Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen, bei dem die miteinander zu verbindenden, überlappend angeordneten Werkstücke an einer Fügestelle durch berührungslose Wärmezufuhr erwärmt werden, bis die Werkstücke ein für das Fügen ausreichendes Formänderungsvermögen erhalten und dann mit Hilfe einer ein Fügewerkzeug aufweisenden Vorrichtung und unter Verwendung eines Fügeelements lokal plastisch umgeformt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Fügen von miteinander zu verbindenden, überlappend angeordneten Werkstücken an einer Fügestelle mit einem zum Einbringen eines Fügeelements in die Werkstücke ausgebildeten Fügewerkzeug, wobei die Vorrichtung relativ zu den Werkstücken beweglich ist.

Aus der EP 1 754 896 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein nagelähnliches Fügeteil auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und in die nicht vorgelochten, miteinander zu verbindenden, überlappend angeordneten Werkstücke eingetrieben wird.

Ein ähnliches Verfahren ist aus der Druckschrift DE 10 2006 002 238 A1 bekannt. Das spitze Fügeteil verdrängt den Werkstoff, wobei dieser lokal eine starke Temperaturerhöhung erfährt, wodurch höhere Umformgrade möglich werden. Bei diesem Verfahren wird das Fügeelement mit reiner Kraft durch die Fügestelle geschossen. Die Verklammerung des Fügeelements ist auf die Rückfederung des sogenannten Auszuges auf der Austrittsseite der Fügeverbindung zurückzuführen. Weiterhin tritt ein sogenannter Kopfeinzug an der Stelle auf, an der der Kopf des Fügeelements auf die Blechoberfläche trifft. Dieser Kopfeinzug ist auf die hohe Schlagkraft des Fügewerkzeugs zurückzuführen. Der Schlaghammer des Fügewerkzeugs muss eine Mindestschlagenergie aufbringen, um das Fügeelement durch die Fügeverbindung zu treiben. Beim Durchbrechen der Werkstücke setzt der Fügeprozess dem Schlaghammer keinen Widerstand mehr entgegen, sodass die Restschlagenergie beim Auf- setzten des Kopfes des Fügeelements auf dem Werkstück von diesem abgefedert werden muss. Diese Restschlagenergie führt zur Verformung des Fügestoßes und auch zur Lockerung der gerade erzeugten Fügeverbindung.

Um die notwendige Mindestschlagenergie und damit auch die ungewünschte Restschlagenergie zu reduzieren, kann die Fügestelle vor dem Einbringen des Fügeelements erwärmt werden. Ein Verfahren, bei dem die Fügestelle vor dem Einbringen des Fügeelements erwärmt wird, ist aus der DE 196 30 488 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren werden die Werkstücke an den Fügeflächen durch den Kontakt mit vorgewärmten Teilen des Fügewerkzeugs erwärmt. Auch eine berührungslose Wärmezufuhr mittels in dem Fügewerkzeug integrierter, induktiver Heizelemente beschreibt die genannte Druckschrift. Durch die Erwärmung der Werkstücke ist das Formänderungsvermögen der Werkstücke einstellbar. Damit ist auch das Fügen spröder Werkstoffe möglich.

Um einen Bauteilverzug zu vermeiden, muss - gerade bei einseitig wirkenden Verfahren wie den vorstehend genannten - die Restenergie von der Bauteilsteifigkeit abgefedert werden, ohne dass es zu einem Bauteilverzug kommt. Daher ist es wichtig, die Fügekraft zu minimieren.

Dies ist möglich, indem beispielsweise das Fügeelement als eine Schraube rotierend in das lokal erwärmte Werkstück eingebracht wird. Ein solches Verfahren wird in der Druckschrift DE 103 48 427 A1 beschrieben.

Ein ähnliches Verfahren, bei dem lokal erwärmte Werkstücke ohne ein Fügeelement nur durch ein kurzzeitiges Eindringen des Fügewerkzeugs in die Werkstücke verbunden werden, zeigt die DE 101 33 292 A1.

Durch die Erwärmung der Werkstücke ist das Formänderungsvermögen der Werkstücke einstellbar, jedoch kann die Wärme bei den bekannten Verfahren nur in das außen liegende Werkstück eingebracht werden. Die anderen zu fügenden Werkstücke werden nur indirekt durch die Übertragung der Wärme über das äußere Werkstück erwärmt. Dabei breitet sich Wärme in allen Werkstücken in alle Richtungen aus, wodurch die Steifigkeit der Werkstücke großflächig herabgesetzt wird. Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass eine feste Verbindung von Werkstücken erzeugt werden kann, bei der die notwendige Fügekraft und der Verzug der Werkstücke möglichst gering sind. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine feste Verbindung von Werkstücken erzeugbar ist, bei der die für das Einbringen des Fügeelements notwendige Fügekraft und der Verzug der Werkstücke möglichst gering sind.

Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Werkstücke von einem Laserstrahl erwärmt werden. Hierdurch wird es möglich, dass die Werkstücke berührungslos durch Absorption der Energie des Laserstrahls erwärmt werden. Dabei ist es günstig, dass für die Erwärmung der Werkstücke mittels eines Lasers weniger Energie aufgebracht werden muss als bei herkömmlichen berührungslosen Wärmequellen und dass die vom Laserstrahl emittierte Energie einfacher regelbar ist. Durch den Einsatz eines Laserstrahls wird es außerdem möglich, die Wärme in einem räumlich stark begrenzten Bereich mit hoher Geschwindigkeit in die Werkstücke einzuleiten. Dabei kann die in den Werkstücken erzeugte Wärme kurzfristig derart ansteigen, dass die Streckgrenze des Werkstücks in dem Wirkbereich des Laserstrahls weit heruntergesetzt wird und so der dem Eindringen des Fügeelements entgegenwirkende Widerstand und damit auch die notwendigen Fügekräfte klein werden. Wird der Werkstoff der Werkstücke derart erwärmt, dass er kurzfristig nahezu schmelzflüssig wird, kann der Werkstoff die am Fügeelement angebrachten Widerhaken und/oder Hohlräume umfließen. So wird eine besonders feste Verbindung der Werkstücke mit dem Fügeelement erreicht. Eine solche Fügeverbindung kann höhere Kräfte übertragen. Das Material fließt deshalb, da die kinetische Energie, mit der das Fügeelement in die Werkstücke getrieben wird, in Wärme umgewandelt wird und mit der sowieso schon mittels des Laserstrahls platzierten Wärme die Schmelztemperatur des Materials des Werkstücks kurzzeitig überschritten wird. Das um die Widerhaken und/oder Hohlräume des Fügeelements herumfließende Material bildet eine metallurgische Verklammerung. Beim herkömmlichen Fügeverfahren wird das Fügeelement mit reiner Kraft durch die Fügestelle geschossen. Die Verklammerung des Fügeelements ist auf die Rückfederung des sogenannten Auszugs auf der Unterseite der Fügeverbindung zurückzuführen. Weiterhin tritt ein Kopfeinzug an der Stelle auf, an der der Kopf des Fügeelements auf die Blechoberfläche trifft. Der Kopfeinzug ist auf die hohe Schlagkraft des Fügewerkzeugs zurückzuführen. Um das Fügeelement durch die Werkstücke zu treiben, muss von dem Fügewerkzeug eine Min- destschlagenergie aufgebracht werden. Beim Durchbrechen des Fügeelements setzten die Werkstücke dann aber dem Fügewerkzeug keinen Widerstand mehr entgegen, sodass die Restschlagenergie beim Aufsetzen des Kopfes auf dem Werkstück von diesem abgefedert werden muss. Diese Restschlagenergie führt zur Verformung des Fügestoßes und auch zur Lockerung der gerade erzeugten Fügeverbindung. Durch die Vorwärmung des Fügebereichs kann die aufzubringende Schlagenergie wesentlich verringert werden, sodass die Restschlagenergie nicht zu einer Verformung der Werkstücke führt. Gerade bei einseitig wirkenden Verfahren muss die Restenergie von der Bauteilsteifigkeit abgefedert werden, ohne dass es zu einem Bauteilverzug kommt. Daher ist es wichtig, die notwendige Fügekraft zu senken und die Bauteilsteifigkeit weitestgehend aufrecht zu erhalten. Letzteres wird durch eine Erwärmung eines räumlich eng begrenzten Bereichs der Werkstücke erreicht.

Besonders günstig ist es, dass mittels des Laserstrahls in den Werkstücken eine insbesondere schlauchförmige Zone erzeugt wird. Hierdurch wird es möglich, dass mittels eines sogenannten Tiefschweißeffektes die Temperatur leicht und schnell in die Tiefe der Werkstücke geleitet werden kann. Bei hohen Strahlintensitäten eines Laserstrahls bildet sich in der Schmelze in Strahlrichtung eine Dampfkapillare - ein mit Metalldampf beziehungsweise teilionisiertem Metalldampf gefüllter, schlauchförmiger Zone, auch Keyhole genannt - in der Tiefe des Werkstücks aus. Der Werkstoff wird dadurch auch in der Tiefe aufgeschmolzen, die Zone kann tiefer als breit sein. Die Dampfkapillare erhöht aufgrund von Mehrfachreflexionen an den Wandungen die Absorption der Laserstrahlung im Material, wodurch ein großes Schmelzvolumen erzeugt werden kann. Die schnell und in die Tiefe der Werkstücke eingebrachte Energie und die daraus erzeugte Wärme ermöglichen es, die notwendige Fügekraft weiter zu reduzieren. Durch Veränderung der Laserparameter kann die eingebrachte Wärmemenge exakt gesteuert werden. Hierdurch lässt sich ein gewünschtes Wärmefeld erzeugen und die Materialeigenschaften der Werkstücke, zum Beispiel die Härte, einstellen. Die Materialeigenschaften ändern sich insofern, als dass bei warmen Materialien die Streckgrenze herabgesetzt wird. Die Reduzierung der Streckgrenze ist umgekehrt proportional zur Temperatur des Werkstoffs - je wärmer, desto geringer die Streckgrenze. Die Temperatur in dem zylinderförmigen Wärmefeld nimmt nach dem Ende der Lasereinwirkung, abhängig von den Werkstoffeigenschaften und der verstrichenen Zeit, ab. Kurz nach der Vorbehandlung der Werkstücke durch den Laserstrahl ist deren Streckgrenze am geringsten. Mittels des Laserstrahls wird in den Werkstücken in einer, insbesondere schlauch- und/oder zylinderförmigen Zone die Temperatur erhöht und somit eine Zone mit geringer Streckgrenze erzeugt.

Die wärmebeeinflusste Zone bildet sich in einer zylindrischen Form in den zu fügenden Werkstücken aus, wobei in der wärmebeeinflussten Zone das Material eine geringe Streckgrenze hat und an den Rändern der wärmebeeinflussten Zone sich härteres Material befindet. Besonders günstig ist es, dass das Fügeelement beim Eindringen in die Werkstücke von der Zone geführt wird. Hierdurch wird es möglich, die notwendige Fügekraft weiter zu reduzieren. Die Gefahr des Ausweichens des Fügeelements und/oder eines Fehleintriebs ist bei einer derartig ausgebildeten Zone gering.

Vorteilhaft ist es, dass die Werkstücke von dem Fügeelement vollständig durchdrungen werden. Hierdurch wird es möglich, dass von den Materialien, die nicht die Schmelzgrenze überschreiten, ein Teil von dem Fügeelement durch die Werkstücke durchgeschoben wird und beim Austritt aus den Werkstücken einen Auszug ähnlich eines Vulkankegels bilden. Bei der Abkühlung der Werkstücke findet eine Materialschrumpfung statt, sodass der Auszug sich enger als beim bisherigen Stand der Technik an das Fügeelement anlegt und somit eine feste Verbindung entsteht.

Weiterhin vorteilhaft ist es, dass an einer Fügestelle zunächst der Laserstrahl auf die Werkstücke einwirkt, dann die Einwirkung des Laserstrahls auf die Fügestelle beendet wird, anschließend das Fügewerkzeug über der Fügestelle positioniert wird und dann das Fügeelement mittels des Fügewerkzeugs in die Werkstücke eingesetzt wird. Hierdurch wird es möglich, nacheinander an einzelnen Fügestellen erfindungsgemäß das Fügeelement in die Werkstücke einzusetzen. Eine Bewegungseinheit verfährt dazu das als Schussgerät ausgebildete Fügewerkzeug in eine Position über der zuvor von dem Laserstrahl erwärmten Fügestelle und setzt das Fügeelement in die Werkstücke ein. Für das Vorwärmen wird der Laserstrahl 20 bis 2.000 Millisekunden auf die Fügestelle gerichtet. Das Fügewerkzeug wir dann innerhalb von 100 bis 1.000 Millisekunden verfahren. Für das Setzen des Fügeelements wird eine Zeitspanne von 1 bis 100 Millisekunden benötigt.

Vorteilhaft ist es, dass an einer ersten Fügestelle zunächst der Laserstrahl auf die Werkstücke einwirkt, dann die Einwirkung des Laserstrahls auf die erste Fügestelle beendet wird, anschließend die Vorrichtung relativ zu den Werkstücken derart bewegt wird, dass das Fügewerkzeug über der ersten Fügestelle positioniert wird und dann, während an einer zweiten Fügestelle der Laserstrahl auf die Werkstücke einwirkt, das Fügeelement mittels des Fügewerkzeugs an der ersten Fügestelle in die Werkstücke eingesetzt wird. Hierdurch wird es möglich, dass ein intermittierender Ablauf der beiden Prozesse - Erwärmen der Fügestelle und Setzen des Fügeelements - erreicht wird. So ist es möglich, die Prozessgeschwindigkeit zu erhöhen und die Taktzeit herabzusetzen. Der Laserstrahl wärmt die zweite Fügestelle vor, während das Fügeelement an der ersten, bereits vorgewärmten Fügestelle gesetzt wird.

Es ist weiterhin günstig, dass der Laserstrahl kontinuierlich, ohne Unterbrechung auf die Werkstücke einwirkt, wobei der Laserstrahl relativ zu den Werkstücken bewegt wird, während gleichzeitig das Fügewerkzeug, dem Laserstrahl nachlaufend, zyklisch über den Fügestellen positioniert wird und dann das Fügeelement mittels des Fügewerkzeugs in die Werkstücke eingesetzt wird. Hierdurch wird es möglich, dass die Prozessgeschwindigkeit gegenüber den vorstehend genannten Verfahren erhöht werden kann. Der Laserstrahl wärmt ohne Unterbrechung bei einer kontinuierlichen Bewegung entlang einer Zone die Werkstücke vor. Das in Verfahrrichtung nachlaufende Setzen des Fügeelements verläuft zyklisch und proportional zur Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls. Durch die Einstellbarkeit der Setzfrequenz kann der Abstand der Fügeelemente beeinflusst werden. Das Fügeelement trifft beim Setzen dann nicht auf eine Fügestelle mit einem erwärmten Bereich zylindrischer Form, sondern auf eine Zone mit einer beliebeigen Anzahl an Fügestellen, wobei die Zone als ein spaltförmiger Bereich in den Werkstücken ausgebildet ist. Diese Fügefuge ermöglicht genauso wie der Zone eine Führung des Fügeelements. Je dichter die beiden Prozesse der Erwärmung und des Setzens geometrisch zusammenliegen, desto geringer ist die notwendige Fügekraft, die aufgewendet werden muss, um das Fügeelement in die Werkstücke einzutreiben. Weiterhin ist die Fügekraft des Fügeelements auch von der Vorschubgeschwindigkeit abhängig. Je schneller der Prozess gefahren wird, desto weicher ist das Material an der Fügestelle. Das Material der Werkstücke ist ein Naturwerkstoff, beispielsweise Leder oder Wollgewebe, ein Kunststoff oder ein Metall, wie Aluminium oder Eisen, jedoch vorzugsweise aus Stahlblech.

Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, die eine Laserquelle zum Aussenden eines Laserstrahls aufweist. Hierdurch ist es möglich, die zu fügenden Werkstücke mittels des Laserstrahls vor dem Fügen zu erwärmen und so die für das Fügen notwendige Fügekraft zu minimieren.

Günstig ist es, dass das Fügewerkzeug und die Laserquelle gemeinsam mit der Vorrichtung beweglich sind. Hierdurch ist es möglich, den Aufwand der Maschineneinrichtung zu reduzieren und eine geringere Taktzeit für den gesamten Fügevorgang zu erzielen.

Von Vorteil ist es, dass das Fügewerkzeug und die Laserquelle an der Vorrichtung unabhängig voneinander beweglich sind. Hierdurch ist ein kontinuierliches und/oder zyklisches Arbeiten von Laserstrahl und Fügewerkzeug gleichzeitig möglich. Darüber hinaus ist es möglich, den Laserstrahl und das Fügewerkzeug schneller und präziser zu positionieren als es im Stand der Technik bekannt ist.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Fügestelle 7, an der mittels eines Laserstrahls 5 Energie in die Werkstücke 1, 2, 3 eingetragen wird;

Fig. 2 die Fügestelle 7, an der in die Werkstücke 1 , 2, 3 ein Fügeelement 4 eingesetzt wird; Fig. 3 die Fügesteile 7 nach dem Fügevorgang;

Fig. 4 die Werkstücke 1, 2, 3 mit den Fügestellen 7, 8, 9;

Fig. 5 die Werkstücke 1, 2, 3 mit den Fügestellen 7, 8, 9 als Teil einer Zone 6.

Figur 1 , 2 und 3 zeigen eine Fügestelle 7, an der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Werkstücke 1 , 2, 3 zusammengefügt werden. Zum Fügen werden die Werkstücke 1 , 2, 3 überlappend übereinander angeordnet und mit einem in die Werkstücke 1 , 2, 3 einzubringenden Fügeelement 4 verbunden. Vor dem Einsetzen des Fügeelements 4 in die Werkstücke 1 , 2, 3 an der der Fügestelle 7 wird in die Fügestelle 7 mittels eines Laserstrahls 5 Energie eingetragen. Hierdurch werden die Werkstücke 1 , 2, 3 erwärmt und die Streckgrenze der Werkstoffe der Werkstücke 1 , 2, 3 heruntergesetzt. Die geringere Streckgrenze ermöglicht es, dass das Fügeelement 4 unter Aufbringung einer gegenüber bekannten Verfahren geringen Fügekraft in die Werkstücke 1, 2, 3 eingesetzt werden kann.

Die durch den Laserstrahl 5 wärmebeeinflusste Zone 6 bildet sich in einer zylindrischen Form in den zu fügenden Werkstücken 1, 2, 3 aus. Dabei hat das Material im Inneren der Zone 6 eine geringe Streckgrenze und an den Rändern der Zone 6 befindet sich härteres Material. Beim Eindringen des Fügeelements 4 in Richtung des Pfeils 11 in die Werkstücke 1 , 2, 3 wird das Fügeelement 4 von der Zone 6 geführt. Hierdurch wird es möglich, die notwendige Fügekraft zu reduzieren und die Gefahr eines Ausweichens des Fügeelements 4 und/oder eines Fehleintriebs in die Werkstücke 1 , 2, 3 zu verringern.

Figur 4 zeigt die Werkstücke 1 , 2, 3, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens an den Fügestellen 7, 8, 9 zusammengefügt werden. Das Fügen der Werkstücke 1 , 2, 3 erfolgt wie in den Figuren 1 bis 3 beschrieben. Im Gegensatz zu den seriell ablaufenden Vorgängen, die in den Figuren 1 bis 3 beschrieben wurden, zeigt die Figur 4 einen Fügevorgang, bei dem, während an der Fügestelle 7 die Werkstücke 1, 2, 3 mittels der Energie des Laserstrahls 5 erwärmt werden, gleichzeitig an der Fügestelle 8 das Fügeelement 4 in Richtung des Pfeils 11 in die Werkstücke 1, 2, 3 eingesetzt wird. An der Fügestelle 9 ist ein bereits in die Werkstücke 1 , 2, 3 eingesetztes Fügeelement 4 gezeigt. Der Laserstrahl 5 kann auch hier einer Zone 6 in den Werkstücken 1, 2, 3 erzeugen. Die Bewegung der hier nicht gezeigten Vorrichtung mit dem Laserstrahl 5 und dem ebenso nicht gezeigten Fügewerkzeug erfolgt relativ zu den Werkstücken 1 , 2, 3 in Richtung des Pfeils 10. Diese Richtung wird auch Vorschubrichtung genannt.

Figur 5 zeigt wie die Figuren 1 bis 4 die Werkstücke 1, 2, 3, die zum Fügen überlappend übereinander angeordnet sind. Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Fügevorgängen wird hier der Laserstrahl 5 kontinuierlich in die durch Pfeil 10 angegebene Vorschubrichtung bewegt. Dabei bildet sich eine spaltförmige Zone 6 in den Werkstücken 1, 2, 3 aus. Das Material der Werkstücke 1 , 2, 3 in der Zone 6 weist eine geringe Streckgrenze auf. An den Rändern der Zone 6 befindet sich härteres Material, sodass die spaltförmige Zone 6 für die Fügeelemente 4 beim Einsetzten in die Werkstücke 1, 2, 3 als Führung dienen kann. Das in Verfahrrichtung nachlaufende Setzen des Fügeelements 4 verläuft zyklisch und proportional zur Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 5. Durch die Einstellbarkeit der Setzfrequenz kann der Abstand mehrerer Fügeelemente 4 beeinflusst werden. Je dichter die beiden Prozesse der Erwärmung und des Setzens geometrisch zusammenliegen, desto geringer ist die notwendige Fügekraft, die aufgewendet werden muss, um das Fügeelement 4 in die Werkstücke 1, 2, 3 einzutreiben. Weiterhin ist die Fügekraft des Fügeelements 4 auch von der Vorschubgeschwindigkeit abhängig. Je schneller der Prozess gefahren wird, desto weicher ist das Material an der Fügestelle 8.