DE102006002237A1

DE102006002237A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Setzbolzen-Fügeprozesses

Info

Publication number: DE102006002237A1
Application number: DE200610002237
Authority: DE
Inventors: Torsten Dr. Draht
Original assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Current assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-01-18
Also published as: DE102006002237B4

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen und insbesondere zum Steuern/Regeln eines Fügeprozesses zum Verbinden zweier Bauteile mittels eines Setzbolzens. Bei dem Verfahren werden die von der Setzkraft hervorgerufene, auf die Bauteile wirkende Reaktionskraft und/oder die Endlage des Setzbolzens in der fertigen Verbindung erfasst und zum Bewerten bzw. Beeinflussen des Fügeprozesses und der Verbindung verwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Fügeprozesses zum Verbinden mindestens zweier Bauteile mittels eines Setzbolzens.
Das so genannte Bolzensetzen ist ein umformtechnisches Fügeverfahren, bei dem ein Setzbolzen mittels eines Setzgerätes in Form eines Bolzenschussgerätes, einer Pulverkartusche oder dergleichen mit hoher Geschwindigkeit in die zu verbindenden Bauteile eingetrieben wird. Das Bolzensetzen findet in vielen Bereichen wie Stahlbau, Fassadenbau, Metallbau, Schiffbau und Bauwirtschaft Anwendung. In vorliegendem Zusammenhang steht das Befestigen von Blechen an Profilbauteilen insbesondere für die Kraftfahrzeugindustrie im Vordergrund, wenngleich die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.
Setzbolzen gibt es in verschiedenen Ausführungen. Zum einen gibt es die Setzbolzen, umgangssprachlich auch Nägel genannt, die die zu fügenden Bauteile unlöslich miteinander verbinden. Zum anderen gibt es die Gewindebolzen, die die zu fügenden Bauteile lösbar miteinander verbinden.
Als Setzwerkzeuge kommen insbesondere so genannte Bolzenschubwerkzeuge in Frage, bei denen ein zwischen einer Treibladung und dem Setzbolzen angeordneter Kolben dazu verwendet wird, den Setzbolzen in die zu fügenden Bauteile einzutreiben. Hierbei unterscheidet man zwischen dem Schlagkolbenprinzip und dem Schubkolbenprinzip: Beim Schlagkolbenprinzip ist der Setzbolzen getrennt vom Schubkolben koaxial angeordnet, und er trifft dann, angetrieben von den Gasen der gezündeten Kartusche, im freien Flug auf den Setzbolzen auf. Beim Schubkolbenprinzip liegt der Schubkolben bereits vor der Zündung direkt am Setzbolzen an, der direkt auf den zu fügenden Bauteilen aufsteht. Schubkolben und Setzbolzen werden daher von den Gasen der gezündeten Kartusche gemeinsam aus dem Stillstand beschleunigt.
Das Bolzensetzen findet zunehmend Verbreitung in Anwendungsbereichen, bei denen eine hohe Qualität und Festigkeit der gesetzten Verbindung wichtig sind. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit dem Problem einer Optimierung des Setzbolzen-Fügeprozesses, insbesondere im Hinblick auf das Fügen von Bauteilen (Blech/Profilbauteil) im Fahrzeugbau.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Fügeprozesses zum Verbinden mindestens zweier Bauteile mittels eines Setzbolzens zu schaffen, die zu einer Verbesserung und letztlich Optimierung der Qualität und Festigkeit der Verbindung zwischen den Bauteilen genutzt werden können.

Nach der erfindungsgemäßen Lösung werden die von der Setzkraft hervorgerufene, auf die Bauteile wirkende Reaktionskraft und/oder die Endlage des Setzbolzens in der fertigen Verbindung erfasst und zum Bewerten des Fügeprozesses und/oder der Verbindung verwendet. Vorzugsweise werden die erfasste Reaktionskraft und/oder die erfasste Setzbolzen-Endlage zum Steuern/Regeln des Fügeprozesses verwendet.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der durch umfangreiche Untersuchungen gewonnenen Erkenntnis, dass die Reaktionskraft und Setzbolzen-Endlage grundlegende Kenngrößen sind, welche eine gezielte Aussage über die beim Fügeprozess auftretenden Wirkungen ermöglichen. Diese Kenngrößen können daher für eine einfache und dennoch zuverlässige Überwachung und insbesondere Steuerung/Regelung des Fügeprozesses herangezogen werden.

Die Erfindung geht ferner von der Erkenntnis aus, dass der zeitliche Verlauf der Reaktionskraft während des Fügeprozesses einen Anstieg auf ein erstes Maximum, einen Abfall auf ein Minimum und einen erneuten Anstieg auf ein zweites Maximum zeigt. Das erste Maximum entsteht beim Eindringen der Bolzenspitze in die Bauteile, das Minimum beim Hindurchtreten des Bolzenschaftes durch die Bauteile und das zweite Maximum beim Aufsetzen des Bolzenkopfes auf dem oberen Bauteil. Diese Extremwerte der Reaktionskraft können, insbesondere in Verbindung mit der Setzbolzen-Endlage, als Kenngrößen verwendet werden, die in besonders einfacher Weise eine Überwachung und Steuerung/Regelung des Fügeprozesses im Hinblick auf eine Optimierung der Qualität und Festigkeit der Verbindung ermöglichen.

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Durchführen des Verfahrens umfasst einen Kraftsensor zum Erfassen der Reaktionskraft und/oder einen optischen Sensor zum Erfassen der Setzbolzen-Endlage.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Ansprüchen hervor.
Anhand der Zeichnungen werden Einzelheiten und Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt:
1 bis 4 unterschiedliche Verfahrensstufen beim Fügen zweier Bauteile mittels eines Setzbolzens unter Verwendung einer Rondelle in schematisierter Form;
5 eine fertige Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines abgewandelten Setzbolzens ohne Rondelle;
6 bis 8 eine Vorrichtung zum Überwachen des Fügeprozesses in unterschiedlichen Betriebszuständen in schematisierter Form;
9 ein Diagramm, in dem die Reaktionskraft über der Zeit aufgetragen ist;
10 ein der 9 entsprechendes Diagramm mit zwei Kurven für zwei unterschiedlich große Werte der Setzenergie;
11 eine den 4 und 5 entsprechende Darstellung einer Verbindung, bei der es zu einem „Durchschlag" des Setzbolzens gekommen ist;
12 ein Diagramm, in dem die Setzbolzen-Endlage und das zweite Maximum der Reaktionskraft über der Setzenergie aufgetragen ist;
13 ein Diagramm, in dem die Reaktionskraft über der Zeit für unterschiedliche Lagen einer Rondelle auf dem Setzbolzen aufgetragen ist, um den Einfluss der Rondellenlage auf die Reaktionskraft und die Festigkeit der Verbindung zu veranschaulichen, und
14 ein Diagramm, in dem die Reaktionskraft über der Zeit für ein nach dem Schlagkolbenprinzip arbeitendes Setzgerät und ein nach dem Schubkolbenprinzip arbeitendes Setzgerät aufgetragen ist.
Die 1 bis 4 veranschaulichen die unterschiedlichen Verfahrensstufen beim Bolzensetzen, d. h. beim Verbinden zweier Bauteile 2, 4 mittels eines Setzbolzens 6, der von einem Setzgerät (in den 1 bis 4 nicht gezeigt) mit hoher Geschwindigkeit in die Bauteile 2, 4 eingetrieben wird. Unter hohen Geschwindigkeiten sind Schussgeschwindigkeiten zu verstehen, die üblicherweise zwischen 10 und 100 m/s liegen, jedoch auch größer oder kleiner sein können.
Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 besteht der Setzbolzen 6 aus einem Bolzenkopf 8 mit einer zentralen Erhöhung, einem zylindrischen Bolzenschaft 10 und einer ogivalen Bolzenspitze 12. Dem Setzbolzen 6 ist eine Rondelle 14 zugeordnet.
Die 1 bis 4 zeigen vier Verfahrensstufen, und zwar vor dem Eindringen des Setzbolzens 6 (1), Eindringen der Bolzenspitze 12 (2), Durchtritt des Bolzenschaftes 10 durch die Bauteile 2, 4 (3) und (indirektes) Aufsetzen des Bolzenkopfes 8 auf dem oberen Bauteil 2. Wie gezeigt, sind die Bauteile 2, 4 nicht vorgelocht. Beim Eindringvorgang verdrängt daher der Setzbolzen 6 Werkstoff der Bauteile 2, 4. Hierbei kommt es aufgrund der hohen Eindringgeschwindigkeit zu einer starken Temperaturerhöhung und Plastifizierung des verdrängten Werkstoffes, was zu Materialaufwürfen im Fügebereich führt.
Der Setzbolzen 6 besteht beispielsweise aus Stahl, und die Bauteile 2, 4 bestehen beispielsweise aus Aluminium. Es sind jedoch auch andere Werkstoffe möglich, beispielsweise Aluminium, Magnesium, Messing, Keramik und faserverstärkter Kunststoff für den Setzbolzen 6 und unterschiedliche Werkstoffkombinationen für die Bauteile 2, 4 einschließlich Stahl, Aluminium und Kunststoff. Als besonders vorteilhaft hat sich das Fügen von Bauteilen aus Magnesium erwiesen.
Es versteht sich, dass die 1 bis 4 lediglich ein Beispiel für das Bolzensetzen zeigen. Das im Folgenden zu beschreibende Verfahren zum Überwachen des Fügeprozesses ist auf praktisch jede Form des Bolzensetzens anwendbar.
5 zeigt beispielhaft eine andere Ausführungsform eines Setzbolzens 6', bei dem der Bolzenkopf 8' an seiner Unterseite eine Ringnut 16 aufweist und der Bolzenschaft 10' mit einer Oberflächenprofilierung 18 versehen ist. Die Oberflächenprofilierung 18, die beispielsweise aus Erhöhungen und Vertiefungen in Form koaxialer Ringe oder eines Gewindes besteht, füllt sich beim Fügeprozess mit plastifiziertem Material, wodurch die Auszugfestigkeit der Verbindung erhöht wird. Wir dargestellt, wird in der Fügeverbindung der 5 keine Rondelle vorgesehen.
Es wird nun auf die 6 bis 8 Bezug genommen, in denen unterschiedliche Betriebszustände eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zum Überwachen des Fügeprozesses dargestellt ist.
Ein nur bruchstückhaft angedeutetes Setzgerät 20 umfasst einen Schubkolben 22 und ein auf dem Bauteil 2 aufsetzbares Mundstück 24. Das Mundstück 24 ist mit Durchbrechungen 26 versehen, um einerseits Setzbolzen 6 zuführen zu können und andererseits den Bereich unterhalb des Bolzenkopfes zu entlüften, wodurch während des Fügeprozesses für einen Druckausgleich gesorgt wird.
Das als Profilbauteil ausgebildete Bauteil 4 ist auf einer als Feder-Masse-System schematisch dargestellten Abstützung 28 gelagert. Der Abstützung 28 ist ein Kraftsensor 30 zugeordnet, der die von der Setzkraft hervorgerufene, auf die Bauteile 2, 4 wirkende Reaktionskraft F_R erfasst. Der Kraftsensor 30 ist beispielsweise ein Piezosensor, kann jedoch auch in anderer Weise ausgebildet sein.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kraftsensor 30 zwischen der Abstützung 28 und dem Bauteil 4 angeordnet, sodass der Kraftsensor 30 die Reaktionskraft direkt erfasst. Die Reaktionskraft könnte jedoch auch indirekt erfasst werden. Dies könnte beispielsweise dadurch erreicht werden, dass in das Mundstück 24 ein Kraftsensor (nicht gezeigt) integriert wird, der die während des Fügevorgangs auf das Mundstück 24 wirkende Kraft erfasst.
Aus dieser Kraft, die beim Setzvorgang kleiner wird, könnte dann auf die Reaktionskraft geschlossen werden.
Oberhalb der beiden Bauteile 2, 4 ist ein optischer Sensor 32 angeordnet, der die Setzbolzen-Endlage erfasst. Der optische Sensor 32 ist beispielsweise ein Laser-Sensor, kann jedoch ebenfalls in anderer Weise ausgebildet sein.
Die Setzbolzen-Endlage EL ist beispielsweise als Abstand zwischen der Oberseite des Bolzenkopfes 8 bzw. 8' und der Oberseite des Bauteils 2 in der fertigen Verbindung (8) definiert. Vorzugsweise ist der optische Sensor 32 relativ zu dem Mundstück 24 des Setzgerätes 20 fest angeordnet. Die Oberseite des Bauteils 2 dient dann als Referenz, sodass der optische Sensor 32 lediglich die Lage der Oberseite des Bolzenkopfes 8 bzw. 8' in der fertigen Verbindung erfassen muss.
Zweckmäßigerweise werden die beim Fügeprozess auftretenden Schwingungen der Bauteile 2, 4 gedämpft, um hochfrequente Signalanteile des vom Kraftsensor 30 erzeugten Reaktionskraftsignals auszufiltern. Wie in den 6 bis 8 schematisch angedeutet, ist daher an der Unterseite des Bauteils 4 eine Dämpfungsunterlage 34 angeordnet. Der Kraftsensor 30 ist somit in der Lage, während des Fügevorgangs (6 bis 8) ein aussagekräftiges Reaktionskraftsignal zu erzeugen, worauf weiter unten genauer eingegangen wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dämpfungsunterlage 34 zwischen der Abstützung 28 und dem Bauteil 4 angeordnet. Grundsätzlich könnte die Dämpfungsunterlage auch an einer anderen Stelle angeordnet werden.
Ferner ist vorzugsweise eine Rückfederdämpfungseinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen, welche beim Fügevorgang auftretende Rückfederschwingungen dämpft. Eine solche Rückfederdämpfungseinrichtung kann beispielsweise aus einem Dämpfungskörper, der zwischen dem Bauteil 2 und dem Mundstück 24 angeordnet wird, bestehen. Eine weitere Möglichkeit besteht aus einer federnden Lagerung des Mundstücks, die axiale Ausgleichsbewegun gen des Mundstücks beim Rückprall der Bauteile 2, 4 gegen das Mundstück 24 ermöglicht. Eine weitere Möglichkeit besteht aus einer Dämpfungsanordnung, beispielsweise in Form zweier kleiner Stoßdämpfer, die neben dem Mundstück 24 angeordnet ist und Rückfederbewegungen der beiden Bauteile 2, 4 auffängt.
Eine derartige Rückfederdämpfungseinrichtung schützt die beteiligten Komponenten, insbesondere das Mundstück 24 wie auch die zu fügenden Bauteile, gegen Beschädigung und Abnutzung und trägt zur Schalldämpfung bei.
Das Diagramm der 9 zeigt einen typischen Verlauf der Reaktionskraft F_R über der Zeit t während des Fügeprozesses (beispielsweise bei einer Austrittsgeschwindigkeit des Setzbolzens von 100 m/s). Wie ersichtlich, hat das Reaktionskraftsignal einen schwingungsartigen Verlauf mit einem ersten Maximum, einem Minimum und einem zweiten Maximum. Das erste Maximum entsteht beim Eindringen der Bolzenspitze in die Bauteile, das Minimum beim Durchtritt des Bolzenschaftes durch die Bauteile und das zweite Maximum beim Aufsetzen des Bolzenkopfes auf der Oberseite des oberen Bauteils 2.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der zeitliche Verlauf der Reaktionskraft F_R und insbesondere die drei Extremwerte zuverlässige Aussagen über den Fügeprozess sowie die Qualität und Festigkeit der Verbindung erlauben, so dass sie zum Überwachen und insbesondere zum Beeinflussen des Fügeprozesses herangezogen werden können, was im Folgenden genauer erläutert wird.
Das Diagramm der 10, in dem wieder die Reaktionskraft F_R über der Zeit aufgetragen ist, enthält zwei bei Versuchen gewonnene Signalkurven. Das Bauteil 2 bestand aus einem Blech (Werkstoff: AlMg 5 Mn), und das Bauteil 4 aus einem Hohlprofil (Werkstoff: AlMgSi 0,5). Der Setzbolzen, der dem in den 1 bis 4 gezeigten Setzbolzen entsprach, bestand aus X-EDNI 16 P8, und die Rondelle aus Aluminium.
Wie im Diagramm angegeben, betrug die Setzenergie des Setzbolzen im einen Fall 96 Nm und im anderen Fall 46 Nm. Die unterschiedlichen Werte der Setzgeschwindigkeit bzw. Setzenergie führten zu deutlich unterschiedlichen Verläufen des Reaktionskraftsignals:
Bei der mit der Setzenergie 96 Nm gesetzten Verbindung kommt es zu einem ausgeprägten ersten Maximum, einem ausgeprägten Minimum und einem ausgeprägten zweiten Maximum, das größer als das erste Maximum ist.
Das erste Maximum entsteht beim Eindringen der Bolzenspitze in die Bauteile, wobei die Größe des ersten Maximums eine Folge der hohen Auftreffgeschwindigkeit bzw. Setzenergie ist.
Das Minimum entsteht beim Durchtritt des Setzbolzens durch die beiden Bauteile. Die Tatsache, dass das Minimum kleiner als Null ist, deutet darauf hin, dass die Bolzenspitze den plastifizierten Werkstoff im Fügebereich so stark radial nach außen beschleunigt, dass der Bolzenschaft teilweise keinen Kontakt zum Werkstoff der Bauteile hat.
Das zweite Maximum entsteht beim Aufsetzen des Bolzenkopfes auf der Oberseite der Bauteile. Die Tatsache, dass das zweite Maximum größer als das erste Maximum ist, lässt erkennen, dass es zu einem „Durchschlag" des Setzbolzens gekommen ist.
Unter dem Begriff „Durchschlag" ist ein Zustand zu verstehen, bei dem der Bolzenkopf in das obere Bauteil eindringt und insbesondere ein nach unten größer werdender Spalt zwischen dem Bolzenschaft und dem Werkstoff des unteren Bauteils entsteht, wie dies in 4 angedeutet ist. Offensichtlich ist die Kraft, die der Bolzenkopf (direkt oder indirekt über eine Rondelle) und das obere Bauteil auf das untere Bauteil ausübt, so groß, dass die andernfalls vorhandenen Druckspannungen abgebaut werden und ein deutlich sichtbares Loch entsteht, in welchem der Setzbolzen mit Spiel behaftet regelrecht klappern kann. Darüber hinaus hat die fertige Verbindung eine vergleichsweise geringe Festigkeit.
Deutlich anders ist der Verlauf des Reaktionskraftsignals bei einer Setzenergie von 46 Nm und einer entsprechend geringeren Setzgeschwindigkeit.
So ist das erste Maximum geringer, und das Minimum ist wesentlich größer als bei der Kurve für die größere Setzenergie. Dies lässt sich durch die langsamere Auftreffgeschwindigkeit und die geringere Setzgeschwindigkeit beim Durchtritt des Bolzenschaftes durch die beiden Bauteile erklären. Offensichtlich wird beim Setzvorgang weniger Werkstoff der Bauteile plastifiziert, sodass keine entsprechend starke Druckentlastung beim Durchtritt des Bolzenschaftes auftritt.
Ferner ist zu erkennen, dass kein stark ausgeprägtes zweites Maximum entsteht. Vielmehr kommt es zu einem nur geringen zweiten Maximum, von dem die Reaktionskraft in einem fließenden Übergang allmählich abklingt. Der Grund für diesen Verlauf der Reaktionskraft im Bereich des zweiten Maximums ist, dass der Bolzenkopf nicht auf den Bauteilen aufsetzt. Vielmehr steht der Bolzenkopf deutlich über, und auch die Bolzenspitze ist nicht vollständig durchgestoßen. Der Setzbolzen nimmt eine Endlage ungefähr zwischen den in den 2 und 3 dargestellten Lagen ein.
Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass eine Setzenergie von 96 Nm zu groß und eine Setzenergie von 46 Nm zu klein ist, um bei den gegebenen Parametern eine zufriedenstellende Verbindung herzustellen. Dies lässt sich am Verlauf der Reaktionskraft und insbesondere an den Extremwerten erstes Maximum, Minimum und vor allem zweites Maximum erkennen.
Der Verlauf der Reaktionskraft und insbesondere die Extremwerte ermöglichen somit eine Überwachung und Bewertung des Fügeprozesses sowie der fertigen Verbindung. Sie können insbesondere zu einer Steuerung oder Regelung des Fügeprozesses verwendet werden.
Der unbefriedigende Zustand der mit den beiden Setzenergien 96 Nm und 46 Nm gesetzten Verbindung kann auch durch die von dem optischen Sensor 32 (6 bis 8) erfassten Setzbolzen-Endlage EL erkannt werden. So ergibt sich bei der Setzenergie von 96 Nm eine Endlage EL, die kleiner ist als Null (Durchschlag), während die Setzenergie von 46 Nm eine Endlage ergibt, die deutlich größer als Null ist.
Die Setzbolzen-Endlage kann somit ebenfalls zur Überwachung und Bewertung des Fügeprozesses sowie der fertigen Verbindung herangezogen werden. Eine Steuerung bzw. Regelung des Fügeprozesses kann daher in Abhängigkeit auch von der Setzbolzen-Endlage EL erfolgen.
Ein Verfahren zum Steuern des Fügeprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffgeschwindigkeit des Setzbolzens oder die Setzenergie in Abhängigkeit von der Reaktionskraft und/oder der Setzbolzenendlage vorgegeben wird. Ein Verfahren zum Regeln des Fügeprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt beispielsweise in der Weise, dass die Auftreffgeschwindigkeit des Setzbolzens oder die Setzenergie in Abhängigkeit von der Reaktionskraft und/oder der Setzbolzen-Endlage so geregelt wird, dass das erste Maximum und/oder das Minimum und/oder das zweite Maximum der Reaktionskraft innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes bleiben.
Anhand des Diagramms der 12 wird eine Prozessüberwachung erläutert, bei der die Reaktionskraft F_R und die Endlage EL gemeinsam als Überwachungsparameter herangezogen werden.
In dem Diagramm der 12 ist das zweite Maximum des Reaktionskraftverlaufes RKV (Kurve a), die Setzbolzen-Endlage EL (Kurve b) und die bei Zugversuchen gewonnene Maximalkraft F_max (Kurve c) über der Setzenergie W_kin aufgetragen. Das Diagramm wurde bei Versuchen gewonnen, bei denen die gleichen Setzbolzen und Bauteile wie bei den Versuchen des Diagramms der 10 verwendet wurden.
Wie ersichtlich, steigt das zweite Maximum der Reaktionskraft (Kurve a) oberhalb einer bestimmten Setzenergie von z. B. 75 Nm sprunghaft an. In diesem mit A bezeichneten Bereich kommt es offensichtlich zu einem Durchschlag des Setzbolzens (siehe 11).
Unterhalb einer bestimmten Setzenergie von z. B. 45 Nm steigt die Setzbolzen-Endlage EL (Kurve b) sprunghaft an. Offensichtlich kommt es in diesem mit B bezeichneten Bereich zu keinem Aufsetzen des Bolzenkopfes.
Wie anhand von Versuchen festgestellt wurde, korrelieren die Ausbildung des Fügebereiches bzw. die bei Kopfzugversuchen ermittelten maximalen Kopfzugkräfte (Maximalkraft F_max) sehr gut mit der Setzbolzen-Endlage und dem zweiten Maximum des Reaktionskraftverlaufes. Die Maximalkraft F_max (Kurve c) sinkt oberhalb der oberen Grenze deutlich ab.
Zwischen der unteren und oberen Grenze der Setzenergie in dem mit C bezeichneten Bereich verlaufen die Kurven einigermaßen konstant, was auf einen stabilen Fügeprozess und eine optimale Ausbildung der Verbindung schließen lässt.
In diesem Bereich schwankt die Kopfzugfestigkeit (Kurve c) am wenigsten, und auch das zweite Maximum des Reaktionskraftverlaufes und die Setzbolzen-Endlage sind in diesem Bereich relativ konstant. Eigenschaften wie optische Qualität und Festigkeit der Verbindung sind hierbei weitgehend gleich bleibend, sodass eine hohe Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit des Fügeprozesses sichergestellt ist.
Aus dem Diagramm der 12 und der obigen Beschreibung wird deutlich, dass das zweite Maximum des Reaktionskraftverlaufes RKV und die Setzbolzen-Endlage EL zwei Größen sind, die für eine zerstörungsfreie Prozessüberwachung mit dem Ziel der Überwachung der Verbindungsqualität herangezogen werden können. Das zweite Maximum des Reaktionskraftverlaufes ermöglicht hierbei eine Begrenzung zu hohen Energien, während die Setzbolzen-Endlage als Begrenzung zu geringen Energien verwendet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher der Fügeprozess in Abhängigkeit von den beiden Kennwerten zweites Maximum des Reaktionskraftverlaufes und Setzbolzen-Endlage gesteuert oder geregelt.
Anhand der Diagramme der 13 und 14 werden weitere Möglichkeiten zum Überwachen und Bewerten des Fügeprozesses sowie der hierbei gefertigten Verbindung mit Hilfe des Reaktionskraftverlaufes erläutert.
In dem Diagramm der 13, das unter den gleichen Versuchsbedingungen wie die Diagramme der 10 und 12 erstellt wurde, ist wiederum die Reaktionskraft über der Zeit aufgetragen, und zwar für drei unterschiedliche Anfangslagen einer Rondelle auf dem Setzbolzen. In der Rondellenlage Rl = 0 befindet sich die Rondelle ungefähr im Bereich des Übergangs zwischen der Bolzenspitze 12 und dem Bolzenschaft 10 (1 bis 4), und in den Rondellenlagen Rl = +1 bzw. Rl = –1 befindet sich die Rondelle oberhalb bzw. unterhalb dieses Überganges.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich, hat die Anfangslage der Rondelle einen erheblichen Einfluss auf das erste Maximum der Reaktionskraft. Im ungünstigsten Fall (Rl = –1) fällt das Eindringen der Bolzenspitze in die Bauteile mit dem Losreißen der Rondelle zusammen, was zu einer entsprechend großen Reaktionskraft führt. Dies wiederum hat einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeit der Verbindung. So betrug bei den durchgeführten Versuchen die Maximalkraft der Kopfzugfestigkeit 0,30 kN bei Rl = –1, 1,35 kN bei Rl = 0 und 1,79 kN bei Rl = +1.
Anhand des Verlaufs der Reaktionskraft lässt sich daher die Anfangslage der Rondelle auf dem Bolzenschaft optimieren.
In dem Diagramm der 14 ist wieder die Reaktionskraft über der Zeit aufgetragen. Die Kurve a und die Kurve b wurden mit einem nach dem Schlagkolbenprinzip arbeitenden Setzgerät bzw. mit einem nach dem Schubkolbenprinzip arbeitenden Setzgerät gewonnen. Im Übrigen waren die Versuchsbedingungen die gleichen wie bei den vorstehend beschriebenen Versuchen.
Wie ersichtlich, hat die Kurve b (Schubkolbenprinzip) kein ausgeprägtes Minimum und kein ausgeprägtes zweites Maximum. Dies ist auf die geringere Eindringgeschwindigkeit zurückzuführen, die zu ständiger Reibung zwischen dem Bolzenschaft und dem Werkstoff der Bauteile führt. Erkennbar ist auch, dass die Reaktionskraft und damit die Belastung der Bauteile länger andauert.
Die Kurve a (Schlagkolbenprinzip) hat ein größeres erstes Maximum und insbesondere ein ausgeprägtes, deutlich geringeres Minimum. Das niedrige Minimum deutet darauf hin, dass beim Durchtritt des Bolzenschaftes durch die Bauteile der plastifizierte Werkstoff radial nach außen beschleunigt wird, was eine entsprechende Druckentlastung zur Folge hat. Das zweite Maximum, das einen wichtigen Kennwert für die Verbindungsqualität darstellt, weist im Fall der Kurve a (Schlagkolbenprinzip) eine wesentlich geringere Streuung als im Fall der Kurve b auf.
Aus diesen Ergebnissen lässt sich folgern, dass sich mit einem nach dem Schlagkolbenprinzip arbeitenden Setzgerät gegenüber einem nach dem Schubkolbenprinzip arbeitenden Setzgerät Verbindungen mit deutlich geringeren Verformungen und höheren Festigkeiten reproduzierbar hergestellt werden können.
Das Diagramm der 14 macht somit deutlich, dass der Verlauf der Reaktionskraft zum Überwachen und Bewerten der Arbeitsweise des Setzgerätes verwendet werden kann.
Es wird nun nochmals auf 9 Bezug genommen. In dem Diagramm dieser Figur stellt die gestrichelte waagrechte Linie die Durchschlaggrenze dar. Um eine verformungsarme und tragfähige Verbindung herzustellen, muss zwischen der Durchschlagsgrenze und den Extremwerten (erstes Maximum, Minimum und zweites Maximum) der Reaktionskraft F_R ein möglichst großer Abstand vorhanden sein.
Dies lässt sich dadurch erreichen, dass das erste Maximum, das Minimum und das zweite Maximum möglichst klein gewählt werden. Eine Absenkung des zweiten Maximums lässt sich durch eine Verringerung der Setzenergie erreichen. Eine Absenkung des Minimums kann durch eine Erhöhung der Auftreffgeschwindigkeit erzielt werden. Auch die Verwendung von möglichst wenigen zu durchdringenden Grenzflächen kann hierzu beitragen. Eine Verringerung des ersten Maximums lässt sich durch eine Erhöhung der Auftreffgeschwindigkeit, Verschiebung der Anfangslage einer möglicherweise vorhandenen Rondelle in Richtung auf den Bolzenkopf, insbesondere durch den Verzicht auf eine Rondelle, sowie durch eine Erhöhung der Steifigkeit des Fügebereiches erzielen.
Andererseits lässt sich der Abstand zwischen der Durchschlagsgrenze und den Extremwerten der Reaktionskraft durch eine Erhöhung der Durchschlagsgrenze vergrößern, was sich beispielsweise durch eine Erhöhung der Steifigkeit der Bauteile, eine höhere Auftreffgeschwindigkeit des Setzbolzens oder auch durch die Wahl des Setzgerätes (Schlagkolbenprinzip anstatt Schubkolbenprinzip) erreichen lässt.
Die Durchschlaggrenze bzw. der Abstand zwischen den Extremwerten der Reaktionskraft und der Durchschlaggrenze können daher ebenfalls zur Überwachung und insbesondere zur Steuerung/Regelung des Fügeprozesses verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Überwachen eines Fügeprozesses zum Verbinden mindestens zweier Bauteile (2, 4) mittels eines Setzbolzens (6; 6'), der einen Bolzenkopf (8; 8'), einen Bolzenschaft (10; 10') und eine Bolzenspitze (12) aufweist und mit hoher Geschwindigkeit in die beiden Bauteile (2, 4) eingetrieben wird, bei welchem Verfahren die beim Fügevorgang auf die Bauteile (2, 4) wirkende Reaktionskraft (F_R) erfasst und zum Bewerten des Fügeprozesses und/oder der Verbindung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Reaktionskraft (F_R) zum Steuern des Fügeprozesses verwendet wird (offene Steuerkette).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Reaktionskraft (F_R) zum Regeln des Fügeprozesses verwendet wird (geschlossener Regelkreis).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Setzenergie des Setzbolzens (6; 6') in Abhängigkeit von der erfassten Reaktionskraft (F_R) beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der erfassten Reaktionskraft (F_R) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Reaktionskraft (F_R) während des Fügeprozesses ein erstes Maximum, ein zweites Maximum und ein dazwischen liegendes Minimum hat, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Maximum und/oder das Minimum und/oder das zweite Maximum bestimmt und als Kennwerte verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügeprozess so beeinflusst wird, dass das erste Maximum und/oder das Minimum und/oder das zweite Maximum der erfassten Reaktionskraft (F_R) jeweils innerhalb eines vorgesehenen Toleranzbandes liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügeprozess so beeinflusst wird, dass das erste Maximum und/oder das Minimum und/oder das zweite Maximum der erfassten Reaktionskraft (F_R) möglichst gering sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine auf den Setzbolzen (6) aufgeschobene Rondelle (14) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Lage der Rondelle (14) auf dem Setzbolzen (6) in Abhängigkeit von der erfassten Reaktionskraft (F_R) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskraft (F_R) mittels eines Kraftsensors (30) direkt oder indirekt erfasst wird, um ein Reaktionskraftsignal zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Fügeprozess auftretenden Schwingungen der Bauteile (2, 4) gedämpft werden, um hochfrequente Signalanteile des Reaktionskraftsignals auszufiltern.
Verfahren zum Überwachen eines Fügeprozesses zum Verbinden mindestens zweier Bauteile (2, 4) mittels eines Setzbolzens (6; 6'), der einen Bolzenkopf (8), einen Bolzenschaft (10) und eine Bolzenspitze (12) aufweist und der mit hoher Geschwindigkeit in die beiden Bauteile (2, 4) eingetrieben wird, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem Verfahren die Endlage (EL) des Setzbolzens (6; 6') in der fertigen Verbindung erfasst und zum Bewerten des Fügeprozesses und/oder der Verbindung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Setzbolzen-Endlage (EL) zum Steuern des Fügeprozesses verwendet wird (offene Steuerkette).
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Setzbolzen-Endlage (EL) zum Regeln des Fügeprozesses verwendet wird (geschlossener Regelkreis).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Setzenergie des Setzbolzens (6; 6') in Abhängigkeit von der erfassten Setzbolzen-Endlage beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügeprozess so beeinflusst wird, dass der Bolzenkopf (8; 8') in der fertigen Verbindung eine Null-Endlage einnimmt, in der der Bolzenkopf (8; 8') unmittelbar oder mittelbar über eine Rondelle (14) an dem bolzenkopfseitigen Bauteil (2) anliegt, ohne dass die Oberseite des bolzenkopfseitigen Bauteils (2) merklich verformt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in Verbindung mit einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein für den Fügeprozess geeigneter Prozessbereich der Setzenergie (W_kin) und/oder der Setzgeschwindigkeit des Setzbolzens (6; 6') in Abhängigkeit von der erfassten Reaktionskraft (F_R) und der erfassten Setzbolzen-Endlage bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine untere Grenze des besagten Prozessbereiches in Abhängigkeit von der erfassten Setzbolzen-Endlage (EL) und eine obere Grenze des besagten Prozessbereiches in Abhängigkeit von der erfassten Reaktionskraft (F_R) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 18 in Verbindung mit Anspruch 67, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Grenze des besagten Prozessbereiches in Abhängigkeit von dem zweiten Maximum der erfassten Reaktionskraft (F_R) bestimmt wird.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einem Setzgerät (20) zum Ausüben einer impulsförmigen Setzkraft auf einen Setzbolzen (6; 6'), einer Abstützung (28) zum Abstützen der zu verbindenden Bauteile (2, 4) und einem Kraftsensor (30) zum Erfassen der von der Setzkraft hervorgerufenen, auf die Bauteile (2, 4) wirkenden Reaktionskraft (F_R).
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 19, insbesondere nach Anspruch 20, mit einem Setzgerät (20) zum Ausüben einer impulsförmigen Setzkraft auf einen Setzbolzen (6; 6'), einer Abstützung (28) zum Abstützen der zu verbindenden Bauteile (2, 4) und einem optischen Sensor (32) zum Erfassen der Endlage (EL) des Setzbolzens (8; 8') in der fertigen Verbindung.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, gekennzeichnet durch eine Dämpfungsunterlage (34) an der Unterseite des bolzenkopfabgewandten Bauteils (4) zum Ausfiltern hochfrequenter Signalanteile eines Reaktionskraftsignals.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20–22, gekennzeichnet durch eine Rückfederdämpfungseinrichtung zum Dämpfen von Rückfederschwingungen der Bauteile, (2, 4) beim Fügevorgang.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Setzgerät (20) ein auf dem bolzenkopfseitigen Bauteil (2) aufsetzbares Mundstück (24) hat, das mit Durchbrechungen (26) zum Entlüften des Bereichs unterhalb des Bolzenkopfes (8; 8') während des Fügeprozesses versehen ist.