DE102006044377A1

DE102006044377A1 - Befestigungselement für eine Reiblötverbindung mit einem eine metallische Oberfläche aufweisenden Bauteil

Info

Publication number: DE102006044377A1
Application number: DE102006044377A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr. Christ; Uwe Prof. Füssel; Jörg THIEM; Niels Goller
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Ejot GmbH and Co KG
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Ejot GmbH and Co KG
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: WO2008034562A1; DE102006044377B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Befestigungselement, das auf ein eine metallische Oberfläche aufweisendes Bauteil aufsetzbar ist und das eine metallische, rotationssymmetrische Stirnfläche aufweist und durch Rotation unter Andrücken an die Aufnahmefläche mittels eines zwischen Bauteil und Stirnfläche angebrachten Lots eine Reiblötverbindung bildet. Die Stirnfläche ist mit radial verlaufenden Wülsten versehen, die bei Rotation und beim Andrücken an das Bauteil dessen Oberfläche längs der Wülste abschaben. Das Lot ist in Form von Einzelstücken in Vertiefungen in der Stirnfläche neben den Wülsten derart eingedrückt, dass durch Reiberwärmung verflüssigbares oder plastifizierbares Lot die Zwischenräume zwischen den Wülsten als Lotfilm ausfüllt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Befestigungselement, das auf ein eine metallische Oberfläche aufweisendes Bauteil aufsetzbar ist und das eine metallische rotationssymmetrische Stirnfläche aufweist und durch Rotation unter Andrücken an das Bauteil mittels bildet.
Eine derartige Lötverbindung ist in der DE 198 03 392 A1 offenbart. Es handelt sich dabei um eine Reiblötverbindung zwischen zwei Kunststoffteilen, nämlich einem Deckel und einem Bodenteil. Um diese beiden Teile miteinander zu verbinden, erhalten diese je eine Metallisierungsschicht, wobei außerdem im Bereich der Verbindungsstelle eine Beschichtung mit dem Lot vorgesehen ist. Die Herstellung der Verbindung zu den beiden Teilen erfolgt durch eine Reibbewegung, die als zirkulare Bewegung ausgebildet sein kann, wobei durch Reibung das Lot aufgeschmolzen und damit die Reiblötverbindung hergestellt wird. Die Darstellung in der genannten Druckschrift ist dabei ganz allgemein gehalten, ohne dass auf irgendwelche Besonderheiten eingegangen wird, wie die miteinander zu verbindenden Oberflächen der betreffenden Bauteile zu gestalten sind und dabei das Lot in sinnvoller Weise effektiv zur Wirkung gebracht werden kann.
Bei der Erfindung handelt es sich um eine Reiblötverbindung eines eine metallische Oberfläche aufweisenden Bauteils und eines auf dieses Bauteil aufsetzbaren Befestigungselements, das, wie eingangs gesagt, eine metallische, rotationssymmetrische Stirnfläche aufweist und durch Rotation unter Andrücken an das Bauteil mittels eines zwischen Bauteil und Stirnfläche angebrachten Lotes eine Lötverbindung bildet. Dem liegt die Aufgabe zugrunde, ein Befestigungselement zu schaffen, mit dem sich eine Lötverbindung mit großer Sicherheit und hohen Haltekräften erzeugen lässt, die sich auch im schnellen Betrieb einer automatisierten Fabrikation leicht ausführen lässt. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, dass die Stirnfläche mit radial verlaufenden Wülsten versehen ist, die bei Rotation und beim Andrücken an das Bauteil dessen Oberfläche längs der Wülste abschaben, und das Lot in Form von Einzelstücken in Vertiefungen in der Stirnfläche neben den Wülsten derart eingedrückt ist, dass durch Reiberwärmung verflüssigbares oder plastifizierbares Lot die Zwischenräume zwischen den Wülsten als Lotfilm ausfüllt.
Die Sicherheit einer Lötverbindung hängt von der flächigen Benetzung der zu verbindenden Bauteile mit dem Lot ab, die hier dadurch gewährleistet wird, dass bei Rotation beim Andrücken der mit dem Lot versehenen Stirnfläche an das Bauteil die Oberfläche des Bauteils abgeschabt wird, womit irgendwelche Fremdkörper, insbesondere Oxydschichten, entfernt werden und die metallische Oberfläche des Bauteils für das Verlöten frei zur Verfügung steht. Dabei wird durch die Wülste nicht nur der Effekt des Abschaben erzielt, sondern auch eine gleichmäßige Verteilung des verflüssigten oder plastifizierten Lots über die Stirnfläche und damit über die Gegenfläche des betreffenden Bauteils, womit das Lot, das im Wesentlichen den Raum zwischen den Wülsten als Lötfilm bei seinem Erstarren ausfüllt, eine sichere Verbindung zwischen Bauteil und Befestigungselement bilden kann. Der dabei für den eigentlichen Reiblötvorgang erforderliche Aufwand ist relativ gering, da das Lot einerseits bei seiner Erhitzung durch Reibung eine saubere Oberfläche vorfindet und darüber hinaus in gleichmäßiger Stärke zwischen den radial verlaufenden Wülsten gehalten wird, so dass das vorhandene Lot optimal ausgenutzt wird. Das Ergebnis ist eine einfach herstellbare und auch erheblich belastbare Reiblötverbindung zwischen dem Bauteil und dem Befestigungselement, was für eine automatisierte Fertigung von besonderer Bedeutung ist.
Die Anbringung des Lotes kann vorteilhafter Weise derart erfolgen, dass es als Einzelstück in eine zentrale Vertiefung der Stirnfläche mitnahmesicher einge drückt wird. Bei seiner Erwärmung durch Reibung wird dann das Lot plastifiziert oder verflüssigt und wandert in den Bereich neben den Wülsten, wo es dann flächig mit der metallischen Oberfläche des Bauteils in Berührung kommt und mit diesem dann die Verlötung herbei führt. Es ist aber auch möglich, das Lot in Form mehrerer Einzelstücke in Vertiefungen verteilt über die Stirnfläche einzudrücken. In diesem Falle liegt von vorneherein bereits eine gewisse Verteilung des Lotes über die Stirnfläche vor, was dann von Vorteil ist, wenn es sich über eine relativ große Stirnfläche handelt.
Eine weitere Möglichkeit der Anbringung des Lots besteht darin, dass das Lot als Einzelstück als sich über die Stirnfläche erstreckender Querbalken in einer Vertiefung in der Stirnfläche angebracht ist. In diesem Falle bildet das sich von Anfang an quer über die Stirnfläche erstreckende Lot eine Verteilung, aus der dann leicht die notwendige Menge des Lotes über alle Bereiche der zu schaffenden Reiblötverbindung herausgeholt werden kann.
Eine weitere Möglichkeit der Gestaltung des Lots als Einzelstück besteht darin, dieses gegebenenfalls auch bestehend aus mehreren Einzelstücken in einer ringförmigen Vertiefung anzubringen, was aus fabrikatorischen Gründen vorteilhaft sein kann.
Damit bei dem Vorgang des Reiblötens aufgrund der dabei ausgenutzten Reibung die Einzelstücke des Lotes mitgenommen und nicht aus ihren Vertiefungen herausgerissen werden können, ist die jeweilige Vertiefung zweckmäßig mit Mitnahmeelementen für das Einzelstück versehen. Diese Mitnahmeelemente sorgen dann dafür, dass bei dem Reiblötvorgang einerseits die Einzelstücke bei der Rotation mitgenommen und andererseits nicht ein ganzes Stück des Lotes etwa aus der Vertiefung herausgerissen werden kann und damit für den Reiblötvorgang gegebenenfalls fehlt.
Eine weitere allgemeine Möglichkeit der Lösung des Problems zur Anbringung des Lots besteht darin, dieses als Beschichtung auf der Stirnfläche anzubringen. In diesem Falle kann beim Reiblöten von einer Gesamtfläche mit vorhandenem Lot ausgegangen werden, was für die Schnelligkeit der Durchführung des Reiblötvorgangs vor Vorteil ist.
Für die Gestaltung der Wülste ergeben sich mehrere Möglichkeiten. Zunächst kann man die Wülste gradlinig verlaufen lassen, was für die Herstellung des Befestigungselementes von Vorteil ist. Es ist aber auch möglich, die Wülste spiralförmig verlaufen zu lassen, was dazu führt, dass beim Abschaben des Bauelementes abgeschabte Fremdkörper leichter nach außen wegtransportiert werden.
Um die Wirkung des Abschabens der Oberfläche des Bauteils zu verbessern, kann man den Wülsten längs ihrer Längsausdehnung Unterbrechungen geben, die dazwischen den betreffenden Wulst stehen lassen, der dann mit besonders hoher Flächenpressung seine Wirkung entfalten kann.
Das mit dem Bauteil zu befestigende Befestigungselement kann einerseits als Mutter ausgebildet sein, es ist aber auch möglich, es als Bolzen auszubilden. In beiden Fällen besteht darüber hinaus die Möglichkeit, der Mutter bzw. dem Bolzen einen Flansch zu geben, der sich besonders dazu eignet, für den Reiblötvorgang ausgenutzt zu werden.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 das Befestigungselement mit einer Stirnfläche, die mit geraden radial verlaufenden Wülsten versehen ist;
2 eine ähnliche Stirnseite eines Befestigungselementes mit an mehreren Stellen angebrachten Lot-Einzelstücken;
3 die Stirnfläche eines Befestigungselementes mit einem quer verlaufenden Wulst und einer quer verlaufenden Vertiefung zur Aufnahme des Lots;
4 die Stirnfläche eines Befestigungselementes mit ringförmig angebrachtem Lot;
5 die Stirnfläche eines Befestigungselementes mit einer besonderen Gestaltung einer Aufnahme für das Loteinzelstück;
6 die Stirnfläche eines Befestigungselementes mit spiralförmig verlaufenden Wülsten;
7 die Stirnfläche eines Befestigungselementes mit radial verlaufenden Vertiefungen zur Aufnahme von mit Unterbrechungen versehenen Lot-Einzelstücken;
8 das Befestigungselement gemäß 3 gestaltet als Mutter;
9 das als Bolzen ausgebildete Befestigungselement mit Flansch;
10 das als Mutter gestaltete Befestigungselement mit einem Flansch, der mit seiner dem Bauteil zugewandten Seite den Bereich für die Herstellung der Reiblötverbindung bildet.
1 zeigt das Befestigungselement mit dem Schaft 1, an dem sich der Flansch 2 mit der Stirnseite 3 anschließt. Schaft 1 und Flansch 2 bestehen aus Metall, z.B. Stahl. Es kann aber auch ein anderes Material verwendet werden, auch ein solches, das mit einer Metallisierung überzogen ist. Auf der Stirnseite sind drei sich über die gesamte Stirnseite jeweils erstreckende radial verlaufende Wülste 5 und 6 vorgesehen, die sich vom einen Rande des Flansches 2 hin zu dessen gegenüber liegenden Rand durchgehend erstrecken, im Mittelpunkt allerdings durch eine Vertiefung 7 unterbrochen sind, in die ein aus dem verwendeten Lot bestehendes Einzelstück 8 mitnahmesicher eingedrückt ist. Als Lot kann man vorteilhaft Messing verwenden, da diese Legierung üblicher Weise zum Hartlöten verwendet wird. Dabei ist durch nicht im Einzelnen dargestellte Einzelheiten in der Vertiefung 7 dafür gesorgt, dass das Einzelstück 8 mitnahmesicher in der Vertiefung 7 untergebracht ist, also bei Drehung des Befestigungselementes mit Schaft 1 und Flansch 2 sich mitdrehen und nicht aus der Vertiefung herausfallen kann. Hierzu eignen sich gegebenenfalls angestauchte Ränder der Vertiefung 7.
Für die Herstellung einer Reiblötverbindung wird die Stirnseite 3 gegen ein in 1 nicht dargestelltes Befestigungselement gedrückt und in Drehung versetzt (siehe hierzu auch 9), wobei durch Reibung und infolge der Andruckkraft soviel Wärme entsteht, dass das Einzelstück 8 zumindest plastifiziert oder auch verflüssigt wird und sich daraufhin aufgrund der Zentrifugalkräfte nach außen hin in den Zwischenräumen zwischen den Wülsten 5, 6, 7 und 8 ausbreitet, wo es in dünner Schicht die Oberfläche der Stirnfläche 3 mit der Oberfläche des angedrückten Befestigungselementes verbindet und mit einer Abkühlung endgültig die feste Reiblötverbindung herstellt.
In der 2 ist eine ähnliche Gestaltung einer Stirnfläche 9 dargestellt, die, wie auch in 1 dargestellt, mit drei Wülsten 4, 5 und 6 versehen ist. Für die Unterbringung des Lots sind hier zwischen den drei Wülsten 4, 5 und 6 die Vertiefungen 11, 12, 13, 14 und 15 vorgesehen, in die (nicht dargestellt) jeweils ein Lot-Einzelstück eingedrückt ist, das von den Vertiefungen festgehalten wird, bis durch Reibung, wie im Zusammenhang mit der 1 beschrieben, das Lot erwärmt und verflüssigt wird, um sich dann in den Zwischenräumen zwischen dem Wülsten 5, 6 und 7 entsprechend auszubreiten.
3 zeigt eine Abwandlung der Gestaltung der Stirnfläche des Bauteils, die hier aus dem Flansch 16 mit einer einzigen radial quer verlaufenden Wulst 17 besteht. Das Lot ist hier in der Vertiefung 18 untergebracht, die sich quer über die gesamte Stirnfläche 19 erstreckt und von hier aus bei Erhitzung der Stirnfläche 19 sich über diese insgesamt und die Gegenfläche des betreffenden Befestigungselementes verbreitert.
In 4 ist eine weitere Abwandlung des Flansches 20 dargestellt, bei dem das Lot in der ringförmigen Vertiefung untergebracht ist, die sich koaxial im Bereich der Stirnfläche 22 befindet. Diese Gestaltung ist besonders aus fabrikatorischen Gründen günstig.
In der 5 ist eine besondere Vertiefung 23 dargestellt, die sich in der Stirnfläche 24 befindet und die gewissermaßen sternförmig ausgebildet ist, so dass ein in sie eingedrücktes Lot-Einzelstück vor allem hinsichtlich Verdrehung gesichert ist. Die Wirkung des Abschabens der Oberfläche des betreffenden Bauteils erfolgt hier durch einen einzigen Wulst 24, der sich ähnlich wie der Wulst 17 gemäß 3 quer über die gesamte Stirnfläche 24 erstreckt.
In der 6 ist eine weitere Abwandlung der Gestaltung der Stirnfläche 26 dargestellt, bei der es sich darum handelt, dass sie spiralförmig gestaltete Wülste 28 und 29 aufweist, die bei Verdrehung des Flansches 30 in Richtung des eingezeichneten Pfeils mit besonderer Intensität dafür sorgen, dass aus der mittleren Vertiefung 7 stammendes Lot von dem Einzelstück 8 (siehe 1) gleichmäßig nach außen fließt, wobei abgeschabtes Fremdmaterial von dem betreffenden Bauteil durch die spiralförmige Gestaltung der Wülste 27, 28 und 29 nach außen weggedrängt wird.
In 7 ist die Gestaltung eines Flansches 31 dargestellt, der den Flansch 2 gemäß 1 weitgehend entspricht, jedoch mit unterbrochenen Wülsten 32, 33 und 34 versehen ist. Aufgrund dieser Unterbrechungen ergibt sich ein besonders intensiver Abschabeeffekt dort, wo die Wülste stehen geblieben sind, was zu einer besonders intensiven Einigung eines möglicher Weise verschmutzten Gegenstücks, nämlich des Bauteils, führt.
Gemäß den vorstehenden Figuren handelt es sich um ein Befestigungselement, das als Bolzen ausgebildet ist. In der 8 ist nunmehr ein Befestigungselement dargestellt, das als Mutter 35 gebildet ist. Hinsichtlich der Stirnseite 36 und deren Gestaltung entspricht diese praktisch vollständig der Gestaltung, wie sie in 3 dargestellt ist.
In 9 ist ein als Bolzen dargestelltes Befestigungselement 1 mit dem Flansch 2 dargestellt, das durch Reiblöten mit dem als Blechstück ausgebildeten Bauteil 37 verbunden ist.
Bei der Darstellung in 10 handelt es sich um eine Mutter als Befestigungselement, die hier als Durchsteckmutter ausgebildet ist und durch das Bauteil 39 hindurchgesteckt ist. Dabei handelt es sich um ein Blechstück. Das Befestigungselement 40 liegt mit seinem Flansch 38 an dem Bauteil 39 an, wobei die durch Reiblöten gebildeten Verbindungsstellen zusätzlich geschwärzt dargestellt sind. Auf der betreffenden Oberfläche des Flansches 38 sind wie z.B. in 3 dargestellt, einerseits ein Wulst 17 und andererseits eine Vertiefung 18 angeordnet (in 10 nicht sichtbar), die dann mit ihrer zu 3 dargestellten Wirkungsweise die Verbindung zu dem Bauteil 39 durch Reiblöten herstellen.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass bei den Ausführungsbeispielen gemäß 9 und 10 die für das Reiblöten vorgesehenen Bestandteile auch auf der jeweils anderen Seite des betreffenden Flansches 2 bzw. 38 sein können, wenn ein entsprechendes Verbindungsbedürfnis besteht.

Claims

Auf ein Bauteil (37, 39) mit metallischer Oberfläche aufsetzbares Befestigungselement, das eine metallische, rotationssymmetrische Stirnfläche (3, 9, 19, 22, 24, 26, 36) aufweist und durch Rotation unter Andrücken an die Aufnahmefläche mittels eines zwischen Bauteil (37, 39) und Stirnfläche (3, 9, 19, 22, 24, 26, 36) angebrachten Lots eine Reiblötverbindung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (3, 9, 19, 22, 24, 26, 36) mit radial verlaufenden Wülsten (4, 5, 6; 17, 25, 27, 28, 29, 32, 33, 34) versehen ist, die bei Rotation und beim Andrücken an das Bauteil (37, 39) dessen Oberfläche längs der Wülste (4, 5, 6; 17, 25, 27, 28, 29, 32, 33, 34) abschaben, und das Lot in Form von Einzelstücken (8) in Vertiefungen (7, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 18, 21, 23) in der Stirnfläche (3, 9, 19, 22, 24, 26, 36) neben den Wülsten (4, 5, 6; 17, 25, 27, 28, 29, 32, 33, 34) derart eingedrückt ist, dass durch Reiberwärmung verflüssigbares oder plastifizierbares Lot die Zwischenräume zwischen den Wülsten (4, 5, 6; 17, 25, 27, 28, 29, 32, 33, 34) als Lotfilm ausfüllt.
Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot als Einzelstück (8) in eine zentrale Vertiefung (7) der Stirnfläche (3) mitnahmesicher eingedrückt ist.
Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot in Form mehrerer Einzelstücke in Vertiefungen (10, 11, 12, 13, 14, 15) verteilt über die Stirnfläche (9) eingedrückt ist.
Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot als Einzelstück als sich über die Stirnfläche (19) erstreckender Querbalken in einer Vertiefung (18) in der Stirnfläche (19) angebracht ist.
Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot als Einzelstück oder bestehend aus mehreren Einstücken in einer ringförmigen Vertiefung (21) angebracht ist.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Vertiefung (23) mit Mitnahmeelementen für das Einzelstück versehen ist.
Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot als Beschichtung auf der Stirnfläche angebracht ist.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wülste (4, 5, 6, 17, 25) geradlinig verlaufen.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wülste (27, 28, 29) spiralförmig verlaufen.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wülste (32, 33, 34) längs ihrer Erstreckung Unterbrechungen aufweisen.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es als Mutter (35) ausgebildet ist.
Befestigungselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es als Mutter (40) mit Flansch (38) ausgebildet ist.
Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es als Bolzen (1) ausgebildet ist.
Befestigungselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es als Bolzen (1) mit Flansch (2; 16, 20, 30; 31) ausgebildet ist.