DE102011114306A1

DE102011114306A1 - Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei FVK-Bauteilen

Info

Publication number: DE102011114306A1
Application number: DE201110114306
Authority: DE
Inventors: Martin Bangel; Florian Woelke; Raffaele Tassone
Original assignee: TU Chemnitz; Audi AG; Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei in einem Fügebereich (5) aufeinander liegenden FVK-Bauteilen (1, 2) mittels eines metallenen Fügeelementes (3), erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Fixierung der aufeinanderliegenden FVK-Bauteile (1, 2) im Fügebereich (5) ein Setzbolzen (3) als Fügeelement zunächst durch die FVK-Bauteile (1, 2) und anschließend durch ein im Fügebereich (5) anliegendes Metallblech (4) getrieben wird und anschließend mittels Widerstands- oder Reibungsschweißen eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Setzbolzen (3) und Metallblech (4) hergestellt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei in einem Fügebereich aufeinander liegenden FVK-Bauteilen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Faserverbundwerkstoffe werden immer häufiger für Strukturbauteile, insbesondere im Fahrzeug- oder Flugzeugbau eingesetzt. Die üblichen Schweiß- oder Lötverfahren als Fügeverfahren für Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK-Bauteile) sind nicht geeignet, zum mechanischen Fügen von FVK-Bauteilen werden Blindnieten, Vollnieten oder Schraubverbindungsmittel in Kombination mit oder ohne Klebstoff eingesetzt.
Das Problem bei Verwendung von herkömmlichen Nieten besteht darin, dass es aufgrund der für die Verformung des Niets erforderlichen hohen Kräfte im Bereich des Schließkopfes zu einer Delamination der einzelnen FVK-Lagen kommt.
Um diesen Nachteil zu vermeiden wird in der DE 10 2008 017 650 A1 darauf hingewiesen, schließkopfseitig einen metallischen Werkstoff zu verwenden, indem FVK/FVK-Strukturen unter Einsatz von metallischen Unterlegscheiben gefügt werden. Diese Vorgehensweise wird jedoch mit einem Verweis auf einen hohen Fertigungsaufwand verworfen. Stattdessen wird ein Vollniet beschrieben, dessen Schaft neben einem Endabschnitt einen Zwischenabschnitt aufweist, der einen kleineren Außendurchmesser aufweist als der Endabschnitt. Mit einer solchen Nut soll ein Kontakt des Niets an der Bohrungskante mit dem zu fügenden FVK-Bauteil verhindert werden, so dass eine Delamination in diesem Bereich verhindert wird.
Nachteilig an diesem bekannten Verfahren gemäß der DE 10 2008 017 650 A1 ist, dass vor dem eigentlichen Verbindungsprozess die FVK-Bauteile im Bereich der Fügestellen vorgelocht werden müssen. Dabei werden die Vorlöcher in der Regel unter Verwendung eines Spezialbohrers spanend hergestellt, wodurch Stäube anfallen, oder durch Abrasivschneiden, bspw. Wasserstrahlschneiden. Dadurch ergeben sich weitere Nachteile, wie z. Bsp. dass in einer automatisierten Auftragung von Klebstoff auf die zu fügenden FVK-Bauelemente die Vorlöcher ausgespart werden müssen.
Durch die aus Qualitätsgründen erforderlichen Vorlöcher erhöht sich die Prozesszeit zur Herstellung eines Fügepunktes gravierend. Zudem ist aufgrund der Forderung einer spanfreien Locheinbringung im Karosseriebau eine Vorlochoperation vor dem eigentlichen Fügeprozess im Karosseriebau nicht möglich und muss daher bereits vorher eingebracht werden. Hierdurch müssen die beiden Löcher zum Fügen von zwei FVK-Bauteilen mit unterschiedlichen Lochdurchmesser zum Toleranzausgleich ausgeführt werden. Hierzu sind große Kopfdurchmesser für die Elemente notwendig, um die großen Löcher zu überdecken.
Aus der DE 20 2007 005 089 U1 ist ein Fügeelement zum Fügen von FVK-Bauteilen bekannt, welches einen Fügeabschnitt aufweist, der sich in axialer Richtung des Fügeelementes erstreckt und der eine kegelstumpfförmige Gestalt aufweist, wobei auf einem Außenumfang des kegelstumpfförmigen Fügeabschnittes Ringnuten angeordnet sind, in deren in radialer Richtung umlaufende Rillenabschnitte verdrängtes Material der Bauteile aufgenommen wird. Dieses bekannte Fügeelement kann mit oder ohne einer Vorlochung verwendet werden. Wenn die Bauteile kein Vorloch aufweisen, ist ein Fußabschnitt dieses bekannte Fügeelementes mit einer Schnittkante ausgebildet, mit der sich das Fügeelement unter Druckbeaufschlagung mittels eines Fügestempels durch die Bauteile schneidet.
Auch mit einem solchen bekannten Fügeelement kann die Gefahr nicht ausgeschlossen werden, dass ohne Vorlochung eine Delamination verhindert wird.
Weiterhin ist aus der DE 10 2009 031 838 A1 ein aus zwei FVK-Bauteilen bestehendes Trägerbauteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie bekannt, die miteinander verklebt sind und an der Fügestelle wenigstens ein mechanisches Fügeelement aufweisen. Als Fügeelement wird ein Hohlstanzniet, ein Bördelniet, ein Blindniet oder ein zweiteiliges Fügeelement vorgeschlagen. Bei dem zweiteiligen Fügeelement wird ein Niet mit einem Kopf und einem Schaft in eine Vorlochung der zu fügenden Bauteile eingeführt, wobei der Schaft auf der dem Kopf des Niets gegenüberliegenden Seite nicht unmittelbar durch einen umgeformten Bereich des Schaftes am benachbarten Bauteil gehalten wird, wie dies bspw. bei Blindnieten der Fall ist, sondern es ist ein Gegenhalter vorgesehen, der ebenfalls von dem Schaft durchdrungen und von einem umgeformten Schaftbereich beim Setzen des Niets an das anliegende Bauteil angepresst wird. Insbesondere wird vorgeschlagen, hierfür Stanznieten zu verwenden, da die zu fügenden Bauteile in diesem Fall nicht vorgelocht werden müssen.
Bei dieser Technologie wird nicht die für viele Anwendungsfälle im Karosseriebau erforderliche Verbindungsfestigkeit erreicht.
Auch der Einsatz von Blindnieten zeigt wesentliche Nachteile. Da ein automatisiertes Lochfinden noch nicht prozesssicher realisierbar ist, muss dieses Verfahren weitestgehend manuell durchgeführt werden. Weiterhin sind die erstellten Verbindungen gegenüber korrosiven Medien nur bedingt dicht. Das heißt, es kann beispielsweise Wasser in die Verbindung eindringen, durch welches Korrosionsvorgänge hervorgerufen werden. Die ohnehin geringe Fügepunktfestigkeit wird dadurch weiter reduziert und es kommt zur Schädigung der Verbindung.
Schließlich wird in der DE 10 2008 031 121 A1 eine Schweißnietverbindung beschrieben, bei dem ein oder mehrere Bauteile, insbesondere auch FVK-Bauteile mit einem Grundbauteil verbunden werden. Hierzu weist das Bauteil oder die Bauteile eine Vorlochung auf, in die ein einen Kopf aufweisender Schweißniet mit einem Schaft so weit eingeführt wird, bis die Stirnfläche des Schaftes auf dem Grundbauteil anliegt. Anschließend wird der Schweißniet mit seiner Stirnfläche an der Oberfläche des Grundbauteils angeschweißt, bspw. durch Widerstandsschweißen. In einem nächsten und letzten Verfahrensschritt wird der Schweißniet plastisch verformt, indem ein zweiter elektrischer Impuls aufgebracht wird, welcher in einem kurzen zeitlichen Abstand auf den ersten Schweißimpuls folgt. Durch diesen Schweißimpuls wird der Schweißniet erwärmt und erweicht und durch eine in Längsrichtung des Schweißnietes ausgeübte Kraft plastisch verformt. Die plastische Verformung führt dabei zu einem Stauchen des Schaftes des Schweißnietes, wodurch sich dieser in der Bohrung der zu befestigenden Bauteile verklemmt. Nach Abschluss des Verfahrens schrumpft der Schweißniet aufgrund der vorausgegangen thermischen Erwärmung, wodurch es zu einer zusätzlichen Verspannung der Schweißnietverbindung kommt, welche eine hohe Festigkeit zur Folge hat.
Nachteilig an diesem bekannten Verfahren zur Herstellung einer Schweißnietverbindung liegt einmal an dem Erfordernis der Vorlochung und zum anderen an den mehrfachen Schweißvorgängen und einem zusätzlichen Verformungsprozess, wodurch sich ein aufwendiges und komplexes Verfahren ergibt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei in einem Fügebereich aufeinander liegenden FVK-Bauteilen der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die aufgeführten Nachteile vermieden werden, insbesondere eine hohe Verbindungsfestigkeit und eine kurze Prozesszeit realisierbar ist, ohne eine erhöhte Gefahr einer Delamination oder des Eindringens von korrosiven Medien in eine solche Verbindung in Kauf nehmen zu müssen.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Bei einem solchen Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei in einem Fügebereich aufeinander liegenden FVK-Bauteilen mittels eines metallenen Fügeelementes ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Fixierung der aufeinanderliegenden FVK-Bauteile im Fügebereich ein Setzbolzen als Fügeelement zunächst durch die FVK-Bauteile und anschließend durch ein im Fügebereich anliegendes Metallblech getrieben wird und anschließend mittels Widerstands- oder Reibungsschweißen eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Setzbolzen und Metallblech hergestellt wird.
Damit wird ein Fügeverfahren bereitgestellt, welches in überraschender Weise äußerst einfach und schnell durchgeführt werden kann. Dies liegt zum einen daran, dass das eigentliche Fügen der FVK-Bauelemente ohne Vorlochung mittels des Widerstands- oder Reibungsschweißen erfolgt, um damit eine hohe Fügequalität zu erzielen bzw. sicherzustellen und das vorangehende Setzen eines metallischen Setzbolzens einerseits einer Fixierung der der zu verbindenden FVK-Bauteile dient und zum anderen ein zwischen dem Setzbolzen und dem Metallblech entstehender Presssitz eine ausreichende Kontaktfläche entstehen lässt, um eine gute Verschweißbarkeit zu sichern.
Ferner sichert der durch die Verschweißung erreichte Stoffschluss zwischen dem Metallblech und dem Setzbolzen eine gegen korrosive Medien unempfindliche Verbindung mit einer hohen Verbindungsfestigkeit.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird nach dem Eintreiben des Setzbolzens dessen das Metallblech durchdringender Endbereich mit dem Metallblech verprägt, wodurch die Kontaktfläche zwischen dem Setzbolzen und dem Metallblech weiter vergrößert und dadurch auch der durch die Verschweißung erzielte Stoffschluss vergrößert wird. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Verbindungsfestigkeit zwischen dem Setzbolzen und dem Metallblech.
Besonders vorteilhaft ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Ausbildung des Metallblechs als kreisringförmige Metallscheibe, wobei deren innerer Lochdurchmesser höchstens dem Durchmesser des Schaftes des Setzbolzens entspricht. Dadurch kann die Setzkraft für das Eintreiben des Setzbolzens reduziert werden, da der Setzbolzen das Metallblech nicht mehr durchdringen muss. Um einen ausreichenden Presssitz zwischen dem Setzbolzen und dem Metallblech zu erreichen, wird der innere Lochdurchmesser der Metallscheibe geringfügig kleiner als der Schaftdurchmesser gewählt, so dass dadurch auf eine Verprägung des Schaftendes mit dem Metallblech verzichtet werden kann. Durch die reduzierte Setzkraft wird auch die Fügestelle nicht mehr so hoch belastet, wodurch die Gefahr des Auftretens von Schäden an der Fügestelle weiter reduziert wird.
Es bietet sich gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung an, den Setzbolzen als Vollniet mit einer Spitze auszubilden, der durch die FVK-Bauteile getrieben und anschließend mit dem Metallblech oder der kreisringförmigen Metallscheibe verprägt wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung eignet sich als Setzbolzen besonders ein Stanzniet, der durch die FVK-Bauteile getrieben und anschließend mit dem Metallblech oder der kreisringförmigen Metallscheibe verprägt oder verklemmt wird.
Die Verbindungsqualität kann weiterbildungsgemäß dadurch erhöht werden, dass der Vollniet oder Stanzniet einen Schaft mit einer umlaufenden Nut aufweist. Dies bewirkt, dass bei der Verprägung des Schaftes des Niets Material des Metallblechs in diese umlaufende Nut gedrückt wird und dadurch eine zusätzliche Verklemmung zwischen dem Niet und dem Metallblech bewirkt wird.
Besonders vorteilhaft ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die Verwendung eines Vollnietes oder Stanznietes, des Schaftende mit einem Schaftfuß ausgebildet ist, dessen Durchmesser größer als der Durchmesser des Schaftes ist. Dadurch entsteht zwischen dem Schaft des Vollnietes oder des Stanznietes und den ihn umgebenden FVK-Bauteilen ein Zwischenraum der auch nach der Verschweißung mit dem Metallblech im Wesentlichen bestehen bleibt, so dass dadurch eine mögliche Schädigung der FVK-Bauteile infolge der bei dieser Verschweißung entstehenden Schweißwärme vermieden aber zumindest reduziert wird.
Vorzugsweise kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dieser Vollniet oder Stanzniet mit Schaftfuß zusammen mit einem vorgelochten Metallblech eingesetzt werden, indem als Metallblech eine kreisringförmige Metallscheibe verwendet wird, deren innerer Lochdurchmesser höchstens dem Durchmesser des Schaftfußes entspricht.
Die zweitgenannte Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 als auch mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Gemäß der erstgenannten Lösung zeichnet sich diese Vorrichtung dadurch aus, dass ein Eintreibgerät vorgesehen ist, welches eine als Auflagefläche ausgebildete erste Schweißelektrode zum Auflegen des Metallbleches und der FVK-Bauteile, eine von der Schweißelektrode umrandete Matrize und einen Niederhalter zum Niederhalten des Metallbleches und der FVK-Bauteile auf der ersten Schweißelektrode umfasst, wobei der Niederhalter den Setzbolzen und einen Schubkolben führt, welcher zur Aufnahme eines Stempels zum Eintreiben des Setzbolzens in die FVK-Bauteile als hohlzylindrische zweite Schweißelektrode ausgebildet ist.
Damit wird eine Anlage bereitgestellt, mit der sowohl ein Eintreiben eines Setzbolzens als auch eine Widerstandsschweißung durchführbar ist. Gegenüber einer Verwendung von zwei getrennten konventionellen Anlagen kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Prozesszeit verkürzt werden.
Besonders vorteilhaft ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, wenn die erste Schweißelektrode kreisringförmig zur Aufnahme der Matrize ausgebildet ist. Dabei ist die Schweißelektrode gegenüber der Matrize federnd gelagert, um sicherzustellen, dass nach dem Eintreiben des Setzbolzens und ggf. einer Verprägung des Schaftes des Setzbolzens mit dem Metallblech die Schweißelektrode einen sicheren elektrischen Kontakt mit dem Metallblech herstellt, wenn die Matrize von dem Metallblech abgehoben wird.
Zur Verbesserung der Verprägung des Schaftes des Setzbolzens mit dem Metallblech weist die Matrize eine Kontur auf.
Schließlich ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Matrize hohlzylindrisch ausgebildet ist. Damit kann bei Verwendung eines Stanznietes als Setzbolzen der beim Stanzen entstehende Stanzbutzen abgeführt werden.
Gemäß der zweiten Lösung zeichnet sich diese Vorrichtung dadurch aus, dass ein Eintreibgerät vorgesehen ist, welches eine als Auflagefläche ausgebildete erste hohlzylindrische Schweißelektrode zum Auflegen des als Matrize dienenden vorgelochten Metallbleches und der FVK-Bauteile, einen Niederhalter zum Niederhalten des Metallbleches und der FVK-Bauteile auf der ersten Schweißelektrode umfasst, wobei der Niederhalter den Setzbolzen und einen in dem Niederhalter geführten Schubkolben führt, welcher zur Aufnahme eines Stempels zum Eintreiben des Setzbolzens in die FVK-Bauteile als hohlzylindrische zweite Schweißelektrode ausgebildet ist.
Eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau auf, mit dem kurze Prozesszeiten realisierbar sind, da ein Verprägungsvorgang nicht durchgeführt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 bis 4 schematische Darstellungen einzelner Prozessschritte zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Eintreibgerätes,
5 schematische Darstellung unterschiedlicher Setzbolzen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den 1 bis 4 verwendbar sind, und
6 eine schematische Darstellung einzelner Prozessschritte zur Durchführung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines weiteren Eintreibgerätes.
In den 1 bis 4 wird eine Vorrichtung 10 als Eintreibgerät gezeigt, mit der zwei FVK-Bauteile 1 und 2 mittels eines als Setzbolzen ausgebildeten Stanznietes 3 und eines aus Edelstahl bestehenden Metallbleches 4, auch als Opferblech bezeichnet, in einem Fügebereich 5 gefügt werden.
Dieser aus Edelstahl hergestellte Stanzniet 3 ist gemäß 5a als Vollniet mit einem flachen Kopf 3a und einem Schaft 3b ausgebildet, wobei die Stirnseite 3c des Schaftes 3b mit einer Schneidkante ausgebildet ist. Ferner weist der Schaft 3b im Endbereich eine umlaufende Nut 3d auf, die beim Eintreiben in die FVK-Bauteile 1 und 2 Material des Metallbleches 4 aufnimmt.
Die Vorrichtung 10 stellt ein schematisch dargestelltes Eintreibgerät in Form eines üblichen Stanz-Niet- oder Setzgerätes mit konventionellem hydraulisch oder elektrischen Antrieb dar. Auch sind Bolzenschussgeräte mit einer Pulverkartusche oder dergleichen geeignet, mit denen ein Hochgeschwindigkeitsfügen möglich ist. Diese Vorrichtung umfasst eine Matrize 11 mit einem die eigentliche Matrize bildenden hohlzylindrischen Teil 11a mit einer stirnseitigen Kontur 11c an einem Ende und einem umlaufenden Flansch 11b an dem anderen Ende dieses hohlzylindrischen Teils 11a. Fluchtend mit der die Kontur 11c tragenden Stirnfläche des Teils 11a der Matrize 11 ist eine als Ringelektrode ausgebildete erste Schweißelektrode 12 federnd mittels eines Federelementes 15 gegen den Flansch 11b der Matrize 11 gelagert. Diese Schweißelektrode 12 umrandet formschlüssig den hohlzylindrischen Teil 11a der Matrize 11.
Auf dieser von der Matrize 11 und der Schweißelektrode 12 gebildeten Auflagefläche liegt das Metallblech 4 und anschließend die beiden FVK-Bauteile 1 und 2 auf. Auf dem oberen FVK-Bauteil 1 ist im Fügebereich 5 ein hohlzylindrischer Niederhalter 13 des Eintreibgerätes 10 aufgesetzt, in dem der Stanzniet 3 geführt und von einem in dem Niederhalter 13 verschiebbar gelagerten Schubkolben 14 in den Fügebereich 5 der beiden FVK-Bauteile 1 und 2 eingetrieben wird.
Dieser Schubkolben 14 ist zweiteilig aus einem Stempel 14a und einer diesen umschließenden, hohlzylindrischen zweiten Schweißelektrode 14b aufgebaut, wobei der Stempel 14a in dieser hohlzylindrischen Schweißelektrode 14b verschiebbar ist. Die beiden Schweißelektroden 12 und 14b sind als Kupferelektroden ausgebildet.
1 zeigt das Eintreibgerät 10 in einem Prozessschritt, bei dem der Niederhalter die beiden FVK-Bauteile 1 und 2 und das Metallblech 4 auf die Matrize 11 drückt, und der Schubkolben 14 den Stanzniet 3 in einen Kontakt mit dem oberen FVK-Bauteil 1 geführt hat.
Wie in 2 dargestellt ist, bewirkt anschließend eine auf den Stempel 14a ausgeübte Stempelkraft F_S, dass der Stanzniet 3 unter Bildung eines Stanzbutzens 6 in die beiden FVK-Bauteile 1 und 2 sowie das Metallblech 4 eingetrieben wird, bis die Unterseite des Kopfes 3a des Stanznietes 3 auf dem oberen FVK-Bauteil 1 aufliegt und der Stanzbutzen 6 durch den hohlzylindrischen Teil 11a der Matrize 11 entsorgt wurde. Mit dem Stempel 14a bewegt sich auch die zweite Schweißelektrode 14b, so dass in diesem Zustand der Schubkolben 14 auf dem Kopf 3a des Stanznietes 3 anliegt. Da der Kopf 3a des Stanznietes 3 einen flach mit einem großen Durchmesser ausgebildet ist, wird die Flächenpressung zwischen dem Kopf 3a und dem oberen FVK-Bauteil 1 wesentlich reduziert und damit eine Schädigung dieses FVK-Bauteils 1 durch Delamination oder Zerstörung der Matrix verhindert.
Im Anschluss an diesen Stanzvorgang wird gemäß 3 der Stempel 14a des Eintreibgerätes 10 einer Prägekraft F_G ausgesetzt, wodurch aufgrund der Kontur 11c der Matrize 11 eine Verprägung oder eine Verklemmung des Schaftendes des Schaftes 3b des Stanznietes 3 mit dem Metallblech 4 bewirkt wird. Dies hat zur Folge, dass Material des Metallblechs 4 in die umlaufende Nut 3d des Schaftes 3b des Stanznietes 3 gedrückt wird.
Gemäß 4 wird in einem letzten Prozessschritt sowohl der Stempel 14a mit dem Niederhalter 13 vom Kopf 3a des Stanznietes 3 als auch die Matrize 11 vom Metallblech 4 abgehoben, wobei aufgrund der Federkraft des Federelementes 15 die erste Schweißelektrode 12 weiterhin an das Metallblech 4 gedrückt wird. Nun kann die erste und zweite Schweißelektrode 12 und 14b mit einer Stromquelle 18 verbunden werden, wodurch ein Stromfluss durch die erste Schweißelektrode 12, das Metallblech 4, den Stanzniet 3 und die zweite Schweißelektrode 14b initiiert wird. Im Bereich 17 des höchsten Übergangswiderstands, also zwischen dem Metallblech 4 und dem Stanzniet 3 wird eine Verschweißung dieser beiden Teile 3 und 4 bewirkt, da dort die größte Erwärmung entsteht. Der Weg des Stromflusses wird in 4 durch eine gestrichelte Linie 16 dargestellt.
Das Verfahren gemäß den 1 bis 4 kann auch mit einem Stanzniet 3 gemäß 5c durchgeführt werden. Dieser Stanzniet 3 zeichnet sich dadurch aus, dass neben einem Kopf 3a und einem Schaft 3b am Ende des Schaftes 3b ein Schaftfuß 3f vorgesehen ist, dessen Durchmesser b größer als der Durchmesser a des Schaftes 3b ist. Die Stirnseite 3c dieses Schaftfußes 3f ist ebenso mit einer Schneidkante ausgebildet.
Bei Eintreiben dieses Stanznietes 3 in die beiden FVK-Bauteile 1 und 2 sowie das Opferblech 4 entsteht ein Durchgangsloch, dessen Durchmesser dem Durchmesser b des Schaftfußes 3f des Stanznietes 3 entspricht. Da der Durchmesser a des Schaftes 3b des Stanznietes 3 jedoch kleiner als dieser Durchmesser b ist, entsteht im eingetriebenen Zustand des Stanznietes 3 ein Zwischenraum zwischen dem Schaft 3b und den beiden FVK-Bauteilen 1 und 2, haben also keinen Kontakt. Dieser Zwischenraum bleibt auch nach der Verschweißung des Stanznietes 3 mit dem Opferblech 4 erhalten, da diese Verschweißung umlaufend im Bereich der Mantelfläche des Schaftfußes 3f, die im Kontakt mit dem Opferblech 4 steht, erfolgt. Eine Verprägung oder Verklemmung erfolgt zwischen dem Schaftfuß 3f und dem Opferblech 4.
Aufgrund des fehlenden Kontaktes des Schaftes 3b des Stanznietes 3 mit den FVK-Bauteilen 1 und 2 wird eine mögliche Schädigung der beiden FVK-Bauteile durch Schweißwärme während der Verschweißung mit dem Opferblech 4 vermieden, zumindest aber reduziert.
Die 6a und 6b zeigen ein weiteres Verfahren zum Fügen von zwei FVK-Bauteilen 1 und 2 mittels eines Eintreibgerätes 10, wobei sich dieses Verfahren von demjenigen gemäß den 1 bis 4 darin unterscheidet, dass das Metallblech 4 als Metallscheibe 4 mit einem Vorloch ausgebildet ist und somit gleichzeitig als Stanzmatrize in dem Eintreibgerät 10 dient.
In dem Eintreibgerät 10 gemäß diesen 6a und 6b ist daher die erste Schweißelektrode 12 als Ringelektrode ausgebildet und nimmt stirnseitig in einer an die Kontur der Metallscheibe 4 angepasste Ringnut diese Metallscheibe 4 teilweise auf, wobei der Durchmesser der axialen Bohrung der Schweißelektrode 12 mit dem inneren Durchmesser der Metallscheibe 4 übereinstimmt, da über diese axiale Bohrung der beim Stanzen der beiden FVK-Bauteile 1 und 2 entstehende Stanzbutzen abgeführt wird.
Als Setzbolzen wird ein in 5b dargestellter Stanzniet 3 aus Edelstahl als Vollniet mit einem flachen und einen großen Durchmesser aufweisenden Kopf 3a, einem Schaft 3b und einer am freien Ende des Schaftes 3b angeformten Anfasung 3e eingesetzt, wobei die Stirnseite 3c des Schaftes 3b ebenso mit einer Schneidkante ausgebildet ist.
Der sonstige Aufbau des Eintreibgerätes 10 gemäß den 6a und 6b entspricht demjenigen Aufbau des Eintreibgerätes 10 nach den 1 bis 4, umfasst also ebenso einen zylindrischen Niederhalter 13 zur Führung des Stanznietes 3 und eines Schubkolbens 14, der aus einem Stempel 14a und eine diesen umschließende zweite Schweißelektrode 14b aufgebaut ist, wobei der Stempel 14a in der zweiten Schweißelektrode 14b ebenso verschiebbar ist.
6a zeigt das Verfahren im Ausgangszustand, bei dem die vorgelochte Metallscheibe 4 auf der ersten Schweißelektrode 12 abgelegt ist und darauf die beiden FVK-Bauteile 1 und 2 liegen, die von dem Niederhalter 13 gehalten werden und der Schubkolben 14 den Stanzniet 3 in einen Kontakt mit dem oberen FVK-Bauteil 1 geführt hat.
Das Verfahren beginnt mit einem Stanzvorgang mittels des Stempels 14a des Schubkolbens 14, indem der Stanzniet 3, die beiden FVK-Bauteile 1 und 2 unter Verwendung der vorgelochten Metallscheibe 4 als Matrize durchdringt und stanzt, so dass dabei die vorgelochte Metallscheibe 4 presssitzartig auf den Schaft 3b des Stanznietes 3 zu liegen kommt. Hierzu ist der Innendurchmesser geringfügig kleiner als der Durchmesser des Schaftes 3b gewählt, um einen solchen Presssitz zu erreichen. Aufgrund des großen Durchmessers des Kopfes 3a des Stanznietes 3 ist auch hier die Flächenpressung zwischen dem Kopf 3a und dem FVK-Bauteil 1 reduziert.
Anschließend wird der Stempel 14a mit dem Niederhalter 13 vom Kopf 3a des Stanznietes 3 abgehoben und eine Stromquelle 18 aktiviert, so dass dadurch ein mit dem Bezugszeichen 16 bezeichneter Stromfluss durch die erste Schweißelektrode 12, die vorgelochte Metallscheibe 4, den Stanzniet 3 und die zweite Schweißelektrode 14b initiiert wird. Aufgrund des hohen Widerstandes an dem Übergang 17 zwischen der vorgelochten Metallscheibe 4 und dem Stanzniet 3 entsteht dort die größte Erwärmung mit der Folge einer Schweißverbindung zwischen dieser Metallscheibe 4 und dem Stanzniet 3.
Bei diesem Verfahren gemäß den 6a und 6b erfolgt nach dem Durchstanzen der FVK-Bauteile 1 und 2 mittels des Stanznietes 3 keine Verprägung von dessen Schaft 3b mit der vorgelochten Metallscheibe 4. Die erforderliche Fixierung der Struktur aus den beiden FVK-Bauteilen 1 und 2 und der vorgelochten Metallscheibe 4 mittels des Stanznietes 3 wird durch den Presssitz des Stanznietes 3 mit dieser vorgelochten Metallscheibe 4 sichergestellt.
Es kann für dieses Verfahren gemäß den 6a und 6b auch ein Stanzniet verwendet werden, dessen Schaft sich konisch verjüngend ausgebildet ist, wobei der innere Durchmesser der vorgelochten Metallscheibe an die entsprechende Stelle des Schaftes angepasst werden muss, um einen Presssitz sicherzustellen. Auf die Vorlochung der Metallscheibe kann auch verzichtet werden, wenn in einfacher Weise ein Setzbolzen mit einem spitz zulaufenden Ende verwendet wird, der durch die beiden FVK-Bauteile und eine ungelochte Metallscheibe getrieben wird, wodurch sich automatisch ein Presssitz zwischen dem Schaft eines solchen Setzbolzens und der Metallscheibe bildet. Mittels des Widerstandsschweißens wird auch mit einem solchen einfachen Setzbolzen eine ausreichende stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Setzbolzen und der Metallscheibe erzielt.
Desweiteren kann für dieses Verfahren gemäß den 6a und 6b auch ein Stanzniet gemäß 5c verwendet werden, wobei in diesem Fall ein Presssitz zwischen dem Schaftfuß 3f und dem vorgelochten Metallblech 4 beim Eintreiben in die FVK-Bauteile 1 und 2 entsteht. Auch hier bleibt nach dem Verschweißen des Schaftfußes 3f mit dem Opferblech 4 ein Zwischenraum zwischen dem Schaft 3b und den FVK-Bauteilen 1 und 2 bestehen, so dass auch bei diesem Verfahren mit einem vorgelochten Opferblech 4 die oben genannten Vorteile erzielt werden.
Ferner kann dieser Stanzniet 3 gemäß 5c an der Stirnseite 3c des Schaftfußes 3f entsprechend 5b eine Anfasung aufweisen, so dass dadurch das Einführen dieses Schaftfußes 3f in das vorgelochte Opferblech 4 erleichtert wird.
Wird zwischen dem Stempel 14a des Eintreibgerätes 10 und dem Kopf 3a des Stanznietes 3 eine drehfeste Verbindung hergestellt, kann eine Rotation des Stempels 14a auf den Kopf 3a übertragen werden, so dass beim Eintreiben eines Setzbolzens 3 in das Metallblech 4 durch die Rotation eine hohe Reibwärme erzeugt wird, die zu einem Stoffschluss zwischen dem Schaft 3b bzw. dem Schaftfuß 3f des Setzbolzens 3 und der Metallscheibe 4 entsteht. Dies ist nicht nur mit einer ungelochten Metallscheibe 4 durchführbar, sondern auch mit einer gelochten Metallscheibe 4, deren innerer Durchmesser geringfügig kleiner als der Schaft 3b bzw. der Schaftfuß 3f im Kontaktbereich mit der Metallscheibe 4 ist.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht die Fügeverbindung aus zwei FVK-Bauteilen, jedoch ist es auch möglich mit dem beschriebenen Verfahren auch mehr als zwei FVK-Bauteile zu fügen.
Bezugszeichenliste

1: FVK-Bauteil 1
2: FVK-Bauteil 2
3: Setzbolzen, Stanzniet
3a: Kopf des Stanznietes 3
3b: Schaft des Stanznietes 3
3c: Stirnseite des Schaftes 3b bzw. des Schaftfußes 3f
3d: umlaufende Nut des Schaftes 3b
3e: Anfasung des Schaftes 3b
3f: Schaftfuß des Schaftes 3b
4: Metallblech
5: Fügebereich
6: Stanzbutzen
10: Vorrichtung, Eintreibgerät
11: Matrize
11a: zylindrischer Teil der Matrize 111
11b: Flansch der Matrize 11
11c: stirnseitige Kontur des zylindrischen Teils 11a
12: erste Schweißelektrode
13: Niederhalter
14: Schubbolzen
14a: Stempel
14b: zweite Schweißelektrode
15: Federelement
16: Weg des Stromflusses
17: Übergangsbereich zwischen Stanzniet 3 und Metallblech 4
18: Stromquelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008017650 A1 [0004, 0005]
DE 202007005089 U1 [0007]
DE 102009031838 A1 [0009]
DE 102008031121 A1 [0012]

Claims

Verfahren zum Fügen von wenigstens zwei in einem Fügebereich (5) aufeinander liegenden FVK-Bauteilen (1, 2) mittels eines metallenen Fügeelementes (3), dadurch gekennzeichnet, dass – zur Fixierung der aufeinanderliegenden FVK-Bauteile (1, 2) im Fügebereich (5) ein Setzbolzen (3) als Fügeelement zunächst durch die FVK-Bauteile (1, 2) und anschließend durch ein im Fügebereich (5) anliegendes Metallblech (4) getrieben wird, und – anschließend mittels Widerstands- oder Reibungsschweißen eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Setzbolzen (3) und Metallblech (4) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Eintreiben des Setzbolzens (3) dessen das Metallblech (4) durchdringender Endbereich mit dem Metallblech (4) verprägt oder verklemmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallblech (4) eine kreisringförmige Metallscheibe verwendet wird, deren innerer Lochdurchmesser höchstens dem Durchmesser des Schaftes (3b) des Setzbolzens (3) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Setzbolzen (3) als Vollmet mit einer Spitze ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Setzbolzen (3) als Stanzniet ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vollniet (3) oder Stanzniet (3) einen Schaft (3b) mit einer umlaufenden Nut (3d) zur Aufnahme von Material des Metallbleches (4) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vollniet (3) oder Stanzniet (3) mit einem Schaftfuß (3f) ausgebildet ist, dessen Durchmesser (b) größer als der Durchmesser (a) des Schaftes (3b) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallblech (4) eine kreisringförmige Metallscheibe verwendet wird, deren innerer Lochdurchmesser höchstens dem Durchmesser des Schaftfußes (3f) des Setzbolzens (3) entspricht.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eintreibgerät (10) vorgesehen ist, umfassend – eine als Auflagefläche ausgebildete erste Schweißelektrode (12) zum Auflegen des Metallbleches (4) und der FVK-Bauteile (1, 2), – eine von der Schweißelektrode (12) umrandete Matrize (11), – einen Niederhalter (13) zum Niederhalten des Metallbleches (4) und der FVK-Bauteile (1, 2) auf der ersten Schweißelektrode (12), wobei der Niederhalter (13) den Setzbolzen (3) führt, und – einen in dem Niederhalter (13) geführten Schubkolben (14), welcher zur Aufnahme eines Stempels (14a) zum Eintreiben des Setzbolzens (3) in die FVK-Bauteile (1, 2) als hohlzylindrische zweite Schweißelektrode (14b) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißelektrode (12) kreisringförmig zur Aufnahme der Matrize (11) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (11) eine Kontur (11c) zur Verprägung des Setzbolzens (3) mit dem Metallblech (4) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (11) hohlzylindrisch ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eintreibgerät (10) vorgesehen ist, umfassend – eine als Auflagefläche ausgebildete erste hohlzylindrische Schweißelektrode (12) zum Auflegen des vorgelochten Metallbleches (4) und der FVK-Bauteile (1, 2), wobei das vorgelochte Metallblech (4) als Matrize dient, – einen Niederhalter (13) zum Niederhalten des Metallbleches (4) und der FVK-Bauteile (1, 2) auf der ersten Schweißelektrode (12), wobei der Niederhalter (13) den Setzbolzen (3) führt, und – einen in dem Niederhalter (13) geführten Schubkolben (14), welcher zur Aufnahme eines Stempels (14a) zum Eintreiben des Setzbolzens (3) in die FVK-Bauteile (1, 2) als hohlzylindrische zweite Schweißelektrode (14b) ausgebildet ist.