DE102014007603B4

DE102014007603B4 - Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen blechartigen Werkstücken und hierbei verwendbares Verschlusselement

Info

Publication number: DE102014007603B4
Application number: DE102014007603.2A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Wittenberg; Olaf von Sawitzky; Tobias Urban
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2034-05-22
Also published as: DE102014007603A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei blechartigen Werkstücken (110, 120), umfassend: – Bereitstellen eines ersten Werkstücks (110), das an der Fügestelle einen Durchbruch (115) aufweist; – Verschließen des Durchbruchs (115) mit einem tellerartigen lochfreien Verschlusselement (200), wobei das Verschlusselement (200) hierzu mit dem ersten Werkstück (110) verschweißt wird; – Anlegen wenigstens eines zweiten Werkstücks (120); – Fügen der Werkstücke (110, 120) mit Hilfe eines Fügeelements (300), wobei das Fügeelement (300) hierzu an der Fügestelle das zweite Werkstück (120) durchdringend direkt kraft- und formschlüssig mit dem am ersten Werkstück (110) befestigten lochfreien Verschlusselement (200) verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei blechartigen Werkstücken.
Die Erfindung betrifft ferner ein tellerartiges Verschlusselement zum Verschließen eines Durchbruchs bzw. einer Werkstückbohrung in einem Blechwerkstück.
In der DE 198 20 393 A1 wird ein eine Anordnung zur Verbindung eines Leichtmetallbauteils mit einem Stahlbauteil durch eine Schweißverbindung unter. Zuhilfenahme eines sich teilweise zwischen diesen beiden erstreckenden Zusatzteils, das mit einem der beiden Bauteile verschweißt und an dem anderen der beiden Bauteile über geeignete Verbindungsmittel befestigt ist. Das Zusatzteil besteht aus Leichtmetall. Eine Anordnung kann dadurch hergestellt werden, dass zuerst das Stahlbauteil und das Zusatzteil durch Vernieten, Verkleben, Verschrauben und/oder Verclinchen miteinander verbunden werden und anschließend das Leichtmetallbauteil mit dem Zusatzteil verschweißt wird.
Die DE 10 2007 029 165 A1 offenbart ein Befestigungselement zum Buckelwiderstandsschweißen an eine Platte. Das Befestigungselement umfasst eine Basis mit einem damit einstückigen befestigenden Element, wie zum Beispiel einem Gewindebolzen oder einer Mutter. Mehrere mit der Basis einstückig gebildete Buckel erstrecken sich davon, um mit der Platte in Eingriff zu gelangen, um durch elektrisches Widerstandsschweißen an die Platte angeschweißt zu werden.
In der DE 10 2010 020 569 A1 wird ein Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauelementen beschrieben, bei dem das erste Bauelement an der Fügestelle einen Durchbruch aufweist, in dem formschlüssig ein Fügehilfsmittel eingebracht ist, wobei das Fügehilfsmittel so ausgelegt ist, dass es sich zum thermischen Fügen mit dem zweiten Bauelement eignet. Das vorbekannte Verfahren ermöglicht ein verbessertes thermisches Fügen von Bauelementen mit unterschiedlichen und/oder schlecht leitenden Materialien.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren eingangs genannter Art anzugeben, das wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist und das sich insbesondere auch zum Fügen von Werkstücken, die aus nicht oder nur schwer fügbaren Materialien bzw. Werkstoffe gebildet sind, eignet.
Dies gelingt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein tellerartiges Verschlusselement (Buckelschweißelement) zum Verschließen einer Werkstückbohrung in einem Blechwerkstück, insbesondere bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei blechartigen Werkstücken umfasst zumindest folgende Schritte:

– Bereitstellen eines ersten Werkstücks, das an der Fügestelle einen Durchbruch (bzw. eine Bohrung oder Lochung) aufweist;
– Verschließen bzw. Abdecken des Durchbruchs im ersten Werkstück mit einem tellerartigen lochfreien Verschlusselement, welches hierzu (an der Fügestelle) mit dem ersten Werkstück verschweißt wird;
– Anlegen bzw. in Anlage bringen wenigstens eines zweiten Werkstücks;
– Fügen der Werkstücke mit Hilfe eines Fügeelements, welches hierzu an der Fügestelle das zweite Werkstück durchdringend direkt kraft- und formschlüssig (nicht stoffschlüssig) mit dem am ersten Werkstück befestigten bzw. mit dem mit dem ersten Werkstück verschweißten lochfreien Verschlusselement verbunden wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an der Fügestelle über das Verschlusselement und das Fügeelement eine mittelbare Verbindung zwischen den Werkstücken hergestellt bzw. erzeugt. Das Verschlusselement kann insofern auch als Adapterteil bezeichnet werden. Zwischen dem Fügeelement und dem den Durchbruch im ersten Werkstück verschließenden bzw. abdeckenden Verschlusselement kommt es zu einer mechanischen Verbindung. Der direkte Fügepartner des Fügeelements ist das den Durchbruch bzw. die Bohrung im ersten Werkstück verschließende bzw. abdeckende Verschlusselement. Somit können auch Werkstücke bzw. Bauteile gefügt werden, die aus nicht oder nur schwer fügbaren Materialien bzw. Werkstoffen gebildet sind. Das erste Werkstück kann aus einem höherfesten und insbesondere pressgehärteten Stahlblechmaterial gebildet sein, wobei das als direkter Fügepartner fungierende Verschlusselement aus einem weicheren Material (insbesondere Stahlmaterial) gebildet ist. Zudem ergibt sich eine weitgehende Unabhängigkeit von der Wandstärke des ersten Werkstücks. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch zur Herstellung eines Sandwichbauteils verwendet werden.
Die Verbindung zwischen dem Fügeelement und dem Verschlusselement erfolgt direkt, d. h. ohne weiteres Einbringen eines Vorlochs oder dergleichen in das Verschlusselement. Ein bestimmter Fügeelementtyp ist für verschiedene Anwendungsfälle nutzbar, insbesondere dann, wenn dieser immer mit dem selben Verschlusselement verbunden wird. Beim Setzen des Fügeelements ist, je nach Wahl des Fügeelements, eine einseitige Zugänglichkeit ausreichend. Die Werkstücke können ergänzend auch miteinander verklebt werden.
Bei dem Fügeelement handelt es sich bevorzugt um einen selbststanzenden Niet oder um eine loch- und gewindeformende Schraube (insbesondere eine fließlochformende bzw. FDS-Schraube), womit eine direkte (d. h. vorlochfreie) kraft- und formschlüssige Verbindung mit dem lochfreien Verschlusselement erzeugt wird. Bevorzugt weist der Niet oder die Schraube einen Kopf auf, mit dem das wenigstens eine zweite Werkstück an der Fügestelle gegen das erste Werkstück geklemmt wird.
Das zweite Werkstück kann an der Fügestelle ein Vorloch aufweisen oder auch ohne Vorloch bzw. vorlochfrei ausgebildet sein, so dass dieses beim Setzen des Fügeelements von diesem direkt durchlocht wird. Letzteres kann im Hinblick auf einen geringeren Ausrichtungsaufwand vorteilig sein.
Bevorzugt wird das Verschlusselement mittels Buckelschweißen am ersten Werkstück befestigt. Das Verschlusselement weist bevorzugt einen umlaufenden Rand mit daran ausgebildeten Schweißbuckeln auf, die mit dem Randbereich des Durchbruchs verschweißt werden. Das Verschweißen kann durch Lichtbogenzündung oder Widerstandserwärmung erfolgen.
Ein erfindungsgemäßes Verschlusselement zum Verschließen einer Werkstückbohrung bzw. eines Durchbruchs in einem Blechwerkstück weist ein kreisförmiges, geschlossenes Mittestück bzw. Innenteil auf, das von einem umlaufenden Rand umgeben ist, an dem mehrere noppenartige Schweißbuckel (Schweißwarzen) angeordnet bzw. ausgebildet sind. Aufgrund seiner Form kann ein erfindungsgemäßes Verschlusselement auch als tellerförmiges bzw. tellerartiges Verschlusselement bezeichnet werden. Anstelle einzelner Schweißnoppen kann ein umlaufender Buckelschweißring vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß weist das Verschlusselement an seiner von den Schweißbuckeln abgewandeten Seite auch einen das Mittelstück umlaufenden Kragen auf, der der Versteifung dient und der insbesondere auch eine Schutzfunktion erfüllen kann.
Das Verschlusselement ist vorzugsweise aus einem Stahlmaterial gebildet. Insbesondere handelt es sich um ein Gussteil (bspw. Spritzgussteil), Drehteil oder Umformteil. Das Verschlusselement kann, zumindest partiell, vergütet und/oder beschichtet sein.
Der Außendurchmesser eines erfindungsgemäßen Verschlusselements beträgt bevorzugt weniger als 40 mm, besonders bevorzugt weniger als 30 mm und insbesondere weniger als 20 mm und insbesondere bevorzugt weniger als 15 mm. Der Durchmesser des Mittelstücks richtet sich nach der Größe der zu verschließenden Werkstückbohrung bzw. des zu verschließenden Durchbruchs und kann bspw. in einem Bereich von 5 mm bis 15 mm und insbesondere von 8 mm bis 12 mm liegen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden beispielhaften und nicht einschränkenden Erläuterungen in Bezug auf die Figuren. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verschlusselement in einer Schnittansicht.
2 zeigt ausschnittsweise in einer Schnittansicht das mit einem ersten Werkstück verschweißte Verschlusselement aus 1.
3 zeigt ausschnittsweise in einer Schnittansicht einen mit dem ersten Werkstück aus 2 hergestellten Werkstückverbund.
1 zeigt ein rotationssymmetrisch ausgebildetes Verschlusselement bzw. Verschlussstück 200. Die Rotations- bzw. Hauptachse (dies entspricht auch der Fügeachse) ist mit L bezeichnet. Das tellerartige bzw. tellerförmige Verschlusselement 200 weist ein kreisförmiges, ebenes und flächig geschlossenes Mittelstück bzw. Innenteil 210 auf, das von einem umlaufenden Rand 220 umgeben ist. Zwischen dem Mittelstück 210 und dem umlaufenden Rand 220 ist ein axialer Absatz 230 angeordnet. Entlang des Rands 220 sind mehrere in axialer Richtung weisende noppenartige Schweißbuckel 240 ausgebildet. An der von den Schweißbuckeln 240 abgewandeten Seite weist das Verschlusselement 200 außerdem einen das Mittelstück 210 umlaufenden Kragen 250 auf. Das Verschlusselement 200 ist aus einem Stahlwerkstoff gebildet. Das Verschlusselement 200 weist eine im Wesentlichen gleichmäßige Wandstärke auf und ist frei von Materialanhäufungen. Die Gestaltungsmerkmale bedingen eine steife und verwindungsarme Charakteristik.
2 zeigt ein erstes Bauteil bzw. Blechwerkstück 110, das an der dargestellten Fügestelle einen kreisförmigen Durchbruch (bzw. eine Werkstückbohrung) 115 aufweist, der in einem vorausgehenden Arbeitsschritt (bspw. durch Stanzen, Lasern oder dergleichen) in das Werkstück 110 eingebracht wurde. Beispielhaft handelt es sich bei dem Werkstück 110 um ein pressgehärtetes Blechwerkstück. Das in 1 gezeigte Verschlusselement 200 ist gemäß Darstellung von unten in den Durchbruch 115 eingesetzt und durch Buckelverschweißung mit dem ersten Werkstück 110 stoffschlüssig verbunden, derart, dass die Schweißbuckel 240 am Rand 220 des Verschlusselements 200 mit dem den Durchbruch 115 umgebenden Randbereich am ersten Werkstück 110 verschweißt sind, wie mit den dargestellten Schweißlinsen veranschaulicht. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten zum Buckelschweißen bekannt. Bevorzugt sind am Rand 220 des Verschlusselements 200 drei insbesondere gleichmäßig beabstandete Schweißbuckel bzw. Schweißwarzen vorgesehen, die beim Buckelschweißen ein verkippungsfreies Anlegen des Verschlusselements 200 an den Randabschnitt des Durchbruchs 115 im ersten Werkstück 110 ermöglichen.
Die Höhe des Absatzes 230 am Verschlusselement 200 richtet sich bevorzugt nach der Dicke des ersten Werkstücks 110 und ist insbesondere so bemessen, dass sich an der Anlageseite für das zweite Werkstück (dies ist gemäß Darstellung die obere Seite) ein flächenbündiger Übergang bzw. ein stufenfreies Anlageniveau ergibt. Der Durchmesser des Absatzes 230 richtet sich nach dem Durchmesser des Durchbruchs 115, der bspw. in einem Bereich von 8 mm bis 12 mm liegt, um einen formschlüssigen Eingriff des Verschlusselements 200 in den Durchbruch 115 ohne radiales Spiel oder mit nur geringem radialen Spiel zu ermöglichen. Der Durchbruch 115 im ersten Werkstück 110 kann im Übrigen auch eine von einer Kreisform abweichende Gestalt aufweisen, an die das Verschlusselement 200 entsprechend angepasst ist.
Nachdem der Durchbruch 115 im ersten Werkstück 110 mit dem Verschlusselement 200 verschlossen ist, wie in 2 gezeigt, wird ein zweites blechartiges Bauteil bzw. Werkstück 120 an der Fügestelle in Anlage gebracht und gegebenenfalls ausgerichtet. Dieses zweite Werkstück 120 kann bspw. aus einem Aluminiumblech (oder einem flächigen FVK-Material, bspw. CFK oder GFK) gebildet sein.
Mit Hilfe eines Fügeelements 300 werden nun die beiden Werkstücke 120 und 110 kraft- und formschlüssig gefügt, derart, dass das Fügeelement 300 sowohl das zweite Werkstück 120 als auch den Durchbruch 115 im ersten Werkstück 110 durchdringend direkt kraft- und formschlüssig mit dem mit dem ersten Werkstück 110 verschweißten lochfreien Verschlusselement 200 verbunden wird. Je nach verwendetem Fügeelement kann das zweite Werkstück 120 an der Fügestelle vorgelocht oder vorlochfrei sein. Der direkte Fügepartner des verwendeten Fügeelements 300 ist das den Durchbruch 115 im ersten Werkstück 110 verschließende Verschlusselement 200, wobei dieses im Vergleich zu dem pressgehärteten ersten Werkstück 110 aus einem weicheren Stahlmaterial gebildet ist, so dass einerseits die direkte (d. h. vorlochfreie) Verbindung zwischen dem Fügeelement 300 und dem Verschlusselement 200 möglich ist und andererseits das Herstellen einer Fügeverbindung zwischen den ansonsten nur schwer oder nicht fügbaren Werkstücken 110 und 120 ermöglicht wird.
Mit anderen Worten formuliert, ermöglicht der Einsatz des buckelgeschweißten Verschlusselements 200 aus einem Stahlmaterial mit geringer Festigkeit (bezogen auf das erste Werkstück 110) eine einfache und gewichtsneutrale Verbindungstechnik zwischen einem weichen Fügepartner (zweites, aus Aluminiumblech gebildetes Werkstück 120) und einem höherfesten Fügepartner (erstes, aus einem höherfesten und insbesondere pressgehärteten Stahlblechmaterial gebildetes Werkstück 110) und ist somit insbesondere zur Herstellung von Mischbauverbindungen (Fügen von unterschiedlichen Materialien und/oder Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften) geeignet. Ferner ergibt sich eine Unabhängigkeit des Fügevorgangs von der Wandstärke und Materialgüte des höherfesten Materials.
3 zeigt eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Fügeverbindung, bei der als Fügeelement 300 ein selbststanzender Niet mit einem Nietkopf 310 verwendet wurde (bspw. ein Halbhohlstanzniet). Der freiliegende verformte Nietfuß 320 ist durch den umlaufenden Kragen 250 des Verschlusselements 200 vor mechanischen Einwirkungen geschützt, wobei der Kragen 250 auch einen Unfall- und insbesondere Verletzungsschutz darstellt. Aus dem Stand der Technik sind auch nicht durchsetzende bzw. durchstanzende Niete bekannt (zum Fügen ohne vollständige Durchdringung), die ebenso verwendet werden können. Anstelle eines Niets kann auch eine loch- und gewindeformende Schraube (FDS-Schraube) oder eine loch- und gewindeschneidende Schraube oder dergleichen verwendet werden. Der hergestellte Werkstückverbund und/oder das hergestellte Sandwichbauteil ist mit 100 bezeichnet.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei blechartigen Werkstücken (110, 120), umfassend: – Bereitstellen eines ersten Werkstücks (110), das an der Fügestelle einen Durchbruch (115) aufweist; – Verschließen des Durchbruchs (115) mit einem tellerartigen lochfreien Verschlusselement (200), wobei das Verschlusselement (200) hierzu mit dem ersten Werkstück (110) verschweißt wird; – Anlegen wenigstens eines zweiten Werkstücks (120); – Fügen der Werkstücke (110, 120) mit Hilfe eines Fügeelements (300), wobei das Fügeelement (300) hierzu an der Fügestelle das zweite Werkstück (120) durchdringend direkt kraft- und formschlüssig mit dem am ersten Werkstück (110) befestigten lochfreien Verschlusselement (200) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fügeelement (300) um einen selbststanzenden Niet oder um eine loch- und gewindeformende Schraube handelt, womit eine direkte kraft- und formschlüssige Verbindung mit dem lochfreien Verschlusselement (200) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkstück (120) an der Fügestelle ein Vorloch aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkstück (120) an der Fügestelle ohne Vorloch ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (200) mittels Buckelschweißen am ersten Werkstück (110) befestigt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (110) aus einem höherfesten und insbesondere pressgehärteten Stahlblechmaterial gebildet ist.
Tellerartiges Verschlusselement (200) zum Verschließen einer Werkstückbohrung (115) in einem Blechwerkstück (110) bei einem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, – wobei dieses Verschlusselement (200) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und ein kreisförmiges, ebenes und flächig geschlossenes Mittelstück (210) aufweist, das von einem umlaufenden Rand (220) umgeben ist, – wobei zwischen dem Mittelstück (210) und dem umlaufenden Rand (220) ein axialer Absatz (230) ausgebildet ist und an dem umlaufenden Rand (220) mehrere noppenartige Schweißbuckel (240) angeordnet sind, und – wobei dieses Verschlusselement (200) an seiner von den Schweißbuckeln (240) abgewandeten Seite einen das Mittelstück (210) umlaufenden Kragen (250) aufweist.
Verschlusselement (200) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus einem Stahlmaterial gebildet ist und insbesondere ein Gussteil, Drehteil oder Umformteil ist.
Verschlusselement (200) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Außendurchmesser weniger als 40 mm, bevorzugt weniger als 30 mm und insbesondere weniger als 20 mm beträgt.