DE102022124258B3

DE102022124258B3 - Process for producing a friction welded bond

Info

Publication number: DE102022124258B3
Application number: DE102022124258.7A
Authority: DE
Inventors: Dragos Murgoci
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2022-09-21
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2042-09-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Reibschweißverbunds (1); aufweisend mehrere Bauteile (11, 12), beinhaltend ein erstes, flächiges Bauteil (11) und ein zweites Bauteil (12), die in einem Stapel angeordnet sind, und einen Niet (3), der die Bauteile (11, 12) zusammenhält, wobei der Niet (3) eine Nietkrone (4) mit einer Eingriffsfläche (9i, 9a) zum Zusammenwirken mit einer Wirkfläche (31i, 31a) eines Werkzeugs (30) und einen Niethals (5), der bei hergestelltem Verbund (1) einen Durchbruch (14) des ersten Bauteils (11) des Stapels durchgreift und die Nietkrone (4) einen seitlich vorstehenden Bund (6) aufweist, der auf dem ersten Bauteil (11) des Stapels aufsitzt und der Niethals (5) mit seiner Stirnseite (10) eine durch Rotation des Niets (3) unter Druck erzeugte Reibschweißzone (20) mit dem zweiten Bauteil (12) des Stapels gebildet hat; wobei das Verfahren einen ersten Schritt aufweist, bei dem die Reibschweißzone (20) unter Beaufschlagung des Niets (3) mit Rotation und Druck mittels des Werkzeugs (30) erzeugt wird und wobei die Rotation des Niets (3) mit Anlage des Bundes (6) an das erste Bauteil (11) ausläuft und das Verfahren einen dem ersten Schritt nachfolgenden, zweiten Schritt aufweist, bei dem mit demselben Werkzeug (3) primär die Nietkrone (4) rotationslos verpresst wird; einen Niet (3); eine Anordnung aus einem Werkzeug (30) und einem Niet (3) sowie einen Reibschweißverbund (1).The invention relates to a method for producing a friction-welded composite (1); having a plurality of components (11, 12), including a first, flat component (11) and a second component (12), which are arranged in a stack, and a rivet (3) which holds the components (11, 12) together, wherein the rivet (3) has a rivet crown (4) with an engagement surface (9i, 9a) for interacting with an active surface (31i, 31a) of a tool (30) and a rivet neck (5), which has a breakthrough when the composite (1) is produced (14) of the first component (11) of the stack and the rivet crown (4) has a laterally projecting collar (6) which sits on the first component (11) of the stack and the rivet neck (5) with its end face (10) has formed a friction welding zone (20) created by rotation of the rivet (3) under pressure with the second component (12) of the stack; wherein the method has a first step in which the friction welding zone (20) is produced by applying rotation and pressure to the rivet (3) using the tool (30) and the rotation of the rivet (3) with contact of the collar (6) ends at the first component (11) and the method has a second step following the first step, in which the rivet crown (4) is primarily pressed without rotation using the same tool (3); a rivet (3); an arrangement consisting of a tool (30) and a rivet (3) and a friction welding assembly (1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Reibschweißverbundes aus mehreren aufeinanderliegenden flächigen Bauteilen, die von einem Niet zusammengehalten sind, der mit einem Bund auf einem ersten Bauteil aufsitzt und der mit seiner Stirnseite eine durch Rotation und Druck des Niets erzeugte Reibschweißzone mit einem zweiten Bauteil bildet.The invention relates to a method for producing a friction welding composite from several flat components lying one on top of the other, which are held together by a rivet, which is seated with a collar on a first component and which, with its end face, has a friction welding zone created by rotation and pressure of the rivet with a second Component forms.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auch auf einen nach diesem Verfahren hergestellten Reibschweißverbund.In addition, the invention also relates to a friction welded composite produced using this process.

Eine Reibschweißverbindung von mehreren aufeinanderliegenden flächigen Bauteilen, die von einem nietförmigen Verbindungskörper zusammengehalten sind, der mit einem Bund auf einem ersten Bauteil aufsitzt, wobei dieses erste Bauteil einen Durchbruch für die Aufnahme des Verbindungskörpers aufweist, ist aus der US 3 477 115 A bekannt, und hat allgemein den Vorteil der freien Platzierbarkeit der Verbindung und eignet sich dabei insbesondere zur Verbindung von flächigen Bauteilen an kühlflüssigkeitsführenden Komponenten, da deren Integrität durch das Reibschweißverfahren nicht beeinträchtigt wird. Das zur Herstellung dieses Reibschweißverbunds angewandte Verfahren läuft gemäß der Angaben in der genannten Druckschrift darauf hinaus, durch ein ungelochtes oder gelochtes erstes Bauteil mit einem Verbindungskörper mit stumpfer Stirnfläche ein zweites Bauteil zu erreichen und zweit rotatorischem Andrücken des Verbindungskörpers auf das zweite Bauteil eine Reibschweißzone zwischen dem Verbindungskörper und dem zweiten Bauteil herbeizuführen, wobei dann der Verbindungskörper mit seinem auf dem ersten Bauteil aufliegenden Bund und der Reibschweißzone die beiden Bauteile zusammenhält. Dieser Zusammenhalt soll ohne ein zusätzliches, rotationsfreies Einpressen also ohne eine gezielt nachträglich vorgenommene, plastische Verformung des nietförmigen Verbindungskörpers erfolgen. Die Spielfreiheit hängt stark von der Art und Weise des Zustandekommens der Reibschweißzone ab, die insbesondere zwischen der Stirnseite des Verbindungskörpers und dem zweiten Bauteil ausgebildet ist, ohne dass dabei auf die beiden Bauteile eine besondere Haltespannung wirkt, da beim Reibschweißen die Andruckkraft sich wegen der Aufweichung des zu verschweißenden Materials verringert und die zusammenzuhaltenden Bauteile gerade in der Lage festgehalten werden, in der dann das Material in der Reibschweißzone erstarrt.A friction weld connection of several flat components lying one on top of the other, which are held together by a rivet-shaped connecting body, which is seated with a collar on a first component, this first component having an opening for receiving the connecting body, is from the US 3,477,115 A known, and generally has the advantage that the connection can be freely placed and is particularly suitable for connecting flat components to coolant-carrying components, since their integrity is not affected by the friction welding process. According to the information in the publication mentioned, the method used to produce this friction welding connection boils down to achieving a second component through an unperforated or perforated first component with a connecting body with a blunt end face and, secondly, by rotationally pressing the connecting body onto the second component, creating a friction welding zone between the Connecting body and the second component, in which case the connecting body holds the two components together with its collar resting on the first component and the friction welding zone. This cohesion should take place without additional, rotation-free pressing, i.e. without any subsequent plastic deformation of the rivet-shaped connecting body. The freedom from play depends heavily on the manner in which the friction welding zone is created, which is formed in particular between the end face of the connecting body and the second component, without any particular holding tension acting on the two components, since during friction welding the pressure force increases due to the softening of the material to be welded is reduced and the components to be held together are held in the position in which the material then solidifies in the friction welding zone.

Eine unter einer besonderen Haltespannung stehender Reibschweißverbund kann jedoch gemäß eines in der EP 2 152 461 A1 beschriebenen Verfahrens hergestellt werden. Das darin beschriebene Verfahren stellt darauf ab, dass das erste Bauteil unter einer auf das zweite Bauteil zugerichteten Andruckspannung steht, auch wenn die Reibschweißzone erkaltet ist. Dies geschieht dadurch, dass nach Ausbildung der Reibschweißzone in einem ersten Schritt an dessen Ende die Rotation des Niets als Verbindungskörpers ausläuft und in einem zweiten Schritt mit Auslaufen der Rotation des Niets vor der Anlage dessen Bundes an dem ersten Bauteil durch ein spezielles Andrückwerkzeug Druck auf den Niet ausgeübt wird, durch den erst dann der Bund durch eine plastische Verformung an das erste Bauteil angedrückt wird. Dies hat den Nachteil, dass das erste Bauteil einer erheblichen Belastung in axialer Richtung des Niets nicht nur während des zweiten Schritts erfährt, sondern auch die dabei erreichte Andruckspannung nachteilig für die Haltbarkeit empfindlicher erster Bauteile, wie einer Leiterplatte, ist. Darüber hinaus benötigt das vorbekannte Verfahren zwingend mehrere Werkzeuge.However, a friction welding bond that is under a special holding voltage can be used according to one in the EP 2 152 461 A1 can be produced using the process described. The method described therein is based on the fact that the first component is under a pressure stress directed towards the second component, even if the friction welding zone has cooled down. This happens because after the friction welding zone has been formed, in a first step, the rotation of the rivet as a connecting body ends at its end and in a second step, when the rotation of the rivet stops before its collar comes into contact with the first component, pressure is applied to the first component using a special pressing tool Rivet is applied, through which the collar is then pressed onto the first component by plastic deformation. This has the disadvantage that the first component not only experiences a significant load in the axial direction of the rivet during the second step, but the contact pressure achieved in this process is also detrimental to the durability of sensitive first components, such as a circuit board. In addition, the previously known method necessarily requires several tools.

Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2021 102 676 A1 bekannt. Ein gattungsgemäßes Verfahren ist ferner in der US 2019/0039119 A1 offenbart.A method according to the preamble of claim 1 is from DE 10 2021 102 676 A1 known. A generic procedure is also in the US 2019/0039119 A1 disclosed.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Reibschweißverbundes bereitzustellen, das zumindest das erste Bauteil des Reibschweißverbunds bei dessen Herstellung mechanisch weniger belastet aber dennoch eine dauerhaft spielfreie Verbindung zwischen den Bauteilen sicherstellt. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren des Anspruchs 1 gelöst. Ein entsprechend vorteilhafter Reibschweißverbund sowie ein Niet zur Herstellung des Reibschweißverbundes ist jeweils Gegenstand eines nebengeordneten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.Against this background, it is the object of the present invention to provide a method for producing a friction welding composite which places less mechanical stress on at least the first component of the friction welding composite during its production but still ensures a permanently play-free connection between the components. This task is solved by a method of claim 1. A correspondingly advantageous friction welding connection and a rivet for producing the friction welding connection are each the subject of an independent claim. Advantageous refinements are the subject of the respective dependent claims. It should be noted that the features listed individually in the patent claims can be combined with one another in any technologically sensible manner and show further refinements of the invention. The description, particularly in connection with the figures, additionally characterizes and specifies the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung eines Reibschweißverbunds ausgelegt. Der durch das Verfahren hergestellte Reibschweißverbund, nachfolgend auch kurz als Verbund bezeichnet, weist mehreren in einem Stapel angeordnete Bauteile und einen Niet auf, der die Bauteile zusammenhält. Der Stapel weist ein flächiges, erstes Bauteil und ein zweites Bauteil auf. Der Niet weist eine Nietkrone mit einer Eingriffsfläche zum Zusammenwirken mit einem Werkzeug und einen Niethals auf, der bei hergestelltem Verbund einen Durchbruch des ersten Bauteils durchgreift, der sich beispielsweise von einer dem zweiten Bauteil zugewandten Hauptfläche zur gegenüberliegenden Hauptfläche des flächigen ersten Bauteils erstreckt. Der Niet weist ferner einen seitlich vorstehenden, zwischen Niethals und Nietkrone vorgesehenen Bund auf, der auf dem ersten Bauteil des Stapels aufsitzt. Bei dem hergestellten Verbund hat der Niethals mit seiner Stirnseite eine durch Rotation des Niets unter Druck erzeugte Reibschweißzone mit dem zweiten Bauteil des Stapels gebildet. Folglich sieht das erfindungsgemäße Verfahren einen ersten Schritt vor, bei dem die Reibschweißzone unter Beaufschlagung des Niets mit Rotation und Druck mittels des Werkzeugs erzeugt wird und wobei die Rotation des Niets spätestens mit Erreichen einer relativen Stellung von Niet und erstem Bauteil ausläuft, bei der der Bund des Niets auf dem ersten Bauteil aufsitzt und/oder in dessen Oberfläche eingreift. Bevorzugt läuft die Rotation damit aus, dass der Bund auf dem ersten Bauteil aufsitzt. Der Niet ist bevorzugt einstückig aus einem Metall oder einer metallischen Legierung, bevorzugt Aluminium ausgebildet. Das zweite Bauteil ist bevorzugt aus einem Metall oder einer metallischen Legierung ausgebildet. Beispielsweise weist das zweite Bauteil in der dem Durchbruch zugewandten Oberfläche ein Sackloch oder eine Erhebung auf. Beispielsweise ist das zweite Bauteil ein metallischer Kühlkörper. Erfindungsgemäß ist das erste Bauteil eine Leiterplatte.The method according to the invention is designed to produce a friction welded composite. The friction welding composite produced by the method, hereinafter also referred to as a composite, has several components arranged in a stack and a rivet that holds the components together. The stack has a flat, first component and a second component. The rivet has a rivet crown with an engagement surface for interaction with a tool and a rivet neck, which, when the composite is produced, passes through an opening in the first component, which is, for example wise extends from a main surface facing the second component to the opposite main surface of the flat first component. The rivet also has a laterally projecting collar provided between the rivet neck and the rivet crown, which rests on the first component of the stack. In the composite produced, the end face of the rivet neck has formed a friction welding zone with the second component of the stack, which is created by rotating the rivet under pressure. Consequently, the method according to the invention provides a first step in which the friction welding zone is generated by applying rotation and pressure to the rivet using the tool and the rotation of the rivet ends at the latest when the rivet and the first component reach a relative position in which the collar of the rivet rests on the first component and/or engages in its surface. The rotation preferably ends with the collar sitting on the first component. The rivet is preferably formed in one piece from a metal or a metallic alloy, preferably aluminum. The second component is preferably made of a metal or a metallic alloy. For example, the second component has a blind hole or an elevation in the surface facing the breakthrough. For example, the second component is a metallic heat sink. According to the invention, the first component is a printed circuit board.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner einen dem ersten Schritt nachfolgenden, zweiten Schritt auf, bei dem primär, d.h. überwiegend, die Nietkrone mit demselben, im ersten Schritt verwendeten Werkzeug, rotationslos, bevorzugt in einem Schritt und damit gleichzeitig sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung des Niets, verpresst wird. Dazu weist die Eingriffsfläche der Nietkrone bevorzugt einen umgekehrt konischen, inneren Teil auf, um die durch das Werkzeug im Wesentlichen axial in den Niet eingeleiteten Kräfte in Hangantriebskomponenten und Normalkomponenten aufzuteilen.The method according to the invention further has a second step following the first step, in which primarily, i.e. predominantly, the rivet crown is rotated with the same tool used in the first step, preferably in one step and thus simultaneously in both the radial direction and in the axial direction Direction of the rivet is pressed. For this purpose, the engagement surface of the rivet crown preferably has an inverted conical inner part in order to divide the forces introduced essentially axially into the rivet by the tool into slope drive components and normal components.

Durch die Geometrie des Niets bewirkt die Summe der Hangantriebskomponenten eine Verformung des Niets in axialer Richtung bei gleichzeitiger Zentrierung des Werkzeugs gegenüber dem Niet, während die Normalkomponenten im Wesentlichen zu einer Verformung des Niets in radialer Richtung führen.Due to the geometry of the rivet, the sum of the slope drive components causes a deformation of the rivet in the axial direction while simultaneously centering the tool relative to the rivet, while the normal components essentially lead to a deformation of the rivet in the radial direction.

Bevorzugt wird im zweiten Schritt primär, d.h. überwiegend, die Nietkrone so spielfreistellend verpresst, dass sie form- und/oder kraftschlüssig im Durchbruch aufgenommen ist.Preferably, in the second step, the rivet crown is primarily, i.e. predominantly, pressed in such a way that it eliminates play so that it is received in the opening in a form-fitting and/or non-positive manner.

Anders als im Stand der Technik wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Bund schon beim Reibschweißen in Anschlag mit dem ersten Bauteil gebracht. Dadurch, dass die Reibschweißverbindung bevorzugt hergestellt wird, bis ein Anschlag von erstem Bauteil und Bund des Niets erreicht ist, kann die maximale auf das erste Bauteil einwirkende Andruckspannung beschränkt werden, da der nachfolgende zweite Schritt nicht einer Verformung derart dient, dass der Bund oder die Nietkrone in Anschlag mit dem ersten Bauteil gebracht wird, sondern lediglich der Verformung der Nietkrone und allenfalls der form- und/oder kraftschlüssigen Aufnahme der Nietkrone im Durchbruch und damit der Spielfreistellung zwischen Nietkrone und Durchbruch im ersten Bauteil dient.Unlike in the prior art, in a preferred embodiment of the method according to the invention, the collar is brought into contact with the first component during friction welding. Because the friction weld connection is preferably produced until a stop of the first component and collar of the rivet is reached, the maximum contact stress acting on the first component can be limited, since the subsequent second step does not serve to deform in such a way that the collar or the Rivet crown is brought into contact with the first component, but only serves to deform the rivet crown and, if necessary, to positively and/or non-positively accommodate the rivet crown in the breakthrough and thus to eliminate play between the rivet crown and the breakthrough in the first component.

Erfindungsgemäß wird die Reibschweißzone durch eine konische (kegelstumpfförmige oder kegelförmige) oder eine umgekehrt konische (trichterförmige oder umgekehrt kegelstumpfförmige) Kontaktfläche an der Stirnseite des Niethalses ausgebildet, so dass die Kontaktfläche während des ersten Schrittes variiert und eine gleichmäßigere Verschweißung in der Reibschweißzone erreicht wird. Bevorzugt bildet die Stirnseite des Niethalses einen Innenkonus aus, so dass die Reibschweißzone durch eine umgekehrt konische Kontaktfläche ausgebildet ist. Dadurch wird das aufgeschmolzene Material während des ersten Schrittes primär radial nach Innen verdrängt und eine bessere Verschweißung zwischen Niet und zweitem Bauteil erreicht.According to the invention, the friction welding zone is formed by a conical (truncated cone-shaped or conical) or an inverted conical (funnel-shaped or inversely truncated cone-shaped) contact surface on the end face of the rivet neck, so that the contact surface varies during the first step and a more uniform welding is achieved in the friction welding zone. The end face of the rivet neck preferably forms an inner cone, so that the friction welding zone is formed by an inverted conical contact surface. As a result, the melted material is primarily displaced radially inwards during the first step and a better weld between the rivet and the second component is achieved.

Um den Eingriff des Bundes in die Oberfläche des ersten Bauteils zu verbessern, weist erfindungsgemäß der Bund eine gestufte oder gerippte Anlagefläche zum Zusammenwirken mit dem ersten Bauteil auf. Erfindungsgemäß wird die Rotation des Niets durch den Eingriff des Bundes in das erste Bauteil gestoppt. Beispielsweise ist die Rippe in Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet.In order to improve the engagement of the collar in the surface of the first component, according to the invention the collar has a stepped or ribbed contact surface for interaction with the first component. According to the invention, the rotation of the rivet is stopped by the engagement of the collar in the first component. For example, the rib is designed to run all the way around in the circumferential direction.

Beispielsweise wird die für das Werkzeug vorgesehene Eingriffsfläche durch wenigstens einen Innenkonus in der Nietkrone ausgebildet, d.h. die Eingriffsfläche weist wenigstens einen umgekehrt kegel- oder kegelstumpfförmigen Teil auf. Beispielsweise erstreckt sich der Innenkonus von der Nietkrone bis in den Niethals und damit von der einen Seite des Bundes bis auf die andere Seite des Bundes. Beispielsweise mündet der Innenkonus in einen zentralen sich in axialer Richtung den Niet von der Nietkrone zur Stirnfläche des Niethalses durchsetzenden Durchbruch. Bevorzugt ist wenigstens die Außenfläche des Niets rotationssymmetrisch ausgebildet, noch bevorzugter ist zusätzlich die Eingriffsfläche an der Nietkrone rotationssymmetrisch ausgebildet.For example, the engagement surface provided for the tool is formed by at least one inner cone in the rivet crown, i.e. the engagement surface has at least one inverted conical or truncated cone-shaped part. For example, the inner cone extends from the rivet crown to the rivet neck and thus from one side of the collar to the other side of the collar. For example, the inner cone opens into a central opening passing through the rivet in the axial direction from the rivet crown to the end face of the rivet neck. Preferably, at least the outer surface of the rivet is designed to be rotationally symmetrical; more preferably, the engagement surface on the rivet crown is also designed to be rotationally symmetrical.

Erfindungsgemäß sind die für das Werkzeug vorgesehene Eingriffsfläche an der Nietkrone und die zugehörige und mit der Eingriffsfläche zusammenwirkende Wirkfläche am Werkzeug derart ausgebildet, dass mit zunehmendem Druck sich die gemeinsame Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Nietkrone in radialer Richtung von außen nach innen ausdehnt.According to the invention, the engagement surface on the rivet crown provided for the tool and the associated active surface on the tool that interacts with the engagement surface are designed in this way This means that as the pressure increases, the common contact surface between the tool and the rivet crown expands in the radial direction from the outside to the inside.

Erfindungsgemäß bildet die Nietkrone einen umgekehrt konischen, inneren Teil der Eingriffsfläche und einen hohlzylindrischen, äußeren Teil der Eingriffsfläche für einem Erstkontakt mit dem Werkzeug und zum Rotationsantrieb aus.According to the invention, the rivet crown forms an inverted conical, inner part of the engagement surface and a hollow cylindrical, outer part of the engagement surface for initial contact with the tool and for rotation drive.

Erfindungsgemäß weist die Wirkfläche des Werkzeugs einen konischen, inneren Teil und einen sickenförmigen, den inneren Teil umlaufenden äußeren Teil auf. Beispielsweise dient der äußere Teil der Verformung der Nietkrone während des zweiten Schrittes.According to the invention, the effective surface of the tool has a conical inner part and a bead-shaped outer part surrounding the inner part. For example, the outer part serves to deform the rivet crown during the second step.

Erfindungsgemäß weist der Niethals eine im Durchbruch aufgenommene Ringnut auf, die primär, d.h. überwiegend, im zweiten Schritt gestaucht wird.According to the invention, the rivet neck has an annular groove received in the opening, which is primarily, i.e. predominantly, compressed in the second step.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung bildet nach dem Entfernen des Werkzeugs nach dem zweiten Schritt die relaxierte Nietkrone die Eingriffsfläche zumindest teilweise zurück. Das erleichtert beispielsweise das Entfernen der Niet durch Ausbohren und/oder ermöglicht gegebenenfalls das Wiederherstellen des Verbundes nach dem Austausch des ersten Bauteils.According to a preferred embodiment, after the tool has been removed after the second step, the relaxed rivet crown at least partially reforms the engagement surface. This makes it easier, for example, to remove the rivet by drilling it out and/or, if necessary, enables the connection to be restored after the first component has been replaced.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:

1 eine schematische Schnittansicht durch einen erfindungsgemäß bearbeiteten Niet 3;
2 eine schematische Schnittansicht durch ein beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendetes Werkzeug 30;
3 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ausgangssituation;
4 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Zwischensituation;
5 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Zwischensituation;
6 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer dritten Zwischensituation;
7 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Endsituation.

The invention and the technical environment are explained in more detail below using the figures. It should be noted that the figures show a particularly preferred embodiment variant of the invention, but this is not limited to this. It shows schematically:

1 a schematic sectional view through a rivet 3 processed according to the invention;
2 a schematic sectional view through a tool 30 used in the method according to the invention;
3 a schematic view to illustrate the method according to the invention in an initial situation;
4 a schematic view to illustrate the method according to the invention in a first intermediate situation;
5 a schematic view to illustrate the method according to the invention in a second intermediate situation;
6 a schematic view to illustrate the method according to the invention in a third intermediate situation;
7 a schematic view to illustrate the method according to the invention in a final situation.

1 zeigt den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Niet 3 zur Herstellung eines Reibschweißverbunds 1, wie er nachfolgend beschrieben wird und als Ausgangsprodukt des in den 3 bis 7 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wird. Der Niet 3 weist eine Nietkrone 4 mit einer Eingriffsfläche (9a, 9i) zum Zusammenwirken mit einem in 2 gezeigten Werkzeug 30 auf. Der im Wesentlichen rotationssymmetrische Niet 3 weist ferner einen Niethals 5 auf, der ausgebildet ist, einen Durchbruch 14 eines ersten, flächigen Bauteils 11 eines Stapels zu durchgreifen, wobei der Stapel das erste flächige Bauteil 11 und ein zweites Bauteil 12 beinhaltet und in 3 dargestellt ist. Wie 1 ferner zeigt, weist die Nietkrone 4 einen seitlich vorstehenden, d.h. radial vorstehenden Bund 6 auf, der ausgebildet ist, auf dem ersten Bauteil 11 des Stapels aufzusitzen, wie es die Zwischensituation der 5 des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt. Dabei ist der Niethals 5 ausgebildet, mit seiner Stirnseite 10 eine durch Rotation des Niets 3 unter Druck erzeugte Reibschweißzone 20 mit einem zweiten Bauteil des Stapels auszubilden, wie es in den 4 bis 7 gezeigt ist. Wie es die 3 bis 7 zeigen, ist zumindest die Nietkrone 4 ausgebildet, verformt zu werden, beispielsweise durch Verpressen, und damit in dem Durchbruch 14 des ersten Bauteils 11 form- und/oder kraftschlüssig aufgenommen zu werden. 1 shows the rivet 3 processed according to the method according to the invention for producing a friction welded composite 1, as described below and as the starting product of the in 3 until 7 illustrated method according to the invention is obtained. The rivet 3 has a rivet crown 4 with an engagement surface (9a, 9i) for interacting with an in 2 tool 30 shown. The essentially rotationally symmetrical rivet 3 also has a rivet neck 5, which is designed to pass through an opening 14 of a first, flat component 11 of a stack, the stack containing the first flat component 11 and a second component 12 and in 3 is shown. How 1 further shows, the rivet crown 4 has a laterally projecting, ie radially projecting collar 6, which is designed to sit on the first component 11 of the stack, as is the intermediate situation 5 of the method according to the invention shows. The rivet neck 5 is designed with its end face 10 to form a friction welding zone 20, which is generated under pressure by rotation of the rivet 3, with a second component of the stack, as shown in FIG 4 until 7 is shown. How it is 3 until 7 show, at least the rivet crown 4 is designed to be deformed, for example by pressing, and thus to be received in the opening 14 of the first component 11 in a positive and / or non-positive manner.

Dabei bildet der Bund 6 eine gestufte oder gerippte Anlagefläche 7 zum Zusammenwirken mit dem ersten Bauteil 11 auf.The collar 6 forms a stepped or ribbed contact surface 7 for interaction with the first component 11.

Wie 1 zeigt, weist der Niet 3 eine umgekehrt konische Kontaktfläche an der Stirnseite 10 des Niethalses 4 auf, welche letztlich die Reibschweißzone 20 der 4 bis 7 mit dem zweiten Bauteil 12 ausbildet. Ferner weist der Niethals 5 eine zur Anordnung im Durchbruch 14 des ersten Bauteils 11 vorgesehene Ringnut 13 auf. Die für den Wirkeingriff mit einem in 2 gezeigten Werkzeug 30 vorgesehene Eingriffsfläche 9i, 9a weist unter anderem einen Innenkonus in der Nietkrone 4 auf, d.h. die Eingriffsfläche 9i, 9a weist einen umgekehrt kegelstumpfförmigen inneren Teil 9i auf. Dabei erstreckt sich der innere Teil 9i von der Nietkrone 4 bis in den Niethals 5 und damit in axialer Richtung von der einen Seite des Bundes 6 bis auf die andere Seite des Bundes 6. Hier mündet der Innenkonus in einen zentralen sich in axialer Richtung den Niet 3 von der Nietkrone 4 zur Stirnfläche 10 des Niethalses 5 durchsetzenden Durchbruch 8. An den inneren Teil 9i der Eingriffsfläche 9a, 9i schließt sich ein hohlzylindrischer äußerer Teil der Eingriffsfläche 9a an, der für den Erstkontakt mit dem Werkzeug 30 und zum Rotationsantrieb des Niets 3 wie in 3 gezeigt ist, vorgesehen ist.How 1 shows, the rivet 3 has an inverted conical contact surface on the end face 10 of the rivet neck 4, which ultimately forms the friction welding zone 20 4 until 7 with the second component 12. Furthermore, the rivet neck 5 has an annular groove 13 provided for arrangement in the opening 14 of the first component 11. The one for the active intervention with an in 2 The engagement surface 9i, 9a provided in the tool 30 shown has, among other things, an inner cone in the rivet crown 4, ie the engagement surface 9i, 9a has an inverted truncated cone-shaped inner part 9i. The inner part 9i extends from the rivet crown 4 into the rivet neck 5 and thus in the axial direction from one side of the collar 6 to the other side of the collar 6. Here the inner cone opens into a central rivet in the axial direction 3 from the rivet crown 4 to the end face 10 of the rivet neck 5 through breakthrough 8. The inner part 9i of the engagement surface 9a, 9i is adjoined by a hollow cylindrical outer part of the engagement surface 9a, which is for the initial contact with the tool 30 and for the rotation drive of the rivet 3 as in 3 is shown is provided.

2 zeigt das Werkzeug 30, das zur erfindungsgemäßen Anordnung aus ebendiesem und dem zuvor beschriebenen Niet 3 gehört. Das Werkzeug 30 ist ausgebildet, die nachfolgend beschriebenen Schritte 1 und 2 des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen und ist ausgebildet, eine Wirkfläche 31i, 31a zum Wirkeingriff mit der zuvor beschriebenen Eingriffsfläche 9i, 9b des Niets 3 bereitzustellen. Dabei sind die Eingriffsfläche 9i, 9a an der Nietkrone 4 und die zugehörige Wirkfläche 31i, 31a am Werkzeug 30 derart ausgebildet, dass mit zunehmendem Druck die gemeinsame Kontaktfläche zwischen Nietkrone 4 und Werkzeug 30 sich in radialer Richtung von außen nach innen ausdehnt. Ferner weist die Wirkfläche 31i, 31a des Werkzeugs 30 einen konischen, inneren Teil 31i und einen sickenförmigen, den inneren Teil 31i umlaufenden äußeren Teil 31a auf, wobei letzterer primär für die Formgebung der Nietkrone 4 im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie in den 5 und 6 gezeigt, vorgesehen ist. 2 shows the tool 30, which belongs to the arrangement according to the invention of this and the previously described rivet 3. The tool 30 is designed to carry out steps 1 and 2 of the method according to the invention described below and is designed to provide an active surface 31i, 31a for effective engagement with the previously described engagement surface 9i, 9b of the rivet 3. The engagement surface 9i, 9a on the rivet crown 4 and the associated active surface 31i, 31a on the tool 30 are designed such that with increasing pressure, the common contact surface between the rivet crown 4 and the tool 30 expands in the radial direction from the outside to the inside. Furthermore, the active surface 31i, 31a of the tool 30 has a conical, inner part 31i and a bead-shaped outer part 31a surrounding the inner part 31i, the latter being used primarily for shaping the rivet crown 4 in the second step of the method according to the invention, as in the 5 and 6 shown, is provided.

3 zeigt die Ausgangssituation des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der aus 1 gezeigte Niet 3 und ein Stapel aus einem ersten, flächigen Bauteil 11 und einem zweiten Bauteil 12 bereitgestellt werden. Das erste, flächige Bauteil 11 weist einen Durchbruch 14 auf, der einseitig durch das zweite Bauteil 12 verschlossen ist. In den Durchbruch 14 ist der Niethals des Niets 3 eingebracht, so dass die Stirnseite 10 eine Kontaktfläche mit dem zweiten Bauteil 12 ausbildet. Das Werkzeug 20 aus 2, wird in Eingriff mit dem Niet 3 gebracht, indem ein Erstkontakt der konusförmigen inneren Wirkfläche 31i mit dem hohlzylindrischen, äußeren Teil 9a der Eingriffsfläche 9i, 9a der Niets 3 hergestellt wird, und damit der Niet 3 in Rotation versetzt wird und mit Druck beaufschlagt wird, was als erster Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens angesehen wird. Dies führt mit zunehmendem Druck und zunehmender Erwärmung der Reibpartner zur Ausbildung einer Reibschweißzone 20 zwischen dem Niet 3 und dem zweiten Bauteil 12, wie 4 zeigt. Darüber hinaus dehnt sich die Kontaktfläche zwischen dem Werkzeug 30 und dem Niet 3 in radialer Richtung zumindest überwiegend von außen nach innen aus, so dass auch die innere Eingriffsfläche 9i des Niets 3 in Eingriff mit dem Werkzeug 30 gelangt. Mit zunehmender Verformung des Niets, insbesondere der im Niethals 5 vorgesehenen, umlaufenden Ringnut, kommt es bevorzugt bei rotierendem Niet 3 zur Anlage von dessen Bund 6, insbesondere der gerippten Anlagefläche 7, an das zweite Bauteile 12, womit oder wodurch die Rotation des Niet 3 gestoppt wird. 3 shows the initial situation of the method according to the invention, whereby the 1 rivet 3 shown and a stack of a first, flat component 11 and a second component 12 are provided. The first, flat component 11 has an opening 14 which is closed on one side by the second component 12. The rivet neck of the rivet 3 is inserted into the opening 14, so that the end face 10 forms a contact surface with the second component 12. The tool 20 off 2 , is brought into engagement with the rivet 3 by making initial contact of the conical inner active surface 31i with the hollow cylindrical outer part 9a of the engagement surface 9i, 9a of the rivet 3, and thus the rivet 3 is set in rotation and is subjected to pressure , which is viewed as the first step of the method according to the invention. With increasing pressure and increasing heating of the friction partners, this leads to the formation of a friction welding zone 20 between the rivet 3 and the second component 12, as 4 shows. In addition, the contact surface between the tool 30 and the rivet 3 expands in the radial direction at least predominantly from the outside to the inside, so that the inner engagement surface 9i of the rivet 3 also comes into engagement with the tool 30. With increasing deformation of the rivet, in particular the circumferential annular groove provided in the rivet neck 5, the collar 6, in particular the ribbed contact surface 7, preferably comes into contact with the second component 12 when the rivet 3 rotates, which means that the rotation of the rivet 3 is prevented is stopped.

Wie 6 zeigt, sorgt die im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Druckbeaufschlagung des Niets 3 durch das ruhende Werkzeug 30 für eine Verformung des Niets 3, so dass dieser durch gleichzeitige radiale und axiale Verpressung, insbesondere dessen Nietkrone 4, nicht nur spielfreistellend formschlüssig oder gar kraftschlüssig in dem Durchbruch 14 aufgenommen ist, sondern dass ferner der äußere Teil 9a der Eingriffsfläche 9i, 9a durch den äußeren Teil der Wirkfläche 31a des Werkzeugs 30 kelchförmig nach außen aufgeweitet wird. Das Entfernen des Werkzeugs 30 sorgt aufgrund von elastischer Relaxation für eine zumindest teilweise aber dabei weitgehende Rückstellung der Verformung der äußeren Eingriffsfläche 9a des Niets 3. Ergebnis des zuvor beschriebenen Verfahrens ist ein erfindungsgemäßer Reinschweißverbund, aufweisend ein erstes, flächiges Bauteil 11 und ein zweites Bauteil 12, die in einem Stapel angeordnet sind, und einen Niet 3, der die Bauteile 11, 12 verbindet. Dabei weist der Niet 3 einen Niethals 5, der einen Durchbruch 14 des ersten Bauteils 11 des Stapels durchgreift, eine Nietkrone 5 mit einer Eingriffsfläche 9i, 9a zum Zusammenwirken mit dem Werkzeug 30 und mit einem seitlich vorstehenden Bund 6 auf. Der Bund 6 sitzt auf dem ersten Bauteil 11 des Stapels auf, und der Niethals 5 hat mit seiner Stirnseite 10 eine durch Rotation des Niets 3 unter Druck erzeugte Reibschweißzone 20 mit dem zweiten Bauteil 12 des Stapels ausgebildet. Zumindest die Nietkrone 4 des Niets 3 ist form- und/oder kraftschlüssig im Durchbruch 14 aufgenommen.How 6 shows, the pressurization of the rivet 3 by the stationary tool 30, which is provided in the second step of the method according to the invention, ensures a deformation of the rivet 3, so that it is not only positively or even force-fitting in a form-fitting or even non-positive manner through simultaneous radial and axial compression, in particular its rivet crown 4 the opening 14 is accommodated, but also that the outer part 9a of the engagement surface 9i, 9a is expanded outwards in a cup shape by the outer part of the active surface 31a of the tool 30. Due to elastic relaxation, the removal of the tool 30 ensures that the deformation of the outer engagement surface 9a of the rivet 3 is at least partially but largely restored. The result of the previously described method is a purely welded composite according to the invention, comprising a first, flat component 11 and a second component 12 , which are arranged in a stack, and a rivet 3, which connects the components 11, 12. The rivet 3 has a rivet neck 5, which passes through an opening 14 in the first component 11 of the stack, a rivet crown 5 with an engagement surface 9i, 9a for interacting with the tool 30 and with a laterally projecting collar 6. The collar 6 sits on the first component 11 of the stack, and the rivet neck 5 has, with its end face 10, a friction welding zone 20 created by rotation of the rivet 3 under pressure with the second component 12 of the stack. At least the rivet crown 4 of the rivet 3 is accommodated in the opening 14 in a form-fitting and/or non-positive manner.

Claims

Method for producing a friction welded composite (1); comprising a plurality of components (11, 12), including a circuit board as a first, flat component (11) and a second component (12), which are arranged in a stack, and a rivet (3) which holds the components (11, 12 ). ) passes through an opening (14) in the first component (11) of the stack and the rivet crown (4) has a laterally projecting collar (6) which rests on the first component (11) of the stack and the rivet neck (5) with its end face (10) has formed a friction welding zone (20) created by rotating the rivet (3) under pressure with the second component (12) of the stack; wherein the method has a first step in which the friction welding zone (20) is generated by applying rotation and pressure to the rivet (3) using the tool (30) and the rotation of the rivet (3) occurs at the latest when the collar (6 ) ends on the first component (11) and the method has a second step following the first step, in which the rivet crown (4) is predominantly pressed axially and radially with the same tool (3) without rotation, preferably axially and radially in one step; whereby the friction welding zone is replaced by a conical one or vice versa conical contact surface is formed on the end face (10) of the rivet neck (5); wherein the collar (6) has a stepped or ribbed contact surface (7) for cooperation with the first component (11); the rotation of the rivet (3) ends when the collar (6) comes into contact with the first component (11); wherein the engagement surface (9i, 9a) on the rivet crown (4) and the associated active surface (31i, 31a) on the tool (30) are designed such that with increasing pressure a common contact surface between the rivet crown (4) and the tool (30) expands in the radial direction from outside to inside; wherein the active surface (31i, 31a) of the tool has a conical, inner part (31i) and a bead-shaped outer part (31a) surrounding the inner part; characterized in that the rivet crown (4) of the rivet (3) has an inverted conical inner part (9i) of the engagement surface (9i, 9a) and a hollow cylindrical outer part (9a) of the engagement surface (9i, 9a) for initial contact with the Tool (30) and for rotational drive by the tool (30); and that the rivet neck (5) has an annular groove (13) accommodated in the opening (14) of the first component (11), which is predominantly compressed in the second step.

Method according to the preceding claim, wherein after removal of the tool (30), the relaxed rivet crown (4) at least partially reforms the engagement surface (9i, 9a).