DE102009006775A1 - Rotary friction-welding component used to join workpieces together, includes rounded projection with flat area, cutting edges, slots, polygonal formations or abrasive inclusions - Google Patents

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Abstract

The joining component (10) penetration section (14) has a rounded projection with a flat (22). This has an annular edge (24). The symmetrical projection is rotated and translated to penetrate through a first workpiece. It forced on, still rotating, into a second workpiece, without penetrating it. Friction produces a welded material bond with the second workpiece. The workpieces are held and positioned in contact with each other. In a slightly different form, the projection includes symmetrical spiral cutting edges. Each cutting edge includes an undercut, in the manner of a twist drill. Further variants are described with spiral recesses, slots, and polygonal formations. The component has an austenitic microstructure. It is made from steel containing manganese and/or boron, especially 23MnB4 or 22Mn65. The surface of the component is case-hardened. The hardness preferably exceeds 400 on the Vickers scale. The surface of the component is coated by: a chemical-nickel process, plasma spraying, kinetic cold gas compaction, flame spraying, hard chromium plating, tin-nickel coating or physical gas phase deposition (PVD). The component is at least locally composed of cementite. Abrasive particles, especially of corundum, are incorporated into its surfaces. An independent claim IS INCLUDED FOR the corresponding method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fügeelement zum Fügen zweier aneinander anliegender Werkstücke nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 2 und 6, sowie ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 16.The The invention relates to a joining element for joining two adjoining workpieces according to the generic terms of claims 1, 2 and 6, and a method for Joining at least two adjoining workpieces according to the preamble of claim 16.

Gattungsgemäße Fügeelemente und Verfahren sind bereits aus der DE 10 2006 013 529 A1 bekannt, welche als vollumfänglich mitoffenbart gelten soll. Derartige Fügeelemente dienen zum Fügen zweier aneinander anliegender Werkstücke, insbesondere Blechbauteile unterschiedlicher Härte. Ein solches Fügeelement weist einen im Wesentlichen bezüglich einer wenigstens zweizähligen Rotationssymmetrieachse rotationssymmetrischen Eindringabschnitt auf. Bei der Verwendung des Fügeelementes wird dieses zunächst durch rotatorische und translatorische Bewegung durch das erste Werkstück hindurchbewegt und dann in das zweite Werkstück eingedrückt, ohne dieses zu durchdringen. Durch die beim Eindrücken entstehende Reibung wird das Fügeelement stoffschlüssig mit dem zweiten Werkstück verbunden, während die Werkstücke in Anlage aneinander gehalten sind. Mit anderen Worten handelt es sich um eine Kombination aus einem trennenden und einem Fügeverfahren, wobei zunächst das erste Werkstück ohne Vorbohrung durchdrungen wird und dann durch Reibschweißen ein Stoffschluss mit dem zweiten Werkstück hergestellt wird. Die aus dem Stand der Technik bekannten Fügeelemente sind jedoch problematisch in der Handhabung und führen zu ungleichmäßiger Qualität der entstehenden Fügeverbindungen.Generic joining elements and methods are already out of the DE 10 2006 013 529 A1 known, which should be considered fully disclosed. Such joining elements are used for joining two adjoining workpieces, in particular sheet metal components of different hardness. Such a joining element has a substantially rotationally symmetrical with respect to an at least zweizähligen rotational symmetry axis penetration portion. When using the joining element of this is first moved through rotational and translational movement through the first workpiece and then pressed into the second workpiece, without penetrating this. As a result of the friction occurring when pressing in, the joining element is connected to the second workpiece in a material-locking manner while the workpieces are held in abutment with one another. In other words, it is a combination of a separating and a joining method, wherein first the first workpiece is penetrated without pre-drilling and then by friction welding a material connection with the second workpiece is produced. However, the known from the prior art joining elements are problematic in handling and lead to uneven quality of the resulting joint connections.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Fügeelement sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass die Prozesssicherheit des Fügens zweier Werkstücke verbessert wird und die Fügequalität erhöht wird.Of the The present invention is therefore based on the object, a joining element as well as to develop a method of the type mentioned in the beginning, that the process safety of joining two workpieces is improved and increases the joint quality becomes.

Diese Aufgabe wird durch ein Fügeelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Fügeelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2, ein Fügeelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.These Task is characterized by a joining element with the characteristics of Patent claim 1, a joining element with the features of Patent claim 2, a joining element with the features of Patent claim 6 and a method having the features of the claim 16 solved.

Ein gattungsgemäßes Fügeelement zum Fügen zweier aneinanderliegender Werkstücke weist einen Eindringabschnitt auf, welcher im Wesentlichen bezüglich einer wenigstens zweizähligen Rotationssymmetrieachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Der Eindringabschnitt ist durch rotatorische und translatorische Bewegung durch ein erstes Werkstück hindurchbewegbar und in ein zweites Werkstück eindrückbar, ohne dieses zu durchdringen, wobei das Fügeelement dabei durch beim Eindrücken entstehende Reibung stoffschlüssig mit dem zweiten Werkstück verbindbar ist, während die Werkstücke in Anlage aneinander gehalten sind. Es entsteht also ein Form- und/oder Kraftschluss zwischen dem Fügelement und dem ersten Werkstück sowie ein Stoffschluss und gegebenenfalls ein zusätzlicher Kraftschluss zwischen dem Fügeelement und dem zweiten Werkstück.One generic joining element for joining two adjoining workpieces has a penetration portion which essentially relates to at least one two-fold rotational symmetry axis rotationally symmetric is trained. The penetration section is by rotary and translational movement through a first workpiece hindurchbewegbar and pressed into a second workpiece, without to penetrate this, wherein the joining element thereby when pressing friction occurring cohesively is connectable to the second workpiece while the workpieces are held in abutment against each other. It arises So a form and / or adhesion between the Fügelement and the first workpiece and a material connection and, where appropriate an additional adhesion between the joining element and the second workpiece.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Eindringabschnitt einen balligen Vorsprung mit einer Abflachung aufweist, welcher eine ringförmige Kante aufweist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ausgestaltung des Fügeelementes, welches allein aufgrund der Reibung zwischen Fügeelement und erstem Werkstück in dieses eindringen und dieses schließlich durchdringen kann, ohne dass komplexe Geometrien notwendig sind.According to the invention provided that the penetration section has a convex projection having a flattening, which is an annular Edge has. This allows a particularly simple design of the joining element, which alone due to the friction between the joining element and the first workpiece in this invade and finally penetrate this, without that complex geometries are necessary.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in Patentanspruch 2 beschrieben. Diese weist dieselben gattungsbildenden Merkmale wie die eingangs beschriebene Ausführungsform auf, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass der Eindringabschnitt wenigstens eine geometrisch bestimmte Schneide aufweist. Damit wird das Durchdringen des ersten Werkstückes erleichtert, da durch die Schneide zunächst spanend eine Durchgangsöffnung für den Eindringabschnitt geschaffen wird. Da das zweite Werkstück in der Regel aus einem härteren Werkstück ausgebildet ist, findet dort keine spanende Abtragung statt, vielmehr wird durch den Eindringabschnitt die gewünschte Reibungshitze erzeugt, welche zu einer stoffschlüssigen Verbindung des Fügeelementes mit dem zweiten Werkstück führt.A alternative embodiment of the invention is in claim 2 described. This has the same generic characteristics as the embodiment described above differs However, the fact that the penetration section at least one having geometrically defined cutting edge. This is the penetration the first workpiece easier because through the cutting edge first cutting a through hole for the Penetration section is created. Because the second workpiece usually formed of a harder workpiece is, there takes place no cutting removal, but rather by the penetration section generates the desired frictional heat, which to a cohesive connection of the joining element with the second workpiece leads.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die wenigstens eine geometrisch bestimmte Schneide spiralarmförmig bezüglich einer Rotationssymmetrieachse des Eindringbereiches geführt. Dies ermöglicht einen besonders homogen Materialabtrag über die gesamte Schneidfläche des Eindringabschnitts.In a preferred embodiment, the at least one geometrically determined cutting edge in a spiral arm shape a rotational symmetry axis of the penetration area. This allows a particularly homogeneous material removal over the entire cutting surface of the penetration section.

Weiterhin weist der Eindringabschnitt bevorzugt wenigstens eine weitere, geradlinig verlaufende geometrisch bestimmte Schneide auf. Insbesondere in der Kombination der beiden Schneidenverläufe wird ein besonders günstiger Materialabtrag und damit ein besonders prozesssicheres Verbinden der beiden Werkstücke ermöglicht.Farther the penetration section preferably has at least one further, straight line extending geometrically determined cutting edge. In particular in the combination of the two cutting gradients becomes a special one favorable material removal and thus a particularly process-reliable Connecting the two workpieces allows.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die wenigstens eine geometrisch bestimmte Schneide an einem Vorsprung des Eindringabschnittes vorgesehen, welcher einen Hinterschnitt mit einer planen Stirnfläche des Eindringabschnitts ausbildet. Durch den Hinterschnitt werden Ausweichräume für entstehende Späne geschaffen, welche so schnell aus dem unmittelbaren Schneidebereich geräumt werden können, bevor sie den Durchdringungsbereich des Eindringabschnitts im ersten Werkstück verlassen.In a further preferred embodiment, the at least one geometrically determined cutting edge is provided on a projection of the penetration section, which forms an undercut with a planar end face of the penetration section. The undercut creates evasion spaces for resulting chips, which are cleared from the immediate cutting area so quickly can be before they leave the penetration area of the penetration section in the first workpiece.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform, die ebenfalls die gattungsbildenden Merkmale der beiden eingangs geschilderten Ausführungsformen teilt, ist vorgesehen, dass der Eindringabschnitt einen balligen Vorsprung mit wenigstens einer spaltförmigen Aussparung aufweist. Auch hier werden Ausweichräume für entstehende Späne bzw. Abrieb geschaffen, welcher so leichter aus dem Eindringbereich abgeführt werden kann. Bevorzugt weist der ballige Vorsprung dabei zwei rechtwinklig zueinander angeordnete spaltförmige Aussparungen auf.In another alternative embodiment, also the generic features of the two described above Divides embodiments, it is provided that the penetration section a convex projection with at least one slit-shaped recess having. Here, too, alternative rooms will be created Created chips or abrasion, which is easier from the Penetration can be dissipated. Preferably the spherical projection while two arranged at right angles to each other slit-shaped recesses.

Die im Folgenden geschilderten Merkmale sind mit allen drei alternativen Ausführungsformen der Erfindung kombinierbar. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Eindringabschnitt zumindest bereichsweise ein polygonales Profil aufweisen. Unter polygonal ist hier im Sinne der DIN 32711 folgende ein Unrundprofil mit gerundeten Eckbereichen zu verstehen. Damit werden wiederum Freiräume für die Abfuhr von Spänen und Abrieb geschaffen, was die Prozesssicherheit bei der Verwendung des Fügeelementes weiter verbessert.The features described below can be combined with all three alternative embodiments of the invention. In a further embodiment of the invention, the penetration portion may at least partially have a polygonal profile. Under polygonal is here in the sense of DIN 32711 following a non-circular profile with rounded corners to understand. This again free space for the removal of chips and abrasion created, which further improves the process reliability in the use of the joining element.

Auch für die werkstofftechnische Ausgestaltung des Fügeelementes bestehen mehrere alternativ oder in beliebiger Kombination einsetzbare Möglichkeiten. Bevorzugt weist das Fügeelement ein austenitisches Gefüge auf, was ihm besonders vorteilhafte Festigkeitseigenschaften verleiht. Bevorzugt ist das Fügeelement dabei aus einem mangan- und/oder borhaltigen Stahl, insbesondere aus 23MnB4 oder 22MnB5 ausgebildet.Also for the material engineering design of the joining element There are several alternative or usable in any combination Options. Preferably, the joining element an austenitic structure, which is particularly advantageous to him Gives strength properties. The joining element is preferred while a manganese and / or boron-containing steel, in particular made of 23MnB4 or 22MnB5.

Die Oberfläche des Fügeelementes kann durch Aufkohlen gehärtet sein, wodurch eine besonders widerstandsfähige Einsatzschicht entsteht. Die Vickershärte der Oberflächenschicht ist dabei bevorzugt größer als 400 HV.The Surface of the joining element can by carburizing be hardened, creating a particularly resistant Insert layer is created. The Vickers hardness of the surface layer is preferably greater than 400 HV.

Zum weiteren Verbessern der Oberflächeneigenschaften kann zusätzlich eine Oberflächenbeschichtung vorgesehen sein. Diese kann durch einen Chemisch-Nickel-Prozess, durch Plasmaspritzen, durch kinetisches Kaltgaskompaktieren, durch Flammspritzen, durch Hartverchromen, durch Zinn-Nickel-Beschichten oder durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht sein. Für besonders gute Härte kann das Fügeelement zumindest bereichsweise aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl, insbesondere mit zementitischem Gefüge bestehen.To the Further improving the surface properties may additionally a surface coating may be provided. This can through a chemical nickel process, by plasma spraying, through kinetic cold gas compacting, by flame spraying, by hard chromium plating, by tin-nickel plating or by physical vapor deposition be upset. For particularly good hardness can the joining element at least partially made of high-carbon steel, especially with cementite structure.

Um die Schneidwirkung des Fügeelementes beim Durchdringen des ersten Werkstückes zu verbessern, können in die Oberfläche des Fügeelementes weiterhin zumindest bereichsweise Partikel mit abrasivem Effekt eingebracht sein.Around the cutting action of the joining element during penetration of the first workpiece can be improved in the surface of the joining element continues at least partially introduced particles with abrasive effect.

Bei diesen Partikeln kann es sich beispielsweise um Korundsplitter handeln.at these particles may be, for example, corundum chips.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke mittels eines Fügeelementes, bei dem das Fügeelement durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein erstes Werkstück der beiden Werkstücke hindurchbewegt und in das zweite Werkstück eingedrückt wird, ohne das zweite Werkstück zu durchdringen, und hierbei durch die beim Eindrücken entstehende Reibung eine stoffschlüssige Verbindung des Fügeelementes mit dem zweiten Werkstück hergestellt wird, während die Werkstücke in Anlage aneinander gehalten werden. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass ein Fügeelement der eingangs beschriebenen Art verwendet wird. Hierdurch ergeben sich die anhand der bereits geschilderten Merkmale angeführten Verbesserungen bei der Verwendung des Fügeelementes und damit eine verbesserte Prozesssicherheit für das gesamte Verfahren.The The invention further relates to a method for joining at least of two adjoining workpieces by means of a Joining element, in which the joining element by rotary and translational movements through a first workpiece of moved through both workpieces and into the second workpiece is pressed without the second workpiece too penetrate, and thereby by the resulting impressions Friction a cohesive connection of the joining element is made with the second workpiece while the workpieces are held in abutment against each other. According to the invention provided here that a joining element of the above-described Type is used. This results in the basis of the already described improvements in the Use of the joining element and thus an improved Process security for the entire process.

Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:in the Following is the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawings. Hereby show:

1 bis 5 verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Fügeelemente jeweils in einer Schnittdarstellung und Draufsicht; 1 to 5 various embodiments of joining elements according to the invention in each case in a sectional view and plan view;

6A bis 6E eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 6A to 6E a schematic representation of the sequence of an embodiment of a method according to the invention.

Ein in den 1A und 1B dargestelltes, im Ganzen mit 10 bezeichnetes Fügeelement weist einen rotationssymmetrischen Grundkörper 12 und einen Eindringabschnitt 14 auf. Bei der Verwendung des Fügeelementes durchdringt der Eindringabschnitt 14 ein erstes, weicheres Werkstück und wird in der Folge rotierend in ein zweites härteres Werkstück eingedrückt. Durch die Reibungswärme schmelzen sowohl Randbereiche des Eindringabschnitts 14 als auch des zweiten Werkstückes auf, so dass sich eine stoffschlüssige Verbindung ergibt. Am Grundkörper 12 ist ein ringförmig umlaufender Steg 16 vorgesehen, welcher in der Endposition des Fügeelementes 10 in Anlage an das erste Werkstück kommt. Der Eindringabschnitt 14 weist einen zylindrischen Basisteil 18 und einen balligen Endbereich 20 auf. Der ballige Endbereich 20 besitzt eine Abflachung 22, die von einer ringförmigen Kante 24 umlaufen wird.One in the 1A and 1B shown, as a whole with 10 designated joining element has a rotationally symmetric body 12 and a penetration section 14 on. When using the joining element penetrates the penetration section 14 a first, softer workpiece and is then pressed in rotation into a second harder workpiece. Due to the frictional heat, both edge regions of the penetration section melt 14 as well as the second workpiece, so that there is a cohesive connection. At the base body 12 is a ring-shaped surrounding bridge 16 provided, which in the end position of the joining element 10 comes into contact with the first workpiece. The penetration section 14 has a cylindrical base part 18 and a crowned end area 20 on. The crowned end area 20 has a flattening 22 coming from an annular edge 24 will circulate.

Die in den 2A bis 2C gezeigte alternative Ausführungsform eines Fügeelementes 10 unterscheidet sich hiervon lediglich durch die Ausbildung des Eindringabschnitts 14. Der ballige Endbereich 20 des Eindringabschnitts 14 weist hier zusätzliche geometrisch bestimmte Schneiden auf. Ein erster Satz von vier Schneiden 26 verläuft dabei spiralarmförmig bezüglich der Symmetrieachse 28 des Fügeelementes 10. Ein zweiter Satz Schneiden 30 verläuft geradlinig und leicht exzentrisch bezüglich der Symmetrieachse 28. Hierdurch wird der Materialabtrag im ersten Werkstück beim Eindringen des Fügeelementes 10 verbessert.The in the 2A to 2C shown alternative embodiment of a joining element 10 under differs from this only by the formation of the Eindringabschnitts 14 , The crowned end area 20 of the penetration section 14 has here additional geometrically determined cutting. A first set of four cutting edges 26 runs thereby spiralarmförmig with respect to the symmetry axis 28 of the joining element 10 , A second set of cutting 30 is straight and slightly eccentric with respect to the axis of symmetry 28 , As a result, the material removal in the first workpiece upon penetration of the joining element 10 improved.

Die in den 3A und 3B gezeigte alternative Ausführungsform des Fügeelementes 10 unterscheidet sich ebenfalls nur in der Gestaltung des balligen Endbereiches 20 des Eindringabschnitts 14 von den vorher gezeigten Ausführungsformen. Auch hier sind an einer Abflachung 22 des balligen Endbereiches 20 geometrisch bestimmte Schneiden 32 vorgesehen, welche halbkuppelförmig über die Abflachung 22 hinausragen und einen Hinterschnitt 34 mit dieser ausbilden.The in the 3A and 3B shown alternative embodiment of the joining element 10 also differs only in the design of the crowned end 20 of the penetration section 14 from the previously shown embodiments. Again, here are on a flattening 22 the crowned end area 20 geometrically determined cutting 32 provided, which is half-dome shaped over the flattening 22 protrude and an undercut 34 train with this.

4A und 4B zeigen eine weitere alternative Ausführungsform eines Fügeelementes 10, welche sich von den vorher gezeigten dadurch unterscheidet, dass im balligen Endbereich 20 des Eindringabschnitts 14 spaltförmige Nuten 36 vorgesehen sind, welche im rechten Winkel zueinander stehen. Auch hierdurch wird das Eindringen des Eindringabschnitts in das erste Werkstück verbessert. 4A and 4B show a further alternative embodiment of a joining element 10 , which differs from the previously shown in that in the crowned end 20 of the penetration section 14 slit-shaped grooves 36 are provided, which are at right angles to each other. This also improves the penetration of the penetration section into the first workpiece.

Die 5A und 5B zeigen eine weitere alternative Ausführungsform eines Fügeelementes 10. Im Gegensatz zu den vorher gezeigten Ausführungsformen ist der Basisteil 18 des Eindringabschnitts 14 hier nicht zylindersymmetrisch ausgebildet, sondern als siebenzählig rotationssymmetrisches Polygon mit abgerundeten Ecken. In der gezeigten Ausführungsform ist der ballige Endabschnitt 20 wiederum mit einer Abflachung 22 versehen, welche von einer ringförmigen Kante 24 umlaufen ist. Die Gestaltung des Basisabschnitts 18 gemäß 5B kann jedoch auch mit allen anderen Gestaltungen des Endbereiches 20 gemäß den 1 bis 4 kombiniert werden.The 5A and 5B show a further alternative embodiment of a joining element 10 , In contrast to the previously shown embodiments, the base part 18 of the penetration section 14 not cylindrically symmetrical here, but as siebenzählig rotationally symmetrical polygon with rounded corners. In the embodiment shown, the crowned end portion 20 again with a flattening 22 provided, which of an annular edge 24 is circulating. The design of the base section 18 according to 5B However, it can also be used with all other designs of the end sector 20 according to the 1 to 4 be combined.

6A bis 6E zeigen schließlich einzelne Verfahrensschritte beim Fügen zweier Bauteile mittels eines Fügeelementes 10. Wie in 6A gezeigt wird zunächst ein erstes Blechbauteil 38 und ein zweites Blechbauteil 40 mittels einer Spannvorrichtung 42 und eines Gegenhalters 44 in Anlage gebracht und gehalten. Das erste Blechbauteil 38 besteht dabei aus einem weicheren Material als das zweite Blechbauteil 40. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Bauteil 38 um ein Aluminiumblech und bei dem zweiten Bauteil 40 um ein Stahlblech handeln. Selbstverständlich sind auch andere Materialkombinationen denkbar. In einen Werkzeughalter 46 wird, wie in 6B gezeigt ein Fügeelement 10 eingespannt und rotierend unter Vorschub auf die Blechbauteile 38 und 40 zugeführt. Wie in 6C gezeigt durchdringt der Eindringabschnitt 14 des Fügeelementes 10 zunächst das erste Blechbauteil 38 unter Materialabtrag. Durch den Vorschub des Werkzeughalters 46 wird das Fügeelement 10 nach Durchdringen des ersten Blechbauteils in das zweite Blechbauteil 40 eingedrückt. Durch die Rotation des Werkzeughalters 46 und damit auch des Fügeelementes 10 entsteht Reibungshitze. Ist die Temperatur hoch genug, um sowohl das zweite Blechbauteil 40 als auch das Fügeelement 10 anzuschmelzen, so wird wie in 6B gezeigt, die rotatorische Bewegung des Werkzeughalters 46 eingestellt. Das teilweise angeschmolzene Fügeelement 10 wird somit in das ebenfalls teilweise angeschmolzene Blechbauteil 40 eingedrückt, wobei der Anpressdruck des Werkzeughalters 46 aufrechterhalten wird. Dieser Zustand wird eingehalten, bis, wie in 6E gezeigt, die Schmelze wieder erstarrt ist, so dass sich ein stoffschlüssiger Fügebereich 48 zwischen dem zweiten Blechbauteil 40 und dem Fügeelement 10 ergibt. In diesem Zustand kommt der Steg 16 des Grundkörpers 12 des Fügeelementes in Anlage an die Oberfläche 50 des ersten Blechbauteils 38, so dass gleichzeitig eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Fügeelement 10, Blechbauteil 38 und Blechbauteil 40 erzielt wird. Das erste Blech 38 wird gleichsam zwischen dem Fügeelement 10 und dem zweiten Blechbauteil 40 verspannt. 6A to 6E Finally, show individual process steps when joining two components by means of a joining element 10 , As in 6A First shown is a first sheet metal component 38 and a second sheet metal component 40 by means of a tensioning device 42 and a counterpart 44 brought in and held. The first sheet metal component 38 consists of a softer material than the second sheet metal component 40 , For example, the first component may be 38 around an aluminum sheet and in the second component 40 to trade a steel sheet. Of course, other material combinations are conceivable. In a tool holder 46 will, as in 6B shown a joining element 10 clamped and rotating with feed on the sheet metal components 38 and 40 fed. As in 6C As shown penetrates the penetration section 14 of the joining element 10 first, the first sheet metal component 38 under material removal. By feeding the tool holder 46 becomes the joining element 10 after penetrating the first sheet metal component in the second sheet metal component 40 pressed. By the rotation of the tool holder 46 and thus also of the joining element 10 Frictional heat arises. The temperature is high enough to both the second sheet metal part 40 as well as the joining element 10 to melt, so will be like in 6B shown the rotational movement of the tool holder 46 set. The partly melted joining element 10 is thus in the also partly melted sheet metal component 40 pressed, the contact pressure of the tool holder 46 is maintained. This condition is met until, as in 6E shown, the melt is solidified again, leaving a cohesive joining area 48 between the second sheet metal component 40 and the joining element 10 results. In this state comes the bridge 16 of the basic body 12 of the joining element in contact with the surface 50 of the first sheet metal component 38 , so that at the same time a non-positive connection between the joining element 10 , Sheet metal component 38 and sheet metal component 40 is achieved. The first sheet 38 becomes as it were between the joining element 10 and the second sheet metal component 40 braced.

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Claims (16)

Fügeelement (10) zum Fügen zweier aneinander anliegender Werkstücke (38, 40), mit einem im Wesentlichen bezüglich einer wenigstens zweizähligen Rotationssymmetrieachse (28) rotationssymmetrischen Eindringabschnitt (14), welcher durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein erstes Werkstück (38) hindurchbewegbar ist und in ein zweites Werkstück (40) eindrückbar ist, ohne dieses zu durchdringen, wobei das Fügeelement (10) dabei durch beim Eindrücken entstehende Reibung stoffschlüssig mit dem zweiten Werkstück (40) verbindbar ist, während die Werkstücke (38, 40) in Anlage gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindringabschnitt (14) einen balligen Vorsprung (20) mit einer Abflachung (22) aufweist, welche eine ringförmige Kante (24) aufweist.Joining element ( 10 ) for joining two adjoining workpieces ( 38 . 40 ), with an essentially with respect to an at least twofold rotational symmetry axis ( 28 ) rotationally symmetrical penetration section ( 14 ), which by rotational and translational movements through a first workpiece ( 38 ) and in a second workpiece ( 40 ) is pressed without penetrating this, wherein the joining element ( 10 ) thereby by cohesive friction with the second workpiece ( 40 ) is connectable while the workpieces ( 38 . 40 ) are held in abutment, characterized in that the penetration section ( 14 ) a convex projection ( 20 ) with a flattening ( 22 ) having an annular edge ( 24 ) having. Fügeelement (10) zum Fügen zweier aneinander anliegender Werkstücke (38, 40), mit einem im Wesentlichen bezüglich einer wenigstens zweizähligen Rotationssymmetrieachse (28) rotationssymmetrischen Eindringabschnitt (14), welcher durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein erstes Werkstück (38) hindurchbewegbar ist und in ein zweites Werkstück (40) eindrückbar ist, ohne dieses zu durchdringen, wobei das Fügeelement (10) dabei durch beim Eindrücken entstehende Reibung stoffschlüssig mit dem zweiten Werkstück (40) verbindbar ist, während die Werkstücke (38, 40) in Anlage aneinander gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindringabschnitt (14) wenigstens eine geometrisch bestimmte Schneide (26, 30, 32) aufweist.Joining element ( 10 ) for joining two adjoining workpieces ( 38 . 40 ), with an essentially with respect to an at least twofold rotational symmetry axis ( 28 ) rotationally symmetrical penetration section ( 14 ), which by rotational and translational movements through a first workpiece ( 38 ) and in a second workpiece ( 40 ) is pressed without penetrating this, wherein the joining element ( 10 ) thereby by cohesive friction with the second workpiece ( 40 ) is connectable while the workpieces ( 38 . 40 ) are held together in abutment, characterized in that the penetration section ( 14 ) at least one geometrically determined cutting edge ( 26 . 30 . 32 ) having. Fügeelement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine geometrisch bestimmte Schneide (26) spiralarmförmig bezüglich einer Rotationssymmetrieachse (28) des Eindringabschnitts (14) verläuft.Joining element ( 10 ) according to claim 2, characterized in that the at least one geometrically determined cutting edge ( 26 ) spiral arms with respect to a rotational symmetry axis ( 28 ) of the penetration section ( 14 ) runs. Fügeelement (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindringabschnitt (14) wenigstens eine weitere, geradlinig verlaufende geometrisch bestimmte Schneide (30) aufweist.Joining element ( 10 ) according to claim 2 or 3, characterized in that the penetration section ( 14 ) at least one further, linearly extending geometrically determined cutting edge ( 30 ) having. Fügeelement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine geometrisch bestimmte Schneide (32) an einem Vorsprung vorgesehen ist, welcher einen Hinterschnitt (34) mit einer planen Stirnfläche (22) des Eindringabschnitts (14) ausbildet.Joining element ( 10 ) according to claim 2, characterized in that the at least one geometrically determined cutting edge ( 32 ) is provided on a projection which has an undercut ( 34 ) with a flat face ( 22 ) of the penetration section ( 14 ) trains. Fügeelement (10) zum Fügen zweier aneinander anliegender Werkstücke (38, 40), mit einem im Wesentlichen bezüglich einer wenigstens zweizähligen Rotationssymmetrieachse (28) rotationssymmetrischen Eindringabschnitt (14), welcher durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein erstes Werkstück (38) hindurchbewegbar ist und in ein zweites Werkstück (40) eindrückbar ist, ohne dieses zu durchdringen, wobei das Fügeelement (10) dabei durch beim Eindrücken entstehende Reibung stoffschlüssig mit dem zweiten Werkstück (40) verbindbar ist, während die Werkstücke (38, 40) in Anlage aneinander gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindringabschnitt (14) einen balligen Vorsprung (20) mit wenigstens einer spaltförmigen Aussparung (36) aufweist.Joining element ( 10 ) for joining two adjoining workpieces ( 38 . 40 ), with an essentially with respect to an at least twofold rotational symmetry axis ( 28 ) rotationally symmetrical penetration section ( 14 ), which by rotational and translational movements through a first workpiece ( 38 ) and in a second workpiece ( 40 ) is pressed without penetrating this, wherein the joining element ( 10 ) thereby by cohesive friction with the second workpiece ( 40 ) is connectable while the workpieces ( 38 . 40 ) are held together in abutment, characterized in that the penetration section ( 14 ) a convex projection ( 20 ) with at least one slot-shaped recess ( 36 ) having. Fügeelement (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der ballige Vorsprung (20) zwei rechtwinklig zueinander angeordnete spaltförmige Aussparungen (36) aufweist.Joining element ( 10 ) according to claim 6, characterized in that the spherical projection ( 20 ) two rectangularly arranged gap-shaped recesses ( 36 ) having. Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindringabschnitt (14) zumindest bereichsweise ein polygonales Profil, insbesondere mit gerundeten Eckbereichen, aufweist.Joining element ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the penetration section ( 14 ) at least partially a polygonal profile, in particular with rounded corner areas having. Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (10) ein austenitisches Gefüge aufweist.Joining element ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the joining element ( 10 ) has an austenitic structure. Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (10) aus einem mangan- und/oder borhaltigen Stahl, insbesondere 23MnB4 oder 22Mn65, ausgebildet ist.Joining element ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the joining element ( 10 ) is formed from a manganese- and / or boron-containing steel, in particular 23MnB4 or 22Mn65. Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Fügeelements (10) durch Aufkohlen gehärtet ist, insbesondere mit einer Härte größer als 400 HV.Joining element ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a surface of the joining element ( 10 ) is hardened by carburizing, in particular with a hardness greater than 400 HV. Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (10) zumindest bereichsweise eine Oberflächenbeschichtung, insbesondere eine durch einen Chemisch-Nickel-Prozess, Plasmaspritzen, kinetisches Kaltgaskompaktieren, Flammspritzen, Hartverchromen, Zinn-Nickel-Beschichten oder physikalische Gasphasenabscheidung aufgebrachte Oberflächenbeschichtung aufweist.Joining element ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the joining element ( 10 ) at least partially a surface coating, in particular by a chemical nickel process, plasma spraying, kinetic cold gas compacting, flame spraying, hard chrome plating, tin-nickel coating or physical vapor deposition applied surface coating. Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement zumindest bereichsweise aus Zementit ausgebildet ist.Joining element ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the joining element is at least partially formed of cementite. Fügeelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Oberfläche des Fügeelements zumindest bereichsweise Partikel mit abrasivem Effekt eingebracht sind.Joining element ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least partially particles are introduced with abrasive effect in a surface of the joining element. Fügeelement (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Partikeln um Korundsplitter handelt.Joining element ( 10 ) according to claim 14, characterized in that it is the particles is about corundum splinters. Verfahren zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke (38, 40) mittels eines Fügeelements (10), bei dem das Fügeelement (10) durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein erstes Werkstück (38) der beiden Werkstücke (38, 40) hindurchbewegt und in das zweite Werkstück (40) eingedrückt wird, ohne das zweite Werkstück (40) zu durchdringen, und hierbei durch die beim Eindrücken entstehende Reibung eine stoffschlüssige Verbindung des Fügeelements (10) mit dem zweiten Werkstück (40) hergestellt wird, während die Werkstücke (38, 40) in Anlage aneinander gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fügeelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 verwendet wird.Method for joining at least two adjoining workpieces ( 38 . 40 ) by means of a joining element ( 10 ), in which the joining element ( 10 ) by rotational and translational movements through a first workpiece ( 38 ) of the two workpieces ( 38 . 40 ) and into the second workpiece ( 40 ) is pressed without the second workpiece ( 40 ) to penetrate, and in this case by the resulting friction when pressing a cohesive connection of the joining element ( 10 ) with the second workpiece ( 40 ) while the workpieces ( 38 . 40 ) are held in abutment against each other, characterized in that a joining element ( 10 ) according to one of claims 1 to 15 is used.
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