Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Indukti ^¬ onsschweißen von Faser-Kunststoff-Verbunden mit einem thermoplastischen Matrixmaterial und eine Schweißvorrich ^¬ tung .

Es ist bekannt, kohlenstofffaserverstärkte thermoplasti ^¬ sche Faserverbundwerkstoffe mittels Induktionsschweißen stoffschlüssig zu fügen, wobei diese Fügetechnik eine schnelle lokal begrenzte Erwärmung der Fügestelle bei ei ^¬ ner von der Bauteilgeometrie weitgehend unabhängigen Fle ^¬ xibilität und einem relativ geringen Investitionsaufwand ermöglicht .

In der Regel wird beim Induktionsschweißen ein in die Fü ^¬ gezone eingelegter Schweißzusatzwerkstoff verwendet, der in Form von Partikeln oder metallischen Strukturen ausge ^¬ bildet sein kann, wobei durch den Schweißzusatzwerkstoff fremdes Material, also ein von den zu fügenden Werkstof ^¬ fen verschiedener Werkstoff, in die Verbindung einge ^¬ bracht wird, wodurch die Gefahr einer Schädigung des Ver ^¬ bindungsbereichs, insbesondere der Schweißnaht, bei- spielsweise durch thermisch induzierte Spannungen oder Korrosion, beststeht.

Auf die Verwendung des Schweißzusatzwerkstoffes kann bei ^¬ spielsweise verzichtet werden, wenn eine hinreichend elektrisch leitfähige Verstärkungsstruktur mit einer ver ^¬ hältnismäßig großen Anzahl an Kreuzungspunkten ihrer Fa ^¬ serbündel vorliegt, da in diesem Fall die Verstärkungs ^¬ struktur als Heizelement verwendet werden kann, wobei zu beachten ist, dass nunmehr keine selektive Erwärmung der Fügezone stattfindet, sondern das Laminat im Bereich der Fügezone vollständig über seine Dicke erwärmt wird. Diese Durchwärmung des zu verschweißenden Werkstoffs ist inso ^¬ fern problematisch, als beim Erreichen der Schmelztempe ^¬ ratur des Matrixmaterials eine Delamination des zu ver ^¬ schweißenden Werkstoffs mit einer Vereinzelung der Lagen des Laminats erfolgt.

Erfolgt das Verschweißen mittels eines beabstandet zur Fügezone angeordneten Induktors, besteht die Gefahr einer thermischen Schädigung an der dem Induktor benachbarten Laminatoberfläche und eine anschließende Rekonsolidierung führt zu einem unerwünschten Austrieb von Matrixmaterial und einer Deformation des Laminats.

Die DE 10 2005 018 478 AI offenbart ein Verfahren zum kontinuierlichen Induktionsschweißen von Bauteilen aus Metall und/oder Kunststoff bzw. KunstStofffaserstrukturen unter zumindest lokaler Druckbeaufschlagung mittels einer Anpressvorrichtung, wobei mindestens in einer Schweißzone ein elektrisch leitender Werkstoff vorhanden ist und ein Induktor eine Erwärmung der Schweißzone bewirkt. Die Er- wärmung der Schweißzone und deren Druckbeaufschlagung er ^¬ folgt gleichzeitig. Der Induktor ist in die Anpressvor ^¬ richtung integriert, die zumindest eine die Schweißzone beaufschlagende Druckrolle umfasst.

Die US-A-4 992 133 beschreibt eine Induktionsschweißvor ^¬ richtung mit einem Induktor und einer zugeordneten Küh ^¬ leinrichtung .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schweißvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die bei einer Induktionsschweißverbin ^¬ dung ohne Schweißzusatzwerkstoffe die Gefahr einer ther ^¬ mischen Schädigung an der dem Induktor benachbarten Ober ^¬ fläche der zu verbindenden Bauteile und eine anschließen ^¬ de Rekonsolidierung verhindert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.

Bei einem Verfahren zum Induktionsschweißen von Faser- Kunststoff-Verbunden mit einem thermoplastischen Matrix ^¬ material, wird ein Induktor über die Fügezone der zu ver ^¬ schweißenden Bauteile geführt und eine Kühleinrichtung dem Induktor nachgeführt oder gemeinsam mit dem Induktor geführt, wobei mittels der Kühleinrichtung die dem Induk ^¬ tor zugewandte Oberfläche des Faser-Kunststoff-Verbundes derart gekühlt wird, dass sie nicht aufgeschmolzen wird. Mittels des Induktors, der dem Fachmann auf dem Gebiet des Induktionsschweißens bekannt ist, wird die Fügezone der zu verschweißenden Bauteile erwärmt, bis das thermo ^¬ plastische Matrixmaterial schmelzflüssig ist. Anschlie ^¬ ßend wird unmittelbar nach dem Induktionsprozess die Oberfläche der zu verbindenden Bauteile durch die dem In ^¬ duktor nachgeführte Kühleinrichtung gekühlt, um die Ober ^¬ flächentemperatur in einem definierten Temperaturbereich zu halten und damit eine Delamination des zu verschwei ^¬ ßenden Faser-Kunststoff-Verbundes mit einer einhergehen ^¬ den Vereinzelung der Lagen des Laminats des Bauteils zu verhindern. Alternativ kann die Kühleinrichtung auch mit dem Induktor geführt werden und kühlt demnach die Ober ^¬ fläche an der Stelle, die im Inneren erwärmt wird. Bei dem verfahrensgemäßen Induktionsschweißen ist es nicht erforderlich einen Schweißzusatzwerkstoff zu verwenden. Die an sich nachteilige Durchwärmung des Bauteils bei ei ^¬ nem fehlenden Schweißzusatzwerkstoff wird durch die un ^¬ mittelbar auf die Erwärmung oder mit der Erwärmung fol ^¬ gende Kühlung der Oberfläche des Bauteils kompensiert, da durch die Kühlung der Oberfläche die Gefahr der thermi ^¬ schen Schädigung an der dem Induktor benachbarten Lami ^¬ natoberfläche und eine anschließende Rekonsolidierung, die zu einem unerwünschten Austrieb von Matrixmaterial und einer Deformation des Laminats führt, verhindert ist. Durch das Verfahren wird die durch eine Formgebung er ^¬ zielte Geometrie sowie im Fall eines teilkristallinen Matrixmaterials vorhandene Kristallinität nicht verän ^¬ dert. Im Weiteren wird das Bauteil nicht vollständig über seine Dicke aufgeschmolzen und verfügt daher über eine Steifigkeit, die ein nachfolgendes Konsolidieren und ein Einspannen des Bauteils zum Verschweißen wesentlich ver- einfacht, da durch die nicht aufgeschmolzenen Lagen Kräf ^¬ te übertragen werden. Darüber hinaus ist durch die ge ^¬ zielte Kühlung eine unerwünschte Veränderung des Zustan- des der Oberfläche des Bauteils vermieden, auch bei der Verwendung einfacherer Spannelemente, was sich insbeson ^¬ dere bei aerodynamisch anspruchsvollen Bauteilen positiv auf die Beschaffenheit der Oberfläche auswirkt. Entgegen dem Stand der Technik wird die Oberfläche nicht aufge ^¬ schmolzen, da während des induktiven Erwärmens ausrei ^¬ chend gekühlt wird.

In Ausgestaltung wird durch ein aus der Kühleinrichtung ausströmendes Kühlmedium die dem Induktor zugewandte Oberfläche gekühlt. Bei dem Kühlmedium handelt es sich um ein Fluid, das die zu kühlende Oberfläche überströmt. Hierbei kommt es bei einer entsprechenden Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit zu keiner Kraftbeaufschlagung der Oberfläche und demnach auch nicht zu einer Deformati ^¬ on. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass durch das Kühlmedium die dem Induktor abgewandte Oberfläche ge ^¬ kühlt wird. Erfolgt eine beiderseitige Kühlung der mitei ^¬ nander zu verschweißenden Bauteile, dann ist lediglich das thermoplastische Matrixmaterial an der Grenzfläche der überlappend miteinander zu verbindenden Bauteile schmelzflüssig, also an den sich berührenden Oberflächen, die miteinander verbunden werden sollen.

Nach einer Weiterbildung wird die gekühlte Oberfläche durch eine Anpressvorrichtung beaufschlagt. Die abgekühl ^¬ te und damit relativ druckfeste Oberfläche wird durch die beispielsweise eine Anpressrolle und eine Gegenrolle um ^¬ fassende Anpressvorrichtung beaufschlagt, um das plasti- fizierte Matrixmaterial der zu fügenden Bauteile zu ver ^¬ binden und gleichzeitig die einzelnen Lagen des Faser- Kunststoff-Verbundes miteinander zu verpressen.

Zweckmäßigerweise wird als Kühlmedium Druckluft, Inertgas oder eine Flüssigkeit verwendet.

Zur Einstellung eines bestimmten Temperaturbereiches an der Oberfläche wird vorzugsweise das Kühlmedium tempe ^¬ riert, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur der Oberfläche der zu verschweißenden Bauteile in der Fü ^¬ gezone .

Um die Oberfläche beim Erwärmen der zu verschweißenden Bauteile nicht zu verändern, wird bevorzugt der Induktor beabstandet zu der Oberfläche über die Fügezone der zu verschweißenden Bauteile geführt.

Eine Schweißvorrichtung, insbesondere zur Durchführung des zuvor erläuterten Verfahrens, umfasst einen Induktor zur Erwärmung eines thermoplastischen Matrixmaterials ei ^¬ nes Faser-Kunststoff-Verbundes in einer Fügezone zu ver ^¬ schweißender Bauteile, wobei dem Induktor eine Kühlein ^¬ richtung zum Austrag eines Fluides nachgeordnet oder zu ^¬ geordnet ist.

Der Induktor und die Kühleinrichtung können in ein ge ^¬ meinsames Bauteil integriert sein bzw. mit einem gemein ^¬ samen Handhabungsgerät über die Fügezone der zu ver ^¬ schweißenden Bauteile geführt werden, sodass Induktions ^¬ schweißen mit dem unmittelbaren Kühlen der Oberfläche re ^¬ lativ schnell und aufgrund eines verhältnismäßig geringen apparativen Aufwandes kostengünstig zu realisieren ist. Hierbei ist es auch möglich, die Kühleinrichtung derart in den Induktor zu integrieren, dass beim Erwärmen des thermoplastischen Matrixmaterials die der Kühleinrichtung zugewandte Oberfläche gekühlt wird. Es ist möglich, das Fluid durch den Induktor hindurch zu leiten bzw. die Küh ^¬ leinrichtung in den Induktor einzusetzen.

Um die Oberfläche zu kühlen, strömt zweckmäßigerweise das Fluid aus der Kühleinrichtung auf die dem Induktor zuge ^¬ wandte und/oder abgewandte Oberfläche der Fügezone der zu verschweißenden Bauteile. Sonach ist die Oberfläche der zu koppelnden Bauteile formstabil für die nachfolgenden Fertigungsschritte und ein Delaminieren oder dergleichen bzw. eine thermische Schädigung der Bauteile ist wirksam verhindert .

Zum gerichteten Austrag des Fluides aus der Kühleinrich ^¬ tung umfasst die Kühleinrichtung mindestens eine Düse zum gerichteten Ausströmen von Druckluft oder einem Inertgas oder einer Flüssigkeit als Kühlmedium. Die Düse kann sich beispielsweise im Zentrum des Induktors befinden oder be ^¬ abstandet zu diesem angeordnet sein.

Damit an der zu kühlenden Oberfläche ein definierter Tem ^¬ peraturbereich eingestellt werden kann, ist bevorzugt ei ^¬ ne Regeleinrichtung für die Menge und/oder Temperatur des Kühlmediums der Kühleinrichtung zugeordnet. Bevorzugt ist ein Thermometer oder Pyrometer zur Erfassung der Tempera ^¬ tur der Oberfläche in der Fügezone mit der Regeleinrich ^¬ tung verbunden. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Kühleinrichtung eine, insbesondere als mindestens eine Anpressrolle aus ^¬ gebildete, Konsolidierungsvorrichtung nachgeordnet.

Im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Verfahren wird ein Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbund mit einem thermoplastischen Matrixmaterial verwendet. Die Kohlen ^¬ stofffaser ist zum Induktionsschweißen hinreichend leit ^¬ fähig und weist eine verhältnismäßig hohe Anzahl Kreu ^¬ zungspunkte auf, um eine zum Verschweißen erforderliche Erwärmung des Matrixmaterials aufgrund von Widerstands ^¬ verlusten durch die Induktion von Wirbelströmen zu erzie ^¬ len .

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nach ^¬ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Ausfüh ^¬ rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörige

Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer An ^¬ ordnung mit einer Schweißvorrichtung für die Durchführung des Verfahrens und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer An ^¬ ordnung nach Fig. 1 in alternativer Aus ^¬ gestaltung . Die Schweißvorrichtung 1 umfasst einen mit einem Genera ^¬ tor 2 verbundenen Induktor 3, dem eine Kühleinrichtung 4 nachgeordnet ist, wobei die Richtungsangaben relativ auf den Induktor 3 bzw. dessen durch einen Pfeil 15 darge ^¬ stellte Vorschubrichtung bezogen sind.

Die Kühleinrichtung 4 umfasst im Wesentlichen eine auf die dem Induktor 3 zugewandte Oberfläche 5 der zu über ^¬ lappend zu verbindenden Bauteile 6 gerichtete Düse 7 zum Austrag eines Fluides zur Kühlung der durch den induzier ^¬ ten Wirbelstrom erwärmten Oberfläche 5, wobei das Fluid in einem Vorratsbehälter 8 bevorratet ist, der über eine Regeleinrichtung 9 für die Menge bzw. Temperatur des Flu ^¬ ides mit der Düse 7 in Strömungsverbindung steht. Zur Re ^¬ gelung der Temperatur ist im Bereich der Düse 7 ein Ther ^¬ mometer 10 vorgesehen, das mit der Regeleinrichtung 9 ge ^¬ koppelt ist und eine oberflächennahe Temperatur des Bau ^¬ teils 6, das aus einem Kohlenstofffaser-Verbund- Kunststoff mit einem thermoplastischen Matrixmaterial be ^¬ steht, erfasst.

Der Düse 7 der Kühleinrichtung 4 kann eine Anpressrolle 11 mit einer Gegenrolle 12 einer Konsolidierungsvorrich ^¬ tung 13 nachgeordnet sein. Im Weiteren ist es möglich, auch die dem Induktor 3 abgewandte Oberfläche 5 mittels einer weiteren Düse 7 zum Austragen des Kühlmittels zu kühlen .

Durch die Induktion der Wirbelströme in die Fügezone 14 der zu verschweißenden Bauteile 6 erfolgt aufgrund der Widerstandsverluste eine Durchwärmung der Bauteile 6. Da unmittelbar nach dem Induktor 3 die Kühlmittel ausströ- mende Düse 7 über die Fügezone 14 geführt wird, erfolgt eine Abkühlung der Oberfläche 5 der Bauteile 6, wodurch eine thermische Schädigung, insbesondere eine Delaminati- on der Bauteile 6 verhindert ist.

Selbstverständlich kann die Kühleinrichtung 4 auch in den Induktor 3 integriert sein, wie in Fig. 2 dargestellt ist, und die Oberfläche 5 der Bauteile 6 in der Fügezone 14 beim Erwärmen kühlen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Hierbei ist es möglich, den Induktor 3 quasi als Wendel zu gestalten und die Düse 7 zum Austragen des Kühlmittels in dessen Zentrum zu platzieren. Um auch unmittelbar in Induktions- und Kühlbereich die oberflächennahe Tempera ^¬ tur zu messen, befindet sich auch das mit der Regelein ^¬ richtung 9 gekoppelte Thermometer 10 innerhalb des zent ^¬ ralen Freiraums des Induktors 3. Die Temperatur der dem Induktor 3 zugewandten Oberfläche 5 der Bauteile 6 wird in der Fügezone 14 derart eingestellt, dass sie nicht aufgeschmolzen wird. Eine Erwärmung zum Schweißen findet in einer größeren Tiefe beabstandet zur Oberfläche 5 statt. Eine Veränderung des Zustandes der Oberfläche 5 des Bauteils 6 wird vermieden.

Bezugszeichenliste

1. Schweiß orrichtung

2. Generator

3. Induktor

4. Kühleinrichtung

5. Oberfläche

6. Bauteil

7. Düse

8. Vorratsbehälter

9. Regeleinrichtung

10. Thermometer

11. Anpressrolle

12. Gegenrolle

13. KonsolidierungsVorrichtung

14. Fügezone

15. Pfeil