DE102004025492A1 - Verfahren zum Fügen mittels mechanischen Eintreibens und Verschweißens eines Fügeelementes, sowie derartiges Fügeelement - Google Patents

Verfahren zum Fügen mittels mechanischen Eintreibens und Verschweißens eines Fügeelementes, sowie derartiges Fügeelement Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von mehreren Fügeteilen (2, 3), insbesondere Flachmaterialien, unter Verwendung mindestens eines Fügeelementes (6), insbesondere Bolzen oder Niet, wobei das mindestens eine Fügeelement (6) unter mechanischer Belastung (7) mit mindesten einem Fügeteil (2, 3) verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fügeelement aus einem schweißgeeignetem Material besteht und mindestens eine Schneide oder Spitze aufweist, dass die Schneide oder Spitze auswgewählt ist aus den Formen: geschlossene umlaufende Schneide, unterbrochene umlaufende Schneide, gerade Scheide, gerade, konvexe oder konkave kegelförmige Schneidspitze, und das die mindestens eine Schneide oder Spitze vor dem Verschweißen durch mindestens eines der Fügeteile (2, 3) hindurchgetrieben wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fügeelement (6), insbesondere Bolzen oder Niet, in Form eines Zylinders oder eines zulaufenden Kegels, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6) aus einem schweißgeeignetem Material besteht und mindestens eine Spitze und/oder Schneide aufweist und dass die Schneide oder Spitze ausgewählt ist aus den Formen: geschlossene umlaufende Schneide, unterbrochene umlaufende Schneide, gerade Schneide, gerade, konvexe oder konkave kegelförmige Scheidspitze.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Fügeelement, insbesondere einen Bolzen oder ein Niet nach Anspruch 14.
  • Ist bei der Herstellung von Kraftfahrzeug Teilen eine Mischbauweise erforderlich, sollen beispielsweise Stahlbleche mit Leichtmetallblechen verbunden werden, oder Stahlbleche mit Kunststoff- oder Kunststoffmatrixbauteilen beplankt werden, dann sind herkömmliche Schweißverfahren nicht anwendbar.
  • Eine Möglichkeit zur Herstellung von Bauteilen in Mischbauweise besteht darin, zusätzliche Fügeelemente, insbesondere Bolzen oder Nieten, einzusetzen, die in Bohrungen der Fügeteile, insbesondere Bleche und Flachmaterialien, eingesteckt werden und untereinander oder mit den Fügeteilen verschweißt werden.
  • In der DE 100 15 713 A1 wird ein Bauteil, insbesondere für ein Fahrzeug beschrieben, welches aus zwei nicht verschweißbaren Blechen, vorzugsweise einem Stahl- und einem Aluminiumblech besteht. Das Fügen des Bauteils erfolgt durch das Verschweißen von Nieten mit einem der Blechpartner. In der DE 101 24 920 A1 wird ein Verfahren zum Fügen in Mischbauweise offenbart, bei dem die Fügeelemente, insbesondere Nieten, untereinander oder mit einem der zu fügenden Teile mittels Ultraschallschweißens verschweißt werden. In beiden Fällen ist es nötig, als vorhergehenden zusätzlichen Arbeitsschritt Bohrungen in zumindest eines der Fügeteile einzubringen.
  • Es ist weiterhin bekannt, beispielsweise bei der Herstellung von Karosserien, Bauteile aus unterschiedlichen Materialien durch mechanisches Nieten zu fügen. Dabei durchdringt der Stanzniet einen ersten Fügepartner, z. B. ein Leichtmetallblech oder ein Kunststoffbauteil und verformt einen zweiten Fügepartner, insbesondere ein Stahlblech derart, das eine kraft- und formschlüssige Verbindung des Niets zum Stahlblech entsteht. Bei hochfesten Stahlblechen tritt bei der Verformung eine lokale extreme Kaltverfestigung auf, so dass hohe Eintreibkräfte erforderlich werden oder es zu Rissen in der Verfestigungszone kommt.
  • Das mechanische Nieten hat darüber hinaus den Nachteil, dass hierzu hohe Kräfte an der Verbindungsstelle in die Nietverbindung eingebracht werden müssen, wodurch großvolumige Werkzeuge benötigt werden. Aufgrund beschränkten Bauraums oder spezieller Bauteilgeometrien ist aber oftmals der Arbeitsraum für das einsetzbare Werkzeug limitiert.
  • Vor diesem Hintergrund erscheint es gerade bei einer Mischbauweise mit verschiedenen Materialien vorteilhaft, den Stanzniet nur durch eines der Fügeteile, insbesondere ein Leichtmetallblech oder Kunststoffteil zu treiben und mit einem weiteren Fügeteil, insbesondere Blechteil zu verschweißen.
  • In der DE 100 60 390 A1 wird ein solches Verfahren beschrieben. Bei diesem gattungsgemäßen Verfahren wird aber auf die Durchführung des Verfahrens und die Form der Fügeelemente, insbesondere Niete, nur insoweit eingegangen, als das als zu verschweißende Fügeelemente konventionelle Stanznieten aus Stahl, die als Hohl-, Halbhohl- oder Vollniet bekannt sind, vorgesehen sind. Solche konventionellen Stanznieten weisen einen in der Kontur zylinderförmigen Nietschaft auf, welcher dann vorteilhaft ist, wenn wie beim konventionellen Stanznieten eine kraft- und formschlüssige Verbindung durch spreizförmige Deformation des Schaftendes entstehen soll. Beim dem gattungsgemäßen Verfahren, das ein Verschweißen beinhaltet, ist ein mechanisches Aufspreizen des Schaftendes mit Verformung des Fügeteiles nicht notwendig, daher können Nietformen zum Einsatz kommen, die deutlich geringere Nietkräfte benötigen als konventionelle Stanzniete. Zudem kann eine für die Verschweißung vorteilhaftere Ausgestaltung des Fußbereichs der Niete realisiert werden.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeiten des gattungsgemäßen Fügens von Bauteilen zu erweitern.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fügeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie mittels eines Fügeelementes mit den Merkmalen des Anspruches 14.
  • Erfindungsgemäß ist hiernach ein Verfahren vorgesehen, bei dem zwei oder mehrere Fügeteile, insbesondere Bleche und Flachmaterialien aus Kunststoff mittels Fügeelementen miteinander verbunden werden. Als Fügeelemente können dabei Nieten oder Bolzen dienen. Fügeelemente und Fügeteile werden in einem ersten Schritt zueinander positioniert. Dabei ist das Fügeelement derart ausgestaltet, das es mindestens eine Schneide und/oder Spitze aufweist. Diese mindestens eine Spitze und/oder Schneide wird im folgenden Verfahrensschritt mittels mechanischer Belastung durch mindestens ein Fügeteil hindurchgetrieben und gelangt in mechanischem Kontakt zu mindestens einem weiteren Fügeteil, insbesondere Blechteil. In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird durch die Schneide oder Spitze des Fügeelementes in dem weiteren Fügeteil eine lokale Verformung bewirkt. Insbesondere bei schräger oder geneigter Ausführung der Spitze oder Schneide entsteht in dem weiteren Fügeteil eine Ausformung mit Hinterschnitt. Dieser Hinterschnitt bewirkt beim sich anschließenden Schweißprozess zusätzlich zum Stoffschluß an der Schweißstelle auch einen Formschluß zwischen den Schweißpartnern, was die mechanische Belastbarkeit der Schweißstelle erhöht. Der lokale Kontakt zwischen Fügeelement und Fügeteil bewirkt bei Stromeinprägung weiterhin eine deutliche Erhöhung der Stromdichte in diesem Bereich, wodurch der Schweißprozess dort gezielt initiiert werden kann und die lokale Erwärmung definiert auf den Kontaktbereich beschränkt wird. Vorteilhafterweise kann dabei eine konventionelle Schweißzange wie bei einer herkömmlichen Verschweißung eingesetzt werden. Hierbei muss nur mindestens eines der Fügeteile mit dem Fügeelement verschweißbar sein. Durch eine definierte Fügekraft während des Lötprozesses kann die Stärke des Kraftschlusses zwischen den Fügeteilen einerseits und den Fügeelementen andererseits eingestellt werden.
  • Das Fügeelement selbst kann aus zwei oder mehr Materialien aufgebaut sein, wobei eines der Materialien schweißfähig zum Blechmaterial eines der Fügeteile ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Fügeelement, insbesondere ein Niet oder Bolzen, als Halbhohlkörper ausgeführt. Der Hohlraum kann teilweise oder ganz mit schweißfähigem Material gefüllt sein. Es ist aber auch denkbar, Schweißdraht während des Verschweißens zuzuführen oder vorher räumlich definiert Schweißmaterial an mindestens einem der Fügeteile anzuordnen.
  • Die Erfindung lässt zahlreiche Ausgestaltungen zu. Es ist denkbar, ein automatisiertes Fügeverfahren mit Verschweißung zu realisieren, bei dem Fügeteile und Fügeelemente der Fügevorrichtung automatisiert zugeführt werden. Dabei kann das Fügelement zum Beispiel von der Elektrode aufgenommen werden oder durch einen vorhergehenden Prozess an dem Fügeteil, z. B. durch Klebung, befestigt worden sein.
  • Ungleiche Materialien neigen zur Kontaktkorrosion. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, in den Bereich der Fügestelle ein Medium einzubringen, welches den Fügebereich vor Korrosion schützt. Das korrosionshemmende Medium kann dabei nach dem eigentlichen Schweißprozess eingebracht werden, es ist aber auch denkbar, dass das korrosionshemmende Medium vorab als Beschichtung auf das Fügeelement aufgebracht wird. Vorteilhaft ist dabei, wenn das Medium adhäsiv ist, wobei es auch eine Klebe- oder Dichtfunktion übernehmen kann. Vorzugsweise ist bei Einsatz eines korrosionshemmenden Mediums vorgesehen, einen definierten Spalt zwischen dem oder den Fügeelement/en und den Fügeteilen zu belassen, der vom Medium ausgefüllt wird. Das Medium kann in flüssiger oder fester Form vorliegen, es kann sich beispielsweise auch um eine Paste handeln, die auf die Fügeelemente aufgebracht wird. Vorteilhaft ist, wenn das Medium oberflächenaktivierend wirkt und auch Flussmitteleigenschaften übernehmen kann.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Diese zeigen in
  • 1 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
  • 2, 2a und 3 die Anwendung des Verfahrens mit schneidend wirkendem Fügeelement
  • 4, 5 und 6 verschiedene geometrische Ausgestaltungen der Fügeelemente
  • 7 und 8 die Herstellung einer Verbindung mit Stoff-, Kraft-, und Formschluss
  • 9 verschiedene geometrische Ausgestaltungen des Fügeelementkopfes
  • Bei einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach 1, weist das Fügeelement (6) Schneiden (4) im Fußbereich auf. Das Fügeelement (6) sowie eines oberes (2) und ein unteres Fügeteil (3) befinden sich im Eingriff zweier Elektroden (1), zwischen die die Fügeteile (2, 3) und das Fügeelement (6) mit definierter Kraft (7) gespannt werden können. Die Elektroden (1) sind mit einer Stromquelle verbunden, wodurch ein definierter Strom (8) in die Elektroden eingeprägt werden kann.
  • 2, 2a und 3 zeigen das Fügeverfahren nach 1. Dabei wird nach 2 das nach 1 positionierte Fügeelement (6) durch eine Fügekraft (7) von 0,5 kN bis 10 kN in das obere Fügeteil (2) eingepresst. Hierbei werden die Schneiden (4) oder die Spitze (13) des Fügeelementes (6) soweit durch das obere Fügeteil (2) hindurchgetrieben, bis diese mechanisch schneidend auf das untere Fügeteil (3) einwirken. In das elektrisch leitfähige Fügeelement (6) wird nach 2 ein Strom (8) von 0,5 kA bis 60 kA unter Aufrechterhaltung der mechanischen Belastung eingeprägt, wobei der Stromfluß für eine Zeit von 1 ms bis zu 2000 ms aufrechterhalten wird. Durch den durch den Stromfluß bedingten Wärmeeintrag wird der Schweißvorgang im Bereich der Schneiden (4) initiiert, es bildet sich eine Schweißzone (5) aus, wie die 2a und 3 zeigen. Es ist auch denkbar, dass der Energieeintag zur Verschweißung statt durch einen direkten Stromfluß (8) über eine induktive Erhitzung des Schweißbereichs oder durch Ultraschallanregung der Fügepartner eingebracht wird. Vorteilhafterweise erfolgt die Erwärmung gezielt im Kontaktbereich des Fügeelementes (6) mit dem unteren Fügeteil (3) was durch einen erhöhten elektrischen Widerstand oder einen erhöhten Induktionswiderstand des Schweißmaterials im Fußbereich des Fügeelementes (6) noch verbessert wird. Nach Ende der Stromeinprägung wird die mechanische Fügekraft (7) bis zur Verfestigung der Schweißzone (5) aufrechterhalten. Nach 3 ist zwischen dem Fügeelement (6) und den Fügeteilen (2, 3) ist eine Fügeverbindung mit Kraft-, Form- und Stoffschluss entstanden. Durch die mechanische Belastung während des Schweißprozesses unter Aufrechterhaltung während der Abkühlphase wird die Belastung bei Erstarren der Schweißzone (5) in die Verbindung eingefroren. Der Kopf des Fügeelementes (6) sitzt kraftschlüssig auf dem Fügeteil (2) und übt eine Flächenpressung auf dieses aus. Ebenso, bedingt durch die Überlappung der Kreisringfläche des Kopfes des Fügeelementes (6), wird eine Verbindung durch Formschluß hergestellt. Das aufgeschmolzene und wieder verfestigte Material im Bereich der Schweißzone (5) bildet zu dem Fügeelement (6) und zum verschweißten Fügeteil (3), insbesondere einem schweißbaren Stahlblech, eine stoffschlüssige Verbindung.
  • Fügeelemente (6) mit Schneiden in verschiedener Ausgestaltung sind in 4 dargestellt. Das Fügeelement (6) besitzt einen zylindrischen Schaft, es sind aber auch ovale, dreieckige oder quaderförmige Schaftformen denkbar. Betrachtet man den Fußbereich des Fügeelementes (6) im Querschnitt, so befinden sich dort ringförmig ausgeführte geschlossene Schneiden (11). Diese werden in einer weiteren Ausgestaltung ergänzt durch radial verlaufende Schneiden (12).
  • Unterbrochene Schneiden (4), die wie Stanzzähne wirken zeigt 5 im Fußbereich des Fügeelementes (6). In einer weiteren Ausführungsform ist eine pyramidenförmige Spitze (13) vorgesehen, die wie ein Dorn wirkt. Es können mehrere Spitzen angeordnet sein, sowie auch andere Spitzenformen verwendet werden.
  • Stanzschweißnieten, die eine einzelne Spitze aufweisen, stellt 6 dar. Der Schaftbereich kann dabei eine gerade kegelförmig zulaufende Form aufweisen oder dahingehend von der geraden Form abweichen, dass entweder eine konvexe oder konkave Kontur des kegelförmigen Schaftes vorgesehen ist. Die konkave Kontur besitzt Vorteile bzgl. des mechanischen Hindurchtreibens durch hochfeste oder dicke Fügeteile (2, 3), insbesondere Stahlbleche, da im Spitzenbereich durch den kleinen Öffnungswinkel der Spitze eine starke Kerbwirkung auf das zu durchdringende Fügeteil ausgeübt wird. Nachteilig ist das bei der konkaven Ausführung geringe Materialvolumen im Bereich der Schweißspitze, aus dem eine kleine Schweißzone resultiert. Hier besitzt die konvexe Ausführung deutliche Vorteile und bedingt eine im Vergleich deutlich größere Schweißzone.
  • Nach dem Hindurchtreiben des Fügeelementes (6) durch das obere Fügeteil (2) tritt im Schneidebereich (4, 11, 12, 13) des Fußes des Fügeelementes (6) auch eine Einkerbung des unteren Fügeteiles (3) auf, wie eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens in 7 darlegt. Die ringförmig umlaufende Schneide ist zur besseren Anschauung mittig geschnitten dargestellt.
  • Wird dann im folgenden Schritt, wie nach 2 beschrieben, eine Verschweißung des Fügeelementes (6) mit dem unteren Fügeteil (3) durchgeführt, wie 8 zeigt, dann folgt die Form der Schweißzone (5) der Form der vorher eingebrachten Einkerbung. Hierdurch weist die entstandene Fügeverbindung im Bereich des Fügeelementkopfes einen Kraft- und Formschluß zum oberen Fügeteil (2) sowie einen kombinierten Stoff- und Formschluß zum unteren Fügeteil (3) auf, was die Festigkeit der Schweißstelle und damit der Fügeverbindung verbessert. Zum Korrosionsschutz der Fügestelle kann weiterhin vorgesehen sein, ein korrosionshemmendes Medium (9) vorzusehen, welches den Spaltbereich zwischen dem Fügeelement (6) und den Fügeteilen (2, 3) ausfüllt. Dieses Medium kann nach dem Schweißprozess eingebracht werden, oder vorab auf das Fügeelement (6) z. B. in Form einer Beschichtung aufgetragen worden sein.
  • Auch der Kopf des Fügeelementes (6) kann verschiedene geometrische Ausgestaltungen aufweisen. 9 stellt eine Auswahl möglicher Kopfform in der Aufsicht von oben dar. Der Kopf kann eine quaderförmige, eine ovale, zylindriche oder auch dreieckförmige Form besitzen. Es sind auch Sternförmige Ausführungen denkbar, wobei diese sich auf dreieckförmige Basiselemente zurückführen lassen.
    • 1
    Elektroden
    2
    oberes Fügeteil
    3
    unteres Fügeteil
    4
    Schneiden
    5
    Schweißzone
    6
    Fügeelement
    7
    Fügekraft
    8
    Strom
    9
    korrosionshemmendes Medium
    11
    ringförmige Schneide
    12
    radiale Schneide
    13
    Spitze
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10015713 A1 [0004]
    • - DE 10124920 A1 [0004]
    • - DE 10060390 A1 [0008]

Claims (19)

  1. Verfahren zum Fügen von mehreren Fügeteilen (2, 3), insbesondere Flachmaterialien, unter Verwendung mindestens eines Fügeelementes (6), insbesondere Bolzen oder Niet, wobei das mindestens eine Fügeelement (6) unter mechanischer Belastung (7) mit mindestens einem Fügeteil (2, 3) verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fügeelement aus einem schweißgeeignetem Material besteht und mindestens eine Schneide oder Spitze aufweist, dass die Schneide oder Spitze ausgewählt ist aus den Formen: geschlossene umlaufende Schneide, unterbrochene umlaufende Schneide, gerade Schneide, gerade, konvexe oder konkave kegelförmige Schneidspitze, und das die mindestens eine Schneide oder Spitze vor dem Verschweißen durch mindestens eines der Fügeteilen (2, 3) hindurchgetrieben wird.
  2. Verfahren zum Fügen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen des Fügeelementes (6) durch Widerstandserwärmung erfolgt.
  3. Verfahren zum Fügen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom (8) zwischen 0,5 kA bis 60 kA eingeprägt wird.
  4. Verfahren zum Fügen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss zwischen 1 ms und 2000 ms aufrechterhalten wird.
  5. Verfahren zum Fügen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen des Fügeelementes (6) durch induktive Erwärmung erfolgt.
  6. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6) selbst oder ein dem Fügeelement beigegebenes Schweißmaterial verschweißt wird.
  7. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Belastung (7) auf 0,5 bis 10 kN eingestellt wird.
  8. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Fügeteile (2, 3) aus einem mit dem mindestens einem Fügeelement (6) nicht verschweißbaren Material, insbesondere einem Kunststoffmaterial besteht.
  9. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Fügeteile (2, 3) aus einem Metall, insbesondere Leichtmetall besteht.
  10. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Fügeelement (6) und mindestens einem der Fügeteile (2, 3) eine stoffschlüssige Verbindung gebildet wird.
  11. Verfahren zum Fügen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einem Fügeelement (6) und mindestens einem der Fügeteile (2, 3) eine formschlüssige Verbindung gebildet wird.
  12. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einem Fügeelement (6) und mindestens einem der Fügeteilen (2, 3) eine kraftschlüssige Verbindung gebildet wird.
  13. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein korrosionshemmendes Medium (9) in den Bereich der Fügestelle eingebracht wird.
  14. Fügeelement (6), insbesondere Bolzen oder Niet, in Form eines Zylinders oder eines zulaufenden Kegels, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6) aus einem schweißgeeignetem Material besteht und mindestens eine Spitze und/oder Schneide aufweist und dass die Schneide oder Spitze ausgewählt ist aus den Formen: geschlossene umlaufende Schneide, unterbrochene umlaufende Schneide, gerade Schneide, gerade, konvexe oder konkave kegelförmige Schneidspitze.
  15. Fügeelement (6) nach einem der Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneide mindestens zweifach, vorzugsweise vierfach unterbrochen ist.
  16. Fügeelement (6) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneide ringförmig ausgeführt ist.
  17. Fügeelement (6) nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft oder der Kopf des Fügeelementes (6) im Querschnitt eine zylindrische oder ovale oder quaderförmige oder dreieckige Form aufweist.
  18. Fügeelement (6) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kegelform des Schaftes des Fügeelementes (6) der Kegel konkav oder konvex ausgewölbt ist.
  19. Fügeelement (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein korrosionshemmendes Medium (9) an dem Fügeelement (6) angeordnet ist.
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