DE102019130786A1 - Process arrangement as well as auxiliary joining element for such a process arrangement - Google Patents

Process arrangement as well as auxiliary joining element for such a process arrangement Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prozessanordnung für die Herstellung einer Bauteilverbindung mit einem Fügehilfselement (5), das einen Elementkopf (11) und einen Elementschaft (9) aufweist, wobei das Fügehilfselement (5) in einem Setzschritt (I) mit seinem Elementschaft (9) unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke (r) in zumindest ein erstes Bauteil (1) eintreibbar ist, und in einem Schweißschritt (II) der Elementkopf (11) des in das erste Bauteil (1) eingetriebenen Fügehilfselements (5) mit dem zweiten Bauteil (3) durch Widerstandspunktschweißen verschweißbar ist, und zwar unter Bildung einer Schweißlinse (13) zwischen dem Fügehilfselement (5) und dem zweiten Bauteil (3). Erfindungsgemäß weist die dem zweiten Bauteil (3) zugewandte Kopf-Oberseite des Fügehilfselements (5) zumindest eine um eine Fügehilfselement-Längsachse (L) umlaufende Ringkontur (21, 23) auf.The invention relates to a process arrangement for the production of a component connection with an auxiliary joining element (5), which has an element head (11) and an element shaft (9), the auxiliary joining element (5) with its element shaft (9) below in a setting step (I) Maintaining a remaining base thickness (r) can be driven into at least one first component (1), and in a welding step (II) the element head (11) of the auxiliary joining element (5) driven into the first component (1) with the second component (3) Resistance spot welding can be welded, namely with the formation of a weld nugget (13) between the auxiliary joining element (5) and the second component (3). According to the invention, the top of the head of the auxiliary joining element (5) facing the second component (3) has at least one ring contour (21, 23) surrounding a longitudinal axis (L) of the auxiliary joining element.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prozessanordnung für die Herstellung einer Bauteilverbindung mit Hilfe eines Fügehilfselementes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein solches Fügehilfselement nach Anspruch 9 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Fügeelements nach Anspruch 10.The invention relates to a process arrangement for producing a component connection with the aid of an auxiliary joining element according to the preamble of claim 1, such an auxiliary joining element according to claim 9 and a method for producing the joining element according to claim 10.

Die Herstellung einer Mischverbindung aus zum Beispiel einem Aluminium-Blechteil und einem Stahl-Blechteil kann in einem Fügeverfahren erfolgen, bei dem in einem Setz-Prozessschritt das Fügehilfselement in das Aluminium-Blechteil eingestanzt wird. In einem folgenden Schweiß-Prozessschritt wird das Fügehilfselement mit dem Stahl-Blechteil durch (direktes, beidseitig zugängliches) Widerstandspunktschweißen verbunden.The production of a mixed connection from, for example, an aluminum sheet metal part and a steel sheet metal part can take place in a joining process in which the auxiliary joining element is punched into the aluminum sheet metal part in a setting process step. In a subsequent welding process step, the auxiliary joining element is connected to the steel sheet metal part by resistance spot welding (direct, accessible from both sides).

Ein solches gattungsgemäßes Fügeverfahren ist aus der DE 10 2014 011 599 A1 bekannt. Demzufolge weist das Fügehilfselement einen Elementkopf und einen Elementschaft auf. Im Setz-Prozessschritt wird das Fügehilfselement mit seinem Elementschaft unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke in ein erstes Bauteil (Aluminium-Blechteil) eingetrieben. Im nachfolgenden Schweißschritt wird der Elementkopf des in das erste Bauteil eingetriebenen Fügehilfselementes mit dem zweiten Bauteil (Stahl-Blechteil) durch Widerstandspunktschweißen verschweißt, und zwar unter Bildung einer Schweißlinse zwischen dem Fügehilfselement und dem zweiten Bauteil.Such a generic joining method is from DE 10 2014 011 599 A1 known. Accordingly, the auxiliary joining element has an element head and an element shaft. In the setting process step, the auxiliary joining element is driven into a first component (aluminum sheet metal part) with its element shaft while maintaining a residual base thickness. In the subsequent welding step, the element head of the auxiliary joining element driven into the first component is welded to the second component (sheet steel part) by resistance spot welding, with the formation of a weld nugget between the auxiliary joining element and the second component.

Die Umsetzung des obigen Fügeverfahrens ist speziell bei niedrigfesten, dünnen sowie verzinkten Stahl-Blechteilen problematisch, und zwar aufgrund der hohen Leitfähigkeit an der Blechoberfläche (insbesondere wegen der Verzinkung). Im Fügeverfahren besteht daher das Problem, dass für die Ausbildung einer ausreichend großen Schweißlinse nicht mehr genügend Wärme zur Verfügung stehen kann, wodurch sich nur eine ungenügende Verbindungsausprägung ergeben kann.The implementation of the above joining process is particularly problematic for low-strength, thin and galvanized sheet steel parts, due to the high conductivity on the sheet surface (especially due to the galvanization). In the joining process, there is therefore the problem that there is no longer enough heat available for the formation of a sufficiently large weld nugget, which can result in only an inadequate connection characteristic.

Aus der DE 10 2010 046 318 A1 ist ein Fügeelement zum Fügen von wenigstens zwei aneinander liegenden Fügeteilen bekannt. Aus der DE 10 2017 115 529 A1 ist ein Schweißhilfsfügeteil bekannt. Aus der EP 2 762 731 A1 ist ein Verfahren zur Verbindung zweier Bauteile mit Hilfe eines Fügehilfselementes bekannt. Aus der DE 10 2012 104 364 A1 ist eine Schweißniet für eine Schweißverbindung bekannt. Aus der DE 197 40 022 A1 ist ein Kontaktstück sowie ein Verfahren zu dessen Befestigung auf einem Träger bekannt. Aus der US 5 671 521 A1 ist ein Verfahren zum Widerstandspunktschweißen mit Hilfe eines Fügehilfselementes bekannt. Aus der EP 0 088 231 A1 ist ein elektrisches Widerstandspressschweißverfahren bekannt. Aus der US 6 373 021 B1 ist ein weiteres Widerstandspunktschweißverfahren bekannt. Aus der DE 10 2012 013 589 A1 ist ein selbststanzendes Fügeelement für ein Widerstandselementschweißverfahren bekannt. Aus der DE 10 2012 013 325 A1 ist ein Verfahren zum Fügen von Bauelementen mit Hilfe eines Fügehilfsmittels bekannt.From the DE 10 2010 046 318 A1 a joining element for joining at least two parts to be joined together is known. From the DE 10 2017 115 529 A1 a welding auxiliary joining part is known. From the EP 2 762 731 A1 a method for connecting two components with the aid of an auxiliary joining element is known. From the DE 10 2012 104 364 A1 a weld rivet for a welded connection is known. From the DE 197 40 022 A1 a contact piece and a method for fastening it to a carrier are known. From the US 5,671,521 A1 a method for resistance spot welding with the aid of an auxiliary joining element is known. From the EP 0 088 231 A1 an electrical resistance pressure welding process is known. From the US 6,373,021 B1 Another resistance spot welding method is known. From the DE 10 2012 013 589 A1 a self-punching joining element for a resistance element welding process is known. From the DE 10 2012 013 325 A1 a method for joining components with the aid of a joining aid is known.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Prozessanordnung zur Herstellung einer Bauteilverbindung mit Hilfe eines Fügehilfselementes bereitzustellen, mit dem im Vergleich zum Stand der Technik eine Bauteilverbindung mit einwandfreier Verbindungsausprägung bereitstellbar ist.The object of the invention is to provide a process arrangement for producing a component connection with the aid of an auxiliary joining element, with which, compared to the prior art, a component connection with a flawless connection characteristic can be provided.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, des Anspruches 9 oder des Anspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is achieved by the features of claim 1, claim 9 or claim 10. Preferred developments of the invention are disclosed in the subclaims.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die dem zweiten Bauteil zugewandte Kopf-Oberseite des Fügehilfselementes zumindest eine, um eine Fügehilfselement-Längsachse umlaufende Ringkontur auf. Die Ringkontur ragt um eine Ringkontur-Höhe von einer Kopf-Grundfläche ab. Zur Vorbereitung des Schweißschrittes wird das zweite Bauteil auf die Fügehilfselement-Ringkontur aufgesetzt, und zwar unter Bildung einer ringförmigen Kontaktfläche zwischen dem Elementkopf und dem zweiten Bauteil. Auf diese Weise wird die Kontaktfläche zwischen dem Elementkopf und dem zweiten Bauteil reduziert, und zwar im Vergleich zu einer ebenflächigen Kopf-Oberseite, die großflächig mit dem zweiten Bauteil in Kontakt ist. Im Schweißschritt wird daher die Stromdichte und damit die für die Ausbildung der Schweißlinse verfügbare Wärme erhöht. Von daher ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik bei ansonsten gleichen Prozessparametern eine wesentlich größer ausgebildete Schweißlinse mit entsprechender verbesserter Verbindungsausprägung.According to the characterizing part of claim 1, the upper side of the head of the auxiliary joining element facing the second component has at least one ring contour encircling an auxiliary joining element longitudinal axis. The ring contour protrudes from a head base area by a ring contour height. In preparation for the welding step, the second component is placed on the ring contour of the auxiliary joining element, with the formation of an annular contact surface between the element head and the second component. In this way, the contact area between the element head and the second component is reduced, in comparison to a planar top face of the head which is in contact with the second component over a large area. In the welding step, the current density and thus the heat available for the formation of the weld nugget is increased. Therefore, compared to the prior art, with otherwise the same process parameters, a significantly larger weld nugget with a correspondingly improved connection characteristic results.

Durch die Bearbeitung (Einformen, Drehen oder Fräsen) der Elementkopfgeometrie mit kreisrunden Ringkonturen erfolgt eine Stromdichteerhöhung, mittels der die Prozesssicherheit des Schweißvorgangs deutlich verbessert wird. Die daraus resultierende Stromkonzentration erhöht den lokalen Energieeintrag und trägt zur Bildung einer entsprechend großen Schweißlinse bereits bei niedrigeren Schweißströmen bei. Durch die einhergehende Erhöhung der Stromdichte zwischen Stahlelemente und -blech entstehen für alle Oberflächenvarianten gleiche Ausgangsbedingungen und es können aufgrund der erhöhten Stromdichte kleinere Schweißströme oder kürzere Schweißzeiten zu Einsatz kommen.The processing (molding, turning or milling) of the element head geometry with circular ring contours results in an increase in current density, which significantly improves the process reliability of the welding process. The resulting current concentration increases the local energy input and contributes to the formation of a correspondingly large weld nugget even at lower welding currents. The associated increase in the current density between steel elements and sheet metal results in the same starting conditions for all surface variants and, due to the increased current density, lower welding currents or shorter welding times can be used.

Mit der Erfindung ist eine schnelle, gleichmäßige Wärmeentstehung unabhängig von der Oberflächenbeschichtung, Blechdicke und Werkstofflegierung gewährleistet. Zudem ergeben sich eine Erhöhung der lokalen Stromdichte an der Kontaktstelle und dadurch eine Reduzierung der verwendeten Schweißströme oder kürzere Schweißzeiten (daraus resultieren weitere ökonomische Vorteile im Anlagenbetrieb). Ferner wird die Prozesssicherheit gesteigert. Außerdem ermöglicht der geringere Wärme-/Energieeintrag den Einsatz auch für das einseitige indirekte Punktschweißen und/oder das Fügen von Profilen (zum Beispiel Stoßpunkten), ohne eine zu große Beulung zu verursachen.With the invention, a rapid, uniform generation of heat is independent of the surface coating, sheet thickness and Material alloy guaranteed. In addition, there is an increase in the local current density at the contact point and thus a reduction in the welding currents used or shorter welding times (this results in further economic advantages in system operation). Furthermore, the process reliability is increased. In addition, the lower heat / energy input enables it to be used for one-sided indirect spot welding and / or the joining of profiles (e.g. joint points) without causing too large a bulge.

In einer technischen Umsetzung kann die Kopf-Grundfläche des Elementkopfes des Fügehilfselementes ebenflächig ausgebildet sein. Das Fügehilfselement kann rotationssymmetrisch um die Fügehilfselement-Längsachse ausgebildet sein.In a technical implementation, the head base area of the element head of the auxiliary joining element can be designed to be planar. The auxiliary joining element can be designed to be rotationally symmetrical about the longitudinal axis of the auxiliary joining element.

In einer ersten Ausführungsvariante kann die Ringkontur im Querschnitt eine radial innere Konturflanke und eine radial äußere Konturflanke aufweisen. Die beiden Konturflanken können geradlinig verlaufen und an einer spitzwinkligen Scheitelkante zusammenlaufen. Alternativ dazu können die beiden Konturflanken jeweils an einer radial äußeren Übergangskante und an einer radial inneren Übergangskante in eine zur Kopf-Grundfläche planparallele Scheitelfläche übergehen. In einer weiteren Ausführungsvariante können die beiden Konturflanken (leicht gekrümmt) unter Bildung eines halbrunden bzw. kalottenförmigen Ringkontur-Querschnitts an einer Ringkontur-Scheitelstelle zusammenlaufen.In a first embodiment variant, the ring contour can have a radially inner contour flank and a radially outer contour flank in cross section. The two contour flanks can run in a straight line and converge at an acute-angled apex edge. As an alternative to this, the two contour flanks can each merge at a radially outer transition edge and at a radially inner transition edge into an apex surface that is plane-parallel to the head base surface. In a further embodiment variant, the two contour flanks (slightly curved) can converge at a ring contour apex, forming a semicircular or dome-shaped ring contour cross section.

Der Kopfdurchmesser des Elementkopfes kann beispielhaft um das 1,25- bis 1,5-fache größer bemessen sein als ein Elementschaft-Außendurchmesser. Auf diese Weise ergibt sich ein vom Elementschaft nach radial außen abragender Kopfrand. Zudem können mehrere, insbesondere genau zwei Ringkonturen vorgesehen sein, die zueinander konzentrisch ausgerichtet sind und dazwischen zumindest eine umlaufende Rille begrenzen.The head diameter of the element head can, for example, be 1.25 to 1.5 times larger than an element shaft outer diameter. This results in a head edge that projects radially outward from the element shaft. In addition, several, in particular exactly two, ring contours can be provided which are aligned concentrically to one another and delimit at least one circumferential groove between them.

Die Ringkontur-Anzahl kann zwischen 1 und 5 liegen, wobei die Ringkonturen gleichmäßig über dem Elementkopf verteilt sein können. Die Ringkontur-Höhe ist vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,5 mm zu wählen. Der Ringkontur kann spitz, halbrund oder plan ausgeführt sein.The number of ring contours can be between 1 and 5, whereby the ring contours can be evenly distributed over the element head. The ring contour height should preferably be chosen between 0.1 and 0.5 mm. The ring contour can be pointed, semicircular or flat.

Im Hinblick auf eine einwandfreie Ausbildung einer Schweißlinse ist es bevorzugt, wenn die, insbesondere radial äußere, Ringkontur auf einem Ringkontur-Durchmesser liegt, der kleiner oder gleich dem Elementschaft-Außendurchmesser ist.With regard to a perfect design of a weld nugget, it is preferred if the, in particular radially outer, ring contour lies on a ring contour diameter that is smaller than or equal to the element shaft outer diameter.

Das erfindungsgemäße Fügehilfselement ist im Hinblick auf den Werkstoff, die Geometrie, die Beschichtung, die Festigkeit und/oder die beim Setzschritt (Einstanzprozess) verwendete Matrize auszulegen. Als Werkstoff des Fügehilfselementes kann bevorzugt ein Kaltstauch- oder ein Kaltfließpressstahl verwendet werden. Dadurch ist eine wirtschaftlich günstige Fertigung durch einen möglichen Kaltschlagprozess gewährleistet. Zudem kann der Werkstoff einen wesentlich geringeren Kohlenstoffgehalt als ein bei handelsüblichen Halbhohlnietelementen verwendeter Nietwerkstoff aufweisen. Der verwendete Werkstoff muss zudem schweißgeeignet sein. Beispielhaft sind die folgenden Materialien geeignet: 17MnB4, 19MnB4, 20MnB4, 27MnB4. Mittels solcher Werkstoffe kann das Verformungsverhalten des Fügehilfselements verbessert und Risse im Element vermieden werden. Die Werkstofffestigkeit des Fügehilfselementes sollte dem Anwendungsfall und den Materialien angepasst werden und kann exemplarisch bevorzugt zwischen 950 und 1100 N/mm2 liegen, damit das Fügehilfselement im Setzschritt in den Aluminiumwerkstoff des ersten Bauteils einschneiden kann und zugleich noch ausreichend duktil ist für eine Verformung im Aluminiummaterial ist.The auxiliary joining element according to the invention is to be designed with regard to the material, the geometry, the coating, the strength and / or the die used in the setting step (punching process). A cold heading or cold extrusion steel can preferably be used as the material of the auxiliary joining element. This ensures an economically favorable production through a possible cold impact process. In addition, the material can have a significantly lower carbon content than a rivet material used in commercially available semi-tubular rivet elements. The material used must also be suitable for welding. The following materials are suitable as examples: 17MnB4, 19MnB4, 20MnB4, 27MnB4. By means of such materials, the deformation behavior of the joining element can be improved and cracks in the element can be avoided. The material strength of the auxiliary joining element should be adapted to the application and the materials and can, for example, preferably be between 950 and 1100 N / mm 2 , so that the auxiliary joining element can cut into the aluminum material of the first component in the setting step and at the same time is still sufficiently ductile for deformation in the aluminum material is.

Das Fügehilfselement kann in einer Prozessabfolge hergestellt werden, bei der zunächst in einem Kaltumform-Schritt ein Fügehilfselement-Rohling hergestellt wird. Der Fügehilfselement-Rohling wird in einem Vergütungs-Schritt vergütet. Anschließend erfolgt ein Beschichtungsschritt, bei dem der Fügehilfselement-Rohling mit einer Korrosionsschutzschicht beschichtet wird, und zwar unter Fertigstellung des Fügehilfselementes.The auxiliary joining element can be produced in a process sequence in which an auxiliary joining element blank is first produced in a cold forming step. The joining element blank is remunerated in a remuneration step. This is followed by a coating step in which the auxiliary joining element blank is coated with an anti-corrosion layer, to be precise with the completion of the auxiliary joining element.

Die Ringkontur kann in einer ersten Ausführungsvariante unmittelbar im Kaltumform-Schritt eingeformt werden, zum Beispiel durch Kaltschlagen oder durch Drehen je nach Elementanzahl. Vorteil dieser Variante ist es, dass das Fügehilfselement noch nicht vergütet und beschichtet ist, so dass keine Fehlstellen am Elementkopf zu erwarten sind. Für den Element-Setzprozess muss eine entsprechende Negativform im Setzstempel eingebracht sein, um eine Elementbeschädigung beim Setz-Prozessschritt zu vermeiden. In a first variant, the ring contour can be formed directly in the cold forming step, for example by cold hammering or by turning, depending on the number of elements. The advantage of this variant is that the auxiliary joining element is not yet tempered and coated, so that no defects are to be expected on the element head. For the element setting process, a corresponding negative form must be incorporated in the setting die in order to avoid element damage during the setting process step.

Alternativ dazu kann die Ringkontur unmittelbar im Setzschritt eingeformt werden. In diesem Fall wirkt der Setzschritt formgebend für den Elementkopf (das heißt die Ringkontur-Formgebung erfolgt im Setz-Schritt). Hierzu muss der Setzstempel an seiner, dem Fügehilfselement zugewandten Stempelfläche eine entsprechende Negativform der Ringkontur aufweisen. Bei dieser Ausführungsvariante kann das Fügehilfselement in konventioneller Art und Weise hergestellt und beschichtet werden. Die Ringkontur-Geometrie im gesetzten Zustand unterliegt dabei allerdings entsprechenden Schwankungen und kann evtl. zu abweichenden Schweißergebnissen führen.Alternatively, the ring contour can be formed directly in the setting step. In this case, the setting step has a shaping effect on the element head (that is, the ring contour is shaped in the setting step). For this purpose, the setting punch must have a corresponding negative shape of the ring contour on its punch surface facing the auxiliary joining element. In this variant, the auxiliary joining element can be produced and coated in a conventional manner. The ring contour geometry in the set state is, however, subject to corresponding fluctuations and can possibly lead to deviating welding results.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Materialstärke des Elementkopfes gegenüber der Materialstärke an der Elementschaftwandung erhöht sein, und zwar unter Bildung einer Materialverdickung. Die Materialverdickung stellt Schweißmaterial für die Schweißlinse zwischen dem Elementkopf und dem zweiten Bauteil bereit. Bevorzugt kann die Elementkopf-Materialstärke zwischen 1 und 1,5 mm liegen (gemessen an der Längsachse des Fügehilfselementes). Der Kopfdurchmesser des Elementkopfes kann zwischen 5 und 7 mm liegen. Der Schaftaußendurchmesser kann zwischen 3,0 und 6,5 mm liegen, während die Länge des Fügehilfselementes zwischen 2,0 und 4,0 mm sein kann.In a preferred embodiment, the material thickness of the element head compared to the Be increased material thickness on the element shaft wall, namely with the formation of a material thickening. The material thickening provides welding material for the weld nugget between the element head and the second component. The element head material thickness can preferably be between 1 and 1.5 mm (measured on the longitudinal axis of the auxiliary joining element). The head diameter of the element head can be between 5 and 7 mm. The outer shaft diameter can be between 3.0 and 6.5 mm, while the length of the auxiliary joining element can be between 2.0 and 4.0 mm.

Nach erfolgtem Setzschritt kann der Elementkopf des in das erste Bauteil eingetriebenen Fügehilfselementes mit einem Kopfüberstand von der Oberfläche des ersten Bauteils vorragen. Der Kopfüberstand kann bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 mm liegen.After the setting step has taken place, the element head of the auxiliary joining element driven into the first component can protrude from the surface of the first component with a head overhang. The head overhang can preferably be between 0.1 and 0.5 mm.

Im Setzschritt kann die umlaufende Elementschaftwandung um einen zur Setzrichtung rechtwinkligen Spreizweg radial nach außen ausgeweitet werden. Auf diese Weise ergibt sich eine Hinterschneidung. Der Spreizweg kann beispielhaft 0,1 mm oder größer sein.In the setting step, the circumferential element shaft wall can be expanded radially outward by an expansion path at right angles to the setting direction. This creates an undercut. The expansion path can be 0.1 mm or greater, for example.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the accompanying figures.

Es zeigen:

  • 1 ein Querschliffbild einer fertiggestellten Bauteilverbindung;
  • 2 in einer teilweisen Seitenschnittdarstellung unverformtes Fügehilfselement in Alleinstellung;
  • 3 und 4 unterschiedliche Ansichten auf das Fügehilfselement;
  • 5 und 6 jeweils Ansichten, die die Prozessschritte zur Herstellung der in der 1 gezeigten Bauteilverbindung veranschaulichen;
  • 7 und 8 jeweils Ringkonturen gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.
Show it:
  • 1 a cross-section of a completed component connection;
  • 2 in a partial side section view, undeformed joining auxiliary element on its own;
  • 3 and 4th different views of the auxiliary joining element;
  • 5 and 6th each views showing the process steps for producing the in the 1 illustrate component connection shown;
  • 7th and 8th each ring contours according to further exemplary embodiments.

In der 1 ist eine fertiggestellte Bauteilverbindung gezeigt, bei der ein Aluminium-Blechteil 1 als ein erster Fügepartner mit einem Stahl-Blechteil 3 als ein zweiter Fügepartner verbunden ist. Die beiden Fügepartner 1, 3 sind über ein Fügehilfselement 5 miteinander verbunden. Die obige Materialpaarung ist rein beispielhaft. Alternativ dazu sind auch beliebig andere Werkstoffe denkbar, etwa Magnesium, unter Umständen auch Kunststoffe.In the 1 a completed component connection is shown in which an aluminum sheet metal part 1 as a first joining partner with a steel sheet metal part 3 is connected as a second joining partner. The two joining partners 1 , 3 are via an auxiliary joining element 5 connected with each other. The above material pairing is purely exemplary. As an alternative to this, any other materials are also conceivable, for example magnesium, possibly also plastics.

Das Fügehilfselement 5 ist gemäß den Figuren mit einem hohlen Elementschaft 9 sowie einem Elementkopf 11 ausgebildet. In der 1 ist der Elementschaft 9 unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke r in einem später beschriebenen Setzschritt I in das Material des Aluminium-Blechteils 1 (erster Fügepartner) eingestanzt. Der Elementkopf 11 des Fügehilfselementes 5 ist mit dem zweiten Bauteil (Stahl-Blechteil 3) unter Bildung einer Schweißlinse 13 verschweißt.The auxiliary joining element 5 is according to the figures with a hollow element shaft 9 as well as an element head 11 educated. In the 1 is elementalism 9 while maintaining a residual bottom thickness r in a later-described setting step I in the material of the aluminum sheet metal part 1 (first joining partner) stamped. The element head 11 of the auxiliary joining element 5 is with the second component (sheet steel part 3 ) with the formation of a weld nugget 13th welded.

In der 2 ist das Fügehilfselement 5 unverformt in einer Alleinstellung gezeigt. Demzufolge ist das Fügehilfselement 5 um einen Längsachse L rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei eine Wandung 15 des hohlzylindrischen Elementschaftes 9 einen bodenseitig offenen, kalottenförmigen Hohlraum 17 begrenzt. Dieser ist in Axialrichtung mit einer Materialtiefe t in den Elementschaft 9 eingearbeitet. Die Elementschaft-Wandung 15 weist eine Materialstärke ms auf, die in der 2 wesentlich kleiner bemessen ist als die Elementkopf-Materialstärke mK , die sich entlang der Längsachse L ergibt. Auf diese Weise ist der Elementkopf 11 mit einer zusätzlichen Materialverdickung 21 ausgebildet, die eine ausreichend große Menge an Schweißmaterial für die Bildung der Schweißlinse 13 bereitstellt. Die Materialverdickung 21 ist dabei so bemessen, dass nach dem Schweißschritt II (6) im Elementkopf 11 eine ausreichend große Materialstärke Δm (1) ohne Gefügeänderung verbleibt.In the 2 is the auxiliary joining element 5 shown undeformed in a unique position. As a result, the joining element is 5 around a longitudinal axis L. rotationally symmetrical, with one wall 15th of the hollow cylindrical element shaft 9 a dome-shaped cavity that is open at the bottom 17th limited. This is in the axial direction with a material depth t in the element shaft 9 incorporated. The elemental wall 15th has a material thickness ms that is in the 2 is dimensioned much smaller than the element head material thickness m K extending along the longitudinal axis L. results. This is how the element head is 11 with an additional material thickening 21 formed which has a sufficiently large amount of weld material for the formation of the weld nugget 13th provides. The thickening of the material 21 is dimensioned so that after welding step II ( 6th ) in the element header 11 a sufficiently large material thickness Δm ( 1 ) remains without structural change.

In der 2 und 4 beträgt der Kopfdurchmesser dK beispielhaft 5,5 mm, während der Schaftaußendurchmesser ds bei 3,35 mm liegt. Auf diese Weise ergibt sich ein vom Elementschaft 9 nach radial außen abragender Kopfrand 10. Die beiden Ringkonturen 21, 23 sind daher radial innerhalb des umlaufenden Kopfrandes 10 positioniert. Die Länge I des Fügehilfselementes 5 liegt in der 2 bei 2,8 mm, wobei eine Kopfseitenhöhe IK bei etwa 0,3 mm liegt.In the 2 and 4th is the head diameter d K for example 5.5 mm, while the outer shaft diameter ds is 3.35 mm. In this way there is one of the elemental community 9 head edge protruding radially outwards 10 . The two ring contours 21 , 23 are therefore radially inside the circumferential head edge 10 positioned. The length I of the auxiliary joining element 5 lies in the 2 at 2 , 8th mm, with a head side height I K is about 0.3 mm.

Wie aus der 2 weiter hervorgeht, weist das Fügehilfselement 5 an seiner dem Elementkopf 11 abgewandte Seite am Elementfuß eine umlaufende Fußschneide 19 auf. Diese wirkt beim Setzschritt I einem frühzeitigen Verformen des Fügehilfselementes 5 entgegen. Gleichzeitig wird ein Ausspreizen des Elementschaftes 9 um einen vorgegebenen Spreizweg Δy (1) radial nach außen gesteuert.As from the 2 further emerges, has the auxiliary joining element 5 at his the element head 11 remote side at the element base a circumferential base edge 19th on. In setting step I, this has the effect of deforming the auxiliary joining element at an early stage 5 opposite. At the same time there is a spreading out of the elements 9 by a given spread Δy ( 1 ) controlled radially outwards.

In der 2 weist das Fügehilfselement 5 an seiner, dem zweiten Bauteil 3 zugewandten Kopf-Oberseite zwei um die Fügehilfselement-Längsachse L umlaufende Ringkonturen 21, 23 auf. Jede Ringkontur 21, 23 ragt um eine Ringkontur-Höhe h (3) von einer Kopf-Grundfläche 25 ab. Die Kopf-Grundfläche 25 ist in der 2 und 3 ebenflächig ausgebildet. Jede Ringkontur 21, 23 weist im Querschnitt eine radial innere Konturflanke 27 und eine radial äußere Konturflanke 29 auf. Die beiden Konturflanken 27 und 29 verlaufen in der 3 geradlinig und gehen an oberen Übergangskanten 31 in eine zur Kopf-Grundfläche 25 planparallele Scheitelfläche 33 über.In the 2 has the auxiliary joining element 5 on his, the second component 3 facing top of the head two around the longitudinal axis of the auxiliary joining element L. circumferential ring contours 21 , 23 on. Any ring contour 21 , 23 protrudes by a ring contour height H ( 3 ) from a head base 25th from. The base of the head 25th is in the 2 and 3 formed flat. Any ring contour 21 , 23 has a radially inner contour flank in cross section 27 and a radially outer contour flank 29 on. The two contour flanks 27 and 29 run in the 3 straight forward and go to the upper transition edges 31 in one to the head base 25th plane-parallel apex 33 above.

In der 2 ist ein Außendurchmesser dR der radial äußeren Ringkontur 21 geringfügig kleiner bemessen als der Elementschaft-Außendurchmesser ds.In the 2 is an outside diameter d R the radially outer ring contour 21 dimensioned slightly smaller than the element shaft outer diameter ds.

Anhand der 5 und 6 ist ein Fügeverfahren zur Herstellung der in der 1 gezeigten Bauteilverbindung veranschaulicht. Demzufolge wird das Fügehilfselement 5 zunächst in einer Setzrichtung mit Hilfe eines Setzstempels 35 in das auf einer Matrize 28 positionierte erste Bauteil 1 eingestanzt, und zwar unter Aufrechterhaltung der Restbodendicke r. Nach erfolgtem Setzschritt I ragt der Elementkopf 11 des Fügehilfselementes 5 mit einem Kopfüberstand u von der Oberfläche des ersten Bauteils 1 vor, der beispielhaft bei 0,3 mm liegt und in etwa gleich groß ist, wie der Kopfseitenhöhe IK (2).Based on 5 and 6th is a joining process for the production of the 1 Component connection shown illustrated. As a result, the auxiliary joining element 5 first in one setting direction with the help of a setting punch 35 into that on a die 28 positioned first component 1 punched in, while maintaining the remaining bottom thickness r. After setting step I, the element head protrudes 11 of the auxiliary joining element 5 with a head overhang u from the surface of the first component 1 before, which is, for example, 0.3 mm and is roughly the same size as the head side height I K ( 2 ).

Zur Vorbereitung des Schweißschrittes II (6) das zweite Bauteil 3 auf die beiden Fügehilfselement-Ringkonturen 21, 23 aufgesetzt, und zwar unter Bildung zweier (zueinander konzentrisch verlaufender) ringförmiger Kontaktflächen zwischen dem Elementkopf 11 und dem zweiten Bauteil 3 sowie unter Bildung eines freien Abstands a (6) zwischen der Kopf-Grundfläche 25 und dem Bauteil 3. Anschließend werden die beiden einander gegenüberliegenden Elektroden 37 unter Zwischenordnung der beiden Bauteile 1, 3 sowie des Fügehilfselementes 5 zusammengefahren, wobei das Fügehilfselement 5 in Flucht mit den beiden Elektroden 37 ausgerichtet ist, und es erfolgt ein Punktschweißvorgang unter Bildung der Schweißlinse 13 zwischen dem Elementkopf 11 und dem zweiten Fügepartner 3.To prepare for welding step II ( 6th ) the second component 3 on the two joining element ring contours 21 , 23 placed, namely with the formation of two (mutually concentric) annular contact surfaces between the element head 11 and the second component 3 as well as forming a free space a ( 6th ) between the base of the head 25th and the component 3 . Then the two opposing electrodes 37 with the interposition of the two components 1 , 3 as well as the auxiliary joining element 5 moved together, the auxiliary joining element 5 in alignment with the two electrodes 37 is aligned and a spot weld is performed to form the nugget 13th between the element head 11 and the second joining partner 3 .

Mittels der beiden Ringkonturen 21, 23 werden im Schweißschritt II die Stromdichte an den ringförmigen Kontaktflächen und damit die für die Ausbildung der Schweißlinse 13 verfügbare Wärme wesentlich erhöht.By means of the two ring contours 21 , 23 In welding step II, the current density at the ring-shaped contact surfaces and thus that for the formation of the weld nugget 13th available heat significantly increased.

In den 7 und 8 sind weitere Elementkopf-Geometrien angedeutet. Gemäß der 7 sind eine radial innere Ringkontur 23 und eine radial äußere Ringkontur 21 ausgebildet. An jeder Ringkontur 21, 23 laufen die beiden Konturflanken 27, 29 geradlinig an einer spitzwinkligen Scheitel-Kante 39 zusammen. In der 8 sind die beiden Konturflanken 27, 29 leicht gekrümmt und laufen kalottenförmig an einer Ringkontur-Scheitelstelle 41 zusammen.In the 7th and 8th further element head geometries are indicated. According to the 7th are a radially inner ring contour 23 and a radially outer ring contour 21 educated. On every ring contour 21 , 23 the two contour flanks run 27 , 29 straight on an acute-angled apex edge 39 together. In the 8th are the two contour flanks 27 , 29 slightly curved and run in the shape of a dome at a ring contour apex 41 together.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Aluminium-BlechteilAluminum sheet metal part
33
Stahl-BlechteilSheet steel part
55
FügehilfselementAuxiliary joining element
99
hohler Elementschafthollow element shaft
1010
KopfrandHead edge
1111
ElementkopfElement head
1313th
SchweißlinseWeld nugget
1515th
Elementschaft-WandungElement shaft wall
1717th
Elementschaft-HohlraumElement shaft cavity
1919th
FußschneideFoot edge
2121
MaterialverdickungThickening of the material
21, 2321, 23
RingkonturenRing contours
2525th
Kopf-GrundflächeHead base
2727
radial innere Konturflankeradially inner contour flank
2828
Matrizedie
2929
radial äußere Konturflankeradially outer contour flank
3131
ÜbergangskanteTransition edge
3333
ScheitelflächeVertex surface
3535
SetzstempelSetting punch
3636
Negativformnegative form
3737
ElektrodenElectrodes
3939
spitzwinklige Scheitelkanteacute-angled apex edge
4141
ScheitelstelleVertex
LL.
LängsachseLongitudinal axis
aa
freier Abstandfree space
ΔmΔm
Materialstärke ohne GefügeänderungMaterial thickness without structural change
dKdK
KopfdurchmesserHead diameter
dSdS
SchaftaußendurchmesserOuter shaft diameter
dRdR
Ringkontur-AußendurchmesserRing contour outer diameter
ll
Fügehilfselement-LängeJoining element length
IKIK
Kopf-SeitenhöheHead-to-side height
ΔyΔy
SpreizwegSpreading path
hH
Ringkontur-HöheRing contour height
uu
KopfüberstandHead overhang
mKmK
Materialstärke entlang der Längsachse L Material thickness along the longitudinal axis L.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Prozessanordnung für die Herstellung einer Bauteilverbindung mit einem Fügehilfselement (5), das einen Elementkopf (11) und einen Elementschaft (9) aufweist, wobei das Fügehilfselement (5) in einem Setzschritt (I) mit seinem Elementschaft (9) unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke (r) in zumindest ein erstes Bauteil (1) eintreibbar ist, und in einem Schweißschritt (II) der Elementkopf (11) des in das erste Bauteil (1) eingetriebenen Fügehilfselements (5) mit dem zweiten Bauteil (3) durch Widerstandspunktschweißen verschweißbar ist, und zwar unter Bildung einer Schweißlinse (13) zwischen dem Fügehilfselement (5) und dem zweiten Bauteil (3), dadurch gekennzeichnet, dass die dem zweiten Bauteil (3) zugewandte Kopf-Oberseite des Fügehilfselements (5) zumindest eine um eine Fügehilfselement-Längsachse (L) umlaufende Ringkontur (21, 23) aufweist, die um eine Ringkontur-Höhe (h) von einer Kopf-Grundfläche (25) abragt, und dass zur Vorbereitung des Schweißschritts (II) das zweite Bauteil (3) auf der Fügehilfselement-Ringkontur (21, 23) aufsetzbar ist, und zwar unter Bildung einer ringförmigen Kontaktfläche, wodurch im Schweißschritt (II) die Stromdichte und damit die für die Ausbildung der Schweißlinse (13) verfügbare Wärme erhöht ist.Process arrangement for the production of a component connection with an auxiliary joining element (5) which has an element head (11) and an element shaft (9), the auxiliary joining element (5) in a setting step (I) with its element shaft (9) while maintaining a residual base thickness ( r) can be driven into at least one first component (1), and in a welding step (II) the element head (11) of the auxiliary joining element (5) driven into the first component (1) can be welded to the second component (3) by resistance spot welding, namely with the formation of a weld nugget (13) between the auxiliary joining element (5) and the second component (3), characterized in that the upper side of the head of the auxiliary joining element (5) facing the second component (3) has at least one longitudinal axis around an auxiliary joining element (L) has circumferential ring contour (21, 23) which protrudes by a ring contour height (h) from a head base surface (25), and that in preparation for the welding step (II) the second component l (3) can be placed on the auxiliary joining element ring contour (21, 23), namely with the formation of an annular contact surface, whereby the current density and thus the heat available for the formation of the weld nugget (13) is increased in the welding step (II). Prozessanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopf-Grundfläche (25) des Elementkopfes (11) ebenflächig ist, und/oder das Fügehilfselement (5) rotationssymmetrisch um die Fügehilfselement-Längsachse (L) ausgebildet ist.Process arrangement according to Claim 1 , characterized in that the head base surface (25) of the element head (11) is planar, and / or the auxiliary joining element (5) is designed to be rotationally symmetrical about the longitudinal axis (L) of the auxiliary joining element. Prozessanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkontur (21, 23) im Querschnitt eine radial innere Konturflanke (27) und eine radial äußere Konturflanke (29) aufweist, und dass insbesondere die beiden Konturflanken (27, 29) geradlinig sind und/oder an einer spitzwinkligen Scheitelkante (39) unter Bildung eines dreieckigen Ringkontur-Querschnitts zusammenlaufen, oder dass die beiden Konturflanken (27, 29) unter Bildung eines trapezförmigen Ringkontur-Querschnitts jeweils an einer radial äußeren Übergangskante (31) und einer radial inneren Übergangskante (31) in eine zur Kopf-Grundfläche (25) planparallele Scheitelfläche (33) übergehen, und/oder dass die Konturflanken (27, 29) unter Bildung einer kalottenförmigen Ringkontur-Querschnitts an einer Ringkontur-Scheitelstelle (41) zusammenlaufen.Process arrangement according to Claim 1 or 2 , characterized in that the ring contour (21, 23) has a radially inner contour flank (27) and a radially outer contour flank (29) in cross section, and that in particular the two contour flanks (27, 29) are straight and / or at an acute angle The apex edge (39) converge to form a triangular ring contour cross-section, or that the two contour flanks (27, 29) each at a radially outer transition edge (31) and a radially inner transition edge (31) into one to form a trapezoidal ring contour cross section Head base surface (25) pass over plane-parallel apex surface (33), and / or that the contour flanks (27, 29) converge at an annular contour apex (41) to form a dome-shaped annular contour cross section. Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfdurchmesser (dK) des Elementkopfes (11), insbesondere um das 1,25- bis 1,5-fache, größer ist als der Elementschaft-Außendurchmesser (ds), und zwar unter Bildung eines vom Elementschaft (9) nach radial außen abragenden Kopfrands (10).Process arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the head diameter (d K ) of the element head (11), in particular 1.25 to 1.5 times, is greater than the element shaft outer diameter (ds), namely with the formation of a head edge (10) projecting radially outward from the element shaft (9). Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest, insbesondere genau, zwei Ringkonturen (21, 23) vorgesehen sind, die zueinander konzentrisch ausgerichtet sind, und dass insbesondere zwischen der Innenflanke (27) der radial äußeren Ringkontur (21) und der Außenflanke (29) der radial inneren Ringkontur (23) eine umlaufende Rille (30) begrenzt ist.Process arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least, in particular precisely, two ring contours (21, 23) are provided which are aligned concentrically to one another, and that in particular between the inner flank (27) of the radially outer ring contour (21) and the A circumferential groove (30) is delimited on the outer flank (29) of the radially inner ring contour (23). Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringkontur-Außendurchmesser der, insbesondere radial äußeren, Ringkontur (21) kleiner oder gleich dem Elementschaft-Außendurchmesser (ds) ist, und/oder dass insbesondere die Ringkontur-Höhe (h) zwischen 0,1 mm und 0,5 mm liegt, insbesondere zwischen 0,2 mm und 0,3 mm, und/oder dass die Ringkontur-Höhe (h) und die Kopf-Seitenhöhe (IK) in etwa gleich sind.Process arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a ring contour outer diameter of the, in particular radially outer, ring contour (21) is less than or equal to the element shaft outer diameter (ds), and / or that in particular the ring contour height (h) between 0.1 mm and 0.5 mm, in particular between 0.2 mm and 0.3 mm, and / or that the ring contour height (h) and the head-side height (I K ) are approximately the same. Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügehilfselement (5) in einer Prozessabfolge herstellbar ist, bei der in einem Kaltumform-Schritt ein Fügehilfselement-Rohling herstellbar ist, in einem Vergütungs-Schritt der Fügehilfselement-Rohling vergütbar ist, und in einem Beschichtungsschritt der Fügehilfselement-Rohling unter Fertigstellung des Fügehilfselements (5) mit einer Korrosionsschutzschicht beschichtbar ist.Process arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the auxiliary joining element (5) can be produced in a process sequence in which an auxiliary joining element blank can be produced in a cold forming step, the auxiliary joining element blank can be tempered in a tempering step, and in a coating step the joining auxiliary element blank can be coated with a corrosion protection layer with completion of the joining auxiliary element (5). Prozessanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkontur (21, 23) im Kaltumform-Schritt formbar ist, oder dass die Ringkontur (21, 23) im Setzschritt (I) formbar ist, und/oder dass ein, das Fügehilfselement (5) in das erste Bauteil (1) eintreibender Setzstempel (35) an seiner, de Fügehilfselement (5) zugewandten Stempelfläche eine Negativform (36) der Ringkontur (21, 23) aufweist.Process arrangement according to Claim 7 , characterized in that the ring contour (21, 23) can be shaped in the cold forming step, or that the ring contour (21, 23) can be shaped in the setting step (I), and / or that an auxiliary joining element (5) is inserted into the first Component (1) driving setting punch (35) has a negative shape (36) of the ring contour (21, 23) on its punch surface facing the joining auxiliary element (5). Fügehilfselement für eine Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Auxiliary joining element for a process arrangement according to one of the preceding claims. Verfahren zur Herstellung eines Fügehilfselements nach Anspruch 9.Method for the production of an auxiliary joining element according to Claim 9 .
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