DE102014211222A1

DE102014211222A1 - Method for producing a joint connection by setting and hot pressing a joining element, as well as hereby produced workpiece composite

Info

Publication number: DE102014211222A1
Application number: DE102014211222.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias Graul; Jürgen Amedick
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei blechartigen Werkstücken (110, 120), mit: – Positionieren und Ausrichten der zu fügenden Werkstücke (110, 120), wobei diese in einem Fügebereich überlappend angeordnet werden; – Setzen eines Fügeelements (200), wozu dieses an einer Fügestelle im Fügebereich mit hoher kinetischer Energie vorlochfrei in die zu fügenden Werkstücke (110, 120) eingetrieben wird; – Warmverpressen des gesetzten Fügeelements (200) durch Erwärmen und Aufbringen einer axialen Stauchkraft (F) auf das erwärmte Fügeelement (200). Die Erfindung betrifft ferner einen mit diesem Verfahren hergestellten Werkstückverbund.The invention relates to a method for producing a joint connection between at least two sheet-like workpieces (110, 120), comprising: positioning and aligning the workpieces to be joined (110, 120), wherein they are arranged overlapping in a joining region; - Setting a joining element (200), for which this is driven without pre-holes into the workpieces to be joined (110, 120) at a joint in the joining region with high kinetic energy; - Hot pressing the set joining element (200) by heating and applying an axial compression force (F) on the heated joining element (200). The invention further relates to a workpiece composite produced by this method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei blechartigen Werkstücken, bei dem an der Fügestelle ein Fügeelement mit hoher kinetischer Energie vorlochfrei in die zu fügenden Werkstücke eingetrieben wird. The invention relates to a method for producing a joint connection between at least two sheet-like workpieces, in which at the joint a joining element with high kinetic energy is driven pre-hole into the workpieces to be joined.

Die Erfindung betrifft ferner einen entsprechend gefügten Werkstückverbund. The invention further relates to a corresponding joined workpiece assembly.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus dem Stand der Technik bekannt, wozu auf die beiden Patentschriften DE 10 2005 038 973 A1 und DE 10 2005 054 242 A1 derselben Anmelderin hingewiesen wird. A method of the type mentioned is known from the prior art, including the two patents DE 10 2005 038 973 A1 and DE 10 2005 054 242 A1 the same applicant.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren betreffender Art 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 method of the kind in question that does not have at least one associated with the prior art disadvantage or at least only to a reduced extent.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstück- bzw. Bauteilverbund. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen. The solution of this object is achieved with a method according to the invention according to the features of claim 1. With a sibling claim, the invention also extends to a workpiece or component composite produced by the method according to the invention. Preferred developments and refinements emerge analogously for both subject matters of the invention both from the dependent claims and from the following explanations.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen wenigstens zwei blechartigen Werkstücken bzw. Bauteilen umfasst zumindest folgende Schritte, die insbesondere automatisiert ausgeführt werden:

– Positionieren und Ausrichten der zu fügenden Werkstücke, wobei diese zumindest in wenigstens einem Fügebereich überlappend angeordnet werden;
– Setzen eines Fügeelements, wozu dieses an einer Fügestelle im Fügebereich mit hoher kinetischer Energie vorlochfrei in die zu fügenden Werkstücke eingetrieben und insbesondere durch die zu fügenden Werkstücke hindurchgetrieben wird;
– Warmverpressen des gesetzten Fügeelements durch Erwärmen und Aufbringen einer axialen Stauchkraft auf das erwärmte Fügeelement.

The inventive method for producing a joint connection between at least two sheet-like workpieces or components comprises at least the following steps, which are carried out in particular automated:

- Positioning and alignment of the workpieces to be joined, which are arranged overlapping at least in at least one joining region;
- Setting a joining element, including this pre-hole driven at a joint in the joint area with high kinetic energy in the workpieces to be joined and in particular is driven through the workpieces to be joined;
- Hot pressing the set joining element by heating and applying an axial compression force on the heated joining element.

Insbesondere erfolgt ein Warmverpressen des gesetzten Fügeelements an der Fügestelle durch gezieltes Erwärmen des gesetzten Fügeelements (wodurch eine negative Wärmebeeinflussung der Werkstücke verhindert wird) und durch gezieltes Stauchen durch Aufbringen einer axialen Stauchkraft auf das erwärmte Fügeelement. Das Stauchen kann zeitgleich mit dem Erwärmen oder auch zeitversetzt erfolgen. In particular, a hot pressing of the set joining element takes place at the joint by targeted heating of the set joining element (whereby a negative heat influence of the workpieces is prevented) and by targeted upsetting by applying an axial compressive force on the heated joining element. The upsetting can take place simultaneously with the heating or with a time delay.

Bevorzugt erfolgt das Erwärmen des gesetzten Fügeelements durch Widerstandserwärmen (bzw. durch Widerstandserwärmung). Ebenso ist auch ein induktives Erwärmen (bzw. eine Induktionserwärmung) möglich. Durch das Erwärmen kann das Stauchverhältnis erhöht werden, wobei die erforderlichen Stauchkräfte herabgesetzt werden und aufgrund des höheren Formänderungsvermögens ein rissfreies Werkstofffließen ermöglicht wird. The heating of the set joining element preferably takes place by resistance heating (or by resistance heating). Likewise, an inductive heating (or an induction heating) is possible. By heating, the compression ratio can be increased, whereby the required compressive forces are reduced and a crack-free material is allowed to flow due to the higher deformability.

Das insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildete Fügeelement (bzw. Fügehilfsteil) umfasst einen Elementkopf und einen daran angeformten Elementschaft mit einer Stirnseite bzw. Stirnfläche. Bevorzugt weist das Fügeelement eine stanznietartige oder nagelartige Gestalt auf. Bevorzugt ist das Fügeelement aus einem Metallmaterial, insbesondere Stahl, gebildet. The in particular rotationally symmetrical formed joining element (or joining auxiliary part) comprises an element head and an element shaft formed thereon with an end face or end face. The joining element preferably has a punch rivet-like or nail-like shape. The joining element is preferably formed from a metal material, in particular steel.

Das Setzen des Fügeelements erfolgt bevorzugt mit einem stoßartigen Fügeimpuls, wobei das Fügeelement mit seinem Elementschaft an der Fügestelle mit einer hohen Auftreffgeschwindigkeit (insbesondere im Bereich von 7 m/s bis 100 m/s) auf das obere bzw. oberste der zu fügenden Werkstücke auftrifft und der Elementschaft sodann aufgrund der kinetischen Energie des Fügelements die im Fügebereich mit Überlappung angeordneten Werkstücke durchdringt, insbesondere derart, dass der Elementkopf am oberen der zu fügenden Werkstücke in Anlage kommt und der Stirnabschnitt des Elementschafts auf der gegenüberliegenden Seite (d. h. am unteren bzw. untersten Werkstück) hervortritt bzw. vorsteht. Bevorzugt erfolgt das Setzen des Fügeelements ohne formende Gegenmatrize. Gegebenenfalls kann jedoch in vorteilhafter Weise eine Stanzmatrize verwendet werden. Das Setzen des Fügeelements erfolgt insbesondere in einer kontinuierlichen axialen Fügebewegung (d. h. ein Nageln oder dergleichen zum Eintreiben des Fügeelements ist nicht vorgesehen). The joining element is preferably set with a jerky joining pulse, the joining element with its element shaft striking the joint at a high impact speed (in particular in the range from 7 m / s to 100 m / s) on the upper or uppermost of the workpieces to be joined and the elementary body then penetrates the workpieces overlapped in the joint region due to the kinetic energy of the pad member, in particular such that the element head abuts the upper one of the workpieces to be joined and the end portion of the elementary body on the opposite side (ie at the bottom or bottom Workpiece) protrudes or protrudes. Preferably, the setting of the joining element takes place without forming counter-die. Optionally, however, a punching die can be used in an advantageous manner. The setting of the joining element takes place, in particular, in a continuous axial joining movement (i.e., nailing or the like for driving in the joining element is not provided).

Durch das sich an den Setzvorgang anschließende Warmverpressen des gesetzten Fügeelements wird an der Fügestelle der Formschluss zwischen dem Fügeelement und den gefügten Werkstücken verbessert. Insbesondere kommt es beim Stauchen des erwärmten Fügeelements zu einer Hinterschnittbildung zwischen dem Fügeelement und zumindest dem unteren Werkstück wodurch in Bezug auf das herkömmliche Fügen gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik einerseits eine deutlich höhere Verbindungsfestigkeit und andererseits eine verbesserte Haltbarkeit der Fügeverbindung erreicht wird. Zudem wird an der Fügestelle einer starken Deformation der Werkstücke entgegengewirkt, insbesondere durch eine beim Warmverpressen stattfindende Rückformung eines Stanzdurchzugs. By subsequent to the setting process hot pressing the set joining element of the positive connection between the joining element and the joined workpieces is improved at the joint. In particular, when upsetting the heated joining element, an undercut is formed between the joining element and at least the lower workpiece, which on the one hand achieves a significantly higher connection strength and, on the other hand, improved durability of the joint connection with respect to the conventional joining according to the aforementioned prior art. In addition, at the joint of a strong Deformation of the workpieces counteracted, in particular by taking place during hot pressing recovery of a punched pass.

Der eigentliche Fügevorgang eines erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst demnach zwei wesentliche Prozessschritte bzw. -stufen, nämlich einen Setzvorgang und einen Warmpressvorgang, wobei der Warmpressvorgang ein Erwärmen des bereits gesetzten Fügeelements umfasst. In vorteilhafter Weise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der Materialkombination nicht schweißbare Werkstücke gefügt werden (Mischbau, Leichtbau). Wenigstens eines der zu fügenden Werkstücke kann auch aus einem höherfesten Stahlblechmaterial (hierunter wird insbesondere ein Stahlwerkstoff mit einer Zugfestigkeit von mehr als 800 MPa verstanden) gebildet sein. The actual joining process of a method according to the invention accordingly comprises two essential process steps or stages, namely a setting process and a hot pressing process, wherein the hot pressing process comprises heating of the already placed joining element. Advantageously, can be joined with the inventive method due to the material combination non-weldable workpieces (mixed construction, lightweight). At least one of the workpieces to be joined can also be formed from a high-strength steel sheet material (this is understood in particular to mean a steel material having a tensile strength of more than 800 MPa).

Das Fügeelement kann aus einem höherfesten und insbesondere auch aus einem gehärteten Material gebildet sein, so dass dieses eine hohe Verformungsfestigkeit für den Setzvorgang aufweist und sich am unteren Werkstück ein ausreichender Überstand des Fügeelementschafts für den Warmpressvorgang bildet. Ein festes Fügeelement ist auch im Hinblick auf das Fügen von Werkstücken aus dickeren und/oder festeren Materialien (bspw. einem höherfesten Stahlblech) vorteilig. Das Fügeelement kann im Zuge der Erwärmung beim Warmverpressen in vorteilhafter Weise eine Wärmebehandlung erfahren. The joining element may be formed from a high-strength and in particular also from a hardened material, so that this has a high deformation resistance for the setting process and forms a sufficient projection of the joining element shaft for the hot pressing process at the lower workpiece. A fixed joining element is also advantageous with regard to the joining of workpieces made of thicker and / or stronger materials (for example, a high-strength steel sheet). The joining element can advantageously undergo a heat treatment during heating during hot pressing.

Für das Setzen des Fügeelements bzw. für den Setzvorgang und für das anschließende Warmverpressen bzw. den Warmpressvorgang werden bevorzugt unterschiedliche bzw. separate Werkzeuge verwendet. For the setting of the joining element or for the setting process and for the subsequent hot pressing or the hot pressing process preferably different or separate tools are used.

Das Setzen des Fügeelements erfolgt bevorzugt mit einem Setzgerät (welches insbesondere einen Stempel und einen Niederhalter umfasst) und einer gegenüberliegend dieses Setzgeräts angeordneten Stanz- bzw. Lochmatrize. Durch das Verwenden einer Stanzmatrize können abhängig von deren Ausgestaltung lokale Verformungsvorgänge der zu fügenden Werkstücke an der Fügestelle gezielt verhindert oder gezielt beeinflusst werden. Bevorzugt ist die Lochmatrize derart ausgebildet, dass ein lokales Verformen eines höherfesten Stahlblechmaterials (insbesondere das untere Werkstück betreffend) an der Fügestelle zugelassen wird (womit insbesondere die Ausbildung eines Stanzdurchzugs gemeint ist). Durch die Verwendung einer Lochmatrize kann ferner die zum Setzen des Fügeelements erforderliche Setzkraft bzw. der zum Setzen erforderliche Fügeimpuls verringert werden. Bevorzugt sind das Setzgerät und die Stanz- bzw. Lochmatrize an den Rahmenschenkeln eines roboterbewegten C-Bügels oder dergleichen befestigt. Ebenso kann vorgesehen sein, dass das Setzgerät mittels eines Roboters gehandhabt wird und die Lochmatrize an einer ortsfesten Aufnahme (bspw. einem Tisch oder dergleichen) angeordnet ist, wobei die zu fügenden Werkstücke zum Durchführen eines Setzvorgangs entsprechend oberhalb der Lochmatrize positioniert werden. The setting of the joining element is preferably carried out with a setting tool (which in particular comprises a punch and a hold-down device) and a stamping or perforated die arranged opposite this setting device. By using a punching die, depending on their configuration, local deformation processes of the workpieces to be joined at the joint can be selectively prevented or specifically influenced. Preferably, the perforated die is designed such that a local deformation of a high-strength sheet steel material (in particular the lower workpiece regarding) is allowed at the joint (which means in particular the formation of a punched pass). By using a perforated die, furthermore, the setting force required for setting the joining element or the joining moment required for setting can be reduced. Preferably, the setting tool and the punch or hole die are attached to the frame legs of a robot-driven C-bracket or the like. It can likewise be provided that the setting device is handled by means of a robot and the perforated die is arranged on a stationary receptacle (for example a table or the like), the workpieces to be joined being positioned correspondingly above the perforated die for carrying out a setting process.

Das Warmverpressen einschließlich dem Erwärmen des gesetzten Fügeelements erfolgt bevorzugt mit Hilfe von zwei sich gegenüberliegenden Elektroden, die mit dem Fügeelementkopf und dem überstehenden Fügeelementschaft des gesetzten Fügeelements in Kontakt gebracht werden, so dass zwischen den Elektroden ein Strom zur Widerstandserwärmung des Fügeelements fließen (gezielter Stromfluss durch das gesetzte Fügeelement) und eine Stauchkraft auf das Fügeelement aufgebracht werden kann. Insbesondere die am vorstehenden Fügeelementschaft angreifende Elektrode kann zur Herbeiführung eines definierten Werkstofffließvorgangs und insbesondere zur Erzeugung eines Hinterschnitts beim Stauchen des Fügeelements mit einer geeigneten Kavität ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Elektroden an den Armen einer konventionellen Schweißzange oder, insbesondere in Kombination mit wenigstens einem Krafterzeugungsmittel, an den Rahmenschenkeln eines roboterbewegten C-Bügels befestigt. Anstelle von Elektroden können Umformwerkzeuge verwendet werden, die insbesondere mit wenigstens einem integrierten Induktor zur gezielten induktiven Erwärmung des gesetzten Fügeelements ausgebildet sind. The hot pressing including heating the set joining element is preferably carried out with the aid of two opposing electrodes which are brought into contact with the joining element head and the protruding joining element shaft of the set joining element, so that a current flows between the electrodes for resistance heating of the joining element (targeted current flow) the set joining element) and an upsetting force can be applied to the joining element. In particular, the electrode engaging the projecting joining element shaft can be designed to produce a defined material flow process and, in particular, to produce an undercut during upsetting of the joining element with a suitable cavity. The electrodes are preferably fastened to the arms of a conventional welding tongs or, in particular in combination with at least one force-generating means, to the frame legs of a robot-driven C-bracket. Instead of electrodes forming tools can be used, which are formed in particular with at least one integrated inductor for targeted inductive heating of the set joining element.

Der Elementschaft des verwendeten Fügeelements kann im Wesentlichen zylindrisch, d. h. mit gleichen Querschnitten, ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass der stirnseitige Querschnitt des Elementschafts kleiner ausgebildet ist als der kopfseitige Querschnitt. Insbesondere ist der Elementschaft konisch ausgebildet. Beim Verpressen wird im Bereich kleinerer Schaftquerschnitte gezielt eine höhere Erwärmung des Elementschafts und in der Folge auch eine ausgeprägtere Stauchung des Schaftmaterials erreicht. Durch die Querschnittsgestaltung des Elementschafts können dessen Staucheigenschaften eingestellt und gezielt vorgegeben werden. The element of the joining element used may be substantially cylindrical, d. H. be formed with the same cross sections. Preferably, however, it is provided that the frontal cross section of the element shaft is formed smaller than the head-side cross-section. In particular, the element shaft is conical. During pressing, in the region of smaller shank cross-sections, a higher heating of the element shank and, consequently, a more pronounced compression of the shank material are achieved in a targeted manner. Due to the cross-sectional design of the elemental its compression properties can be adjusted and specified.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass beim Warmverpressen ein stoffschlüssiges Verbinden bzw. ein Verschweißen des Fügeelements mit wenigstens einem der Werkstücke erfolgt. Durch eine solche stoffschlüssige Verbindung bzw. Verschweißung mit wenigstens einem schweißgeeigneten Werkstück kann die Festigkeit, Haltbarkeit und/oder Dichtigkeit der herzustellenden Fügeverbindung gesteigert werden. A particularly preferred embodiment of the method according to the invention provides that during hot pressing a cohesive bonding or welding of the joining element takes place with at least one of the workpieces. By such a cohesive connection or welding with at least one workpiece suitable for welding, the strength, durability and / or tightness of the joint to be produced can be increased.

Bevorzugt werden die zu fügenden Werkstücke zusätzlich noch miteinander verklebt. Bevorzugt bildet der verwendete Klebstoff im Füge- bzw. Überlappungsbereich eine Klebestoffschicht bzw. einen Klebstofffilm zwischen den Werkstücken. Ebenso kann auch ein Dichtstoff vorgesehen sein. Der Klebstoff bzw. Dichtstoff kann auch eine isolierende Funktion haben. Preferably, the workpieces to be joined are additionally glued together. Preferably, the adhesive used in the joining or overlapping area forms an adhesive layer or an adhesive film between the workpieces. Likewise, a sealant may also be provided. The adhesive or sealant may also have an insulating function.

Wenigstens eines der Werkstücke und insbesondere das untere Werkstück kann beim Warmverpressen an der Fügestelle planmäßig eine lokale Wärmebehandlung erfahren. Die Wärmebehandlung erfolgt beim Erwärmen und insbesondere Widerstandserwärmen des gesetzten Fügeelements. Die Wärmebehandlung erfolgt insbesondere mit dem Ziel, die Duktilität des Werkstückwerkstoffs, insbesondere eines Stahlwerkstoffs, lokal (d. h. in dem das Fügeelement umgebenden Bereich) zu erhöhen, was z. B. bei einem höherfesten Stahlblechmaterial hinsichtlich einer Rissvermeidung an der Fügestelle von Vorteil sein kann. At least one of the workpieces and in particular the lower workpiece can undergo scheduled localized heat treatment during hot-pressing at the joint. The heat treatment takes place during heating and in particular resistance heating of the set joining element. The heat treatment is carried out in particular with the aim of increasing the ductility of the workpiece material, in particular of a steel material, locally (that is to say in the region surrounding the joining element). B. in a high-strength steel sheet material in terms of crack prevention at the joint may be beneficial.

Ein erfindungsgemäßer Werkstückverbund umfasst wenigstens zwei Werkstücke, die an wenigstens einer Fügestelle mit einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fügeverbindung gefügt sind. Bei dem Werkstückverbund handelt es sich insbesondere um ein Karosseriebauteil oder einen Karosseriebestandteil (einer PKW-Karosserie). Eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Fügeverbindung zeichnet sich aus durch ein verbleibendes Fügeelement (d. h. das Fügeelement verbleibt in den Werkstücken), das an der Fügestelle beide Werkstücke durchdringt und zur Ausbildung eines Hinterschnitts (bezüglich der gefügten Werkstücke) im erwärmten Zustand axial getaucht wurde, was sich bspw. durch eine entsprechende Stauchverformung des Fügeelementschafts und einen entsprechenden Werkstofffluss zeigt. Die erfolgte Erwärmung ist bspw. anhand von Anlassfarben erkennbar. Bevorzugt ist das Fügeelement auch noch mit wenigstens einem der Werkstücke stoffschlüssig verbunden bzw. verschweißt. An inventive composite workpiece comprises at least two workpieces which are joined to at least one joint with a joint connection produced by the method according to the invention. The workpiece assembly is in particular a body component or a body component (a car body). A joining connection produced by the method according to the invention is characterized by a remaining joining element (ie the joining element remains in the workpieces), which penetrates both workpieces at the joint and was axially dipped in the heated state to form an undercut (with respect to the joined workpieces) For example, by a corresponding compression deformation of the joint element shaft and a corresponding material flow shows. The heating carried out can be recognized, for example, by means of tempering paints. Preferably, the joining element is also materially connected or welded to at least one of the workpieces.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein erfindungsgemäßer Werkstückverbund nur zwei Werkstücke umfasst, wobei das obere (bzw. kopfseitige oder stempelseitige) Werkstück aus einem flächigen bzw. blechartigen FVK-Material (insbesondere einem GFK- oder CFK-Material) oder einem Aluminiumblechmaterial und das untere (bzw. schaftseitige oder matrizenseitige) Werkstück aus einem höherfesten Stahlblechmaterial gebildet ist. Ein erfindungsgemäßer Werkstückverbund kann auch mehr als zwei Werkstücke umfassen, die in erfindungsgemäßer Weise gefügt sind. It is preferably provided that a workpiece assembly according to the invention comprises only two workpieces, wherein the upper (or head-side or punch-side) workpiece consists of a sheet-like or sheet-like FRP material (in particular a GRP or CFRP material) or an aluminum sheet material and the lower ( or shaft-side or die-side) workpiece is formed from a high-strength steel sheet material. An inventive workpiece composite can also comprise more than two workpieces, which are joined in accordance with the invention.

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 konkreten 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 specific feature combinations, be general features of the invention.

1 veranschaulicht in mehreren Schnittdarstellungen ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung. 1 illustrates in several sectional views of an inventive method for producing a joint connection.

2 zeigt in einer Seitenansicht eine andere Ausführungsmöglichkeit eines Fügeelements. 2 shows in a side view another embodiment of a joining element.

1a zeigt ausschnittsweise zwei blechartige Werkstücke 110 und 120. Bei dem oberen Werkstück 110 handelt es sich beispielhaft um ein Aluminiumblech und bei dem unteren Werkstück 120 um ein höherfestes Stahlblech. Die Werkstücke 110 und 120 sollen an der gezeigten Fügestelle durch Herstellen einer Fügeverbindung unter Verwendung des Fügeelements 200 formschlüssig gefügt werden. Das Fügeelement 200 weist einen Elementkopf 210 und einen Elementschaft 220 auf. Der Elementschaft 220 ist stirnseitig mit einer Spitze ausgebildet. Der Elementschaft 220 des Fügeelements 200 weist einen Durchmesser im Bereich weniger Millimeter auf. Der Elementkopf 210 kann auch als Senkkopf ausgebildet sein. Der Fügevorgang zum Herstellen der Fügeverbindung umfasst im Wesentlichen zwei Prozessschritte, wie nachfolgend erläutert. 1a shows in sections two sheet-like workpieces 110 and 120 , At the upper workpiece 110 For example, it is an aluminum sheet and the lower workpiece 120 a higher-strength steel sheet. The workpieces 110 and 120 should at the joint shown by making a joint connection using the joining element 200 be joined positively. The joining element 200 has an element head 210 and an elementary body 220 on. The elementary system 220 is frontally formed with a tip. The elementary system 220 of the joining element 200 has a diameter in the range of a few millimeters. The element head 210 can also be designed as a countersunk head. The joining process for producing the joint connection essentially comprises two process steps, as explained below.

In einem ersten Prozessschritt wird das Fügeelement 200 gesetzt. Nachdem die zu fügenden Werkstücke 110 und 120 zueinander positioniert und ausgerichtet wurden, wird das Fügeelement 200 gemäß Darstellung in 1a mit einem stoßartigen Fügeimpuls E vorlochfrei in die zu fügenden Werkstücke 110 und 120 eingetrieben. Das Fügeelement 200 kann auch als Stanzelement bezeichnet werden und stirnseitig mit einer Stanzkante oder dergleichen ausgebildet sein. Auf der Gegen- bzw. Unterseite befindet sich eine Lochmatrize 300 mit einer Stanzausnehmung 310, durch die hindurch auch die Ableitung des aus den Werkstücken 110 und 120 herausgetrennten Stanzabfalls ermöglicht wird. Am Ende des Setzvorgangs steht der Elementschaft 220 auf der gegenüberliegenden Seite hervor bzw. ragt über das untere Werkstück 120 hinaus, wie aus 1b ersichtlich. Das Fügeelement 200 kann auch stanzabfallfrei durch lokales plastisches Verdrängen der Werkstückmaterialien an der Fügestelle gesetzt werden. Die Verwendung einer Stanzmatrize 300 oder dergleichen ist nicht zwingend erforderlich. In a first process step, the joining element 200 set. After the workpieces to be joined 110 and 120 positioned and aligned with each other becomes the joining element 200 as shown in 1a with a burst-like joining pulse E pre-hole-free in the workpieces to be joined 110 and 120 driven. The joining element 200 may also be referred to as a punching element and be frontally formed with a punching edge or the like. On the opposite or bottom is a perforated die 300 with a punched recess 310 through which also the derivative of the workpieces 110 and 120 Separated punching waste is made possible. At the end of the setting process is the elementary 220 on the opposite side protrudes or protrudes over the lower workpiece 120 out, like out 1b seen. The joining element 200 can also be set without waste by local plastic displacement of the workpiece materials at the joint. The use of a punching die 300 or the like is not mandatory.

In einem zweiten Prozessschritt erfolgt ein Warmverpressen des gesetzten Fügeelements 200 durch Erwärmen und Aufbringen einer axialen Stauchkraft. Dies erfolgt mit Hilfe von zwei sich gegenüberliegenden Elektroden 410 und 420, wie in 1b veranschaulicht, die mit dem Fügeelementkopf 210 und dem überstehenden Stirnabschnitt des Fügeelementschafts 220 in Kontakt gebracht werden, so dass zwischen den Elektroden 410 und 420 und durch das Fügeelement 200 ein Strom I zur Widerstandserwärmung fließen und eine in axialer Richtung wirkende Stauchkraft F auf das erwärmte Fügeelement 200 aufgebracht werden kann. Alternativ oder ergänzend kann auch eine induktive Erwärmung erfolgen. In a second process step, a hot pressing of the set joining element takes place 200 by heating and applying an axial compression force. This is done by means of two opposing electrodes 410 and 420 , as in 1b illustrated with the Joining element head 210 and the projecting end portion of the joining element shaft 220 be brought into contact, so that between the electrodes 410 and 420 and by the joining element 200 a current I for resistance heating and an axially acting compression force F flow to the heated joining element 200 can be applied. Alternatively or additionally, an inductive heating can take place.

Durch das Stauchen des erwärmten Fügeelements 200 kommt es zu einer Hinterschnittbildung zwischen dem Fügeelement 200 und den Werkstücken 110 und 120, wie in 1c gezeigt. Ferner wird ein an der Unter- bzw. Außenseite des unteren Werkstücks 120 beim Setzen des Fügeelements 200 entstandener Stanzdurchzug oder -grat 121 verpresst und/oder zurückgeformt. Beim Warmverpressen kann also sowohl eine Warmumformung des Fügeelements 200 als auch eine lokale Umformung der Werkstücke 110 und/oder 120 an der Fügestelle erfolgen. Um die Hinterschnittbildung zwischen dem Fügeelementschaft 220 und dem unteren Werkstück 120 zu begünstigen, weist die untere Elektrode 420 eine formgebende Kavität 425 auf. Durch das Stauchen des Fügeelementschafts 220 wird auch die Kopfanlage des Fügeelementkopfs 210 am oberen Werkstück 110 verbessert, was bspw. im Hinblick auf die Abdichtung der Fügestelle vorteilhaft ist. Gegebenenfalls kommt es beim Erwärmen und/oder Stauchen auch zu einer stoffschlüssigen Verbindung (Verschweißung) zwischen dem Elementschaft 220 und dem unteren Werkstück 120. (Bei anderer Materialkombination kann bspw. auch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelementkopf 210 und dem oberen Werkstück 110 erfolgen.) By upsetting the heated joining element 200 There is an undercut between the joining element 200 and the workpieces 110 and 120 , as in 1c shown. Further, one at the bottom or outside of the lower workpiece 120 when setting the joining element 200 resulting punching pass or burr 121 pressed and / or reshaped. When hot pressing can thus both a hot forming of the joining element 200 as well as a local forming of the workpieces 110 and or 120 done at the joint. To the undercut formation between the joining element shaft 220 and the lower workpiece 120 to favor, the lower electrode points 420 a shaping cavity 425 on. By upsetting the joining element shaft 220 is also the head system of the joining element head 210 on the upper workpiece 110 improved, which is advantageous, for example, in terms of the sealing of the joint. Optionally, heating and / or compression also result in a cohesive connection (welding) between the element shaft 220 and the lower workpiece 120 , (In the case of a different combination of materials, for example, a cohesive connection between the joining element head can also be provided 210 and the upper workpiece 110 respectively.)

Die beiden Prozessschritte stellen unterschiedliche Arbeitsgänge dar, die mit verschiedenen Werkzeugen ausgeführt werden. Gegebenenfalls werden hierzu die Werkstücke 110/120 von einer Arbeitsstation zu einer anderen Arbeitsstation bewegt. The two process steps represent different operations that are performed with different tools. If necessary, this will be the workpieces 110 / 120 moved from one workstation to another workstation.

1c zeigt die fertige Fügeverbindung. Der aus den gefügten Werkstücken 110 und 120 gebildete Werkstückverbund ist mit 100 bezeichnet. Zwischen den Werkstücken 110 und 120 kann optional eine Klebstoff- oder Dichtstoffschicht 130 vorgesehen sein. 1c shows the finished joint connection. The one from the joined workpieces 110 and 120 formed workpiece composite is with 100 designated. Between the workpieces 110 and 120 Optionally, an adhesive or sealant layer 130 be provided.

Das im Verfahren gemäß 1 verwendete Fügeelement 200 weist im unverformten Zustand einen zylindrischen Elementschaft 220 auf. 2 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit eines Fügeelements 200’ mit einem konischen Elementschaft 220’, wobei der stirnseitige Querschnitt kleiner als der kopfseitige Querschnitt ist. Dadurch wird beim Warmverpressen das Stauchen des Elementschafts 220’ an dem vom Elementkopf 210’ abgewandten axialen Ende begünstigt. The method according to 1 used joining element 200 has a cylindrical element shaft in the undeformed state 220 on. 2 shows an embodiment of a joining element 200 ' with a conical element 220 ' , wherein the frontal cross section is smaller than the head side cross section. As a result, the compression of the elementary system during hot pressing 220 ' at the head of the element 210 ' opposite axial end favors.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100: Werkstückverbund Workpiece composite
110 110: Werkstück (oberes Werkstück) Workpiece (upper workpiece)
120 120: Werkstück (unteres Werkstück) Workpiece (lower workpiece)
130 130: Klebstoff, Dichtstoff Adhesive, sealant
121 121: Stanzdurchzug punching passage
200 200: Fügeelement (Fügehilfsteil) Joining element (joining auxiliary part)
210 210: Elementkopf element head
220 220: Elementschaft element shaft
300 300: Stanzmatrize punch die
310 310: Stanzausnehmung Stanzausnehmung
410 410: Elektrode (obere Elektrode) Electrode (upper electrode)
420 420: Elektrode (untere Elektrode) Electrode (lower electrode)
425 425: Kavität cavity
E e: Fügeimpuls Add pulse
F F: Stauchkraft upsetting force
I I: Strom electricity

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005038973 A1 [0003]
DE 102005054242 A1 [0003]

Claims

Method for producing a joint connection between at least two sheet-like workpieces ( 110 . 120 ), comprising: - positioning and aligning the workpieces to be joined ( 110 . 120 ), which are arranged overlapping in a joint area; - setting a joining element ( 200 ), to which this at a joint in the joining area with high kinetic energy (E) pre-hole free in the workpieces to be joined ( 110 . 120 ) is driven; - hot pressing of the set joining element ( 200 ) by heating and applying an axial compression force (F) on the heated joining element ( 200 ).

A method according to claim 1, characterized in that for the setting of the joining element ( 200 ) and for the subsequent hot pressing different tools are used.

A method according to claim 2, characterized in that the tools are fastened to robot-operated C-brackets.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that when setting the joining element ( 200 ) a punching die ( 300 ) is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the frontal cross section of the elemental ( 220 ) of the joining element used ( 200 ) is smaller than the head-side cross-section.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that during hot pressing a cohesive bonding of the joining element ( 200 ) with at least one of the workpieces ( 110 . 120 ) he follows.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the workpieces ( 110 . 120 ) additionally glued together ( 130 ) become.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the workpieces ( 110 . 120 ) and in particular the lower workpiece ( 120 ) experiences a local heat treatment during hot pressing.

Workpiece assembly ( 100 ) comprising at least two workpieces ( 110 . 120 ), which are joined to at least one joint with a joint connection produced by a method according to one of the preceding claims.

Workpiece assembly ( 100 ) according to claim 9, comprising two workpieces ( 110 . 120 ), wherein the upper workpiece ( 110 ) of a flat FRP material or an aluminum sheet material and the lower workpiece ( 120 ) is formed of a high-strength steel sheet material.