DE102020002079A1

DE102020002079A1 - Verfahren zum Verschließen eines einseitig offenen Metallgehäuses mit einem Metalldeckel durch Rührreibschweißen und durch das Verfahren hergestelltes Metallgehäuse

Info

Publication number: DE102020002079A1
Application number: DE102020002079.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Lenkenhoff
Original assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2021-10-07

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Verschließen eines einseitig offenen Metallgehäuses mit einem Metalldeckel durch Rührreibschweißen, wobei von der Stirnkante des Metallgehäuses mehrere einstückig angeformte Fixierdome senkrecht abstehen, wobei die offene Seite des Metallgehäuses durch einen Metalldeckel abgedeckt wird, wobei die Fixierdome des Metallgehäuses durch Aufnahmelöcher des Metalldeckels hindurchgeführt werden, wobei in die Stirnflächen der Fixierdome eine Einprägung eingebracht wird, und wobei die aus den Aufnahmelöcher des Metalldeckels hervorstehenden Abschnitte der Fixierdome mit dem Metalldeckel rührreibverschweißt werden. Das Verfahren ist besonders vorteilhaft zum Verschließen von metallenen Elektronikgehäusen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen eines einseitig offenen Metallgehäuses mit einem Metalldeckel durch Rührreibschweißen, sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Metallgehäuse.
Derzeit werden bei der Anmelderin zur Herstellung von Elektronikgehäusen feinstgestanzte Aluminiumbleche mit sehr engen Toleranzfeldern in eine zuvor gefräste Tasche eines Metallgehäuses eingelegt und im Stumpfstoß durch Rührreibschweißen verschweißt. Dabei sind zum einen die Metalldeckel recht teuer, da diese sehr eben und genau gefertigt sein müssen, zum anderen ergibt sich bei dieser Art des Rührreibschweißens meist einen Höhenversatz, der in einem erhöhten Werkzeugverschleiß resultiert. Des Weiteren ergibt sich durch die meist unterschiedlichen Legierungen, in diesem Fall spröde Guss- und duktile Knetlegierungen, eine ungleichmäßige Nahtoberfläche, die in einem weiteren Arbeitsschritt geglättet werden muss.
Als vorteilhaft ist festzuhalten, dass bei dieser Art der Deckelmontage ein sicheres Verschließen des Gehäuses direkt nach der Montage der elektronischen Komponenten möglich ist, wenn der Metalldeckel beispielsweise durch Ankörnungen in der Tasche fixiert wird.
Um den genannten Nachteilen entgegenzuwirken, ist es notwendig das Schweißverfahren gänzlich umzustellen. Eine Möglichkeit dazu stellt das Überlappschweißen des Rührreibschweißverfahrens dar, bei dem ein Metalldeckel mit relativ groben Toleranzfeldern und geringen Anforderungen an die Ebenheit auf das zu verschließende Werkstück, in diesem Fall das Metallgehäuse, gelegt und anschließend von oben durch das Blech des Metalldeckels hindurch verschweißt wird. Dabei entsteht durch den Anpressdruck des Schweißpins ein Nullspalt und durch die Verquirlung der beiden Materialen entsteht ein gleichmäßiges und feinkörniges Gefüge. An der Nahtoberfläche ist festzustellen, dass diese deutlich gleichmäßiger und glatter ausfällt, als wenn die Fügepartner mit den unterschiedlichen Legierungen im Stumpfstoß aneinander gesetzt und dann überschweißt werden. Auf den ersten Blick bietet dieses Verfahren also nur Vorteile.
Allerdings ergeben sich in der Serienfertigung erhebliche Nachteile gegenüber der Variante, bei der ein Metalldeckel in eine Tasche gelegt und durch Ankörnungen in dieser fixiert wird. Der wohl offensichtlichste Nachteil liegt in der aufwendigeren Spanntechnik in der Schweißvorrichtung, die den lose aufliegenden Metalldeckel gegen ein Verrutschen während des Schweißprozesses sichern muss.
Ein weiterer Nachteil, der erst auf den zweiten Blick zum Tragen kommt, dafür aber umso relevanter ist, ist die Tatsache, dass ein fertig montiertes elektronisches Gerät bei einem einfach aufgelegten Deckel nicht vor Schmutzeintrag in die Elektronik geschützt ist, wenn es aus der sauberen Elektronikmontage kommend, der relativ dreckigen Umgebung der Schweißanlage zugeführt wird. Dadurch schied das Verfahren des Überlappschweißens bisher für das Verschließen von Elektronikgehäusen aus.
Es stellte sich die Aufgabe, ein Verfahren zum Verschließen eines einseitig offenen Metallgehäuses zu schaffen, welches die vorgenannten Nachteile soweit wie möglich vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Abfolge der Verfahrensschritte des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in die Fixierdome eingebrachten Einprägungen wird eine Vorfixierung des Metalldeckels am Metallgehäuse erreicht, durch die das Metallgehäuse bereits in der Elektronikmontage sicher und sauber verschlossen werden kann und die beim Schweißen auftretenden Querkräfte sicher abgefangen werden.
Die Fixierdome können vorteilhaft beim ohnehin erforderlichen Überfräsen der Auflagefläche für den Metalldeckel einfach aus dem Vollmaterial des Metallgehäuses stehen gelassen werden. Dieses erfordert zwar eine geringfügig längere Prozesszeit in der Fräsmaschine, die aber im Vergleich zum Zeitaufwand der Handhabung und des Einspannens zu vernachlässigen ist.
Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen skizzenhaft

1 einen Schnitt durch einen Fixierdom auf einem Metallgehäuse und durch einen Metalldeckel,
2 eine Schnittansicht des auf den Fixierdom aufgesetzten Metalldeckels,
3 einen Prägekopf im Halbschnitt,
4 einen Schnitt durch einen verprägten Fixierdom mit angedrücktem Metalldeckel,
5 eine Detailansicht der 4,
6 eine isometrische Ansicht der Fügepartner vor dem Zusammensetzen,
7 eine isometrische Ansicht des Prägekopfs,
8 ein Metallgehäuse und einen Metalldeckel mit Fixierdomen und Aufnahmelöchern vor dem Zusammensetzen,
9 ein Metallgehäuse mit Metalldeckel während des Fixierens,
10 ein Metallgehäuse mit vorfixiertem Metalldeckel während des Rührreibschweißens.

Das Verschließen eines Metallgehäuse 1 durch das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die 8 bis 10 skizzenhaft illustriert.
Ausgegangen wird von einem, vorzugsweise einstückig geformten, einseitig offenen Metallgehäuse 1 und einem Metalldeckel 3, der in Form und Größe die offene Seite des Metallgehäuses 1 vollständig und vorzugsweise passgenau abdecken kann. Das Metallgehäuse 1 und der Metalldeckel 3 bestehen aus einem für Rührreibschweißungen gut geeigneten Metall, vorzugsweise aus Aluminium. Es sei beispielhaft angenommen, dass das Metallgehäuse 1 zur Aufnahme von hier nicht dargestellten Elektronikkomponenten vorgesehen ist, die durch das Verschließen des Metallgehäuses 1 mit dem Metalldeckel 3 wasserdicht eingeschlossen werden sollen.
In einem ersten Verfahrensschritt werden an die Stirnkante 12 des Metallgehäuses 1 einstückig mehrere senkrecht abstehende Fixierdome 2 angeformt. Diese Fixierdome werden bevorzugt durch einen Fräsprozess geformt, da sie dann sehr kleine Fertigungstoleranzen aufweisen. Bevorzugt werden dabei mindestens vier Fixierdome 2 im Bereich der Ecken des Metallgehäuses 1 vorgesehen. In der Darstellung der 8 sind diese Fixierdome 2 bereits vorhanden.
Die Fixierdome 2 können wie beschrieben vorteilhaft beim ohnehin erforderlichen Überfräsen der Auflagefläche für den Metalldeckel 3 einfach aus dem Vollmaterial des Metallgehäuses 1 stehen gelassen werden. Die Höhe der Fixierdome 2 ist dabei geringfügig höher als die Dicke des zum Verschließen des Metallgehäuses 1 vorgesehenen Metalldeckels 3.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden in den Metalldeckel 3 passend zur Anzahl, Anordnung und zum Durchmesser der Fixierdome 2 mehrere Aufnahmelöcher 7 eingebracht. Der Durchmesser der Aufnahmelöcher 7 ist dabei vorzugsweise geringfügig größer als der Durchmesser der Fixierdome 2, so dass in einem folgenden Verfahrensschritt, in welchem der Metalldeckel 3 auf das Metallgehäuse 1 aufgesetzt wird, alle Fixierdome 2 klemmfrei in die zugehörigen Aufnahmelöcher 7 des Metalldeckels 3 eingesetzt und durch diese hindurchgeführt werden können.
Nach dem Aufsetzten des Metalldeckels 3 auf das Metallgehäuse 1 wird mittels des Prägekopfs 4 (3 und 7) eines Prägewerkzeugs in die Stirnflächen 13 der aus den Aufnahmelöchern 7 des Metalldeckels 3 hervorstehenden Abschnitte der Fixierdome 2 jeweils eine Einprägung 11 eingebracht (9). Hierdurch werden, wie 4 und 5 zeigen, die Fixierdome 2 jeweils im oberen Bereich seitlich aufgeweitet, wodurch der Metalldeckel 3 bereits an dem Metallgehäuse 1 vorfixiert ist und an das Gehäuse gedrückt wird.
In einem abschließenden Verfahrensschritt, der in 10 dargestellt ist, wird ein umlaufendender Randabschnitt des Metalldeckels 3, der die Aufnahmelöcher 7 des Metalldeckels 3 und die daraus hervorstehenden Abschnitte der Fixierdome 2 enthält, entlang der Stirnkante 12 des Metallgehäuses 1 mit dem Metallgehäuse 1 rührreibverschweißt.
Die Fixierdome 2, von denen vorzugsweise mindestens an jeder Ecke des Metallgehäuses 1 einer angeordnet ist, sind vorzugsweise etwas höher (2) als der aufzuschweißende Metalldeckel 3, so dass noch etwas Material vorhanden ist, um den umlaufenden Spalt zu füllen, der entsteht, wenn der vorgelochte Metalldeckel 3 auf die Fixierdome 2 aufgesetzt wird.
Diese Aufnahmelöcher 7, deutlicher erkennbar in den 1 und 6, sind im Durchmesser etwas größer als die Fixierdome 2 um ein leichtes und vor allem spanfreies Auffädeln des Metalldeckels 3 zu gewährleisten und um gleichzeitig produktionsbedingte Toleranzen auszugleichen. Diese Toleranzen sind nicht zu vermeiden, allerdings sind einzelne gestanzte Aufnahmelöcher 7 im Metalldeckel 3 deutlich leichter mit hoher Genauigkeit zu realisieren als eine hohe Genauigkeit bei einer umlaufenden Kante. Somit kann das Metallgehäuse 1 weitgehend kostenneutral bearbeitet werden und der Metalldeckel 3 ist merklich günstiger.
Nach dem letzten Montageschritt vor dem Verschließen des Metallgehäuses 1, dem Einsetzen von Elektronikkomponenten in das Metallgehäuse 1, wird der Metalldeckel 3 auf die vorzugsweise vier Fixierdome 2 aufgesteckt. Dadurch ist der Inhalt des Metallgehäuses 1 schon abgedeckt und der Metalldeckel 3 gegen seitliche Verschiebungen und gegen Rotation gesperrt.
Allerdings kann dieser noch abgehoben werden und bei eventuell vorhandenen Unebenheiten entsteht ein Spalt zwischen Metalldeckel 3 und Metallgehäuse 1, durch den weiterhin Verunreinigungen eindringen können. Daher ist vorgesehen, die Fixierdome 2 durch ein Prägewerkzeug derart zu verformen, dass der Metalldeckel 3 zuverlässig nieder gehalten wird, gleichzeitig aber die Kräfte auf das Metallgehäuse 1 beim Umformen gering gehalten werden.
Darüber hinaus soll erreicht werden, dass beim nachfolgenden Überschweißen nicht zu viel Material im Bereich der Schweißnaht 8 (10) fehlt, was in Fehlstellen der Schweißnaht 8 resultieren würde. Die Verformung darf also nur recht klein ausfallen und es sollen keine tiefen Krater entstehen.
Dieses Erfordernis wird durch eine spezielle Geometrie des Prägekopfes 4 gelöst, der eine ringförmige Kontur aufweist, die den Fixierdom 2 beim Einprägen vorzugsweise im inneren Bereich unangetastet lässt und gleichzeitig im äußeren Bereich flötenschneidenartig aufweitet, was in 5 erkennbar ist. Auf diese Weise wird der Metalldeckel 3 auf einen sogenannten Nullspalt 9 an das Metallgehäuse 1 herangedrückt und sicher durch einen Hinterschnitt fixiert.
Optional kann der Metalldeckel 3 eine leichte Balligkeit in Richtung des Metallgehäuses 1 aufweisen, um sicher zu stellen, dass der Metalldeckel 3 nach dem Fixieren der Ecken überall mit einem Nullspalt aufliegt und über die komplette Länge mit Druck an dem Metallgehäuse 1 anliegt. Diese Verprägungen und Anheftung der Deckelecken verschließen das Metallgehäuse 1 damit in einer Weise, die ein Eindringen von Verunreinigungen in schädlicher Größe verhindert.
Maßgeblich für das Erstellen einer derartigen Verprägung ist die Geometrie des Prägekopfes 4, der in der 7 dargestellt ist. Wie bereits beschrieben verfügt dieser über eine ringförmige Ausformung, die eine Nut in den Fixierdom 2 drückt. Diese ist so ausgestaltet, dass zuerst eine scharfe Schneidkante 5 auf den Fixierdom 2 trifft. Diese ist so ausgestaltet, dass der Innenbereich des Fixierdoms 2 sozusagen ausgestanzt wird und dabei nahezu unangetastet bleibt, während der Außenbereich durch eine Schräge 6 aufgeweitet und nach außen gedrückt wird.
So entsteht, wie in den 4 und 5 zu sehen ist, eine hinterschnittige Geometrie, bei der der Metalldeckel 3 auf einen Nullspalt 9 an das Metallgehäuse 1 gepresst wird und nicht mehr nach oben abgehoben werden kann. Gleichzeitig wird der Spalt zwischen Fixierdom 2 und Metalldeckel 3 im oberen Bereich aufgefüllt und an der Oberfläche des Fixierdoms 2 wird eine ringförmige Einprägung 11 eingebracht, die von der Tiefe genau so ausgelegt ist, dass sie den nachfolgenden Rührreibschweißprozess gerade nicht negativ beeinträchtigt. Gleichzeitig wird die umzuformende Fläche durch die Ringform (der innere Bereich wird ausgespart) und die Einpresskraft durch die scharfe Schneidkante 5 gering gehalten und es ist keine Verstärkung im Metallgehäuse 1 erforderlich um Kräfte abzuleiten oder gar Risse zu vermeiden.
Während erster Versuche zeigte sich, dass dieser Prozess des Einprägens der Spezialgeometrie derart robust ist, dass auch bei einem exzentrischen Versatz des Prägerings zu dem Fixierdom 2 eine sehr starke Verbindung entsteht. Das geht so weit, dass sich die beiden Ringe sogar überschneiden können, ohne dass die Verbindung zu viel an Niederhaltekraft einbüßt.
Beim darauffolgenden Rührreibschweißprozess ist es wichtig, dass der Durchmesser der Fixierdome 2 kleiner ist als die Breite der Schweißnaht 8, und somit sicher komplett vom Rührreibschweißwerkzeug 10 überfahren und verrührt werden kann.
Auch eine nur teilweise Überschweißung oder ein nachträgliches Anfräsen von Teilbereichen oder auch des gesamten Fixierdombereichs ist denkbar, da die Verbindung zwischen Metalldeckel 3 und Metallgehäuse 1 nach dem Schweißen von der Schweißnaht 8 übernommen und gasdicht sichergestellt wird.
Zusammenfassend kann so also durch das Einprägen einer speziellen Geometrie in dafür vorgesehene Fixierdome 2 des Metallgehäuses 1 eine effektive Vorfixierung geschaffen werden, die den Metalldeckel 3 in Kombination mit einem stoffschlüssigen Fügeverfahren wasser- und gasdicht an das Metallgehäuse 1 anbindet. Diese Kombination aus zwei Fügeverfahren zwischen Metalldeckel 3 und Metallgehäuse 1 ist sehr robust und gleichzeitig kosteneffizient und somit in manchen Anwendungen konkurrierenden Verfahren deutlich überlegen.
Bezugszeichenliste

1: Metallgehäuse
2: Fixierdome
3: Metalldeckel
4: Prägekopf
5: Schneidkante
6: Schräge
7: Aufnahmelöcher
8: Schweißnaht
9: Nullspalt
10: Rührreibschweißwerkzeug
11: Einprägung
12: Stirnkante
13: Stirnfläche(n) (von Fixierdom)

Claims

Verfahren zum Verschließen eines einseitig offenen Metallgehäuses (1) mit einem Metalldeckel (3) durch Rührreibschweißen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) an die Stirnkante des Metallgehäuses (1) werden mehrere senkrecht abstehende Fixierdome (2) einstückig angeformt, b) in einen die offene Seite des Metallgehäuses (1) vollständig abdeckenden Metalldeckel (3) werden passend zur Anzahl, Anordnung und zum Durchmesser der Fixierdome (2) mehrere Aufnahmelöcher (7) eingebracht, c) die offene Seite des Metallgehäuses (1) wird durch den Metalldeckel (3) abgedeckt, wobei die Fixierdome (2) des Metallgehäuses (1) durch Aufnahmelöcher (7) des Metalldeckels (3) hindurchgeführt werden, d) in die Stirnflächen der Fixierdome (2) wird jeweils eine Einprägung (11) eingebracht, und e) ein umlaufendender Randabschnitt des Metalldeckels (3), der die aus den Aufnahmelöcher (7) des Metalldeckels (3) hervorstehenden Abschnitte der Fixierdome (2) enthält, wird entlang der Stirnkante (12) des Metallgehäuses (1) mit dem Metallgehäuse (1) rührreibverschweißt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallgehäuse (1) einstückig geformt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierdome (2) beim Überfräsen der Auflagefläche für den Metalldeckel (3) aus dem Vollmaterial des Metallgehäuses (1) stehen gelassen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Einprägungen in die Fixierdome (2) einbringender Prägekopf (4) Schrägen (6) aufweist, durch die der Prägekopf (4) Material ausschließlich in Richtung der Peripherie der Fixierdome (2) verdrängt.
Metallgehäuse, hergestellt durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallgehäuse (1) zur Aufnahme von Elektronikkomponenten vorgesehen ist.