DE102015207517A1

DE102015207517A1 - Fügesystem

Info

Publication number: DE102015207517A1
Application number: DE102015207517.6A
Authority: DE
Inventors: Lars Wiese; Christoffer Meyer; Thomas Noack; Sebastian Kuntze
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2016-11-10

Abstract

Fügesystem zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile. Bei einem Verfahren des Fügesystems werden erste und zweite Bauteile (B1, B2) aufeinander angeordnet, so dass sie sich zumindest in einem Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappen, und wird ein elektrisch leitfähiges Fügeelement (50) mit einem Schaftabschnitt (51) und einem an einem ersten Längsende (51.1) dessen vorgesehenen Kopfabschnitt (52) bereitgestellt. Das Fügeelement wird im Überlappungsabschnitt mit einem dem Kopfabschnitt abgewandten zweiten Längsende (51.2) des Schaftabschnitts voran unter Druckkraft in das erste Bauteil eingebracht, bis der Schaftabschnitt das erste Bauteil durchdrungen hat und das zweite Längsende das zweite Bauteil kontaktiert. Es wird ein Schweißstromfluss durch das Fügeelement und das zweite Bauteil hindurch realisiert, so dass das zweite Längsende des Schaftabschnitts und das zweite Bauteil miteinander verschweißt werden. Das in das erste Bauteil Einbringen des Fügeelements wird durchgeführt, indem das zweite Längsende des Schaftabschnitts in Kontaktanlage an das erste Bauteil gedrückt wird und ein Anfangsstromfluss durch Fügeelement und erstes Bauteil hindurch realisiert wird, so dass dieses im Kontaktbereich zum Fügeelement fließfähig gemacht wird, und der Schaftabschnitt per Druckkraft durch den fließfähigen Kontaktbereich des ersten Bauteils hindurchgedrückt wird, wobei der Kopfabschnitt in Kontakt mit dem ersten Bauteil gelangt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fügesystem, welches ein wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiertes Verfahren, eine wie im Oberbegriff des Anspruch 6 definierte Fügeeinrichtung und ein wie im Oberbegriff des Anspruchs 10 definiertes Fügelement zum Zusammenfügen mindestens zweier insbesondere plattenförmiger Bauteile umfasst.
Ein Fügesystem der eingangsgenannten Art ist beispielsweise aus DE 10 2004 025 492 A1 bekannt. Solche Fügesysteme wurden insbesondere im Fahrzeugbau entwickelt, um zur Senkung kraftstoffverbrauchsrelevanter Fahrzeuggewichte Karosseriestrukturen im Mischbau aus unterschiedlichen Werkstoffen wie konventionellem Karosseriestahl, hochfestem FeMn-Stahl und Leitmetallen wie Aluminium und Magnesium fertigen zu können.
Allerdings treten bei solchen Fügeverbindungen einige insbesondere durch die Unterschiedlichkeit der Fügepartnermaterialien bedingte Probleme auf. Beispielsweise wird das thermische Fügen von Stahl und Aluminium durch unterschiedliche elektrische und thermische Eigenschaften wie Dehnung, Leitfähigkeit und Schmelzpunkt bestimmt. Das Hauptproblem besteht dabei in der geringen Löslichkeit von Eisen und Aluminium für einander, so dass sich beim Fügen an der Grenzfläche der Materialien spröde, intermetallische Phasen bilden können, welche die Verbindungseigenschaften äußerst negativ beeinflussen. Diese intermetallischen Phasen bilden sich infolge von Diffusion bereits ab etwa 350°C und sind daher prozesstechnisch kaum zu vermeiden.
Wird ein bedingt schweißgeeigneter Stahl durch das Fügeverfahren stark thermomechanisch belastet, können unzulässige Unregelmäßigkeiten (z.B. Risse) auftreten. Dies ist z.B. beim Widerstandspunktschweißen von FeMn-Stahl der Fall. Beim Schweißen von niedriglegiertem Stahl und FeMn-Stahl kann bei der Werkstoffdurchmischung in der Schmelzlinse ein metallurgisch ungünstiges Gefüge auftreten (z.B. Martensit, hohe Härte, geringe Dehnung).
Bei dem aus DE 10 2004 025 492 A1 bekannten Fügesystem wird zur Umgehung der o.g. Probleme ein Fügeverfahren zum Zusammenfügen mindestens zweier insbesondere aus Flachmaterial bestehender Bauteile vorgeschlagen. Gemäß dem Fügeverfahren werden ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil aufeinander angeordnet, so dass sich die ersten und zweiten Bauteile zumindest in einem Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappen. Außerdem wird ein elektrisch leitfähiges Fügeelement, welches einen Schaftabschnitt und einen an einem ersten Längsende des Schaftabschnitts vorgesehenen Kopfabschnitt hat und welches aus einem schweißgeeigneten Material besteht, bereitgestellt. Das Fügeelement wird im Überlappungsabschnitt mit einem dem Kopfabschnitt abgewandten schneidfähigen zweiten Längsende des Schaftabschnitts voran mechanisch schneidend in das erste Bauteil eingebracht, bis der Schaftabschnitt das erste Bauteil durchdrungen hat und das zweite Längsende des Schaftabschnitts das zweite Bauteil kontaktiert. Dann wird ein elektrischer Schweißstromfluss durch das Fügeelement und das vom zweiten Längsende des Schaftabschnitts kontaktierte elektrisch leitfähige zweite Bauteil hindurch realisiert, so dass das zweite Längsende des Schaftabschnitts und das zweite Bauteil durch Widerstandsschweißen miteinander verschweißt werden.
Da bei diesem Fügeverfahren das Fügeelement mechanisch scheidend durch das erste Bauteil hindurchgetrieben wird, muss einerseits das Fügeelement eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, um der Schneidbelastung standzuhalten, und dürfen andererseits eine von dem Fügeelement zu durchdringende Dickenabmessung und eine Festigkeit des ersten Bauteils nicht zu groß sein, um die Schneidbelastung für das Fügeelement nicht zu groß werden zu lassen. Außerdem wird durch das mechanisch scheidende Hindurchtreiben des Fügeelements vonseiten des ersten Bauteils aus keine ausreichende Abdichtung der Fügestelle gegen das Eindringen von Fremdstoff wie Feuchtigkeit erreicht. Dadurch ist eine solche Fügestelle z.B. anfällig für Spaltkorrosion. Im Ergebnis unterliegt dieses bekannte Fügesystem einigen Beschränkungen, welche sich besonders nachteilig beim Zusammenfügen mehrerer metallischer Bauteile auswirken können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das wie eingangsgenannte Fügesystem so fortzubilden, dass die o.g. Beschränkungen entfallen oder zumindest gelindert werden.
Dies wird bezüglich des Verfahrens mit den Verfahrensschritten im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, bezüglich der Fügeeinrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 und bezüglich des Fügeelements mit den Merkmalen im kenn-zeichnenden Teil des Anspruchs 10 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
In dem Fügesystem gemäß der Erfindung wird ein Verfahren (im Folgenden Fügeverfahren) zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile bereitgestellt. Gemäß dem Fügeverfahren werden ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil aufeinander angeordnet, so dass sich die ersten und zweiten Bauteile zumindest in einem Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappen. Die ersten und zweiten Bauteile sind insbesondere plattenförmig ausgebildet. Gemäß dem Fügeverfahren wird ein elektrisch leitfähiges Fügeelement mit einem Schaftabschnitt und einem an einem ersten Längsende des Schaftabschnitts vorgesehenen Kopfabschnitt bereitgestellt. Das Fügeelement wird im Überlappungsabschnitt mit einem dem Kopfabschnitt abgewandten zweiten Längsende des Schaftabschnitts voran unter Druckkraft in das erste Bauteil eingebracht, bis der Schaftabschnitt das erste Bauteil durchdrungen hat und das zweite Längsende des Schaftabschnitts das zweite Bauteil kontaktiert. Außerdem wird ein elektrischer Schweißstromfluss durch das Fügeelement und das vom zweiten Längsende des Schaftabschnitts kontaktierte elektrisch leitfähige zweite Bauteil hindurch realisiert, so dass das zweite Längsende des Schaftabschnitts und das zweite Bauteil durch Widerstandsschweißen miteinander verschweißt werden.
Das erfindungsgemäße Fügeverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das in das erste Bauteil Einbringen des Fügeelements durchgeführt wird, indem das zweite Längsende des Schaftabschnitts in Kontaktanlage an das erste Bauteil gedrückt wird und ein elektrischer Anfangsstromfluss bzw. Vorimpuls durch das Fügeelement und das elektrisch leitfähige erste Bauteil hindurch realisiert wird, so dass das erste Bauteil im Kontaktbereich zum Fügeelement fließfähig gemacht wird. Der Schaftabschnitt wird angetrieben durch die Druckkraft durch den fließfähig gemachten Kontaktbereich des ersten Bauteils hindurchgedrückt, wobei der Kopfabschnitt in Kontakt mit dem ersten Bauteil gelangt.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren das elektrisch leitfähige erste Bauteil im Kontaktbereich zum Fügeelement fließfähig gemacht wird, kann der Schaftabschnitt des Fügeelements relativ leicht durch das erste Bauteil hindurchgedrückt werden. Damit unterliegt das in das erste Bauteil Einbringen des Fügeelements keinen wie eingangs beschriebenen mechanischen Beschränkungen mehr. Außerdem kommt es dadurch, dass das Fügeelement durch fließfähig gemachtes Material des ersten Bauteils hindurchgedrückt wird, zu einer innigeren Verbindung zwischen Fügeelement und erstem Bauteil. Dadurch wird vonseiten des ersten Bauteils aus eine bessere Abdichtung der Fügestelle gegen das Eindringen von Fremdstoff wie Feuchtigkeit erreicht. Im Ergebnis entfallen mit dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren die o.g. Beschränkungen oder werden zumindest gelindert, so dass insbesondere mehrere metallische Bauteile besser zusammengefügt werden können.
Bevorzugt sind die beiden zusammenzufügenden Bauteile aus Metall hergestellt, so dass sie jeweils elektrisch leitfähig sind. Noch bevorzugter sind die beiden Bauteile jeweils als Metallblech ausgebildet und werden zum Zusammenfügen flächig aufeinandergelegt bzw. aufeinander angeordnet, so dass sich die beiden Bauteile im zusammenzufügenden Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappen. Das erste Bauteil ist bevorzugt aus einem Nichteisenmetall bzw. Leichtmetall wie insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Magnesium oder einer Magnesiumlegierung hergestellt. Das zweite Bauteil ist bevorzugt aus einem Eisenmetall wie insbesondere formgehärteten Stahl hergestellt. Das zweite Bauteil bildet bevorzugt ein Basisblech, wohingegen das erste Bauteil bevorzugt ein Deckblech bildet.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens wird beim durch den fließfähig gemachten Kontaktbereich des ersten Bauteils Hindurchdrücken des Schaftabschnitts des Fügeelements ein Material des ersten Bauteils durch Verdrängung dazu gebracht, in Richtung zum Kopfabschnitt des Fügeelements hin zu fließen, so dass der Kopfabschnitt in das verdrängte Material des ersten Bauteils eintaucht.
Durch dieses Eintauchen des Kopfabschnitts des Fügeelements in das fließfähig gemachte Material des ersten Bauteils entsteht eine innige Verbindung zwischen dem Kopfabschnitt und dem ersten Bauteil, wodurch die Fügestelle noch besser gegen das Eindringen von Fremdstoff wie Feuchtigkeit abgedichtet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens wird das von dem Schaftabschnitt des Fügeelements verdrängte Material des ersten Bauteils beim Fließen so geführt, dass der Kopfabschnitt des Fügeelements mit Ausnahme einer mit der Druckkraft beaufschlagten zu dem Schaftabschnitt entgegengesetzten Elektrodenkontaktierungsfläche dessen vollständig von dem verdrängten Material des ersten Bauteils umschlossen wird.
Damit kann das fließfähig gemachte Material des ersten Bauteils spaltlos und komplett abgedichtet an den Kopfabschnitt des Fügeelements angeformt werden, wodurch die Fügestelle noch sicherer gegen Spaltkorrosion isoliert ist und damit ein Einsatz einer solchen Fügestelle z.B. bei der Fahrzeugherstellung vorteilhaft auch in als Fahrzeug-Nassbereiche einzustufenden Bereichen eines Fahrzeugs möglich ist.
Gemäß noch einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens wird eine Oberfläche des den Kopfabschnitt des Fügeelements umschließenden Materials des ersten Bauteils mit einer definierten Struktur versehen, welche zur Haftungsverminderung und/oder zum Bereitstellen einer Funktionsfläche dient.
Mit anderen Worten kommt zur Ausformung der Oberfläche des den Kopfabschnitt des Fügeelements umschließenden Materials des ersten Bauteils eine Formoberfläche zum Einsatz, welche als Negativ die definierte Struktur aufweist. Mit der definierten Struktur kann vorteilhaft ein Anhaften des Materials an der Formoberfläche vermieden werden und kann deren Verschleiß reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die definierte Struktur an der Oberfläche des den Kopfabschnitt des Fügeelements umschließenden Materials als eventuelle Funktionsfläche dienen.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens wird der Schweißstromfluss initialisiert, nachdem der Anfangsstromfluss beendet wurde und das von dem Schaftabschnitt des Fügeelements verdrängte und mit dem Kopfabschnitt in Kontakt stehende Material des ersten Bauteils erstarrt ist. Somit wird vorteilhaft sichergestellt, dass die innige Verbindung von Kopfabschnitt und erstem Bauteil im nachfolgenden Fügeschritt nicht wieder aufbricht.
Bevorzugt wird der Schweißstromfluss mit einem höheren Maximalstromwert realisiert als der Anfangsstromfluss. Dabei kann der Anfangsstromfluss mit einem linearen Stromanstieg oder mit einem impulsförmigen Stromanstieg realisiert werden. Beim linearen Stromanstieg wird das Material des ersten Bauteils im Kontaktbereich plastifiziert (in einen teigigen Zustand gebracht). Beim impulsförmigen Stromanstieg kommt es dahingegen zu einer Verschmelzflüssigung des Materials im Kontaktbereich.
In dem Fügesystem gemäß der Erfindung wird auch eine Fügeeinrichtung zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Fügeeinrichtung ist bevorzugt eingerichtet zum Ausführen des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Fügeverfahrens in allen seinen Ausführungsformen.
Die erfindungsgemäße Fügeeinrichtung weist eine erste und eine zweite Elektrode, Fügeelementbereitstellungsmittel und Stromsteuermittel auf. Die beiden Elektroden sind einander gegenüberliegend angeordnet, um zwischen einander ein erstes und ein zweites Bauteil, welche sich zumindest in einem Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappend aufeinander angeordnet sind, mit ihrem Überlappungsabschnitt aufzunehmen. Die ersten und zweiten Bauteile sind insbesondere plattenförmig ausgebildet. Die Fügeelementbereitstellungsmittel sind vorgesehen und eingerichtet zum Bereitstellen von elektrisch leitfähigen Fügeelementen, die jeweils einen Schaftabschnitt und einen an einem ersten Längsende des Schaftabschnitts vorgesehenen Kopfabschnitt haben, und zum Positionieren eines jeweiligen Fügeelements, so dass das positionierte Fügeelement mit einem dem Kopfabschnitt abgewandten zweiten Längsende des Schaftabschnitts dem ersten Bauteil zugewandt ist. Die beiden Elektroden sind zusammenfahrbar, um mit einem Kontaktierungsende der ersten Elektrode unter Druckkraft eine zum Schaftabschnitt entgegengesetzte Elektrodenkontaktierungsfläche des Kopfabschnitts des positionierten Fügeelements zu kontaktieren und mit einem Kontaktierungsende der zweiten Elektrode als Gegenhalter eine dem ersten Bauteil abgewandte Seite des zweiten Bauteils zu kontaktieren. Die Stromsteuermittel sind eingerichtet, die Elektroden gesteuert mit elektrischem Strom zu beaufschlagen, um einen elektrischen Schweißstromfluss zum per Widerstandsschweißen miteinander Verschweißen des Fügeelements und des elektrisch leitfähigen zweiten Bauteils zu realisieren.
Die erfindungsgemäße Fügeeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das die Stromsteuermittel eingerichtet sind, bei zusammengefahrenen Elektroden einen elektrischen Vorimpuls bzw. Anfangsstromfluss durch das Fügeelement und das elektrisch leitfähige erste Bauteil hindurch zu realisieren. Der Anfangsstromfluss ist realisierbar, um das erste Bauteil in einem Kontaktbereich, in dem das zweite Längsende des Schaftabschnitts des positionierten Fügeelements durch die erste Elektrode in Kontaktanlage an einer der ersten Elektrode zugewandten freien Seite des ersten Bauteils gedrückt ist, fließfähig zu machen, so dass der Schaftabschnitt angetrieben durch die Druckkraft der ersten Elektrode im Kontaktbereich durch das erste Bauteil hindurchdrückbar ist, bis das zweite Längsende das zweite Bauteil kontaktiert und der Kopfabschnitt des Fügeelements in Kontakt mit dem ersten Bauteil gelangt. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Fügeeinrichtung in eine Schweißzange integriert, wie sie z.B. zum Widerstandspunktschweißen eingesetzt wird.
Dadurch, dass mit der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung das elektrisch leitfähige erste Bauteil im Kontaktbereich zum Fügeelement fließfähig gemacht werden kann, kann der Schaftabschnitt des Fügeelements relativ leicht durch das erste Bauteil hindurchgedrückt werden. Außerdem kann dadurch, dass das Fügeelement durch fließfähig gemachtes Material des ersten Bauteils hindurchgedrückt wird, eine innigere Verbindung zwischen Fügeelement und erstem Bauteil erzielt werden. Im Ergebnis entfallen mit der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung die o.g. Beschränkungen oder werden zumindest gelindert, so dass insbesondere mehrere metallische Bauteile besser zusammengefügt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung ist ein hülsenförmiger Niederhalter vorgesehen, der einen kreiszylindrischen Innenraum hat, durch den hindurch sich die erste Elektrode relativbeglich dazu erstreckt. Der Niederhalter ist parallel zur ersten Elektrode verfahrbar, um eine Längsendfläche des Niederhalters unter Druckkraft an der freien Seite des ersten Bauteils zur Anlage zu bringen und das positionierte Fügeelement unter umfänglichem Umschließen eines Außendurchmessers des Kopfabschnitts im Innenraum des Niederhalters zwischen dem Kontaktierungsende der ersten Elektrode und der freien Seite des ersten Bauteils aufzunehmen. Ausgehend von der Längsendfläche des Niederhalters ist im Innenraum des Niederhalters eine ringförmige Formkavität mit einer bestimmten axialen Tiefe und einem Innendurchmesser definiert, der größer als der Außendurchmesser des Kopfabschnitts ist.
Durch diese Konfiguration des Niederhalters mit der Formkavität kann von dem Schaftabschnitt des Fügeelements im Fügeprozess verdrängtes Material des ersten Bauteils beim Fließen in der Formkavität aufgenommen und dort so geführt werden, dass der Kopfabschnitt des Fügeelements mit Ausnahme der Elektrodenkontaktierungsfläche dessen vollständig von dem verdrängten Material des ersten Bauteils umschlossen wird. Damit kann im Fügeprozess das fließfähig gemachte Material des ersten Bauteils spaltlos und komplett abgedichtet an den Kopfabschnitt des Fügeelements angeformt werden, wodurch die Fügestelle noch sicherer gegen Spaltkorrosion isoliert ist und damit ein Einsatz einer solchen Fügestelle z.B. bei der Fahrzeugherstellung vorteilhaft auch in als Fahrzeug-Nassbereiche einzustufenden Bereichen eines Fahrzeugs möglich ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung weist der Niederhalter eine die Längsendfläche definierende Außenhülse und eine den Innenraum des Niederhalters definierende Innenhülse auf. Die Innenhülse ist axial in die Außenhülse eingeschoben, so dass ein Ringflansch, der an einem zur Längsendfläche korrespondierenden Längsende der Innenhülse vorgesehen ist, in den Innendurchmesser der Formkavität eingepasst ist. Eine axiale Breite bzw. Dickenabmessung des Ringflansches ist um eine vorbestimmte Differenz kleiner als die axiale Tiefe der Formkavität, so dass durch axiales in der Außenhülse Verschieben der Innenhülse der Ringflansch in der Formkavität um die vorbestimmte Differenz axial verstellbar ist und dadurch die axiale Tiefe der Formkavität veränderbar ist.
Durch diese Konfiguration des Niederhalters kann durch Verändern der axialen Tiefe der Formkavität deren Aufnahmevolumen verändert werden, so dass eine Anpassung der Formkavität an unterschiedliche Mengen an beim durch das erste Bauteil Hindurchdrücken des Schaftabschnitts des Fügeelements verdrängtem fließfähigem Material ermöglich ist. Solch unterschiedliche Materialverdrängungsmengen können z.B. durch unterschiedliche Plattenstärken des ersten Bauteils bedingt sein.
Gemäß noch einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung ist eine die axiale Tiefe der Formkavität begrenzende Innenfläche des Niederhalters mit einer definierten Struktur versehen. Die Struktur ist so ausgebildet, dass sie haftungsvermindernde Eigenschaften aufweist, um ein Anhaften des beim durch den Kontaktbereich des ersten Bauteils Hindurchdrücken verdrängten fließfähigen Materials an der Innenfläche der Formkavität zu vermeiden. Zusätzlich oder alternativ kann die Struktur ausgebildet sein, um den Verschleiß an der Innenfläche zu reduzieren. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Struktur ausgebildet sein, um an dem umformten Kopfabschnitt des Fügeelements eine Funktionsfläche bereitzustellen. Die Struktur der Innenfläche des Niederhalters kann z.B. rasterförmig, rautenförmig, globular oder linienförmig aufgebaut sein.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung besitzt der Niederhalter außerdem eine Entgasungsbohrung, um aus der Fügezone bzw. der Formkavität den Sauerstoff entweichen zu lassen, welcher als Störgröße hinsichtlich der Wulstoberfläche (umformter Kopfabschnitt) angesehen wird und vom Fügeprozess fern gehalten werden sollte.
In dem Fügesystem gemäß der Erfindung wird auch ein Fügeelement zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Fügeelement ist bevorzugt eingerichtet zur Verwendung in dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Fügeverfahren in allen seinen Ausführungsformen. Außerdem ist das erfindungsgemäße Fügeelement bevorzugt eingerichtet, als Fügeelement in der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung in allen ihren Ausführungsformen verwendet zu werden.
Das erfindungsgemäße Fügeelement weist einen zylindrischen Schaftabschnitt und einen an einem Längsende des Schaftabschnitts vorgesehenen zylindrischen Kopfabschnitt auf und ist elektrisch leitfähig. Das erfindungsgemäße Fügeelement zeichnet sich dadurch aus, dass eine Mantelfläche des Kopfabschnitts eine Oberflächenstruktur aufweist, die so definiert (z.B. gerastert) ist, dass sie verbesserte Haftungseigenschaften bereitstellt. Insbesondere ist die Mantelfläche so definiert, dass sie verbesserte Haftungseigenschaften für mittels der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung um die Mantelfläche des Kopfabschnitts zu formendes fließfähiges Material des ersten Bauteils bereitstellt.
Durch die Konfiguration der Mantelfläche des Kopfabschnitts mit der verbesserte Haftungseigenschaften bereitstellenden Oberflächenstruktur kann eine innige Verbindung zwischen dem Kopfabschnitt und dem ersten Bauteil hergestellt werden, wodurch eine mit dem erfindungsgemäßen Fügeelement erzeugte Fügestelle gut gegen das Eindringen von Fremdstoff wie Feuchtigkeit abgedichtet werden kann. Insbesondere kann damit die Fügestelle gegen Spaltkorrosion isoliert werden, womit ein Einsatz einer solchen Fügestelle z.B. bei der Fahrzeugherstellung vorteilhaft auch in als Fahrzeug-Nassbereiche einzustufenden Bereichen eines Fahrzeugs möglich ist. Im Ergebnis können mit dem erfindungsgemäßen Fügeelement die o.g. Beschränkungen zumindest gelindert werden, so dass insbesondere mehrere metallische Bauteile besser zusammengefügt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeelements ist dieses mit einem Werkstoff gebildet, der die notwendige Festigkeit und Schmelztemperatur zum Durchstanzen und Durchschmelzen des ersten Bauteils und eine gute schweißmetallurgische Verträglichkeit mit dem zweiten Bauteil aufweist.
Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung – soweit dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert sein können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden.
1 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Fügeeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem ersten Betriebszustand.
2 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht die Fügeeinrichtung von 1 in einem zweiten Betriebszustand.
3 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht die Fügeeinrichtung von 1 in einem dritten Betriebszustand.
4 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht die Fügeeinrichtung von 1 in einem vierten Betriebszustand.
5 zeigt in schematischer Längsschnittansicht einen Niederhalter der Fügeeinrichtung von 1 in einer ersten Axialeinstellung.
6 zeigt in schematischer Längsschnittansicht den Niederhalter von 6 in einer zweiten Axialeinstellung.
7 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht einen Teil einer Bauteilpaarung zweier Bauteile in einem ersten Fügestadium.
8 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht die Bauteilpaarung von 7 in einem zweiten Fügestadium.
9 zeigt eine Oberflächenstruktur einer in einem Bereich X in 7 befindlichen Mantelfläche eines Kopfabschnitts eines Fügeelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt in schematischer Teilansicht ein dem Kopfabschnitt abgewandtes Längsende eines Schaftabschnitts des Fügeelements.
11 zeigt eine schematische Schnittansicht gesehen entlang einer Linie A-A in 7.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 11 erfindungsgemäße Ausführungsformen eines Fügesystems zum Zusammenfügen mindestens zweier insbesondere plattenförmiger Bauteile B1, B2 beschrieben werden.
Das Fügesystem umfasst eine Fügeeinrichtung 1 zum Zusammenfügen der mindestens zwei Bauteile B1, B2. Die Fügeeinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist als eine Schweißzange (nicht vollständig dargestellt) ausgebildet, wie sie zum Widerstandspunktschweißen eingesetzt wird.
Die beiden zusammenzufügenden Bauteile B1, B2 sind aus Metall hergestellt, so dass sie jeweils elektrisch leitfähig sind. Genauer sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung die beiden Bauteile B1, B2 jeweils als Metallblech ausgebildet und zum Zusammenfügen flächig aufeinandergelegt bzw. aufeinander angeordnet, so dass sich die beiden Bauteile in einem zusammenzufügenden Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappen, wie in 1 gezeigt. Ein erstes Bauteil B1 der beiden Bauteile B1, B2 ist aus einem Nichteisenmetall bzw. Leichtmetall wie insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Ein zweites Bauteil B2 der beiden Bauteile B1, B2 ist aus einem Eisenmetall wie insbesondere formgehärteten Stahl hergestellt. Das zweite Bauteil B2 bildet in der vorliegenden Ausführungsform ein Basisblech, wohingegen das erste Bauteil B1 ein Deckblech bildet.
Die als Schweißzange ausgebildete Fügeeinrichtung 1 hat eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 3, Fügeelementbereitstellungsmittel 10 (siehe 1), einen hülsenförmigen Niederhalter 20 und eine Steuervorrichtung 30 (siehe 2 und 3) zum mechanischen und elektrischen Steuern der Fügeeinrichtung 1. Zum elektrischen Steuern der Fügeeinrichtung 1 sind Stromsteuermittel (eine Stromsteuereinheit) 31 in die Steuervorrichtung 30 integriert.
Die hier nur schematisch dargestellten Fügeelementbereitstellungsmittel 10 sind vorgesehen und eingerichtet, um im Rahmen des erfindungsgemäßen Fügesystems elektrisch leitfähige Fügeelemente bzw. Zusatzelemente 50 zum Zusammenfügen der beiden Bauteile B1, B2 bereitzustellen. Die Fügeelemente 50 bestehen jeweils aus einem metallischen Werkstoff, der eine ausreichend hohe Festigkeit und Schmelztemperatur sowie eine gute schweißmetallurgische Verträglichkeit mit dem hochfesten Stahlwerkstoff des zweiten Bauteils B2 aufweist.
Die Fügeelemente 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung sind jeweils in Form eines kreiszylindrischen Niets ausgebildet. Genauer weist, wie in 1 gezeigt, jedes Fügeelement 50 einen kreiszylindrischen Schaftabschnitt 51 und einen an ein erstes Längsende 51.1 des Schaftabschnitts 51 angeformten kreiszylindrischen Kopfabschnitt 52 auf, welcher einen gegenüber dem Schaftabschnitt 51 vergrößerten Außendurchmesser hat. Der Kopfabschnitt 52 ist so an den Schaftabschnitt 51 angeformt, dass im mit den Bauteilen B1, B2 zusammengefügten Zustand des Fügeelements 50 Kopfzugbelastungen reduziert werden. Hohe Kopfzugfestigkeiten können dabei z.B. durch vorteilhafte Auslegung des Kopfdurchmessers und der Kopfdicke erreicht werden.
Die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3 sind einander gegenüberliegend angeordnet und in einer Arbeitsrichtung R1 (siehe 1) relativ zueinander verfahrbar, so dass die beiden Elektroden 2, 3 gesteuert durch die Steuervorrichtung 30 über nicht dargestellte Antriebsmittel auseinanderfahrbar und zusammenfahrbar sind. Die Stromsteuermittel 31 sind eingerichtet, zum Zusammenfügen der beiden Bauteile B1, B2 die ersten und zweiten Elektroden 2, 3 gesteuert mit elektrischem Strom zu beaufschlagen.
Der Niederhalter 20 hat einen kreiszylindrischen Innenraum 21 (siehe 5), durch den hindurch sich die erste Elektrode 2 relativbeglich dazu erstreckt, und ist gesteuert durch die Steuervorrichtung 30 parallel zu und bevorzugt unabhängig von der ersten Elektrode 2 verfahrbar. Im Innenraum 21 des Niederhalters 20 ist ausgehend von einer Längsendfläche 22 eine ringförmige Formkavität 21.1 (siehe 1, 5 und 6) mit einer bestimmten axialen Tiefe (in Arbeitsrichtung R1) und einem Innendurchmesser definiert, der größer als der Außendurchmesser des Kopfabschnitts 52 der jeweiligen Fügeelemente 50 ist.
Für das Zusammenfügen der beiden Bauteile B1, B2 sind die erste Elektrode 2 gemeinsam mit dem Niederhalter 20 und die zweite Elektrode 3 gesteuert durch die Steuervorrichtung 30 auseinanderfahrbar, um zwischen einander den zusammenzufügenden Überlappungsabschnitt der ersten und zweiten Bauteile B1, B2 aufzunehmen. Die Fügeelementbereitstellungsmittel 10 sind dabei vorgesehen und eingerichtet, um ein für den Fügeprozess benötigtes jeweiliges Fügeelement 50 so zu positionieren, dass das positionierte Fügeelement 50 mit einem dem Kopfabschnitt 52 abgewandten freien zweiten Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 dem ersten Bauteil B1 zugewandt ist, wie in 1 gezeigt. Die beiden Elektroden 2, 3 sind dann gesteuert durch die Steuervorrichtung 30 zusammenfahrbar, um mit einem Kontaktierungsende der ersten Elektrode 2 unter Druckkraft eine zum Schaftabschnitt 51 entgegengesetzte Elektrodenkontaktierungsfläche 52.1 des Kopfabschnitts 52 des positionierten Fügeelements 50 zu kontaktieren und mit einem Kontaktierungsende der zweiten Elektrode 3 als Gegenhalter eine dem ersten Bauteil B1 abgewandte freie Seite des zweiten Bauteils B2 zu kontaktieren, wie in 1 gezeigt.
Genauer ist für den Fügeprozess auch der Niederhalter 20 in Arbeitsrichtung R1 zur zweiten Elektrode 3 hin verfahrbar, um die Längsendfläche 22 des Niederhalters 20 unter Druckkraft an einer der ersten Elektrode 2 zugewandten freien Seite des ersten Bauteils B1 zur Anlage zu bringen und das positionierte Fügeelement 50 unter umfänglichem Umschließen des Außendurchmessers des Kopfabschnitts 52 im Innenraum 21 des Niederhalters 20 zwischen dem Kontaktierungsende der ersten Elektrode 2 und der freien Seite des ersten Bauteils B1 aufzunehmen, wie in 1 gezeigt. Die Druckkraft bzw. Niederhalterkraft kann dabei entweder vom Schweißbügel durch die Elektrodenkraft oder wie bevorzugt entkoppelt von der Schweißzange durch ein weiteres Antriebssystem aufgebracht werden.
Die Stromsteuermittel 31 der Steuervorrichtung 30 sind eingerichtet, bei zusammengefahrenen Elektroden 2, 3 einen elektrischen Anfangsstromfluss bzw. Vorimpuls durch das Fügeelement 50 und das erste Bauteil B1 hindurch zu realisieren. Genauer erfolgt in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung der Anfangsstromfluss durch die erste Elektrode 2, das positionierte Fügeelement 50, das erste Bauteil B1, das zweite Bauteil B2 und die zweite Elektrode 3 hindurch.
Der Anfangsstromfluss dient dazu, das erste Bauteil B1 in einem Kontaktbereich, in dem das zweite Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 des positionierten Fügeelements 50 durch die erste Elektrode 2 in Kontaktanlage an der freien Seite des ersten Bauteils B1 gedrückt wird, fließfähig zu machen, so dass der Schaftabschnitt 51 angetrieben durch die Druckkraft der ersten Elektrode 2 im Kontaktbereich durch das erste Bauteil B1 hindurchdrückbar ist, bis das zweite Längsende 51.2 das zweite Bauteil B2 kontaktiert und der Kopfabschnitt 52 des Fügeelements 50 in Kontakt mit dem ersten Bauteil B1 gelangt, wie in 2 gezeigt.
Um die elektrische Kontaktierung des zweiten Längsendes 51.2 des Schaftabschnitts 51 des Fügeelements 50 am zweiten Bauteil B2 zu verbessern, ist der Schaftabschnitt 51 mit einem Plateau am Elementfuß bzw. zweiten Längsende 51.2 versehen. Das Plateau kann sowohl mit einer gezackten Oberfläche (wie in 10 gezeigt) als auch mit einer glatten Oberfläche versehen sein. Die Zacken der wie in 10 gezeigten gezackten Oberfläche sorgen an den Spitzen für eine Stromkonzentration, um das Leichtbaumaterial des ersten Bauteils B1 in möglichst kurzer Zeit in einen schmelzflüssigen Zustand zu überführen und somit den axialen Materialfluss in Richtung des Kopfabschnitts 52 des Fügeelements 50 zu ermöglichen. Alternativ kann am zweiten Längsende 51.2 des Fügeelements eine flache Spitze vorgesehen sein.
Der Anfangsstromfluss kann mit einem linearen Stromanstieg oder mit einem impulsförmigen Stromanstieg realisiert werden. Beim linearen Stromanstieg wird das Material des ersten Bauteils B1 im Kontaktbereich plastifiziert (in einen teigigen Zustand gebracht). Beim impulsförmigen Stromanstieg kommt es dahingegen zu einer Verschmelzflüssigung des Materials im Kontaktbereich.
Die Formkavität 21.1 des Niederhalters 20 dient dabei dazu, eine lokale Begrenzung des Materialflusses des ersten Bauteils B1 zu bewirken. Genauer fängt die Formkavität 21.1 des Niederhalters 20 das beim durch den Kontaktbereich des ersten Bauteils B1 Hindurchdrücken verdrängte fließfähige Material auf und formt dieses um eine Mantelfläche des Kopfabschnitts 52 des Fügeelements 50 herum, so dass die ausgeformte und erstarrte Schmelze die Mantelfläche vollständig umschließt, wie insbesondere in den 2, 7, 8 und 11 gezeigt. Die Mantelfläche des Kopfabschnitts 52 weist dabei entweder eine glatte Oberfläche oder eine wie in 9 als Detail X aus 7 gezeigte Oberflächenstruktur auf, die so definiert ist (z.B. gerastert ist), dass sie verbesserte Haftungseigenschaften für das um die Mantelfläche zu formende fließfähige Material bereitstellt.
Die Oberfläche der Formkavität bzw. Niederhalternut 21.1 hat für das Umformen eine definierte Geometrie und bevorzugt eine strukturierte Oberflächenbeschaffenheit. Im Ergebnis kann der aufzufangende schmelzflüssige oder teigige Werkstoff des ersten Bauteils B1 mit einer definierten Form und einer definierten Oberflächenstruktur spaltlos und komplett abgedichtet an den Kopfabschnitt 52 des Fügeelements 50 angesetzt werden. Infolgedessen wird das Fügeelement 50 gegen Spaltkorrosion zwischen erstem Bauteil B1 (Leichtbaublech) und dem Kopfabschnitt 52 isoliert, wodurch ein Einsatz einer solchen Fügestelle im Nassbereich möglich ist.
Wie in 5 mit den vier lupenartig vergrößerten Bereichen gezeigt, ist für die strukturierte Oberflächenbeschaffenheit eine die axiale Tiefe der Formkavität 21.1 begrenzende Innenfläche 21.2 des Niederhalters 20 mit einer definierten Struktur versehen. Die Struktur ist so ausgebildet, dass sie haftungsvermindernde Eigenschaften aufweist, um ein Anhaften des beim durch den Kontaktbereich des ersten Bauteils B1 Hindurchdrücken verdrängten fließfähigen Materials an der Innenfläche 21.2 der Formkavität 21.1 zu vermeiden. Zusätzlich oder alternativ kann die Struktur ausgebildet sein, um den Verschleiß an der Innenfläche 21.2 zu reduzieren. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Struktur ausgebildet sein, um an dem umformten Kopfabschnitt 52 des Fügeelements 50 eine Funktionsfläche bereitzustellen. Die Struktur der Innenfläche 21.2 des Niederhalters 20 kann z.B. rasterförmig, rautenförmig, globular oder linienförmig aufgebaut sein. Bevorzugt besitzt der Niederhalter 20 außerdem eine Entgasungsbohrung (in den Figuren nicht dargestellt), um aus der Fügezone den Sauerstoff entweichen zu lassen, welcher als Störgröße hinsichtlich der Wulstoberfläche (umformter Kopfabschnitt 52) angesehen wird und vom Fügeprozess fern gehalten werden sollte.
Durch gezielte Ansteuerung mit der Steuervorrichtung 30 ist es außerdem möglich, die Niederhalterkraft (Druckkraft) in einem Bereich von 100 N bis 2 kN beliebig zu variieren, um den Werkstofffluss des Materials des ersten Bauteils zu beeinflussen. Außerdem kann vorgesehen sein, dass von den Stromsteuermitteln 31 beim Durchschmelzen des Fügeelements 50 die jeweilige Blechstärke des ersten Bauteils B1 anhand physikalischer Eigenschaften, die in einem Steuerprogramm hinterlegt sind, detektiert werden und die notwendige Leistung des Anfangsstromflusses auf die detektierte Blechstärke angepasst werden kann.
Um eine Anpassung an unterschiedliche Blechstärken des ersten Bauteils B1 und damit unterschiedliche Mengen an beim durch das erste Bauteil B1 Hindurchdrücken des Schaftabschnitts 51 des Fügeelements 50 verdrängtem fließfähigem Material zu ermöglichen, ist auch die Formkavität 21.1 des Niederhalters wie in den 5 und 6 gezeigt in ihrem Volumen bzw. ihrer axiale Tiefe veränderbar. Zu diesem Zweck ist der Niederhalter 20 mehrstufig aufgebaut, um das Schmelzfüllvolumen flexibel an die Blechstärke des ersten Bauteils B1 anpassen zu können, da z.B. eine stärkere Blechdicke ein größeres Füllvolumen der Schmelze in der Formkavität bzw. Niederhalternut 21.1 zur Folge hat.
Genauer weist der Niederhalter 20 eine die Längsendfläche 22 definierende Außenhülse 20.1 und eine den Innenraum 21 des Niederhalters 20 definierende Innenhülse 20.2 auf, die axial in die Außenhülse 20.1 eingeschoben ist, so dass ein Ringflansch 20.3, der an einem zur Längsendfläche 22 korrespondierenden Längsende der Innenhülse 20.2 vorgesehen ist, in den Innendurchmesser der Formkavität 21.1 eingepasst ist. Eine axiale Breite bzw. Dickenabmessung des Ringflansches 20.3 ist dabei um eine vorbestimmte Differenz kleiner als die axiale Tiefe der Formkavität 21.1, so dass durch axiales in der Außenhülse 20.1 Verschieben der Innenhülse 20.2 der Ringflansch 20.3 in der Formkavität 21.1 um die vorbestimmte Differenz axial verstellbar ist und dadurch die axiale Tiefe der Formkavität 21.1 veränderbar ist. Mit anderen Worten bildet die Innenhülse 20.2 mit dem Ringflansch 20.3 einen Schließmechanismus, mit dem der Niederhalternutdurchmesser verändert werden kann. 5 zeigt dabei den Ringflansch 20.3 der Innenhülse 20.2 in einer Axialeinstellung für z.B. Blechstärken ≤ 1,5 mm, und 6 zeigt den Ringflansch 20.3 der Innenhülse 20.2 in einer Axialeinstellung für z.B. Blechstärken > 1,5 mm.
Die Stromsteuermittel 31 der Steuervorrichtung 30 sind außerdem eingerichtet, sobald das zweite Längsende 51.2 des durch das erste Bauteil B1 hindurchgedrückten Schaftabschnitts 51 des Fügeelements 50 das zweite Bauteil B2 kontaktiert hat und das verdrängte fließfähige Material des ersten Bauteils B1 um die Mantelfläche des Kopfabschnitts 52 des Fügeelements 50 herumgeformt und erstarrt ist, einen elektrischen Schweißstromfluss durch das Fügeelement 50 und das zweite Bauteil B2 hindurch zu realisieren. Der Schweißstromfluss wird dann so realisiert, dass das zweite Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 und das zweite Bauteil B2 durch Widerstandsschweißen unter Ausbildung einer Schweißlinse SL miteinander verschweißt werden, wie in 3 und in 8 gezeigt. Der Schweißstromfluss wird gegenüber dem Anfangsstromfluss mit einem relativ hohen Strom, d.h. mit einem höheren Maximalstromwert als der Anfangsstromfluss, realisiert.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Fügesystems wird nun im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 11 und die oben beschriebenen Konfigurationen der Fügeeinrichtung 1 ein Verfahren zum Zusammenfügen (im Folgenden Fügeverfahren) der mindestens zwei Bauteile B1, B2 beschrieben werden.
Gemäß dem Fügeverfahren werden die ersten und zweiten Bauteile B1, B2 wie in 1 gezeigt aufeinander angeordnet, so dass sich die ersten und zweiten Bauteile B1, B2 zumindest in dem Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappen. Außerdem wird ein wie oben beschriebenes Fügeelement 50 bereitgestellt und positioniert.
Gemäß dem Fügeverfahren wird im Überlappungsabschnitt das Fügeelement 50 mit dem dem Kopfabschnitt 52 abgewandten zweiten Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 voran in das erste Bauteil B1 unter Druckkraft eingebracht, bis der Schaftabschnitt 51 das erste Bauteil B1 durchdrungen hat und das zweite Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 das zweite Bauteil B2 kontaktiert.
Genauer wird gemäß dem Fügeverfahren das in das erste Bauteil B1 Einbringen des Fügeelements 50 durchgeführt, indem das zweite Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 in Kontaktanlage an das erste Bauteil B1 gedrückt wird und von den Stromsteuermitteln 31 der elektrische Anfangsstromfluss durch das Fügeelement 50 und das erste Bauteil B1 hindurch realisiert wird. Der Anfangsstromfluss wird dabei so realisiert, dass das erste Bauteil B1 im Kontaktbereich zum Fügeelement 50 fließfähig gemacht wird. Zu diesem Zweck wird der Anfangsstromfluss entweder mit einem linearen Stromanstieg oder mit einem impulsförmigen Stromanstieg realisiert. Dann wird der Schaftabschnitt 51 angetrieben durch die Druckkraft durch den fließfähig gemachten Kontaktbereich des ersten Bauteils B1 hindurchgedrückt, wobei der Kopfabschnitt 52 in Kontakt mit dem ersten Bauteil B1 gelangt.
Gemäß dem Fügeverfahren wird beim durch den fließfähig gemachten Kontaktbereich des ersten Bauteils B1 Hindurchdrücken des Schaftabschnitts 51 des Fügeelements 50 Material des ersten Bauteils B1 durch Verdrängung dazu gebracht wird, in Richtung zum Kopfabschnitt 52 des Fügeelements 50 hin zu fließen, so dass der Kopfabschnitt 52 in das verdrängte Material des ersten Bauteils B1 eintaucht. Dabei wird das von dem Schaftabschnitt 51 des Fügeelements 50 verdrängte Material beim Fließen durch die Formkavität 21.1 des Niederhalters so geführt, dass der Kopfabschnitt 52 des Fügeelements 50 mit Ausnahme der mit der Druckkraft beaufschlagten zu dem Schaftabschnitt 51 entgegengesetzten Elektrodenkontaktierungsfläche 52.1 dessen vollständig von dem verdrängten Material des ersten Bauteils B1 umschlossen wird. Genauer fängt die Formkavität 21.1 des Niederhalters 20 das beim durch den Kontaktbereich des ersten Bauteils B1 Hindurchdrücken verdrängte fließfähige Material auf und formt dieses um die Mantelfläche des Kopfabschnitts 52 des Fügeelements 50 herum, so dass die ausgeformte und erstarrte Schmelze die Mantelfläche vollständig umschließt, wie z.B. in 2 gezeigt.
Mit anderen Worten ausgedrückt entsteht durch den Anfangsstromfluss via resistiver Erwärmung an den Kontaktwiderständen Wärme. Hierbei wird das Fügeelement 50 mit Hilfe der Wärme über die Zeit durch das erste Bauteil B1 mit dem Anfangsstromfluss bzw. Vorimpuls durchgeschmolzen. Der Werkstoff des ersten Bauteils B1 schmilzt im Kontaktbereich lokal auf und wird durch den Niederhaltereinfluss zum axialen plastischen Fluss in Richtung des Kopfabschnitts 52 in die Formkavität bzw. Niederhalterringnut 21.1 hinein gezwungen und wird dort aufgefangen und ausgeformt. Eine Oberfläche des den Kopfabschnitt 52 des Fügeelements 50 umschließenden Materials des ersten Bauteils B1 wird dabei durch die Innenfläche 21.2 der Formkavität 21.1 des Niederhalters 20 mit einer definierten Struktur versehen, welche zur Haftungsverminderung und/oder zum Bereitstellen einer Funktionsfläche dient.
Nachdem der Anfangsstromfluss beendet wurde und das von dem Schaftabschnitt 51 des Fügeelements 50 verdrängte und mit dem Kopfabschnitt 52 in Kontakt stehende Material des ersten Bauteils B1 erstarrt ist, wird von den Stromsteuermitteln 31 der elektrische Schweißstromfluss durch das Fügeelement 50 und das vom zweiten Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 kontaktierte zweite Bauteil B2 hindurch realisiert. Der Schweißstromfluss wird so realisiert, dass das zweite Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 und das zweite Bauteil B2 durch Widerstandsschweißen unter Ausbildung der Schweißlinse SL miteinander verschweißt werden, wie in 3 gezeigt. Der Schweißstromfluss wird dabei mit einem höheren Maximalstromwert realisiert als der Anfangsstromfluss.
Nachdem das Material von Fügelement 50 und zweitem Bauteil B2 in der Schweißlinse SL erstarrt ist, werden die erste Elektrode 2 mit dem Niederhalter 20 und die zweite Elektrode 3 zur Abkühlung und Entnahme der zusammengefügten Bauteile B1, B2 auseinandergefahren, wie in 4 gezeigt.
Zusammenfassend wird nach dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren, welches auch als Widerstandsschweißnieten (WSN) bezeichnet werden kann, eine Verbindung der beiden Bauteile B1, B2 (Fügepartner) über ein Zusatzelement (Fügeelement 50) realisiert, wobei die metallurgisch unverträglichen Werkstoffe der beiden Bauteile B1, B2 nicht miteinander vermischt werden. Das erfindungsgemäße Fügeverfahren ist gewissermaßen einstufig ausgebildet, da das Fügeelement 50 im Unterschied zu üblichen Verfahren nicht mehr mechanisch durchgestanzt wird, sondern in Kombination bei mechanisch-thermischem Einfluss z.B. mit einer konventionellen Punktschweißzange in das erste Bauteil B1 (hier Aluminiumblech) eingeschmolzen wird.
Das Fügeelement 50 besteht aus einem Werkstoff, der die notwendige Festigkeit und Schmelztemperatur zum Durchstanzen und Durchschmelzen des ersten Bauteils (hier Leichtbauwerkstoffs) und eine gute schweißmetallurgische Verträglichkeit mit dem zweiten Bauteil B2 (hier hochfestem Stahlwerkstoff) aufweist. Die Form des Fügeelements 50 und die Dimensionen können so gewählt werden, dass hohe Festigkeiten und hohe Durchschmelzeigenschaften in allen Belastungsrichtungen erreicht werden können.
Das erfindungsgemäße Fügeverfahren kann mit Standardpunktschweißzangen erfolgen. Außerdem besitzt das erfindungsgemäße Fügeverfahren hohes Automatisierungspotenzial, da vorteilhaft eine Schweißregelung und -überwachung in die Steuervorrichtung 30 implementiert ist. Falls als erstes Bauteil B1 Werkstücke mit (durch Fügeelementbereitstellungsmittel) vorfixiertem Fügeelement 50 zur Verfügung stehen, können diese z.B. in Fertigungsanlagen des Karosseriebaus für die konventionelle Stahlbauweise eingeschleust werden. Somit können z.B. sowohl herkömmlicher Stahlbau als auch Stahl/Aluminium-Mischbau über eine einzige Fertigungslinie produziert werden. Der Niederhalter ist dabei vorteilhaft konstruktiv so realisiert, dass er innerhalb kurzer Zeit (z.B. 2 min) an einer Standardpunktschweißeinrichtung angebracht werden kann, um ein möglichst schnelles und flexibles Wechseln an der Anlage zu realisieren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Fügeverfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung aus zwei oder mehr insbesondere unterschiedlichen metallischen Werkstoffen, vorzugsweise Blechen, bereitgestellt. Das Fügeverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein schweißgeeignetes Fügeelement bzw. Fügehilfselement 50 durch einen Einschmelzprozess mittels konventioneller Widerstandspunktschweißtechnik in ein Bauteil B1 der Bauteile B1, B2 eingebracht wird und die Bauteile B1, B2 anschließend durch Buckel- bzw. Punktschweißen mit demselben Betriebsmittel verbunden werden. Bevorzugt wird das Fügeelement 50 durch den Einfluss des Niederhalters 20 gefügt und dient in erster Linie für eine spaltlose Fügeebene zwischen den beiden Bauteilen B1, B2.
Mit den erfindungsgemäßen Fügeelementen 50 kann durch den um den Kopfabschnitt ausgeformten Metallwulst (insbesondere Leichtmetallwulst) die Spaltkorrosion am Kopfabschnitt bzw. Elementkopf minimiert werden, so dass derartige erfindungsgemäße Fügeverbindungen bei der Fahrzeugherstellung vorteilhaft z.B. auch in als Fahrzeug-Nassbereiche einzustufenden Bereichen eines Fahrzeugs eingesetzt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein definiertes Anhaften der durch den Vorimpuls bzw. Anfangsstromfluss erzeugten Metallschmelze (insbesondere Leichtmetallschmelze) an der Mantelfläche des Fügelements 50 durch eine daran vorgesehene definierte Struktur realisiert. Eine Antihaftwirkung in Bezug auf die Metallschmelze an der Formkavität bzw. Niederhalternut 21.1 wird bevorzugt erzielt durch Verwendung von Beschichtungen und/oder eingebrachten Strukturen an der Nutoberfläche bzw. Innenfläche 21.2 der Formkavität 21.1. Die Strukturen an Innenfläche 21.2 der Formkavität 21.1 können dabei in zweiter Linie als eventuelle Funktionsflächen an der Metallwulstoberfläche dienen.
Die Erfindung lässt sich vorteilhaft z.B. für eine Mischbauweise im Fahrzeugkarosseriebau einsetzen, wobei übliche Stahlwerkstoffe mit Leichtbauwerkstoffen wie z.B. Aluminium und Magnesium zusammengefügt werden.
Bezugszeichenliste

1: Fügeeinrichtung
2: Elektrode
3: Elektrode
10: Fügeelementbereitstellungsmittel
20: Niederhalter
20.1: Außenhülse
20.2: Innenhülse
20.3: Ringflansch
21: Innenraum
21.1: Formkavität
21.2: Innenfläche
22: Längsendfläche
30: Steuervorrichtung
31: Stromsteuermittel
50: Fügeelement
51: Schaftabschnitt
51.1: Längsende
51.2: Längsende
52: Kopfabschnitt
52.1: Elektrodenkontaktierungsfläche
B1: Bauteil
B2: Bauteil
R1: Arbeitsrichtung
SL: Schweißlinse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004025492 A1 [0002, 0005]

Claims

Verfahren zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile (B1, B2), aufweisend: aufeinander Anordnen eines ersten Bauteils (B1) und eines zweiten Bauteils (B2), so dass sie sich zumindest in einem Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappen, Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen Fügeelements (50) mit einem Schaftabschnitt (51) und einem an einem ersten Längsende (51.1) des Schaftabschnitts (51) vorgesehenen Kopfabschnitt (52), im Überlappungsabschnitt unter Druckkraft Einbringen des Fügeelements (50) mit einem dem Kopfabschnitt (52) abgewandten zweiten Längsende (51.2) des Schaftabschnitts (51) voran in das erste Bauteil (B1), bis der Schaftabschnitt (51) das erste Bauteil (B1) durchdrungen hat und das zweite Längsende (51.2) des Schaftabschnitts (51) das zweite Bauteil (B2) kontaktiert, und Realisieren eines elektrischen Schweißstromflusses durch das Fügeelement (50) und das elektrisch leitfähige zweite Bauteil (B2) hindurch, so dass das zweite Längsende (51.2) des Schaftabschnitts (51) und das zweite Bauteil (B2) durch Widerstandsschweißen miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das in das erste Bauteil (B1) Einbringen des Fügeelements (50) durchgeführt wird, indem das zweite Längsende (51.2) des Schaftabschnitts (51) in Kontaktanlage an das erste Bauteil (B1) gedrückt wird und ein elektrischer Anfangsstromfluss durch das Fügeelement (50) und das elektrisch leitfähige erste Bauteil (B1) hindurch realisiert wird, so dass das erste Bauteil (B1) im Kontaktbereich zum Fügeelement (50) fließfähig gemacht wird, und der Schaftabschnitt (51) angetrieben durch die Druckkraft durch den fließfähig gemachten Kontaktbereich des ersten Bauteils (B1) hindurchgedrückt wird, wobei der Kopfabschnitt (52) in Kontakt mit dem ersten Bauteil (B1) gelangt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei beim durch den fließfähig gemachten Kontaktbereich des ersten Bauteils (B1) Hindurchdrücken des Schaftabschnitts (51) des Fügeelements (50) ein Material des ersten Bauteils (B1) durch Verdrängung dazu gebracht wird, in Richtung zum Kopfabschnitt (52) des Fügeelements (50) hin zu fließen, so dass der Kopfabschnitt (52) in das verdrängte Material des ersten Bauteils (B1) eintaucht.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das von dem Schaftabschnitt (51) des Fügeelements (50) verdrängte Material des ersten Bauteils (B1) beim Fließen so geführt wird, dass der Kopfabschnitt (52) des Fügeelements (50) mit Ausnahme einer mit der Druckkraft beaufschlagten zu dem Schaftabschnitt (51) entgegengesetzten Elektrodenkontaktierungsfläche (52.1) dessen vollständig von dem verdrängten Material des ersten Bauteils (B1) umschlossen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei eine Oberfläche des den Kopfabschnitt (52) des Fügeelements (50) umschließenden Materials des ersten Bauteils (B1) mit einer definierten Struktur versehen wird, welche zur Haftungsverminderung und/oder zum Bereitstellen einer Funktionsfläche dient.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2–4, wobei der Schweißstromfluss initialisiert wird, nachdem der Anfangsstromfluss beendet wurde und das von dem Schaftabschnitt (51) des Fügeelements (50) verdrängte und mit dem Kopfabschnitt (52) in Kontakt stehende Material des ersten Bauteils (B1) erstarrt ist.
Fügeeinrichtung (1) zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile (B1, B2), aufweisend: eine erste und eine zweite Elektrode (2, 3), die einander gegenüberliegend angeordnet sind, um zwischen einander ein erstes und ein zweites Bauteil (B1, B2), welche sich zumindest in einem Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappend aufeinander angeordnet sind, mit ihrem Überlappungsabschnitt aufzunehmen, Fügeelementbereitstellungsmittel (10) zum Bereitstellen von elektrisch leitfähigen Fügeelementen (50), die jeweils einen Schaftabschnitt (51) und einen an einem ersten Längsende (51.1) des Schaftabschnitts (50) vorgesehenen Kopfabschnitt (52) haben, und zum Positionieren eines jeweiligen Fügeelements (50), so dass dieses mit einem dem Kopfabschnitt (52) abgewandten zweiten Längsende (51.2) des Schaftabschnitts (51) dem ersten Bauteil (B1) zugewandt ist, wobei die Elektroden (2, 3) zusammenfahrbar sind, um mit einem Kontaktierungsende der ersten Elektrode (2) unter Druckkraft eine zum Schaftabschnitt (51) entgegengesetzte Elektrodenkontaktierungsfläche (52.1) des Kopfabschnitts (52) des positionierten Fügeelements (50) zu kontaktieren und mit einem Kontaktierungsende der zweiten Elektrode (3) als Gegenhalter eine dem ersten Bauteil (B1) abgewandte Seite des zweiten Bauteils (B2) zu kontaktieren, und Stromsteuermittel (31), die eingerichtet sind, die Elektroden (2, 3) gesteuert mit elektrischem Strom zu beaufschlagen, um einen elektrischen Schweißstromfluss zum per Widerstandsschweißen miteinander Verschweißen des Fügeelements (50) und des elektrisch leitfähigen zweiten Bauteils (B2) zu realisieren, dadurch gekennzeichnet, dass das die Stromsteuermittel (31) eingerichtet sind, bei zusammengefahrenen Elektroden (2, 3) einen elektrischen Anfangsstromfluss durch das Fügeelement (50) und das elektrisch leitfähige erste Bauteil (B1) hindurch zu realisieren, um das erste Bauteil (B1) in einem Kontaktbereich, in dem das zweite Längsende (51.2) des Schaftabschnitts (51) des positionierten Fügeelements (50) durch die erste Elektrode (2) in Kontaktanlage an einer der ersten Elektrode (2) zugewandten freien Seite des ersten Bauteils (B1) gedrückt ist, fließfähig zu machen, so dass der Schaftabschnitt (51) angetrieben durch die Druckkraft der ersten Elektrode (2) im Kontaktbereich durch das erste Bauteil (B1) hindurchdrückbar ist, bis das zweite Längsende (51.2) das zweite Bauteil (B2) kontaktiert und der Kopfabschnitt (52) des Fügeelements (50) in Kontakt mit dem ersten Bauteil (B1) gelangt.
Fügeeinrichtung (1) gemäß Anspruch 6, wobei ein hülsenförmiger Niederhalter (20) vorgesehen ist, der einen kreiszylindrischen Innenraum (21) hat, durch den hindurch sich die erste Elektrode (2) relativbeglich dazu erstreckt, und der parallel zur ersten Elektrode (2) verfahrbar ist, um eine Längsendfläche (22) des Niederhalters (20) unter Druckkraft an der freien Seite des ersten Bauteils (B1) zur Anlage zu bringen und das positionierte Fügeelement (50) unter umfänglichem Umschließen eines Außendurchmessers des Kopfabschnitts (52) im Innenraum (21) des Niederhalters (20) zwischen dem Kontaktierungsende der ersten Elektrode (2) und der freien Seite des ersten Bauteils (B1) aufzunehmen, und wobei ausgehend von der Längsendfläche (22) im Innenraum (21) des Niederhalters (20) eine ringförmige Formkavität (21.1) mit einer bestimmten axialen Tiefe und einem Innendurchmesser definiert ist, der größer als der Außendurchmesser des Kopfabschnitts (52) ist.
Fügeeinrichtung (1) gemäß Anspruch 7, wobei der Niederhalter (20) eine die Längsendfläche (22) definierende Außenhülse (20.1) und eine den Innenraum (21) des Niederhalters (20) definierende Innenhülse (20.2) aufweist, die axial in die Außenhülse (20.1) eingeschoben ist, so dass ein Ringflansch (20.3), der an einem zur Längsendfläche (22) korrespondierenden Längsende der Innenhülse (20.2) vorgesehen ist, in den Innendurchmesser der Formkavität (21.1) eingepasst ist, und wobei eine axiale Breite des Ringflansches (20.3) um eine vorbestimmte Differenz kleiner als die axiale Tiefe der Formkavität (21.1) ist, so dass durch axiales in der Außenhülse (20.1) Verschieben der Innenhülse (20.2) der Ringflansch (20.3) in der Formkavität (21.1) um die vorbestimmte Differenz axial verstellbar ist und dadurch die axiale Tiefe der Formkavität (21.1) veränderbar ist.
Fügeeinrichtung (1) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei eine die axiale Tiefe der Formkavität (21.1) begrenzende Innenfläche (21.2) des Niederhalters (20) mit einer Struktur versehen ist, welche definiert ist, um eine haftungsvermindernde und/oder funktionelle Oberfläche zu formen.
Fügeelement (50) zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile (B1, B2), wobei das Fügeelement (50) einen zylindrischen Schaftabschnitt (51) und einen an einem Längsende (51.1) des Schaftabschnitts (51) vorgesehenen zylindrischen Kopfabschnitt (52) aufweist und elektrisch leitfähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mantelfläche des Kopfabschnitts (52) eine Oberflächenstruktur aufweist, die so definiert ist, dass sie verbesserte Haftungseigenschaften bereitstellt.