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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei flächigen Fügepartnern, sowie einen Verbindungsbereich zweier flächiger Fügepartner.
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Aus der Serienfertigung der Fahrzeugindustrie, insbesondere dem Karosserierohbau, sind unterschiedliche Verfahren zum roboterunterstützten Verbinden von Karosseriebauteilen und anderen flächigen Bauteilen bekannt. Dabei wird vielfach das Punktschweißen verwendet. Fügepartner aus Leichtmetall, Kunststoff und deren Kombinationen eignen sich allerdings oft nicht zum Verbinden durch die bekannten Punktschweißverfahren. Das Gleiche gilt für Fügebereiche, die nur schwer oder einseitig zugänglich sind (z. B. Radkasten). Bei diesen Anwendungsfällen werden die Fügepartner häufig durch das Einbringen von Verbindungselementen gefügt. Dabei bestehen je nach Verbindungselement und Verfahren Grenzen hinsichtlich der maximalen Dicke des Verbindungsbereiches. Insbesondere in korrosionsgefährdeten Verbindungsbereichen (in denen Potentialunterschiede der Fügepartner bestehen oder Umwelteinflüsse wie Salzwasser, Hitzeschwitzen, ... einwirken) werden diese Verbindungselemente häufig durch die zusätzliche Verwendung von Klebstoffen dauerhaft miteinander verbunden.
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Ein Verfahren, bei dem ein Verbindungselement, das als Nagel ausgeführt ist, in einen Verbindungsbereich zweier dünnwandiger Bauteile mit einer sich dazwischen befindlichen Klebstoffschicht eingetrieben wird, ist aus der
DE 10 2007 033 126 B4 bekannt. Dieses Verfahren wird auch als geeignet für Fügesituationen mit einseitiger Zugänglichkeit beschrieben. Durch Eintreiben des Nagels, ohne diesen in Rotation zu versetzen, soll an dem nagelkopfseitigen Bauteil ein Materialwulst erzeugt werden. Dieser soll sich in Eintreiberichtung um einen Durchdringungsbereich umlaufend bilden und einen definierten Spalt zwischen dem nagelkopfseitigen und zweiten Bauteil erzeugen. Der Spalt soll mit Klebstoff gefüllt sein. Fraglich ist, ob eine optimale Spaltdicke, die für die Ausbildung einer dauerhaften Klebeverbindung erforderlich ist, in der Serienfertigung prozesssicher eingestellt werden kann. Weiters ist nicht sicher, ob ein Austritt von Klebstoff und damit ein Verschmutzen von Bauteiloberfläche und Hilfswerkzeugen tatsächlich dauerhaft vermieden werden kann. Darüber hinaus soll der Kopf des Nagels flach auf dem oberen Bauteil zu liegen kommen. Dabei besteht die Gefahr, durch kapillare Kriechwirkung in einem minimal vorhandenen Spalt zwischen flächigem Nagelkopf und Bauteiloberfläche das Eindringen spaltkorrosiv wirkender Medien zu begünstigen.
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Aufgrund der nicht selbstschneidenden oder furchenden Eigenschaften des Fügeelements „Nagel” muss bei einseitiger Zugänglichkeit des Fügebereichs das rückseitige Bauteil genügend steif ausgeführt sein. Das begrenzt den Einsatzbereich, da entweder zusätzliches Gewicht aufgrund einer höheren Bauteildicke in Kauf genommen werden muss oder genügend Bauraum für versteifende Sicken und andere konstruktiv versteifende Bauformen vorhanden sein muss. In vielen Anwendungsbereichen der Fahrzeugindustrie ist unter dem Druck der Gewichts- und Bauraumreduktion keine dieser beiden Alternativen umsetzbar. Daher ist das Verfahren für diese Art einseitig zugänglicher Bauteilverbindungen, die korrosiv wirkenden Umweltbedingungen ausgesetzt sind, nicht vorteilhaft einsetzbar.
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Ein anderes Verfahren zum Eintreiben eines Verbindungselements ist das Verfahren der Direktverschraubung (sogenanntes Fließformschrauben), welches aus der
DE 10348427 A1 bekannt ist. Dabei wird eine Schraube radial und axial hoch beschleunigt in einen Verbindungsbereich eingetrieben. Dabei entsteht Reibungswärme, die – gleichzeitig mit einem durch die rotierende Schraube verursachten Furchen – in eine plastische Verformung des angeschmolzenen Materials umgesetzt wird. Es entstehen sowohl auf der Eintritts- als auch auf der Austrittsseite der Schraube Materialaufwürfe. Durch die Plastifizierung der Fügepartner um das Verbindungselement entsteht eine dauerhaft feste formschlüssige Verbindung. Dieses Verfahren kommt wegen seiner schnellen und qualitativ hochwertigen Verbindungsergebnisse an schwer und nur einseitig zugänglichen Stellen zunehmend in der Großserienfertigung zum Einsatz.
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Die (unveröffentlichte)
DE 10 2011 010 053.9 stellt auf der Grundlage des Direktverschraubens einen Verbindungsbereich dar, der ohne Vorlochen mit einer zwischen den Fügepartnern liegenden Klebstoffschicht hergestellt werden kann. Der in dieser Schrift gezeigte Verbindungsbereich ist in einer solchen Weise gestaltet, dass der beim Eintreiben des Verbindungselements entstehende Materialwulst in einem ringförmigen Freiraum unter dem Kopf des Verbindungselements aufgenommen wird. Das führt zu einer geringen Spaltausbildung zwischen den Bauteilen und einem dichten Verschließen dieses Spaltes durch einen Formschluss zwischen dem Kopf des Verbindungselements und dem Fügepartner auf einer Eintreibseite. Diese Art von Verbindungsbereich ist daher geeignet, eine funktionsfähige und dichte mit Klebstoff unterstützte Verbindung zwischen den Bauteilen zu gewährleisten. Da keine Vorlochung der Fügepartner erforderlich ist, muss beim Auftrag des Klebstoffes eine zum Auftrag verwendete Klebstoffdüse an einer eventuell vorhandenen Vorlochung nicht abgesetzt werden. Befindet sich durchgehend Klebstoff im Verbindungsbereich, kann beim Verbinden Klebstoff herausgeschleudert werden und die Bauteiloberflächen sowie ggf. verwendete Werkzeuge und Niederhalter verschmutzen. Das führt zu zusätzlichem Reinigungsaufwand und mangelndem Geradeauslauf im Prozess, Darüber hinaus wird Klebstoff aus dem Spaltbereich um den Durchdringungsbereich herum herausgepresst, so dass nicht sicher gestellt werden kann, dass hier noch genügend Klebstoff verbleibt und/oder eine angemessene Spaltdicke für ein optimales Verbindungsergebnis vorhanden ist.
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Wird die Klebstoffschicht im Verbindungsbereich durch Absetzen der Klebstoffdüse unterbrochen, kann es aufgrund der darstellbaren Genauigkeit (u. a. beeinflusst durch Bauteiltoleranzen, Klebstoffeigenschaften in Abhängigkeit der Umweltbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit, Positioniergenauigkeit des Auftragswerkzeugs) vorkommen, dass der Klebstoff nicht bis in den Spaltbereich um das Fügeelement heranreicht. Es kann keine gegen Umweltbedingungen dichte Verbindung hergestellt werden.
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Darüber hinaus ist die Gesamtdicke beider Fügepartner in einem Verbindungsbereich, der ohne Vorlochen gestaltet wird häufig zu dick, um sicher mit dem Direktverschrauben verbunden zu werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden von flächigen Fügepartnern ohne Vorlochen und ohne nachträgliches Entfernen von ausgetretenem Klebstoff zur Verfügung zu stellen, sowie einen korrosionsbeständigen Verbindungsbereich zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Verbindungsbereich mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erste Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei flächigen Fügepartnern und das Herstellen eines dichten Verbindungsbereichs unter lokaler Dicken-Reduzierung mindestens eines Fügepartners unter Verwendung von Klebstoff und dem Eintreiben eines Fügeelements unter plastischer Verformung. In dem Verfahren wird zunächst an einem ersten Fügepartner im Verbindungsbereich z. B. durch Umformen oder spanende Bearbeitung ein Dicken-Reduktionsbereich erzeugt, in dem die Materialdicke dieses Fügepartners lokal reduziert ist. Anschließend wird mindestens eine Verbindungsfläche eines Fügepartners, die einer Verbindungsfläche des anderen Fügepartners zugewandt ist, mit Klebstoff versehen. Je nach verwendetem Klebstoff und seinen Fließeigenschaft kann der Klebstoff in Form einer Kleberaupe automatisiert aufgebracht werden. Die Fügepartner werden mit ihren Verbindungsflächen in einer solchen Weise aneinander gelegt, dass der Dicken-Reduktionsbereich des ersten Fügepartners an der Verbindungsfläche des zweiten Fügepartners anliegt. Die Verbindungsfläche des dicken-reduzierten Fügepartners im Bereich der Dicken-Reduzierung wird als Kontaktfläche bezeichnet. In den Dicken-Reduktionsbereich und den daran direkt anliegenden zweiten Fügepartner wird ein Fügeelement in den Verbindungsbereich eingetrieben. Durch die lokal reduzierte Dicke des ersten Fügepartners ist es möglich, die Materialdickenbeschränkung, die bei vielen Verfahren zu deren Einsatzhinderung führt, in Richtung höherer fügbarer Verbindungsdicken beider Fügepartner im umliegenden nicht reduzierten Dickenbereich zu treiben. Die fügbare Dicke des Verfahrens ist daher nur für die Gesamtdicke der Fügepartner an der Stelle der Dicken-Reduzierung zu beachten. Dadurch wird der Einsatz von bestimmten Fügeverfahren ermöglicht und im umliegenden Bereich die Gestaltungsfreiheit durch höhere mögliche Gesamtdicken der Fügepartner ausgedehnt.
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Durch einen Aufprall beim Einsatz eines beschleunigten Fügeelements oder durch ein Andrücken des ersten Fügepartners durch das Fügeelement oder einer externen Hilfskraft wird je nach verbleibender Dicke des ersten Fügepartners im Dicken-Reduktionsbereich der Klebstoff aus dem Spalt zwischen den Verbindungsflächen direkt unter dem Dicken-Reduktionsbereich verdrängt. Das hat den Vorteil, dass während des Verbindens kein Klebstoff austritt, der Werkzeuge und Oberflächen verschmutzen könnte.
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Die Dicken-Reduktion kann durch eine konvexe Auswölbung erzeugt werden, was besonders vorteilhaft durch ein Verfahren wie Clinchen, oder auch Durchsatzfügen genannt, erfolgt. Dabei wird der sich zwischen den Verbindungsflächen der beiden Fügepartner befindliche Klebstoff, insbesondere unter der Kontaktfläche, fast gänzlich durch das Anlegen oder späteres verfahrensbedingtes Andrücken verdrängt. Um diese Kontaktfläche herum entsteht durch die in den ersten Fügepartner eingebrachte konvexe Auswölbung ein Spaltbereich mit einer konstanten Höhe. Lediglich eine geringe plastische Verformung während des Eintreibens im direkten an die Kontaktfläche umliegenden Bereich kann diese vor dem Eintreiben erzeugte Spaltbreite eventuell minimal verändern. Da jeder Klebstoff einen für seine Verbindungseigenschaften optimalen Schichtdickenbereich besitzt, wird die durch die Auswölbung erzeugte Spaltbreite entsprechend gewählt. Das Auspressen des anfangs unter der Kontaktfläche vorhandenen Klebstoffes in den durch die Auswölbung umgebenden Spaltbereich führt dazu, dass dieser zumindest teilweise gefüllt und – bei geeigneter Dimensionierung der Spalthöhe – voll ausgefüllt ist. Eine optimal eingestellte Klebstoffschichthöhe und flächenhafte Verbindung der zwei spaltbildenden Verbindungsflächen der Fügepartner durch die Klebstoffmasse ermöglichen eine dauerhafte, dichte Verbindung. Durch das Eintreiben des Fügeelements in einen bereits klebstofffreien Bereich kann kein Klebstoff auf der Eintrittsseite des Fügeelements herausgeschleudert oder -gedrückt werden, und die Oberfläche bleibt ebenso wie eventuell genutztes Hilfswerkzeug sauber.
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Um die konvexe Auswölbung mit reduzierter Dicke im ersten Fügepartner zu erzeugen, werden Umformverfahren wie Hohlprägen, Prägen oder Tiefziehen eingesetzt. Eine in der Formgebung und im Prozess sehr stabile Ausführung ist die Herstellung der konvexen Auswölbung durch Clinchen. Die so hergestellte Auswölbung kann dem Druck eines Niederhalters gut widerstehen und besitzt an der Kontaktfläche der Auswölbung eine verminderte Materialdicke des ersten Fügepartners. Das vereinfacht das Eintreiben des Fügeelements. Da sich die Dicke des Verbindungsbereichs aus der Summe der Dicken der beiden Fügepartner ergibt, ermöglicht der Einsatz eines verdünnten ersten Fügepartners, eine höhere Ausgangsmaterialdicke des ersten Fügepartners zu wählen und/oder einen dickeren zweiten Fügepartner zu verwenden.
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Der Dicken-Reduktionsbereich des ersten Fügepartners kann beispielsweise mittels eines optischen Sensors detektiert werden. Auf Basis der dabei gewonnenen und berührungslos übertragbaren Informationen über die Raumlage des Fügebereichs kann das Werkzeug zum Eintreiben des Fügeelements automatisch und schnell positioniert werden, was eine einfache und effiziente Automatisierung des positionierten Eintreibens erlaubt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform beinhaltet den Einsatz einer Fließformschraube (FFS) als Fügeelement. Beim Eintreiben der FFS entsteht durch Reibung ein Wärmeeintrag, der eine für die Verbindung vorteilhafte Plastifizierung der Fügepartner und deren dichtes Abschließen mit dem Fügeelement unterstützt. Beim Einsatz von thermisch aktivierbarem Klebstoff härtet dieser im umliegenden Bereich durch die entstehende Wärme quasi sofort aus.
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Neben dem Einsatz von einer FFS gibt es weitere vorteilhafte Verfahren, die ein hochbeschleunigtes Fügeelement, z. B. einen Bolzen oder Nagel verwenden, mit den Vorteilen der plastischen Verformung und bis zu einer limitierenden Gesamtdicke der Fügepartner nicht erforderlichen Gegenhaltern und entfallendes Vorlochen.
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Besonders effizient, da in einem einzigen Arbeitsschritt ausführbar, erfolgt das Erzeugen der konvexen Auswölbung bzw. des Dicken-Reduktionsbereichs und das Eintreiben des Fügeelements durch ein Kombinationswerkzeug.
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Weitere für das Produkt des Verfahrens vorteilhafte Einflussnahmen können über ein Erwärmen des Verbindungsbereiches erzielt werden. Zum einen kann durch die Wärme die fügbare Gesamtdicke durch Abnahme der Festigkeit des Materials im Verbindungsbereich erhöht werden, zum anderen kann beim Einsatz von thermisch aktivierbaren Klebstoffen der Verklebungsprozess gezielt eingeleitet werden.
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Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Verbindungsbereich zweier flächiger Fügepartner, die zumindest abschnittsweise in einander zugewandten Verbindungsflächen aneinander anliegen. Die Fügepartner sind über ihre Gesamtdicke, die sich aus der Dickenaddition der einzelnen Fügepartner mit einer eventuellen Zwischenschicht zwischen den Verbindungsflächen im Zehntelmillimeterbereich ergibt, mittels eines Fügeelements verbunden. Dabei fällt ein Spalt oder eine Zwischenschicht im unteren Zehntelmillimeterbereich zwischen den Verbindungsflächen noch in die Definition des aneinander Anliegens. Mindestens einer der Fügepartner weist in diesem Verbindungsbereich einen Dicken-Reduktionsbereich auf. Zur einfacheren Beschreibung sei es der erste Fügepartner, wobei die gesamte Beschreibung sinngemäß auch für den zweiten Fügepartner gilt. In dem Dicken-Reduktionsbereich ist die Materialdicke des ersten Fügepartners relativ zur Materialdicke der umliegenden Bereiche desselben Fügepartners reduziert. Die Verbindungsfläche des ersten Fügepartners ist unter diesem Bereich als Kontaktfläche definiert und liegt höchstens getrennt durch eine dünne Zwischenschicht, z. B. Klebstoff oder Isolations-Beschichtung am zweiten Fügepartner an. Ein Fügeelement durchdringt die Fügepartner in diesem Dicken-Reduktionsbereich. Das Fügeelement kann niet-, nagel- oder schraubenförmigen sein und umfasst einen Schaft, der beide Fügepartner zumindest abschnittsweise durchdringt.
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Der Dicken-Reduktionsbereich kann vorteilhaft durch eine Auswölbung des ersten Fügepartners im Verbindungsbereich in Richtung des zweiten Fügepartners und einer auf den Verbindungsbereich lokal beschränkten Dicken-Reduktion dargestellt werden. Beim flächigen Aneinanderliegen der Fügepartner besteht im Bereich der Auswölbung und Dicken-Reduktion ein Kontakt zwischen einander zugewandten Verbindungsflächen der beiden Fügepartner. Die Verbindungsfläche des ersten Fügepartners im Bereich der konvexen Auswölbung wird als Kontaktfläche definiert.
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Wird der Dicken-Reduktionsbereich durch eine Auswölbung mindestens eines Fügepartners dargestellt, wird um die Kontaktfläche herum ein Spaltbereich zwischen den Verbindungsflächen der beiden Fügepartner ausgebildet. Ist dieser umgebende Spaltbereich im Verbindungsbereich zumindest abschnittsweise mit Klebstoff gefüllt, ermöglicht diese Ausführung der Verbindung zusätzlich zum Fügeelement eine verlässliche und dichte Verbindung um einen Durchtrittsbereich des Fügeelements. Darüber hinaus ist die isolierende Wirkung einer Klebstoffschicht zwischen den Verbindungsflächen der Fügepartner in dem Falle günstig, wenn die Fügepartner unterschiedliche Potentiale aufweisen und die Gefahr einer Kontaktkorrosion besteht.
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Ein Klebstoff weist meist einen Schichthöhenbereich auf, in dem eine optimale Verbindungswirkung nach Aushärtung oder Trocknung des Klebstoffs erfolgt. Daher ist die Qualität der Verbindung auch entscheidend abhängigen von der Höhe der Klebstoffschicht. Der erfindungsgemäße Verbindungsbereich bietet den Vorteil, dass dieser durch die Höhe der Auswölbung auf diese optimale Klebstoffschichthöhe eingestellt werden kann.
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Wird ein Epoxidharzklebstoff verwendet, ist aus den erwähnten Gründen für eine optimale Verbindung eine konvexe Auswölbung mit einer Höhe im Zehntelmillimeterbereich von Vorteil. Abhängig von der Dicke des ausgewölbten ersten Fügepartners und der Gesamthöhe der Auswölbung wird ein umgebender Spaltbereich von vorzugsweise 0,2 mm bis 0,5 mm Spalthöhe erzeugt, welches der Bereich der optimalen Schichthöhe für Klebstoffverbindungen dieser Art ist.
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Beim Einsatz anderer Klebstoffe muss in Abhängigkeit von deren Fließeigenschaften und den Temperaturen bei der Herstellung der Verbindung die Höhe der Auswölbung so gewählt werden, dass sich der umgebende Spaltbereich vollständig mit Klebstoff füllt und keine Bereiche entstehen, in denen Kontaktkorrosion auftreten könnte, oder verbindungsschädigende Umwelteinflüsse in den Verbindungsbereich eindringen könnten Der Verbindungsbereich wird besonders ökonomisch und zuverlässig durch das in der Direktverschraubung häufig verwendete Fügeelement Fließformschraube erzeugt. Der Durchdringungsbereich wird zum einen abgedichtet durch den (durch die plastische Verformung erzeugten) Formschluss am Gewinde und zum anderen durch die Aufnahme des eintrittsseitig umlaufend entstehenden Materialwulstes unter dem Schraubenkopf. Das verhindert zum einen das Eindringen von korrosiv wirkenden Medien, zum anderen ist das Verfahren schnell und problemlos in schwer und einseitig zugänglichen Verbindungssituationen mit wenig steifem abgewandten Fügepartner, durch die selbstfurchenden Eigenschaften des Fügeelements, möglich.
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Durch die Klebstoffverdrängung unter der Kontaktfläche der Auswölbung ist insbesondere bei der Verwendung von rotierenden Fügeelementen sicher gestellt, dass kein Klebstoff während des Fügevorgangs an der Eintrittsseite des Fügeelements herausgeschleudert wird, so dass eine einwandfreie, saubere Oberfläche bestehen bleibt. Werkzeuge und Umgebung werden ebenfalls nicht verschmutzt. Beim Versenken des Fügeelements in die Auswölbung entsteht darüber hinaus ein mechanischer Schutz des Kopfbereichs des Fügeelements.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in
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1 eine Schnittdarstellung eines Fügepartners mit konvexer Auswölbung mit Abstand über einem mit einer Klebstoffschicht vorbereiteten zweiten Fügepartner;
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2 eine Schnittdarstellung zweier im Bereich der konvexen Auswölbung aneinander anliegender Fügepartner und einem mit Klebstoff gefüllten umgebenden Spaltbereich;
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3 eine Schnittdarstellung zweier Fügepartner mit einem Verbindungsbereich, in dem ein Fügeelement, eine Fließformschraube mit ihrem Kopf aufliegt und mit ihrem Schaft den Verbindungsbereich durchdringt;
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4 eine Schnittdarstellung eines Verbindungsbereiches zweier Fügepartner in einer alternativen Ausgestaltung.
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Die 1 zeigt zwei flächige Fügepartner 1, 3, die mit Hilfe eines in 3 gezeigten Fügeelements 15 verbunden werden sollen. Der erste Fugepartner 1 ist mit einer konvexen Auswölbung 11 in Richtung des zweiten Fügepartners 3 versehen. Die dem zweiten Fügepartner 3 zugewandte Unterseite des ersten Fügepartners 1 wird im Folgenden als Verbindungsfläche 7 bezeichnet. Der im Bereich der Auswölbung 11 befindliche Teil der Verbindungsfläche 7 wird im Folgenden als Kontaktfläche 20 der Auswölbung 11 bezeichnet. Der Verbindungsfläche 7 zugewandt ist eine Verbindungsfläche 9 des zweiten Fügepartners 3, auf der ein Klebstoff 13 mit einer Ausgangshöhe Ka aufgetragen ist. Ein in 1 strichpunktiert gekennzeichneter Verbindungsbereich 5 umfasst den Bereich der konvexen Auswölbung 11 sowie einen der Auswölbung 11 benachbarten Bereich, wie in der Schnittdarstellung rechts und links der Auswölbung 11 sichtbar. Die Materialdicken der Fügepartner 1, 3 sind in den Figuren mit D1, D3 bezeichnet. An der Auswölbung 11 befindet sich ein Bereich 30 mit reduzierter Materialdicke, Der Fügepartner weist hier im Vergleich zu benachbarten Bereichen eine reduzierte Dicke DR auf. Der Fügepartner, von dessen Seite aus ein Fügeelement 15 in den Verbindungsbereich 5 eingetrieben wird, hat vorzugsweise eine gleiche oder geringere Materialdicke als der andere Fugepartner. Vorteilhafterweise wird das Eintreiben von der Seite des sichtbaren Dicken-Reduktionsbereichs erfolgen, also von Fügepartner 1 her. Die Dicken D1,3,R der Fügepartner 1, 3 betragen mehrere Zehntel bis wenige Millimeter. Die Dicke Ka des auf der Verbindungsfläche 9 aufgetragenen Klebstoffs 13 beträgt je nach verwendeter Chemikalie wenige Zehntelmillimeter bis (bei zähviskosen Klebstoffen) wenige Millimeter.
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2 zeigt die Fügepartner 1, 3 aus 1 in Zusammenbaulage. Der erste Fügepartner 1 liegt mit der Kontaktfläche 20 der konvexen Auswölbung 11 auf der Verbindungsfläche 9 des zweiten Fügepartners 3 an, was mit einer lokalen Verdrängung des Klebstoffs 13 einhergeht: Der Klebstoff 13 wurde in einen die Auswölbung 11 umgebenden Spaltbereich 21 hineingepresst, der zwischen den Verbindungsflächen 7 und 9 der Fügepartner 1 und 3 gebildet ist und eine Höhe B hat. Die finale Höhe Ke des Klebstoffs 13 hat sich gegenüber dem in 1 dargestellten Zustand erhöht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Höhe B des Spaltbereichs 21 in einer solchen Weise eingestellt, dass der Klebstoff 13 den Spaltbereich 21 voll ausfüllt.
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Wird ein aufpulverisierter Klebstoff 13 verwendet oder ein bei Aktivierung aufschäumender, kann vor Aktivierung des Klebstoffes 13 der Spaltbereich 21 auch nur teilweise mit Klebstoff 13 gefüllt sein, solange nur durch die Wahl der Klebstoffeigenschaften und der Spalthöhe B sichergestellt ist, dass der Spaltbereich 21 nach Aktivierung und Aushärten des Klebstoffs 13 vollständig gefüllt wird.
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Beim Aneinanderlegen der Fügepartner 1, 3 kann zunächst ein Rest des Klebstoffes 13 zwischen der Kontaktfläche 20 der Auswölbung 11 und der Verbindungsfläche 9 des zweiten Fügepartners 3 verbleiben, wenn die Andrückkräfte durch das eigene Gewicht oder beispielsweise des eines Niederhalters oder eines spannvorrichtungsartigen Hilfswerkzeugs nicht ausreichen, den Klebstoff 13 vollständig zu verdrängen. Eine möglichst vollständige Verdrängung des Klebstoffes 13 aus dem Kontaktbereich 20 ist wichtig, um ein Heraustreten des Klebstoffes 13 beim Eintreiben des Fügeelements 15 und damit Verschmutzung von Oberflächen und Hilfswerkzeugen zu vermeiden und sollte wenn nicht schon im Verbindungsvorbereitenden Schritt geschehen, durch das Verbindungsverfahren, wie z. B. den Druck des Aufpralls des Fügeelements 15, erfolgen.
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In 2 ist oberhalb des Verbindungsbereichs 5 ein optischer Sensor 23 dargestellt, der die konvexe Auswölbung 11 des ersten Fügepartners 1 von der der Verbindungsfläche 7 abgewandten Seite her detektiert. Dieser ist mit einem Werkzeug gekoppelt, welches das Fügeelement 15 durch den Kontaktbereich 20 der konvexen Auswölbung 11 in die aneinander anliegenden Fügepartner 1, 3 eintreibt.
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In 3 ist der Endzustand des Verbindungsbereichs 5 mit dem Fügeelement 15 und den beiden Fügepartnern 1, 3 sowie einem Durchdringungsbereich 25 und Materialaufwürfen 27 der beiden Fügepartner 1, 3 dargestellt. Insbesondere bei einseitig zugänglichen Verbindungsbereichen 5, wie z. B. am Radkasten eines Kraftfahrzeugs, ist es vorteilhaft, eine in 3 abgebildete Fließformschraube 15' als Fügeelement 15 zu nutzen, da sie auch bei wenig steifen und nicht durch einen Gegenhalter erreichbaren Fügepartnern 1, 3 durch ihre selbstfurchende, plastifizierende Wirkung eine günstige Verbindungsgeometrie erzeugt.
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Beim Eintreiben der Fließformschraube 15' wird diese mit Hilfe eines in 3 nicht gezeigten Fließformschraubwerkzeugs über der konvexen Auswölbung 11 positioniert, während der umlegende Bereich mit leichtem Druck eines Niederhalters, der meist im Fließformschraubwerkzeug integriert ist, fixiert wird. Die Fließlochschraube 15' wird hoch beschleunigt und rotierend in den Verbindungsbereich 5 eingetrieben. Dabei entsteht der in 3 gezeigte Materialaufwurf 27 eintreibseitig und auf der Verbindungsfläche 7 um den Durchdringungsbereich 25. Mit höherer Dicke D3 des zweiten Fügepartners 3 ist der Materialaufwurf 27 auf der Austrittsseite größer. Dieser stört jedoch meist weder visuell noch mechanisch, da die Seite meist nicht zugänglich ist. Durch den Aufprall des Fügeelements 15 auf den Fügepartner 1 werden alle evtl. noch vorhandenen Reste des Klebstoffes 13 zwischen der Kontaktfläche 20 und der Verbindungsfläche 9 verdrängt, so dass im Durchdringungsbereich 25 kein Klebstoff 13 auf einer Eintrittsseite 2 des Fügepartners 1 herausgeschleudert oder -gepresst werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht das Auswölben des Fügepartners 1 und das Verbinden in einem kombinierten Arbeitsschritt vor. Dabei ist kein nachträgliches Positionieren des Fügepartners an der vorbereiteten Stelle erforderlich. Klebstoffabstandskeile, die bei Zimmertemperatur hart sind und die gezielt in einer sonst zähviskosen Klebstoffmasse positioniert werden, übernehmen die Funktion eines Gegenhalters beim Einbringen der konvexen Auswölbung. Ein Stempel mit Fließformschraubenkanal kann so die Auswölbung eindrücken und anschließend das Fügeelement eintreiben. Beim Erwärmen durch das Einbringen des Fügeelements oder kurzer externer Erwärmung verflüssigen sich die Klebstoffabstandskeile und gehen in die Verbindungsmasse ein.
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Anstelle der Auswölbung 11 kann unter Verzicht auf den umgebenden Spaltbereich 21, der durch die Dicken-Reduktion durch Clinchen zwingend durch das Verfahren entsteht, ein Dicken-Reduktionsbereich 30' durch Fräsen oder Sacklochbohren erzeugt werden und so das Verbinden von Fügepartnern 1, 3 mit Dicken D1,3 ermöglicht werden, die aposteriori nicht für dieses Verbindungsverfahren geeignet sind. Dies ist in 4 gezeigt.
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Neben der beschriebenen Ausführungsform, bei der eine beschleunigte und rotierende Fließformschraube
15' als Fügeelement
15 verwendet wird, ist bei genügend steifen Fügepartnern
1,
3 oder bei beidseitig zugänglichem Fügebereich das Bolzensetzen, das Stanz- oder Blindnieten sowie das Nagelsetzen oder ein ähnliches Verbindungsverfahren einsetzbar. Dabei können auch Blindniete, die mit einer entsprechenden Nietpistole gesetzt werden und unter dem Namen Rivtac in den 70er Jahren bekannt geworden sind (
DE 01947969 A1 ,
DE 02113664 A1 ), als Fügeelemente
15 verwendet werden. Bei einseitiger Zugänglichkeit bieten sich wegen geringer Gegenhaltekräfte meist selbstfurchende oder selbstschneidende Fügeelemente
15 an.
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Die flächigen Fügepartner 1, 3 können aus Stahl, Aluminium, Magnesium, Kunststoffen mit und ohne Faseranteil bestehen. Es können auch weitere Fügepartner oder folienartige Zwischenschichten in den Verbindungsbereich 5 und Durchdringungsbereich 25 eingebracht werden. Durch den Klebstoff 13 mit der finalen Höhe Ke wird eine gute elektrische Isolation der beiden Fügepartner 1, 3 im Verbindungsbereich 5 erzielt, so dass Spaltkorrosion oder eine durch eine Potentialdifferenz getriggerte Korrosion durch die erfindungsgemäß hergestellte Verbindungsgeometrie vermieden wird.
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In 1 bis 3 wurde eine Verbindung von flächigen Karosseriebauteilen beschrieben, die Erfindung kann aber auch in beliebigen anderen Bereichen (z. B. wenn flächige Bauteile zur Verkleidung, zum Aufbau und zur Abschirmung zum Einsatz kommen) und für jede Art von flächigen Bauteilen – ob in der Kraftfahrzeugindustrie, der Luftfahrt, dem Bausektor oder dem Haushalts- und Elektronikbereich – genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007033126 B4 [0003]
- DE 10348427 A1 [0005]
- DE 102011010053 [0006]
- DE 01947969 A1 [0043]
- DE 02113664 A1 [0043]
