. Kohlenstofffasern. Die Fasern können als Kurz-, Lang- und Endlosfasern in Form von Geweben, Rovings, Gestricken, Geflechten, Litzen, Vliesen, Matten u.ä. in die Faserverbundkunststoffe eingearbeitet sein, sofern sie genügend Knotenpunkte für eine ausreichende Erwärmung aufgrund von Widerstandseffekten und dielektrischer Hysterese aufweisen.At least one component or all components can consist, for example, of fiber-reinforced plastics in which the fibers are electrically conductive, for example carbon fibers. The fibers can be used as short, long and continuous fibers in the form of fabrics, rovings, knitted fabrics, braids, strands, fleece, mats and the like. be incorporated into the fiber-reinforced plastics, provided they have enough nodes for sufficient heating due to resistance effects and dielectric hysteresis.

Es können Faserverbundkunstoffe mit einer thermoplastischen Matrix verwendet werden. Geeignete Thermoplasten sind z.B. PPS, PPA, PA6, PA6.6, PEEK, SAN, PLA, PES, PEI, (PP). Alternativ kann auch ein Bauteil mit einer thermoplastischen Matrix mit einem Bauteil ohne thermoplastische Matrix, z.B. mit einer Matrix aus Duroplast verbunden werden ggf. unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffs. Ebenso sind Hybrid-Verbindungen möglich, zwischen Metall und einem Faserverbundkunststoff (mit oder ohne thermoplastische Matrix) oder Verbindungen zwischen Bauteilen aus Metall.Fiber composite plastics with a thermoplastic matrix can be used. Suitable thermoplastics are e.g. PPS, PPA, PA6, PA6.6, PEEK, SAN, PLA, PES, PEI, (PP). Alternatively, a component with a thermoplastic matrix can also be connected to a component without a thermoplastic matrix, e.g. with a matrix made of duroplastic, if necessary using a suitable adhesive. Hybrid connections are also possible, between metal and a fiber-reinforced plastic (with or without a thermoplastic matrix) or connections between metal components.

Die Bauteile können insbesondere Karosseriebauteile oder Interieurbauteile aus dem Fahrzeugbau sein.The components can in particular be body components or interior components from vehicle construction.

Zur Realisierung einer technisch einfach umzusetzenden aktiven Kühlung des Anpresselements kann ein Kühlmedium durch das Anpresselement geleitet werden. Das Kühlmedium kann z.B. eine Flüssigkeit oder ein Gas sein und ist in einer Ausgestaltung Wasser.In order to realize an active cooling of the pressing element that is technically easy to implement, a cooling medium can be passed through the pressing element. The cooling medium can be, for example, a liquid or a gas, and in one embodiment is water.

Erfindungsgemäß wird die Abkühlrate der Bauteile mittels der Temperatur des Anpresselements geregelt. Die Bauteiltemperatur kann z.B. mittels Pyrometer, optischer Temperaturmessung oder Thermoelementen gemessen werden. Abhängig von der Abweichung zwischen gemessener Temperatur und einer Solltemperatur wird die Temperatur des Anpresselements angepasst zur Regelung der Abkühlrate der Bauteile. Der die Eigenschaften des Polymers mitbestimmende Temperaturverlauf bei der Abkühlung lässt sich somit besser kontrollieren. Insbesondere ermöglicht dieses Verfahren eine Konsolidierung der Bauteile mit der ursprünglichen Gefügebeschaffenheit, z.B. die gezielte Rekristallisation (teil-)kristalliner Polymere.According to the invention, the cooling rate of the components is regulated by means of the temperature of the pressing element. The component temperature can be measured, for example, using a pyrometer, optical temperature measurement or thermocouples. Depending on the deviation between the measured temperature and a target temperature, the temperature of the pressure element is adjusted to regulate the cooling rate of the components. The temperature profile during cooling, which also determines the properties of the polymer, can thus be better controlled. In particular, this process enables the components to be consolidated with the original structure, e.g. the targeted recrystallization of (partially) crystalline polymers.

Versuche haben gezeigt, dass bei einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schweißbahn zwischen zwei Bauteilen aus Polyamid 6.6/CF durch die Regelung der Abkühlrate Verbindungen mit besonders hoher Scherzugfestigkeit von im Mittel 22 MPa und einer Bruchfestigkeit oberhalb der Matrixfestigkeit an der Fügestelle realisiert werden konnten. Hierzu wurden zwei Proben aus PA6.6/CF mit einer Probendicke von 2 mm und einer Probenbreite von 48 mm im Überlappstoß verschweißt. Die Vergleichswerte der Matrixfestigkeit ergeben sich aus den Datenblättern des Matrixherstellers.Experiments have shown that with a weld sheet produced using the method according to the invention between two components made of polyamide 6.6/CF, connections with a particularly high tensile shear strength of an average of 22 MPa and a breaking strength above the matrix strength at the joint could be realized by controlling the cooling rate. For this purpose, two samples made of PA6.6/CF with a sample thickness of 2 mm and a sample width of 48 mm were welded in the lap joint. The comparative values of the matrix strength result from the data sheets of the matrix manufacturer.

Vorzugsweise wird der Volumenstrom des Kühlmediums, welcher durch das Anpresselement strömt, als Stellgröße für die Regelung der Abkühlrate der Bauteile verwendet. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Temperatur des Kühlmediums als Stellgröße verwendet werden oder es können sowohl Temperatur als auch Volumenstrom des Kühlmediums als Stellgrößen verwendet werden.The volume flow of the cooling medium, which flows through the pressing element, is preferably used as a manipulated variable for controlling the cooling rate of the components. In an alternative embodiment, the temperature of the cooling medium can be used as the manipulated variable, or both the temperature and the volumetric flow of the coolant can be used as manipulated variables.

Für die Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen ist das Verfahren insbesondere geeignet, wenn der Induktor mit einer Frequenz von 500 kHz oder größer angeregt wird. In diesem Frequenzspektrum wird die maximale Temperatur nicht an der Oberfläche der Faserverbundkunststoffe, sondern weiter im Bauteilinneren in der Nähe des Fügebereichs erzeugt. Die Oberfläche wird somit weniger stark erwärmt, wodurch die Oberflächenbeschaffenheit der miteinander verbundenen Bauteile weiter verbessert werden kann. Durch die Wahl geeigneter Werte für die Parameter Induktorabstand und Frequenz kann die Ebene mit der maximalen Energieeinbringung eingestellt werden.The process is particularly suitable for processing fiber-reinforced plastics if the inductor is excited at a frequency of 500 kHz or higher. In this frequency spectrum, the maximum temperature is not generated on the surface of the fiber-reinforced plastics, but further inside the component near the joining area. The surface is thus heated to a lesser extent, as a result of which the surface quality of the components connected to one another can be further improved. By choosing suitable values for the inductor spacing and frequency parameters, the plane with the maximum energy input can be set.

Vorzugsweise wird das Verfahren als kontinuierliches Verfahren betrieben zur Erzeugung von Schweiß- bzw. Klebebahnen. Alternativ kann das Verfahren auch diskontinuierlich eingesetzt werden zur Ausbildung einzelner Schweiß- oder Klebepunkte.The process is preferably operated as a continuous process to produce welding or adhesive strips. Alternatively, the process can also be used discontinuously to form individual welding or adhesive spots.

Eine Vorrichtung zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Bauteilen weist einen Induktor und eine Anpressvorrichtung mit zumindest einem Anpresselement auf, wobei das Anpresselement weiterhin als aktives Kühlelement ausgebildet ist.A device for producing an integral connection between components has an inductor and a pressing device with at least one pressing element, the pressing element also being designed as an active cooling element.

Druck und Kühlung können somit gemeinsam auf die Bauteile aufgebracht werden, am gleichen Ort und zur gleichen Zeit. Das Zusammenspiel von Druck und Temperatur, das zum Erreichen der Konsolidierungsparameter notwendig ist, kann somit verbessert eingestellt werden. Hierdurch wird die Reproduzierbarkeit der Konsolidierungsparameter und damit die Prozesssicherheit gesteigert.Pressure and cooling can thus be applied to the components together, at the same place and at the same time. The interaction of pressure and temperature, which is necessary to achieve the consolidation parameters, can thus be set in an improved manner. This increases the reproducibility of the consolidation parameters and thus the process reliability.

Der Induktor ist vorzugsweise ein Flächeninduktor und kann z.B. eine annähernd rechteckige oder runde Grundfläche aufweisen.The inductor is preferably a surface inductor and can, for example, have an approximately rectangular or round base.

Die Anpressvorrichtung kann die Bauteile von zwei Seiten, der dem Induktor zugewandten Seite und der gegenüberliegenden Seite, mit Druck beaufschlagen. Hierzu können auf jeder Seite ein oder mehrere Anpresselemente nach Art einer Zange angeordnet sein, zwischen denen die Bauteile eingeklemmt werden. Alternativ weist die Anpressvorrichtung nur auf einer Seite der Bauteile ein oder mehrere Anpresselemente auf, die in Kontakt mit der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche treten. Der erforderliche Fügedruck wird dann durch Abstützung gegenüber der Werkstückaufnahme aufgebaut. Der Fügedruck kann z.B. mittels einer vorspannbaren Feder, servoelektrischer Motoren und/oder servopneumatischer Antriebe auf die bzw. das Anpresselement(e) aufgebracht werden. Der Fügedruck kann während des Verfahrens konstant gehalten oder verändert werden, z.B. mittels einer Regelung.The pressing device can apply pressure to the components from two sides, the side facing the inductor and the opposite side. For this purpose, one or more pressing elements can be arranged on each side in the manner of pliers, between which the components are clamped. Alternatively, the pressing device has one or more pressing elements on only one side of the components, which come into contact with the surface of the component or workpiece. The required joining pressure is then built up by supporting it against the workpiece holder. The joining pressure can be applied to the pressing element(s), e.g. by means of a pretensionable spring, servo-electric motors and/or servo-pneumatic drives. The joining pressure can be kept constant or changed during the process, e.g. by means of a controller.

Als aktives Kühlelement ist das Anpresselement in der Lage, Wärmeenergie aus den Bauteilen aufzunehmen und in einem Maße abzutransportieren, das über den Wärmetransport freier Konvektion hinausgeht. Hierzu wird das Anpresselement der Anpressvorrichtung aktiv gekühlt. Somit kann die Abkühlrate der Bauteile über die Temperatur des Anpresselements geführt werden.As an active cooling element, the pressure element is able to absorb thermal energy from the components and transport it away to an extent that goes beyond the heat transport of free convection. For this purpose, the pressing element of the pressing device is actively cooled. The cooling rate of the components can thus be controlled via the temperature of the pressing element.

Die aktive Kühlung des Anpresselements wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass in dem Anpresselement Kühlkanäle ausgebildet sind zur Durchleitung eines Kühlmediums.The active cooling of the pressing element is preferably realized in that cooling channels are formed in the pressing element for the passage of a cooling medium.

Eine besonders effiziente Kühlung ergibt sich, wenn die Kühlkanäle als zwei miteinander durch eine Vielzahl von Querkanälen verbundene Ringkanäle ausgebildet sind.Particularly efficient cooling results when the cooling channels are designed as two annular channels connected to one another by a large number of transverse channels.

Das Anpresselement kann z.B. als Platte oder Stempel ausgeführt sein. Alternativ ist das Anpresselement vorzugsweise als Anpressrolle ausgeführt, wodurch ein kontinuierlicher Prozess ermöglicht wird.The pressing element can be designed as a plate or stamp, for example. Alternatively, the pressure element is preferably designed as a pressure roller, which enables a continuous process.

Zur Erzielung eines guten Wärmeübergangs zwischen Bauteil und Anpresselement bzw. zwischen Anpresselement und Kühlmedium bei gleichzeitiger Vermeidung einer ungewollten Erwärmung des Anpresselements durch das induzierte Magnetfeld ist das Anpresselement in einer Ausgestaltung aus nicht magnetischem Metall bzw. einer nicht magnetischen Metalllegierung gefertigt, insbesondere aus Edelstahl mit einem austenitischen Gefügeanteil. Dies wird durch Legierungen mit einem nennenswerten Anteil der Legierungselemente Ni, C, Cu, N, Co, Mo ermöglicht, z.B. mit einem Masseanteil an Legierungselementen von mehr als 1 %. Beispielsweise kann das Anpresselement aus X1.4404 gefertigt sein.In order to achieve good heat transfer between the component and the pressure element or between the pressure element and the cooling medium while at the same time avoiding unwanted heating of the pressure element by the induced magnetic field, the pressure element is made in one configuration from non-magnetic metal or a non-magnetic metal alloy, in particular from stainless steel with a austenitic microstructure. This is made possible by alloys with a significant proportion of the alloying elements Ni, C, Cu, N, Co, Mo, e.g. with a mass proportion of alloying elements of more than 1%. For example, the pressing element can be made of X1.4404.

Die Vorrichtung weist weiterhin eine Kontrollvorrichtung auf, die eingerichtet ist zur Regelung der Abkühlrate der Bauteile mittels Temperierung des Anpresselements und insbesondere mittels aktiver Kühlung des Anpresselements. Die Bauteiltemperatur kann z.B. über faseroptische Temperaturmessung, Pyrometer oder Thermoelemente erfasst werden. Die Kontrollvorrichtung wertet diese Temperaturdaten aus und bestimmt z.B. anhand von Vorgaben der gewünschten Abkühlrate Stellgrößen für die Regelung. Anhand dieser Stellgrößen erfolgt die Temperaturänderung des Anpresselements, z.B. durch die Veränderung der Durchflussmenge oder die Anpassung der Temperatur des Kühlmediums, das durch das Anpresselement geleitet wird. Die Kontrollvorrichtung kann in die Vorrichtung integriert sein oder mit dieser verbunden sein (drahtlos oder drahtgebunden).The device also has a control device that is set up to regulate the cooling rate of the components by means of temperature control of the pressing element and in particular by means of active cooling of the pressing element. The component temperature can be recorded, for example, via fiber-optic temperature measurement, pyrometers or thermocouples. The control device evaluates this temperature data and determines control variables for the control, e.g. on the basis of specifications for the desired cooling rate. The temperature of the pressure element changes based on these manipulated variables, e.g. by changing the flow rate or adjusting the temperature of the cooling medium that is passed through the pressure element. The control device can be integrated into the device or connected to it (wireless or wired).

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Kontrollvorrichtung weiterhin eingerichtet sein zur Regelung des Erwärmungsvorgangs. Die Regelung der induktiven Erwärmung kann z.B. anhand der Stellgrößen Stromstärke, Vorschubgeschwindigkeit, Induktorabstand und ggf. Frequenz des Induktors erfolgen. Die Regelung basiert vorzugsweise auf einer, z.B. mittels Pyrometer, gemessenen Oberflächentemperatur des Bauteils und berücksichtigt den werkstoffcharakteristischen Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur und Temperatur in der Fügezone.In a further refinement, the control device can also be set up to regulate the heating process. The inductive heating can be controlled, for example, based on the manipulated variables of current, feed rate, inductor spacing and, if necessary, the frequency of the inductor. The control is preferably based on a surface temperature of the component measured, e.g. by means of a pyrometer, and takes into account the relationship between the surface temperature and the temperature in the joining zone, which is characteristic of the material.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Anpressvorrichtung nur ein einziges Anpresselement in Form einer Anpressrolle auf, die benachbart zum Induktor angeordnet ist. Hierdurch können bei ausreichender Abstützung der Bauteile auch Bauteile miteinander verbunden werden, die nur einseitig zugänglich sind. Beispielsweise beträgt ein Abstand zwischen dem Induktor und der Anpressrolle 10 mm oder weniger. Somit können auch enge Radien im Fügebahnverlauf realisiert werden.In a preferred embodiment, the pressing device has only a single pressing element in the form of a pressing roller, which is arranged adjacent to the inductor. As a result, with sufficient support of the components, components that are only accessible from one side can also be connected to one another. For example, a distance between the inductor and the pinch roller is 10 mm or less. This means that narrow radii can also be realized in the course of the joining path.

Der Induktor und die Anpressvorrichtung können an einem gemeinsamen Grundkörper befestigt sein und gemeinsam relativ zum Bauteil bewegt werden. Induktor und Anpressvorrichtung können z.B. auf einem gemeinsamen Bearbeitungskopf integriert sein.The inductor and the pressing device can be attached to a common base body and can be moved together relative to the component. Inductor and pressing device can eg be integrated on a common processing head.

Zur Bewegung der Vorrichtung entlang der Bauteile kann die Vorrichtung an einer zumindest einachsigen Linearführung angeordnet sein. Eine größere Flexibilität hinsichtlich der möglichen Bewegungen ergibt sich durch die Verwendung mehrachsiger Linearsysteme, z.B. mehrerer, zueinander rechtwinklig angeordneter Linearführungen. Um eine Rotation der Vorrichtung zu ermöglichen können die Linearsysteme ggf. zusätzlich mit einer Drehachse kombiniert sein. Die Linearführungen können als motorisierte Linearsysteme ausgeführt sein.In order to move the device along the components, the device can be arranged on an at least uniaxial linear guide. Greater flexibility with regard to the possible movements results from the use of multi-axis linear systems, e.g. several linear guides arranged at right angles to one another. In order to enable the device to rotate, the linear systems can optionally also be combined with a rotary axis. The linear guides can be designed as motorized linear systems.

In einer alternativen Ausgestaltung wird die Vorrichtung an einem Gelenkarm-Roboter, insbesondere einem 5- oder 6-Achs-Roboter befestigt. Dies ermöglicht weitere Freiheitsgrade und damit das Abfahren auch dreidimensionaler Schweißnaht- bzw. Fügeverläufe.In an alternative embodiment, the device is attached to an articulated arm robot, in particular a 5- or 6-axis robot. This enables further degrees of freedom and thus also the following of three-dimensional weld seam or joint profiles.

Alternativ kann die Vorrichtung ortsfest montiert sein und eine Bewegung der Bauteile kann über ein- oder mehrachsige Handhabungssysteme wie z.B. Linearsysteme oder Gelenkarmroboter erfolgen. Auf flexible und lange Anschlüsse wie z.B. Schlauchkabel für den Anschluss des Induktors an den Schwingkreis kann dann verzichtet werden. Hierdurch können höhere Frequenzen realisiert werden und es kann die Prozesssicherheit verbessert werden.Alternatively, the device can be stationary and the components can be moved using single- or multi-axis handling systems such as linear systems or articulated-arm robots. Flexible and long connections such as hose cables for connecting the inductor to the oscillating circuit can then be dispensed with. As a result, higher frequencies can be realized and process reliability can be improved.

Die zur Regelung der Abkühlrate eingesetzte Kontrollvorrichtung kann ebenso eingerichtet sein zur Steuerung bzw. Regelung des Abstands zwischen Induktor und Bauteiloberfläche sowie zur Steuerung bzw. Regelung des Anpressdrucks. Die Kontrollvorrichtung kann ebenso auch die Relativbewegung zwischen Werkstück und Vorrichtung steuern.The control device used to regulate the cooling rate can also be set up to control or regulate the distance between the inductor and the component surface and to control or regulate the contact pressure. The control device can also control the relative movement between the workpiece and the device.

Die Vorrichtung kann zur Durchführung des voranstehend beschriebenen Verfahrens verwendet werden, insbesondere zum Ausbilden einer Schweißverbindung zwischen zwei Bauteilen aus einem Faserverbundkunststoff mit Carbonfasern. Insofern gelten die für das Verfahren beschriebenen technischen Merkmale und Vorteile auch für die entsprechende Umsetzung in der Vorrichtung.The device can be used to carry out the method described above, in particular to form a welded connection between two components made of a fiber-reinforced plastic with carbon fibers. In this respect, the technical features and advantages described for the method also apply to the corresponding implementation in the device.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous configurations of the invention result from the dependent claims.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.The characteristics, features and advantages of this invention described above, and the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the exemplary embodiments. If the term "can" is used in this application, it is both the technical possibility and the actual technical implementation.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Veranschaulichung des Verfahrens
  • 2 eine Draufsicht auf einen beispielhaften Induktor
  • 3 eine perspektivische Darstellung einer Anpressrolle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • 4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung montiert an einem Linearsystem
  • 5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ortsfest in eine Anlage integriert ist.
Exemplary embodiments are explained below with reference to the enclosed drawings. Show in it:
  • 1 a schematic representation of a device according to the invention to illustrate the method
  • 2 a plan view of an exemplary inductor
  • 3 a perspective view of a pressure roller according to an embodiment of the invention
  • 4 a schematic representation of the device according to the invention mounted on a linear system
  • 5 a schematic representation of the device according to the invention, which is permanently integrated into a system.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Veranschaulichung des Verfahrens. Die Vorrichtung 10 weist einen Induktor 20 und eine Anpressvorrichtung 30 auf, die an einem gemeinsamen Grundkörper 40 angeordnet sind. Der Induktor 20 und die Anpressvorrichtung 30 sind benachbart zueinander angeordnet. Der Grundkörper 40 kann z.B. ein Bearbeitungskopf oder ein Gehäuse sein, das weitere Komponenten der Vorrichtung 10 beinhaltet, oder ein Schlitten zur Bewegung der Vorrichtung 10 entlang einer Linearachse.The 1 shows a schematic representation of a device according to the invention to illustrate the method. The device 10 has an inductor 20 and a pressing device 30 which are arranged on a common base body 40 . The inductor 20 and the pressing device 30 are arranged adjacent to one another. The base body 40 can be, for example, a processing head or a housing that contains further components of the device 10, or a carriage for moving the device 10 along a linear axis.

Die Vorrichtung 10 ist über einem Werkstück 50 angeordnet. Das Werkstück weist ein erstes Bauteil 52 und ein darüber angeordnetes zweites Bauteil 54 auf. In einem Fügebereich 56 zwischen dem ersten Bauteil 52 und dem zweiten Bauteil 54 soll eine stoffschlüssige Verbindung, z.B. in Form einer Schweiß- oder Klebeverbindung, ausgebildet werden. Des Weiteren können nicht dargestellte Schweißzusatzwerkstoffe oder Klebstoffe im Fügebereich 56 angeordnet sein. Die Bauteile 52, 54 sind auf einer nicht dargestellten Werkstückaufnahme angeordnet und fixiert.The device 10 is arranged over a workpiece 50 . The workpiece has a first component 52 and a second component 54 arranged above it. In a joining area 56 between the first component 52 and the second component 54, a material connection, e.g. in the form of a welded or glued connection, is to be formed. Furthermore, welding filler materials or adhesives (not shown) can be arranged in the joining area 56 . The components 52, 54 are arranged and fixed on a workpiece holder, not shown.

Der Induktor 20 ist als Flächeninduktor ausgebildet und wird im Wesentlichen parallel zur Werkstückoberfläche 58 angeordnet, d.h. mit einer Abweichung aus der Parallelen von weniger als 5 Grad. Der prinzipielle Aufbau eines Induktors ist dem Fachmann bekannt. In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Induktors dargestellt. Der Induktor 20 ist über eine Positioniervorrichtung 22 mit dem Grundkörper 40 verbunden. Die Positioniervorrichtung 22 ermöglicht ein Einstellen des Abstands A1 zwischen Induktor 20 und Werkstückoberfläche 58, dies ist in 1 durch den Doppelpfeil angedeutet. Die Einstellung des Abstands A1 kann z.B. mit einer Linearführung,servoelektrischen Motoren und/oder servopneumatischen Antrieben realisiert werden. Der Abstand A1 des Induktors 20 zur Bauteiloberfläche 58 liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0 mm und 50 mm.The inductor 20 is designed as a surface inductor and is arranged essentially parallel to the workpiece surface 58, ie with a deviation from the parallel of less than 5 degrees. The basic structure of an inductor is known to those skilled in the art. In 2 an embodiment of an inductor is shown. The inductor 20 is connected to the base body 40 via a positioning device 22 . The positioning device 22 allows adjusting the distance A1 between induct gate 20 and workpiece surface 58, this is in 1 indicated by the double arrow. The distance A1 can be set, for example, with a linear guide, servo-electric motors and/or servo-pneumatic drives. The distance A1 of the inductor 20 to the component surface 58 is preferably in a range between 0 mm and 50 mm.

Der Induktor 20 ist Teil eines (nicht dargestellten) Schwingkreises und kann durch einen Generator mit einem hochfrequenten Wechselstrom angeregt werden. Schwingkreis und Generator können Teil der Vorrichtung 10 sein und z.B. im Grundkörper 40 angeordnet sein, oder der Induktor 20 kann über (nicht dargestellte) Zuleitungen in den Schwingkreis eingebunden sein.The inductor 20 is part of an oscillating circuit (not shown) and can be excited by a generator with a high-frequency alternating current. The oscillating circuit and generator can be part of the device 10 and can be arranged in the base body 40, for example, or the inductor 20 can be integrated into the oscillating circuit via supply lines (not shown).

Die Anpressvorrichtung 30 umfasst ein Anpresselement in Form einer Anpressrolle 300 sowie eine Aufnahme 32, in der die Anpressrolle 300 gelagert ist und durch die die Anpressrolle 300 mit dem Grundkörper 40 verbunden ist.The pressing device 30 comprises a pressing element in the form of a pressing roller 300 and a receptacle 32 in which the pressing roller 300 is mounted and through which the pressing roller 300 is connected to the base body 40 .

Die Anpressrolle 300 ist benachbart zum Induktor 20 angeordnet. Der Abstand A2 zwischen Induktor 20 und Anpressrolle 300 beträgt vorzugsweise 10 mm oder weniger.The pressure roller 300 is arranged adjacent to the inductor 20 . The distance A2 between the inductor 20 and the pressure roller 300 is preferably 10 mm or less.

Zur Durchführung des Verfahrens wird die Vorrichtung 10 so über der Werkstückoberfläche 58 positioniert, dass die Anpressrolle 300 in Kontakt mit der Werkstückoberfläche 58 tritt. Der Abstand A1 zwischen Induktor 20 und Werkstückoberfläche 58 wird auf einen vorgegebenen Wert eingestellt.To carry out the method, the device 10 is positioned over the workpiece surface 58 in such a way that the pressure roller 300 comes into contact with the workpiece surface 58 . The distance A1 between the inductor 20 and the workpiece surface 58 is set to a predetermined value.

Mittels des Induktors 20 wird das Werkstück 50 erwärmt. Hierdurch bildet sich eine Erwärmungszone 60 im Werkstück 50 aus. Es erfolgt eine Relativbewegung zwischen Werkstück 50 und Vorrichtung 10 entlang des Fügebereichs 56, so dass sich die Erwärmungszone 60 entlang des Fügebereichs 56 ausbreitet. Die Ausbreitungsrichtung der Erwärmungszone 60, d.h. die Fügerichtung, ist in 1 durch den Pfeil 62 angedeutet.The workpiece 50 is heated by the inductor 20 . As a result, a heating zone 60 is formed in the workpiece 50 . A relative movement takes place between the workpiece 50 and the device 10 along the joining area 56 so that the heating zone 60 spreads out along the joining area 56 . The direction of propagation of the heating zone 60, ie the joining direction, is in 1 indicated by the arrow 62.

Zur Ausbildung der Fügeverbindung und Konsolidierung der Bauteile 52 und 54 wird der erwärmte Fügebereich im Werkstück 50 anschließend mit Druck beaufschlagt und abgekühlt.To form the joint connection and to consolidate the components 52 and 54, the heated joint area in the workpiece 50 is then pressurized and cooled.

Hierzu wird, wie in 1 zu erkennen ist, die Anpressrolle 300 mit einer Fügekraft bzw. Anpresskraft F auf das Werkstück 50 gepresst. Die Fügekraft F ist steuerbar und vorzugsweise regelbar. Die Fügekraft kann z.B. mittels einer vorgespannten Feder, servoelektrischen Motoren und/oder servopneumatischen Antrieben erzeugt werden.For this purpose, as in 1 it can be seen that the pressure roller 300 is pressed onto the workpiece 50 with a joining force or pressure force F. The joining force F can be controlled and preferably regulated. The joining force can be generated, for example, by means of a prestressed spring, servo-electric motors and/or servo-pneumatic drives.

Ebenfalls durch die Anpressrolle 300 erfolgt die Abkühlung des Werkstücks 50. Hierzu ist die Anpressrolle 300 als Kühlelement eingerichtet, dessen Temperatur aktiv verändert und eingestellt werden kann. Durch den Kontakt zwischen Anpressrolle 300 und Werkstückoberfläche 58 bildet sich eine Kühlzone 64 hinter der Erwärmungszone 60 aus. Aufgrund der Relativbewegung zwischen Werkstück 50 und Vorrichtung 10 wandern die Erwärmungszone 60 und die Kühlzone 64 entlang des Fügebereichs 56.The workpiece 50 is also cooled by the pressure roller 300. For this purpose, the pressure roller 300 is set up as a cooling element, the temperature of which can be actively changed and adjusted. A cooling zone 64 is formed behind the heating zone 60 as a result of the contact between the pressure roller 300 and the workpiece surface 58 . Due to the relative movement between workpiece 50 and device 10, the heating zone 60 and the cooling zone 64 migrate along the joining area 56.

2 zeigt eine Aufsicht auf den Induktor 20 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Der Induktor 20 ist als Flächeninduktor ausgeführt mit annähernd rechteckiger Fläche. Die Breite B des Induktors quer zur Fügerichtung 62 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 25 mm, die Länge L 35 mm. Der Induktor 20 ist aus einem Kupferhohlprofil 24 mit einem Rechteckquerschnitt von 3 mm mal 3 mm ausgeführt. Durch das Hohlprofil kann während des Verfahrens zur Kühlung des Induktors 20 ein Kühlmittel geleitet werden. Der Induktor 20 weist zwei spiralförmig angeordnete Windungen auf, die in einem Abstand von ca. 3 mm zueinander verlaufen. Alternativ kann der Induktor auch mit nur einer Windung ausgeführt werden. Aufgrund der Relativbewegung zwischen Induktor 20 und Werkstück 50 kann bereits mit nur einer Windung eine ausreichende induktive Erwärmung erzielt werden. Über die Anschlüsse 26 wird der Induktor 20 an den Schwingkreis und den Kühlmittelkreis angeschlossen. 2 12 shows a top view of the inductor 20 according to an exemplary embodiment. The inductor 20 is designed as a surface inductor with an approximately rectangular surface. In this exemplary embodiment, the width B of the inductor transversely to the joining direction 62 is 25 mm, and the length L is 35 mm. The inductor 20 is made from a copper hollow profile 24 with a rectangular cross section of 3 mm by 3 mm. A coolant can be conducted through the hollow profile during the method for cooling the inductor 20 . The inductor 20 has two windings which are arranged in a spiral and which run at a distance of approximately 3 mm from one another. Alternatively, the inductor can also be designed with just one turn. Due to the relative movement between the inductor 20 and the workpiece 50, sufficient inductive heating can be achieved with just one winding. The inductor 20 is connected to the resonant circuit and the coolant circuit via the connections 26 .

Zur Verringerung von Randzoneneffekten kann der Induktor auch mit einer runden Fläche ausgeführt werden, z.B. mit einem Außendurchmesser von 25 mm. Andere Materialien und Profilquerschnitte und andere Abmessungen sind je nach Einsatzzweck möglich bzw. angezeigt.To reduce edge zone effects, the inductor can also be designed with a round surface, e.g. with an outside diameter of 25 mm. Other materials and profile cross-sections and other dimensions are possible or indicated depending on the application.

3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Anpressrolle 300. Die Anpressrolle weist einen zylindrischen Körper 310 auf, an dessen Stirnseiten koaxial eine erste Achsen 320A und eine zweite Achse 320B angeordnet sind. Die Achsen dienen u.a. zur Lagerung der Anpressrolle 300 in der geeigneten Aufnahme 32. Die Achsen 320A und 320B sind als Hohlachsen mit jeweils einem Kanal 330 ausgebildet. Im Körper 310 der Anpressrolle 300 sind Kühlkanäle ausgebildet in Form eines ersten Ringkanals 340A und eines zweiten Ringkanals 340B, die untereinander durch mehrere Querkanäle 350 verbunden sind. Der erste Ringkanal 340A und der zweite Ringkanal 350 B weisen die gleichen Abmessungen auf und sind konzentrisch zu einer Mittenlängsachse 312 der Anpressrolle 300 angeordnet. Der erste Ringkanal 340A ist über einen Zuführkanal 360 mit dem Kanal 330 in der ersten Achse 320A verbunden und der zweite Ringkanal 340B ist über einen Abführkanal 370 mit dem Kanal der zweiten Achse 320B verbunden. Die im Inneren des Körpers 310 verlaufenden Kanäle sind in 1 strichliert dargestellt. 3 12 shows an exemplary embodiment of the pressure roller 300. The pressure roller has a cylindrical body 310, on the end faces of which a first axis 320A and a second axis 320B are arranged coaxially. The axles are used, among other things, to mount the pressure roller 300 in the suitable mount 32. The axles 320A and 320B are designed as hollow axles, each with a channel 330. FIG. Cooling channels are formed in the body 310 of the pressure roller 300 in the form of a first ring channel 340A and a second ring channel 340B, which are connected to one another by a plurality of transverse channels 350 . The first annular channel 340A and the second annular channel 350B have the same dimensions and are arranged concentrically to a central longitudinal axis 312 of the pressure roller 300 . The first annular duct 340A is connected via a supply duct 360 to the duct 330 in the first axis 320A and the second annular duct 340B is connected via a discharge duct 370 to the duct connected to the second axis 320B. The channels running inside the body 310 are in 1 shown dashed.

Durch diesen Kanalverbund kann ein Kühlmittel, z.B. ein Gas oder eine Flüssigkeit, quer durch die Rolle 300 geleitet werden. Das Kühlmittel wird über die erste Achse 340A zugeführt, fließt über den Zuführkanal 360 in den ersten Ringkanal 340A, über die Querkanäle 350 weiter den zweiten Ringkanal 340B und verlässt die Anpressrolle über den Abführkanal 370 durch den Kanal in der zweiten Achse 320B. Die Zuführung bzw. Abführung des Kühlmittels an den Achsen 320A und 320B kann z.B. über drehbare Schlauchanschlüsse realisiert sein.A coolant, e.g. The coolant is supplied via the first axis 340A, flows via the supply channel 360 into the first annular channel 340A, via the transverse channels 350 further into the second annular channel 340B and leaves the pressure roller via the discharge channel 370 through the channel in the second axis 320B. The supply or discharge of the coolant to the axes 320A and 320B can be implemented, for example, via rotatable hose connections.

Die Anpressrolle 300 besteht vorzugsweise aus austenitischem Edelstahl und kann z.B. mittels Rapid Prototyping hergestellt werden. Der Durchmesser D der Anpressrolle 300 beträgt vorzugsweise 35 mm bis 45 mm und kann insbesondere 40 mm betragen. Die Breite BR der Anpressrolle 300 ist abhängig von der Breite der zu erzeugenden Fügeverbindung und kann z.B. 10 mm bis 30 mm oder z.B. 20 mm betragen. Vorzugsweise ist die Breite BR der Anpressrolle 300 breiter als die Breite B des Induktors 20, z.B. 1 mm bis 10 mm breiter als die Induktorbreite. Die Anpressrolle kann ebenso auch mit anderen Abmessungen, z.B. kleineren Abmessungen technisch umgesetzt werden.The pressure roller 300 is preferably made of austenitic stainless steel and can be manufactured, for example, by means of rapid prototyping. The diameter D of the pressure roller 300 is preferably 35 mm to 45 mm and can in particular be 40 mm. The width BR of the pressure roller 300 depends on the width of the joint to be produced and can be 10 mm to 30 mm or 20 mm, for example. Preferably, the width BR of the pressure roller 300 is wider than the width B of the inductor 20, e.g., 1 mm to 10 mm wider than the inductor width. The pressure roller can also be technically implemented with other dimensions, e.g. smaller dimensions.

Die Temperatur der Anpressrolle 300 kann über den Volumenstrom des Kühlmediums und/oder die Temperatur des Kühlmediums beeinflusst werden. The temperature of the pressure roller 300 can be influenced via the volume flow of the cooling medium and/or the temperature of the cooling medium.

Hierzu wird die Anpressrolle 300 über Zuleitungen mit entsprechenden Komponenten verbunden, wie z.B. einem Vorratsbehälter für das Kühlmedium, einer Temperiervorrichtung zur Steuerung der Kühlmitteltemperatur und einer Pumpe. Diese Komponenten können in die Vorrichtung 10 integriert sein.For this purpose, the pressure roller 300 is connected via feed lines to corresponding components, such as a storage tank for the coolant, a temperature control device for controlling the coolant temperature, and a pump. These components can be integrated into the device 10 .

Während des Fügeverfahrens wird die Abkühlrate der Bauteile 52 und 54 aktiv geführt, insbesondere geregelt. Hierzu ist eine (nicht dargestellte) Temperaturerfassungsvorrichtung vorgesehen, z.B. in Form von Thermoelementen, einem Pyrometer etc. Die Temperaturdaten werden mittels einer Kontrollvorrichtung 70 (siehe 1) ausgewertet und die entsprechenden Regelvorgaben für die Erreichung der gewünschten Abkühlrate bestimmt und weitergegeben, z.B. an die Temperiervorrichtung bzw. die Pumpe.During the joining process, the cooling rate of the components 52 and 54 is actively controlled, in particular regulated. A temperature detection device (not shown) is provided for this purpose, for example in the form of thermocouples, a pyrometer, etc. The temperature data are recorded by means of a control device 70 (see 1 ) is evaluated and the corresponding control specifications for achieving the desired cooling rate are determined and passed on, e.g. to the temperature control device or the pump.

Die Kontrollvorrichtung 70 kann in die Vorrichtung 10 integriert sein oder mit dieser verbunden (drahtlos oder drahtgebunden) sein, angedeutet durch die strichlierte Darstellung in 1. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Kontrollvorrichtung 70 auch zur Steuerung bzw. Regelung des Abstands A zwischen Induktor 20 und Bauteiloberfläche 58 sowie zur Steuerung bzw. Regelung des Anpressdrucks F. Die Kontrollvorrichtung 70 kann ebenso auch die Relativbewegung zwischen Werkstück 50 und Vorrichtung 10 steuern.The control device 70 can be integrated into the device 10 or connected to it (wireless or wired), indicated by the dashed representation in FIG 1 . In a preferred exemplary embodiment, the control device 70 is also used to control or regulate the distance A between the inductor 20 and the component surface 58 and to control or regulate the contact pressure F. The control device 70 can also control the relative movement between the workpiece 50 and the device 10 .

Die Relativbewegung zwischen Werkstück 50 und Vorrichtung 10 kann auf verschiedene Arten realisiert werden, z.B. kann das Werkstück 50 bewegt werden oder die Vorrichtung 10 oder es kann eine kombinierte Bewegung sowohl des Werkstücks 50 als auch der Vorrichtung 10 erfolgen. 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei der die Vorrichtung 10 über das Werkstück 50 bewegt wird und 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei der die Vorrichtung 10 ortsfest angeordnet ist.The relative movement between the workpiece 50 and the device 10 can be realized in various ways, for example the workpiece 50 can be moved or the device 10 or a combined movement of both the workpiece 50 and the device 10 can take place. 4 illustrates an embodiment in which the device 10 is moved over the workpiece 50 and 5 shows an embodiment in which the device 10 is arranged in a stationary manner.

Zur Vermeidung einer Wiederholung sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.To avoid repetition, the same components are provided with the same reference numbers.

Das Werkstück 50 ist auf einer Bauteilaufnahme 51 angeordnet und mittels Spannelementen 59 auf dieser befestigt. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 40 der Vorrichtung 10 an einem zweiachsigen Linearsystem 80 befestigt. Die Vorrichtung 10 kann an einer ersten Linearachse 82 senkrecht zur Bauteiloberfläche verfahren werden und an einer zweiten Linearachse 84 in Fügerichtung 62 verfahren werden. Alternativ kann auch ein mehrachsiges Linearsystem verwendet werden, mit z.B. drei oder mehr Achsen.The workpiece 50 is arranged on a component holder 51 and fastened to it by means of clamping elements 59 . At the in 4 In the embodiment shown, the base body 40 of the device 10 is attached to a two-axis linear system 80 . The device 10 can be moved perpendicularly to the component surface on a first linear axis 82 and can be moved in the joining direction 62 on a second linear axis 84 . Alternatively, a multi-axis linear system can also be used, for example with three or more axes.

Der Induktor 20 ist in dieser Ausführungsform über (nicht dargestellte) flexible Anschlüsse, wie z.B. Schlauchkabel, in den Schwingkreis eingebunden.In this embodiment, the inductor 20 is integrated into the resonant circuit via flexible connections (not shown), such as hose cables.

Zur Bewegung der Vorrichtung 10 entlang der Fügerichtung 62 kann z.B. die Anpressrolle 300 angetrieben werden oder das Linearsystem 80 kann motorisch angetrieben sein.To move the device 10 along the joining direction 62, the pressure roller 300 can be driven, for example, or the linear system 80 can be motor-driven.

In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform wird die Vorrichtung an einem Gelenkarm-Roboter, insbesondere einem 5- oder 6-Achs-Roboter befestigt und von diesem bewegt. Dies ermöglicht weitere Freiheitsgrade und damit das Abfahren auch dreidimensionaler Schweißnaht- bzw. Fügeverläufe.In an alternative embodiment that is not shown, the device is attached to an articulated arm robot, in particular a 5- or 6-axis robot, and is moved by it. This enables further degrees of freedom and thus also the following of three-dimensional weld seam or joint profiles.

5 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die Vorrichtung 10 ortsfest angeordnet ist. Hierzu ist der Grundkörper 40 der Vorrichtung 10 an einem Gestell 42 befestigt. Die Relativbewegung zwischen Werkstück 50 und Vorrichtung 10 wird durch ein mehrachsiges Linearsystem 90 realisiert. Eine erste Achse 92 ermöglicht eine Bewegung des Werkstücks 50 quer zur Fügerichtung, eine zweite Achse 94 die Bewegung senkrecht zur Bauteiloberfläche und eine dritte Achse 96 eine Bewegung entlang der Fügerichtung 62. In dieser Ausführungsform kann auf flexible und lange Anschlüsse wie z.B. Schlauchkabel für den Anschluss des Induktors an den Schwingkreis verzichtet werden. Hierdurch können höhere Frequenzen realisiert werden und es kann die Prozesssicherheit verbessert werden. 5 Figure 11 illustrates an embodiment in which the device 10 is stationary. For this purpose, the base body 40 of the device 10 is attached to a frame 42 . The relative movement between workpiece 50 and device 10 is implemented by a multi-axis linear system 90 . A first axis 92 allows movement of the Workpiece 50 transverse to the joining direction, a second axis 94 the movement perpendicular to the component surface and a third axis 96 a movement along the joining direction 62. In this embodiment, flexible and long connections such as hose cables for connecting the inductor to the oscillating circuit can be dispensed with. As a result, higher frequencies can be realized and process reliability can be improved.

Die Linearsysteme 80, 90 können zusätzlich über zumindest eine Drehachse verfügen.The linear systems 80, 90 can also have at least one axis of rotation.

Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.The exemplary embodiments are not drawn to scale and are not limiting. Modifications within the scope of professional action are possible.

Claims (14)

Verfahren zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Bauteilen (52, 54) mit den Schritten: - Erwärmen eines Fügebereichs (56) mittels eines Induktors (20), wobei im Fügebereich (56) zumindest ein elektrisch leitfähiger Werkstoff vorhanden ist, - Aufbringen eines Fügedrucks (F) auf den Fügebereich (56) mittels einer Anpressvorrichtung (30) mit zumindest einem Anpresselement (300), wobei das Anpresselement (300) aktiv gekühlt wird zur Abkühlung der Bauteile (52, 54) und die Abkühlrate der Bauteile (52, 54) mittels der Temperatur des Anpresselements (300) geregelt wird.Method for producing an integral connection between components (52, 54) with the steps: - heating of a joining area (56) by means of an inductor (20), wherein at least one electrically conductive material is present in the joining area (56), - Application of a joining pressure (F) to the joining area (56) by means of a pressing device (30) with at least one pressing element (300), the pressing element (300) being actively cooled to cool the components (52, 54) and the cooling rate of the components (52, 54) is regulated by means of the temperature of the pressing element (300). Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem zur aktiven Kühlung des Anpresselements (300) ein Kühlmedium durch das Anpresselement (300) geleitet wird.procedure after Claim 1 , in which a cooling medium is passed through the pressing element (300) for active cooling of the pressing element (300). Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem der Volumenstrom des Kühlmediums und/oder die Temperatur des Kühlmediums als Stellgröße der Regelung verwendet wird.procedure after Claim 1 or 2 , in which the volume flow of the cooling medium and/or the temperature of the cooling medium is used as the control variable. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, bei dem der Induktor (10) mit einer Frequenz von 500 kHz oder größer angeregt wird.Procedure according to one of patent claims 1 until 3 , in which the inductor (10) is excited at a frequency of 500 kHz or greater. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, bei dem die Erwärmung des Fügebereichs (56) geregelt wird.Procedure according to one of patent claims 1 until 4 , in which the heating of the joining area (56) is regulated. Vorrichtung zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Bauteilen, mit: - einem Induktor (20), - einer Anpressvorrichtung (30) mit zumindest einem Anpresselement (300), wobei das Anpresselement (300) weiterhin als aktives Kühlelement ausgebildet ist und einer Kontrollvorrichtung (70), die eingerichtet ist zur Regelung einer Abkühlrate der Bauteile mittels Temperierung des Anpresselements (300).Device for creating a material connection between components, with: - an inductor (20), - a pressing device (30) with at least one pressing element (300), wherein the pressing element (300) is also designed as an active cooling element and a control device (70) which is set up to regulate a cooling rate of the components by means of temperature control of the pressing element (300). Vorrichtung nach Patentanspruch 6, bei der in dem Anpresselement (300) Kühlkanäle (340A, 340B, 350) ausgebildet sind zur Durchleitung eines Kühlmediums.device after claim 6 , in which cooling channels (340A, 340B, 350) are formed in the pressing element (300) for the passage of a cooling medium. Vorrichtung nach Patentanspruch 7, bei der die Kühlkanäle als zwei Ringkanäle (340A, 340B) ausgebildet sind, die miteinander durch eine Vielzahl von Querkanälen (350) verbunden sind.device after Claim 7 , in which the cooling channels are designed as two annular channels (340A, 340B) which are connected to one another by a multiplicity of transverse channels (350). Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 6 bis 8, bei der das Anpresselement (300) eine Anpressrolle ist.Device according to one of patent claims 6 until 8th , in which the pressure element (300) is a pressure roller. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 6 bis 9, wobei das Anpresselement (300) eine Anpressrolle aus einem nicht magnetischem Metall bzw. einer nicht magnetischen Metalllegierung ist, insbesondere aus Edelstahl mit einem austenitischen Gefügeanteil.Device according to one of patent claims 6 until 9 , wherein the pressure element (300) is a pressure roller made of a non-magnetic metal or a non-magnetic metal alloy, in particular made of stainless steel with an austenitic microstructure. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 6 bis 10, wobei die Kontrollvorrichtung weiterhin eingerichtet ist zur Regelung des Erwärmungsvorgangs.Device according to one of patent claims 6 until 10 , wherein the control device is further set up to regulate the heating process. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 6 bis 11, wobei die Anpressvorrichtung (30) ein einziges Anpresselement in Form einer Anpressrolle (300) aufweist, die benachbart zum Induktor angeordnet ist.Device according to one of patent claims 6 until 11 , wherein the pressing device (30) comprises a single pressing element in the form of a pressing roller (300) which is arranged adjacent to the inductor. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 6 bis 12, die an einer zumindest einachsigen Linearführung (80) angeordnet ist zur Bewegung der Vorrichtung (10) entlang der Bauteile (52, 54) oder die an einem Gelenkarm-Roboter, insbesondere einem 5- oder 6-Achs-Roboter angeordnet ist.Device according to one of patent claims 6 until 12 which is arranged on an at least one-axis linear guide (80) for moving the device (10) along the components (52, 54) or which is arranged on an articulated arm robot, in particular a 5- or 6-axis robot. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 6 bis 13, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 5 verwendet wird.Device according to one of patent claims 6 until 13 Which are used to carry out a method according to one of patent claims 1 until 5 is used.
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