-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Lötdepots, ein Bauteil mit Lötdepot und eine Fügevorrichtung zum Einbringen eines Lötdepots.
-
In der Fahrzeugtechnik, insbesondere im Karosseriebau, ist das Widerstandspunktschweißen ein übliches und häufig verwendetes Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbundes. Hierbei werden zumindest zwei Bauteile überlappend zueinander angeordnet. In dem Überlappbereich werden die Bauteile eingespannt und ein Strom wird zwischen meist punktförmigen Elektroden hindurchgeleitet. Aufgrund des Stromflusses erwärmt sich das Material zwischen den Elektroden bis schmelzflüssigen Zustand. Nach Abschalten des Stroms erstarrt das aufgeschmolzene Material der Bauteile und bildet eine stoffschlüssige Verbindung aus.
-
Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass an den Ansetzpunkten der Elektroden sichtbare Markierungen in den Bauteilen entstehen. Liegen solche Verbindungen im Sichtbereich des Kunden oder an sogenannten Sekundärflächen ist häufig Nacharbeit erforderlich oder die Verwendung von Kaschierungen, wie z.B. Kunststoffabdeckungen.
-
Weiterhin ist es bekannt, Bauteile mittels Widerstandslöten zu verbinden. Hierbei wird ein Lotwerkstoff zwischen die zu verbindenden Bauteile eingebracht. Die Bauteile werden ähnlich dem Widerstandsschweißen zwischen zwei Elektroden verpresst und es wird ein Strom hindurchgeleitet. Das Lot hat dabei üblicherweise einen weit niedrigeren Schmelzpunkt als die Materialien der zu verbindenden Bauteile. Der Strom bewirkt ein Aufschmelzen des Lots, welches die Oberflächen der Bauteile flächig benetzt. Nach dem Abschalten erkaltet das Lot und verbindet die beiden Bauteile stoffschlüssig.
-
Aus der
DE 197 29 967 C1 sind punktförmige Lötverbindungen an Feinblechen bekannt, die unter Verwendung von Punktschweißmaschinen bei vorhergehender Lotdepotablage auf einem der Blechteile erzeugt werden. Die Lotdepots werden hierbei mittels eines kombinierten Umform- und Schneidprozesses in einer im Blechteil erzeugten Einsenkung fixiert. Zwar kann mit diesem Verfahren ein schrumpfungsbedingter Oberflächeneinzug verhindert werden. Die beim Einschneiden des Bauteils erzeugten Schnittkanten erweisen sich im späteren Fügeverfahren jedoch als problematisch. Insbesondere bei Ausbildung einer Lötverbindung fließt das Lot in die Schnittkanten und führt dort zu metallurgischen Problemen.
-
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung eine für die Serienfertigung geeignete und gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Möglichkeit anzugeben, wie Lotdepots an einem Bauteil transportsicher erzeugt werden können.
-
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1, ein Bauteil nach Patentanspruch 7 und durch Fügevorrichtungen nach Patentanspruch 8 und 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
-
Es wird ein Verfahren angegeben zum Einbringen eines Lotdepots an einem Bauteil. Hierzu wird zunächst ein Bauteil und ein das Lotdepot bildender Lotkörper bereitgestellt. Der Lotkörper wird an einer Fügestelle des Bauteils angeordnet.
-
Erfindungsgemäß wird der Lotkörper an der Fügestelle transportsicher fixiert durch Ausbilden einer stoffschlüssigen Verbindung, wozu der Lotkörper und das Bauteil zwischen einem Vibrationswerkzeug und einem Gegenwerkzeug einer Fügevorrichtung verspannt werden und mittels des Vibrationswerkzeugs mechanische Schwingungen auf den Lotkörper aufgeprägt werden.
-
Durch die aufgeprägten Schwingungen und die resultierende mechanische Grenzflächenreibung wird zumindest das Material des Lotwerkstoffs erwärmt. Je nach Grad der Erwärmung wird das Lotmaterial von plastisch verformbar bis hin zu schmelzflüssig. Nach ausreichender Erwärmung wird die Bewegung gestoppt, das erwärmte Material erkaltet wieder und es bildet sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Lotmaterial und Bauteil. Die stoffschlüssige Verbindung ist vorzugsweise eine Lötverbindung, d.h. es wird lediglich material des Lotkörpers aufgeschmolzen. Jedoch kann ggf. auch eine Anschmelzung des Grundmaterials des Bauteils erfolgen.
-
Bei den Schwingungen kann es sich um lineare Schwingungen (einachsig) oder um flächige Schwingungen handeln. Die flächige Schwingung lässt sich als Überlagerung zweier einachsiger Auslenkungen verstehen, die sich zu einer z.B. elliptischen oder kreisförmigen Oszillation oder z.B. einer winkelförmigen Relativbewegung ergänzen.
-
Die verwendeten Schwingungen können z.B. im Rahmen eines Vibrationsfügens im Bereich von einigen 10 Hz (Hertz) bis zu mehreren Hundert Hz liegen, vorzugsweise im Bereich von 20 Hz bis 400 Hz. Als Ultraschallfügen ausgeführt, kann es sich bei den Schwingungen ebenso um Ultraschallschwingungen handeln mit einer Frequenz von mehr als 16 kHz, beispielsweise um Schwingungen im Frequenzbereich von 20 kHz bis 40kHz.
-
Vorzugsweise schwingt das Vibrationswerkzeug horizontal, d.h. in Richtung der Bauteiloberfläche. Insbesondere bei Verwendung von Schwingung im Hochfrequenzbereich kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn das Vibrationswerkzeug vertikal zur Bauteiloberfläche schwingt.
-
Das Fixieren des Lotwerkstoffs mittels Vibrationsfügen bzw. Ultraschallfügen ist schnell und sicher. Gegenüber dem Verkleben hat es den Vorteil, dass neben dem Lotwerkstoff kein zusätzlicher Werkstoff an die Fügestelle gebracht wird. Insbesondere bei Klebstoffen sind die vorhandenen Kohlenwasserstoffverbindungen nachteilig für die spätere Ausbildung der Lötverbindung mit einem weiteren Bauteil. Das Fixieren mittels Vibrationsfügen bzw. Ultraschallfügen ist ausreichend sicher, so dass ein zusätzliches formschlüssiges Fixieren des Lotdepots im Bauteil, z.B. durch Einpressen oder Clinchen, nicht notwendig ist, wodurch die Kantenrissempfindlichkeit der Verbindung reduziert wird. Insbesondere wird vermieden, dass das Lotmaterial in Risse eindringt und dort aufgrund metallurgischer Reaktionen zu Verbindungsproblemen führt.
-
Der Lotkörper ist ein vorgeformtes Bauteil aus einem Lotwerkstoff. Beispielsweise kann der Lotkörper eine Butzenform, eine Tablettenform oder beliebige andere Formen aufweisen. Das Verfahren ist nicht auf bestimmte Lotwerkstoffe beschränkt, so lange diese eine ausreichende Löteignung zum Bauteil aufweisen. Der Lotkörper kann auch einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen, z.B. kann um eine Lotmasse eine Beschichtung mit niedrigerem Schmelzpunkt vorgesehen sein. Der Lotkörper kann der Fügestelle automatisiert zugeführt werden. Beispielsweise können Lotkörper aus einem Vorratsbehälter über eine Vereinzelungseinrichtung separiert und mittels Zuführkanal an die Fügestelle geführt werden.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Lotkörper unmittelbar vor dem Fixieren an dem Bauteil durch Austanzen aus einem Lothalbzeug hergestellt. Das Lothalbzeug kann dabei z.B. in Form einer Lotfolie, eines Lotbleches oder Lotbandes vorliegen, z.B. zu einem Coil aufgewickelt. Das Lothalbzeug wird in die Fügevorrichtung eingebracht, wobei es zwischen einem Stempel und einer Stanzmatrize der Fügevorrichtung angeordnet wird. Durch Absenken des Stempels in eine Durchgangsöffnung der Stanzmatrize wird der Lotkörper aus dem Lothalbzeug ausgestanzt. Der ausgestanzte Lotkörper fällt durch die Durchgangsöffnung und wird so auf dem darunter befindlichen Bauteil abgelegt. Nachfolgend kann der Lotkörper wie voranstehend beschrieben fixiert werden. Das Austanzen des Lotkörpers in der gleichen Fügevorrichtung, in der auch das Fixieren erfolgt, erzeugt den Lotkörper direkt an der Stelle, an der er stoffschlüssig fixiert werden soll. Dies ermöglicht ein leichtes und genaues Positionieren des Lotkörpers. Insbesondere braucht der Lotkörper nach dem Austanzen nicht mehr gegenüber dem Bauteil bewegt zu werden. Das Ausstanzen bietet durch die relativ freie Wahl der Stanzgeometrie zudem die Möglichkeit, die anfallende Abfallmenge weitgehend zu reduzieren, z.B. indem der Lotwerkstoff als eckiges Plättchen aus einem Lotband ausgestanzt wird. Die Zuführung des Lothalbzeugs kann einfach automatisiert werden, indem das Lothalbzeug z.B. mittels Vorschubeinrichtung nach jedem Ausstanzvorgang nachgeschoben wird.
-
Der auf dem Bauteil fixierte Lotkörper bildet ein Lotdepot, das in einem nachfolgenden Fügeprozess zur Erzeugung einer stoffschlüssigen Fügeverbindung zu einem weiteren Bauteil benötigt wird. Um das Lotdepot besonders transportsicher am Bauteil zu fixieren, ist es in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass der Lotkörper in einer im Bauteil ausgebildeten Vertiefung fixiert wird, wobei der fixierte Lotkörper bündig mit der Bauteilaußenfläche abschließt oder gegenüber dieser zurückversetzt ist, d.h. die Dicke des Lotkörpers entspricht der Tiefe der Ausnehmung oder ist geringer als diese. Ein ungewolltes Abscheren des Lotkörpers während des Bauteiltransports kann so sicher vermieden werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung kann der Lotkörper eine zusätzliche Funktion als Abstandshalter ausüben, wenn er gegenüber der Bauteilaußenfläche aus der Vertiefung hervorsteht, d.h. seine Dicke größer ist als die Tiefe der Vertiefung. Die Vertiefung hat vorzugsweise eine Tiefe von weniger als 1 mm.
-
Die Vertiefung im Bauteil kann z.B. als Einprägung durch einen Prägeschritt mittels eines Prägewerkzeug erzeugt werden. Vorteilhafter Weise wird dieser Prägeschritt in derselben Fügevorrichtung durchgeführt, in der auch die Fixierung des Lotkörpers am Bauteil erfolgt. Der Prägeschritt wird vor Schritt c), also vor dem Fixieren des Lotkörpers, durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt liegt das Bauteil in der Fügevorrichtung auf dem Gegenwerkzeug auf. Zur Erzeugung der Einprägung wird nun das Bauteil im Bereich der Fügestelle mittels eines in Richtung auf das Gegenwerkzeug verfahrbaren Stempel in eine im Gegenwerkzeug ausgebildete Aussparung gepresst. Hierbei formt sich das Bauteil entsprechend der Kontur des Gegenwerkzeug um, wodurch eine entsprechende Einprägung im Bauteil gebildet wird, in der anschließend der Lotkörper fixiert wird.
-
Zur Einkopplung der Schwingungen und zur Fixierung des Lotkörpers auf dem Bauteil wird die Stirnfläche des Vibrationswerkzeugs auf den Lotkörper aufgesetzt. Zur Unterstützung der Fixierung des Lotwerkstoffs auf dem Bauteil oder zur Verbesserung des nachfolgenden Fügevorgangs mit einem weiteren Bauteil kann es vorteilhaft sein, wenn diese Stirnfläche nicht eben ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Stirnfläche einen Vorsprung in Form einer Prägenase oder einen Prägehohlraum in Form eines Rücksprungs aufweisen, wodurch die Oberfläche des Lotkörpers während des Fixierens zusätzlich mit einer entsprechenden Struktur versehen wird. Hierdurch kann der Lotkörper nach dem Fixieren beispielsweise eine vorstehende Erhöhung, z.B. in der Art einer Kontaktspitze, aufweisen, was für den nachfolgenden Fügevorgang mit einem weiteren Bauteil vorteilhaft ist. Weiterhin kann so in dem fixierten Lotkörper eine Vertiefung erzeugt werden, die bis in das Bauteil hineinragt, was zur Verbesserung der Fixierung am Bauteil vorteilhaft ist.
-
Das voranstehend beschriebene Verfahren eignet sich zum Einbringen eines Lotdepots in eine Vielzahl von Bauteilen. So kann das Verfahren sowohl für Bauteile aus metallischen Werkstoffen, als auch aus Kunststoffen, insbesondere faserverstärkten Kunststoffen verwendet werden. Bei dem Bauteil kann es sich insbesondere um ein Bauteil aus einem blechförmigen Werkstoff handeln, dessen Dicke sehr viel geringer ist als seine Länge und Breite. Insbesondere kann es sich um ein Formbauteil aus einem Tiefziehblech handeln.
-
In einem Aspekt der Erfindung wird in ein Außenhautbauteil einer Fahrzeugkarosserie mit dem voranstehend beschriebenen Verfahren wenigstens ein, vorzugsweise mehrere, Lotdepots eingebracht. Hierzu kann das Verfahren an verschiedenen Fügestellen des Bauteils wiederholt werden oder es werden mehrere Lotdepots gleichzeitig, z.B. durch mehrere gleichzeitig betriebene Fügevorrichtungen eingebracht.
-
Weiterhin wird eine Fügevorrichtung zum Einbringen eines Lotdepots in ein Bauteil angegeben. Die Fügevorrichtung beinhaltet ein Vibrationswerkzeug und ein Gegenwerkzeug, zwischen denen Bauteile positionierbar und mit einer vorgegebenen Kraft beaufschlagbar sind. Weiterhin umfasst die Fügevorrichtung ein Schwingsystem, mit dem das Vibrationswerkzeug in mechanische Schwingungen versetzbar ist. Das Vibrationswerkzeug kann beispielsweise in einer von herkömmlichen Vibrationsschweißmaschinen bekannten Art ausgebildet sein und z.B. über ein elektromagnetisches, hydraulisches oder elektromechanisches Antriebssystem in Schwingung versetzbar sein. Ebenso kann es sich bei dem Vibrationswerkzeug um eine Sonotrode handeln, die über ein Amplitudentransformationsstück von einem Generator mit Ultraschallschwingungen anregbar ist. Das feststehende Gegenwerkzeug wirkt als Gegenlager für das Vibrationswerkzeug. Weiterhin weist die Fügevorrichtung ein Stanzwerkzeug auf mit einer Stanzmatrize mit Durchgangsöffnung. Die Stanzmatrize ist zwischen dem Vibrationswerkzeug und dem Gegenwerkzeug angeordnet. Das Vibrationswerkzeug kann mittels eines Antriebs durch die Durchgangsöffnung der Stanzmatrize in Richtung auf das Gegenwerkzeug zugestellt werden.
-
Diese Fügevorrichtung ermöglicht es in besonders einfacher und zuverlässiger Weise, einen Lotkörper direkt an der Fügestelle zu erzeugen und an einem Bauteil stoffschlüssig zu fixieren. Insbesondere kann der Lotkörper unmittelbar nach seinem Erzeugen durch Ausstanzen an dem Bauteil fixiert werden, so dass ein zusätzliches Positionieren des Lotkörpers entfällt.
-
Vorteilhafter Weise kann dem Vibrationswerkzeug neben dem Aufprägen der Vibrationen noch eine zweite Funktion zukommen, nämlich das Ausstanzen des Lotwerkstoffs zur Erzeugung des Lotkörpers. In dieser Ausgestaltung ist das Vibrationswerkzeug als Stempel ausgestaltet, dessen Stempelquerschnitt entsprechend der Durchgangsöffnung der Stanzmatrize geformt ist, so dass das Vibrationswerkzeug mit der Stanzmatrize als Stanzwerkzeug zusammenwirkt.
-
Hierzu wird das Bauteil auf der Seite des Gegenwerkzeugs in der Fügevorrichtung positioniert. Das Löthalbzeug wird auf der Seite des Vibrationswerkzeugs in der Fügevorrichtung positioniert, wobei sich das Löthalbzeug zwischen Vibrationswerkzeug und Stanzmatrize befindet. Durch eine Zustellbewegung des Vibrationswerkzeugs in Richtung auf das Gegenwerkzeug wird zunächst das Löthalbzeug gegen die Stanzmatrize gepresst. Bei weiter fortschreitender Zustellbewegung wird ein Lotkörper aus dem Halbzeug ausgestanzt, der im Wesentlichen die Form der Durchgangsöffnung der Stanzmatrize aufweist. Der Lotkörper fällt durch die Matrize auf das darunter liegende Bauteil. Durch weiteres Absenken bzw. Zustellen des Vibrationswerkzeugs in Richtung auf das Bauteil werden Lotkörper und Bauteil zwischen Gegenwerkzeug und Vibrationswerkzeug eingespannt.
-
Größere Freiheiten bezüglich der Ausgestaltung des Lotkörpers ergeben sich in einer alternativen Ausgestaltung, in der das Stanzwerkzeug weiterhin einen mit der Stanzmatrize zusammenwirkenden separaten Stempel beinhaltet, der als Hohlstempel um das Vibrationswerkzeug herum ausgebildet ist und durch einen entsprechenden Antrieb in die Durchgangsöffnung der Stanzmatrize absenkbar ist. Insbesondere sind Hohlstempel und Vibrationswerkzeug als konzentrische Stempel ausgebildet und unabhängig voneinander betätigbar. Wird eine derartige Fügevorrichtung verwendet, so wird zunächst durch eine Zustellbewegung des Stempels der Lotkörper aus einem Lothalbzeug ausgestanzt und auf das Bauteil gepresst. Nachfolgend wird das Vibrationswerkzeug in Richtung auf das Gegenwerkzeug zugestellt und es wird ein vorgegebener Fügedruck auf das Bauteil und den Lotkörper erzeugt.
-
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch eine Fügevorrichtung zum Einbringen eines Lotdepots in ein Bauteil, die ein Vibrationswerkzeug und ein Gegenwerkzeug beinhaltet und weiterhin eine Zuführvorrichtung, mit der ein Lotkörper zwischen Vibrationswerkzeug und Gegenwerkzeug zuführbar ist. Bei dieser Ausführungsform können vorgeformte Lotkörper durch die Zuführvorrichtung unmittelbar an die Fügestelle transportiert und dort abgelegt werden. Die Zuführvorrichtung kann hierzu beispielsweise einen Vorratsbehälter, eine Vereinzelungsvorrichtung und einen Zuführkanal aufweisen, der in einer Führungsbuchse zwischen Vibrationswerkzeug und Gegenwerkzeug endet. Derartige Zuführvorrichtungen sind dem Fachmann beispielsweise von der Nietzuführung bei Nietwerkzeugen hinlänglich bekannt. Der zugeführte Lotkörper kann durch ein anschließendes Absenken des Vibrationswerkzeugs in Richtung auf das Gegenwerkzeug fixiert werden.
-
Diese Fügevorrichtung ermöglicht in besonders einfacher und zuverlässiger Weise, auch komplex geformte Lotkörper an einer Fügestelle an einem Bauteil zu positionieren und dort stoffschlüssig zu fixieren.
-
Das Gegenwerkzeug der Fügevorrichtungen weist eine dem Vibrationswerkzeug zugewandte Auflagefläche zur Auflage des Bauteils auf. In einer Ausgestaltung ist in dieser Auflagefläche eine Aussparung bzw. Vertiefung vorgesehen, die dem Vibrationswerkzeug gegenüberliegt und zugewandt ist. Die Form und Lage der Aussparung korrespondiert insbesondere mit der Stirnfläche des Vibrationswerkzeugs oder der Stirnfläche des Stempels derart, dass diese bis in die Aussparung absenkbar ist und so durch eine Zustellbewegung des Vibrationswerkzeugs oder des Stempels ein auf der Auflagefläche aufliegendes Bauteil in die Aussparung eingepresst werden kann unter Ausbildung einer Einprägung in dem Bauteil.
-
Zur Einkopplung der Schwingungen und zur Fixierung des Lotkörpers auf dem Bauteil wird die Stirnfläche des Vibrationswerkzeugs auf den Lotkörper aufgesetzt. Zur Unterstützung der Fixierung des Lotwerkstoffs auf dem Bauteil oder zur Verbesserung des nachfolgenden Fügevorgangs mit einem weiteren Bauteil kann es vorteilhaft sein, wenn diese Stirnfläche nicht eben ausgebildet ist. In einer Ausgestaltung weist die Stirnfläche des Vibrationswerkzeugs eine Prägenase auf, die insbesondere mit einem entsprechend geformten Rücksprung des Gegenwerkzeugs korrespondiert oder die Stirnfläche des Vibrationswerkzeugs weist einen Prägehohlraum auf, der insbesondere mit einem entsprechend geformten Vorsprung des Gegenwerkzeugs korrespondiert. Hierdurch kann die Oberfläche des Lotkörpers während des Fixierens zusätzlich mit einer entsprechenden Struktur versehen werden. Dir Form der Prägenase bzw. des Prägehohlraums kann z.B. kegelförmig, zylinderförmig oder halbkugelförmig sein.
-
Die beschriebenen Fügevorrichtungen können insbesondere zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens verwendet werden, wobei dieselben technischen Wirkungen und Vorteile erzielt werden.
-
Zusätzlich ist es denkbar, bei dem Lotdepot mit einem einseitig aufgebrachten Flussmittel (oder ähnlichen Mittel) das Anheften auf dem Bauteil zu unterstützen. Das Lotdepot kann auch in unterschiedlicher Ausführung dargestellt werden z. B. pulverförmig, teigig, ....mit entsprechend angepassten Zuführvorrichtungen.
-
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
-
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs,
- 2A bis 2E eine beispielhafte Fügevorrichtung zu verschiedenen Stadien eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 eine alternative Ausgestaltung der Fügevorrichtung,
- 4A und 4B weitere Ausführungsbeispiele der Fügevorrichtung und
- 5 eine weitere erfindungsgemäße Fügevorrichtung.
-
1 zeigt schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einbringen eines Lotdepots in ein Bauteil. In Schritt A werden zunächst ein Bauteil sowie ein Lotkörper bereitgestellt. Der Lotkörper ist ein vorgeformtes Bauteil aus einem Lotmaterial. In Schritt B wird der Lotkörper an einer Fügestelle des Bauteils positioniert. Als Fügestelle wird hierbei derjenige Bauteilabschnitt bezeichnet, an dem einerseits der Lotkörper fixiert werden soll und an der andererseits zu einem späteren Zeitpunkt unter Verwendung des Lotkörpers eine Verbindung zu einem weiteren Bauteil ausgebildet werden soll. In Schritt C des Verfahrens erfolgt nachfolgend die stoffschlüssige Fixierung des Lotkörpers an dem Bauteil durch Vibrationsfügen oder Ultraschallfügen, wie nachfolgend mit Bezug auf die 2E näher beschrieben wird. Vor Schritt C kann in dem Verfahren ein optionaler Schritt D erfolgen, bei dem in dem Bauteil an der Fügestelle eine Vertiefung in Form einer Einprägung hergestellt wird. Der Lotkörper wird dann in die Vertiefung eingelegt und dort in Schritt C fixiert.
-
Solche mit einem oder mehreren Lotdepots versehene Bauteile finden beispielsweise im Karosseriebau als Außenhautbauteile Verwendung. Beispielsweise wird ein Wasserrinnen-Bauteil eines Fahrzeugs mit mehreren Lotdepots versehen und in einem nachfolgenden Fügeverfahren mit einem Seitenrahmen-Bauteil punktverlötet.
-
Anhand der 2A bis 2E, welche eine beispielhafte Fügevorrichtung 1 zeigen, wird das Verfahren näher erläutert. Eine beispielhafte Fügevorrichtung 1 beinhaltet ein Vibrationswerkzeug 2 sowie ein Gegenwerkzeug 3. Zwischen Vibrationswerkzeug 2 und Gegenwerkzeug 3 ist eine Stanzmatrize 4 mit Durchgangsöffnung vorgesehen. Die Durchgangsöffnung kann beispielsweise einen runden oder eckigen Querschnitt aufweisen. Gemeinsam mit einem Stempel 5 bildet die Stanzmatrize 4 ein Stanzwerkzeug 6.
-
Der Stempel 5 ist als Hohlstempel ausgebildet. In seinem Inneren ist das Vibrationswerkzeug 2 angeordnet. Sowohl der Stempel 5 als auch das Vibrationswerkzeug 2 sind relativ zur Stanzmatrize 4 durch deren Durchgangsöffnung hindurch in Richtung auf das Gegenwerkzeug 3 verfahrbar. Hierzu vorgesehene Antriebsvorrichtungen sind in den Figuren nicht dargestellt.
-
In Schritt A wird nun zunächst das mit einem Lotdepot zu versehene Bauteil 7 zwischen Gegenwerkzeug 3 und Schneidmatrize 4 in die Fügevorrichtung 1 eingebracht. Das Bauteil 7 wird so positioniert, dass die Fügestelle, an der das Lotdepot fixiert werden soll, an die Durchgangsöffnung der Stanzmatrize 4 angrenzt. Zwischen Stanzmatrize 4 und Stempel 5 wird ein Lothalbzeug 8 in Form eines Lotbandes in die Fügevorrichtung 1 eingebracht. Hierzu kann die Fügevorrichtung 1 beispielsweise eine nur schematisch dargestellte Fördervorrichtung 9 aufweisen, mit der das Lothalbzeug 8 transportiert werden kann.
-
Zur Bereitstellung des Lotkörpers, welcher nachfolgend das Lotdepot auf dem Bauteil 7 bilden soll, wird nun der Stempel 5 in Richtung auf das Gegenwerkzeug 3 verfahren. Hierbei kommt der Stempel 5 zunächst in Kontakt mit dem Lothalbzeug 8. Bei weiterem Verfahren des Stempels 5 in die Durchgangsöffnung der Stanzmatrize 4 wird aus dem Lothalbzeug 8 ein Lotkörper 10 mit im Wesentlichen der Form der Durchgangsöffnung abgeschert bzw. ausgestanzt, siehe 2B. Der Lotkörper 10 fällt auf das darunter befindliche Bauteil 7 und wird durch weiteres Absenken des Stempels 5 gegen dieses gepresst, siehe 2C.
-
Das Bauteil 7 und der Lotkörper 10 sind nun zwischen dem Stempel 5 und dem Gegenwerkzeug 3 eingespannt. Um im gleichen Arbeitsschritt eine Einprägung im Bauteil 7 zu erzeugen, weist das Gegenwerkzeug 3 aus 2D im Bereich der Fügestelle eine Aussparung 11 auf. Durch weiteres Absenken des Stempels 5 werden der Lotkörper 10 und das Bauteil 7 in die Aussparung 11 gedrückt. Das Bauteil 7 erhält hierdurch eine Einprägung 12, deren Form weitgehend der Kontur der Aussparung 11 entspricht. Die Form, Größe und Tiefe der Einprägung ist nicht auf die in den Figuren gezeigte Ausführung beschränkt. Gemäß 2D ist die Tiefe der Einprägung 12 so gewählt, dass der Lotkörper 10 vollständig in der Einprägung 12 aufgenommen wird und gegenüber der Bauteiloberfläche 13 zurückversetzt ist. Es ist jedoch ebenso denkbar, die Tiefe der Einprägung 12 so zu wählen, dass das Lotdepot bündig mit der Bauteiloberfläche 13 abschließt oder sogar über diese hinausragt. Ebenso kann die Abmessung der Einprägung so gewählt werden, dass die Einprägung vollständig mit dem Lotdepot aufgefüllt wird.
-
Nachfolgend wird das Vibrationswerkzeug 2 auf den Lotkörper 10 aufgesetzt. Hierbei wird eine Fügekraft zwischen Vibrationswerkzeug 2 und Gegenwerkzeug 3 aufgebracht. Das Gegenwerkzeug 3 dient hierbei als Gegenlager. Das Vibrationswerkzeug 2 wird in mechanische Schwingung versetzt. Das Vibrationswerkzeug 2 ist beispielsweise eine Sonotrode. Über einen nicht dargestellten Generator wird eine Ultraschallfrequenz erzeugt, die über ein Schwingsystem weitergegeben wird. Das Schwingsystem kann z.B. aus einem Konverter, einem Amplitudentransformationsstück und einer Sonotrode bestehen, wobei in den Figuren lediglich die Sonotrode dargestellt ist. Der Konverter wandelt die Hochfrequenz des Generators in mechanische Schwingungen um. Über das Amplitudentransformationsstück wird die Schwingung an die Sonotrode weitergegeben und von dort auf den Lotkörper 10. Die Richtung der Ultraschallschwingung (dargestellte durch den Doppelpfeil S) liegt horizontal zur Bauteiloberfläche. In einer nicht dargestellten Ausführungsform wird ein Vibrationswerkzeug verwendet, welches vertikal zur Bauteiloberfläche schwingt.
-
Durch die aufgeprägte mechanische Schwingung und die resultierende Reibung wird das Lotmaterial des Lotkörpers 10 erwärmt und zumindest teilweise aufgeschmolzen. Nach ausreichender Erwärmung wird die Vibration beendet und das Material erkaltet unter Aufrechterhaltung des Fügedrucks. Es bildet sich eine stoffschlüssige Verbindung 14 zwischen Lotkörper 10 und Bauteil 7, welche das Lotdepot sicher im Bauteil fixiert.
-
Das voranstehend beschriebene Verfahren kann in ähnlicher Weise auch mit der in 3 gezeigten Fügevorrichtung 1A vorgesehen werden. Diese Fügevorrichtung unterscheidet sich von der zu den 2A bis 2E beschriebenen dadurch, dass das Vibrationswerkzeug 2A gleichzeitig auch als Stanzstempel ausgebildet ist. Das Vibrationswerkzeug 2A korrespondiert in dieser Ausgestaltung insbesondere hinsichtlich seiner äußeren Form mit der Form der Durchgangsöffnung in der Matrize 4 zur Erzielung der gewünschten Stanzwirkung. Das Ausstanzen des Lotkörpers 10 sowie das Anpressen des Lotkörpers 10 und das Einprägen der Vertiefung 12 in das Bauteil 7 erfolgt bei der Fügevorrichtung 1A allein durch Verfahren des Vibrationswerkzeugs 2A, welches hierzu mit entsprechend hohen Stellkräften verfahrbar ist.
-
Zum Fixieren des Lotkörpers 10 auf dem Bauteil 7 wird das Vibrationswerkzeug 2 mit seiner Stirnfläche 15 in Kontakt mit dem Lotkörper 10 gebracht. In einer Ausgestaltung kann die Stirnfläche 15 eben sein. Vorteilhaft für das Fixieren des Lotkörpers 10 an dem Bauteil 7 ist es jedoch, wenn die Stirnfläche 15 eine vorstehenden Prägenase 16, wie den in 4A gezeigten mittig angordneten, kegelförmigen Vorsprung, aufweist. Hierdurch wird der fixierte Lotkörper 10 mit einer in das Bauteil hineinreichenden Vertiefung 17 versehen, welche eine zusätzliche formschlüssige Fixierung quer zur Bauteiloberfläche ermöglicht. Vorzugsweise weist das Gegenwerkzeug 3 eine, der Prägenase 16 des Vibrationswerkzeugs 2 entsprechende Prägevertiefung 18 auf.
-
4B zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der die Stirnfläche 15 des Vibrationswerkzeugs 2 einen Prägehohlraum 19 in Form einer kegelförmigen Vertiefung aufweist. Nach der Fixierung des Lotkörpers 10 entsteht hierdurch ein Lotdepot mit in der Mitte vorstehender Erhöhung 20, welche den nachfolgenden Fügeprozess mit einem weiteren Bauteil erleichtert. Vorzugsweise weist auch hier das Gegenwerkzeug 3 einen, dem Prägehohlraum 19 im Vibrationswerkzeug 2 entsprechenden Prägevorsprung 21 auf.
-
5 zeigt eine weitere Fügevorrichtung 1B zur Durchführung eines beispielhaften Verfahrens nach 1. Anders als zu den 2 und 3 beschrieben, wird bei dieser Verfahrensführung der Lotkörper 10 nicht durch Ausstanzen aus einem Halbzeug 8 hergestellt, sondern als bereits vorkonfektioniertes Zusatzbauteil zugeführt. Eine derartige Fügevorrichtung 1B weist ein Vibrationswerkzeug 2 sowie ein Gegenwerkzeug 3 auf, wie sie voranstehend beschrieben wurden. Zwischen Vibrationswerkzeug 2 und Gegenwerkzeug 3 ist weiterhin eine Zuführvorrichtung 22 vorgesehen. Die Zuführvorrichtung 22 beinhaltet neben einem nicht dargestellten Vorratsbehälter und einer nicht dargestellten Vereinzelungsvorrichtung, weiterhin einen Zuführkanal 23, der in einer Führungsbuchse 24 zwischen Vibrationswerkzeug 2 und Gegenwerkzeug 3 endet. Derartige Zuführvorrichtungen 22 sind beispielsweise von der Nietzuführung bei Nietwerkzeugen bekannt. Der Lotkörper 10 wird der Fügestelle durch den Zuführkanal 23 und die Führungsbuchse 24 zugeführt und fällt auf das darunter befindliche Bauteil 7. Durch ein anschließendes Absenken des Vibrationswerkzeugs 2 in Richtung auf das Gegenwerkzeug 3 und ein wie voranstehend beschriebenes Vibrationsfügen wird der Lotkörper 10 dann fixiert.
-
Die in den Figuren gezeigten Fügevorrichtungen 1, 1A, 1B können stationär betrieben oder auch beweglich, z.B. von Robotern geführt, betrieben werden. Die Fügevorrichtungen 1, 1A, 1B können insbesondere als Zangenlösung konzipiert sein, wobei z.B. das Gegenwerkzeug 3 an einem Zangenarm und das Vibrationswerkzeug 2, der eventuell vorgesehene Stempel 5 und die Stanzmatrize 4 an dem anderen Zangenarm angeordnet sind.
-
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
-
Bezugszeichenliste
-
- A, B, C, D
- Verfahrensschritte
- 1, 1A, 1B
- Fügevorrichtung
- 2, 2A
- Vibrationswerkzeug
- 3
- Gegenwerkzeug
- 4
- Stanzmatrize
- 5
- Stempel
- 6
- Stanzwerkzeug
- 7
- Bauteil
- 8
- Lothalbzeug
- 9
- Fördervorrichtung
- 10
- Lotkörper
- 11
- Aussparung
- 12
- Einprägung
- 13
- Bauteiloberfläche
- 14
- stoffschlüssige Verbindung
- 15
- Stirnfläche
- 16
- Prägenase
- 17
- Vertiefung
- 18
- Prägevertiefung
- 19
- Prägehohlraum
- 20
- Erhöhung
- 21
- Prägevorsprung
- 22
- Zuführvorrichtung
- 23
- Zuführkanal
- 24
- Führungsbuchse
- S
- Schwingung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
