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WO2014008960A1 - Verfahren zum verbinden von werkstücken und verbindungsvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum verbinden von werkstücken und verbindungsvorrichtung Download PDF

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Publication number
WO2014008960A1
WO2014008960A1 PCT/EP2012/073589 EP2012073589W WO2014008960A1 WO 2014008960 A1 WO2014008960 A1 WO 2014008960A1 EP 2012073589 W EP2012073589 W EP 2012073589W WO 2014008960 A1 WO2014008960 A1 WO 2014008960A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrodes
workpieces
nietkopfsetzer
resistance welding
welding head
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/073589
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johann Kaussler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to MX2015000496A priority Critical patent/MX2015000496A/es
Priority to CN201280074681.5A priority patent/CN104661771A/zh
Priority to EP12798243.7A priority patent/EP2861362A1/de
Publication of WO2014008960A1 publication Critical patent/WO2014008960A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J15/00—Riveting
    • B21J15/02—Riveting procedures
    • B21J15/08—Riveting by applying heat, e.g. to the end parts of the rivets to enable heads to be formed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/002—Resistance welding; Severing by resistance heating specially adapted for particular articles or work
    • B23K11/004—Welding of a small piece to a great or broad piece
    • B23K11/0066—Riveting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/30—Features relating to electrodes

Definitions

  • the following invention relates to a method for joining workpieces and a connection device.
  • Workpieces such as parts of electrical equipment, are usually connected together as parts to be joined during production. Bonding takes place, for example, by soldering,
  • the method provides to use a designed as a resistance welding head welding head for riveting and in particular for hot or hot riveting.
  • a resistance welding head with coaxially arranged electrodes which enclose, for example, from above and below to be connected to two working ⁇ pieces, can be used as riveting station by an appropriate change of the electrodes.
  • both electrodes verse ⁇ hen with an adapter that act as Nietkopfsetzer, pin-shaped connecting elements can be used as a rivet.
  • the electrodes can also be exchanged, the new changed electrodes being designed as rivet head setters.
  • the modified electrodes or adapter pieces have the same material as the electrodes for resistance welding.
  • the modified electrodes or adapter pieces have the same electrical resistance as the electrodes for resistance welding ⁇ .
  • a hot riveting can be realized, wherein Wi through the resistor of the connecting element the same is heated due to the flowing ⁇ sequent electric current.
  • the connecting element or the rivet expands due to the heat supply during the riveting process from being deformed by means of resistance welding head or formed as Nietkopfsetzer electrodes and then cooled.
  • Upon cooling of the rivet shrinks insbeson ⁇ particular the rivet shank and leads to an improved strength of the pressed together frictional workpieces or components together.
  • the electrodes, the electrodes provided with adapter pieces or the electrodes designed as rivet head setters are relatively connected during riveting. oscillated by side along duri ⁇ fenden through the connecting element acting axis.
  • the workpieces are held sprung in a workpiece holder.
  • the fe ⁇ stop holding results in a homogeneous force entry in particular ⁇ special, when the electrodes or the Nietkopfsetzer are relatively moved against each other and act on the connecting element to be deformed.
  • Embodiments of the method provide that at least three workpieces, which each have an opening, are riveted to a connecting element.
  • they may be bimetallic strips used in relays or electromechanical switches.
  • the two, ie both electrodes are each replaced by a Nietkopfset ⁇ zer or both are provided with an adapter piece, which includes a Nietkopfsetzer.
  • Variants of the method include the steps:
  • Resistance welding head miteinan at the weld miteinan ⁇ is resistance welding head miteinan at the weld miteinan ⁇ .
  • the welding head that the two electrodes are moved relative to the welding point and a constant force is applied to the welding point. Due to the constant force, which can be ⁇ example, by a spring-mounted mounting of the two electrodes to each other, a fusion or welding of the two workpiece materials results particularly low with each other.
  • the electrodes are used for welding or riveting depending on the connection method, which is necessary in particular in a production line.
  • the resistance welding head comprises at least two electrodes, wherein the resistance welding head is keptstal ⁇ Tet, to heat with the aid of an electric current, the workpieces at a weld until melting. At least one electrode is kepts taltet ⁇ as Nietkopfsetzer.
  • the connecting device is provided with a STEU ⁇ er worn which such a way by a current which both electrodes controls or causes a resistance welding takes place.
  • connection device is set up to carry out a method as described above.
  • a holding device for the sprung storage of the workpieces is further provided.
  • a resilient mounting allows a homogeneous force, in particular on both sides or ends of a connecting element.
  • connection device further comprises, in embodiments, drive means for moving the electrodes and / or the rivet head setter (s) on an axis of action relative to each other.
  • drive means for example, a pneumatic drive or an electric drive in question. Actuators or servos can also be used as drive devices.
  • the drive means should develop sufficient force to compress the workpieces during welding and to deform during riveting the connecting element or the rivet and rivet head, which is heated in particular by a current flow.
  • the electrodes and / or the Nietkopfsetzer are resiliently mounted with respect to an axis of action.
  • the resilient mounting also allows a particularly homogeneous force influence on the workpieces or Vietnamesesele ⁇ elements to be joined together.
  • Figure 1, 4, 6 are schematic representations of an embodiment ⁇ example of a connecting device for explaining aspects of a method for connecting workpieces.
  • Figure 2 is a perspective view of a ⁇ exporting approximately example of a welding head for ⁇ A kit in a method for joining work pieces;
  • Figure 3 is a schematic representation of an example of exporting approximately ⁇ a welding head for He ⁇ purification of aspects of a method for joining workpieces.
  • Figure 5, 7 are schematic detail views of the embodiment of a connecting device of Figures 1, 4, 6 for explaining aspects of a method for joining workpieces.
  • Fig. 1 shows a connecting device for joining or joining workpieces together.
  • the connecting device 1 in this case comprises two formed as a resistance welding heads weld heads 2, 3.
  • Each welding head 2, 3 has an electrode 4, 5, with the aid of an elastic elemene ⁇ tes 8, 9 is resiliently mounted. It is a movement 16, 17 of the welding heads or electrodes 4, 5 along an axis of action 18 possible.
  • the two welding heads 2, 3 are each coupled to a drive device 11, 12, for example an electric motor or a pneumatic system.
  • the respective drive 11, 12 can supply the corresponding control signals CT to the drive devices by means of a control device 13, along the arrows 16, 17, ie along the effective axis 18.
  • a movement of the electrodes along the effective axis 18 takes place coaxially with one another. It is a workpiece holder 10 is provided, can be held in the workpieces 6, 7 to be joined. In an operating situation, the workpieces, as shown in Fig. 1, positioned between the electrodes 4, 5 and clamped by suitable control of the drives 11, 13 of the electrodes 4, 5. In resistance welding, an electric current 14 is generated by the electrodes, the two workpieces 6, 7 in a weld area 15 and the electrode 5. In particular, since the electric resisting ⁇ state of the electrodes 4, 5 is lower than the electrical resistance of the workpieces to be joined 6, 7, the material of the workpieces 6, 7 at the welding point 15 on heated. The welding heads 2, 3 or the control device 13 controls a current 14 in such a way that the workpiece materials 6, 7 melt and fuse or weld together at the welding point 15. At the same time a homogeneous
  • the electrode holder 21 and electrode attachment 22 are held in suitable guide rails 19, which is held along the axis 18 with a spring element 8, which is arranged around a piston and abuts on a spacer sleeve 20.
  • the shaft not provided with a reference numeral is moved by a pneumatic cylinder 42, which is activated by the drive 11.
  • FIG. 3 shows schematically method steps which are carried out in a connection method for riveting workpieces with one another or with the connection device 1, as shown in FIG. 1.
  • a resistance welding head 2 with the welding electrode 4 which is elastically gela ⁇ siege with the aid of a spring 8 and a drive 11, shown schematically.
  • the electrode 4 is exchanged for an electrode 24 which on the workpiece side comprises a recess or trough 26.
  • the trough 26 serves as Nietkopfsetzer in the riveting process. That is, the Recess or trough 26 has the shape of the later Nietkopfes.
  • the welding electrode 4 can also be provided with an adapter piece 23, which has a corresponding depression or recess 26.
  • the adapter piece 23 is then attached to the electrode 4, screwed or fastened with other known ⁇ th means.
  • the adapter piece 23 has the same electrical characteristics as the electrode 4.
  • FIG. 4 further shows that the workpieces 28, 29 to be joined each comprise an opening 31, 32 and are inserted into a workpiece holder 30 of a holder 10.
  • the holding device 10 for the workpieces 28, 29 is also spring-mounted.
  • a mounting plate 35 which can play, be a mounting table on ⁇ , provided that includes a plurality of pins, for example three or four pins, which are not shown here.
  • the pins 33 are each surrounded by a spring element 34, such as a spiral spring, and allow spring-mounted bearing of the holding device 10 with the workpieces 28, 29.
  • the holding device 10 is made of aluminum.
  • a cylindrical connecting member into the coaxially arranged holes or openings 31, used 32nd 5 a detail of the connecting device 1 is indicated. It can be seen in the detail display ⁇ ment, the two workpieces 28, 29, whose openings are arranged coaxially along the effective axis 18 of the connecting device.
  • the connecting element 36 which consists of a plastically deformable material and is cylindrical in the exemplary embodiment. Preference ⁇ wise, the connecting element 36 and the rivet ge ⁇ know positive connection with the holes in the workpieces 28, 29.
  • FIG. 6 shows an operating situation of the connecting device 1 during hot or hot riveting.
  • the control device 13 controls the drive devices 11, 12 via suitable control signals CT such that they initially travel in the direction of the joint.
  • the two Nietsetzer 24, 25 thus press on the connecting element 36.
  • the Steuerein ⁇ direction 13 causes by not shown here current sources, that a heating current 37 between the electrodes or Nietsetzern 24, 25 flows through the connecting element 36.
  • the connecting element 36 has a material wel ⁇ ches has a higher electrical resistance than the Elect roden ⁇ or rivet 24, 25.
  • the connecting member is heated and expands there due to the heat supply from.
  • the hot rivet or the hot connecting element 36 has particularly good hole life characteristics, so that in principle not completely round or symmetrical openings in the workpieces 28, 29 can be present.
  • there is an oscillating hot riveting whereby a simultaneous oscillating introduction of force onto the heated rivet or the hot connecting element 36 occurs from above and below. This is done by control with the aid of the control device 13 and the example pneumatic actuators 11, 12 for the welding ⁇ or rivet heads 2, 3.
  • both the welding or rivet heads 24, 25 as well as the factory - Piece carrier 10 is a particularly homogeneous and gleichmä ⁇ tiger force entry to the riveting. As a result, a ho ⁇ mogeneous and high process quality of the rivet is achieved.
  • a deformation of the hot Verbin ⁇ -making elements 36 takes place.
  • FIG. 7 shows a variant of the riveting method for connecting three flat workpieces with holes.
  • Fig. 7 shows a trimetal strip 28, 29, 38, wherein the individual sheets 28, 29, 38 are connected by a rivet. It can be seen from above acting Nietsetzer 24, which is an electrode of the welding head, and the bottom acting rivet 25, which is another electrode of the
  • Welding head or another welding head represents.
  • the arrows 16, 17 indicate the movement and force of the welding heads.
  • the sprung mounting of the electrodes or rivet heads 24, 25 is indicated.
  • the initially cylindrical connecting element 36 is deformed in the form of a rivet, as shown in FIG. 7.
  • the rivet head shrinks slightly on cooling, and provides a particularly tight seal and a Connection of the elements or the workpieces 28, 29, 38 with ⁇ each other. Due to the shrinkage of the rivet shank results in an additional power friction.
  • the proposed method and the illustrated connection device which allows a combination of riveting processes and welding processes, allow a versatile use thereof in production lines or assembly tables. The result is a multiple use of the resource resistance welding head, so that no additional Fü ⁇ or connecting stations must be kept in the assembly operation. It is sufficient a simple replacement of the welding electrodes or a fitting with adapter pieces of the electrodes of the resistance welding head.
  • the indicated workpieces are usually semi-finished parts, which are further processed at various assembly stations.
  • an improved joining station in the manner of the connecting device, as presented, and by the presented Vietnamesesver ⁇ drive an expanded and improved use of conventional Widerwandssch spaStationen.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Connection Of Plates (AREA)
  • Resistance Welding (AREA)

Description

Beschreibung
Verfahren zum Verbinden von Werkstücken und Verbindungsvorrichtung
Die folgende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken und eine Verbindungsvorrichtung. Werkstücke, wie beispielsweise Teile von elektrischen Einrichtungen, werden bei der Produktion meist als Fügeteile miteinander ver- bunden. Ein Verbinden erfolgt beispielsweise durch Löten,
Schweißen oder auch Nieten an Fügestellen. Es wird dabei eine formschlüssige oder Kraftschlüssige Verbindung der Werkstücke erzielt . Üblicherweise werden bei Produktionsabläufen verschiedene
Montage- oder Fertigungsstationen vorgesehen, an denen beispielsweise Schweißköpfe zum Schweißen, Nieteinrichtungen zum Nieten oder Lötstationen zum lötenden Verbinden der Bauteile vorgehalten werden.
Beim konventionellen Widerstandsschweißen werden elektrisch leitfähige Werkstücke durch einen elektrischen Strom bis zum Schmelzen erhitzt, so dass eine gemeinsame Schmelze erfolgt und nach dem Erstarren eine Schweißverbindung zwischen den Werkstücken vorliegt. Bekannte Widerstandsschweißköpfe sind hinsichtlich ihrer Ausgestaltung auf hohe Temperaturen und starke elektrische Ströme ausgestaltet. Meist erfordert das Schweißen zudem, dass die beiden Elektroden des Widerstandsschweißkopfes während des Schweißvorgangs gleichzeitig eine Schweißkraft auf die Fügestelle ausüben.
Bei der Herstellung von elektromechanischen Bauteilen werden auch häufig Teile miteinander vernietet. Dabei werden flache Abschnitte von Bauelementen durch Nietlöcher mit Hilfe eines Nietes verbunden. Beim entsprechenden Nietvorgang ist es notwendig, einen Nietstift, der aus verformbarem Material be¬ steht, zu verformen, damit Nietköpfe ausgebildet werden kön¬ nen . Insbesondere bei der Produktion mittelgroßer elektromechani- scher Bauteile werden aufgrund der notwendigen verschiedenen Füge- oder Verbindungsverfahren komplizierte automatisierte Montagesysteme mit einer Vielzahl von Fügestationen benötigt. Wünschenswert wäre eine Vereinfachung des Fertigungsaufwands von Bauteilen oder Werkstücken, die mehrere Fügestellen mit unterschiedlichen Verbindungstypen umfassen. Demnach ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und/oder eine verbesserte Einrichtung zum Verbinden von Werkstücken zu schaffen.
Demgemäß wird ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken vorgeschlagen, welches umfasst:
Bereitstellen eines Widerstandsschweißkopfes mit mindes¬ tens zwei Elektroden;
Ersetzen mindestens einer der Elektroden durch einen Nietkopfsetzer oder Versehen mindestens einer Elektrode mit einem Adapterstück, welches einen Nietkopfsetzer umfasst;
Positionieren von zwei Werkstücken, welche jeweils eine Öffnung aufweisen, zwischen die Elektroden oder die Nietkopfsetzer des Widerstandsschweißkopfes derart, dass die Öffnungen koaxial sind;
Einsetzen eines Verbindungselements in die Öffnungen; und
Vernieten der Werkstücke miteinander, wobei das Verbindungselement mit Hilfe der Elektroden und/oder des Niet¬ kopfsetzers verformt wird.
Das Verfahren sieht vor, einen als Widerstandsschweißkopf konzipierten Schweißkopf zum Nieten und insbesondere zum Warm- oder Heißnieten einzusetzen. Insbesondere ein Wider- standsschweißkopf mit koaxial angeordneten Elektroden, die beispielsweise von oben und unten zwei zu verbindende Werk¬ stücke einfassen, kann durch eine geeignete Veränderung der Elektroden als Nietstation verwendet werden. Werden bei- spielsweise beide Elektroden jeweils mit einem Adapter verse¬ hen, die als Nietkopfsetzer wirken, lassen sich stiftförmige Verbindungselemente als Niet verwenden. Beispielsweise können auch die Elektroden getauscht werden, wobei die neuen geän- derten Elektroden als Nietkopfsetzer ausgestaltet sind. Es ist dabei denkbar, dass die veränderten Elektroden oder Adapterstücke das gleiche Material wie die Elektroden für das Wi¬ derstandsschweißen haben. Insbesondere ist es denkbar, dass die veränderten Elektroden oder Adapterstücke denselben elektrischen Widerstand wie die Elektroden zum Widerstands¬ schweißen haben.
Es ist somit möglich, eine Fertigungsstation, welche den Widerstandsschweißkopf umfasst, flexibel zum Schweißen wie auch zum Nieten einzusetzen. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Systemflexibilität in maschinellen oder automatisierten Montagesystemen .
In Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt ferner ein Ein- speisen eines elektrischen Stromes durch die Elektroden und/oder den oder die Nietkopfsetzer und das Verbindungselement zum Erwärmen des Verbindungselements.
Insofern ist ein Warmnieten realisierbar, wobei durch den Wi- derstand des Verbindungselementes dasselbe aufgrund des flie¬ ßenden elektrischen Stromes erhitzt wird. Bei einem entspre¬ chenden Warmnietprozess dehnt sich aufgrund der Wärmezufuhr während des Nietvorgangs das Verbindungselement bzw. der Niet aus, wird mit Hilfe des Widerstandsschweißkopfes bzw. der als Nietkopfsetzer ausgebildeten Elektroden verformt und kühlt anschließend ab. Beim Abkühlen des Niets schrumpft insbeson¬ dere der Nietschaft und führt zu einem verbesserten Kraft- reibschluss der aufeinander gepressten Werkstücke bzw. Bauteile miteinander.
In Ausführungsformen werden die Elektroden, die mit Adapterstücken versehenen Elektroden oder die als Nietkopfsetzer ausgebildeten Elektroden während des Vernietens relativ zu- einander entlang einer durch das Verbindungselement verlau¬ fenden Wirkachse oszillierend bewegt.
Insofern erfolgt insbesondere bei einer Bewegung der Elektro- den, Adapterstücke oder Nietkopfsetzer gegeneinander eine oszillierende Kraftausübung und damit eine erleichterte Verfor¬ mung des Verbindungselements hin zu einem Nietschaft und Nietköpfen. Dabei erfolgt vorzugsweise ein oszillierendes Warmnieten mit beidseitigem Krafteintrag auf einen zylindri- sehen Stift als Verbindungselement. Beispielsweise sind die Elektroden und/oder der Nietkopfsetzer des Widerstandsschweißkopfes bezüglich der Wirksachse gefedert gelagert.
In Ausführungsformen des Verfahrens werden die Werkstücke in einer Werkstückaufnahme gefedert gehalten. Mit Hilfe des fe¬ dernden Haltens ergibt sich ein homogener Krafteintrag insbe¬ sondere wenn die Elektroden bzw. die Nietkopfsetzer relativ zueinander gegeneinander bewegt werden und auf das zu verformende Verbindungselement wirken.
Ausführungsformen des Verfahrens sehen vor, dass mindestens drei Werkstücke, welche jeweils eine Öffnung aufweisen, mit einem Verbindungselement vernietet werden. Es kann sich dabei zum Beispiel um Bimetallstreifen handeln, die in Relais oder elektromechanischen Schaltern eingesetzt sind.
In Ausführungsformen des Verfahrens ist vorgesehen, dass die zwei, also beide Elektroden jeweils durch einen Nietkopfset¬ zer ersetzt werden oder jeweils beide mit einem Adapterstück, welches einen Nietkopfsetzer umfasst, versehen werden. Mit
Hilfe der beiden Nietkopfsetzer wird dann das Verbindungsele¬ ment verformt. Insofern lassen sich zylindrische Verbindungs¬ elemente zu Nieten verformen. In Varianten des Verfahrens ist der Widerstandsschweißkopf derart ausgestaltet, dass mit Hilfe eines elektrischen Stroms zwei weitere Werkstücke an einer Schweißstelle bis zum Auf¬ schmelzen erhitzt werden. Insofern ist auch ein Widerstands- schweißen im Rahmen des Verfahrens mit dem Widerstands¬ schweißkopf denkbar.
Varianten des Verfahrens umfassen die Schritte:
Bereitstellen des Widerstandsschweißkopfes ohne Niet¬ kopfsetzer;
Positionieren von den zwei weiteren Werkstücken zwischen den Elektroden; und
Verschweißen der zwei weiteren Werkstücke mit Hilfe des
Widerstandsschweißkopfes an der Schweißstelle miteinan¬ der .
Vorzugsweise wird beim Schweißen der Schweißkopf derart be¬ wegt, dass die zwei Elektroden relativ zu der Schweißstelle bewegt werden und eine konstante Kraft auf die Schweißstelle ausgeübt wird. Durch die konstante Kraft, welche beispiels¬ weise durch eine gefederte Lagerung der beiden Elektroden zueinander realisiert werden kann, ergibt sich ein Verschmelzen oder Verschweißen der beiden Werkstückmaterialien besonders günstig miteinander.
Insofern werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren die Elektroden in Abhängigkeit von dem Verbindungsverfahren, welches insbesondere in einer Produktionsstraße notwendig ist, zum Schweißen oder zum Nieten eingesetzt.
Es wird ferner eine Verbindungsvorrichtung zum Verbinden von Werkstücken miteinander mit einem Widerstandsschweißkopf vorgeschlagen. Der Widerstandsschweißkopf umfasst mindestens zwei Elektroden, wobei der Widerstandsschweißkopf ausgestal¬ tet ist, mit Hilfe eines elektrischen Stromes die Werkstücke an einer Schweißstelle bis zum Aufschmelzen zu erhitzen. Mindestens eine Elektrode ist dabei als Nietkopfsetzer ausges¬ taltet .
Beispielsweise ist die Verbindungsvorrichtung mit einer Steu¬ ereinrichtung versehen, welche einen Strom derart durch die beiden Elektroden steuert oder veranlasst, dass ein Widerstandsschweißen erfolgt.
Die Verbindungseinrichtung ist dabei eingerichtet, ein Verfahren wie vorbeschrieben auszuführen.
In Ausführungsformen der Verbindungsvorrichtung ist ferner eine Halteeinrichtung zum gefederten Lagern der Werkstücke vorgesehen. Eine federnde Lagerung ermöglicht einen homogenen Krafteintrag, insbesondere auf beiden Seiten oder Enden eines Verbindungselementes .
Die Verbindungsvorrichtung umfasst in Ausführungsformen ferner eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der Elektroden und/oder des oder der Nietkopfsetzer auf einer Wirkachse relativ zueinander. Als Antriebseinrichtung kommt beispielsweise ein pneumatischer Antrieb oder auch ein Elektroantrieb in Frage. Auch Aktoren oder Servoeinrichtungen können als Antriebseinrichtungen verwendet werden. Dabei sollen die Antriebseinrichtungen eine ausreichende Kraft entwickeln, um die Werkstücke beim Schweißen aufeinanderzupressen und beim Nieten das Verbindungselement bzw. den Niet- und Nietkopf, welcher insbesondere durch einen Stromfluss erwärmt ist, zu verformen .
In Ausführungsformen der Verbindungsvorrichtung sind die Elektroden und/oder die Nietkopfsetzer bezüglich einer Wirkachse federnd gelagert. Die federnde Lagerung ermöglicht ebenfalls einen besonders homogenen Krafteinfluss auf die miteinander zu verbindenden Werkstücke bzw. Verbindungsele¬ mente .
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Verfahrensschritte, Merkmale oder Ausführungsformen des Ver¬ fahrens oder der Verbindungsvorrichtung. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen oder abändern .
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, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1, 4, 6 schematische Darstellungen eines Ausführungs¬ beispiels für eine Verbindungsvorrichtung zur Erläuterung von Aspekten eines Verfahrens zum Verbinden von Werkstücken.
Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines Ausfüh¬ rungsbeispiels für einen Schweißkopf zum Ein¬ satz in einem Verfahren zum Verbinden von Werkstücken;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Ausfüh¬ rungsbeispiels für einen Schweißkopf zur Er¬ läuterung von Aspekten eines Verfahrens zum Verbinden von Werkstücken.
Figur 5, 7 schematische Detaildarstellungen des Ausführungsbeispiels für eine Verbindungsvorrichtung aus den Figuren 1, 4, 6 zur Erläuterung von Aspekten eines Verfahrens zum Verbinden von Werkstücken .
In den folgenden Figuren werden Ausführungsbeispiele von Schweißköpfen und einer Verbindungsvorrichtung als Fügestation schematisch dargestellt. Dabei werden Betriebssituationen der jeweiligen Verbindungsvorrichtung dargestellt, um Verfah- rensaspekte des Verfahrens zum Verbinden unter Verwendung von einem Widerstandsschweißkopf zu erläutern.
Die Fig. 1 zeigt eine Verbindungseinrichtung zum Fügen oder Verbinden von Werkstücken miteinander. Die Verbindungsvorrichtung 1 umfasst dabei zwei als Widerstandsschweißköpfe ausgebildete Schweißköpfe 2, 3. Jeder Schweißkopf 2, 3 hat eine Elektrode 4, 5, die mit Hilfe eines elastischen Elemen¬ tes 8, 9 federnd gelagert ist. Es ist eine Bewegung 16, 17 der Schweißköpfe bzw. Elektroden 4, 5 entlang einer Wirkachse 18 möglich. Dazu sind die beiden Schweißköpfe 2, 3 jeweils mit einer Antriebseinrichtung 11, 12, beispielsweise einem Elektromotor oder einer Pneumatik, gekoppelt. Der jeweilige Antrieb 11, 12 kann durch eine Steuereinrichtung 13 die ent- sprechenden Steuersignale CT an die Antriebseinrichtungen liefern, entlang der Pfeile 16, 17, also entlang der Wirkachse 18 bewegt werden. Es erfolgt insofern eine Bewegung der Elektroden entlang der Wirkachse 18 koaxial zueinander. Es ist eine Werkstückhalterung 10 vorgesehen, in der zu verbindende Werkstücke 6, 7 gehalten werden können. In einer Betriebssituation werden die Werkstücke, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, zwischen die Elektroden 4, 5 positioniert und durch geeignete Steuerung der Antriebe 11, 13 von den Elektroden 4, 5 eingeklemmt. Beim Widerstandsschweißen wird ein elektrischer Strom 14 durch die Elektroden, die beiden Werkstücke 6, 7 in einem Schweißstellenbereich 15 und die Elektrode 5 erzeugt. Da insbesondere der elektrische Wider¬ stand der Elektroden 4, 5 niedriger ist als der elektrische Widerstand der zu verbindenden Werkstücke 6, 7, heizt sich das Material der Werkstücke 6, 7 an der Schweißstelle 15 auf. Die Schweißköpfe 2, 3 bzw. die Steuereinrichtung 13 steuert einen Strom 14 derart, dass die Werkstückmaterialien 6, 7 anschmelzen und an der Schweißstelle 15 miteinander verschmel- zen bzw. verschweißen. Gleichzeitig erfolgt ein homogener
Krafteintrag von oben als auch von unten durch die federnde Lagerung der Elektroden 4, 5. In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Schwei߬ kopf 2 perspektivisch angedeutet. Man erkennt in der Fig. 2 die Wirkachse 18, entlang derer bei der Ausgestaltung des Schweißkopfes die Elektrode 4, welche in einer Elektrodenauf- nähme 21 durch eine Befestigung 22 gehalten wird, die federnde Lagerung 8 sowie der Antrieb 11, 42 koaxial vorliegen.
Die Elektrodenaufnahme 21 und Elektrodenbefestigung 22 werden in geeigneten Führungsschienen 19 gehalten, welche mit einem Federelement 8, welches um einen Kolben angeordnet ist und auf einer Distanzhülse 20 anschlägt, entlang der Achse 18 gehalten wird. Der nicht mit einem Bezugszeichen versehene Schaft wird durch einen pneumatischen Zylinder 42, welcher von dem Antrieb 11 aktiviert wird, bewegt. Die Linearanord- nung von Antrieb 11, 42, der elastischen Lagerung 8, 20 und
Führung 19 der Elektrode 4 ermöglicht eine besonders günstige Kraftübertragung auf die in der Orientierung der Fig. 2 vorliegende Schweißstelle unterhalb der Elektrode 5. Der Schweißkopf 2 ermöglicht ferner eine Verwendung als Niet¬ kopf oder Nieteinrichtung. Insofern kann die Verbindungseinrichtung auch als Fügestation 1 für Warmnietprozesse eingesetzt werden. Die Fig. 3 zeigt schematisch Verfahrensschritte, die bei ei¬ nem Verbindungsverfahren zum Nieten von Werkstücken miteinander an oder mit der Verbindungsvorrichtung 1, wie sie in der Fig. 1 dargestellt ist, vollzogen werden. In der Fig. 3 links ist schematisch ein Widerstandsschweißkopf 2 mit der Schweiß- elektrode 4, welche mit Hilfe einer Feder 8 elastisch gela¬ gert ist und einen Antrieb 11 umfasst, dargestellt.
Um den Schweißkopf 2 für einen Nietvorgang zu verwenden, wird beispielsweise, wie es rechts oben in Fig. 3 dargestellt ist, die Elektrode 4 gegen eine Elektrode 24 ausgetauscht, welche werkstückseitig eine Ausnehmung oder Mulde 26 umfasst. Die Mulde 26 dient als Nietkopfsetzer im Nietprozess. D.h., die Ausnehmung oder Mulde 26 hat die Form des späteren Nietkopfes .
Alternativ lässt sich auch die Schweißelektrode 4 mit einem Adapterstück 23 versehen, welches eine entsprechende Mulde oder Ausnehmung 26 hat. Das Adapterstück 23 wird dann auf die Elektrode 4 aufgesteckt, geschraubt oder mit anderen bekann¬ ten Mitteln befestigt. Zum Beispiel hat das Adapterstück 23 dieselben elektrischen Eigenschaften wie die Elektrode 4.
Wie in der Fig. 2 am Beispiel des Schweißkopfes 2 dargestellt wurde, ist ein Austausch oder ein Wechsel der Elektrode (n) einfach zu bewerkstelligen. Die Fig. 4 zeigt nun die Verbindungsvorrichtung 1, bei der die beide Schweißelektroden gegen Elektroden 24, 25 ausgetauscht sind, welche entsprechende Mulden 26, 27 aufweisen. Man kann auch davon sprechen, dass die Elektroden 24, 25 Nietkopfsetzer sind. Sie sind wie die üblichen Schweißelekt- roden 4, 5 (vgl. Fig. 1) mit Hilfe von federnden Elementen 8, 9 gelagert.
In der Fig. 4 ist ferner dargestellt, dass die zu verbindenden Werkstücke 28, 29 jeweils eine Öffnung 31, 32 umfassen und in einer Werkstückaufnahme 30 eines Halters 10 eingesetzt sind. Beim Nieten werden im Wesentlichen flache oder blechartige Materialien, wie beispielsweise Bi- oder Trimetallstrei- fen, mit Hilfe eines Nietes aneinander verbunden. Die Halte¬ einrichtung 10 für die Werkstücke 28, 29 ist ebenfalls fe- dernd gelagert. Dazu ist eine Montageplatte 35, die bei¬ spielsweise ein Montagetisch sein kann, vorgesehen, die mehrere Stifte, beispielsweise drei oder vier Stifte, die hier nicht dargestellt sind, umfasst. Die Stifte 33 sind jeweils von einem Federelemente 34, wie einer Spiralfeder, umschlos- sen und ermöglichen ein gefedertes Lagern der Halteeinrichtung 10 mit den Werkstücken 28, 29. Beispielsweise ist de Halteeinrichtung 10 aus Aluminium gefertigt. Um die beiden Werkstücke 28, 29 nietend miteinander zu ver¬ binden, wird ein zylinderförmiges Verbindungselement in die koaxial angeordneten Löcher oder Öffnungen 31, 32 eingesetzt. In der Fig. 5 ist eine Ausschnittdarstellung der Verbindungseinrichtung 1 angedeutet. Man erkennt in der Detaildarstel¬ lung die beiden Werkstücke 28, 29, deren Öffnungen koaxial entlang der Wirkachse 18 der Verbindungsvorrichtung angeordnet sind. Ferner erkennt man das Verbindungselement 36, wel- ches aus einem plastisch verformbaren Material besteht und in dem Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgeführt ist. Vorzugs¬ weise haben das Verbindungselement 36 bzw. der Niet einen ge¬ wissen Formschluss mit den Löchern in den Werkstücken 28, 29. Es sind nun die beiden Elektroden, welche als Nietkopfsetzer 24, 25 ausgeführt sind, oberhalb und unterhalb des Verbin¬ dungselements 36 angeordnet. Während des Nietvorgangs, insbe¬ sondere beim Warmnieten, erfolgt eine Bewegung der im Folgenden als Nietsetzer bezeichneten Elektroden 24, 25 in Richtung zu dem Verbindungselement 36 entlang der Wirkachse 18.
Die Fig. 6 zeigt eine Betriebssituation der Verbindungsvorrichtung 1 während des Heiß- oder Warmnietens. Die Steuerein¬ richtung 13 steuert über geeignete Steuersignale CT die An- triebseinrichtungen 11, 12 derart, dass sie zunächst in Richtung der Fügestelle verfahren. Die beiden Nietsetzer 24, 25 drücken somit auf das Verbindungselement 36. Die Steuerein¬ richtung 13 veranlasst durch hier nicht dargestellten Stromquellen, dass ein Heizstrom 37 zwischen den Elektroden bzw. Nietsetzern 24, 25 durch das Verbindungselement 36 fließt.
Vorzugsweise hat das Verbindungselement 36 ein Material, wel¬ ches einen höheren elektrischen Widerstand hat als die Elekt¬ roden bzw. Nietsetzer 24, 25. Insofern erhitzt sich das Verbindungselement und dehnt sich dabei aufgrund der Wärmezufuhr aus. Der heiße Niet bzw. das heiße Verbindungselement 36 hat besonders gute Lochlebungseigenschaften, so dass im Prinzip auch nicht völlig runde oder symmetrische Öffnungen in den Werkstücken 28, 29 vorliegen können. Gemäß einigen Verfahrensaspekten erfolgt ein oszillierendes Warmnieten, wobei von oben und unten ein gleichzeitiger oszillierender Krafteintrag auf den erwärmten Niet- bzw. das heiße Verbindungselement 36 erfolgt. Dies geschieht durch Steuerung mit Hilfe der Steuereinrichtung 13 und der beispielsweise pneumatischen Antriebe 11, 12 für die Schwei߬ bzw. Nietköpfe 2, 3. Mit Hilfe der elastischen Lagerung 8, 9 sowohl der Schweiß- bzw. Nietköpfe 24, 25 wie auch des Werk- Stückträgers 10 erfolgt ein besonders homogener und gleichmä¬ ßiger Krafteintrag auf die Nietstelle. Dadurch wird eine ho¬ mogene und hohe Prozessqualität des Nietens erzielt. Durch das Zusammenspiel der Wärmezufuhr durch den elektrischen Strom 37 sowie die oszillierenden Bewegungen und damit einer Krafteinwirkung der Elektroden bzw. Nietsetzer auf das Verbindungselement 36 erfolgt ein Verformen des heißen Verbin¬ dungselements 36.
In der Fig. 7 ist eine Variante des Nietverfahrens zum Ver- binden von drei flachen Werkstücken mit Löchern angedeutet. Die Fig. 7 zeigt einen Trimetallstreifen 28, 29, 38, wobei die einzelnen Bleche 28, 29, 38 durch einen Niet verbunden werden. Man erkennt den von oben wirkenden Nietsetzer 24, der eine Elektrode des Schweißkopfes darstellt, und den von unten wirkenden Nietsetzer 25, der eine weitere Elektrode des
Schweißkopfes oder eines weiteren Schweißkopfes darstellt. Die Pfeile 16, 17 deuten die Bewegung und Kraftwirkung der Schweißköpfe an. Ferner ist die gefederte Lagerung der Elekt¬ roden bzw. Nietköpfe 24, 25 angedeutet.
Durch den Strom sowie die mechanische Einwirkung erfolgt ein Verformen des zunächst zylindrischen Verbindungselementes 36 in die Form eines Nietes, wie in der Fig. 7 dargestellt. Da¬ mit ergibt sich ein Nietschaft 39, der oben und unten von je- weils einem Nietkopf 40, 41 abgeschlossen ist. Da beim Hei߬ nieten oder Warmnieten das Material des Verbindungselementes zunächst ausgedehnt ist, schrumpft der Nietkopf beim Abkühlen etwas und schafft einen besonders dichten Verschluss und eine Verbindung der Elemente bzw. der Werkstücke 28, 29, 38 mit¬ einander. Durch das Schrumpfen des Nietschaftes ergibt sich ein zusätzlicher Kraftreibschluss . Insofern ermöglichen das vorgeschlagene Verfahren sowie die dargestellte Verbindungsvorrichtung, welche eine Kombination von Nietprozessen und Schweißprozessen ermöglicht, einen vielseitigen Einsatz derselben in Produktionsstraßen oder Montagetischen. Es ergibt sich eine Mehrfachnutzung der Res- source Widerstandsschweißkopf, so dass keine zusätzlichen Fü¬ ge- oder Verbindungsstationen im Montagebetrieb vorgehalten werden müssen. Es genügt ein einfacher Austausch der Schweißelektroden oder eine Bestückung mit Adapterstücken der Elektroden des Widerstandsschweißkopfes.
Beim Nietbetrieb wird der Strom durch das Niet- bzw. Verbindungselement derart eingestellt, dass ein Erhitzen des Mate¬ rials des Verbindungselementes erfolgt, jedoch kein Schweißen oder Schmelzen der Werkstücke. Insofern gelingt durch den flexiblen Einsatz der Ressource Widerstandskopf in verschie¬ denen Fügeverfahren, nämlich Warmnieten und Widerstandsschweißen, eine effizientere Herstellung von insbesondere klein- bis mittelgroßen elektromechanischen Bauteilen, die gefügt werden müssen.
Bei den angedeuteten Werkstücken handelt es sich meist um Halbfertigteile, die an verschiedenen Montagestationen weiterbearbeitet werden. Insgesamt erhält man eine verbesserte Fügestation in der Art der Verbindungseinrichtung, wie sie vorgestellt ist, und durch das vorgestellte Verbindungsver¬ fahren eine erweiterte und verbesserte Einsatzmöglichkeit von konventionellen WiderStandsschweißStationen .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh- rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden von Werkstücken (28, 29) umfassend :
- Bereitstellen eines Widerstandsschweißkopfes (2, 3) mit mindestens zwei Elektroden (3, 4);
Ersetzen mindestens einer der Elektroden (3, 4) durch einen Nietkopfsetzer (24, 25) oder Versehen mindestens einer Elektrode (3, 4) mit einem Adapterstück (23), welches einen Nietkopfsetzer umfasst;
Positionieren von zwei Werkstücken (28, 29), welche jeweils eine Öffnung (31, 32) aufweisen, zwischen den Elektroden (3, 4) oder den Nietkopfsetzern (24, 25) des Widerstandsschweißkopfes (2) derart, dass die Öffnungen (31, 32) koaxial sind;
Einsetzen eines Verbindungselements (36) in die Öffnun¬ gen (31, 32) ; und
Vernieten der Werkstücke (28, 29) miteinander, wobei das Verbindungselement (36) mit Hilfe der Elektroden (3, 4) und/oder des Nietkopfsetzers (24, 25) verformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Einspeisen eines elektrischen Stromes (37) durch die Elektroden (3, 4) und/oder des Nietkopfsetzers (24, 25) und das Verbindungsele- ment (36) zum Erwärmen des Verbindungselements (36) .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektroden (24, 25) relativ zueinander während des Vernietens Entlang einer durch das Verbindungselement (36) verlaufenden Wirkach- se (18) oszillierend bewegt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, wobei die Werkstücke (28, 29) in einer Werkstückaufnahme (30) gefedert gehalten werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, wobei mindestens drei Werkstücke (28, 29, 38), welche jeweils Öffnungen auf¬ weisen, mit einem Verbindungselement (39) vernietet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, wobei die zwei Elektroden (3,4) jeweils durch einen Nietkopfsetzer (24, 25) ersetzt werden oder jeweils mit einem Adapterstück (23), wel- ches einen Nietkopfsetzer umfasst, versehen werden, und mit Hilfe der beiden Nietkopfsetzer (24) das Verbindungselement (36) verformt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, wobei
der Widerstandsschweißkopfes (2) ausgestaltet ist, mit Hilfe eines elektrischen Stromes (14) zwei weitere Werkstücke (6, 7) an einer Schweißstelle (15) bis zum Aufschmelzen zu erhit¬ zen .
8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend:
Bereitstellen des Widerstandsschweißkopfes (2) ohne Nietkopfsetzer ;
Positionieren von den zwei weiteren Werkstücken (6, 7) zwischen den Elektroden (4, 5); und
- Verschweißen der zwei weiteren Werkstücke (6, 7) mit
Hilfe des Widerstandsschweißkopfes (2) an der Schweißstelle (15) miteinander.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, wobei beim
Schweißen die zwei Elektroden (4, 5) relativ zu der Schweißstelle (15) bewegt werden und eine konstante Kraft auf die Schweißstelle (15) ausgeübt wird.
10. Verbindungsvorrichtung (1) zum Verbinden von Werkstücken (6, 7, 28, 29, 38) miteinander mit einem Widerstandsschwei߬ kopf (2), welcher mindestens zwei Elektroden (3, 4, 24, 25) aufweist, wobei der Widerstandsschweißkopf (2) ausgestaltet ist, mit Hilfe eines elektrischen Stromes (14) die Werkstücke (6, 7) an einer Schweißstelle (15) bis zum Aufschmelzen zu erhitzen, und wobei mindestens eine Elektrode (24, 25) als Nietkopfsetzer ausgestaltet ist.
11. Verbindungsvorrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei die Verbindungsvorrichtung (1) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9 durchzuführen.
12. Verbindungsvorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, ferner mit einer Halteeinrichtung (10) zum gefederten Lagern der Werkstücke (6, 7, 28, 29, 38) .
13. Verbindungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 - 12, ferner mit einer Antriebseinrichtung (11, 12) zum Bewegen der Elektroden (3, 4) und/oder des Nietkopfsetzers (24, 25) auf einer Wirkachse (18) relativ zueinander.
14. Verbindungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 - 12, wobei die Elektroden (4, 5) und/oder der Nietkopfsetzer
(24, 25) bezüglich einer Wirkachse (18) federnd gelagert sind .
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