DE102012104364A1

DE102012104364A1 - Schweißniet sowie Verbindung unter Verwendung eines Schweißniets

Info

Publication number: DE102012104364A1
Application number: DE201210104364
Authority: DE
Inventors: Frank Höcker
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2013-11-21
Also published as: DE102012104364A9

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schweißniet (1) sowie eine Verbindung unter Eingliederung eines erfindungsgemäßen Schweißniets (1). Der Schweißniet (1) weist dabei einen Steg (5) in einem Kopfbereich (2) auf, der in einem Volumenverhältnis zu einem Hinterschnitt (6) an einer der Schweißniet (1) umlaufenden Nut (4) in einem Verhältnis von mindestens 1,5:1 ausgebildet ist. Hierdurch wird beim Einnieten des Schweißnietes (1) sichergestellt, das ein vollständiger formschlüssiger Kontakt zwischen Schweißniet (1) und erstem Bauelement (12) hergestellt ist. Ferner weist der Schweißniet (1) bevorzugt einen Fortsatz (10) an einer Unterseite (9) auf, wobei über den Fortsatz (10) ein Abstand (a, b) zwischen den zwei Bauelementen (12, 13) einstellbar ist und so weiterhin bevorzugt ein Klebstoff (15) innerhalb des im Abschlag generierten Spaltes (14) einfügbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schweißniet zur Koppelung zweier im Wesentlichen nicht thermisch miteinander fügbarer Bauelemente gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Schweißniet zur Koppelung zweier im Wesentlichen nicht thermisch miteinander fügbarer Bauelemente gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 2.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Verbindung zweier Bauelemente gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 10.
Zur Koppelung von zwei Bauteilen gibt es verschiedene Fertigungsverfahren. Die Koppelungsverfahren lassen sich in formschlüssige, kraftschlüssige und stoffschlüssige Verfahren einteilen. So wird beispielsweise bei einem formschlüssigen Koppelungsverfahren durch eine Umstellung von Kanten oder Flanschen ein Formschluss hergestellt. Auch ist ein formschlüssiges Verfahren beispielsweise durch Vernieten zweier Bauteile bekannt.
Bei einem kraftschlüssigen Koppelungsverfahren wird beispielsweise eine Welle in ein Lager eingepresst und ist mit diesem durch eine Übermaßpassung fest verbunden. Bei einem stoffschlüssigen Koppelungsverfahren wird wiederum unterschieden zwischen Klebeverbindungen und thermischen Fügeverfahren. Bei einer Klebeverbindung wird Klebstoff auf einem Bauteil aufgetragen und das Bauteil mit einem anderen Bauteil verklebt. Durch ausgereifte werkstofftechnische Untersuchungen ist es heutzutage möglich für die jeweils zu fügenden Bauteile Klebstoffe und Klebeverfahren zu verwenden, die speziell auf die Werkstoffe der Bauteile selbst abgestellt sind und eine hochfeste Klebeverbindung herstellen. Bei einer Klebeverbindung verbleibt jedoch immer ein Restrisiko bezüglich der erreichbaren Festigkeit, da sich der aufgetragene Kleber unter Umständen nicht entsprechend mit der Oberfläche verbindet, auf die er aufgetragen ist. Darüber hinaus sind Klebeverbindungen einem Alterungsprozess unterzogen, wobei die Klebekraft bereits nach wenigen Jahren nachlassen könnte.
Weiterhin gibt es thermische Fügeverfahren, wobei hier beispielsweise ein Löten oder aber ein Schweißen zum Einsatz kommen. Insbesondere beim Schweißen werden die zu verbindenden Bauteile im Bereich eines Schweißpunktes oder aber einer Schweißnaht fest miteinander verbunden. Hierbei schmilzt das jeweilige Werkstoffgefüge beider Bauteile im Bereich der Schweißnaht kurzzeitig auf und verbindet sich mit dem Werkstoffgefüge des korrespondierenden Bauteils. Unter Umständen ist es notwendig, dass Schweißzusatzwerkstoffe zum Einsatz kommen. Die Schweißverbindung stellt dabei eine auch über Jahrzehnte lang sichere und hochfeste Verbindungsmöglichkeit dar.
Es gibt jedoch Anwendungsfälle oder aber auch Materialien, bei denen eine Schweißverbindung nicht hergestellt werden kann oder aber nur mit hohem Aufwand realisiert werden kann. Ersteren Falls ist es nicht möglich ein Faserverbundwerkstoffbauteil mit einem metallischen Bauteil in einem Schweißvorgang zu koppeln. Hier ist es maßgeblich nur möglich eine Formschlüssige Verbindung oder aber einen Klebevorgang durchzuführen.
Bei Bauteilen, die zwei voneinander verschiedene metallische Werkstoffe oder aber andersartige Legierungen aufweisen, sind diese im Höchstfall bedingt thermisch fügbar. So ist es beispielsweise notwendig bei der Koppelung einer metallischen Legierung mit einer Kupferlegierung einen Lötvorgang durchzuführen und entsprechenden Schweißzusatzwerkstoff hinzuzufügen und ggf. eine Schutzgasatmosphäre zu erzeugen. Der Schweißlötvorgang ist somit höchstaufwendig durchzuführen. Analoge Ausführungen gelten für metallische Legierungen, die mit einem Leichtmetall gekoppelt werden sollen. Ebenfalls gibt es metallische Legierungen, die untereinander nur mit hohem Aufwand schweißbar sind.
Hier ist also ein hoher Produktionsaufwand, insbesondere in der Serienfertigung von Blechbauteilen, besonders für den Automobilbau, zu betreiben, um reproduzierbare und produktionssichere Schweißverbindungen oder aber Schweißlötverbindungen herzustellen.
Aus dem Stand der Technik sind Schweißnietverbindungen bekannt, die eine Kombination aus formschlüssiger und stoffschlüssiger Verbindung an zwei zu verbindenden Bauteilen realisieren. So ist beispielsweise aus der WO 97/15418 ein Verfahren zur Koppelung zweier Bauteile bekannt, bei dem ein Hohlniet in eine Öffnung eines ersten Bauteils eingesetzt wird und anschließend der Grund des Hohlniets mit dem zweiten Bauteil stoffschlüssig durch thermisches Fügen gekoppelt wird. Der Grund des Hohlnietes ist somit mit dem zweiten Bauteil fest verbunden. Der Hohlniet überlappt mit einem Flanschbereich einen Randbereich in dem ersten Bauteil, und verbindet somit das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil durch einen Formschluss. Die bekannte Herstellungsmethode bedarf jedoch einer großen Öffnung in dem ersten Bauteil zur Durchführung des Niets, so dass ein Schweißgerät entsprechend in dem Grundbereich bzw. Öffnungsbereich des Niets vordringen kann. Darüber hinaus erhebt sich der umlaufende Flansch über die Oberfläche des ersten Bauteils, um dieses formschlüssig zu koppeln.
So ist beispielsweise aus der WO 2012/041516 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils durch Nieten und Schweißen sowie eine Schweißnietverbindung bekannt, bei der zunächst ein Schweißniet in ein Bauteil eingepresst wird und sodann der Schweißniet mit einem zweiten Bauteil durch thermisches Fügen gekoppelt wird. Hierdurch ist es möglich, zwei Bauteile, die aus Werkstoffen bestehen, die im Wesentlichen nicht thermisch fügbar sind, derart miteinander zu koppeln, dass sie aneinander liegen und eine feste stoffschlüssige Verbindung über den Schweißniet hergestellt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannte Schweißnietverbindung derart zu verbessern, dass sie für ein breiteres Einsatzspektrum anwendbar ist und gleichzeitig in ihrer Qualität verbessert ist.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Schweißniet zur Koppelung zweier im Wesentlichen nicht thermisch miteinander fügbarer Bauelemente gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin mit einem Schweißniet zur Koppelung zweier im Wesentlichen nicht thermisch miteinander fügbarer Bauelemente gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 2 gelöst.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin mit einer Verbindung zweier Bauelemente gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
Der erfindungsgemäße Schweißniet zur Koppelung zweier im Wesentlichen nicht thermisch miteinander fügbarer Bauelemente kommt derart zum Einsatz, dass der Schweißniet in einem ersten Bauelement vernietet wird und dann mit dem zweiten Bauelement thermisch gefügt wird. Der Schweißniet weist über seine Höhe verlaufend einen Kopfbereich und einen Fußbereich auf, wobei der Schweißniet weiterhin zwischen dem Kopfbereich und dem Fußbereich eine radial umlaufende Nut besitzt. Die Nut selbst bildet einen Hinterschnitt aus, wobei weiterhin im Kopfbereich ein außen umlaufender Steg ausgebildet ist. Der Steg ist gegenüber dem Hinterschnitt vorstehend ausgebildet, wobei der Schweißniet weiterhin im eingenieteten Zustand in dem ersten Bauelement mit einer Oberseite im Wesentlichen plan mit der Oberfläche des ersten Bauelementes abschließt.
Beim Einnietvorgang des Schweißniets in das erste Bauelement verdrängt der umlaufende Steg des Kopfbereichs des Schweißniets das Material des ersten Bauelements derart, dass es in den Hinterschnitt fließt. Hierdurch erfolgt das Vernieten des Schweißniets selber und der formschlüssige Sitz innerhalb des ersten Bauelements wird hergestellt. Überschüssiges Material gelangt zudem in dem Niet benachbarte Bereiche des ersten Bauelements. Der Schweißniet ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterschnitt und der Steg des Kopfbereichs in einem Volumenverhältnis zueinander zwischen 1:1,2 und 1:10, bevorzugt zwischen 1:1,5 und 1:8 und insbesondere zwischen 1:2,0 und 1:4,0 ausgebildet sind und ganz besonders bevorzugt zwischen 1:2,9 und 1:3,1. So ist durch die obere Grenze des Verhältnisses sichergestellt, dass der Hinterschnitt vollständig ausgefüllt ist, während die untere Grenze dafür sorgt, dass das überschüssige verdrängte Material keine kritischen Wellen bzw. Beulen im unmittelbaren oder mittelbaren Umfeld des Nietes an der Oberfläche des ersten Bauelements erzeugt.
Hierdurch ergibt sich beim Einnietvorgang des Schweißniets in das erste Bauelement ein derart formschlüssiger Sitz, dass keine Hohlräume oder dergleichen innerhalb der formschlüssigen Nietverbindung zwischen Schweißniet und erstem Bauelement ausgebildet werden. Es werden erfindungsgemäß nachfolgende Vorteile erreicht. Zum einen wächst die Dauerhaltbarkeit der mit dem erfindungsgemäßen Schweißniet hergestellten Verbindung, da eine Lockerung vermieden wird, die durch Vibrationen oder anderweitige Schwingungen hervorgerufen wird. Im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere möglich, den Schweißniet ferner unter Einbindung eines Klebstoffs oder aber eines Korrosionsschutzmittels in dem ersten Bauelement zu vernieten.
Ein weiterer Vorteil ist, dass es bei dem erfindungsgemäßen Verhältnis von Steg zu Hinterschnitt zu keinerlei Lufteinschlüssen bei einem eingenieteten Schweißniet kommt. Hierdurch wird jegliche Korrosionsanfälligkeit bei und/oder an dem eingenieteten Schweißniet vermieden, wodurch ebenfalls die Dauerhaltbarkeit der Verbindung verbessert wird.
Ein dritter Vorteil ist, dass der erfindungsgemäße Schweißniet in ein breiteres Spektrum auszuwählender Werkstoffe eingenietet werden kann. So kann der Schweißniet insbesondere ein Bauteil aus Leichtmetalllegierungen, bevorzugt aber auch aus metallischen Legierungen, aber auch in Kunststoffe oder Faserverbundwerkstoffe eingenietet werden, wobei aufgrund des erfindungsgemäßen Volumenverhältnisses von Steg zu Hinterschnitt stets einen formschlüssigen Nietsitz herstellt, der besonders unter Dauerhaltbarkeitsaspekten vorteilig ausgebildet ist. Der Niet selbst ist insbesondere aus einer thermisch fügbaren, ganz besonders bevorzugt einer schweißbaren Stahllegierung ausgebildet, insbesondere aus einem S355-Stahl. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, den Schweißniet aus einer Leichtmetalllegierung auszubilden.
Die zuvor genannte Aufgabe wird weiterhin mit einem erfindungsgemäßen Schweißniet gelöst, wobei der Schweißniet zur Kopplung zweier im Wesentlichen nicht thermisch miteinander fügbarer Bauelemente in einem ersten Bauelement vernietet ist und mit dem zweiten Bauelement thermisch gefügt ist, wobei der Schweißniet über seine Höhe verlaufend einen Kopfbereich und einen Fußbereich aufweist und der Schweißniet zwischen Kopfbereich und Fußbereich eine radial umlaufende Nut besitzt, die einen Hinterschnitt ausbildet und im Kopfbereich ein außen umlaufender Kopfnietabschnitt ausgebildet ist, der gegenüber dem Hinterschnitt in Radialrichtung vorsteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterschnitt und der Kopfnietabschnitt in einem Volumenverhältnis zueinander zwischen 1:1,2 und 1:10, bevorzugt zwischen 1:1,5 und 1:8 und insbesondere zwischen 1:2,0 und 1:4,0 ausgebildet sind.
Auch hierdurch ist es möglich, dass der Kopfnietabschnitt beim Einnietvorgang des Schweißniets in das erste Bauelement ein den Kopfnietabschnitt umgebenden Randbereich derart verdrängt, dass er in die Hinterschneidung fließt und somit den Schweißniet formschlüssig innerhalb des ersten Bauelements koppelt. Unter Kopfnietabschnitt ist im Rahmen der Erfindung der Bereich des gegenüber der Hinterschneidung in radialer Richtung vorstehenden Kopfstegs des Schweißniets zu verstehen, der in das erste Bauelement eingenietet wird und nach Abschluss des Nietvorgangs unterhalb der planen Oberflächenebene des ersten Bauelements angeordnet ist. Ein gegebenenfalls überstehender Kopf des Schweißniets ist in dieser Ausführungsvariante nicht Bestandteil des Kopfnietabschnitts.
Weiterhin bevorzugt weist der Schweißniet an einer Unterseite einen Vorsprung auf, wobei der Vorsprung gegenüber der Unterseite überstehend ausgebildet ist. Insbesondere steht der Vorsprung um 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt um 0,3 mm bis 0,5 mm gegenüber der Unterseite vor. Vorzugsweise ist der Vorsprung als gekrümmte Fläche und insbesondere ist der Vorsprung bauchig ausgebildet. Der Vorsprung in Form eins Fortsatzes steht gegenüber sowohl der Unterseite des Schweißniets, als auch der Unterseite des ersten Bauelements über. Hierdurch wird zunächst bei ineinander in Kontakt bringen von erstem Bauelement und zweitem Bauelement ein Abstand erzeugt, wobei der Abstand zwischen den beiden Bauelementen maßgeblich durch die Höhe des Fortsatzes einer Unterseite des Schweißniets bestimmt ist. Der Vorsprung kann dabei während des thermischen Fügeverfahrens aufschmilzen, so dass sich der zunächst durch den im kalten Zustand ergebenden Kontaktabstand ein geringerer Abstand einstellt. Auch kann bei ungleichmäßigem Auftrag eines Klebers, beispielsweise in Form von Kleberaupen, nach der Positionierung und Fixierung von erstem Bauelement auf dem zweiten Bauelement der durch den Fortsatz des Schweißniets entstandene Spalt bei geringer werdendem Abstand besonders gleichmäßig ausgefüllt werden. Der Schweißniet kann ebenfalls durch mechanisches Pressen in das zweite Bauelement mit dem Fortsatz eingedrückt werden.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch vorstellbar, abhängig von dem verwendeten Werkstoff des Schweißniets sowie der Dauer und Intensität des Punktschweißvorgangs, dass der Schweißniet nicht aufschmilzt und im Wesentlichen nach dem Schweißvorgang den gleichen Abstand aufweist, der dem Kontaktabstand im kalten Zustand entspricht. Insbesondere bei einem spitz zulaufenden Vorsprung wird sichergestellt, dass die Spitze des Vorsprungs in das zweite Bauelement zumindest geringfügig derart eindringt, dass ein leitender Kontakt zwischen den zwei Punktschweißelektroden und dem Schweißniet über den Schweißniet und das zweite Bauelement hergestellt ist. Im Falle von Verschmutzungen oder aber auch einer Oberflächenbeschichtung des zweiten Bauelements wird somit immer ein sicherer Schweißkontakt hergestellt, der sich wiederum vorteilig auf die Qualität der herzustellenden Schweißnietverbindung auswirkt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist der Vorsprung als ebene Fläche derart ausgebildet, dass der Vorsprung als Kegelstumpf gegenüber der Unterseite des Schweißniets vorsteht. Bevorzugt ist der Schweißniet im Rahmen der Erfindung rund, insbesondere kreisrund ausgebildet. Folglich ist auch die Unterseite rund, insbesondere kreisrund ausgebildet. Die ebene Fläche des Vorsprungs kann dabei im Rahmen der Erfindung ebenfalls rund, ganz besonders bevorzugt kreisrund als Kegelstumpf innerhalb der Unterseite hervorstehend ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die ebene Fläche des Fortsatzes nicht kreisrund, sondern eckig ausgebildet ist. Eine gegenüber der Unterseite vorstehende Fläche wird insbesondere dann eingesetzt, wenn ein fest einzustellender Abstand zwischen erstem und zweitem Bauelement herzustellen ist. Die gegenüber der Unterseite vorstehende ebene Fläche in Form eines Kegelstumpfs schmilzt selbst bei einem kurzzeitigen hochintensiven Schweißvorgang in zu vernachlässigender Weise auf, sodass der Abstand der zwei Bauelemente nach Abschluss des Schweißvorgangs im Wesentlichen dem Abstand entspricht, mit dem der Fortsatz gegenüber der Unterseite des Schweißniets und insbesondere gegenüber der Unterseite des ersten Bauelements übersteht.
Der gegenüber der Unterseite des Schweißniets überstehende Fortsatz und der damit einzustellende Abstand zwischen erstem Bauelement und zweitem Bauelement wirkt sich insbesondere derart vorteilig aus, dass zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement eine Klebeschicht anordnenbar ist, wobei die Dicke der Klebeschicht über den Abstand der zwei Bauelemente zueinander einstellbar ist. Hierdurch wird zum einen eine hochfeste Schweißnietverbindung, zum anderen eine präzise Klebeverbindung hergestellt, da nicht etwa Kleber zwischen zwei flächig aneinander liegenden Bauteilen herausgedrückt wird, so dass mitunter Flächenbereiche ohne Klebstoff eine nur verminderte oder gar keine Klebewirkung entfalten. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, an Stelle eines Klebstoffs einen Trennmittelfilm oder aber auch einen Dichtstoff zwischen den zwei Bauelementen anzuordnen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante weist der Schweißniet weiterhin an einer Oberseite einen Fortsatz auf, insbesondere ist die Oberseite bauchig ausgebildet, besonders bevorzugt ist der Fortsatz spitz zulaufend ausgebildet. Der erfindungsgemäße Schweißniet ist im in dem ersten Bauelement eingenieteten Zustand derart positioniert, dass die Oberseite im Wesentlichen plan mit dem ersten Bauelement abschließend ausgebildet ist. Bei nicht korrekter Positionierung des Schweißniets unter den Elektroden zum Punktschweißen und/oder bei abgenutzten Elektroden kann es mitunter dazu kommen, dass die Elektroden nicht nur den Schweißniet erfassen, sondern auch den den Schweißniet umrandenden Bereich des ersten Bauelements. Hierdurch kann dieser Bereich aufschmelzen, was zu einer verminderten Festigkeit oder aber zu einer Schwächung der Bauteilstruktur führen kann. Bei einem gegenüber der Oberseite vorstehenden Fortsatz des Schweißniets wird dieses vermieden, indem durch den Fortsatz ausschließlich der Schweißniet mit der Elektrode in Kontakt kommt. Insbesondere ist der Fortsatz derart ausgebildet, dass er während des Schweißvorgangs derart gepresst wird und/oder aufschmilzt, dass anschließend die Bauteiloberfläche des ersten Bauelementes sowie die Oberfläche des Schweißniets eine im Wesentlichen plane Fläche ausbilden.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin vorteilhaft, die Oberseite selbst vollständig gewölbt auszubilden, wobei ebenfalls die Wölbung in Kontakt mit der Elektrode kommt und durch mechanisches Pressen und/oder Aufschmelzen derart verringert wird, dass die Oberseite des Schweißniets mit dem ersten Bauelement zusammen eine plane Fläche ausbildet.
Im Rahmen der Erfindung ist der Schweißniet selbst weiterhin bevorzugt als Fließpressbauteil oder aber auch als spanabhebend bearbeitetes Bauteil ausgebildet. Zur Herstellung des Schweißniets ist es somit möglich, die einzelnen Schweißniete als Fließpressbauteile herzustellen. Hierdurch ergeben sich insbesondere sehr günstige Produktionskosten und gute Freiheitsgrade bei der geometrischen Gestaltung des Bauteils selber. Ist der Schweißniet hingegen als Fräsbauteil ausgebildet, ergeben sich ferner verbesserte Formgebungsfreiheitsgrade bei der Gestaltung des Schweißniets selber. Im Rahmen der Erfindung kann der Schweißniet auch als Bauteil ausgebildet sein, dass eine Mischform der zuvor genannten Herstellungsverfahren vereint, sodass der Schweißniet zunächst als Fliespressbauteil hergestellt ist und anschließend spanabhebend weiterbearbeitet ist. Insbesondere bei einem Schweißniet aus einem Stahlwerkstoff können hohe Stückzahlen bei günstigen Produktionskosten hergestellt werden.
Im Rahmen der Erfindung sind weiterhin an den jeweiligen Übergängen zwischen dem Kopfbereich, der Nut und dem Fußbereich abgerundete Kanten an dem Schweißniet selber ausgebildet. Zum einen ist es möglich, den Schweißniet in ein vorgestanztes Nietloch besonders einfach einzuführen. Durch die abgerundeten Kanten kommt es nicht zu einem Verkanten des Schweißniets bei dem Einführen in das Nietloch und/oder zu einem ungewollten Abbiegen des das Nietloch umgebenden Randbereichs, so dass ein formschlüssiger Sitz mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt wird. Ein weiterer Vorteil der abgerundeten Kanten ist der, dass beim Nietvorgang und/oder beim Schweißvorgang das Material aufgrund des weichen Kantenüberganges in eventuell vorhandene Hohlräume fließen kann und nicht durch eine scharfe Kante und/oder einen scharfen Kantenbereich an einem Fließen während des Pressvorgangs und/oder Schweißvorgangs gehindert wird. Hierdurch werden Lufteinschlüsse zwischen Schweißniet und erstem Bauelement vollständig vermieden, was insbesondere auftretende Korrosion unterbindet und die Dauerhaltbarkeit der hergestellten Verbindung steigert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante weist die Unterseite und/oder der Fortsatz selber eine unebene Oberflächengeometrie auf, insbesondere eine mit Spitzen und/oder Zacken versehene Oberflächengeometrie. Hierdurch ist es wiederum möglich, dass die in Kontakt zu bringende Oberfläche mit dem zweiten Bauelement eine korrekte Durchleitung des Schweißstroms herstellt, so dass es nicht zu einer fehlerhaften Schweißverbindung bei der Kopplung von Schweißniet mit zweitem Bauelement kommt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist an dem Fortsatz an der Unterseite ein zusätzlicher Schweißfortsatz angeordnet, wobei der Schweißfortsatz selbst insbesondere als Kegelstumpf in dem Fortsatz angeordnet ist. Der Schweißfortsatz kommt zunächst bei einem Aneinanderbringen bzw. Zueinanderausrichten von erstem Bauelement zu zweitem Bauelement in Kontakt mit der Oberfläche des zweiten Bauelements. In einem folgenden Schweißvorgang, insbesondere in einem Punktschweißvorgang durch zwei Kontaktelektroden wird der Schweißfortsatz thermisch gepresst und schmilzt auf, so dass ausschließlich der Fortsatz zur Anlage an der Oberfläche des zweiten Bauelements kommt. Hierdurch wird sichergestellt, dass zum einen durch den Schweißfortsatz ein Kontakt zwischen Schweißniet und zweitem Bauelement hergestellt ist und zum anderen durch den aufschmelzenden Materialfluss des Schweißfortsatzes zwischen dem Fortsatz und dem zweiten Bauelement der Fortsatz selbst im Wesentlichen seine Höhe beibehält.
Die zuvor genannte Aufgabe wird weiterhin mit einer Verbindung zweier Bauelemente, wobei die Bauelemente aus voneinander im Wesentlichen nicht thermisch fügbaren Werkstoffen ausgebildet sind, dadurch gelöst, dass die Bauelemente unter Eingliederung eines Schweißniets der mindestens eines der zuvor genannten Merkmale aufweist, miteinander gekoppelt sind.
Im Rahmen der Erfindung zeichnet sich die Erfindung insbesondere dadurch aus, dass zwischen den zwei Bauelementen durch den Fortsatz an der Unterseite des Schweißniets ein Spalt ausgebildet ist. Der Spalt selbst entspricht dabei im Wesentlichen dem Abstand bzw. der Höhe, mit der der Fortsatz gegenüber der Unterseite des Schweißniets überstehend ausgebildet ist.
Weiterhin zeichnet sich die Verbindung dadurch aus, dass zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement in dem Spalt ein Klebstoff angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, die zwei Bauelemente mit einem exakt zueinander zu bestimmbaren Spaltmaß zueinander zu fixieren, wobei zwischen den zwei Bauelementen ein entsprechender Klebstofffilm mit voreingestellter Dicke hergestellt ist. Der Klebstofffilm kann dann durch die stoffschlüssige Fixierung des Schweißvorgangs derart relativ zueinander positioniert werden, dass der Klebefilm austrocknen kann, ohne dass die Bauelemente sich relativ zueinander bewegen. Hierdurch lässt sich eine zusätzliche Klebeverbindung mit hoher Reproduzierbarkeit herstellen. Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung zwischen den zwei Bauelementen ein Dichtstoff angeordnet werden. Im Rahmen der Erfindung wird hierdurch verhindert, dass Feuchtigkeit oder aber auch andere Medien, beispielsweise auch Umgebungsluft zwischen die zwei Bauteile gerät. Hierdurch wird insbesondere eine Korrosion innerhalb eines so hergestellten Hybridbauteils vermieden. Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, dass zwischen den beiden Bauelementen ein Füllstoff angeordnet wird. Beispielsweise kann es sich bei einem Füllstoff auch um einen Schaum, insbesondere auch einen Hartschaum oder ein sonstiges Füllmaterial handeln. Hierdurch wird der Zwischenraum zwischen den zwei Bauteilen fest ausgebildet, so dass hier keine elastische Deformation entsteht. Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, zwischen den zwei Bauelementen einen Trennmittelfilm anzuordnen, so dass die Bauteile durch den Trennmittelfilm nicht zusätzlich miteinander gekoppelt werden, sondern ausschließlich durch die Schweißnietverbindung.
Weiterhin ist, wie bereits zuvor bei dem Schweißniet beschrieben, die Verbindung dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißfortsatz aufgeschmolzen ist und/oder in das zweite Bauelement mechanisch eingedrückt ist, wobei der Fortsatz der Unterseite des Schweißniets an der Oberfläche des zweiten Bauelements zur Anlage kommend ausgebildet ist.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1a einen erfindungsgemäßen Schweißniet in einer Seitenansicht in bis c verschiedenen Ausführungsvarianten;
2 eine erfindungsgemäße Verbindung in einer Seitenansicht;
3 einen Querschnitt durch den Schweißniet aus 2;
4a) bis d) verschiedene Schweißniete in Querschnittsansicht und
5a) und b) eine Elektrode im Kontakt mit einem Schweißniet.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1a zeigt einen erfindungsgemäßen Schweißniet 1, der einen Kopfbereich 2 sowie einen Fußbereich 3 aufweist, wobei sich zwischen dem Kopfbereich 2 und dem Fußbereich 3 eine umlaufende radiale Nut 4 befindet. Der erfindungsgemäße Schweißniet 1 weist an dem Kopfbereich 2 ein gegenüber dem Fußbereich 3 überstehenden Steg 5 auf, so dass bei Einpressen des Schweißniets 1 bzw. Einnieten des Schweißniets 1 in ein erstes Bauelement 12 durch den Steg 5 Material verdrängt wird. Die umlaufende Nut 4 bildet gegenüber dem Steg 5 einen Hinterschnitt 6, wobei auf die rechte Bildebene bezogen von 1 erfindungsgemäß der Steg 5 und der Hinterschnitt 6 in einem Volumenverhältnis voneinander innerhalb der erfindungsgemäß angebundenen Grenzen ausgebildet ist.
Der Steg 5 ist somit bevorzugt um das 1,5-fache bis 10-fache größer als der Hinterschnitt 6, so dass sichergestellt ist, dass beim Einpressen ausreichend Material des ersten Bauelements 12 in den Hinterschnitt 6 fließt und somit ein sicherer formschlüssiger Sitz von Schweißniet 1 zu erstem Bauelement 12 hergestellt wird. Ferner weist der Schweißniet 1 eine Oberseite 7 auf, wobei hier dargestellt, ein spitz zulaufender Fortsatz 8 gegenüber der Oberseite 7 übersteht. Ferner weist der erfindungsgemäße Schweißniet 1 eine Unterseite 9 auf, an der ebenfalls gegenüber der Unterseite 9 ein Vorsprung 10 überstehend ausgebildet ist. Der Vorsprung 10 an der Unterseite 9 ist hier dargestellt als spitz zulaufender Fortsatz ausgebildet, wobei der Vorsprung 10 auch, die wie in der nachfolgenden Beschreibung dargestellt, gewölbt oder aber auch als Kegelstumpf ausgebildet sein kann.
1b zeigt den erfindungsgemäßen Schweißniet 1 gemäß 1a, wobei hier ein Kopfbereich 2 derart ausgebildet ist, dass er mit einem Abstand c gegenüber einer nicht näher dargestellten Oberfläche eines ersten Bauelements überstehend ausgebildet ist. Wiederum weist der Schweißniet 1 einen Kopfbereich 2 sowie einen Fußbereich 3 auf, wobei sich zwischen Kopfbereich 2 und Fußbereich 3 eine radial umlaufende Nut 4 erstreckt. Die Nut 4 bildet dabei einen Hinterschnitt 6 aus, wobei gegenüber dem Hinterschnitt 6 ein Kopfnietabschnitt 5a überstehend ausgebildet ist. Der Kopfnietabschnitt 5a ist somit der Teil des Kopfvolumens des erfindungsgemäßen Schweißniets 1, der in das erste Bauelement während des Nietvorgangs eindringt und Material des ersten Bauelements in den Bereich der Hinterschneidung drückt. Ferner dargestellt ist, dass der Schweißniet 1 ebenfalls wiederum gegenüber einer Oberseite 7 einen gewölbt ausgebildeten Fortsatz 8 aufweist, der zu entsprechender besserer Kontaktmöglichkeit mit erfindungsgemäßen Elektroden bei einem Schweißvorgang führt.
Ferner dargestellt ist in 1c ein erfindungsgemäßer Schweißniet 1 analog zu der Ausführungsvariante 1b, mit dem Unterschied, dass an dem Kopfnietabschnitt 5a radial umlaufend eine Kante 19a an dem Kopfabschnitt ausgebildet ist. Auch hier ist wiederum der Bereich des Kopfnietabschnitts 5a derart ausgebildet, dass dieser Volumenbereich vollständig gegenüber einer nicht näher dargestellten Oberfläche eines ersten Bauelements versenkt angeordnet wird, wobei der Kopfabschnitt mit der Höhe c gegenüber der Oberfläche des nicht näher dargestellten ersten Bauelements überstehend ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist auch hier der Kopfnietabschnitt 5a zu dem Hinterschnitt 6 in den erfindungsgemäßen Volumenverhältnissen ausgebildet, so dass es zu einer optimalen Nietverbindung kommt.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Verbindung zwischen einem ersten Bauelement 12 und einem zweiten Bauelement 13, unter Eingliederung eines erfindungsgemäßen Schweißniets 1. Der Schweißniet 1 weist dazu einen Vorsprung 10 in Form eines Kegelstumpfes auf, wobei der Vorsprung 10 gegenüber einer Unterseite 9 des Schweißnietes 1 in einem Abstand a überstehend ausgebildet ist. Der Abstand a ist zugleich die Höhe des Vorsprungs 10, so dass zwischen den zwei Bauelementen 12, 13 ein Spalt 14 ausgebildet wird, der im Wesentlichen der Höhe h des Fortsatzes 10 an der Unterseite 9 des Schweißniets 1 entspricht. Innerhalb des Spaltes 14 selbst ist Klebstoff 15 angeordnet, der zu einer erhöhten Festigkeit der erfindungsgemäßen Verbindung 11 führt. Ebenfalls dargestellt ist, dass die Oberseite 7 des Schweißniets 1 mit einer Oberfläche 16 des ersten Bauelements 12 im Wesentlichen plan abschließt. Ferner liegt die Fläche 17 des Vorsprungs 10 formschlüssig an der Oberfläche 18 des zweiten Bauelementes 13 an, wobei der Schweißniet 1 und das zweite Bauelement 13 durch thermisches Fügen miteinander stoffschlüssig gekoppelt sind.
Ferner zeigt 3 einen Querschnitt durch 2 entlang der Schnittlinie III-III. Dargestellt sind verschiedene Durchmesser, wobei der Durchmesser D7 der Oberseite 7 bevorzugt in einem Bereich zwischen 8 mm und 18 mm, insbesondere zwischen 9 mm und 15 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 10 mm und 12 mm liegt. Der Durchmesser D10 des Vorsprungs 10 an der Unterseite 9 weist bevorzugt eine Größe zwischen 4 mm und 11 mm, insbesondere zwischen 5 mm und 7 mm und ganz besonders bevorzugt von in etwa 6 mm auf. Der Durchmesser D9 der Unterseite 9 selbst weist bevorzugt eine Größe zwischen 6 mm und 15 mm, insbesondere zwischen 7 mm und 9 mm und ganz besonders bevorzugt von in etwa 8 mm auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist der Durchmesser D9 in Relation zu dem Durchmesser D10 zwischen 1 mm und 6 mm größer ausgebildet.
Weiterhin besonders bevorzugt sind am Kopfbereich 2 und am Fußbereich 3 jeweils eine außen umlaufende Kante 19, 20 ausgebildet, wobei die Kante 19 des Kopfbereichs 2 besonders bevorzugt eine Höhe zwischen 1,15 mm und 1,5 mm, ganz besonders bevorzugt zwischen 1,2 mm und 0,25 mm aufweist. Die Kante 20 im Fußbereich 3 weist weiterhin bevorzugt eine Größe zwischen 0,25 mm und 1 mm, insbesondere zwischen 0,25 mm und 0,35 mm auf.
4a bis d zeigen verschiedene Querschnittsgeometrien des erfindungsgemäßen Schweißniets 1. Der Schweißniet 1 gemäß 4a und 4b weist einen gegenüber einer Unterseite 9 kegelstumpfförmig vorstehenden Vorsprung 10 auf, wobei der Fortsatz 10 gemäß 4a bevorzugt eine Höhe h zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, insbesondere zwischen 0,2 mm und 0,5 mm und ganz besonders bevorzugt von 0,3 mm aufweist. Der Fortsatz gemäß 4b steht insbesondere mit einer Höhe h von 0,2 mm zu 0,4 mm, ganz besonders bevorzugt von 0,25 mm bis 0,35 mm und ganz besonders bevorzugt von 0,3 mm über. Hierdurch wird bei einem erfindungsgemäß eingenieteten Schweißniet 1 der Spalt zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement durch die Höhe h des Vorsprungs 10 an der Unterseite 9 bestimmt. Er schmilzt nicht beim Punktschweißen auf, so dass sich der Vorsprung 10 nur in zu vernachlässigender Weise verringert. Ferner dargestellt in 4b sind an einem jeweiligen Übergang von Kopfbereich 2 zur Nut 4 und von Nut 4 zu Fußbereich 3 abgerundete Kanten 22.
In 4c und 4d dargestellt sind Vorsprünge 8, 10, die im Falle von 4c bauchig ausgebildet sind und gegenüber einer Unterseite 9 entsprechend bauchig überstehen und im Falle von 4d ist der Fortsatz spitz zulaufend gegenüber einer Unterseite 9 überstehend ausgebildet. Auch hier ergibt sich wiederum eine Höhe h, mit der der höchste Punkt des jeweiligen Vorsprungs 10 gegenüber der Unterseite 9 des erfindungsgemäßen Schweißniets 1 vorstehend ausgebildet ist, wobei bei dem Schweißvorgang gemäß 4c der Fortsatz nur gering aufschmilzt und bei der Variante gemäß 4d der Fortsatz um circa 0,2 mm bis 0,3 mm aufschmilzt und/oder in die Oberfläche 18 des zweiten Bauelements 13 eingedrückt wird. Insbesondere weist der Fortsatz gemäß 4d eine Höhe h gegenüber der Unterseite 9 zwischen 0,4 mm und 0,6 mm, insbesondere zwischen 0,45 mm und 0,5 mm und ganz besonders bevorzugt von 0,5 mm auf, wobei durch den Schweißvorgang die Höhe auf ein Maß zwischen 0,2 mm bis 0,3 mm zusammenschmilzt.
In 5a und b sind anschaulich dargestellt die Vorteile von einer in 4a gegenüber einer Oberseite 7 abstehenden Oberfläche zu 4d einer geraden Oberfläche des erfindungsgemäßen Schweißniets 1. So wird eine Elektrode 21 zum Punktschweißen an die Oberseite 7 des erfindungsgemäßen Schweißniets 1 angesetzt, wobei im Falle von 4a sich zwischen Oberfläche 16 des ersten Bauelements 12 und Elektrode 21 ein größerer Abstand b ergibt, als es bei 5b der Fall ist. Bei 5b weist der Abstand b ein kritischeres Maß derart auf, dass Schweißströme von der Elektrode 21 nicht bis an die Oberfläche 16 des zweiten Bauelements fließen könnten, was durch die Krümmung des Fortsatzes gemäß 4a vermieden wird. Ein Aufschmelzen der Randbereiche des Schweißniets wird hierdurch vermieden.
Ferner ergibt sich durch die stärkere Wölbung, ausgehend von einer Mittellängsachse ein jeweils um die Exzentrizität e bzw. f radial nach außen verlagerter Kontaktpunkt 23 zwischen Elektrode 21 und Schweißniet 1. Im Falle von 5a liegt die Exzentrizität e in einem tolerierbaren Maß, so dass es nicht zu einem gefährlich nahen Abstand d von Mittellängsache 24 der Elektrode 21 zu dem Randbereich des Schweißniets 1 kommt, wobei in 5b hier ein kritischer Abstand dk zwischen Mittellängsachse 24 der Elektrode 21 sowie Randbereich des Schweißniets 1 gezeigt ist.
Bezugszeichenliste

1: Schweißniet
2: Kopfbereich
3: Fußbereich
4: Nut
5: Steg
5a: Kopfnietabschnitt
6: Hinterschnitt
7: Oberseite
8: Fortsatz zu 7
9: Unterseite
10: Vorsprung
11: Verbindung
12: erstes Bauelement
13: zweites Bauelement
14: Spalt
15: Klebstoff
16: Oberfläche zu 12
17: Fläche zu 9
18: Oberfläche zu 13
19: Kante zu 2
19a: Kante
20: Kante zu 3
21: Elektrode
22: Mittellängsachse zu 1
23: Kontaktpunkt
24: Mittellängsachse zu 21
a: Abstand
b: Abstand
D: Abstand
DK: Abstand
d: Abstand
dk: Abstand
c: Abstand
h: Höhe zu 9
e: Exzentrizität
f: Exzentrizität
D7: Durchmesser zu 7
D9: Durchmesser zu 9
D10: Durchmesser zu 10

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 97/15418 [0010]
WO 2012/041516 A1 [0011]

Claims

Schweißniet (1) zur Koppelung zweier im Wesentlichen nicht thermisch miteinander fügbarer Bauelemente (12, 13), wobei der Schweißniet (1) in einem ersten Bauelement (12) vernietet ist und mit dem zweiten Bauelement (13) thermisch gefügt ist und der Schweißniet (1) über seine Höhe verlaufend einen Kopfbereich (2) und einen Fußbereich (3) aufweist, wobei der Schweißniet (1) zwischen Kopfbereich (2) und Fußbereich (3) eine radial umlaufende Nut (4) besitzt, die einen Hinterschnitt (6) ausbildet und im Kopfbereich (2) ein außen umlaufender Steg (5) ausgebildet ist, der gegenüber dem Hinterschnitt (6) vorsteht und der Schweißniet (1) im eingenieteten Zustand in dem ersten Bauelement (12) mit einer Oberseite (7) im Wesentlichen plan mit der Oberfläche (16) des ersten Bauelementes (12) abschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterschnitt (6) und der Steg (5) in einem Volumenverhältnis zueinander zwischen 1 zu 1,5 und 1 zu 10, bevorzugt zwischen 1 zu 1,2 und 1 zu 8 und insbesondere zwischen 1 zu 2,0 und 1 zu 4,0 ausgebildet sind.
Schweißniet (1) zur Koppelung zweier im Wesentlichen nicht thermisch miteinander fügbarer Bauelemente (12, 13), wobei der Schweißniet (1) in einem ersten Bauelement (12) vernietet ist und mit dem zweiten Bauelement (13) thermisch gefügt ist und der Schweißniet (1) über seine Höhe verlaufend einen Kopfbereich (2) und einen Fußbereich (3) aufweist, wobei der Schweißniet (1) zwischen Kopfbereich (2) und Fußbereich (3) eine radial umlaufende Nut (4) besitzt, die einen Hinterschnitt (6) ausbildet und im Kopfbereich (2) ein außen umlaufender Kopfnietabschnitt (5a) ausgebildet ist, der gegenüber dem Hinterschnitt (6) vorsteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterschnitt (6) und der Kopfnietabschnitt (5a) in einem Volumenverhältnis zueinander zwischen 1 zu 1,2 und 1 zu 10, bevorzugt zwischen 1 zu 1,5 und 1 zu 8 und insbesondere zwischen 1 zu 2,0 und 1 zu 4,0 ausgebildet sind.
Schweißniet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißniet (1) an einer Unterseite (9) einen Vorsprung (10) aufweist, wobei der Vorsprung (10) gegenüber der Unterseite (9) übersteht, insbesondere um 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt um 0,3 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise ist der Vorsprung (10) spitz zulaufend ausgebildet, insbesondere ist der Vorsprung (10) als gekrümmte Fläche ausgebildet.
Schweißniet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (10) als ebene Fläche (17) ausgebildet ist, wobei die Fläche (17) als Kegelstumpf gegenüber der Unterseite (9) vorsteht.
Schweißniet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (7) einen Fortsatz (8) aufweist, insbesondere ist die Oberseite (7) bauchig ausgebildet, besonders bevorzugt ist der Fortsatz (8) gewölbt ausgebildet.
Schweißniet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißniet (1) als Fließpressbauteil oder als spanabhebend bearbeitetes Bauteil ausgebildet ist, insbesondere als Drehteil oder Frästeil.
Schweißniet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem jeweiligen Übergang zwischen dem Kopfbereich (2), der Nut (4) und dem Fußbereich (3) abgerundete Kanten (19, 20) ausgebildet sind.
Schweißniet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (9) und/oder der Fortsatz (10) eine unebene Oberflächengeometrie aufweisen, insbesondere eine mit Spitzen versehene Oberflächengeometrie.
Schweißniet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz (10) an der Unterseite (9) einen Schweißfortsatz aufweist, wobei der Schweißfortsatz insbesondere als Kegelstumpf in dem Fortsatz (10) angeordnet ist.
Verbindung zweier Bauelemente (12, 13), wobei die Bauelemente (12, 13) aus voneinander im Wesentlichen nicht thermisch fügbarer Werkstoffe ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente (12, 13) unter Eingliederung eines Schweißniets (1) nach mindestens Patentanspruch 1 miteinander gekoppelt sind.
Verbindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei Bauelementen (12, 13) durch den Fortsatz (10) an der Unterseite (9) des Schweißnietes (1) ein Spalt (14) ausgebildet ist.
Verbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Spalt (14) ein Klebstoff (15) und/oder Füllstoff und/oder Trennmittel angeordnet ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißfortsatz aufgeschmolzen ist und/oder in das zweite Bauelement (13) eingedrückt ist, wobei der Fortsatz (10) der Unterseite (9) an einer Oberfläche (18) des zweiten Bauelementes (13) zur Anlage kommt.