DE102019130786A1 - Process arrangement as well as auxiliary joining element for such a process arrangement - Google Patents
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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
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
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
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
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
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 und4 unterschiedliche Ansichten auf das Fügehilfselement; -
5 und6 jeweils Ansichten, die die Prozessschritte zur Herstellung der inder 1 gezeigten Bauteilverbindung veranschaulichen; -
7 und8 jeweils Ringkonturen gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.
-
1 a cross-section of a completed component connection; -
2 in a partial side section view, undeformed joining auxiliary element on its own; -
3 and4th different views of the auxiliary joining element; -
5 and6th each views showing the process steps for producing the in the1 illustrate component connection shown; -
7th and8th each ring contours according to further exemplary embodiments.
In der
Das Fügehilfselement
In der
In der
Wie aus der
In der
In der
Anhand der
Zur Vorbereitung des Schweißschrittes II (
Mittels der beiden Ringkonturen
In den
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 axisL.
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