DE102015225821A1

DE102015225821A1 - Verfahren zum Verbinden von zwei Bauteilen

Info

Publication number: DE102015225821A1
Application number: DE102015225821.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Behn; Rainer Prenzel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei zumindest in einem Verbindungsbereich (7) aneinanderliegenden Bauteilen (1, 2). Hierbei wird zunächst mittels eines das erste Bauteil (1) beaufschlagenden rotierenden Werkzeuges (10) ein Material des ersten Bauteiles (1) im Verbindungsbereich (7) erwärmt und zumindest teilweise plastifiziert. Durch einen mittels des Werkzeuges (10) ausgeübten Anpressdruck (Richtungspfeil 11) wird das plastifizierte Material dann derart in Richtung eines im Verbindungbereich (7) angeordneten Absatzes (14) im zweiten Bauteil (2) gepresst, dass das plastifizierte Material des ersten Bauteiles (1) zumindest abschnittsweise an dem Absatz im zweiten Bauteil (2) anliegt. Hierdurch bildet sich nach dem Abkühlen des erwärmten Materials eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) aus.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei zumindest in einem Verbindungsbereich aneinanderliegenden Bauteilen mittels eines rotierenden Werkzeuges.
Ein Verfahren der genannten Art ist im Stand der Technik als Rührreibschweißen oder Friction Stir Welding (FSW) bekannt. Beim Rührreibschweißen wird die für die Schweißverbindung erforderliche Reibenergie nicht wie beim Reibschweißen durch eine Relativbewegung der beiden Fügepartner erzeugt, sondern durch ein verschleißfestes rotierendes Werkzeug. Das Werkzeug weist dabei einen Stift bzw. Pin auf, welcher aus einer zylindrischen Schulter herausragt, wobei die Schulter einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist als der Stift selbst.
Beim Rührreibschweißen werden zunächst die beiden zu fügenden Bauteile derart relativ zueinander positioniert, dass diese in einem Verbindungbereich, insbesondere in einem Stumpf- oder Überlappstoß, aneinanderliegen. Anschließend wird das rotierende Werkzeug von oben unter hohem Druck auf den Verbindungsbereich aufgesetzt, sodass der Stift des Werkzeuges in den Verbindungsbereich eintaucht und die zylindrische Schulter des Werkzeuges auf der Bauteiloberfläche zur Anlage kommt. Durch die Reibung zwischen der rotierenden Werkzeugschulter und den zu fügenden Bauteilen erwärmt sich der Werkstoff unter der Schulter bis kurz unter den Schmelzpunkt. Dieser Temperaturanstieg hat einen Festigkeitsabfall zur Folge, wodurch der Werkstoff plastifiziert wird und eine Vermischung der Werkstoffe der zu verbindenden Bauteile im Verbindungsbereich möglich wird. Nachfolgend wird das rotierende Werkzeug dann mit hoher Anpresskraft entlang einer Fügelinie bewegt. Der hierbei entstehende Druckgradient zwischen einer Vorder- und einer Rückseite des Werkzeuges und die Rotationsbewegung des Werkzeuges bewirken den Transport des plastifizierten Werkstoffes der Bauteile um das Werkzeug herum, die sich dort vermischen und nach der Abkühlung des Werkstoffes dann die Schweißnaht bilden. Die plastifizierten Werkstoffe der beiden Bauteile werden quasi ineinander verrührt, ohne dass ein Aufschmelzen der Werkstoffe erfolgt.
Wenn keine Schweißnaht erzeugt wird, sondern nur einzelne voneinander beabstandete Schweißpunkte, nennt man das Verfahren auch Reibpunkt- oder FSSW-Schweißen (Friction Stir Spot Welding). Das Werkzeug führt dann keine Vorschubbewegung entlang einer Fügelinie, sondern lediglich eine Zustellbewegung in Richtung der zu verbindenden Bauteile durch.
Das Rührreibschweißen wird hauptsächlich zur Verbindung von aus Leichtmetallen bzw. Leichtmetalllegierungen bestehenden Bauteilen verwendet. Jedoch lassen sich durch das Rührreibschweißen auch hybride Bauteilverbindungen, beispielsweise zwischen einem Bauteil aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung und einem Bauteil aus Stahl, herstellen. Da der Schmelzpunkt von Stahl wesentlich höher ist als der Schmelzpunkt von Aluminium, muss zur Plastifizierung des Stahls wesentlich mehr Reibungsenergie in den Verbindungsbereich eingeleitet werden. Hierdurch steigen die Anforderungen hinsichtlich der Verschleißfestigkeit des Werkzeuges und dadurch auch die Werkzeugkosten.
Aus der DE 10 2006 012 821 A1 ist bereits ein Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen bekannt, wobei eines der Bauteile als Stahlblech und das andere Bauteil als Aluminiumblech ausgebildet ist. In einem ersten Verfahrensschritt werden die beiden Bauteile im Bereich einer Fügestelle durch Clinchen miteinander verbunden. Anschließend erfolgt dann in einem zweiten Verfahrensschritt ein Verschweißen der beiden Bauteile im Bereich der während des ersten Verfahrensschrittes hergestellten Clinchverbindung. Dadurch ergibt sich an der Fügestelle eine Form- und Stoffschlussverbindung zwischen den beiden Bauteilen.
Weiterhin ist in der DE 10 2009 038 896 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines hybriden Strukturbauteiles aus zumindest zwei Bauteilen beschrieben, wobei das erste Bauteil aus einem presshärtbaren Stahl und das zweite Bauteil aus einem Leichtmetall besteht. Hierbei wird zunächst das erste Bauteil während eines Warmumformprozesses im Fügebereich geprägt. Nach dem Abkühlen wird dann in dem Fügebereich des ersten Bauteiles ein Vorloch erzeugt. Im Anschluss erfolgt dann das Fügen des ersten vorgelochten Bauteiles und des zweiten Bauteiles durch Clinchen.
Ein anderes Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteiles mit einem zweiten Bauteil ist in der DE 10 2013 002 700 A1 beschrieben. Die Verbindung der beiden Bauteile erfolgt mit Hilfe eines mit dem ersten Bauteil verbundenen Verbindungselementes, welches einen aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehenden Vorsprung aufweist. Dieser wird derart durch eine Öffnung des zweiten Bauteiles geführt, dass er auf einer vom ersten Bauteil abgewandten Seite des zweiten Bauteiles von diesem absteht. Nachfolgend wird dann der Vorsprung so weit erwärmt, bis eine bedingt durch die thermoplastische Eigenschaft gegebene Verformung des Vorsprunges möglich ist. Bei Erreichen der entsprechenden Temperatur erfolgt eine mechanische Einwirkung auf den Vorsprung, in Folge welcher sich der Vorsprung derart verformt und verbreitert dass dieser nicht mehr durch die Öffnung passt und dadurch das Verbindungselement auch mit dem zweiten Bauteil verbunden ist. Die Bauteile sind bevorzugt als Aluminiumblech, Magnesiumblech oder Stahlblech ausgebildet.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren zum Verbinden von zwei Bauteilen, insbesondere zum Herstellen von hybriden Bauteilverbindungen, zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Verbinden von zwei zumindest in einem Verbindungsbereich aneinanderliegenden Bauteilen vorgesehen, bei welchem zunächst mittels eines das erste Bauteil beaufschlagenden rotierenden Werkzeuges ein Material des ersten Bauteiles im Verbindungsbereich erwärmt und zumindest teilweise plastifiziert wird und anschließend durch einen Anpressdruck des Werkzeuges derart in Richtung eines im Verbindungsbereich angeordneten Absatzes im zweiten Bauteil gepresst wird, dass das plastifizierte Material des ersten Bauteiles zumindest abschnittsweise an dem Absatz im zweiten Bauteil anliegt und dass sich nach dem Abkühlen des erwärmten Materials eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil ausbildet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren zum Verbinden von zwei Bauteilen, insbesondere zum Herstellen von hybriden Bauteilverbindungen aus Aluminium und Stahl zur Verfügung gestellt. Dies wird dadurch erreicht, dass das Material des ersten Bauteiles, welches aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder einem anderen Leichtmetall besteht, mittels des rotierenden Werkzeuges erwärmt, plastifiziert und verlagert bzw. umgeformt wird. Durch die Verlagerung des plastifizierten Materials in Richtung des zweiten Bauteiles, liegt dieses dann den Absatz im zweiten Bauteil hinterschneidend an diesem an, sodass sich nach dem Abkühlen des plastifizierten Materials eine Formschlussverbindung zwischen den beiden Bauteilen ausbildet, welche eine Relativbewegung der beiden Bauteile zueinander verhindert. Dadurch, dass das rotierende Werkzeug nicht oder zumindest nicht signifikant in Kontakt mit dem zweiten Bauteil aus Stahl kommt, welches einen höheren Schmelzpunkt hat als das erste Bauteil aus Aluminium, wird ein erhöhter Werkzeugverschleiß vermieden. Außerdem wird die Bildung von intermetallischen Phasen zwischen den Bauteilen verhindert, sodass die Verbindung optimale mechanisch-technologische Eigenschaften aufweist. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich das Material des ersten Bauteiles plastifiziert wird, kann auf den Einsatz eines Werkzeuges mit einem Stift oder Pin zum Verrühren, wie beim eingangs beschriebenen Rührreibschweißen, verzichtet werden.
Vielmehr hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, dass das erste Bauteil mit einer orthogonal zu einer Rotationsachse ausgerichteten planen Stirnfläche des rotierenden Werkzeuges beaufschlagt wird, wobei das rotierende Werkzeug zur Erzeugung des Anpressdruckes längs seiner Rotationsachse in Richtung des Verbindungbereiches der beiden Bauteile zugestellt wird. Durch die plane Stirnfläche des rotierenden Werkzeuges und den Anpressdruck wird zunächst die erforderliche Reibungswärme zur Plastifizierung des Materials des ersten Bauteiles erzeugt und durch den Anpressdruck wird das plastifizierte Material des ersten Bauteiles dann in Richtung des Absatzes des zweiten Bauteiles gepresst bzw. verlagert.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann das Werkzeug punktweise auf das erste Bauteil aufgesetzt werden, sodass sich eine Erwärmung und Plastifizierung einstellt, welche in etwa den Abmessungen der planen Stirnfläche des Werkzeuges entspricht. Es erweist sich jedoch als besonders vorteilhaft, dass das rotierende Werkzeug während der Beaufschlagung des ersten Bauteiles mit seiner Stirnfläche entlang des Verbindungbereiches der beiden Bauteile über das erste Bauteil vorgeschoben wird. Durch einen Vorschub des rotierenden Werkzeuges kann ein auf die Größe und Ausgestaltung des Verbindungbereiches abgestimmter Abschnitt des ersten Bauteiles erwärmt, plastifiziert und verlagert werden.
In der Praxis hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, dass ein Verbindungsabschnitt des ersten Bauteiles eine Aufnahmeöffnung aufweist, in welche ein Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteiles vor der Beaufschlagung des ersten Bauteiles mit dem rotierenden Werkzeug eingesteckt wird. Nach dem Einstecken liegen die beiden Bauteile bereits verdrehgesichert mit ihren Verbindungsabschnitten überlappend aneinander an, sodass keine aufwendigen Positionier- und Halteinrichtungen für die Bauteile erforderlich sind.
Es hat sich außerdem als besonders vorteilhaft erwiesen, dass der Absatz im zweiten Bauteil Bestandteil einer Erhebung, einer Vertiefung oder einer Durchbrechung im zweiten Bauteil ist. Der Absatz bildet dabei einen Hinterschnitt, an welchem das plastifizierte Material des ersten Bauteiles anliegt, bzw. welchen das plastifizierte Material nach dem Abkühlen hinter- bzw. umgreift. Bei einer Ausgestaltung des Absatzes als Bestandteil einer Durchbrechung oder einer Ausnehmung kann das plastifizierte Material in die Durchbrechung bzw. Ausnehmung eingepresst werden und somit umlaufend an dem die Durchbrechung bzw. Ausnehmung begrenzenden Absatz anliegen.
Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dadurch erreicht, dass das erste Bauteil im Verbindungsabschnitt eine Erhebung aufweist, welche sich nach einer Positionierung des zweiten Bauteiles auf dem ersten Bauteil durch die im zweiten Bauteil vorgesehene Durchbrechung hindurch erstreckt, wobei die sich durch die Durchbrechung erstreckende Erhebung des ersten Bauteiles derart von dem rotierenden Werkzeug beaufschlagt wird, dass das plastifizierte Material des ersten Bauteiles zumindest abschnittsweise den die Durchbrechung begrenzenden Absatz im zweiten Bauteil umgreift. Hierbei wird der aus der Durchbrechung herausstehende Teil der Erhebung plastifiziert und derart verlagert bzw. umgeformt, dass der Absatz der Durchbrechung umgriffen und ein Lösen der Verbindung zwischen den Bauteilen verhindert wird.
Die Qualität der Formschlussverbindung wird auch dadurch verbessert, dass das plastifizierte Material des ersten Bauteiles den die Durchbrechung begrenzenden Absatz im zweiten Bauteil vollumfänglich umgreift.
Nach einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Bauteil eine Beschichtung aufweist, welche sich durch einen Wärmeübergang von dem erwärmten und plastifizierten Material des ersten Bauteiles zumindest abschnittsweise stoffschlüssig mit diesem verbindet. Hierbei ist das zweite Bauteil beispielweise als Stahlbauteil ausgebildet und weist eine Beschichtung aus Zink auf. Durch einen Kontakt der Zinkschicht mit dem erwärmten Material des ersten Bauteiles kommt es dann zu einer Verlötung zwischen der Beschichtung des zweiten Bauteiles und dem Material des ersten Bauteiles. Die beiden Bauteile sind neben der Formschlussverbindung also auch noch zusätzlich durch eine Stoffschlussverbindung miteinander verbunden.
Eine wiederum abgewandelte Variante des vorliegenden Verfahrens wird auch dadurch erreicht, dass das rotierende Werkzeug einen stiftartigen Vorsprung aufweist, welcher durch das sich plastifizierende Material des ersten Bauteiles hindurch auf eine Oberfläche des zweiten Bauteiles gerichtet wird und auf dieser reibt. Hierdurch wird die Oberfläche des zweiten Bauteiles angeraut und zumindest teilweise erwärmt und plastifiziert. Durch Verrühren des plastifizierten Materials der beiden Bauteile entsteht dann zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Formschlussverbindung eine lokale Stoffschlussverbindung zwischen dem ersten Bauteil aus Aluminium und dem zweiten Bauteil aus Stahl.
Alternativ ist vorgehen, dass ein stiftartiger Vorsprung des rotierenden Werkzeuges durch das sich plastifizierende Material des ersten Bauteiles und eine im zweiten Bauteil vorgesehene Durchbrechung hindurch auf eine Oberfläche eines unterhalb der Durchbrechung angeordneten zweiten Teilabschnittes des ersten Bauteiles gerichtet wird und auf dieser reibt. Hierdurch wird auch das Material der Oberfläche des zweiten Teilabschnittes des ersten Bauteiles erwärmt und plastifiziert und mit dem bereits plastifizierten und von dem Werkzeug in die Durchbrechung gepressten Material des ersten Teilabschnittes des ersten Bauteiles verrührt. Hieraus resultierend verbinden sich die beidseitig der Durchbrechung im zweiten Bauteil angeordneten Teilabschnitte des ersten Bauteiles miteinander und zwar durch die Durchbrechung im zweiten Bauteil hindurch. Das Material des ersten Bauteiles durchsetzt also die gesamte Durchbrechung im zweiten Bauteil und liegt umlaufend am die Durchbrechung begrenzenden Absatz des zweiten Bauteiles an.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 bis 4 eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes zum Verbinden von zwei Bauteilen mittels eines rotierenden Werkzeuges;
5 eine Schnittdarstellung der miteinander verbunden Bauteile gemäß Linie V-V in 4;
6 eine teilweise geschnittene Darstellung von zwei anderen miteinander verbundenen Bauteilen in einer Perspektivansicht;
7 bis 9 eine schematische Perspektivdarstellung einer zweiten Verfahrensvariante zum Verbinden von zwei Bauteilen mittels eines rotierenden Werkzeuges;
10 eine teilweise geschnittene Darstellung der durch die zweite Verfahrensvariante miteinander verbundenen Bauteile;
11 bis 12 eine schematische Darstellung einer dritten Verfahrensvariante zum Verbinden von zwei Bauteilen mittels eines rotierenden Werkzeuges in einer Seitenansicht;
13 bis 14 eine schematische Darstellung einer vierten Verfahrensvariante zum Verbinden von zwei Bauteilen mittels eines rotierenden Werkzeuges in einer Seitenansicht;
15 bis 19 eine schematische Perspektivdarstellung von zwei miteinander zu verbindenden Bauteilen während des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden von zwei Bauteilen 1, 2 wird nachfolgend zunächst anhand der 1 bis 5 beschrieben. Das erste Bauteil 1 besteht aus einem Leichtmetall, beispielsweise einer Aluminiumlegierung und weist in einem Verbindungsabschnitt 3 eine Aufnahmeöffnung 4 für das zweite Bauteil 2 auf. Das zweite Bauteil 2 besteht aus einem Stahlblech und weist in einem in die Aufnahmeöffnung 4 des ersten Bauteiles 1 einsteckbaren Verbindungsabschnitt 5 eine Durchbrechung 6 in Form eines Langlochs auf. Nach dem Einstecken des die Durchbrechung 6 aufweisenden Verbindungsabschnittes 5 des zweiten Bauteiles 2 in die Aufnahmeöffnung 4 des ersten Bauteiles 1 liegen die beiden Bauteile 1, 2 mit ihren Verbindungsabschnitten 3, 5 in einem Verbindungsbereich 7 überlappend aneinander an (2).
Anschließend wird dann eine Oberfläche 8 des ersten Bauteiles 1 mittels eines um eine Rotationsachse 9 rotierenden Werkzeuges 10 mit einem Anpressdruck (Richtungspfeil 11) beaufschlagt und entlang des Verbindungsbereiches 7 der beiden Bauteile 1, 2 bewegt (Richtungspfeil 12). Durch den Kontakt mit einer im Wesentlichen planen Stirnfläche 13 des rotierenden Werkzeuges 10 wird das Material des ersten Bauteiles 1 erwärmt, plastifiziert und durch den Anpressdruck (Richtungspfeil 11) in Richtung des zweiten Bauteiles 2 gepresst. Das plastifizierte Material des ersten Bauteiles 1 bewegt sich hierdurch zumindest teilweise in die Durchbrechung 6 im zweiten Bauteil 2 hinein und kommt an einem die Durchbrechung 6 begrenzenden Absatz 14 des zweiten Bauteiles 2 zur Anlage (5). Während des Abkühlens des am Absatz 14 anliegenden plastifizierten Materials des ersten Bauteiles 1 bildet sich eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem zweiten Bauteil 2 aus, welche eine Bewegung der beiden Bauteile 1, 2 relativ zueinander verhindert. 6 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Absatzes 14. Da mittels des Werkzeuges 10 lediglich das Material des ersten Bauteiles 1 plastifiziert werden muss, ist die Verwendung eines stiftartigen Vorsprunges, wie er beim Rührreibschweißen üblicherweise Verwendung findet, nicht erforderlich. Zur Plastifizierung des Materials des ersten Bauteiles 1 ist die Verwendung eines Werkzeuges 10 mit einer planen Stirnfläche 13 völlig ausreichend. Allerdings kann die Verwendung eines rotierenden Werkzeuges 10 mit einem im Bereich der Stirnfläche 13 angeordneten stiftartigen Vorsprung bei einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchaus von Vorteil sein (siehe 11 bis 14).
In Abhängigkeit der im plastifizierten Material des ersten Bauteiles 1 enthaltenen Wärme kann das Material des zweiten Bauteiles 2, insbesondere wenn die Bauteile 1, 2 aus gleichartigen Materialien bzw. Werkstoffen bestehen, durch Wärmeübertragung erwärmt und in gewissem Masse plastifiziert werden. Hierdurch wird zusätzlich zu der formschlüssigen Verbindung auch eine stoffschlüssige Verbindung in einem Kontaktbereich 15 zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 erzeugt und zwar, ohne dass das rotierende Werkzeug 10 das zweite Bauteil 2 berührt. Bei unterschiedlichen Materialien, insbesondere wenn das erste Bauteil 1 aus Aluminium und das zweite Bauteil 2 aus Stahl besteht, wird eine derartige stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 aufgrund der unterschiedlichen Schmelzpunkte von Aluminium und Stahl nicht erzeugt. Falls das zweite Bauteil jedoch ein Stahlbauteil mit einer Beschichtung 16, beispielsweise einer Zinkschicht, ist, kann es durch den Wärmeübergang vom plastifizierten Material des ersten Bauteiles 1 in die Beschichtung 16 zu einer Lötverbindung im Kontaktbereich 15 zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 kommen (siehe 6).
Anhand der 7 bis 10 wird eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Hierbei werden die beiden Bauteile 1, 2 zunächst derart relativ zueinander positioniert, dass eine insbesondere angegossene Erhebung 17 des ersten Bauteiles 1 durch eine Durchbrechung 6 im zweiten Bauteil 2 hindurchgreift. Anschließend wird der durch die Durchbrechung 6 hindurchgreifende Abschnitt der Erhebung 17 des ersten Bauteiles 1, wie in den 8 und 9 dargestellt, mittels der Stirnfläche 13 des rotierenden Werkzeuges 10 mit einem Anpressdruck (Richtungspfeil 11) beaufschlagt. Hierdurch wird das die Erhebung 17 bildende Material des ersten Bauteiles 1 erwärmt, zumindest teilweise plastifiziert und durch das Werkzeug 10 derart verlagert bzw. umgeformt, dass das plastifizierte Material des ersten Bauteiles 1 den die Durchbrechung 6 begrenzenden Absatz 14 im zweiten Bauteil 2 umgreift. Nach dem Abkühlen des plastifizierten Materials des ersten Bauteiles 1 bildet sich dann die Formschlussverbindung zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 aus (10).
Mit Bezug auf die 11 und 12 wird eine andere besonders vorteilhafte Verfahrensvariante des vorliegenden Verfahrens zum Verbinden von zwei Bauteilen 1, 2 beschrieben. Hierbei weist das zweite Bauteil 2 im Verbindungsbereich 7 eine von einem umlaufenden Absatz 14 begrenzte Ausnehmung 18 auf. Das rotierende Werkzeug 10 ist bei dieser Verfahrensvariante mit einem stiftartigen Vorsprung 19 im Bereich der Stirnfläche 13 ausgestattet. Dieser stiftartige Vorsprung 19 wird bei einer Beaufschlagung des ersten Bauteiles 1 durch das sich plastifizierende Material des ersten Bauteiles 1 hindurch auf eine Oberfläche 20 des zweiten Bauteiles 2 im Bereich der Ausnehmung 18 gerichtet und reibt dann auf dieser (12). Hierdurch wird das Material der Oberfläche 20 des zweiten Bauteiles 2 im Bereich der Ausnehmung 18 erwärmt, zumindest teilweise plastifiziert und durch den stiftartigen Vorsprung 19 des rotierenden Werkzeuges 10 dann mit dem zuvor plastifizierten Material des ersten Bauteiles 1 verrührt. Bei dieser Verfahrensvariante wird also neben der formschlüssigen Verbindung zusätzlich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen 1, 2 erzeugt.
Eine wiederum abgewandelte Ausführungsform der gerade beschriebenen Verfahrensvariante wird kurz anhand der 13 und 14 erläutert. Hier weist das zweite Bauteil 2 im Verbindungsbereich 7 eine von einem Absatz 14 begrenzte Durchbrechung 6 auf und ist zwischen zwei Teilabschnitten 21, 22 des ersten Bauteiles 1 angeordnet. Eine derartige Anordnung entspricht im Wesentlichen der in den 1 bis 5 dargestellten Anordnung der beiden Bauteile 1, 2, bei welcher das zweite Bauteil 2 in einer Aufnahmeöffnung 4 des ersten Bauteiles 1 eingesteckt bzw. angeordnet ist. Zum Verbinden der beiden Bauteile 1, 2 wird der dem rotierenden Werkzeug 10 zugewandte erste Teilabschnitt 21 des ersten Bauteiles 1 mit dem Werkzeug 10 beaufschlagt. Hierbei wird das Material des ersten Bauteiles 1 bzw. des ersten Teilabschnittes 21 erwärmt und plastifiziert, wobei der stiftartige Vorsprung 19 des Werkzeuges 10 durch das plastifizierte Material und die Durchbrechung 6 im zweiten Bauteil 2 hindurch auf eine Oberfläche 23 des unterhalb der Durchbrechung 6 angeordneten zweiten Teilabschnittes 22 des ersten Bauteiles 1 gerichtet wird und auf dieser reibt. Dadurch wird zumindest das oberflächennahe Material des zweiten Teilabschnittes 22 ebenfalls erwärmt und teilweise plastifiziert und mit dem bereits plastifizierten und von dem Werkzeug 10 in die Durchbrechung 6 gepressten und plastifizierten Material des ersten Teilabschnittes 21 verrührt. Nach einem Abkühlen des verrührten Materials des ersten Teilabschnittes 21 und des zweiten Teilabschnittes 22 entsteht dann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Teilabschnitten 21, 22 des ersten Bauteiles 1 und zwar durch die Durchbrechung 6 im zweiten Bauteil 2 hindurch. Gleichzeitig liegt das verrührte und abgekühlte Material des ersten Bauteiles 1 bzw. der beiden Teilabschnitte 21, 22 an dem die Durchbrechung 6 im zweiten Bauteil 2 begrenzenden Absatz 14 an, sodass die beiden Bauteile 1, 2 formschlüssig miteinander verbunden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei Bauteilen 1, 2 aus artgleichem Material als auch bei hybriden Bauteilverbindungen eingesetzt werden. Als Beispiel für eine derartige hybride Bauteilverbindung ist in den 15 bis 19 eine Verbindung zwischen einem ersten Bauteil 1, welches als Gussknoten aus Aluminium ausgebildet ist, und einem zweiten Bauteil 2, welches als Halter aus einem verzinkten Stahl ausgebildet ist, dargestellt. Zunächst wird der Halter bzw. das zweite Bauteil 2, wie in den 16 und 18 dargestellt, in eine entsprechende Aufnahmeöffnung 3 im Gussknoten bzw. im ersten Bauteil 1 eingesteckt und anschließend werden, wie in den 17 und 18 angedeutet, die beiden Bauteile 1, 2 in dem markierten Verbindungsbereich 7 durch das erfindungsgemäße Verfahren formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste

1: erstes Bauteil
2: zweites Bauteil
3: Verbindungsabschnitt
4: Aufnahmeöffnung
5: Verbindungsabschnitt
6: Durchbrechung
7: Verbindungsbereich
8: Oberfläche (erstes Bauteil)
9: Rotationsachse
10: Werkzeug
11: Richtungspfeil
12: Richtungspfeil
13: Stirnfläche
14: Absatz
15: Kontaktbereich
16: Beschichtung
17: Erhebung
18: Ausnehmung
19: stiftartiger Vorsprung
20: Oberfläche (zweites Bauteil)
21: Teilabschnitt
22: Teilabschnitt
23: Oberfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006012821 A1 [0006]
DE 102009038896 A1 [0007]
DE 102013002700 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Verbinden von zwei zumindest in einem Verbindungsbereich (7) aneinanderliegenden Bauteilen (1, 2), bei welchem zunächst mittels eines das erste Bauteil (1) beaufschlagenden rotierenden Werkzeuges (10) ein Material des ersten Bauteiles (1) im Verbindungsbereich (7) erwärmt und zumindest teilweise plastifiziert wird und anschließend durch einen Anpressdruck (Richtungspfeil 11) des Werkzeuges (10) derart in Richtung eines im Verbindungbereich (7) angeordneten Absatzes (14) im zweiten Bauteil (2) gepresst wird, dass das plastifizierte Material des ersten Bauteiles (1) zumindest abschnittsweise an dem Absatz (14) im zweiten Bauteil (2) anliegt und dass sich nach dem Abkühlen des erwärmten Materials eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) mit einer orthogonal zu einer Rotationsachse (9) ausgerichteten planen Stirnfläche (13) des rotierenden Werkzeuges (10) beaufschlagt wird, wobei das rotierende Werkzeug (10) zur Erzeugung des Anpressdruckes (Richtungspfeil 11) längs seiner Rotationsachse (9) in Richtung des Verbindungbereiches (7) der beiden Bauteile (1, 2) zugestellt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Werkzeug (10) während der Beaufschlagung des ersten Bauteiles (1) mit seiner Stirnfläche (13) entlang des Verbindungbereiches (7) der beiden Bauteile (1, 2) über das erste Bauteil (1) vorgeschoben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsabschnitt (3) des ersten Bauteiles (1) eine Aufnahmeöffnung (4) aufweist, in welche ein Verbindungsabschnitt (5) des zweiten Bauteiles (2) vor der Beaufschlagung des ersten Bauteiles (1) mit dem rotierenden Werkzeug (10) eingesteckt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz (14) im zweiten Bauteil (2) Bestandteil einer Erhebung, einer Vertiefung oder einer Durchbrechung (6) im zweiten Bauteil (2) ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) im Verbindungsabschnitt (3) eine Erhebung (17) aufweist, welche sich nach einer Positionierung des zweiten Bauteiles (2) auf dem ersten Bauteil (1) durch die im zweiten Bauteil (2) vorgesehene Durchbrechung (6) hindurch erstreckt, wobei die sich durch die Durchbrechung (6) erstreckende Erhebung (17) des ersten Bauteiles (1) derart von dem rotierenden Werkzeug (10) beaufschlagt wird, dass das plastifizierte Material des ersten Bauteiles (1) zumindest abschnittsweise den die Durchbrechung (6) begrenzenden Absatz (14) im zweiten Bauteil (2) umgreift.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das plastifizierte Material des ersten Bauteiles (1) den die Durchbrechung (6) begrenzenden Absatz (14) im zweiten Bauteil (2) vollumfänglich umgreift.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (2) eine Beschichtung (16) aufweist, welche sich durch einen Wärmeübergang von dem erwärmten und plastifizierten Material des ersten Bauteiles (1) zumindest abschnittsweise stoffschlüssig mit diesem verbindet.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein stiftartiger Vorsprung (19) des rotierenden Werkzeuges (10) durch das sich plastifizierende Material des ersten Bauteiles (19) hindurch auf eine Oberfläche (20) des zweiten Bauteiles (2) gerichtet wird und auf dieser reibt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein stiftartiger Vorsprung (19) des rotierenden Werkzeuges (10) durch das sich plastifizierende Material des ersten Bauteiles (1) und eine im zweiten Bauteil (2) vorgesehene Durchbrechung (6) hindurch auf eine Oberfläche (23) eines unterhalb der Durchbrechung (6) angeordneten zweiten Teilabschnittes (22) des ersten Bauteiles (1) gerichtet wird und auf dieser reibt.