DE60314718T2

DE60314718T2 - Verfahren zum widerstandsschweissen mit zwischenmaterial ohne träger sowie zwischenmaterial

Info

Publication number: DE60314718T2
Application number: DE60314718T
Authority: DE
Inventors: Gianfranco Troy GABBIANELLI; Richard D. Gaylord ASHLEY; Victor J. Malczewski
Original assignee: Magna International Inc
Current assignee: Magna International Inc
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2003-01-13
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2023-01-14
Also published as: JP4409953B2; JP2005515073A; CA2471353A1; AU2003207523A1; CN100406186C; DE60314718D1; US20020100746A1; KR100985276B1; CN1697718A; US6713707B2; EP1463601B1; WO2003059565A1; KR20040073558A; EP1463601A1; CA2471353C

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen gemäß dem Obergriff des Anspruchs 1 und eine dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft das Schweißen röhrenförmiger Elemente.
Hintergrund der Erfindung
Schweißvorgänge werden in vielen Industrieanwendungen verwendet, wie etwa der Fahrzeugherstellung in Fahrzeugmontagelinien. Um bestimmte Schweißverbindungen auszubilden, muss eine gewünschte Menge an Schweißmaterial zwischen den Oberflächen der schweißbaren Elemente, an denen die Verbindungsstelle ausgebildet werden soll, angeordnet und dann erhitzt werden. Diese Art des Verbindens ist schwierig auszubilden, wenn die schweißbaren Elemente röhrenförmig sind, da der Zugang zu den zu schweißenden Oberflächen schwierig wird.
Röhren-Hydroformtechnologie wird zunehmend in der Industrie verwendet, insbesondere in der Automobilindustrie. Hydroformtechnologie bietet viele Vorteile für die Herstellung von Automobilrahmen bzw. -karosserien, aber die Verwendung von herkömmlichen Schweißverfahren zum Schweißen von röhrenförmigen Komponenten ist schwierig und kann zu Zeit- und Kostenineffizienzen führen.
Das Dokument US 2001/0019039 A1 offenbart ein Schweißmaterial, das in einem elektrisch leitenden Verhältnis zwischen Außenflächenabschnitten von ersten und zweiten schweißbaren Elementen, wie etwa hydrogeformten Röhren, an einem Ort, an dem das erste und das zweite Element verbunden werden sollen, angeordnet ist. Eine Schweißvorrichtung umfasst eine erste und eine zweite Elektrode oder ein erstes und ein zweites leitendes Ende, das sich entlang im wesentlichen der gesamten Erstreckung einer ersten Seite des ersten bzw. des zweiten Elements erstreckt. Das erste und das zweite leitende Ende umfassen erste und zweite konkave Ausnehmungen, die an dem ersten bzw. dem zweiten schweißbaren Element ruhen. Ein elektrischer Strom wird über das erste und das zweite schweißbare Element mittels des ruhenden ersten und des ruhenden zweiten leitenden Endes beaufschlagt, so dass der angelegte Strom das Schweißmaterial schmilzt und dadurch die Außenflächenabschnitte miteinander verschweißt. Die Schweißvorrichtung kann an einem Robotermechanismus montiert werden, der die Schweißvorrichtung zwischen einer ersten und einer zweiten Schweißposition bewegen kann.
Zusammenfassung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Schweißen von röhrenförmigen Elementen bereitzustellen, das die Schritte des Bereitstellens eines ersten und eines zweiten röhrenförmigen Elements, wobei sowohl das erste als auch das zweite röhrenförmige Element jeweils eine Außenfläche aufweist, des Bereitstellens einer Mehrzahl von Schweißmaterialelementen, wobei jedes der Schweißmaterialelemente aus einem elektrisch-leitenden Metallschweißmaterial hergestellt ist, das dazu in der Lage ist, sich in einem eine Schweißnaht bildenden Verhältnis mit dem ersten und dem zweiten röhrenförmigen Element zu binden, des Schweißens jedes der Mehrzahl von Schweißmaterialelementen auf das erste röhrenförmige Element, so dass jedes der Mehrzahl von Schweißmaterialelementen in einer vorbestimmten Position auf dem ersten röhrenförmigen Element verbleibt, bevor es in Kontakt mit dem zweiten röhrenförmigen Element ist, des Anordnens des zweiten röhrenförmigen Elements neben dem ersten röhrenförmigen Element, wobei die Mehrzahl von Schweißmaterialelementen in einem einen Strom übertragenden Verhältnis zwischen den jeweiligen Außenflächen des ersten und des zweiten röhrenförmigen Elements angeordnet ist, und des Beaufschlagens eines elektrischen Stroms über das erste und das zweite röhrenförmige Element umfasst, so dass der angelegte Strom durch die jeweiligen Außenflächen des ersten und des zweiten röhrenförmigen Elements und jedes der Mehrzahl von Schweißmaterialelementen, die zwischen dem ersten und dem zweiten röhrenförmigen Element angeordnet sind, fließt, um die entsprechenden Außenflächen des ersten und des zweiten röhrenförmigen Elements zusammenzuschweißen.
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den beiliegenden Zeichnungen und den angefügten Ansprüchen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beiliegenden Zeichnungen vereinfachen das Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen dieser Erfindung.
1 ist eine Querschnittsansicht einer Schweißvorrichtung und eines Schweißverfahrens gemäß den Prinzipien der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Perspektivansicht einer Schweißmaterialanordnung, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung hergestellt ist und an einem ersten schweißbaren Element montiert ist.
3 ist eine Perspektivansicht ähnlich der in 2, die aber ein zweites schweißbares Element darstellt, das an dem ersten schweißbaren Element angeordnet ist.
4 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie 4-4 in 3 und zeigt die zwischen dem ersten schweißbaren Element und einem zweiten schweißbaren Element vor der Verbindungsausbildung angeordnete Schweißmaterialanordnung und zeigt eine schematisch wiedergegebene Widerstandsschweißvorrichtung, die mit den Schweißelementen in Eingriff befindlich ist.
5 ist eine Ansicht ähnlich zu 4, außer dass sie das erste und das zweite Schweißelement nach der Verbindungsausbildung zeigt.
6 zeigt eine Perspektivansicht eines Karosserierahmens für ein Kraftfahrzeug, der Verbindungsstellen umfasst, die gemäß eines Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt Schweißmaterialelemente 14 und ein schweißbares Element 18. Zusätzlich ist eine Buckelschweißvorrichtung allgemein mit 301 bezeichnet. Wie ersichtlich wird, kann eine Mehrzahl von Schweißmaterialelementen 14 an eine Außenfläche 20 des schweißbaren Elements 18 haftverbunden werden, wo eine Schweißverbindung mittels eines Schweißvorgangs auszubilden ist, und ein zusätzliches schweißbares Element 22, wie in 3 zu erkennen ist, kann in einer berührenden überlappenden Position relativ zu dem Schweißmaterialelementen 14 und dem schweißbaren Element 18 angeordnet sein, so dass die Schweißmaterialelemente 14 zwischen den Oberflächen der schweißbaren Elemente 18 und 22 angeordnet sein können. Dann, nach dem Schweißvorgang, sind die schweißbaren Elemente 18 und 22 an der Verbindung zwischen den zwei Elementen 18 und 22 durch die Verwendung der Schweißmaterialelemente 14 verbunden, wie in 5 zu erkennen ist.
Jedes Schweißmaterialelement 14 ist aus einem elektrisch leitenden Metallschweißmaterial hergestellt, das dazu in der Lage ist, zu schmelzen, wenn es durch Beaufschlagen eines geeigneten elektrischen Stroms erhitzt wird. Außerdem ist jedes Schweißmaterialelement 14 dazu vorgesehen, in einem elektrisch leitenden Verhältnis zwischen den Außenflächenabschnitten 20 und 24 des ersten bzw. des zweiten Schweißelements 18 bzw. 22 an einem Ort angeordnet zu werden, an dem das erste und das zweite Schweißelement 18 und 22 verbunden werden sollen. Die Schweißverbindung wird ausgebildet, indem mindestens ein Schweißmaterialelement 14, das aus einem Metallschweißmaterial hergestellt ist, das verschieden von dem zum Herstellen jedes der schweißbaren Elemente 18, 22 verwendeten Metallschweißmaterial ist, zwischen den entsprechenden zu verbindenden Außenflächen 20, 24 angeordnet wird.
Die für jedes Schweißmaterialelement 14 ausgewählte Größe und Form hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der zur Herstellung der schweißbaren Elemente 18 und 22 verwendeten Materialien, des zur Herstellung der Schweißmaterial elemente 14 verwendeten Materials und der Größe und Form des Verbindungsbereichs zwischen den zwei schweißbaren Elementen (d.h. der Größe und Form der überlappenden Flächenbereiche der zwei schweißbaren Elemente 18 und 22). Falls die Schweißmaterialelemente 14 dazu vorgesehen sind, mittels Schweißen an dem schweißbaren Element 18 angebracht zu werden, können die Eigenschaften des Schweißmaterialelements 14 teilweise von den Möglichkeiten und Beschränkungen der Buckelschweißvorrichtung 301 zum Anbringen des schweißbaren Elements 18 abhängen. Einige Eigenschaften des Schweißmaterialelements 14 können auch von der Schweißvorrichtung 28 abhängen, die die schweißbaren Elemente 18 und 22 letztendlich verschweißt. Jedes Schweißmaterialelement 14 ist als kreisförmige Scheibe gezeigt, aber kann eine geeignete gewünschte Form aufweisen.
Wie erwähnt, wird vorgeschlagen, ein einzelnes Schweißmaterialelement 14 bereitzustellen, das an einem Element 18 angebracht ist. Eine Reihe von breiten dünnen Formen (z.B. eine große X-Form) des Schweißmaterialelements 14 wird für Anwendungsfälle vorgeschlagen, in denen nur ein Schweißmaterialelement 14 an dem Element 18 montiert ist. Vorzugsweise eine Mehrzahl von Schweißmaterialelementen 14, wobei jedes die Form einer kleinen dünnen Scheibe aufweist, ist an dem Element 18 angebracht, wie in 2 dargestellt ist. Die dünne, einen geringen Durchmesser aufweisende Scheibenform ermöglicht unmittelbar diskrete lokalisierte Bereiche mit elektrischem Stromfluss zwischen den schweißbaren Elementen 18, 22, was das Schmelzen der Elemente 14 vereinfacht.
Ein bevorzugtes Schweißmaterial für die Schweißmaterialelemente 14 ist rostfreier Stahl in dem Anwendungsfall, in dem die schweißbaren Elemente 18, 22 aus einem weicheren Stahl wie etwa Kohlenstoffstahl hergestellt sind, der bevorzugt ist. Es wird jedoch vorgeschlagen, eine weite Reihe von Metallschweißmaterialien zur Herstellung der Schweißmaterialelemente 14 zu verwenden und die Elemente 14 dazu zu verwenden, Schweißverbindungen zwischen den schweißbaren Elementen 18 und 22 auszubilden, die auch aus anderen Materialien hergestellt sind, wie etwa Aluminium.
Das Schweißmaterial, das zur Herstellung jedes Schweißmaterialelements 14 verwendet wird, sollte einen größeren Widerstand aufweisen (d.h. einen größeren Widerstand gegen den Fluss eines elektrischen Stroms aufweisen) und einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Metallmaterial aufweisen, das zur Herstellung jedes der schweißbaren Elemente 18, 22 verwendet wird.
Mindestens eines und vorzugsweise eine Mehrzahl von Schweißmaterialelementen 14 ist mit dem schweißbaren Element 18 haftverbunden, um später zwischen den zu verbindenden (d.h. zusammenzuschweißenden) Oberflächen 20, 24 angeordnet zu werden. Vorzugsweise werden diese Schweißmaterialelemente 14 angeordnet, um die Verbindungsfestigkeit zu maximieren und die Verbindungsausbildung zu optimieren. In der dargestellten Ausführungsform ist jedes Schweißmaterialelement 14 ein scheibenförmiges Element mit kleinem Durchmesser, wie in den 1 bis 3 dargestellt ist, aber es ist selbstverständlich, dass ein breiter Bereich von Formen und Größen der Schweißmaterialelemente 14 denkbar ist.
Die Schweißmaterialelemente 14 sind an einem schweißbaren Stützelement 18 an einer bestimmten Position angebracht, so dass jedes Schweißmaterialelement 14 auf dem schweißbaren Element 18 an seinem Platz bleibt, bis das zweite schweißbare Element 22 über dem schweißbaren Element 18 und auf dem Schweißmaterialelement 14 angeordnet ist. Diese An bringung der Schweißmaterialelemente 14 mittels jedes geeigneten Anbringungsverfahrens auftreten, wie das Verwenden von Klebstoffen, mechanischen Befestigungselementen oder Schweißen. In der dargestellten Ausführungsform wird die Anbringung der schweißbaren Elemente 14 mittels Schweißen ausgeführt, wie etwa Liquid-Transient-Schweißen, und mittels Verwenden der Schweißvorrichtung 301. Wie in 1 dargestellt ist, ist der dargestellte Vorgang auf jedes einer Mehrzahl von Schweißmaterialelementen 14 gerichtet, die individuell an der Oberfläche 20 befestigt sind, die mittels einer Schweißmaterialelementschweißvorrichtung 300 zu schweißen ist, die eine Widerstandsschweißvorrichtung 301, eine Schweißelementzuführung 312, einen Kraftbeaufschlagungsmechanismus 314 und einen Roboterarm 316 umfasst. Die Schweißanordnung 300 kann ähnlich zu Bolzenschweißvorrichtungen sein, wie etwa dem Warren Stud Welding System (Serien SKK 140 oder SKK 210), das von Emhart Fastening Technologies hergestellt wird und das eine Schweißregelung der TMP Serie, eine Bolzenzuführung der 36000 Serie und einen Schweißkopf oder Schweißpistole umfasst. Die Schweißanordnung 300 kann außerdem ähnlich zu dem WELDFAST System zum Schweißen von Klammern und Klipps sein, das ebenfalls von Emhart Fastening Technologies hergestellt wird.
Es ist denkbar, dass der in 1 dargestellte Widerstandsschweißvorgang automatisch oder manuell ausgeführt werden kann. Wenn er automatisch ausgeführt wird, regelt ein Regler 310, wie er im Stand der Technik allgemein bekannt ist, die Schweißanordnung 300 und Schweißvorrichtung 301.
Wie schematisch in 1 dargestellt ist, umfasst die Widerstandsschweißvorrichtung 301 eine Schweißelementstützstruktur 302 an einem Ende davon. Häufig weist die Schweißelementstützstruktur 302 die Form einer Hülse oder eines Futters auf, das dazu in der Lage ist, einen Umfang des Schweißmaterialelements 14 auf eine ähnliche Weise aufzunehmen und festzuklemmen, wie sie allgemein im Stand der Technik bei Bolzenschweißen bekannt ist. Die Schweißelementstützstruktur 302 ist dazu hergestellt und angeordnet, den Umfang jedes Schweißmaterialelements 14 relativ fest festzuklemmen und relativ zu dem schweißbaren Element 18 bewegbar zu sein, um dadurch das Schweißmaterialelement 14 in Kontakt mit der zu schweißenden Oberfläche 20 zu bewegen. Jedes Schweißelement 14 würde an der Stützstruktur 302 mittels einer Stückzuführung 312 positioniert sein, die eine große Anzahl an Schweißmaterialelementen 14 halten kann und dann ein einzelnes Stück oder ein einzelnes Schweißmaterialelement 14 der Stützstruktur 302 auf eine Weise zuführen kann, die im wesentlichen ähnlich der Zuführung von einzelnen Bolzen in einer Bolzenschweißvorrichtung ist. Ein geeigneter Kraftbeaufschlagungsmechanismus 314 kann sich bewegen und das Schweißmaterialelement 14 während des Schweißens mit einer ausreichenden Kraft gegen das schweißbare Element 18 beaufschlagen.
Es ist denkbar, dass für einen automatisierten Vorgang die Buckelschweißvorrichtung 301 an einem Roboterarm 316 oder an einem anderen automatisierten Bewegungssystem angebracht sein kann oder dass für einen manuellen Vorgang die Buckelschweißvorrichtung 301 eine tragbare Vorrichtung sein kann.
In jedem Fall wird die Buckelschweißvorrichtung 301, wie in 1 dargestellt ist, benachbart zu einem gewünschten Ort in Position gebracht, an dem ein an der Oberfläche 20 anzuordnendes Schweißmaterialelement 14 geschweißt werden soll. Die Schweißvorrichtung 301 bewegt sich dann zusammen mit dem in seiner Stützung 302 befindlichen Schweißmaterialelement 14 in Richtung der zu schweißenden Oberfläche 20. In einem Punkt, in dem das Schweißmaterialelement 14 im we sentlichen in Kontakt mit der zu schweißenden Oberfläche 20 ist, wird ein Strom über das Schweißmaterialelement 14 zwischen der Buckelschweißvorrichtung 301 (insbesondere der Schweißelementstützstruktur 302) und dem schweißbaren Element 18 angelegt. Der Strom bewirkt, dass sich das Schweißmaterialelement 14 mit dem schweißbaren Element 18 an einem Punkt des größten Widerstands verbindet (durch Liquid-Transient-Schweißen), d.h. dem Schnittpunkt zwischen der zu schweißenden Oberfläche 20 und dem Schweißmaterialelement 14, wie in 1 dargestellt ist. Um die Schritte zu zeigen, zeigt 1 auf der rechten Seite ein Schweißmaterialelement 14, das an die Oberfläche 20 geschweißt ist, ein mittleres Schweißmaterialelement 14 zwischen der Oberfläche 20 und der Stützstruktur 302, das gerade geschweißt wird, und ein linkes Schweißmaterialelement 14, das noch zu schweißen ist und z.B. mittels der Zuführung 312 zuzuführen wäre.
Die Schweißmaterialelemente 14 können an dem schweißbaren Element 18 in jeder gewünschten Anordnung befestigt sein. 2 zeigt eine solche Anordnung. Andere Anordnungen sind natürlich möglich, solange genügend schweißbares Material vorhanden ist, um eine genügend starke geschweißte Verbindung auszubilden (z.B. liegen die Schweißmaterialelemente 14 in genügender Anzahl und Größe vor).
Um eine Verbindung gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung auszubilden, werden die Schweißmaterialelemente 14 mit dem hydrogeformten Element 18 in einer gewünschten Anordnung verbunden. Das zweite schweißbare Element 22 wird dann in einem berührenden überlappenden Verhältnis mit den Schweißmaterialelementen 14 angeordnet, so dass die Schweißmaterialelemente 14 zwischen und in leitend berührendem Verhältnis zu den zu verbindenden schweißbaren Ele menten 18, 22 angeordnet sind, wie in den 3 und 4 dargestellt ist.
Das Schweißverfahren kann anhand der 1 bis 5 verstanden werden. 2 zeigt Schweißmaterialelemente 14, die an einem Außenflächenabschnitt 20 des ersten schweißbaren Elements 18 montiert sind, das in Form eines röhrenförmigen Elements dargestellt ist. 3 zeigt ein erstes schweißbares Element 22 in der Form eines zweiten röhrenförmigen Elements, das in einem überlappenden Verhältnis zu dem ersten schweißbaren Element 18 angeordnet ist, wobei die Schweißmaterialelemente 14 dazwischen angeordnet sind. Die schweißbaren Elemente 18 und 22 sollen eine allgemeine Wiedergabe zweier Elmente sein, die unter Verwendung von Schweißmaterialelementen 14 auf eine nachfolgend beschriebene Weise zusammengeschweißt werden können. Obwohl die Elemente 18 und 22 hydrogeformte Röhren sein können, können die röhrenförmigen Elemente 18 und 22, die hier dargestellt sind, durch jedes geeignete Verfahren ausgebildet sein. Obwohl die Elemente 18 und 22 als röhrenförmig mit geschlossenen Querschnitten dargestellt sind, sind auch andere Formen und Konfigurationen der Elemente 18 und 22 zulässig einschließlich röhrenförmigen Konfigurationen mit offenen Querschnitten und nicht-röhrenförmigen Konfigurationen. Wie ersichtlich wird, werden die beispielhaften Elemente 18 und 20 dazu verwendet, den Schweißvorgang darzustellen, und sind Abschnitte von individuell hydrogeformten Elementen, die miteinander verbunden sind, um einen Teil eines Rahmentragwerks auszubilden, wie in 5 dargestellt ist. Ein modifiziertes Widerstandsschweißgerät oder -schweißvorrichtung, die allgemein mit 28 bezeichnet ist, ist schematisch in 4 in Eingriff mit den schweißbaren Elementen 18, 22 dargestellt. 5 zeigt die schweißbaren Elemente 18 und 22 nach der Verbindungsausbildung.
Der in den 4 und 5 dargestellte Schweißvorgang ist eine Ableitung des Widerstandsschweißens und verwendet transientes Binden der flüssigen Phase (engl.: transient liquid Phase bonding) und Widerstandserwärmung. Die Schweißmaterialelemente 14 und der Buckelschweißvorgang können z.B. dazu verwendet werden, zwei röhrenförmige hydrogeformte Elemente 18, 22 miteinander zu verbinden. Die Schweißmaterialelemente 14 und das dargestellte Widerstandsschweißverfahren stellen einen Weg bereit, individuelle hohle Abschnitte der Paare von schweißbaren Elementen 18, 22 in angrenzendem Verhältnis zusammenzuschweißen, ohne dass ein direkter Zugang zu den Schweißflächen 20 bzw. 24 besteht, während die Schweißverbindung 200 (oder Verbindungsstelle) gebildet wird.
Das modifizierte Widerstandsschweißpistolengerät 28, oder eine Schweißvorrichtung (oder eine modifizierte Punktschweißpistole), wird dazu verwendet, einen elektrischen Strom und eine axiale Kraft (d.h. eine zu den zwei Außenflächen 20, 24 und den schweißbaren Elementen 18, 22 senkrechte Kraft) über die zwei hydrogeformten Elemente 18, 22 und über die Schweißmaterialelemente 14 während der Verbindungsstellenausbildung zu beaufschlagen. Insbesondere umfasst das Gerät 28 ein Paar von stromleitenden Elementen 46, 48 oder Leiterenden (die einen elektrischen Strom von einer Stromquelle zuführen, um die Schweißverbindung auszubilden), die an Außenflächen 50, 52 der zwei zu verbindenden hydrogeformten Elemente 18, 22 in dem Bereich aufgebracht werden, in dem die Schweißverbindung oder Verbindungsstelle dazwischen auszubilden ist. Das Schweißpistolengerät 28 kann manuell oder mittels eines Roboters geregelt werden. Ein geeignetes Gerät und ein geeignetes Verfahren für die Schweißelemente 18 und 22 ist in der auf den gleichen Anmelder übertragenen US-Patentanmeldung Nr. 09/754114 mit dem Titel "Welding Assembly with Nestable Conductive Ends", die am 05. Januar 2001 eingereicht wurde, offenbart, wobei der gesamte Inhalt dieser Anmeldung hiermit durch Bezugnahme darauf eingefügt ist.
Die Leitelemente oder leitenden Enden 46, 48 sind Elektroden, die bewirken, dass ein Strom durch die zu bindenden (d.h. zu verbindenden) Oberflächen 20, 24 und durch die Schweißmaterialelemente 14 fließt. Das Schweißmaterial weist einen höheren Widerstand und einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Grundmetallmaterial der Verbindungsstellen auf, das dazu verwendet wird, die hydrogeformten Elemente 18, 22 zu konstruieren. Die Materialeigenschaften der anstoßenden Elemente 14, 18, 22 vereinigen sich, um ein begünstigtes Erhitzen und nachfolgendes lokalisiertes Schmelzen der Schweißmaterialelemente 14 vor dem Schmelzen des rohen Abschnittsmaterials der hydrogeformten Elemente 18, 22 zu bewirken. Die Schweißmaterialelemente 14 verflüssigen sich während des Schweißvorgangs.
Die Energie, die zum Verflüssigen der Schweißmaterialelemente 14 benötigt wird, wird durch den beaufschlagten elektrischen Strom erzeugt. Die Schweißmaterialelemente 14 erhitzen sich begünstigt und bewirken ein Schmelzen der Schweißmaterialelemente 14 und dann ein lokalisiertes Schmelzen des benachbarten Metallmaterials der schweißbaren Elemente 18, 22. Das geschmolzene Material der Schweißmaterialelemente 14 bindet mit dem Grundmetallmaterial der hydrogeformten Elemente 18, 22 unter dem axialen Druck, der durch die leitenden Elemente oder leitenden Enden 46, 48 beaufschlagt ist. Wenn das voranstehend erwähnte Schmelzen aufgetreten ist, wird der Stromfluss durch die Oberflächen 20, 24 ausgeschaltet. Die axiale Kraft wird vorzugsweise eine vorbestimmte Zeitdauer danach entfernt.
Die resultierende Schweißverbindung ist in 5 dargestellt. Wie dargestellt ist, kann abhängig von der Anzahl, Größe und Konfiguration der Schweißmaterialelemente 14 eine sehr dünne Lücke 202 zwischen den schweißbaren Elementen 18, 22 übrigbleiben, wie in 5 dargestellt ist, oder es kann keine Lücke existieren und die Verbindung 200 kann eine kontinuierliche, homogene Verbindung zwischen den schweißbaren Elementen 18 und 20 sein. Das Vereinigen der Metallmaterialien der Metallelemente 14, 18, 22 ist in der Querschnittsansicht in 5 gezeigt. Es ist erkennbar, dass diese Darstellung des Schweißbereichs vergrößert und übertrieben ist, um deutlicher die Schweißverbindungen darzustellen und die Mischung der Metallmaterialien in den Bereichen zu zeigen, in denen die Schweißverbindung ausgebildet ist.
Vorzugsweise wird der Strom durch das erste schweißbare Element 22 und das zweite schweißbare Element 18 und über die Schweißmaterialelemente 14 beaufschlagt, um die Schweißmaterialelemente 14 zu schmelzen und danach Abschnitte des ersten schweißbaren Elements 22 und des zweiten schweißbaren Elements 18 in Bereichen davon zu schmelzen, die benachbart zu den Schweißmaterialelementen sind, und vorzugsweise werden die Kräfte beaufschlagt, um die Außenflächen 20, 24 aufeinanderzuzubewegen.
Vorzugsweise ist jede der Außenflächen 20, 24 planar, obwohl sie von jeder Konfiguration sein können, die zur Verbindungsstellenausbildung ausgelegt ist. Zum Beispiel können die Oberflächen komplementäre/konkave Konfigurationen und ähnliches aufweisen.
Wie in 6 zu erkennen, ist es denkbar, die Schweißmaterialelemente 14 und den Buckelschweißvorgang der vorliegenden Erfindung dazu zu verwenden, Verbindungsstellen zwi schen den individuellen Elementen 18 und 22 auszubilden, die dazu verwendet werden, ein Rahmentragwerk 60 für ein Kraftfahrzeug herzustellen. Ein Beispiel für ein Verfahren zum Verwenden des Buckelschweißvorgangs, um Schweißmaterialelemente 14 an ein Element zu binden, um eine Verbindungsstelle eines Rahmentragwerks 60 auszubilden, ist nachstehend beschrieben. Das Beispiel wird in Bezug auf eine beispielhafte Ausführungsform eines Rahmentragwerks für eine Geländelimousine (sogenanntes Sports Utility Vehicle) beschrieben, wie es in 5 dargestellt ist. Andere Beispiele von Rahmentragwerkverbindungsstellen, die insbesondere gut zur Verwendung mit der vorliegenden Schweißmaterialanordnung oder mit Verfahren geeignet sind, die die Anordnung einsetzen, sind in dem gemeinsam übertragenen US-Patent Nr. 6 092 865 mit dem Titel "Hydroformed Space Frame and Method of Manufacturing the Same" offenbart, das hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit in die vorliegende Anmeldung eingefügt ist.
5 zeigt eine Perspektivansicht eines Kraftfahrzeugrahmentragwerks 60. Das Rahmentragwerk 60 umfasst ein Paar von sich longitudinal erstreckenden, lateral beabstandeten Längsträgerstrukturen 62, ein Paar von hydrogeformten oberen longitudinalen Elementen 64, 66, eine Paar von hydrogeformten U-förmigen Querelementen 68, 70 und eine rückwärtige Ringanordnung 72. Vorzugsweise sind die Längsträgerstrukturen 62 mittels eines Paars von hydrogeformten Elementen 78, 80 von spiegelbildlicher Konstruktion bereitgestellt. Eine Mehrzahl von sich lateral erstreckenden Querstrukturen, die allgemein mit 82 bezeichnet sind, sind zwischen den Längsträgerstrukturen 62 verbunden und ein Paar von sich lateral erstreckenden oberen Querstrukturen 84 ist zwischen dem Paar von oberen longitudinalen Elementen 64, 66 verbunden.
Jedes hydrogeformte obere longitudinale Element 64, 66 umfasst einen säulenbildenden Abschnitt 86 und einen sich longitudinal erstreckenden Abschnitt 88. Jedes obere longitudinale Element 64, 66 ist mit einer zugeordneten Längsträgerstruktur 62 verbunden und erstreckt sich von dieser nach oben, um eine A-Säule des Rahmentragwerks 60 auszubilden. Jedes hydrogeformte Querelement 68, 70 umfasst einen Querabschnitt 90 bzw. 92 und ein Paar von Schenkelabschnitten 94 bzw. 96, die sich von Verbindungsstellen 98, 100 an entgegengesetzten Enden der zugeordneten Querabschnitte erstrecken. Jeder Schenkelabschnitt des Querelements ist mit einer entsprechenden Längsträgerstruktur 62 verbunden und erstreckt sich von dieser nach oben, um eine Zwischensäule darauf vorzusehen (d.h. die B-Säulen und C-Säulen). Der sich longitudinal erstreckende Abschnitt 88 jedes oberen longitudinalen Elements 64, 66 ist mit der Verbindungsstelle 98, 100 des zugeordneten Querelements 68, 70 verbunden, um eine Verbindungsstelle 102 bzw. 104 auszubilden.
Während die Verwendung von Schweißmaterialelementen und der Buckelschweißvorgang insbesondere beim Verschweißen von röhrenförmigen hydrogeformten schweißbaren Elementen vorteilhaft ist, ist es denkbar, dass sie auch beim Verschweißen anderer schweißbarer Elemente Anwendung finden, die nicht hydrogeformt sind, aber nichtsdestotrotz einen Zugang zu den Schweißoberflächen verhindern.
Zusätzlich ermöglichen die voranstehend beschriebene Vorrichtung und das voranstehend beschriebene Verfahren die Anbringung von Schweißmaterialelementen 14 ohne die Verwendung einer Abstützung, die die Schweißmaterialelemente 14 in einer vorbestimmten Konfiguration vor ihrer Anbringung an das schweißbare Element 18 halten. Dadurch kann eine Einsparung von Abstützplatten bei der Anbringung der Schweißmaterialelemente 14 ohne jegliche Abstützplatten er reicht werden. Während die Elemente 18 und 22 sich verbinden, um eine einzelne Verbindungsstelle 102 in dem Rahmentragwerk 60 auszubilden, wie in 5 dargestellt ist, soll verstanden werden, dass das Verfahren und die Vorrichtung zum Verbinden der Elemente 18 und 22 für jede der vier Verbindungsstellen des Rahmentragwerks 60 verwendet werden kann, wie auch in 5 dargestellt ist.
Es kann daher erkannt werden, dass die Aufgaben der vorliegenden Erfindung vollständig und effektiv gelöst sind. Die voranstehenden spezifischen Ausführungsformen wurden bereitgestellt, um die strukturellen und funktionalen Prinzipien der vorliegenden Erfindung darzustellen, und sind nicht dazu vorgesehen, einschränkend zu sein. Ganz im Gegenteil ist die vorliegende Erfindung dazu vorgesehen, alle Modifikationen, Veränderungen und Auswechslungen innerhalb des Geltungsbereichs der anliegenden Ansprüche zu umfassen.

Claims

Verfahren zum Schweißen von röhrenförmigen Elementen (18, 22) mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines ersten und eines zweiten röhrenförmigen Elements (18, 22), wobei sowohl das erste als auch das zweite röhrenförmige Element (18, 22) jeweils eine Außenfläche (20, 24) aufweist, Bereitstellen einer Mehrzahl von Schweißmaterialelementen (14), wobei jedes der Schweißmaterialelemente (14) aus einem elektrisch-leitenden Metallschweißmaterial hergestellt ist, das dazu in der Lage ist, sich in einem eine Schweißnaht bildenden Verhältnis mit dem ersten und dem zweiten röhrenförmigen Element (18, 22) zu binden, Schweißen jedes der Mehrzahl von Schweißmaterialelementen (14) auf das erste röhrenförmige Element (18), so dass jedes der Mehrzahl von Schweißmaterialelementen (14) in einer vorbestimmten Position auf dem ersten röhrenförmigen Element (18) verbleibt, bevor es in Kontakt mit dem zweiten röhrenförmigen Element (22) ist, Anordnen des zweiten röhrenförmigen Elements (22) neben dem ersten röhrenförmigen Element (18), wobei die Mehrzahl von Schweißmaterialelementen (14) in einem einen Strom übertragenden Verhältnis zwischen den jeweiligen Außenflächen (20, 24) des ersten und des zweiten röhrenförmigen Elements (18, 22) angeordnet ist, und Beaufschlagen eines elektrischen Stroms über das erste und das zweite röhrenförmige Element (18, 22), so dass der angelegte Strom durch die jeweiligen Außenflächen (20, 24) des ersten und des zweiten röhrenförmigen Elements (18, 22) und jedes der Mehrzahl von Schweißmaterialelementen (14), die zwischen dem ersten und dem zweiten röhrenförmigen Element (18, 22) angeordnet sind, fließt, um die entsprechenden Außenflächen (20, 24) des ersten und des zweiten röhrenförmigen Elements (18, 22) zusammenzuschweißen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Bereitstellen des ersten und des zweiten röhrenförmigen Elements (18, 22) das Hydroformen sowohl des ersten als auch des zweiten röhrenförmigen Elements (18, 22) mittels eines Prozesses umfasst, der die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines röhrenförmigen Metallrohlings, der eine röhrenförmige Metallwand aufweist, Anordnen des röhrenförmigen Metallrohlings in einer Formhohlkammer einer Gesenkanordnung, wobei die Formhohlkammer Formflächen aufweist, und Bereitstellen eines Hochdruckfluids in einen Innenraum des Rohlings, um die Metallwand des Rohlings nach außen in Übereinstimmung mit den Flächen der Formhohlkammer zu expandieren.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Bereitstellen einer Mehrzahl von Schweißmaterialelementen (14) das Bereitstellen einer Mehrzahl von Stahlschweißmaterialelementen (14) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, bei dem das Bereitstellen einer Mehrzahl von Schweißmaterialelementen (14) das Bereitstellen einer Mehrzahl von scheibenförmigen Schweißmaterialelementen (14) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Schweißen jedes der Mehrzahl von Schweißmaterialelementen (14) mittels einer Widerstandsschweißvorrichtung (301) ausgeführt wird, wobei die Widerstandsschweißvorrichtung (301) eines der Mehrzahl von Schweißmaterialelementen (14) in Position auf dem ersten röhrenförmigen Element (18) hält und einen elektrischen Strom über das eine der Mehrzahl von Schweißmaterialelementen (14) und das erste röhrenförmige Element (18) anlegt, um einen Abschnitt des einen der Mehrzahl von Schweißmaterialelementen (14) zu schmelzen und das eine der Mehrzahl von Schweißmaterialelementen (14) an den Abschnitt der Außenfläche (20) des ersten röhrenförmigen Elements (18) zu schweißen.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Widerstandsschweißvorrichtung (301) das Befestigen der Mehrzahl von Schweißmaterialelementvorsprüngen unter der Anleitung bzw. Anweisung einer computergesteuerten Vorrichtung durchführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der elektrische Strom über das erste und das zweite röhrenförmige Element (18, 22) und über jedes des mindestens einen Schweißmaterialelements (14) angelegt wird, um jedes des mindestens einen Schweißmaterialelements (14) zu schmelzen und um entsprechende Abschnitte des ersten und des zweiten röhrenförmigen Elements (18, 22) in Bereichen neben jedem des mindestens einen Schweißmaterialelements (14) nächstliegenden Bereichen zu schmelzen, und wobei Kräfte beaufschlagt werden, um die entsprechenden Abschnitte der ersten und der zweiten Außenfläche (20, 24) des ersten und des zweiten röhrenförmigen Ele ments (18, 22) aufeinanderzuzubewegen, wenn das Schmelzen auftritt.