DE102004025493A1

DE102004025493A1 - Verfahren zum Fügen mittels Löten, sowie Fügeelement und Bauteil nach dem Verfahren

Info

Publication number: DE102004025493A1
Application number: DE200410025493
Authority: DE
Inventors: Heiko Rudolf; Sven Dr. Jüttner; Matthias Graul; Kurt Prof. Koppe
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von mehreren Fügeteilen (2, 3), insbesondere Flachmaterialien, unter Verwendung mindestens eines Fügeelementes (6), insbesondere Bolzen oder Nieten, wobei das mindestens eine Fügeelement (6) in eine Durchbrechung, insbesondere Bohrung, mindestens eines der Fügeteile (2, 3) eingesteckt wird und das mindestens eine Fügeelement (6) unter mechanischer Belastung (7) gegen ein weiteres Fügeelement (6) oder mit mindestens einem Fügeteil (2, 3) verlöstet wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fügeelement (6), insbesondere Bolzen oder Nieten, in Form eines Halbhohlkörpers, wobei der Hohlkörper des Fügeelementes (6) zum Teil oder vollständige mit einem Lot (4) gefüllt ist.
Die Erfindung betrifft zudem ein Bauteil, insbesondere für ein Fahrzeug, dass aus Fügeteilen (2, 3), insbesondere Flachmaterialien, und mindestens einem Fügeelement (6), insbesondere Bolzen oder Nieten, aufgebaut ist, wobei das mindestens eine Fügeelement (6) in einer Durchbrechung, insbesondere Bohrung, mindestens eines der Fügeteile (2, 3) angeordnet ist und gegen ein weiteres Fügeelement (6) oder mit mindestens einem der Fügeteile (6) verlöstet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1, ein Fügeelement, insbesondere einen Bolzen oder ein Niet nach Anspruch 17, sowie ein Bauteil nach Anspruch 20.
Es ist im Kraftfahrzeugbau bekannt, beispielsweise bei der Herstellung von Karosserien, Bauteile aus unterschiedlichen Materialien durch Nieten miteinander zu verbinden oder zu fügen. Diese Bauweise hat jedoch den Nachteil, dass zum Nieten hohe Kräfte an der Verbindungsstelle in den Niet eingebracht werden müssen, wodurch großvolumige Werkzeuge benötigt werden. Aufgrund beschränkten Bauraums oder spezieller Bauteilgeometrien ist aber oftmals der Arbeitsraum für das einsetzbare Werkzeug limitiert. Um die geschilderten Probleme zu umgehen, wird in der DE 100 15 713 A1 vorgeschlagen, eine Verschweißung eines Nietes mit einem der zu fügenden Bauteile, insbesondere Bleche, vorzusehen. Dabei besteht der Niet aus einem mit dem zu fügenden Blech verschweißbaren Material. Aus der DE 100 60 390 A1 ist bekannt, einen Stanzniet durch eines der zu fügenden Bauteile zu treiben und im Folgenden zu verschweißen. Nachteilig beim Schweißen von Nieten ist die zum Verschweißen notwendige hohe Temperatur, da beim Verschweißen das Material des Niets und das Material des zu verschweißenden Bauteils an der Schweißstelle aufgeschmolzen werden müssen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeiten des Fügens von Bauteilen zu erweitern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fügeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Fügeelement mit den Merkmalen des Anspruches 17 und ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruches 20.
Erfindungsgemäß ist hiernach ein Verfahren vorgesehen, bei dem zwei oder mehrere Fügeteile, insbesondere Bleche und/oder Flachmaterialien aus Kunststoff mittels Fügeelementen miteinander verbunden werden. Als Fügeelemente können dabei Nieten oder Bolzen dienen. Die zu fügenden Bauteile sind dabei mit Durchbrechungen, insbesondere Bohrungen versehen, in die die Fügeelemente eingesteckt werden. Die Fügeteile werden zueinander positioniert und durch Verlötung der Fügeelemente gefügt. Vorteilhafterweise kann dabei eine konventionelle Schweißzange wie bei einer herkömmlichen Verschweißung eingesetzt werden, wobei aber der erforderliche Wärmeeintrag aufgrund der Verlötung deutlich niedriger im Vergleich zum Schweißen ist.
Somit können bei einer Mischbauweise mit verschiedenen Materialien auch Kunststoffteile nach diesem Verfahren mit Metallblechen gefügt werden, wobei das Fügeelement mit dem Metallblech verlötet und damit eine hochfeste Verbindung erzielt wird. Hierbei muss nur mindestens eines der Fügeteile mit dem Fügeelement verlötbar sein. Es ist weiterhin nach diesem Verfahren denkbar, zwei oder mehrere Flachmaterialien zu fügen, die mit den Fügeelementen nicht verlötbar sind. In diesem Fall können gegeneinander gerichtete Fügeelemente in Durchbrechungen der Flachmaterialien eingesteckt und untereinander verlötet werden, so dass ein zwei- oder mehrlagiges Bauteil entsteht, dass durch Flächenpressung der Fügeelemente auf die Fügeteile verbunden ist. 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 lötfähig 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 Lot gefüllt sein und als Lotdepot dienen. Es ist aber auch denkbar, das Lot während des Verlötens zuzuführen oder vorher räumlich definiert Lotmaterial an mindestens einem der Fügeteile anzuordnen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausgestaltungen zu. Alle bekannten Niet – und Bolzenformen können als Fügeelement Verwendung finden. Weiterhin ist denkbar, ein automatisiertes Fügeverfahren mit Verlötung 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 Lötprozess 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 Fügeelementen 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 die Anwendung des Verfahrens mit zwei gegengerichtet positionierten Fügelementen
3 verschiedene geometrische Ausgestaltungen der Fügeelemente
4 und 5 die Anwendung des Verfahrens bei Verlötung mindestens eines Fügeelementes mit mindestens einem der Fügeteile
6 und 7 nach dem Verfahren hergestellte Bauteile
Bei der in 1 gezeigten Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sind Fügeelemente (6) jeweils in Bohrungen eines oberen Fügeteiles (2) und eines unteren Fügeteiles (3) eingesteckt. Die Anordnung besteht weiterhin aus zwei Elektroden (1), zwischen die die Fügeteile (2, 3) und die Fügeelemente (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 zeigt das Fügeverfahren nach 1. Die in das obere (2) und das untere (3) Fügeteil eingesteckten Fügeelemente (6) sind gegeneinander gerichtet positioniert und werden durch eine Kraft von 0,5 kN bis 10 kN aneinander und/oder an die Fügeteile (2, 3) gepresst. In die elektrisch leitfähigen Fügeelemente (6) wird ein Strom (8) von 0,5 kA bis 60 kA eingeprägt, wobei der Stromfluß für eine Zeit von 1 ms bis zu 2000 ms aufrechterhalten wird. Durch den durch den Stromfluß bedingten Wärmeeintrag wird das Lot (4) aufgeschmolzen und füllt den an die Fügeelemente (6) angrenzenden Bereich. Es ist auch denkbar, dass der Energieeintag zur Verlötung statt durch einen direkten Stromfluß (8) über eine induktive Erhitzung des Lotes (4) eingebracht wird. Vorteilhafterweise erfolgt die Erwärmung gezielt im Kontaktbereich der Fügeelemente (6) was durch einen erhöhten elektrischen Widerstand oder einen erhöhten Induktionswiderstand des Lotes (4) erreicht werden kann. Nach Ende der Stromeinprägung wird die mechanische Fügekraft (7) bis zur Verfestigung des Lotes aufrechterhalten. Zwischen den Fügeelementen (6) und den Fügeteilen (2, 3) ist eine Fügeverbindung mit Kraft- und Stoffschluss entstanden. Durch die mechanische Belastung während des Lötprozesses und der Abkühlphase wird die Belastung bei Erkalten des Lotes in die Verbindung eingefroren. Der Kopf der Fügeelemente (6) sitzt kraftschlüssig auf den Fügeteilen (2, 3) und übt eine Flächenpressung auf diese aus. Durch die Flächenpressung wirkt eine Spannkraft (12) auf die Fügeteile (2, 3). Durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fügeelemente (6) im Vergleich zu den Fügeteilen (2, 3) mit stärkerer Schrumpfung der Fügeelemente (6) bei der Abkühlung kann die Spannkraft (12) ein Mehrfaches der Fügekraft (7) betragen. Der Schaft der Fügeteile (6) sitzt formschlüssig in den Fügeteilen (2, 3), vorzugsweise mit Kontakt, hergestellt durch den Lotfluss und hält diese in Position. Das aufgeschmolzene und wieder verfestigte Lot (4) bildet durch Diffusion während des Lötprozesses zu den Fügeelementen (6) und zu lötbaren Fügeteilen (2, 3) eine stoffschlüssige Verbindung.
3 zeigt verschiedene Ausgestaltungen der Fügeelemente mit unterschiedlichen Kopf-, Schacht- und Fußgeometrien. Dabei führt eine Schrägung im Fußbereich, wobei diese Schrägung vorzugsweise Winkel bis 70° zur Symmetrieachse des Fügeelementes (6) aufweisen kann, zu einer erhöhten Stromdichte im abgeschrägten Fußbereich, wodurch der Fußbereich bevorzugt aufschmilzt. Das Fügeelement (6) kann mehrteilig ausgeführt sein, wobei ein Teil aus dem Lot (4) besteht. Fügelemente (6) können als Halbhohlkörper ausgestaltet sein, wobei der Hohlraum zusätzliche Innenkonturen zum Erzielen eines Formschlusses nach Verlötung aufweisen kann. Der Hohlraum kann als Lotdepot (5) dienen. Die Schaft- und Kopfgeometrie der Fügelemente kann eine zylindrische, ovale oder quaderförmige Form besitzen, andere Raumformen sind darüber hinaus denkbar. Auch die Kopf- (11) und Schaftkontur der Fügeelemente kann unterschiedlichste Geometrien aufweisen, wie die 3 zeigt. Unter Geometrie soll dabei die Form des Schaft- oder Kopfquerschnittes, unter Kontur die Form des Schaftes oder Kopfes in der Seitenansicht verstanden werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Fügeelement (6) mit einem korrosionshemmenden Medium (9) versehen, das an dem Fügeelement (6) angeordnet ist, zum Beispiel in Form einer Beschichtung.
4 zeigt eine Anordnung zur Ausführung des Verfahrens, bei der eine Verlötung eines Fügeelementes (6) mit einem Fügeteil (3) erfolgt. Das Fügeelement (6) ist in eine Durchbrechung des oberen Fügeteils (2) eingesteckt.
5 zeigt die Ausführung des Verfahrens nach 4. Die Fügeteile (2, 3) und das Fügelement (6) werden durch die Elektroden (1) mit einer definierten Kraft (7) gespannt. Durch das Einprägen eines Stromes schmilzt das Lot (4) aus dem Lotdepot (5) auf und füllt die Spaltbereiche zwischen den Fügeteilen (2, 3) und dem Fügeelement (6), wodurch das Fügelement (6) mit den Fügeteilen (2, 3) verlötet wird.
6 stellt ein nach dem vorgestellten Verfahren hergestelltes Bauteil dar. Der glockenförmige Schaftbereich der Fügeelemente (6) wurde in die Durchbrechungen der Fügeteile (2,3) eingepresst. Dadurch ist ein Kraftschluss zwischen dem Rand der Durchbrechungen und den Fügeelementen (6) hergestellt worden. Durch die Einwölbung des Schaftes der Fügeelemente (6) im Fußbereich hin zur Symmetrieachse, herrscht zudem ein Formschluss durch das aufgeschmolzene und wiederverfestigte Lot (4).
7 zeigt ein weiteres Bauteil, bei dem die entstandene Fügeverbindung Kraft-, Form- und Stoffschluss aufweist. Ein unteres Fügeelement (6) mit keilförmigem Schaft bewirkt beim Fügeprozess eine Spreizung des oberen Fügeelementes (6) wodurch ein Kraftschluss des Schaftes des oberen Fügeelementes (6) zum unteren Fügeteil (3) entstanden ist. Die Verlötung der entgegengerichtet positionierten Fügeelemente hat weiterhin einen Form- und Stoffschluss zwischen diesen untereinander zur Folge.

1: Elektroden
2: oberes Fügeteil
3: unteres Fügeteil
4: Lot
5: Lotdepot
6: Fügeelement
7: Fügekraft
8: Strom
9: korrosionshemmendes Medium
11: Kopf des Fügeelementes
12: Spannkraft

Claims

Verfahren zum Fügen von mehreren Fügeteilen (2, 3), insbesondere Flachmaterialien, unter Verwendung mindestens eines Fügeelementes (6), insbesondere Bolzen oder Niet, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fügeelement (6) in eine Durchbrechung, insbesondere Bohrung, mindestens eines der Fügeteile (2, 3) eingesteckt wird und das mindestens eine Fügeelement (6) unter mechanischer Belastung (7) gegen ein weiteres Fügeelement (6) oder mit mindestens einem Fügeteil (2, 3) verlötet wird.
Verfahren zum Fügen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlöten am Fügeelement (6) durch Widerstandserwärmung erfolgt.
Verfahren zum Fügen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom (8) zwischen 0,5 kA bis 60 kA eingeprägt wird.
Verfahren zum Fügen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss zwischen 1 ms und 2000 ms aufrechterhalten wird.
Verfahren zum Fügen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlöten am Fügeelement (6) durch induktive Erwärmung erfolgt.
Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6) selbst oder ein dem Fügeelement beigegebenes Lot (4) aufgeschmolzen wird.
Verfahren zum Fügen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6) ein Lotdepot (5) aufweist und die Verlötung durch im Lotdepot (5) aufschmelzendes Material erfolgt.
Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Belastung (7) auf 0,5 bis 10 kN eingestellt wird.
Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Fügeteile (2, 3) aus einem nicht lötbaren Material, insbesondere einem Kunststoffmaterial besteht.
Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Fügeteile (2, 3) aus einem Leichtmetall besteht.
Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einsatz gegeneinander gerichteter Fügeelemente (2, 3) zwischen diesen eine stoffschlüssige Verbindung gebildet wird.
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.
Verfahren zum Fügen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einsatz gegeneinander gerichteter Fügeelemente (6) zwischen diesen eine formschlüssige Verbindung gebildet wird.
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.
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.
Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein korrosionshemmendes Medium (9) in den Bereich der Fügestelle eingebracht wird.
Fügeelement (6), insbesondere Bolzen oder Niete, in Form eines Halbhohlkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper des Fügeelementes (6) zum Teil oder vollständig mit einem Lot (4) gefüllt ist.
Fügeelement (6) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft oder der Kopf (11) des Fügeelementes (6) im Querschnitt eine zylindrische oder ovale oder quaderförmige oder dreieckige Form aufweist.
Fügeelement (6) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein korrosionshemmendes Medium (9) an dem Fügeelement (6) angeordnet ist.
Bauteil, insbesondere für ein Fahrzeug, das aus Fügeteilen (2, 3), insbesondere Flachmaterialien und mindestens einem Fügeelement (6), insbesondere Bolzen oder Niet, aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fügeelement (6) in einer Durchbrechung, insbesondere Bohrung mindestens eines der Fügeteile (2, 3) angeordnet ist und gegen ein weiteres Fügeelement (6) oder mit mindestens einem der Fügeteile (6) verlötet ist.
Bauteil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fügeelement (6) eine Flächenpressung auf mindestens eines der Fügeteile (2, 3) ausübt.
Bauteil nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fügeelement (6) eine Druckkraft, insbesondere Spannkraft (12) von 0,5 kN bis 50 kN auf mindestens eines der Fügeteile ausübt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein korrosionshemmendes Medium (9) im Bereich der Fügestelle angeordnet ist.