DE102014201871A1 - Resistance welding element with stamping rings for sealing the joint and method for producing a composite component using such resistance welding elements - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Widerstandsschweißelement (100) für das Herstellen einer Widerstandsschweißverbindung zwischen Bauteilen (10, 20), insbesondere aus artfremden Werkstoffen, mit einem Elementschaft (110), der bezüglich einer Längsmittelachse (L) des Widerstandsschweißelements (100) axial verläuft, und mit einem an einem Schaftende angeformten Elementkopf (120), der den Elementschaft (110) in radialer Richtung (r) überragt, wobei vorgesehen ist, dass der Elementkopf (120) an seiner Unterseite wenigstens zwei steife, geschlossen umlaufende Prägeringe (131, 132) aufweist, die in axialer Richtung (L) von der Unterseite abstehen und in radialer Richtung (r) zueinander beabstandet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbunds (10, 20), insbesondere für eine Kraftfahrzeugkarosserie, unter Verwendung wenigstens eines solchen Widerstandsschweißelements (100).The invention relates to a resistance welding element (100) for producing a resistance welding connection between components (10, 20), in particular of extraneous materials, with an element shaft (110) extending axially with respect to a longitudinal central axis (L) of the resistance welding element (100), and with an element head (120) integrally formed on a shaft end and projecting beyond the element shaft (110) in the radial direction (r), wherein it is provided that the element head (120) has on its underside at least two rigid, closed circumferential bearing rings (131, 132) which protrude in the axial direction (L) from the bottom and in the radial direction (r) are spaced from each other. The invention further relates to a method for producing a component composite (10, 20), in particular for a motor vehicle body, using at least one such resistance welding element (100).
Description
Die Erfindung betrifft ein Widerstandsschweißelement für das Herstellen einer Widerstandsschweißverbindung zwischen Bauteilen, insbesondere zwischen Bauteilen aus artfremden Werkstoffen, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a resistance welding element for producing a resistance welding connection between components, in particular between components made of dissimilar materials, according to the features in the preamble of
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds unter Verwendung wenigstens eines solchen Widerstandsschweißelements. The invention further relates to a method for producing a component composite using at least one such resistance welding element.
Das Widerstandsschweißen unter Verwendung eines als Hilfsfügeteil fungierenden Widerstandsschweißelements ist aus dem Stand der Technik bekannt. Hierzu wird stellvertretend auf die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Widerstandsschweißelement anzugeben, dass wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist. The invention has for its object to provide a resistance welding element that has at least one associated with the prior art disadvantage or at least only to a reduced extent.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Widerstandsschweißelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds unter Verwendung wenigstens eines erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen. This object is achieved by a resistance welding element according to the invention with the features of
Ein erfindungsgemäßes Widerstandsschweißelement weist einen Schaft bzw. Elementschaft, der bezüglich einer Längsmittelachse des Widerstandsschweißelements axial verläuft, und einen an einem Schaftende des Schafts angeformten Kopf bzw. Elementkopf, der den Elementschaft in radialer Richtung (d. h. quer zur Längsmittelachse) überragt, auf. Der Elementkopf weist an seiner (an den Elementschaft angrenzenden) Unterseite wenigstens zwei steife, geschlossen umlaufende Prägeringe auf, die in axialer Richtung von der Unterseite abstehen bzw. vorstehen und die in radialer Richtung zueinander beabstandet sind. A resistance welding element according to the invention comprises a shaft or element shaft extending axially with respect to a longitudinal center axis of the resistance welding element and a head or element head integrally formed on a shaft end of the shaft and projecting beyond the element shaft in the radial direction (that is transversely to the longitudinal center axis). The element head has at its (adjacent to the element shaft) underside at least two rigid, closed circumferential embossing rings which project in the axial direction from the bottom or project and which are spaced apart in the radial direction.
Während des Setzvorgangs bzw. beim Setzen des erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements und/oder während des nachfolgenden Widerstandsschweißens bzw. beim nachfolgenden Widerstandsschweißvorgang werden die an der Unterseite des Elementkopfs ausgebildeten steifen Prägeringe in die Oberfläche des kopfseitigen Bauteils eingedrückt bzw. eingeprägt. Die Prägeringe können auch als Ringkragen oder Pressringe bezeichnet werden. Die Prägeringe sind steif ausgebildet, womit gemeint ist, dass diese eine ausreichende Steifigkeit bzw. Festigkeit aufweisen, damit sich diese in die Oberfläche des kopfseitigen Bauteils eindrücken bzw. einprägen können. Eine solche Steifigkeit kann aus der Materialbeschaffenheit und/oder der geometrischen Gestaltung resultieren. During the setting process or during setting of the resistance welding element according to the invention and / or during the subsequent resistance welding or during the subsequent resistance welding process, the rigid stamping rings formed on the underside of the element head are impressed or impressed into the surface of the head-side component. The stamping rings can also be referred to as ring collars or compression rings. The embossing rings are rigid, which means that they have sufficient rigidity or strength so that they can be impressed or impressed into the surface of the head-side component. Such rigidity can result from the material condition and / or the geometric design.
Die in die Oberfläche des kopfseitigen Bauteils eingeprägten Prägeringe an der Unterseite des Elementkopfs (bzw. in der den Elementschaft umgebenden Kreisringfläche an der Unterseite des Elementkopfs) führen im Weiteren zu einer gezielten Abdichtung der Fügestelle. Der radial äußere Prägering bewirkt eine äußere Abdichtung, die bspw. das Eindringen korrosiver Medien, wie z. B. Feuchtigkeit und/oder Schmutz, in den Spalt (Unterkopfspalt) zwischen Elementkopf und kopfseitigen Bauteil verhindert. Der radial innere Prägering bewirkt eine innere Abdichtung, die bspw. das Nach-Außen-Dringen von Gasen (bspw. so genannte Zinkentgasung mit Gefahr von Zinkbläschenbildung) während des Widerstandsschweißvorgangs (z. B. als Folge des Verdampfens einer galvanischen Beschichtung) oder eines optional verwendeten Klebstoffs verhindert. Mit einem erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelement kann gewissermaßen eine doppelte Abdichtung, sowohl gegen Gase als auch gegen Flüssigkeiten, an der Fügestelle erzielt werden. Die Abdichtung wird ohne zusätzliche Mittel oder Maßnahmen zwischen dem Elementkopf und dem kopfseitigen Bauteil erzielt. Dadurch verbessert sich insgesamt das Korrosionsverhalten der Fügeverbindung, wobei insbesondere bei artfremden Werkstoffen die Gefahr einer Kontaktkorrosion bei Feuchteeintritt bzw. -zutritt besteht. Ein weiterer Vorteil ergibt sich beim kathodischen Tauchlackieren, da die doppelte Abdichtung auch an der Fügestelle eine porenfreie Beschichtung ermöglicht. Insbesondere kann auch beim vorausgehenden Phosphatieren ein Abdichtung gegen Phosphatierlösung bzw. -lauge erzielt werden. The embossed rings embossed into the surface of the head-side component on the underside of the element head (or in the annular surface surrounding the element shaft on the underside of the element head) subsequently lead to a targeted sealing of the joint. The radially outer embossing ring causes an outer seal, the example. The penetration of corrosive media such. As moisture and / or dirt in the gap (lower head gap) between the element head and head-side component prevented. The radially inner stamping ring effects an internal seal, for example the outward penetration of gases (for example so-called zinc degassing with risk of formation of zinc bubbles) during the resistance welding process (eg as a consequence of the evaporation of a galvanic coating) or an optional one used adhesive prevented. With a resistance welding element according to the invention can be achieved in a sense a double seal, both against gases and against liquids, at the joint. The seal is achieved without additional means or measures between the element head and the head-side component. As a result, the overall corrosion behavior of the joint compound is improved, whereby there is a risk of contact corrosion in the event of moisture ingress or ingress, especially in the case of extraneous materials. Another advantage is the cathodic dip coating, because the double seal also allows a non-porous coating at the joint. In particular, it is also possible to achieve a seal against phosphating solution or lye during the preceding phosphating.
Die insbesondere kreisförmig den Elementschaft geschlossen umlaufenden Prägeringe können mit unterschiedlicher Querschnittsgeometrie ausgebildet sein und sind bevorzugt mit identischer Querschnittsgeometrie ausgebildet. Bevorzugt ist eine wulstartige Querschnittsgeometrie vorgesehen wie nachfolgend noch näher erläutert. Bevorzugt sind die Prägeringe in radialer Richtung gleichmäßig zueinander beabstandet, wodurch sich eine konzentrische Anordnung ergibt. Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Widerstandsschweißelement bezüglich seiner Längsmittelachse rotationssymmetrisch ausgebildet, was auch eine konzentrische Anordnung der Prägeringe bedingt. The embossing rings, which are in particular circularly closed around the element shaft, can be designed with different cross-sectional geometry and are preferably designed with identical cross-sectional geometry. Preferably, a bead-like cross-sectional geometry is provided as explained in more detail below. Preferably, the embossing rings in the radial direction are uniformly spaced from each other, resulting in a concentric arrangement. Preferably, the resistance welding element according to the invention is rotationally symmetrical with respect to its longitudinal central axis, which also requires a concentric arrangement of the embossing rings.
Bevorzugt verläuft der radial äußere Prägering an der unterseitigen Außenkante des Elementkopfs, d. h. entlang der äußeren Umrisslinie des Elementkopfs des erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements. Durch die damit erzielte Abdichtung direkt an der Außenumrisslinie wird zuverlässig jegliches Eindringen korrosiver Medien in einen Unterkopfspalt verhindert. Preferably, the radially outer embossing ring extends on the underside outer edge of the element head, d. H. along the outer contour of the element head of the resistance welding element according to the invention. The resulting sealing directly on the outer contour reliably prevents any penetration of corrosive media into a lower-head gap.
Bevorzugt sind die Prägeringe kantenfrei ausgebildet, was insbesondere durch Übergangsverrundungen (Ein- und/oder Auslaufradien) oder -fasen an der Ringbasis und/oder durch Verrundungen oder Fasen an der Ringstirnfläche gelingt. Die kantenfreie Ausbildung der Prägeringe kann das Auftreten von Kerbspannungen verhindern oder zumindest verringern. Ferner wird der Materialfluss am kopfseitigen Bauteil während dem Setzen des Widerstandsschweißelements und/oder beim nachfolgenden Widerstandsschweißvorgang weniger behindert, so dass sich das Material des kopfseitigen Bauteils durch plastisches Verformen formschlüssig um die Prägeringe herumlegen bzw. herumformen kann, wodurch die gewünschte Abdichtung verbessert wird. Eine während des Widerstandsschweißvorgangs auftretende Erwärmung, insbesondere in Kombination mit einer Elektrodenkraft, kann die erzielbare Abdichtung verbessern. Preferably, the stamping rings are formed edge-free, which in particular succeeds by Übergangsverrundungen (entry and / or Auslaufradien) or bevels on the ring base and / or by rounding or chamfering on the annular end face. The edge-free formation of the embossing rings can prevent or at least reduce the occurrence of notch stresses. Furthermore, the flow of material on the head-side component is less impeded during the setting of the resistance-welding element and / or during the subsequent resistance welding process, so that the material of the head-side component can form-fit around the embossing rings by plastic deformation, whereby the desired sealing is improved. A heating occurring during the resistance welding process, in particular in combination with an electrode force, can improve the achievable seal.
Die Prägeringe weisen bevorzugt eine minimale Höhe (Überstand von der Unterseite des Elementkopfs in axialer Richtung) von 0,2 mm und insbesondere 0,3 mm auf. Die minimale Höhe der Prägeringe gewährleistet eine zuverlässige Abdichtung an der Fügestelle, selbst dann, wenn der Elementkopf nicht plan auf der Oberfläche des kopfseitigen Bauteils aufliegt, was bspw. die Folge einer toleranzbedingten axialen Schrägstellung (von bspw. bis zu 3°) beim Setzen und/oder Widerstandsschweißen sein kann. Die minimale Höhe der Prägeringe ermöglicht also auch eine Kipptoleranz. The stamping rings preferably have a minimum height (protrusion from the underside of the element head in the axial direction) of 0.2 mm and in particular 0.3 mm. The minimum height of the embossing rings ensures a reliable seal at the joint, even if the element head is not flat on the surface of the head-side component rests, which, for example, the result of tolerance-related axial skew (of, for example. Up to 3 °) when setting and / or resistance welding can be. The minimum height of the embossing rings thus also allows a tilting tolerance.
Die Prägeringe weisen bevorzugt eine maximale Höhe von 0,5 mm und insbesondere 0,4 mm auf. Die maximale Höhe der Prägeringe begrenzt die Einpress- bzw. Einprägetiefe in die Oberfläche des kopfseitigen Bauteils und ermöglicht auch eine einfachere Herstellbarkeit eines erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements, insbesondere durch umformende Herstellung, wie nachfolgend noch näher erläutert. The stamping rings preferably have a maximum height of 0.5 mm and in particular 0.4 mm. The maximum height of the embossing rings limits the press-in or embossing depth in the surface of the head-side component and also allows for easier manufacturability of a resistance welding element according to the invention, in particular by reshaping production, as explained in more detail below.
Der Elementschaft eines erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements kann an seinem vom Elementkopf wegweisenden freien Ende mit einer Stanzkante (oder dergleichen), zum Erzeugen einer Durchgangsöffnung im kopfseitigen Bauteil durch Heraustrennen eines Stanzabfallteils bzw. -butzens, und/oder mit einem Schweißbuckel (oder dergleichen) ausgebildet sein. The element shaft of a resistance welding element according to the invention may be formed at its free end facing away from the element head with a punching edge (or the like), for generating a through opening in the head-side component by separating out a punching waste or -butzens, and / or with a Schweißbuckel (or the like).
Ein erfindungsgemäßes Widerstandsschweißelement ist bevorzugt einstückig (d. h. aus einem Stück bzw. in einem Stück) hergestellt. Bevorzugt ist dieses durch umformende Herstellung eines Metallwerkstoffs und insbesondere eines Stahlwerkstoffs hergestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelement handelt es sich somit bevorzugt um ein Umformteil, das bspw. durch Fließpressen oder Kaltschlagen hergestellt wurde. A resistance welding element according to the invention is preferably produced in one piece (that is, in one piece or in one piece). This is preferably produced by forming a metal material and in particular a steel material. The resistance-welding element according to the invention is thus preferably a forming part which has been produced, for example, by extrusion or cold-forging.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbunds, insbesondere für eine Kraftfahrzeugkarosserie, umfasst zumindest folgende Schritte:
- – Bereitstellen (wenigstens) eines ersten blechartigen Bauteils, das insbesondere aus einem Nicht-Eisen-Werkstoff, wie bspw. Aluminium oder CFK, gebildet ist;
- – Setzen wenigstens eines erfindungsgemäßen Widerstandsschweißelements durch vorzugsweise vorlochfreies Einpressen in das erste Bauteil an einer vorgesehenen Fügestelle (der Elementkopf des Widerstandsschweißelements dient hierbei zum Aufbringen der Setz- bzw. Einpresskraft), wobei dessen Elementschaft das erste Bauteil an der vorgesehenen Fügestelle (vollständig) durchdringt und die Unterseite des Elementkopfs in Anlage mit der außenseitigen bzw. kopfseitigen Oberfläche des ersten Bauteils gelangt und sich hierbei die Prägeringe an der Unterseite des Elementkopfs in diese Oberfläche am ersten Bauteil einprägen bzw. eindrücken; und
- – Positionieren und Ausrichten des ersten Bauteils relativ zu wenigstens einem zweiten Bauteil und Widerstandsverschweißen (durch Ausführen eines Widerstandsschweißvorgangs, wobei der Elementkopf des Widerstandsschweißelements zur direkten oder indirekten Anlage einer Schweißelektrode dienen kann) des vom Elementkopf wegweisenden freiliegenden Schaftendes mit dem zweiten, insbesondere aus einem Eisen-Werkstoff gebildeten, Bauteil, wobei sich (in bekannter Weise) eine Schweißlinse zwischen den Bauteilen ausbildet und eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Widerstandsschweißelement und dem zweiten Bauteil herbeigeführt wird und das erste Bauteil durch einen mit dem Elementkopf herbeigeführten Form- und Kraftschluss fixiert wird.
- - Providing (at least) a first sheet-like component, which is in particular made of a non-ferrous material, such as. Aluminum or CFRP, is formed;
- - Setting at least one resistance welding element according to the invention by preferably pre-hole-free pressing into the first component at a designated joint (the element head of the resistance welding element serves to apply the setting or pressing force), wherein its element shaft, the first component at the intended joint (completely) penetrates and the underside of the element head comes into abutment with the outside or head-side surface of the first component and in this case impress or press the embossing rings on the underside of the element head into this surface on the first component; and
- Positioning and alignment of the first component relative to at least one second component and resistance welding (by performing a resistance welding operation, wherein the element head of the resistance welding element can serve for direct or indirect abutment of a welding electrode) of the exposed shaft end facing away from the element head with the second, in particular iron -Material formed component, wherein (in a known manner) forms a weld nugget between the components and a cohesive connection between the resistance welding element and the second component is brought about and the first component is fixed by a brought about with the element head positive and frictional connection.
In analoger Weise können auch mehrere übereinanderliegende erste blechartige Bauteile mit wenigstens einem zweiten Bauteil gefügt werden, was im erfindungsgemäßen Verfahren mit umfasst sein soll. In an analogous manner, a plurality of superimposed first sheet-like components can be joined with at least one second component, which should be included in the inventive method.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die schematischen und nicht maßstabsgerechten Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von gezeigten und/oder erläuterten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein. The invention will be further described by way of example and not limitation with reference to the schematic and not to scale figures. The features shown in the figures and / or explained below may, regardless of the illustrated and / or explained combinations of features, be general features of the invention.
Der Elementschaft
Erfindungsgemäß sind an der dem oberen Bauteil
Der radial äußere Prägering
Die zueinander konzentrischen Prägeringe
Bei dem Widerstandsschweißelement
Die in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10 10
- oberes (kopfseitiges) Bauteil Upper (head-side) component
- 11 11
- außenseitige Oberfläche outside surface
- 20 20
- unteres (fußseitiges) Bauteil lower (foot-side) component
- 30 30
- Klebstoff adhesive
- 100 100
- Widerstandsschweißelement Resistance welding element
- 110 110
- Elementschaft element shaft
- 115 115
- Stanzkante punching edge
- 117 117
- Schweißbuckel weld projection
- 120 120
- Elementkopf element head
- 131 131
- innerer Prägering inner stamping ring
- 132 132
- äußerer Prägering outer stamping ring
- 133 133
- mittlerer Prägering middle stamping ring
- A A
- äußere Abdichtung outer seal
- B B
- innere Abdichtung inner seal
- D D
- Kopfdurchmesser Head diameter
- H H
- axiale Höhe axial height
- L L
- Längsmittelachse Longitudinal central axis
- R1 R1
- Verrundungsradius Rounding radius
- R2 R2
- Verrundungsradius Rounding radius
- R3 R3
- Verrundungsradius Rounding radius
- S S
- Schweißzone welding zone
- d d
- Schaftdurchmesser Shaft diameter
- r r
- radiale Richtung radial direction
- h1 h1
- Kopfhöhe head height
- h2 h2
- Prägeringhöhe Ferrule height
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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