DE102007025888A1

DE102007025888A1 - Anordnung zur Verbindung von Bauteilen durch Schrauben und Schweißen und Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindung

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Publication number: DE102007025888A1
Application number: DE200710025888
Authority: DE
Original assignee: ABC Umformtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: ABC Umformtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2008-12-04
Also published as: WO2008145670A3; WO2008145670A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Verbindung von Bauteilen (1, 4, 8) durch Schrauben und Schweißen, umfassend ein einen Gewindeabschnitt (2) aufweisendes Schraubelement (1), welches im Bereich einer Durchtrittsöffnung (3), die sich in einem mit dem Schraubelement (1) zu verbindenden Bauteil (4) befindet, mit dem Bauteil (1) verschweißbar ist, und umfassend eine Dichtung (5) zur Abdichtung der Durchtrittsöffnung (3), wobei die Dichtung (5) im Montagezustand zwischen dem Schraubelement (1) und dem Bauteil (4) angeordnet ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Dichtung (5) aus einem hochtemperaturbeständigen, jedoch durch die wirksam werdende Schweißenergie schmelzbaren Kunststoff, wie Polyarylensulfid oder Polyarylenetherketon, besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verbindung von Bauteilen durch Schrauben und Schweißen, umfassend ein einen Gewindeabschnitt aufweisendes Schraubelement, welches im Bereich einer Durchtrittsöffnung, die sich in einem mit dem Schraubelement zu verbindenden Bauteil befindet, mit dem Bauteil verschweißbar ist, und umfassend eine Dichtung zur Abdichtung der Durchtrittsöffnung, wobei die Dichtung im Montagezustand zwischen dem Schraubelement und dem Bauteil angeordnet ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbindung von Bauteilen durch Schrauben und Schweißen, bei dem ein einen Gewindeabschnitt aufweisendes Schraubelement im Bereich einer Durchtrittsöffnung, die sich in einem mit dem Schraubelement zu verbindenden Bauteil befindet, mit dem Bauteil unter Zwischenlage einer Dichtung zur Abdichtung der Durchtrittsöffnung verschweißt wird.
Anordnungen zur Verbindung von Bauteilen durch Schrauben und Schweißen sind bekannt. Es handelt sich dabei insbesondere um Anordnungen, bei denen das den Gewindeabschnitt aufweisende Schraubelement, eine Schweißschraube, bei der der Gewindeabschnitt ein Außengewinde trägt – wie zum Beispiel in der DE 43 44 626 A1 beschrieben – oder eine Schweißmutter, bei der der Gewindeabschnitt ein Innengewinde trägt – wie zum Beispiel in der DE 32 28 627 A1 , der DE 93 20 666 U1 und der DE 296 10 620 U1 beschrieben – sein kann.
Beim Aufschweißen, insbesondere beim Widerstands-Impulsschweißen, eines solchen Schraubelements, das zur Förderung der Herstellung der Schweißverbindung Schweißansätze, wie einzelne Schweißwarzen, -spitzen, -stifte, einen Schweißring o ä., aufweisen kann, auf ein Gegenstück, z. B. auf ein Blech, ist die so geschaffene Verbindung nicht notwendigerweise auch dicht gegenüber Flüssigkeiten und Gasen. Es ist daher, insbesondere bei Schweißschrauben, wie sie in der DE 43 44 626 A1 beschrieben sind, bekanntermaßen üblich, bei Bedarf oder Anforderung eine solche Dichtigkeit durch eine nachträgliche Behandlung mit z. B. einem Lack – möglich ist diesbezüglich ein komplettes Beschichten mit einer kathodischen Tauchlackierung – oder durch das Aufbringen eines zusätzlichen Dichtungsmittels herzustellen. Die Auftragung eines solchen Mittels, bei dem es sich z. B. um eine Silikonabdichtung handeln kann, geschieht dabei teilweise noch von Hand. Diese nachträglichen Arbeitsgänge stellen einen hohen technologischen Aufwand dar, was sich dann auch in entsprechend hohen Fertigungskosten niederschlägt.
Eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art ist in der DE 296 10 620 U1 beschrieben, die ein "Aufschweißbares Befestigungselement" zum Inhalt hat. Dieses bekannte, auf ein Werkstück aufschweißbare Element besteht aus einer Grundplatte und aus einem auf der Grundplatte als Hohlkörper ausgebildeten Aufsatz. Die Grundplatte weist dabei eine dem Hohlraum des Aufsatzes entsprechende Aussparung auf, und auf der Grundplatte sind um die Aussparung herum wenigstens zwei in Richtung auf das Werkstück hinweisende Schweißspitzen ausgebildet. Im Aufsatz ist dabei ein über die Grundplatte in Richtung auf das Werkstück vorstehender Zapfen zum Zentrieren des Befestigungselementes auf einer Öffnung im Werkstück angeordnet. Bei dem bekannten Befestigungselement kann vorgesehen sein, dass auf der dem Werkstück zugewandten Seite der Grundplatte um die Aussparung herum eine Rille läuft, in die eine elastomere O-Ringdichtung eingelegt werden kann.
Es kann davon ausgegangen werden, dass durch die Verwendung einer solchen O-Ringdichtung gleichzeitig mit der Herstellung der Schweißverbindung auch eine hinreichende Abdichtung der Öffnung im Werkstück erreicht wird. Des Weiteren könnte das Einlegen der O-Ringdichtung, wenngleich auch in der DE 296 10 620 U1 nicht darauf hingeweisen wird, wahrscheinlich auch automatisiert erfolgen.
Jedoch ist es bei der bekannten Anordnung unbedingt notwendig, dass die Grundplatte großflächig ausgelegt wird, damit die Schweißstellen ausreichend weit von der Dichtung entfernt sind. Andernfalls – z. B. bei einer Schweißschraube mit kleiner Grundplatte, wie sie in der DE 43 44 626 A1 beschrieben ist – würde nachteiligerweise die Elastomerdichtung durch die Schweißenergie, die bekanntlich zu einem Aufglühen bis zu einer Momentanverflüssigung des Metalls der Grundplatte, insbesondere von deren Schweißspitzen, führt, zerstört werden, und die Dichtheit der Verbindung wäre nicht mehr gewährleistet.
In den genannten Dokumenten sind teilweise auch Verfahren der eingangs genannten Art beschrieben, wobei darüber hinaus in der DE 37 39 362 A1 ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Widerstandsschweißung und in der DE 93 20 666 U1 ein Verbindungselement zur Verwendung beim Widerstands-Impulsschweißen, um das es sich bei dem eingangs genannten Verfahren insbesondere handeln kann, beschrieben sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich bei einer weitestgehenden Unabhängigkeit von der Größe des Schraubelements durch eine automatische Abdichtungsmöglichkeit auszeichnen, wobei auf nachfolgende Behandlungen verzichtet werden kann und wobei – trotz der hohen beim Schweißen frei werdenden Energiemengen – eine hohe Dichtigkeit erzielt werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Dichtung aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff besteht bzw. dass eine aus einem solchen Werkstoff bestehende Dichtung verfahrensgemäß eingesetzt wird.
Der Begriff "hochtemperaturbeständig" bezieht sich dabei erfindungsgemäß weniger – wie durch einen üblichen Sprachgebrauch in der Kunststofftechnik eventuell nahegelegt – auf die Dauergebrauchstemperatur der Dichtung, sondern zunächst in erster Linie auf deren Thermostabilität und dann in untergeordneter zweiter Linie auf eine Wärmeformbeständigkeit des Dichtungswerkstoffs.
So kann erfindungsgemäß durchaus eine infolge der Schweißabwärme erfolgende Erweichung oder Verflüssigung der Dichtung zugelassen werden bzw. ist sogar erwünscht. Bei dem Schweißprozess kann sich das Schraubelement bereichsweise auf über 300°C erwärmen. Dies kann bis zu einer Teilverflüssigung oder Verflüssigung des Kunststoffes führen, wobei es nach einem Wiedererkalten vorteilhafterweise nicht nur durch die Schweißung, sondern auch durch das Material der Dichtung zu einem festen stoffschlüssigen Verbund zwischen dem Schraubelement und dem mit ihm verbundenen Bauteil kommen kann. Das erweichte und wieder fest gewordene Dichtungsmaterial kann dabei mit Vorteil zu einem Verkleben bzw. Vergießen und somit zu einem hocheffizienten Abdichten des Spaltes zwischen dem Schraubelement und dem mit ihm verbundenen Bauteil führen.
Dabei ist zu beachten, dass das Volumen der Dichtung auf die Gegebenheiten, insbesondere auf die Geometrien des vor dem Schweißen vorliegenden und insbesondere des nach dem Schweißen verbleibenden Spaltes eingestellt sein sollte. Solche Gegebenheiten sind z. B. ein zu verschweißendes Ringnasenvolumen, die Kopfgeometrie einer Schweißschraube und/oder eine vorgegebene Dimensionierung des zu verbindenden Bauteils, wie einer zu beachtenden Blechstärke und/oder insbesondere eines Durchmessers der Durchtrittsöffnung, durch welche beispielsweise ein Schaft einer Schweißschraube hindurch geführt werden kann.
Was die genannte Thermostabilität des hochtemperaturbeständigen, zur Abdichtung eingesetzten Kunststoffs betrifft, bei dem es sich vorzugsweise um einen amorphen oder teilkristallinen thermoplastischen Werkstoff handeln kann, so sollten dessen Flammpunkt und die Verkohlungstemperatur über einer beim Schweißen maximal auftretenden Erwärmungstemperatur des Schraubelements liegen. Insbesondere erscheinen Werkstoffe, wie polyaromatische bzw. polyheteroaromatische Verbindungen, als geeignet, bei denen bei einer thermogravimetrischen Analyse ein merklicher Masseverlust erst in einem Bereich von 350 bis 600°C einsetzt und/oder – was besonders bevorzugt ist – im Bereich von 750 bis 800°C ein Masseverlust von nicht mehr als 25% auftritt.
Beide Kriterien erfüllen beispielsweise Polybenzimidazole und Polyphenylene, während nur das erstgenannte Kriterium durch Polyimide, Polyphenylenoxide, Polyoxidiazole, Polyphenylensulfide und bedingt auch durch Polycarbonate erfüllt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die erfindungsgemäße Dichtung auch eine elektrische Isolation des Schraubelements von dem mit ihm zu verschweißenden Bauteil erreicht werden kann, wobei das Auftreten von Kriechströmen in Bereichen, die nicht erwärmt oder in denen keine Brandnarben entstehen dürfen, vermieden werden kann. Dies ist z. B. der Bereich einer Schweißschraube im Übergang zwischen Schraubenkopf und Schaft. Dadurch wird die Dauerhaltbarkeit der Schraube gegenüber Bruch verbessert bzw. zumindest nicht verringert.
Des Weiteren bewirkt eine derartige Isolation, dass die Schweißenergie nur für den Bereich genutzt wird, der auch erwärmt werden soll. Die Vermeidung von Kriechströmen führt somit zu einer Energieeinsparung oder zu einer Verringerung der notwendigen Schweißenergie beim Fügen. Dadurch bestehen die Möglichkeiten, die Schweißanlage kleiner auszulegen und/oder diese mit geringerer Leistung und/oder kürzerer Taktzeit zu fahren.
Schließlich erzielt die Erfindung dergestalt einen weiteren technischen Fortschritt gegenüber dem bekannten Stand der Technik, als dadurch der Entfall einer Gewindebeschichtung mit einem Antihaftmittel möglich wird, wie diese bekanntermaßen bisher zur Vermeidung der Anhaftung von Schweißspritzern am Gewinde praktiziert wird. Durch die Abdichtfunktion des Kunststoffs wird das Umherspritzen von glühendem Metall in Richtung Gewinde vermieden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung enthalten.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele soll im Folgenden die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:
1 teilweise geschnitten, eine Seitenansicht einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Verbindung von Bauteilen durch Schrauben und Schweißen,
1a eine vergrößerte Darstellung des in 1 mit I bezeichneten Bereichs,
2 eine schematisierte Darstellung zweier durch Schweißen und Verschrauben unter Einsatz einer erfindungsgemäßen Anordnung herstellbaren Verbindungen,
3 in einer ähnlichen Darstellung wie in 1, eine Seitenansicht einer zweiten Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung,
4 in einer Darstellung wie 3, eine Seitenansicht einer dritten Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung,
5 bis 7 chemische Strukturformeln von erfindungsgemäß als Dichtungswerkstoffe bevorzugt einsetzbaren hochtemperaturbeständigen Kunststoffen aus der Gruppe der Polyarylensulfide,
8 bis 10 chemische Strukturformeln von erfindungsgemäß als Dichtungswerkstoffe bevorzugt einsetzbaren hochtemperaturbeständigen Kunststoffen aus der Gruppe der Polyarylenetherketone,
11 im Längsschnitt, eine vierte Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Verbindung von Bauteilen durch Schrauben und Schweißen vor dem Verschweißen,
11a eine vergrößerte Darstellung des in 11 mit II bezeichneten Bereichs,
12 im Längsschnitt, die vierte Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung nach dem Verschweißen,
12a eine vergrößerte Darstellung des in 12 mit III bezeichneten Bereichs,
13 im Längsschnitt, eine fünfte Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Verbindung von Bauteilen durch Schrauben und Schweißen vor dem Verschweißen,
13a eine vergrößerte Darstellung des in 11 mit IV bezeichneten Bereichs,
14 im Längsschnitt, die fünfte Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung nach dem Verschweißen,
14a eine vergrößerte Darstellung des in 14 mit V bezeichneten Bereichs.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass sie in der Regel auch jeweils nur einmal beschrieben werden.
Wie sich zunächst aus 1 und 1a, aber auch aus 2 bis 4, ergibt, umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung zur Verbindung von Bauteilen durch Schrauben und Schweißen ein Schraubelement 1, welches einen Gewindeabschnitt 2 aufweist. Das Schraubelement 1 ist dazu bestimmt, im Bereich einer Durchtrittsöffnung 3, die sich in einem mit dem Schraubelement 1 zu verbindenden Bauteil 4, insbesondere einem Blech, befindet, mit dem Bauteil 1 verschweißt zu werden, wie dies 2 zeigt.
Bei dem Verschweißen kann es sich dabei insbesondere um einen Schweißprozess handeln, der in an sich bekannter Weise als Impuls-Widerstandsschweißen erfolgt.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst des Weiteren eine Dichtung 5 zur Abdichtung der Durchtrittsöffnung 3, die zwischen das Schraubelement 1 und das Bauteil 4 einlegbar ist und die Durchtrittsöffnung 3 umfasst.
Bei den in 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich um ein Schraubelement 1, das eine Schweißschraube ist, bei der der Gewindeabschnitt 2 ein Außengewinde trägt.
Das Schraubelement 1 weist ein Kopfteil 6 und ein von diesem Kopfteil 6 ausgehendes Schaftteil 7 auf. Das Kopfteil 6 wird unterseitig mit dem Bauteil 4 verschweißt, während das Schaftteil 7, auf dem sich der Gewindeabschnitt 2 befindet, durch die Durchtrittsöffnung 3 gesteckt wird und ebenfalls, insbesondere konzentrisch, von der Dichtung 5 umfasst wird.
Nach dem Verschweißen des Schraubelements 1 mit dem Bauteil 4 wird dann ein weiteres Bauteil 8, und zwar ein komplementäres Schraubelement, wie im dargestellten Fall eine Mutter, mit dem Schraubelement 1 verschraubt.
Die verschiedenen Ausführungen in 1 bis 4 der erfindungsgemäßen Anordnung unterscheiden sich durch die Form der jeweils verwendeten Dichtung 5. Im ersten Ausführungsbeispiel ist eine Dichtung 5 dargestellt, die einen kreisrunden oder ovalen Querschnitt aufweist, während das zweite und dritte Ausführungsbeispiel jeweils Dichtungen 5 zeigen, die manschettenartig ausgebildet sind, wobei sie eine im Querschnitt gewinkelte Form aufweisen. In 2 ist auf der linken Seite des Schraubelements 1 die Ausführung der Dichtung 5 aus 1 und 1a und auf der rechten Seite die Ausführung der Dichtung 5 aus 4 dargestellt.
Die manschettenartigen Dichtungen 5 bestehen aus einem ringförmigen Teil 5a, das unterseitig am Kopfteil 6 der Schweißschraube anliegt, und aus einem rohrförmigen Teil 5b, das sich parallel zur Längsachse X-X des Schraubelements 1 erstreckt und sich im Sinne eines Schutzes des Übergangsbereiches zwischen Kopfteil 6 und Gewindeabschnitt 2 an das Schaftteil 7 anschmiegen kann, wie dies die Ausführung in 4 zeigt.
In der Ausführung gemäß 3 besteht dagegen ein Abstand a des ringförmigen Teils 5b zum Schaftteil 7, das beim Schweißen – wie dies nachfolgend noch beschrieben wird – eine weniger gehinderte Deformation der Dichtung 5 begünstigt.
1, 1a sowie 3 und 4 zeigen auch, dass das Schraubelement 1 an seinem Kopfteil 6 auf einer beim Schweißen dem zu verbindenden Bauteil 4 zugewandten Seite einen Schweißansatz 9, insbesondere einen umlaufenden Schweißring mit dreieckigem Querschnitt, aufweist, der einstückig mit dem Kopfteil 6 ausgebildet ist. Der Schweißring geht radial außen von dem Kopfteil 6 aus und ist innen durch eine umlaufende Rille bzw. Ringnut 10 begrenzt, in der die Dichtung 5 angeordnet werden kann. Mit einer solchen, wie der dargestellten konstruktiven Ausbildung des Kopfteils 6 kann in Verbindung mit der Dichtung 5 eine besonders hohe Dichtheit erzielt werden.
Hierbei ist es erfindungsgemäß mit Vorteil möglich, dass die Dichtung 5 – ohne beim Schweißen Schaden zu nehmen – in unmittelbarer Nachbarschaft, wie in 3 gezeigt, oder in einem Maximalabstand b von weniger als 5 mm, vorzugsweise von weniger als 3 mm (1a, 4), von dem Schweißansatz 9 angeordnet ist. Diese vorteilhafte Möglichkeit ergibt sich insbesondere erfindungsgemäß daraus, weil die Dichtung 5 aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff besteht, bei dem es sich insbesondere um ein Thermoplast handeln kann.
Insbesondere kann wie schon eingangs erwähnt, mit Vorteil vorgesehen sein, dass der hochtemperaturbeständige Kunststoff ein Werkstoff ist, bei dem bei einer thermogravimetrischen Analyse ein Masseverlust in einem Bereich von 350 bis 600°C einsetzt und besonders bevorzugt ist es, wenn bei diesem Werkstoff bei der thermogravimetrischen Analyse im Bereich von 750 bis 800°C ein Masseverlust von nicht mehr als 25% auftritt.
Werkstoffe mit diesen Eigenschaften sind insbesondere unvernetzte polyaromatische oder polyheteroaromatische Verbindungen oder Elends derselben, die vorzugsweise aus den Gruppen der Polybenzimidazole, Polyphenylene, Polyimide, Polyphenylenoxide, Polyoxidiazole, Polyphenylensulfide und/oder Polycarbonate stammen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere vorgesehen sein, dass der hochtemperaturbeständige Kunststoff beim Verschweißen des Schraubelements 1 mit dem Bauteil 4 unter Wirkung der Schweißenergie zunächst zumindest teilweise erweicht, sich nach der Schweißung unter Abkühlung wieder verfestigt und dabei durch ein Verkleben oder Vergießen das Schraubelement 1 mit dem Bauteil 4 stoffschlüssig, sowie formschlüssig und spaltfrei verbindet.
Ein Volumen der Dichtung 5 kann dabei bevorzugt in Abhängigkeit von der Größe und Gestalt eines zwischen dem Schraubelement 1 und dem zu verschweißenden Bauteil 4 befindlichen Spaltes eingestellt werden. Außerdem kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass die Dichtung 5 in Abhängigkeit von einer Geometrie des Kopfteils 6 des Schraubelements 1 und/oder des zu verschweißenden Bauteils 4, wie einer zu beachtenden Blechstärke s und/oder insbesondere eines (in 2 nicht näher bezeichneten) Durchmessers der Durchtrittsöffnung 3, bzw. dessen Verhältnis zum Durchmesser des Schaftteiles 7 dimensioniert wird.
Hierzu ist es von Vorteil, wenn der hochtemperaturbeständige Kunststoff ein Thermoplast ist, der in einem Temperaturbereich von über 150°C, vorzugsweise von über 24°C, unter Eigenlast verformungsfähig und vorzugsweise auch fließfähig ist, der aber einen Flammpunkt und eine Verkohlungstemperatur von über 300°C, insbesondere von über 400°C, aufweist, so dass er durch die auftretende Schweißenergie nicht zerstört wird. Die vorstehend genannten polyaromatischen oder polyheteroaromatischen Verbindungen erfüllen diese Kriterien, insbesondere auch das letztere – zumindest bei der kurzzeitigen Energieeinwirkung, wie sie für das Impuls-Widerstandsschweißen charakteristisch ist.
Der Schweißring kann, wie dies vor allem die vergrößerte Darstellung in 1a veranschaulicht, an der Spitze des Dreiecks eine Abflachung 11 aufweisen, wodurch die Ausbildung der Schweißverbindung aufgrund der größeren Anlagefläche am Bauteil 4 besonders begünstigt wird. Auf seiner gegenüberliegenden, dem Schaftteil 7 abgewandten Seite weist das Kopfteil 6 in den dargestellten Ausführungen eine Vertiefung 12 auf.
5 bis 10 geben – wie bereits erwähnt – chemische Strukturformeln von erfindungsgemäß als Werkstoffe der Dichtung 5 bevorzugt einsetzbaren hochtemperaturbeständigen Kunststoffen wieder.
5 bis 7 beziehen sich dabei auf die Gruppe der Polyarylensulfide, deren wichtigster Vertreter Polyphenylensulfid (PPS) ist, dessen Strukturformel in 5 dargestellt ist.
Polyphenylensulfid, das unter den Namen Fortron^® oder Ryton^® im Handel ist, ist ein teilkristallines Polymer mit Kristallisationsgraden von 60 bis 65% und einem Kristallitschmelzpunkt von etwa 285°C. Die Glastemperatur liegt bei 83 bis 85°C. Thermoplastisches PPS (PPS ist unter Einwirkung von Sauerstoff auch vernetzbar) ist bis ca. 370°C thermostabil.
Bei der in 6 dargestellten Struktur ist im Monomer zwei Phenylringen – anstatt, wie bei PPS, nur einem Phenylring – ein Schwefelatom in der Hauptkette zugeordnet. Dadurch wird der Werkstoff höher kristallin und erreicht einen Kristallitschmelzpunkt von etwa 430°C. Auch die Thermostabilität liegt höher als bei PPS.
Bei der in 7 dargestellten Struktur alternieren im Polymer zwischen den Phenylringen Schwefelatome und Ketogruppen in der Hauptkette, wodurch der Werkstoff ebenfalls einen höheren Kristallitschmelzpunkt (etwa 340°C) und eine höhere Thermostabilität als PPS erreicht.
8 bis 10 beziehen sich dabei auf die Gruppe der Polyarylenetherketone (PEAK), deren wichtigster Vertreter Polyetheretherketon (PEEK) ist, dessen Strukturformel in 8 dargestellt ist.
PEEK, das unter dem Namen Victrex^® im Handel ist, ist ein teilkristallines thermoplastisches Polymer mit Kristallisationsgraden von 25 bis 48% und einem Kristallitschmelzpunkt von etwa 335°C. Die Glastemperatur liegt bei etwa 145°C. Für PEEK gilt als Vertreter der Polyphenylene, dass bei diesen Werkstoffen bei der thermogravimetrischen Analyse, die eine Indikation der Thermostabilität bzw. der Verkohlungstemperatur darstellt, im Bereich bis zu etwa 800°C ein Masseverlust von nicht mehr als 20% auftritt. Entsprechend hoch liegt die Verkohlungstemperatur. Allerdings setzen bereits ab 420°C Kettenspaltungs- und Vernetzungsreaktionen ein. PEEK weist auch eine sehr gute Beständigkeit gegen Kraftstoffe, öle und Fette auf.
Die Glas- und Schmelztemperaturen der Polyarylenetherketone werden durch das Verhältnis der Ether- und Ketogruppen wesentlich beeinflußt. Mit zunehmendem Anteil von Ketogruppen steigen die Glas- und Schmelztemperaturen und damit auch die optimalen, immer mindestens etwa 5 bis 10 Grad darüber liegenden, Temperaturen zur Verarbeitung der Kunststoffe, bei denen der Kunststoff unter Eigenlast verformungsfähig und vorzugsweise auch fließfähig ist. So weist das in 9 dargestellte PEEKK eine Kristallitschmelztemperatur von 365°C und das in 10 dargestellte PEKEKK eine Kristallitschmelztemperatur von 381°C auf. Die Glastemperaturen liegen bei 160°C für PEEKK und 170°C für PEKEKK.
Bei den in 11 bis 14a dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich um Schraubelemente 1, die als Muttern ausgebildet sind, bei denen der Gewindeabschnitt 2 ein Innengewinde trägt. Weder die in den 11 bis 12a dargestellte Schweißmutter, noch die Schweiß-Hutmutter in 13 bis 14a weisen – wie die exemplarisch dargestellten Schweißschrauben – einen Schaft 7 auf, ein solcher könnte aber optional vorhanden sein und im Montagezustand die Durchtrittsöffnung 3 durchsetzen.
Wie bei den Schweißschrauben befindet sich jeweils an der Schweißmutter und an der Schweiß-Hutmutter auf der beim Schweißen dem zu verbindenden Bauteil 4 zugewandten Seite ein Schweißansatz 9, der in gleicher Weise wie bei den Schweißschrauben als Schweißring ausgebildet ist.
Die Form der Dichtung 5 weicht in den beiden letzten Ausführungen sowohl von derjenigen im ersten Ausführungsbeispiel, als auch von denjenigen im zweiten und dritten Ausführungsbeispiel ab. Dennoch kann gesagt werden, dass die Dichtungen 5 auch hier manschettenartig ausgeführt sind und aus einem mehr ringförmigen Teil 5a, das unterseitig am Kopfteil 6 der Schweißmuttern anliegt, und aus einem mehr rohrförmigen Teil 5b, das sich parallel zur Längsachse X-X des Schraubelements 1 erstreckt, bestehen. Dies wird insbesondere aus den vergrößerten Darstellungen 12a und 14a, die sich auf den verschweißten Zustand beziehen, deutlich.
Was das rohrförmige Teil 5b betrifft, das sich jeweils konzentrisch um die Längsachse X-X des Schraubelements 1 erstreckt, so weist dieses bei Mutterausführungen des Schraubelements 1, insbesondere bei einer Mutter mit Durchgangsbohrung (11 bis 12a) – zusätzlich zu den schon genannten Vorteilen – noch den Vorteil auf, dass es als Positionierelement wirken kann – und zwar im Sinne einer elektrisch isolierenden Positionierung. Auf herkömmlich an dieser Stelle eingesetzte, in elektrisch leitender Verbindung mit der Mutter stehende Positionierelemente, die zu unerwünschten Kriechströmen führen können, kann somit verzichtet werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. So könnte auch bei den Mutternausführungen die Dichtung 5 sich im Sinne eines Schutzes einer eingedrehten Schraube – als weiterem zu verbindendem Bauteil 8 – an deren Schaftteil anschmiegen. Die Muttern-Bauteile könnten, wie auch die Schraubenbauteile, in an sich bekannter Weise anstelle des Schweißrings auch einzelne Schweißwarzen, -spitzen, -stifte o. ä. aufweisen. Gleiches gilt für die Nut 10 zur Aufnahme der Dichtung 5.
Außerdem könnte in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Dichtung 5 schon vor dem Fügen verliersicher an dem Schraubelement 1 befestigt ist, wie beispielsweise verklebt oder insbesondere an das Schraubelement 1 angespritzt ist. Die Dichtung 5 könnte auch als Mehrkomponenten-Verbundteil ausgebildet sein.
Auch die geometrische Gestalt und die Abmaße des Schraubelements 1 sowie der Dichtung 5 können von den beispielhaft aufgeführten abweichen, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
Bezüglich möglicher weiterer zweckmäßiger Ausgestaltungsformen der Erfindung sollte auch erwähnt werden, dass es möglich ist, den hochtemperaturbeständigen Kunststoff – insbesondere wenn es sich beispielsweise um PPS handelt – in verstärkter Form einzusetzen. Im Sinne der Einstellung einer hohen Thermostabilität, die mit einem steigenden Fülleranteil anwächst, und der Bewahrung einer ausreichenden Verformungs- bzw. Fließfähigkeit oberhalb der Glas- bzw. Kristallitschmelztemperatur sollte dabei der Füllstoffanteil nicht über 40%, vorzugsweise nicht über 20%, liegen.
Ferner ist die Erfindung nicht auf die in den Ansprüchen 1 und 18 definierten Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kom bination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal der unabhängigen Ansprüche weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.

1: Schraubelement
2: Gewindeabschnitt von 1
3: Durchtrittsöffnung in 4
4: Bauteil (Blech)
5: Dichtung
5a: ringförmiges Teil von 5
5b: rohrförmiges Teil von 5
6: Kopfteil von 1
7: Schaftteil von 1
8: weiteres Bauteil (Mutter)
9: Schweißansatz an 1
10: Ringnut in 1 bzw. 6
11: Abflachung auf 9
12: Vertiefung in 1 bzw. 6
a: Abstand zwischen 5b und 7
b: Abstand zwischen 5 und 9
s: Stärke von 4

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4344626 A1 [0003, 0004, 0007]
- DE 3228627 A1 [0003]
- DE 9320666 U1 [0003, 0008]
- DE 29610620 U1 [0003, 0005, 0006]
- DE 3739362 A1 [0008]

Claims

Anordnung zur Verbindung von Bauteilen (1, 4, 8) durch Schrauben und Schweißen, umfassend ein einen Gewindeabschnitt (2) aufweisendes Schraubelement (1), welches im Bereich einer Durchtrittsöffnung (3), die sich in einem mit dem Schraubelement (1) zu verbindenden Bauteil (4) befindet, mit dem Bauteil (1) verschweißbar ist, und umfassend eine Dichtung (5) zur Abdichtung der Durchtrittsöffnung (3), wobei die Dichtung (5) im Montagezustand zwischen dem Schraubelement (1) und dem Bauteil (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (5) aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hochtemperaturbeständige Kunststoff ein Thermoplast ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hochtemperaturbeständige Kunststoff eine insbesondere unvernetzte polyaromatische oder polyheteroaromatische Verbindung oder ein Blend derselben ist, wie vorzugsweise aus den Gruppen der Polybenzimidazole, Polyphenylene, Polyimide, Polyphenylenoxide, Polyoxidiazole, Polyphenylensulfide und/oder Polycarbonate.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hochtemperaturbeständige Kunststoff ein Werkstoff ist, bei dem bei einer thermogravimetrischen Analyse ein Masseverlust in einem Bereich von 350 bis 600°C einsetzt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hochtemperaturbeständige Kunststoff ein Werkstoff ist, bei dem bei einer thermogravimetrischen Analyse im Bereich von 750 bis 800°C ein Masseverlust von nicht mehr als 25% auftritt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hochtemperaturbeständige Kunststoff ein amorpher Werkstoff ist, der eine Glastemperatur von mehr als 150°C aufweist, oder ein teilkristalliner Werkstoff ist, der eine Kristallitschmelztemperatur von mehr als 150°C aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubelement (1) eine Schweißschraube ist, bei der der Gewindeabschnitt (2) ein Außengewinde trägt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubelement (1) eine Schweißmutter ist, bei der der Gewindeabschnitt (2) ein Innengewinde trägt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubelement (1) ein Kopfteil (6) und ein von diesem Kopfteil (6) ausgehendes Schaftteil (7) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubelement (1), insbesondere an seinem Kopfteil (6) oder an seinem Schaftteil (7), auf einer beim Schweißen dem zu verbindenden Bauteil (4) zugewandten Seite mindestens einen Schweißansatz (9) oder mehrere Schweißansätze, wie einzelne Schweißwarzen, -spitzen, oder -stifte, aufweist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißansatz (9) durch einen umlaufenden Schweißring mit insbesondere dreieckigem Querschnitt gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißansatz (9) radial außen von dem Kopfteil (6) ausgeht und innen durch eine umlaufende Rille bzw. Ringnut (10) begrenzt ist, in die die Dichtung (5) einlegbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (5) in unmittelbarer Nachbarschaft oder in einem Maximalabstand (b) von weniger als 5 mm, vorzugsweise von weniger als 3 mm, von dem Schweißansatz (9) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubelement (1) eine Nut (10) oder eine Rille zur Aufnahme der Dichtung (5) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (5) verliersicher an dem Schraubelement (1) befestigt, insbesondere an das Schraubelement (1) angespritzt, ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (5) einen kreisrunden oder ovalen Querschnitt aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (5) manschettenartig ausgebildet ist, wobei sie eine im Querschnitt gewinkelte Form aufweist und insbesondere aus einem ringförmigen Teil (5a) und einem rohrförmigen Teil (5b) besteht.
Verfahren zur Verbindung von Bauteilen (1, 4, 8) durch Schrauben und Schweißen, bei dem ein einen Gewindeabschnitt (2) aufweisendes Schraubelement (1) im Bereich einer Durchtrittsöffnung (3), die sich in einem mit dem Schraubelement (1) zu verbindenden Bauteil (4) befindet, mit dem Bauteil (4) unter Zwischenlage einer Dichtung (5) zur Abdichtung der Durchtrittsöffnung (3) verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtung (5) eine solche eingesetzt wird, die aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der hochtemperaturbeständige Kunststoff einen Flammpunkt und eine Verkohlungstemperatur von über 300°C, vorzugsweise von über 400°C, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen als Impuls-Widerstandsschweißen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der hochtemperaturbeständige Kunststoff ein Thermoplast ist, der in einem Temperaturbereich von über 150°C, insbesondere von über 240°C, unter Eigenlast verformungsfähig und vorzugsweise auch fließfähig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der hochtemperaturbeständige Kunststoff beim Verschweißen des Schraubelements (1) mit dem Bauteil (4) unter Wirkung der Schweißenergie zunächst zumindest teilweise erweicht, sich nach der Schweißung unter Abkühlung wieder verfestigt und dabei durch ein Verkleben oder Vergießen das Schraubelement (1) mit dem Bauteil (4) formschlüssig und spaltfrei verbindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der Merkmale der Kennzeichen der Ansprüche 3 bis 17.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen der Dichtung (5) in Abhängigkeit von der Größe und Gestalt eines zwischen dem Schraubelement (1) und dem zu verschweißenden Bauteil (4) befindlichen Spaltes eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (5) in Abhängigkeit von einer Geometrie eines/des Kopfteils (6) des Schraubelements (1) und/oder des zu verschweißenden Bauteils (4), wie einer zu beachtenden Blechstärke (s) und/oder insbesondere eines Durchmessers der Durchtrittsöffnung, (3) bzw. dessen Verhältnis zum Durchmesser des Schaftteiles (7) dimensioniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verschweißen des Schraubelements (1) mit dem Bauteil (4) ein weiteres Bauteil (8) mit dem Schraubelement (1) verschraubt wird.