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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Verbindung eines ersten Werkstücks mit einem zweiten, elektrisch leitfähigen Werkstück sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Gewichtsreduktionen von Baugruppen, insbesondere in der Fahrzeugtechnik, werden unter anderem durch den Einsatz von Kunststoffen und Faser-Kunststoff-Verbunden, auch als FKV bezeichnet, realisiert. Dabei wird das Ziel verfolgt, ohne Einbußen in Festigkeit bzw. Steifigkeit das Gewicht von Fahrzeugen zu senken. Besondere Vorteile bieten Kompositteile, die beispielsweise aus Metall und Kunststoff bzw. Faser-Kunststoff-Verbund zusammengesetzt sind, da diese die Vorteile eines metallischen Werkstücks, beispielsweise in Bereichen hoher mechanischer Beanspruchung, mit denen des Kunststoffs bzw. Verbundmaterials, etwa in Bereichen geringerer mechanischer Beanspruchung, kombinieren. Faser-Kunststoff-Verbunde zeichnen sich durch ihre entlang der Faserrichtung hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten aus, besitzen aber gegenüber anderen Werkstoffen ein geringeres Gewicht.
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Diesen Vorteilen stehen jedoch in vielen Anwendungsfällen nachteilige Fügetechnologien entgegen. So werden Teile aus Faser-Kunststoff-Verbund oder Kunststoffen häufig mechanisch gefügt, etwa mittels Blindnieten, Stanznieten oder Schrauben. Dabei ist, beispielsweise für die Verbindung eines FKV-Teils mit einem Metallteil, ein vorheriges Lochen der Werkstücke notwendig. Dadurch werden typischerweise die Fasern beim FKV geschädigt und es tritt eine große Lochleibung bei Kunststoffen bzw. FKV infolge der eingeleiteten Kraft auf, was mit lokal verringerten Steifigkeiten bzw. Festigkeiten einhergeht. Auf diese Weise ist ein vollständiges Ausnutzen des Potentials des Kunststoffes bzw. des FKV nicht möglich, was eine größere Dimensionierung von Werkstücken notwendig macht. Insbesondere die typischerweise verwendeten Lochdurchmesser von 5 mm und größer sorgen einerseits für große Bereiche geschädigter Fasern und andererseits für Lasteinleitungen unter hohen Kerbspannungen. Darüber hinaus ist das vorherige Lochen der Werkstücke ein zusätzlicher Bearbeitungsschritt, der die Herstellungsverfahren langsamer und teurer macht.
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Bei thermoplastischen Werkstoffen kommen zu den genannten, typischerweise verwendeten Verfahren noch das Widerstandselementschweißen und das indirekte Widerstandsschweißen zum Einsatz. Diese Verfahren sind jedoch mit weiteren Nachteilen behaftet, da einerseits eine zweiseitige Zugänglichkeit erforderlich ist und andererseits nur geringe Verbindungsfestigkeiten erzielbar sind. Ein anderes Verfahren, welches das Lichtbogenschweißen mit Widerstandserwärmung kombiniert, löst diese Nachteile, benötigt allerdings zur Realisierung des Lichtbogens einen Abstand bzw. Spalt zwischen den zu verbindenden Werkstücken.
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Die
DE 43 27 647 C1 offenbart einen Schweißbolzen zur Befestigung eines flächigen Materials mit einem Schaft und einer Kopferweiterung zu Bildung einer Haltefläche. Sowohl der Schaft als auch die Kopferweiterung sind einstückig aus einem geraden Draht vor dem eigentlichen Verbindungsprozess vorgefertigt. Es ist beschrieben, dass bekannte Schweißbolzen etwa in der Isoliertechnik eingesetzt werden, um beispielsweise Isoliermatten an Blechen zu befestigen. Dabei wird der Bolzen mittels Elektroschweißen an einem Grundmaterial befestigt und die Kopferweiterung kontaktiert die Isoliermatte und drückt sie an das Grundmaterial.
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Die
AT 506 217 A4 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur an einer Oberfläche eines Werkstücks. In einem Schweißprozess wird zwischen einem Zusatzwerkstoff und dem Werkstück ein Lichtbogen gezündet. Die Struktur wird schrittweise aus mehreren Einzelelementen hergestellt, wobei jedes einzelne Element in einem Schweißzyklus hergestellt wird und nach jedem Schweißzyklus eine Schweißpause eingelegt wird. Die hergestellte Struktur kann beispielsweise zur Verbindung mehrerer Werkstücke oder als Positionierhilfe genutzt werden.
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Die
DE 10 2015 118 058 A1 offenbart ein Fügeverfahren zum Fügen von metallischen und nicht-metallischen Fügepartnern, bei dem die beiden Fügepartner mittels der sogenannten Cold-Metal-Transfer-Pin-Technologie miteinander verbunden werden. Dabei wird ein Draht durch den nicht-metallischen Fügepartner gestoßen und ein Drahtende des Drahtes wird an der Oberfläche des metallischen Fügepartners mittels Lichtbogen festgeschweißt, wobei hierfür ein Abstand zwischen den Fügepartnern vorliegen muss. Zusätzlich können Drahtschlaufen um den nicht-metallischen Fügepartner gelegt werden und der Draht kann am metallischen Fügepartner festgeschweißt werden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, mit welchen unter Behebung der genannten Nachteile auf besonders einfache und kostengünstige Weise die Verbindung eines ersten Werkstücks mit einem zweiten, elektrisch leitfähigen Werkstück, realisierbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur mechanischen Verbindung eines ersten Werkstücks mit einem zweiten, elektrisch leitfähigen Werkstück gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 9. Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-8 angegeben, eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist in Unteranspruch 10 angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur mechanischen Verbindung eines ersten Werkstücks mit einem zweiten, elektrisch leitfähigen Werkstück, bei dem ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement durch das erste Werkstück hindurch geführt wird. Das Verbindungselement kontaktiert das zweite Werkstück elektrisch leitfähig. Das Verbindungselement wird mittels Widerstandsschweißung an das zweite Werkstück angeschweißt und das Verbindungselement wird durch Einwirkung mechanischer Kraft derart umgeformt, dass es einen Hinterschnitt an der dem zweiten Werkstück gegenüberliegenden Seite des ersten Werkstücks ausbildet, sodass es das erste und das zweite Werkstück formschlüssig miteinander verbindet.
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Typischerweise verdrängt das Verbindungselement beim Hindurchführen durch das erste Werkstück dessen Material. Mit anderen Worten durchdringt das Verbindungselement das Material des ersten Werkstücks. Es wird somit ohne die vorherige Herstellung eines Lochs im ersten Werkstück durch dieses hindurch geführt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das erste Werkstück thermoplastischen Kunststoff umfasst. Somit wird kein zusätzlicher Prozess für die Herstellung eines Lochs benötigt.
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Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass vor dem Hindurchführen des Verbindungselements durch das erste Werkstück an der gewünschten Position des ersten Werkstücks ein Loch erzeugt wird, beispielsweise durch Stechen, Bohren oder Stanzen. Der Durchmesser des Lochs kann im Wesentlichen dem Durchmesser des Verbindungselements entsprechen. Insbesondere erfolgt dies, wenn das erste Werkstück einen duroplastischen Kunststoff umfasst. Es müssen keine Zusatzelemente in den Faser-Kunststoff-Verbund laminiert werden. Werden lediglich Löcher mit kleinem Durchmesser gestochen, kann dies auch als minimalinvasiver Eingriff in das erste Werkstück bezeichnet werden. Dies wird insbesondere bei duroplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden durchgeführt und führt lediglich zu einer minimalen Schädigung des Faser-Kunststoff-Verbunds.
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Insbesondere wird das Verbindungselement derart durch das erste Werkstück hindurch geführt, dass es das zweite Werkstück elektrisch leitfähig kontaktiert. Das Hindurchführen des Verbindungselements meint insbesondere ein Hindurchführen eines Abschnitts des Verbindungselements durch das erste Werkstück. Das Verbindungselement muss nicht notwendigerweise ein separates Element sein, sondern kann beispielsweise als zur Verbindung zu nutzender Abschnitt eines endlos bereitgestellten Verbindungsmittels zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann es ein Abschnitt an einem freien Ende eines auf einer Rolle bereitgestellten Drahtes sein, wie er in typischen Schweißprozessen als Elektrode verwendet wird. Insbesondere wird das Verbindungselement aus einem zur Verbindung genutzten Werkstoff während des Fügeprozesses in situ verarbeitet. Beispielsweise wird ein kleines Stück Draht von einer Drahtrolle an den metallischen Fügepartner angeschweißt.
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Zur Realisierung der Widerstandsschweißung wird eine elektrische Spannung zwischen dem zweiten Werkstück und dem Verbindungselement angelegt, sodass ein elektrischer Stromfluss realisiert wird, in dessen Folge sich das Verbindungselement und das zweite Werkstück widerstandsbedingt erwärmen und auf diese Weise miteinander verschweißt werden.
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Insbesondere erfolgt das Umformen nach dem Hindurchführen des Verbindungselements durch das erste Werkstück, nach einer Herstellung eines elektrisch leitfähigen Kontakts zwischen Verbindungselement und zweitem Werkstück und/oder nach dem Anschweißen des Verbindungselements an das zweite Werkstück. Es kann mittels der Umformung ein Schließkopf hergestellt werden, also ein umlaufend in seinem Radius vergrößerter Bereich des Verbindungselements, welcher den Hinterschnitt ausbildet. Es kann als Variation mittels der Umformung ein Umknicken des Verbindungselementes zur Erzeugung des Hinterschnitts erzielt werden.
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Die formschlüssige Verbindung des ersten und zweiten Werkstücks wird mittels des Hinterschnitts des Verbindungselements realisiert, sodass ein Bereich des ersten Werkstücks zwischen zwei fest miteinander verbundenen Bereichen des Verbindungselements bzw. des zweiten Werkstücks gehalten wird. Dabei kann durch Realisierung einer Anpresskraft eine Vorspannung erzeugt werden, sodass die beiden Werkstücke dauerhaft aneinander gedrückt werden.
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Das zweite Werkstück ist typischerweise ein metallisches Werkstück. Insbesondere umfasst das erste Werkstück Kunststoff bzw. einen Faser-Kunststoff-Verbund, wie etwa einen kohlenstofffaserverstärkten oder einen glasfaserverstärkten bzw. einen kunststofffaserverstärkten Kunststoff. Es kann einen thermoplastischen und/oder einen duroplastischen Kunststoff umfassen. Insbesondere ist das Matrixmaterial des Faser-Kunststoff-Verbunds ein thermoplastisches bzw. duroplastische Material. Typischerweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein metallisches Werkstück mit einem Kunststoff- bzw. Faser-Kunststoff-Verbundwerkstück verbunden. Selbstverständlich können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch wenigstens zwei metallische Werkstücke miteinander verbunden werden, beispielsweise Werkstücke aus unterschiedlichen Metallen. Insbesondere sind beide Werkstücke im Wesentlichen flächig ausgestaltet.
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Zusätzlich zum ersten und zweiten Werkstück kann eine beliebige Anzahl weiterer Werkstücke genutzt werden, die zu diesem Zweck auf der dem ersten Werkstück zugewandten Seite des zweiten Werkstücks auf einer oder beiden Seiten des ersten Werkstücks anzuordnen sind. Auf diese Weise kann das Verbindungselement zwischen dem Hinterschnitt und der Schweißverbindung mit dem zweiten Werkstück weitere Werkstücke miteinander verbinden.
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Das Verfahren ist ein solches zur Herstellung eines Werkstückverbunds. Es ermöglicht die besonders einfache und kostengünstige Verbindung zweier Werkstücke. Das Widerstandsschweißen ermöglicht eine besonders schnelle Verbindung des Verbindungselements mit dem zweiten Werkstück. Darüber hinaus ist es unabhängig von der Temperatur des Verbindungselements. Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbaren Werkstückverbunde sind in allen Anwendungen nutzbar, insbesondere wo Gewichtsreduktion durch Kompositwerkstoffe gewünscht ist.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens zur mechanischen Verbindung eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement als Abschnitt eines Verbindungsmittels bereitgestellt wird und das Verbindungsmittel zur Abtrennung des Verbindungselements durchtrennt wird, wobei das Durchtrennen insbesondere nach dem Anschweißen und/oder vor der Umformung erfolgt.
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Das Verbindungsmittel kann beispielsweise endlos bzw. quasi endlos bereitgestellt werden, beispielsweise als Draht. Dieser kann beispielsweise auf einer Drahtrolle zur Verfügung gestellt werden.
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Das Durchtrennen kann thermisch und/oder mechanisch erfolgen. Insbesondere wird der zu trennende Bereich beidseitig von jeweils einer Halteeinrichtung gehalten und es wird eine den Abstand zwischen den beiden Halteeinrichtungen vergrößern Relativbewegung durchgeführt, es erfolgt also ein mechanisches Auseinanderziehen eines Abschnitts des Verbindungsmittels.
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Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass einerseits durch die endlose Bereitstellung des Verbindungsmittels Verbindungselemente auf besonders rasche, kostengünstige und variable Weise zur Verfügung gestellt werden können. Darüber hinaus kann die Länge des Verbindungselements flexibel gewählt werden, beispielsweise in Abhängigkeit der Größe des herzustellenden Hinterschnitts bzw. Schließkopfs und/oder der Dicke des ersten Werkstücks bzw. der Dicke mehrerer zu verbindender Werkstücke.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest ein Abschnitt des Verbindungsmittels zur Erleichterung des Durchtrennens erwärmt, wobei die Erwärmung insbesondere widerstandsbedingt erfolgt.
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Die Erwärmung führt zu einem Aufweichen des Materials und verringert auf diese Weise die zum Durchtrennen notwendigen Kräfte. Insbesondere erfolgt die Erwärmung gezielt am zu durchtrennenden Abschnitt des Verbindungsmittels. Dabei kann zumindest der zu durchtrennende Abschnitt mit einem elektrischen Strom zur Realisierung einer widerstandsbedingten Erwärmung beaufschlagt werden. Dies kann vor und/oder zumindest zeitabschnittsweise zeitgleich zu einer das Verbindungselement abtrennenden Relativbewegung erfolgen. Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aufgrund der geringeren aufzubringenden Kräfte kleiner dimensioniert werden kann. Darüber hinaus kann eine für die Widerstandsschweißung vorhandene Strom- bzw. Spannungsquelle auch zur widerstandsbedingten Erwärmung des neu zwischen den zu trennenden Abschnitten des Verbindungsmittels genutzt werden.
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Die Durchtrennungsposition beeinflusst die Menge an Material des über die verbundenen Bauteile hinausragenden Verbindungselements und somit z. B. die Größe des herzustellenden Schließkopfs. Diese kann somit den Anforderungen entsprechend gewählt werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Schutzgas ausgegeben, um eine Verschlechterung des Materials des Verbindungselements bzw. des ersten und/oder zweiten Werkstücks, insbesondere durch Oxidation des erhitzten Materials unter Einfluss von Luftsauerstoff, zu verhindern. Typischerweise erfolgt dies zumindest zeitabschnittsweise zeitgleich mit einer Erwärmung eines Bereichs des Verbindungselements. Insbesondere erfolgt es zumindest zeitabschnittsweise während des Durchtrennens des Verbindungsmittels und/oder während der Umformung des Verbindungselements.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungselement ein Draht genutzt wird. Der Draht weist typischerweise einen Durchmesser < 5 mm, insbesondere < 2 mm auf.
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In einer Ausführungsform weist der Draht einen Durchmesser von < 4 mm, insbesondere < 3 mm auf. Der Durchmesser kann beispielsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm betragen. Insbesondere wird ein Metalldraht genutzt.
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Die Nutzung eines dünnen Drahtes verringert signifikant die Schädigung der Fasern, wenn das erste Werkstück aus einem Faser-Kunststoff-Verbund hergestellt ist. Einerseits werden allein aufgrund des deutlich geringeren Querschnitts der Durchdringung des ersten Werkstücks im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren geringere Faserschädigungen verursacht. Dabei ist die auf die Querschnittsfläche des Verbindungselements bezogene Festigkeit der Verbindung größer als bei Verbindungselementen mit größeren Durchmessern, die entsprechend größere Faserschädigungen verursachen. Andererseits kann, insbesondere bei thermoplastischen Matrixmaterialien von Faser-Kunststoff-Verbunden, eine Erwärmung des Matrixmaterials vor bzw. während des Hindurchführens des Verbindungselements zu einer Aufweichung des Materials führen, sodass leichte Verschiebungen der Fasern untereinander möglich sind und das Verbindungselement auf diese Weise ohne oder mit deutlich reduzierten Faserschädigungen durch das erste Werkstück hindurchführbar ist. Da kein Lichtbogen erzeugt wird, ist die Schädigung des Matrixwerkstoffes, auch als Matrixabbrand bezeichnet, deutlich verringert.
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Somit kann die Festigkeit bzw. Steifigkeit des Faser-Kunststoff-Verbunds weitgehend ausgenutzt werden, was bei gleichen mechanischen Eigenschaften eine noch leichtere Konstruktion ermöglicht. Darüber hinaus ist das Durchdringen des ersten Werkstücks mittels dünner Drähte wesentlich einfacher bzw. unter Aufbringung geringerer Kräfte möglich.
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Es ist zusätzlich durch die geringe Schädigung des FKV eine Reduzierung des Überlappungsbereiches der Werkstücke möglich, sodass zusätzlich eine Materialeinsparung erzielt wird.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl an Verbindungselementen, insbesondere mehr als 5 Verbindungselemente, zur mechanischen Verbindung des ersten und des zweiten Werkstücks genutzt werden. Die Verbindungselemente werden einzeln wie beschrieben zur jeweiligen formschlüssigen Verbindung der beiden Werkstücke genutzt. Sie können nacheinander und/oder zumindest zeitabschnittsweise zeitgleich durch das erste Werkstück hindurchgeführt, an das zweite Werkstück angeschweißt und/oder umgeformt werden.
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Die Verbindungselemente werden voneinander beabstandet angeordnet. Insbesondere beträgt der Abstand zwischen den Außenflächen benachbarter Verbindungselemente dabei wenigstens den dreifachen Durchmesser, insbesondere wenigstens den fünffachen Durchmesser, und in einem Beispiel wenigstens den zehnfachen Durchmesser des Verbindungselements. Der Abstand beträgt dabei insbesondere höchstens den tausendfachen Durchmesser, insbesondere höchstens den hundertfachen Durchmesser, des Verbindungselements. Mittels der derartigen Herstellung einer Vielzahl verteilter Verbindungspunkte können besonders feste und gegebenenfalls flächige Verbindungen der Werkstücke bei gleichzeitig minimaler Schädigung der Fasern realisiert werden. Durch die hohe Anzahl an Verbindungspunkten können große Lasten übertragen werden.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück und/oder zumindest ein Abschnitt des Verbindungselements zur Erleichterung des Hindurchführens erwärmt wird. Die Erwärmung erfolgt insbesondere mittels Infrarotstrahlung.
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Die Erwärmung kann vor und/oder gleichzeitig mit der Hindurchführung des Verbindungselements realisiert werden. Bei einem thermoplastischen Kunststoff kommt es im Kontaktbereich mit dem erwärmten Verbindungselement zu einem lokalen Aufschmelzen des Kunststoffes. Bei einem duroplastische Kunststoff kommt es bei Kontakt mit einem sehr stark erhitzten Verbindungselement zu einem lokalen Verbrennen bzw. zur lokalen Zersetzung des Kunststoffes. In beiden Fällen kann das Hindurchführen des Verbindungselements durch das erste Werkstück erleichtert werden und/oder eine Verbindung des Verbindungselements mit dem ersten Werkstück erzielt werden.
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Beispielsweise kann zur Erwärmung wenigstens ein Infrarotstrahler genutzt werden, der das Verbindungselement und/oder die Oberfläche des ersten Werkstücks anstrahlt. Alternativ kann die Erwärmung mittels Wärmeleitung und/oder induktiv realisiert werden, wobei die induktive Erwärmung insbesondere eingesetzt wird, wenn das erste Werkstück aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff hergestellt ist.
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Der zwecks Erleichterung des Hindurchführens erwärmte Abschnitt des Verbindungselements ist insbesondere ein freies Ende des Verbindungselements bzw. Verbindungsmittels, beispielsweise eines Drahtes. Insbesondere sind, wie beschrieben, leichte Verschiebungen der Fasern untereinander möglich, sodass die Faserschädigungen beim Hindurchführen des Verbindungselements durch das erste Werkstück minimiert sind. Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass die für das Hindurchführen des Verbindungselements durch das erste Werkstück aufzubringenden Kräfte minimiert werden und auf diese Weise eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kleiner dimensioniert werden kann.
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Das Verbindungselement kann nach Herstellung des elektrisch leitfähigen Kontakts mit dem zweiten Werkstück widerstandsbedingt erwärmt werden. Dies kann beim Anschweißen erfolgen. Auch dabei treten bei thermoplastischen bzw. duroplastischen Kunststoffe die oben genannten Effekte des Aufschmelzens bzw. Zersetzens ein. Somit kann jeweils die Verbindung des Verbindungselements mit dem ersten Werkstück verbessert werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest ein Abschnitt des Verbindungselements zwecks Erleichterung der Umformung erwärmt, insbesondere mittels widerstandsbedingter Erwärmung.
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Insbesondere wird der Bereich des Verbindungselements, welcher auf der dem zweiten Werkstück gegenüberliegenden Seite des ersten Werkstücks über das erste Werkstück hinausragt, erwärmt. Typischerweise erfolgt die Erwärmung vor und/oder zumindest zeitabschnittsweise zeitgleich zur Umformung.
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Durch die beschriebene Erwärmung wird auf vorteilhafte Weise die für die Ausbildung des Hinterschnitts benötigte aufzubringende mechanische Kraft verringert, was die energetische Effizienz des Verfahrens erhöht.
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Alternativ kann eine Kaltumformung, also eine Umformung ohne Erwärmung des Verbindungselements erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Umformung ein Bereich des Verbindungselements fixiert und in Richtung auf das erste Werkstück gedrückt, sodass sich ein zwischen dem fixierten Bereich und dem ersten Werkstück befindlicher Bereich des Verbindungselements verformt.
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Der fixierte Bereich des Verbindungselements ist insbesondere ein Endbereich des Verbindungselements, wobei die Umformung vor oder nach einem Durchtrennen des Verbindungsmittels durchgeführt werden kann.
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Insbesondere erfolgen die Fixierung und/oder das Drücken des Verbindungselements mittels eines Werkzeugs, beispielsweise mittels eines Bearbeitungskopfes einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verbindungselement kann in Richtung auf das erste bzw. zweite Werkstück bzw. auf den herzustellenden Werkstückverbund gedrückt werden.
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In einer Ausgestaltung wird eine Matrize zwecks Umformung des Verbindungselements in Richtung auf das erste Werkstück gedrückt. Dabei erfolgt die Umformung des Verbindungselements durch Einwirkung einer von der Matrize aufgebrachten Kraft, wobei das Verbindungselement insbesondere eine Kontur der Matrize annimmt. Mit anderen Worten wird der umzuformende Bereich zwischen der Matrize und dem ersten Werkstück auf Knickung beansprucht und auf diese Weise umgeformt. Durch Auswahl der Form der Matrize und des Anpressdrucks der Matrize an das Verbindungselement kann die Form des umgeformten Bereichs der Matrize, auch als Schließkopf bezeichnet, beeinflusst werden. Diese kann entsprechend den Anforderungen hergestellt werden. Beispielsweise können scheibenförmige, eckige, runde oder ballförmige Schließköpfe hergestellt werden. Die Matrize kann auch als Inlay bezeichnet werden. Die Matrize kann mit dem Bearbeitungskopf fest verbunden oder austauschbar integriert sein. Die Matrize kann auch in den Werkstoff des Bearbeitungskopfes gefertigt sein bzw. einstückig mit dem Bearbeitungskopf hergestellt sein.
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Die Kraft auf das Verbindungselement kann zumindest mit einer Komponente parallel zur Richtung der Hindurchführung bzw. zu einer Längsachse bzw. Erstreckungsrichtung des Verbindungselements ausgerichtet sein. Dadurch erfolgt die Umformung des Verbindungselements und es wird zumindest bereichsweise der Hinterschnitt ausgebildet.
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Die Umformung kann derart erfolgen, dass Material des Verbindungselements mit einer Komponente seiner Bewegungsrichtung entlang der Oberfläche des ersten Werkstücks verformt wird. Alternativ kann die Umformung durch ein Umklappen bzw. Umknicken eines Abschnitts des Verbindungselements erfolgen. Dazu kann beispielsweise eine beweglich angeordnete Halteeinrichtung zum Halten zumindest eines Abschnitts des Verbindungselements bzw. ein Bearbeitungskopf mit einer derartigen Halteeinrichtung eine mit zumindest einer Komponente entlang der Oberfläche des zweiten Werkstücks ausgerichtete Bewegung durchführen.
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Die genannten Ausgestaltungen weisen den Vorteil auf, dass auf besonders einfache Weise der Hinterschnitt herstellbar ist. Darüber hinaus kann eine für die Durchführung des Verbindungselements notwendige Bewegungseinrichtung ebenfalls zur Umformung des Verbindungselements genutzt werden. Durch die Form des Werkzeugs bzw. der Matrize kann die resultierende Ausgestaltung des umgeformten Verbindungselements variabel eingestellt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das erste Werkstück zur Erhöhung der Festigkeit der Verbindung an das zweite Werkstück gedrückt.
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Insbesondere erfolgt das durch Realisierung einer Druckkraft auf das erste Werkstück mittels eines Werkzeugs. Dies kann indirekt erfolgen, beispielsweise durch Realisierung der Druckkraft auf einen Bereich des Verbindungselements mittels einer Matrize. Alternativ oder ergänzend können Bereiche einer zur Durchführung des Verfahrens genutzten Vorrichtung wie etwa ein Bearbeitungskopf direkt auf die Oberfläche des ersten Werkstücks gedrückt werden.
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Beispielsweise kann das Drücken des ersten Werkstücks an das zweite Werkstück während der Umformung des Verbindungselements erfolgen. Es kann gleichzeitig der Herstellung einer Klebverbindung zwischen den beiden Werkstücken dienen und mit oder ohne zusätzlichem Klebstoff erfolgen.
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Die den Hinterschnitt ausbildende Struktur des Verbindungselements kann in das Material des ersten Werkstücks in Richtung des zweiten Werkstücks hineingedrückt werden. Dies kann nach der erfolgten Herstellung des Hinterschnitts bzw. Schließkopfes erfolgen. Auf diese Weise kann der Verbund der beiden Werkstücke dickenreduziert vorliegen, sodass die Ausbildung des Hinterschnitts dazu führt, dass beide Werkstücke unter Vorspannung aneinander anliegen und somit Normalkräfte zwischen den Werkstücken zu Reibkräften führen, die einen Reibschluss zwischen den Werkstücken bewirken. Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass mit den zur Herstellung der Verbindung vorhandenen Mitteln zusätzlich die Stabilität der Verbindung erhöht werden kann. Diese Ausgestaltung bringt zusätzlich den Vorteil mit sich, dass durch den hineingedrückten Hinterschnitt bzw. Schließkopf der Formschluss zusätzlich erhöht wird, da auch senkrecht zur Richtung des Hindurchführens des Verbindungselements ein Formschluss hergestellt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Klebverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück realisiert.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens mit Klebverbindung wird ein durch eine kathodische Tauchlackierung oder anderweitige thermische Aktivierung aushärtender oder kaltaushärtender oder. ein 1-Komponenten-Klebstoff oder 2-Komponenten-Klebstoff verwendet. Die Klebstoffe können dabei aus verschiedenen Basistypen, etwa Epoxidharz-Klebstoffe oder Polyurethanklebstoff oder davon abweichende Klebstoffbasistypen bestehen. Insbesondere wird Klebstoff auf wenigstens eine Oberfläche des ersten und/oder des zweiten Werkstücks aufgetragen, bevor ein flächiger Kontakt zwischen miteinander zu verbindenden Flächen der beiden Werkstücke hergestellt wird. Dies wird insbesondere vor und/oder während der mechanischen Verbindung der beiden Werkstücke mittels des Verbindungselements realisiert.
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Eine zusätzlich zur mechanischen Verbindung hergestellte Klemmverbindung ist einfach herzustellen und trägt zu einer deutlichen Erhöhung der Festigkeit der Verbindung bei.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur mechanischen Verbindung eines ersten Werkstücks mit einem zweiten, elektrisch leitfähigen Werkstück. Diese umfasst eine Einrichtung zum Zuführen und Hindurchführen eines Verbindungselements durch ein erstes Werkstück. Sie umfasst weiterhin eine Kontaktierungseinrichtung zur Realisierung eines elektrisch leitfähigen Kontakts zwecks Anlegens einer elektrischen Spannung an das Verbindungselement und ein zweites Werkstück zum Anschweißen des Verbindungselements an das zweite Werkstück mittels Widerstandsschweißung. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Kraftausübungseinrichtung zur Ausübung mechanischer Kraft auf das Verbindungselement zur Umformung des Verbindungselements zwecks Ausbildung eines Hinterschnitts an der dem zweiten Werkstück gegenüberliegenden Seite des ersten Werkstücks.
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Die Ausbildung des Hinterschnitts des Verbindungselements dient der mechanischen Verbindung des ersten und des zweiten Werkstücks und somit der mechanischen Verbindung der beiden Werkstücke miteinander.
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Die Einrichtung zum Zuführen und Hindurchführen eines Verbindungselements durch ein erstes Werkstück kann ebenfalls zum Zuführen eines Verbindungsmittels bzw. eines Verbindungselements als Teil eines Verbindungsmittels eingerichtet sein. Sie kann eine Halteeinrichtung zum Halten des Verbindungselements bzw. eines das Verbindungselement umfassenden Verbindungsmittels und/oder eine erste Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer Relativbewegung zwischen der Halteeinrichtung und einem ersten Werkstück zwecks Hindurchführung des von der Halteeinrichtung gehaltenen Verbindungselements durch das erste Werkstück umfassen.
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Die elektrische Spannung dient der Realisierung eines elektrischen Stroms durch das Verbindungselement und das zweite Werkstück zum Anschweißen des Verbindungselements am zweiten Werkstück. Die Kontaktierungseinrichtung kann zur Realisierung eines elektrisch leitfähigen Kontakts zwischen Verbindungsmittel und zweitem Werkstück eingerichtet sein, sodass das mit dem Verbindungsmittel einstückige Verbindungselement das zweite Werkstück ebenfalls elektrisch leitfähig kontaktiert. Sie kann eine Spannungsquelle zum Anlegen der elektrischen Spannung umfassen, die auch als Widerstandsschweißstromquelle bezeichnet wird. Diese kann auch zur Realisierung eines Trennimpulses zwecks Durchtrennung des Verbindungsmittels und/oder zur widerstandsbedingten Erwärmung eines Abschnitts des Verbindungselements zwecks Erleichterung der Umformung eingerichtet sein. Die Kontaktierungseinrichtung umfasst typischerweise eine Einrichtung zur elektrischen Kontaktierung eines Bauteils wie beispielsweise eine Massezange.
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Die Kraftausübungseinrichtung ist insbesondere an einem Bearbeitungskopf angeordnet bzw. wird durch diesen ausgebildet. An diesem können weiterhin wenigstens Teile der Einrichtung zum Zuführen und Hindurchführen eines Verbindungselements und/oder der Kontaktierungseinrichtung angeordnet sein. Die Kraftausübungseinrichtung ist typischerweise mittels einer Bewegungseinrichtung relativ zum ersten Werkstück beweglich. Die Bewegungseinrichtung kann zur Bewegung des Bearbeitungskopfs in Bezug zu einem zu fügenden Werkstück eingerichtet sein.
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Die Vorrichtung kann eine Einrichtung zur Ausgabe eines Schutzgases aufweisen. Diese kann am Bearbeitungskopf angeordnet sein. Zum Bearbeitungskopf führende Kabel und/oder Leitungen und/oder Drahtführungen und/oder Steuerstrom- oder Messsignal-Leitungen können zu einem Kabel-/Leitungspaket oder zu einem so genannten Schlauchpaket zusammengefasst sein.
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In einer Ausgestaltung ist die Kraftausübungseinrichtung als Andrückeinrichtung zum Andrücken eines Bereichs des Verbindungselements an das erste Werkstück und/oder zum Andrücken des ersten Werkstücks an das zweite Werkstück ausgestaltet. Somit kann sie dazu eingerichtet sein, das Verbindungselement derart umzuformen, dass Material des Verbindungselements entlang der Oberfläche des ersten Werkstücks fließt. Die Andrückeinrichtung kann ein Teil bzw. ein Bereich eines Bearbeitungskopfes sein, der die anderen Einrichtungen umfasst. Sie kann eine Matrize, auch als Inlay bezeichnet, zur Herstellung einer definierten Form des umgeformten Bereichs des Verbindungselements umfassen.
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Eine Ausgestaltung der als Andrückeinrichtung verwendeten Kraftausübungseinrichtung dient zum Zweck der beschleunigten oder definierten Kühlung des ersten Werkstücks.
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Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei relativ zueinander beweglich angeordnete Halteeinrichtungen zum Halten jeweiliger Abschnitte des Verbindungsmittels aufweist, sodass ein mittels beider Halteeinrichtungen gehaltenes Verbindungsmittel durch Ausführen einer Relativbewegung der Halteeinrichtungen zueinander zwecks Abtrennung des Verbindungselements durchtrennt werden kann.
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Insbesondere ist eine auseinander gerichtete Relativbewegung der Halteeinrichtungen gemeint. Typischerweise sind die Halteeinrichtungen linear beweglich angeordnet, insbesondere parallel zur Längserstreckung des Verbindungselements. Auf diese Weise kann der zwischen den Halteeinrichtungen befindliche Teil des Verbindungsmittels durchtrennt werden.
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Eine oder beide Halteeinrichtungen können Teil der Einrichtung zum Zuführen und Hindurchführen eines Verbindungselements bzw. Verbindungsmittels durch ein erstes Werkstück sein. Insbesondere können beide Halteeinrichtungen dazu gemeinsam in Bezug zum herzustellenden Verbund bzw. zum ersten und/oder zweiten Werkstück beweglich sein, etwa mittels der Bewegungseinrichtung. Jede der Halteeinrichtung kann als Greifer ausgestaltet sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Verfahrensschritte erläutert.
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Es zeigen
- 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Durchführung eines ersten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2: eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus 1 bei der Durchführung eines zweiten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3: eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus den 1 und 2 bei der Durchführung eines dritten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4: eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus den 1-3 bei der Durchführung eines vierten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 5: eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus den 1-4 bei der Durchführung eines fünften Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 6: eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus den 1-5 bei der Durchführung eines sechsten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 7: eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus den 1-6 bei der Durchführung einer ersten Ausführungsform eines siebten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 8: eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus den 1-6 bei der Durchführung einer zweiten Ausführungsform des siebten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 9: eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus den 1-6 bei der Durchführung einer dritten Ausführungsform des siebten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 10: eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus den 1-7 nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie
- 11: eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus den 8-9 nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 beim Vorwärmen eines Bereichs eines Verbindungsmittels 23 in Vorbereitung der mechanischen Verbindung eines ersten Werkstücks 12 mit einem metallischen zweiten Werkstück 14. Das Verbindungsmittel 23 ist ein endlos bereitgestellter metallischer Draht, welcher bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zwecks Herstellung von Verbindungselementen 20 durchtrennt wird. Die Bereitstellung erfolgt oberhalb der oben dargestellten Begrenzung des Verbindungsmittels 23. Die unten dargestellte Begrenzung des Verbindungsmittels 23, die gleichzeitig die untere Begrenzung des Verbindungselements 20 ist, ist ein freies Ende des Drahtes.
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Die Vorrichtung 10 umfasst einen Bearbeitungskopf 11, welcher eine Einrichtung 30 zum Zuführen und Hindurchführen eines Verbindungselements durch ein erstes Werkstück 12 aufweist. Die Einrichtung 30 umfasst eine am Bearbeitungskopf 11 angeordnete Draht-Transporteinrichtung (nicht dargestellt) zur linearen Verschiebung des Verbindungsmittels 23 bzw. Verbindungselements 20 in Bezug zum Bearbeitungskopf 11. Sie weist weiterhin ein äußeres Gehäuse 45 auf, in welchem ein inneres Gehäuse 46 angeordnet ist. Das innere Gehäuse 46 ist entlang der senkrecht dargestellten Erstreckungsrichtung des Verbindungsmittels 23 relativ zum äußeren Gehäuse 45 mit einer Gehäusetransporteinrichtung (nicht dargestellt) linear verschieblich.
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Am Bearbeitungskopf 11 der Vorrichtung 10 sind weiterhin drei Kontaktpunkte 51, 52, 53 zur elektrischen Kontaktierung angeordnet. Die Spannungsquelle 40 und die Kontaktpunkte 14, 51, 52, 52 sind dauerhaft über elektrische Anschlüsse bzw. Kabel miteinander verbunden und die Stromkreise werden mittels ansteuerbarer Schalter bei Bedarf zum jeweiligen Zeitpunkt geschlossen oder unterbrochen. Jeweils geschlossene Stromkreise sind in den 1, 3-5, 7 und 9 durch die gezeigten Linien schematisch dargestellt. Ein erster Kontaktpunkt 51 ist an einem Kontaktrohr 55 angeordnet, innerhalb dessen linear verschieblich und unter Realisierung eines elektrischen Kontakts das Verbindungsmittel 23 verläuft. Ein zweiter Kontaktpunkt 52 ist am inneren Gehäuse 46 angeordnet und ein dritter Kontaktpunkt 53 ist am äußeren Gehäuse 45 angeordnet. Insbesondere sind das Kontaktrohr 55, das innere Gehäuse 46 und das äußere Gehäuse 45 elektrisch voneinander isoliert.
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Die Vorrichtung weist weiterhin eine Spannungsquelle 40 auf, welche in 1 eine elektrische Spannung zwischen den Kontaktpunkten 52 und 53 und somit zwischen dem inneren Gehäuse 46 und dem äußeren Gehäuse 45 realisiert. Da beide Gehäuse 45, 46 elektrisch leitfähig mit dem Verbindungsmittel 23 verbunden sind, fließt ein elektrischer Strom durch das Verbindungsmittel 23 und es kommt zur widerstandsbedingten Erwärmung des Verbindungsmittels 23 im zwischen den Gehäusen 45, 46 befindlichen Erwärmungsbereich 60, welcher auch als Vorwärmbereich bezeichnet wird. Damit geht eine Erhitzung des Materials des Verbindungsmittels einher. Die Erwärmung des Verbindungsmittels 20 dient zur Erleichterung des Hindurchführens des Verbindungsmittels 20 durch das erste Werkstück 12 aufgrund der Wärmeleitung vom Verbindungsmittel 20 zum ersten Werkstück 12, die mit einer lokalen Festigkeitsminderung des ersten Werkstücks 12 einhergeht.
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Unterhalb des Bearbeitungskopfes 11 der Vorrichtung 10 sind lose aufeinanderliegend ein erstes Werkstück 12 und ein metallisches zweites Werkstück 14 dargestellt, welche in einem unterhalb des Verbindungsmittels 23 dargestellten Überlappungsbereich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens miteinander zu verbinden sind.
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In 2 ist das Verbindungsmittel 23 bzw. das Verbindungselement 20 in Bezug zur Darstellung in 1 linear nach unten verschoben dargestellt, sodass das Verbindungselement 20 mit seiner Unterseite nun auf dem ersten Werkstück 12 aufliegt. Die Verschiebung erfolgte mittels der genannten Draht-Transporteinrichtung. Es wird ersichtlich, dass die Vorrichtung 10 weiterhin zwei Infrarotstrahler 42 umfasst. Diese sind in der Darstellung eingeschaltet und erwärmen einerseits das erste Werkstück 12 und andererseits den unteren Bereich des Verbindungselements 20 zur Erleichterung des sich anschließenden Hindurchführens durch das erste Werkstück 12.
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3 zeigt den Zustand nach dem folgenden Verfahrensschritt, bei welchem das Verbindungselement 20 durch das erste Werkstück 12 hindurchgeführt wurde. Durch die in 2 dargestellte Erwärmung von Verbindungselement 20 und erstem Werkstück 12 sind die dafür aufzubringenden Kräfte minimiert. Es ist ersichtlich, dass das vormals freie Ende des Verbindungselements 20 nun in elektrisch leitfähigen Kontakt mit dem zweiten Werkstück 14 steht.
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Die Bewegung des Verbindungsmittels 23 bzw. des Verbindungselements 20 erfolgte wiederum mit der Draht-Transporteinrichtung. Bei der Bewegung des Verbindungsmittels 23 bzw. des Verbindungselements 20 kann der Bearbeitungskopf 11 relativ zum ersten Werkstück 12 und zum zweiten Werkstück 14 verschoben werden, wobei eine dauerhafte Kontaktierung zwischen Kontaktrohr 55 und Verbindungsmittel 23 bzw. Verbindungselement 20 aufrecht erhalten wird.
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Mittels der Spannungsquelle 40 wird eine elektrische Spannung zwischen dem ersten Kontaktpunkt 51 und einem am zweiten Bauteil 14 angeordneten vierten Kontaktpunkt 54 angelegt. Die Spannungsquelle 40 ist somit Teil einer Kontaktierungseinrichtung 32 zur Realisierung eines elektrisch leitfähigen Kontakts zwecks Anlegens einer elektrischen Spannung an das Verbindungselement 20 und das zweite Werkstück 14. Im Bereich des elektrisch leitfähigen Kontakts zwischen Verbindungselement 20 und zweitem Werkstück 14 erfolgt die widerstandsbedingte Bildung eines Erwärmungsbereichs 60. Unter Herstellung einer Schweißlinse 62 werden die beiden Gegenstände im Kontaktbereich durch Widerstandsschweißung stoffschlüssig miteinander verbunden. Das Verbindungselement 20 ist nun am zweiten Werkstück 14 angeschweißt.
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Ein folgender Verfahrensschritt ist in 4 dargestellt. Nach dem Anschweißen wird die dieselbe Spannungsquelle 40 genutzt, um zwischen den Kontaktpunkten 52 und 53 eine elektrische Spannung anzulegen. Auf diese Weise wird wiederum der zwischen dem äußeren Gehäuse 45 und dem inneren Gehäuse 46 befindliche Abschnitt des Verbindungsmittels 23 widerstandsbedingt erwärmt. Im genannten Abschnitt bildet sich wiederum ein Erwärmungsbereich 60 aus. Dies dient der Erleichterung des anschließenden Durchtrennens des Verbindungsmittels 23 zum Abtrennen des Verbindungselements 20. Zuvor wurde durch die Wahl eines geeigneten Abstands zwischen dem Bearbeitungskopf 11 und der Oberfläche des ersten Werkstücks 12 die gewünschte resultierende Länge des Verbindungselements 20 eingestellt.
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in 5 wird ersichtlich, dass am inneren Gehäuse 46 eine erste Halteeinrichtung 36 angeordnet ist, die auch als innere Zange bezeichnet wird, während am äußeren Gehäuse 45 eine zweite Halteeinrichtung 37 angeordnet ist, die auch als äußere Zange bezeichnet wird. Beide Halteeinrichtungen 36, 37 dienen zum Halten jeweiliger Abschnitte des Verbindungselements 20 bzw. des Verbindungsmittels 23. Mittels der jeweiligen Gehäuse 45, 46 sind sie relativ zueinander beweglich am Bearbeitungskopf 11 der Vorrichtung 10 angeordnet.
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Wie aus 5 ersichtlich, sind jeweilige Abschnitte des Verbindungsmittels 23 kraftschlüssig an den Halteeinrichtungen 36, 37 befestigt. Mit anderen Worten sind sowohl die innere als auch die äußere Zange geschlossen. Durch die Realisierung einer den Abstand zwischen den Halteeinrichtungen 36, 37 vergrößernden Relativbewegung kann somit eine Streckung des dazwischen befindlichen Abschnitts des Verbindungselements 20 erreicht werden, wie in 5 ersichtlich. Bereits in 5 zeigt sich im Erwärmungsbereich 60 eine Einschnürung des Verbindungsmittels 23. Die elektrische Spannung im zu durchtrennenden Bereich des Verbindungsmittels 23 wird aufrechterhalten.
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In 6 ist nun die Situation nach erfolgter Durchtrennung des Verbindungsmittels 23 unter Abtrennung des Verbindungselements 20 dargestellt. Durch die genannte Relativbewegung sind der verbleibende Teil des Verbindungsmittels 23 und das Verbindungselement 20 nun räumlich voneinander getrennt, während sie noch von den jeweiligen Halteeinrichtungen 36, 37 gehalten werden.
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7 zeigt die Situation nach der Durchführung zweier weiterer Verfahrensschritte. Zum ersten wurde mittels der Spannungsquelle 40 eine elektrische Spannung zwischen dem dritten Kontaktpunkt 53 und dem vierten Kontaktpunkt 54 angelegt, sodass sich der zwischen den Kontaktpunkten befindliche Teil des Verbindungselements 20 unter Ausbildung eines Erwärmungsbereichs 60 widerstandsbedingt erwärmte. Nach Anlegen und unter Beibehaltung der elektrischen Spannung erfolgt eine Relativbewegung des Bearbeitungskopfes 11 mittels der nicht dargestellten Bewegungseinrichtung in Bezug zu den miteinander zu fügenden Bauteilen 12, 14. Die damit verbundene Verringerung des Abstands zwischen dem Bearbeitungskopf 11 und den Bauteilen 12, 14 führte zum Zusammenpressen des dazwischen befindlichen Bereichs des Verbindungselements 20 und somit zu einer Umformung des Verbindungselements 20 unter Einwirkung einer mechanischen Kraft. Bei der Umformung des Verbindungselements 20 wurde an der oberen Seite des ersten Werkstücks 12 ein Hinterschnitt 25 des Verbindungselements 20 ausgebildet, sodass das erste Werkstück 12 und das zweite Werkstück 14 formschlüssig miteinander verbunden wurden.
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Bei der Umformung des Verbindungselements 20 wurde der über das erste Werkstück 12 hinausragende Bereich des Verbindungselements 20 durch eine am Bearbeitungskopf 11 unten angeordnete Matrize 35 unter Ausbildung eines Schließkopfes geformt. Der obere Bereich 27 des Verbindungselements 20 war währenddessen mittels der zweiten Halteeinrichtung 37 fixiert und wurde in Richtung auf das erste Werkstück 12 gedrückt, sodass sich der zwischen dem fixierten Bereich 27 und dem ersten Werkstück 12 befindliche Bereich des Verbindungselements 20 verformte. Die untere Fläche des Bearbeitungskopfes 11 diente als Kraftausübungseinrichtung 34 zur Ausübung mechanischer Kraft auf das Verbindungselement 20 zu dessen Umformung zwecks Ausbildung des Hinterschnitts 25 bzw. des Schließkopfes. Zusätzlich wurde mittels der genannten unteren Fläche des Bearbeitungskopfes 11 das erste Werkstück 12 zur Erhöhung der Festigkeit der Verbindung an das zweite Werkstück 14 gedrückt und auf diese Weise eine Vorspannung realisiert.
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8 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Umformung des Verbindungselements 20, bei der ohne Erwärmung eine kombinierte horizontale und vertikale Bewegung des Bearbeitungskopfes 11 in Bezug zu den miteinander verbundenen Werkstücken 12, 14 realisiert wird. Dies erfolgt ebenfalls mit der nicht dargestellten Bewegungseinrichtung und kann durch Kombination mehrerer translatorischer und/oder rotatorischer Bewegungen realisiert werden. Dabei bleibt der Bereich 27 des Verbindungselements am Bearbeitungskopf 11 fixiert.
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Somit bildet sich ein Knick im Verbindungselement 20 aus, welcher ebenfalls einen Hinterschnitt 25 an der Oberseite des ersten Werkstücks 14 realisiert. Somit werden das erste Werkstück 12 und das zweite Werkstück 14 auch hier formschlüssig miteinander verbunden. Im links dargestellten Bildteil ist jeweils die Situation vor der Bewegung des Bearbeitungskopfes 11 dargestellt, der rechte Bildteil zeigt die Situation nach der Bewegung des Bearbeitungskopfes 11. Auch hier dient die untere Fläche des Bearbeitungskopfes 11 als Kraftausübungseinrichtung 34.
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Analog dazu zeigt 9 eine weitere alternative Ausgestaltung der Umformung des Verbindungselements 20. Der einzige Unterschied zur in 8 dargestellten Variante ist, dass mittels der Spannungsquelle 40 eine elektrische Spannung zwischen dem dritten Kontaktpunkt 53 und dem vierten Kontaktpunkt 54 realisiert wird, sodass sich widerstandsbedingt ein Erwärmungsbereich 60 des Verbindungselements 20 ausbildet. Auf diese Weise wird die Umformung erleichtert.
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In 10 und 11 sind die jeweiligen Situationen nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der 7 bzw. 8 oder 9 dargestellt. Das Verbindungselement 12 verbindet das erste Werkstück 12 und das zweite Werkstück 14 formschlüssig miteinander. Der den Hinterschnitt 25 ausbildende Schließkopf weist in 10 die Form der Matrize 35 auf. Im darüber befindlichen Bearbeitungskopf 11 der Vorrichtung 10 ist das Verbindungsmittel 23 für die im Anschluss herzustellende Verbindung angeordnet. In 11 ist die Situation nach Herstellung des oben in Bezug zur 8 beschriebenen, den Hinterschnitt 25 ausbildenden Knicks gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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| Vorrichtung |
10 |
| Bearbeitungskopf |
11 |
| Erstes Werkstück |
12 |
| Zweites Werkstück |
14 |
| Verbindungselement |
20 |
| Verbindungsmittel |
23 |
| Hinterschnitt |
25 |
| Bereich |
27 |
| Einrichtung |
30 |
| Kontaktierungseinrichtung |
32 |
| Kraftausübungseinrichtung |
34 |
| Matrize |
35 |
| Erste Halteeinrichtung |
36 |
| Zweite Halteeinrichtung |
37 |
| Spannungsquelle |
40 |
| Infrarotstrahler |
42 |
| Äußeres Gehäuse |
45 |
| Inneres Gehäuse |
46 |
| Erster Kontaktpunkt |
51 |
| Zweiter Kontaktpunkt |
52 |
| Dritter Kontaktpunkt |
53 |
| Vierter Kontaktpunkt |
54 |
| Kontaktrohr |
55 |
| Erwärmungsbereich |
60 |
| Schweißlinse |
62 |
| Einschnürung |
65 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4327647 C1 [0005]
- AT 506217 A4 [0006]
- DE 102015118058 A1 [0007]
