DE102010053608A1 - Establishing a connection of non-weldable materials with each other using a rivet adapter comprises welding a rivet in one of the two materials, generating a smooth- and a rough side, designing the material, on the smooth side, and welding - Google Patents
Establishing a connection of non-weldable materials with each other using a rivet adapter comprises welding a rivet in one of the two materials, generating a smooth- and a rough side, designing the material, on the smooth side, and welding Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung richtet sich auf ein Schweißverfahren, welches die Punktschweißung verschiedener Materialien ermöglicht, die üblicherweise nicht miteinander verschweißbar sind.The invention is directed to a welding process which enables the spot welding of various materials that are usually not weldable together.
Karosserie und Fahrwerke moderner Fahrzeuge werden gegenwärtig durch Zusammenbau von Bauteilen aus Stahl, Aluminium, auch Magnesium, und aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt. Die Bauteile können dabei durch Verfahren wie Blechumformung, Gießen, Strang pressen, Spritzgießen und ähnliche gefertigt werden.The body and chassis of modern vehicles are currently produced by assembling components made of steel, aluminum, even magnesium, and fiber-reinforced plastics. The components can be manufactured by processes such as sheet metal forming, casting, extruding, injection molding and the like.
Durch steigende Anforderungen an Leichtbauweise auf der einen Seite und Kostenreduzierung auf der anderen Seite wird die Tendenz zum Mischbau aus verschiedenen Werkstoffen verstärkt. Der richtige Werkstoff soll an den richtigen Stellen verwendet werden, um die besten Kompromisse zwischen Gewicht und Kosten zu erreichen. Dazu müssen die unterschiedlichen Werkstoffe effizient miteinander verbunden werden.Due to increasing demands on lightweight construction on the one hand and cost reduction on the other hand, the tendency for mixed construction of different materials is reinforced. The right material should be used in the right places to achieve the best compromises between weight and cost. For this, the different materials must be efficiently connected.
In den letzten Jahren wurden viele Verfahren entwickelt, um ungleiche Werkstoffe zu verbinden. Dazu zählen Kleben, Stanznieten, Durchsetzfügen, wie z. B. das Toxen und das Clinchen, bei denen ein Rundstempel die zu verbindenden Materialien in eine Matrize presst und ein Hinterfließen erzwingt, FDS – lochloses Fügen – sowie die Kombinationen dieser Verfahren. Löten und ähnliche Verfahren wie „cold metal transition”-Verfahren stellen Verfahren für die Verbindung von Stahl und Aluminium dar, die durch stoffliche Verbindung dem Schweißen nahe stehen.In recent years, many methods have been developed to join dissimilar materials. These include gluing, punch riveting, clinching, such. As the Toxen and clinching, in which a round die presses the materials to be joined into a die and enforces a backflow, FDS - holeless joining - as well as the combinations of these methods. Soldering and similar processes, such as "cold metal transition" processes, represent processes for the bonding of steel and aluminum, which are close to welding through material bonding.
Alle diese Verfahren benötigen in der Produktion neue Anlagen und Vorrichtungen, denn in der klassischen Produktion von Automobilen werden überwiegend Punktschweißanlagen verwendet. Neben den Punktschweißverbindungen werden noch MIG/MAG-Laser-Schweißungen eingesetzt, die linienförmige Verbindungen und bei einseitiger Zugänglichkeit die Verbindungen schaffen.All of these processes require new systems and equipment in production, since spot welding systems are predominantly used in the classic production of automobiles. In addition to the spot welding joints MIG / MAG laser welds are still used, the linear connections and one-sided accessibility create the connections.
Der Einsatz von Stanznieten oder von FDS-Verfahren zur Verbindung von ultrahochfesten Stählen (UHSS) mit Aluminium oder anderen Nichteisenwerkstoffen ist zudem nicht ohne weiteres möglich, weil Risse im UHSS durch Stanznieten entstehen können, was die Crashsicherheit und Lebensdauer der betroffenen Baugruppe gefährdet.In addition, the use of punch rivets or FDS methods for joining ultra-high-strength steels (UHSS) with aluminum or other non-ferrous materials is not easily possible because cracks in the UHSS can occur due to punch rivets, which endangers the crash safety and service life of the affected assembly.
Der Umstand, dass zur Herstellung von Multimaterialverbindungen immer mehr weitere Verfahren in der Zusammenbaufertigung eingesetzt werden müssen, und die damit verbundenen Mehrkosten für die Investitionen, wie auch die zusätzlichen Arbeitsschritte selbst, verhindern oft die Realisierung der Multimaterialbauweise in der Fahrzeugentwicklung.The fact that the production of multi-material compounds requires more and more methods for assembly manufacture, and the associated additional costs for the investments, as well as the additional work steps themselves, often prevent the realization of multi-material construction in vehicle development.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein wirtschaftliches Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches eine Fügeverbindung von nicht miteinander verschweißbaren Materialien wie Stahl mit Aluminium, Magnesium oder Kunststoffen unter Einsatz der klassischen Schweißverfahren wie Punktschweißen oder MIG/MAG-Schweißen herstellt.The object of the invention is therefore to provide an economical method which produces a joint of non-weldable materials such as steel with aluminum, magnesium or plastics using the classical welding methods such as spot welding or MIG / MAG welding.
Die Erfindung löst diese Aufgabe unter Verwendung eines Nietenadapters, wobei der Nietenadapter aus einem Material besteht, welches mit einem der beiden zu verschweißenden Materialien verschweißbar ist, wobei
- • in einem ersten Verfahrensschritt ein Niet in eines der beiden Materialien, welches nicht mit dem Nietenadapter verschweißbar sein muss, eingesetzt wird,
- • in einem zweiten Verfahrensschritt eine Vernietung stattfindet, welche eine glatte Seite und eine rauhe Seite des Nietenadapters erzeugt,
- • in einem dritten Verfahrensschritt das Material, welches mit dem Nietenadapter verschweißbar ist, auf der glatten Seite des Nietenadapters aufgelegt wird,
- • in einem vierten Verfahrensschritt das aufgelegte Material mit dem Nietenadapter verschweißt wird.
- In a first method step, a rivet is inserted into one of the two materials, which does not have to be weldable with the rivet adapter,
- A riveting takes place in a second method step, which produces a smooth side and a rough side of the rivet adapter,
- In a third method step, the material which can be welded to the rivet adapter is placed on the smooth side of the rivet adapter,
- In a fourth method step, the applied material is welded to the rivet adapter.
Unter einem Nietenadapter wird hierbei der mit dem flächigen Material vernietete Niet verstanden. Zu bemerken ist hierbei, dass zum Zeitpunkt des Nietens noch nicht versucht wird, die unterschiedlichen, später zu verschweißenden Materialien bereits miteinander zu verbinden. Es werden also keine Profilteile kraft- oder formschlüssig miteinander verbunden. Hierin unterscheidet sich dieses Verfahren deutlich von den bereits bekannten Verfahren, unterschiedliche, nicht miteinander verschweißbare Materialien miteinander zu verbinden.A rivet adapter is understood to be the rivet riveted to the sheet material. It should be noted here that at the time of riveting is not yet trying to connect the different, later to be welded materials already together. So there are no profile parts non-positively or positively connected. Herein, this method differs markedly from the already known methods of connecting different materials which can not be welded together.
So beschreibt die
Die
Die
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass vor dem ersten Verfahrensschritt das Material, in das der Niet eingesetzt wird, mit einer Aussparung versehen wird, wobei die Aussparung in Form und Größe geeignet ist, den Nietadapter aufzunehmen. Alternativ hierzu wird in einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass der Niet in dem ersten Verfahrensschritt in das Material eingestanzt wird.In one embodiment of the method, it is provided that prior to the first method step, the material into which the rivet is inserted, is provided with a recess, wherein the recess in shape and size is adapted to receive the rivet adapter. Alternatively, it is provided in another embodiment of the method that the rivet is punched in the first step in the material.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass die zu verschweißenden Materialien flächig geformt sind. Üblicherweise sind dies Bleche, es können aber auch Formteile aus Spritzgussteilen, Strangpressteilen und mittels Blechumform-Verfahren hergestellte Formteile an flächigen Teilenstücken, etwa Absätzen oder Stegen, in der erfindungsgemäßen Weise miteinander verbunden werden.In one embodiment of the method, it is provided that the materials to be welded are formed flat. Usually, these are sheets, but it can also be molded parts of injection molded parts, extrusions and formed by sheet metal forming process moldings on flat parts, such as heels or webs, connected together in the manner according to the invention.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass der Nietenadapter ein Rundniet ist und als Schweißverfahren Punktschweißen angewendet wird.In one embodiment of the method, it is provided that the rivet adapter is a round rivet and spot welding is used as the welding method.
Der Nietprozess und die verwendeten Nieten ähneln dem Stanznietprozess, der auch bereits heute in der Blechteilfertigung je nach Bedarf im Blechumformprozess integriert ist. Durch die Verwendung von Nieten in geeigneter Form wird das zu verschweißende Blech in der Öffnung ausgestanzt, was unterschiedlich ist zum Stanznieten, und der Rand von den Nieten wird an das Blech angepresst. Damit entsteht zwischen den Nieten und dem Blech eine Verbindung, die dem Stanznieten zur Verbindung von zwei Blechteilen ähnlich ist. Diese Verbindung zwischen dem Nietenadapter und dem Blech ist eine formschlüssige und kraftschlüssige Verbindung.The riveting process and the rivets used are similar to the stamped riveting process, which is already integrated into the sheet metal forming process as required today in sheet metal part production. By using rivets in a suitable form, the sheet to be welded is punched in the opening, which is different from the punch riveting, and the edge of the rivets is pressed against the sheet. This results in a connection between the rivets and the sheet, which is similar to the punch rivets for connecting two sheet metal parts. This connection between the rivet adapter and the sheet is a positive and non-positive connection.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass der Nietenadapter aus Stahl besteht und die beiden zu verschweißenden Materialien aus flächigem Stahl und aus flächigem Nichteisenmetall bestehen.In a preferred embodiment of the method, it is provided that the rivet adapter consists of steel and the two materials to be welded consist of sheet steel and sheet-like non-ferrous metal.
In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass der Nietenadapter aus Kunststoff besteht und die beiden zu verschweißenden Materialien aus flächigem Kunststoff und flächigem Nichteisenmetall bestehen.In an alternative embodiment of the method, it is provided that the rivet adapter consists of plastic and the two materials to be welded consist of sheet-like plastic and flat non-ferrous metal.
In weiteren alternativen Ausgestaltungen des Verfahrens wird vorgesehen, dass der Nietenadapter aus einem Nichteisenmetall besteht und die beiden zu verschweißenden Materialien Nichteisenmetalle sind, von denen einer mit den Nietenadapter verschweißbar ist.In further alternative embodiments of the method it is provided that the rivet adapter consists of a non-ferrous metal and the two materials to be welded are non-ferrous metals, one of which can be welded to the rivet adapter.
In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens wird vorgesehen, dass das Nichteisenmetall ausgewählt wird aus der Gruppe der Buntmetalle, Leichtmetalle, Titan oder Nickel. Als Buntmetalle kommen Kupfer und Messing, als Leichtmetalle Aluminium und Magnesium besonders in Betracht. Es ist jedoch klar, dass auch alle anderen Nichtmetalle auf die beschriebene Weise zusammengefügt werden können.In further embodiments of the method it is provided that the non-ferrous metal is selected from the group of non-ferrous metals, light metals, titanium or nickel. As non-ferrous metals copper and brass, as light metals aluminum and magnesium are particularly considered. However, it is clear that all other non-metals can be assembled in the manner described.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass der Nietenadapter aus Kunststoff besteht und die beiden zu verschweißenden Materialien aus flächigem Kunststoff und flächigem Stahl bestehen.In a further alternative embodiment of the method, it is provided that the rivet adapter consists of plastic and the two materials to be welded consist of sheet-like plastic and sheet steel.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass der Nietenadapter aus Aluminium besteht und die beiden zu verschweißenden Materialien ein flächiger Kunststoff und ein flächiges Aluminiumteil sind.In a further alternative embodiment of the method it is provided that the rivet adapter consists of aluminum and the two materials to be welded are a flat plastic and a flat aluminum part.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass der Nietenadapter aus Stahl besteht und mit einer Aluminiumsilizium- oder Silizium-Legierungsbeschichtung versehen ist, und die beiden zu verschweißenden Materialien flächiger Stahl und flächiges Aluminium sind. Dadurch wird das Zustandekommen einer schmelztechnischen Verbindung zwischen Stahl und Aluminium im halbflüssigen Zustand durch Bildung duktiler intermetallischer Verbindungen zwischen Fe-Al-Si wesentlich begünstigt.In a further embodiment of the method, it is provided that the rivet adapter consists of steel and is provided with an aluminum-silicon or silicon-alloy coating, and the two materials to be welded are sheet steel and sheet aluminum. This significantly promotes the formation of a fusion-technical connection between steel and aluminum in the semi-liquid state by forming ductile intermetallic compounds between Fe-Al-Si.
In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens wird vorgesehen dass der Nietenadapter aus Stahl besteht und mit einer Beschichtung aus Nickel oder Zink oder Titan versehen ist, und die beiden zu verschweißenden Materialien flächiger Stahl und flächiges Aluminium sind. Dadurch wird die Benetzung des Stahls durch Aluminium verbessert und eine lötartige Verbindung zwischen Stahl und Aluminium im halbflüssigen Zustand begünstigt.In further embodiments of the method it is provided that the rivet adapter is made of steel and is provided with a coating of nickel or zinc or titanium, and the two materials to be welded are sheet steel and sheet aluminum. As a result, the wetting of the steel is improved by aluminum and favors a solder-type connection between steel and aluminum in the semi-liquid state.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass jenes der beiden zu verschweißenden Materialien, welches nicht mit dem Nietenadapter verschweißbar sein muss, eine nicht schweißbare Oberflächenbeschichtung aufweist.In a further embodiment of the method, it is provided that that of the two materials to be welded, which need not be able to be welded to the rivet adapter, has a non-weldable surface coating.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass die Schweißung so ausgeführt wird, dass das Material um den Nietenadapter herum angeschmolzen und eine Lötverbindung hergestellt wird. In a further embodiment of the method it is provided that the welding is carried out so that the material is melted around the rivet adapter and a solder joint is produced.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass die Schweißung so ausgeführt wird, dass das Material um den Nietenadapter herum nicht in seiner Struktur verändert wird.In a further embodiment of the method it is provided that the welding is carried out so that the material around the rivet adapter is not changed in its structure.
Im Anwendungsfall von Stahl-Nietenadaptern müssen die folgenden Voraussetzungen erfüllt werden:
- • Die Nietenadapter müssen an die Schweißpaarungen angepasste Durchmesser aufweisen. Dickere Bleche erfordern größere Schweißpunktdurchmesser, damit eine ausreichende Festigkeit erreicht werden kann.
- • Der Durchmesser des Stahl-Nietenadapters muss größer sein als der kleinste Schweißpunktdurchmesser. Der Fachmann wird diesen Durchmesser im einzelnen Anwendungsfall durch Versuche ermitteln.
- • Die Stahlnieten und Schweißprozesse sind so auszulegen, dass die Schmelzzone der Schweißpunkte im mittleren Stahlbereich bleibt, so dass die umliegenden Nichteisenwerkstoffe nicht angeschmolzen werden, sofern diese hierbei Qualitäts- und Festigkeitseinbußen erleiden werden.
- • Sofern Löteffekte zu Festigkeitssteigerungen des Nietenadapters führen, sind die Stahlnieten und Schweißprozesse so auszulegen, dass die Wärmeeinflusszone der Schmelzzone der Schweißpunkte in die Nichteisenwerkstoffe soweit hineinreicht, dass der Bereich um die Stahl-Nietenadapter teilweise schmilzt oder in einen teigigen, halbflüssigen Zustand übergeht.
- • Die unebene Seite der Stahlnieten, hervorgerufen durch die Matrizen des Nietwerkzeuges, soll so ausgebildet sein, dass die Elektrode für die Punktschweißung so in die Vertiefung des Werkstücks hineinpasst, dass die Elektrode nicht übermäßig verschleißt. Diese Vorgabe lässt sich durch geeignete Nietwerkzeuggestaltung erreichen.
- • Weiterhin ist beim Schweißen zu beachten, dass die Schweißparameter nach der Dicke des Stahlteils und der Dicke der Stahlnieten ausgerichtet werden. Für andere Materialien als Stahl gilt entsprechendes, wobei der Fachmann die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit und physikalischen Vorgänge beachtet.
- • The rivet adapters must have diameters adapted to the weld pairings. Thicker plates require larger spot diameter to achieve sufficient strength.
- • The diameter of the steel stud adapter must be greater than the smallest spot diameter. The skilled person will determine this diameter in individual applications by experiments.
- • The steel rivets and welding processes are to be designed so that the melting zone of the welds remains in the middle steel area, so that the surrounding non-ferrous materials are not melted if they will suffer quality and strength losses.
- • If brazing effects lead to increases in the strength of the rivet adapter, the steel rivets and welding processes should be designed such that the heat affected zone of the weld zone of the weld points extends into the non-ferrous materials to such an extent that the area around the steel stud adapters partially melts or changes to a doughy, semi-liquid state.
- • The uneven side of the steel rivets caused by the dies of the riveting tool should be designed so that the electrode for spot welding fits into the recess of the workpiece so that the electrode does not wear excessively. This specification can be achieved by suitable Nietwerkzeuggestaltung.
- • When welding, keep in mind that the welding parameters are aligned according to the thickness of the steel part and the thickness of the steel rivets. The same applies to materials other than steel, the skilled person paying attention to the different thermal conductivity and physical processes.
Die erfindungsgemäße Fügeverbindung weist auch die folgenden Vorteile auf: Zwischen den beiden Blechen ergibt sich typischerweise ein Spalt. Dieser Spalt verringert die Neigung zu Kontaktkorrosion erheblich. Die Nietenadapter selbst können durch Beschichtungen wie oben beschrieben noch zusätzlich entsprechend dem Stand der Technik gegen Korrosion geschützt werden.The joining compound according to the invention also has the following advantages: A gap typically results between the two sheets. This gap significantly reduces the tendency for contact corrosion. The rivet adapters themselves can be additionally protected against corrosion by coatings as described above according to the state of the art.
Welligkeit und Unebenheit von Flanschen oder Blechteilen, etwa verformte Blechteile aus UHSS, können durch die Nieten auf der Nichteisenwerkstoffseite wegen des oben beschriebenen Spalts toleriert werden. Dadurch kann die Welligkeit am Flansch des UHSS-Teils die Verbindung nicht beeinträchtigen.Ripple and unevenness of flanges or sheet metal parts, such as deformed sheet metal parts from UHSS, can be tolerated by the rivets on the non-ferrous material side because of the gap described above. As a result, the waviness on the flange of the UHSS part can not affect the connection.
Die Erfindung betrifft auch die hergestellten Teile. Sie löst die Aufgabe auch durch ein Fügeteil aus mindestens zwei Werkstücken aus miteinander nicht verschweißbaren Materialien, welches nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, indem es mindestens einen verschweißten Nietenadapter aufweist.The invention also relates to the manufactured parts. It also solves the problem by a joining part of at least two workpieces made of non-weldable materials, which is produced by a method according to the invention by having at least one welded rivet adapter.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fügeteils wird eine Vielzahl von Nietenadapter-Verbindungen eines Stahlblechs mit einem weiteren Blech, einem Spritzgussteil, einem Strangpressteil und/oder einem mittels Blechumform-Verfahren hergestellten Werkstücks vorgesehen.In one embodiment of the joining part according to the invention a plurality of rivet adapter connections of a steel sheet with a further sheet, an injection molded part, an extruded part and / or a workpiece produced by sheet metal forming process is provided.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fügeteils wird eine Vielzahl von Nietenadaptern sowie ein dünner Spalt zwischen den miteinander durch Nietenadapter verbundenen Werkstücken vorgesehen. Der Spalt entspricht der Dicke des Nietenkopfes, der je nach Nieten im Bereich 0,5 bis 2 mm liegen kann.In a further embodiment of the joining part according to the invention, a multiplicity of rivet adapters and a thin gap are provided between the workpieces connected to one another by rivet adapters. The gap corresponds to the thickness of the rivet head, which can be in the range of 0.5 to 2 mm, depending on the rivets.
Das Verfahren wird im Folgenden anhand der
Ein typisches Produkt ist in den
Aluminium-Crashboxen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Stahl-NietenadapterSteel rivets adapter
- 22
- Aluminiumblechaluminum sheet
- 33
- Stahlblechsheet steel
- 44
- Schmelzzonefusion zone
- 55
- WärmeeinflusszoneHeat affected zone
- 66
- AnschmelzzoneAnschmelzzone
- 77
- Elektrodeelectrode
- 88th
- Stahl-StoßfängerquerträgerSteel bumper crossmember
- 99
- Aluminium-SchließblechAluminum keeper
- 1010
- Aluminium-CrashboxAluminum crash box
- 1111
- Spaltgap
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 4240823 A1 [0013] DE 4240823 Al [0013]
- DE 3303244 A1 [0013] DE 3303244 A1 [0013]
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