CN109963680B - 至少两个构件的复合构件和用于制造形锁合和/或力锁合接合的复合构件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种至少两个构件(2、3)的复合构件，所述构件在至少一个接合位置处接合。该复合构件包括第一构件(2)，在接合位置处第一接合辅助元件(4)以保持区段(12)压入第一构件(2)中的通孔(6)中；该复合构件包括第二构件(3)，在其中在接合位置处构造有固定容纳区段(17)，第一接合辅助元件(4)还具有固定区段(13)，该固定区段形锁合和/或力锁合地嵌入第二构件(3)的固定容纳区段(17)中。本发明还涉及一种用于制造该复合构件的方法。

Description

至少两个构件的复合构件和用于制造形锁合和/或力锁合接 合的复合构件的方法

技术领域

本发明涉及一种至少两个构件的复合构件和一种用于制造形锁合和/或力锁合接合的复合构件的方法。

背景技术

随着在车辆制造中越来越多地使用轻质结构材料、如轻金属(如铝、镁及其合金)或纤维复合塑料，必须越来越频繁地将由不同材料制成的构件彼此接合成复合构件。这基于不同的材料特性是有问题的并且使许多既定接合过程达到其极限。

为了接合铝构件与钢构件，从现有技术已知使用接合辅助元件，这些接合辅助元件以铆钉的形式引入第一构件中并且可与第二构件的材料焊接。然后通过将第二构件借助电阻点焊与接合辅助元件接合来制造复合构件。为此例如参见专利文献DE 10015713 A1。这里的缺点在于必须能够在两侧接近复合构件以进行焊接过程。

此外，已知通过力锁合或形锁合连接、如螺纹连接、铆接、卡扣连接等来制造复合构件。但根据待彼此连接的构件的材料，这些方法也只能有限使用并且不能达到所需的强度。

发明内容

在此背景下，本发明的任务在于提供一种用于制造复合构件的可能性，其可用于各种材料组合并且与现有技术相比得到改进或至少具有优势。

提出一种包括第一构件和至少一个第二构件的复合构件，所述构件在至少一个接合位置处接合。在接合位置处第一接合辅助元件以保持区段压入第一构件中的通孔中并且在第二构件中在接合位置处构造有固定容纳区段。第一接合辅助元件还具有固定区段，该固定区段形锁合和/或力锁合地嵌入第二构件的固定容纳区段中。

所提出的复合构件的实施方式在待连接构件的材料方面能实现尽可能大的灵活性。接合辅助元件在其固定区段或固定容纳区段的材料和形状方面可在很大程度上独立于构件材料地相互匹配。接合辅助元件的压入可独立于构件的实际接合过程进行。然后为了接合构件只还需要单侧可接近性。

固定容纳区段可构造在第二构件的基础材料中。在一种优选实施例中，固定容纳区段是第二接合辅助元件的一部分，该第二接合辅助元件在接合位置处以保持区段压入第二构件中的通孔中。

通孔例如可通过切削或冲压形成并且优选具有闭合的孔轮廓或截面轮廓。在构件表面，通孔分别通过边缘区域界定。接合辅助元件与第一构件横向于接合轴线形锁合和/或力锁合地连接。通孔的孔几何形状和接合辅助元件的外部几何形状至少部分相应地相互匹配。

在一种优选实施方式中，第一构件中或第二构件中或第一构件和第二构件中的通孔的孔壁的至少一个边缘区域具有环绕的冲压部，接合辅助元件的保持区段嵌入且优选压入所述冲压部中。在冲压部的区域中孔横截面增大，例如通孔直径在倒角区域中增大。接合辅助元件的被压入的保持区段在冲压部的区域中形成底切，该底切在一个方向上形锁合地固定接合辅助元件以防止其被压过通孔。与在冲压部的区域中减小的构件厚度对连接强度有不利影响的推测相反，已表明，可实现令人惊讶的高强度。在此推测原因在于冲压过程，这导致在冲压部的边缘区域中的材料加固，该材料加固结合随后保持元件的压入进一步增强。另外已证明，通过引入冲压部也减少了氢脆并且可克服该区域中的边缘裂纹敏感性。

冲压部可构造在一侧。冲压部例如可在通孔深度的最多20％上、最多40％或最多通孔深度的一半上延伸。也可有利的是，冲压部延伸超过通孔深度的50％并且尤其是超过60％。

已证明特别有利的是，在一种实施方式中，冲压部构造为环绕的倒角。在倒角的区域中孔壁相对于通孔的纵向轴线倾斜并且通孔的直径在倒角的区域中朝向通孔的边缘连续增大。在倒角的区域中孔壁例如可以一个角度相对于通孔的纵向轴线倾斜，该角度在30至60度的范围内或在40至50度的范围内并且尤其可以是45度。

在一种实施方式中，该效果可用于一个或多个构件的两侧，为此在孔壁的两个边缘区域上冲压出环绕的冲压部或倒角，接合辅助元件的保持区段嵌入其中。冲压部或倒角可对称地构造，从而在通孔的两侧上形成相同的冲压部或倒角，或者冲压部或倒角可不对称地构造，即具有不同的形状或角度和/或不同的深度。

通孔和/或冲压部例如可具有圆形横截面或替代横截面。因此，如果孔横截面和/或冲压部横截面具有例如锯齿形或多边形形状或具有冲压部的通孔构造成冠状，则可简化粘合剂的引入。

接合辅助元件的保持区段是指接合辅助元件的在负荷情况下可向构件传递力的区段。有利的是，处于压入状态中的保持区段的厚度可小于或基本上等于构件的厚度。表述“基本上等于”在此情况下应理解为被压入之后的保持元件的厚度等于构件的厚度或者由制造引起例如可比构件厚度厚零点几毫米。具有冲压部或倒角的通孔提供了下述可能性，即保持元件形锁合且力锁合地在接合轴线方向上固定在构件中，从而保持区段例如可构造成无头的、即没有侧向突出于通孔直径的区段。有利的是，保持区段可具有易于制造的几何形状并且例如构造成圆柱形的。

在一种实施方式中，第一接合辅助元件的保持区段、第二接合辅助元件的保持区段或两个保持区段完全容纳在通孔中，即，相应构件和保持区段之间的力传递仅在通孔的孔壁上进行。为此保持区段例如可与构件表面齐平或相对于构件表面向通孔内后缩。

此外，在将接合辅助元件压入构件时可附加地在保持区段和孔壁之间引入中间层元件、如用于防止接触腐蚀的薄膜或粘合剂层。

接合辅助元件可与中间层元件和/或接合辅助元件压入其中的构件附加地材料锁合地连接。

构件之间的力锁合或形锁合连接间接地通过相互嵌接的固定区段和固定容纳区段实现。在一种实施方式中，第一接合辅助元件的固定区段和第二接合辅助元件的固定容纳区段作为连接配合件以卡扣连接的方式共同作用。在接合卡扣连接时，通常两个连接配合件之一或两个连接配合件弹性变形，由此连接配合件可从彼此旁运动经过并且随后形锁合地相互卡锁。这种连接非常稳定，但可拆卸。有利的是，卡扣连接的接合不需要特殊工具，而是例如可通过接合构件的运动来实现。

在一种替代实施方式中，第一接合辅助元件的固定区段不可拆卸地被压入第二接合辅助元件的固定容纳区段中。术语“不可拆卸”在此理解为构件连接只能通过破坏或损坏接合辅助元件或构件来分离。固定区段的压入例如可借助适合的压制工具以铆接的方式进行。为此固定区段例如可构造为销状元件或压缩管并且固定容纳区段例如可构造为具有底切的缺口。可附加地设置粘合等。固定区段和固定容纳区段例如可已经在压入过程之前形成或者也可在压入期间通过相应成形的压制工具形成。

构件优选可由金属板材、如钢板、铝板或镁板、或板状材料、如纤维增强塑料、如碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料制成，或者可以是有机板。原则上也可以是铸件或型材件，其在接合位置处构造成板状。上述构件连接例如特别适合于0.5mm至5mm范围内的材料厚度、尤其是也适合于厚度为2.99mm或更小的薄板或薄皮。

在一种有利实施方式中，第一和/或第二构件由轻质材料、如铝(合金)或纤维复合塑料制成并且接合辅助元件由钢制成。

构件优选可以是车辆构件。复合构件优选是组合构件(夹层钩件)并且尤其是车身构件。但也可以例如是底盘构件或内饰构件。

复合构件可具有唯一的接合位置，但优选构件在多个接合位置处彼此连接。多个接合位置可以相同或不同地构造。

复合构件还可包括第三构件或其他构件，它们也借助所述方法或其它已知接合方法连接。

此外，提出一种用于制造至少两个构件的复合构件的方法，所述构件在至少一个接合位置处接合。该方法包括下述步骤：

-在第一构件中的至少一个接合位置处制造通孔；

-将第一接合辅助元件这样压入第一构件中的通孔中，使得第一接合辅助元件的保持区段与孔壁力锁合和/或形锁合地连接，所述接合辅助元件还具有固定区段；

-将固定容纳区段引入第二构件中的至少一个接合位置中；

-将第一构件相对于第二构件定位和定向；

-将固定区段与固定容纳区段接合在一起，使得它们力锁合和/或形锁合地彼此嵌接。

固定容纳区段可直接构造在第二构件的基础材料中，例如通过制造缺口等。

在一种实施方式中，将固定容纳区段引入第二构件中包括进一步的步骤：

-在第二构件中的至少一个接合位置处制造通孔；

-将第二接合辅助元件这样压入第二构件中的通孔中，使得第二接合辅助元件的保持区段与孔壁力锁合和/或形锁合地连接，第二接合辅助元件还具有固定容纳区段。

通孔例如可通过冲压或切削形成。如果涉及由纤维增强塑料(FVK)制成的构件，则通孔也可已经在构件制造时、例如在压制构件半成品时形成。

在一种优选实施方式中，在第一构件中、第二构件中或两个构件中的通孔的边缘区域中冲压出冲压部或倒角。冲压例如可借助相应成形的冲压工具进行。这可与通孔的制造同时进行或在单独的制造步骤中进行，例如在制造通孔之前或之后进行。在FVK构件的情况下，冲压部例如可在制造FVK构件时、例如在压制构件半成品时就已经形成。这种冲压部基于通孔边缘区域中的纤维体积含量增加也实现了上述加固。

当通孔构造在金属构件中时，在一种实施方式中可有利的是，在形成通孔之前冲压出冲压部或倒角。冲压部或倒角的冲压在金属构件中产生切口，在此可能存在的构件涂层或氧化物层至少部分地保留在切口表面上。

此外，在将接合辅助元件压入构件中时可在接合辅助元件和孔壁之间附加地引入保护层、如用于防止接触腐蚀的薄膜。

借助该方法，构件可以预固定的方式连接并且随后通过其它接合方法附加地相互连接。复合构件也可仅通过上述方法制造，在此构件优选在多个接合位置处连接。

如果在接合辅助元件和构件之间附加地引入另外的层(如用于电化学分离的层或粘合剂层)，则可通过压制和/或热处理附加地实现材料锁合连接。热处理可在压入过程之前、期间或之后进行。

接合辅助元件的压入例如借助适合的工具、如压制工具或C形支架完成。为此将保持区段插入相应的通孔中并且在那里进行压制，保持区段的材料永久地变形并且力锁合地被压紧到孔壁上。另外，在一种实施方式中可规定，保持区段的材料还流入被冲压或倒角的区域中并且在那里分别形成底切。接合辅助元件因此也在接合轴线的方向上形锁合地固定在构件中。

此外，通孔和/或冲压部可不在单独的步骤中、而是通过引入接合辅助元件本身形成。例如通过将自攻接合辅助元件例如借助旋转冲击楔入构件中可制造通孔。接合辅助元件也可由例如螺纹衬套或螺旋线圈形式的预成型元件构成。

在一种实施方式中如果在孔壁的两个边缘区域上冲压出环绕的冲压部或倒角，则其可如对于第一冲压部或倒角所述的那样制造。在将保持区段压入通孔中时，保持区段随后在两个冲压部或倒角上形成底切，该底切将保持区段固定在通孔中。

构件的定位、定向和接合优选可自动化地、例如借助相应编程的操作装置完成。

所述方法用于制造上述复合构件，因此实现如对于复合构件所述那样的相同技术效果和优点。

本发明特别具有下述优点：

-该方法能实现低成本且可重复的、尤其是呈混合结构形式的复合构件和组合构件的制造。

-复合构件可构造成可拆卸的。

-复合构件的接合即使在单侧可接近时也可实现。

-复合构件的厚度可减小到待连接构件的厚度。

-该构件连接与已知接合连接相比可具有重量中性或重量优势。

-根据本发明的接合连接尤其适用于薄金属板连接。

-允许在压制机中简单地接合构件。

本发明的上述特性、特征和优点及其实现方式借助附图结合下述详细说明的实施例变得更加清楚和易于理解。如果在本申请中使用术语“可”，则这既是技术可能性，也是实际的技术实现。

附图说明

下面参考附图阐述实施例。附图如下：

图1是第一种示例性复合构件的剖视图；

图2A、2B是用于制造复合构件的操作方法；

图3至7是其它示例性复合构件的剖视图。

具体实施方式

图1以剖视图示出包括两个构件2、3的复合构件1的接合位置。复合构件1借助根据本发明的方法制造。复合构件1可具有多个这样的接合位置，这些接合位置可相同或不同地构造。

第一构件2是由铝板制成的构件。术语“铝”也包括相应的铝合金。第二构件3同样由铝板制成。这两个构件2、3在接合位置处间接地借助压入第一构件2中的第一接合辅助元件4和压入第二构件3中的第二接合辅助元件5接合，两个接合辅助元件4和5彼此力锁合且形锁合地连接。第一接合辅助元件4和第二接合辅助元件5由钢材制成。

图2a和2b示出制造过程的步骤。

在第一构件2和第二构件3中在接合位置处分别构造有通孔6、7。在孔壁的边缘区域中分别冲压出环绕的呈倒角形式的冲压部8、9和10、11。

在第一构件2中压入第一接合辅助元件4。第一接合辅助元件4包括具有圆柱形状的无头保持区段12和固定区段13。借助保持区段12实现在第一构件2中的固定，固定区段13用于后续与第二构件3中的第二接合辅助元件5连接。

将圆柱形保持区段12插入第一通孔6中并且在那里借助适合的压制工具进行压制，在此保持区段12的材料永久地变形并且力锁合地压紧到孔壁上。保持区段12的材料还流入倒角的区域中并且在那里分别形成底切14、15(参见图2B)。第一接合辅助元件4因此也在接合轴线F的方向上形锁合地固定在第一构件2中。作为第二接合辅助元件5例如使用圆柱形金属嵌块。圆柱壁构成保持区段16，固定容纳区段17由伸入金属嵌块内部中的、具有凹槽18的缺口构成。

如上面对于第一接合辅助元件4所述那样将第二接合辅助元件5压入第二构件3中。同样形成两个底切19、20，它们将第二接合辅助元件5形锁合地沿接合方向F固定在第二构件3中。

保持区段12和16完全容纳在第一构件2或第二构件3中，即它们不支撑在构件表面上，而是仅支撑在构件内的孔壁上。固定区段13从第一构件2突出。固定区段13以及固定容纳区段17可已经在压入之前形成或作为替代方案在压入接合辅助元件4或5时例如通过使保持区段的一部分变形来形成。

为了制造复合构件，将所述构件这样接合，使得固定区段13和固定容纳区段17彼此嵌接。参见图2B，销状构造的固定区段13被压入固定容纳区段17中并且塑性变形，在此该固定区段在凹槽18处形成底切，以用于永久形锁合地连接构件2、3。

图3示出复合构件1的一种替代实施方式。第二接合辅助元件5中的固定容纳区段构造为通孔并且第一接合辅助元件4的固定区段13A贯穿第二接合辅助元件5。在压入时，固定区段13A在出口侧形成建立形锁合的且侧向突出于通孔的头部区段21。

在另一种实施方式中，也可这样制造复合构件1，使得固定区段13B与第二接合辅助元件5齐平，如图4所示。

代替图1至4中所示的、通过压入而变形的固定区段13、13A、13B，复合构件1也可以卡扣连接的形式来制造。为此例如固定区段13C可如图5所示构造有两个臂22、23，所述臂在插入固定容纳区段17时首先弹性变形并且在最终位置中嵌入凹槽18中。这种卡扣连接的优点在于，其可形成可拆卸的连接。卡扣连接也可与构件表面齐平或突出于构件表面。

为了制造复合构件，固定容纳区段也可直接构造在第二构件的基础材料中，由此可省去引入第二接合辅助元件。图6示例性示出这种复合构件1，在其中在第二构件3中构造有呈通孔形式的固定容纳区段17D并且第一构件2中的接合辅助元件4的固定区段13D贯穿该通孔17D并且形锁合且力锁合地被压入其中。

冲压部的形状不局限于所显示的倒角几何形状，而也可进行修改，如图7中所示的拱形或盆形冲压部24、25和26等。保持区段可通过压入而流入冲压部中(如图7中对于构件3所示)或者已经在压入之前具有以底切贴靠在冲压部上的形状，如图7中所示的、在保持区段的区域中具有加宽的头部区段27的接合辅助元件4。

构件2、3也可由其它材料、如其它轻质材料、如纤维复合塑料、或由钢材制成。也可为接合辅助元件4、5使用其它材料。复合构件可将相同材料的构件彼此连接或将由不同材料制成的构件彼此连接。另外，复合构件可包含多于所示的两个构件。因此例如首先可将两个构件借助一个接合辅助元件以铆接连接的方式彼此接合并且随后利用另一接合辅助元件与另一构件接合来制造上述复合构件。其它构件也可以不同方式接合到复合构件上。例如也可借助电阻点焊将另一构件、如钢构件与第一或第二接合辅助元件连接。

所显示的构件之间的距离是不需要的。在复合构件中构件也可直接彼此贴靠在一起。

与利用接合辅助元件的传统复合构件相比，可实现复合构件的明显更低的高度，因为接合辅助元件在需要时可与工件表面齐平。

在将接合辅助元件压入构件中时也可附加地在接合辅助元件和孔壁之间引入未示出的保护层、如用于防止接触腐蚀的薄膜。

尽管在附图中分别示出两个倒角，但构件中的通孔也可分别仅在一侧设有倒角或倒角可不对称地构造。

在附图中，出于说明原因这样显示孔壁的走向，使得倒角区域中的倾斜孔壁仿佛直接过渡到垂直孔壁区段中。但实际上在倾斜壁区段和垂直壁区段之间可形成凸缘状周向平台，这由冲头的几何形状引起。

通过在通孔中冲压出的倒角和压入的接合辅助元件实现了非常高的强度。例如在厚度为2.5mm的5000铝合金板(基本强度为120至140N/mm²)的实验中，在芯部中形成直径为12mm的通孔。在边缘区域处冲压出45度倒角且冲压深度为0.7mm、平台宽度为0.4mm。将由S355制成的厚度为4mm且直径在压制之前为11.7mm的圆柱形金属板嵌块压入通孔中。在压制之后在每一侧产生8.5到12.6kN的用于嵌块的拔出力。

实施例并非按比例的并且也不是限制性的。技术人员可以在能力范围内进行修改。

附图标记列表

1 复合构件

2、3 构件

4、5 接合辅助元件

6、7 通孔

8-11 冲压部

12 保持区段

13-13D 固定区段

14、15 底切

16 保持区段

17、17D 固定容纳区段

18 凹槽

19、20 底切

21 头部区段

22、23 臂

24、25、26 冲压部

27 头部区段

F 接合轴线

Claims (11)

1.至少两个构件(2、3)的复合构件，所述至少两个构件在至少一个接合位置处接合，该复合构件包括：

第一构件(2)，在所述接合位置处第一接合辅助元件(4)以保持区段(12)压入第一构件(2)中的通孔(6)中，

第二构件(3)，在该第二构件中在所述接合位置处构造有固定容纳区段(17)，第一接合辅助元件(4)还具有固定区段(13)，该固定区段形锁合和/或力锁合地嵌入第二构件(3)的固定容纳区段(17)中，

其中，所述固定容纳区段是第二接合辅助元件(5)的一部分，该第二接合辅助元件在所述接合位置处以保持区段(16)压入所述第二构件中的通孔(7)中，并且

固定区段(13C)与固定容纳区段(17)以卡扣连接的方式共同作用，或者固定区段(13)不可拆卸地压入固定容纳区段(17)中。

2.根据权利要求1所述的复合构件，其中，在第一构件(2)和/或第二构件(3)中的通孔(6、7)在至少一个边缘区域中通过冲压部(8、9、10、11)加宽，接合辅助元件(4、5)的保持区段(12)嵌入所述冲压部中。

3.根据权利要求2所述的复合构件，其中，所述通孔在两个边缘区域中分别通过一个冲压部(8、9、10、11)加宽。

4.根据权利要求2或3所述的复合构件，其中，冲压部(8、9、10、11)构造为倒角。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的复合构件，其中，第一接合辅助元件(4)和/或第二接合辅助元件(5)的保持区段(12、16)完全容纳在通孔(6、7)中。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的复合构件，其中，在保持区段(12；16)和保持区段压入其中的构件(2、3)之间另外引入中间层元件。

7.根据权利要求6所述的复合构件，其中，保持区段(12；16)与中间层元件和/或保持区段压入其中的构件(2、3)附加地材料锁合地连接。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的复合构件，其中，第一和/或第二构件(2、3)由轻质材料制成并且接合辅助元件(4、5)由钢制成。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的复合构件，其中，该复合构件是汽车车身的一部分。

10.用于制造至少两个构件(2、3)的复合构件(1)的方法，所述构件在至少一个接合位置处接合，该方法包括下述步骤：

在第一构件(2)中的至少一个接合位置处制造通孔(6)；

将第一接合辅助元件(4)这样压入第一构件(2)中的通孔(6)中，使得第一接合辅助元件(4)的保持区段(12)与孔壁力锁合和/或形锁合地连接，所述接合辅助元件(4)还具有固定区段(13)；

将固定容纳区段(17)引入第二构件(3)中的至少一个接合位置中；

将第一构件(2)相对于第二构件(3)定位和定向；并且

将固定区段(13)与固定容纳区段(17)接合在一起，使得它们力锁合和/或形锁合地彼此嵌接，其中，在第二构件中制造固定容纳区段还包括下述步骤：

在第二构件(3)中的至少一个接合位置处制造通孔(7)；

将第二接合辅助元件(5)这样压入第二构件(3)中的通孔(7)中，使得第二接合辅助元件(5)的保持区段(16)与孔壁力锁合和/或形锁合地连接，第二接合辅助元件(5)还具有固定容纳区段(17)，

其中，固定区段(13C)与固定容纳区段(17)以卡扣连接的方式共同作用，或者固定区段(13)不可拆卸地压入固定容纳区段(17)中。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，在将相应的接合辅助元件(4、5)压入第一构件(2)和/或第二构件(3)中之前，这样制造冲压部，使得相应的通孔(6、7)在至少一个边缘区域中加宽，并且接合辅助元件(4、5)的保持区段(12、16)在压入之后在冲压部(8、9、10、11)处形成底切(14、15、19、20)。

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