DE19939977A1

DE19939977A1 - Fügeverbindung zwischen Blechbauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen

Info

Publication number: DE19939977A1
Application number: DE1999139977
Authority: DE
Inventors: Frank Thuernau
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2001-03-01

Abstract

Eine Fügeverbindung weist ein Blechbauteil (1, 4) aus einem Stahlwerkstoff und ein Blechbauteil (2) aus einem Leichtmetallwerkstoff auf, die über ein Zusatzelement (3) miteinander verbunden sind. Zur Schaffung einer stabilen, spannungsarmen Verbindung unter weitestgehendem Erhalt der Fügewerkstoffeigenschaften besteht das Zusatzelement aus einem Leichtmetallwerkstoff. Das Zusatzelement (3) ist an einem ersten Befestigungsabschnitt (31) mit dem Leichtmetall-Blechbauteil (2) verfalzt und an einem weiteren Befestigungsabschnitt (32) durch eine nicht-thermische Verbindungstechnik mit dem Stahl-Blechbauteil (1, 4) verbunden, vorzugsweise verklebt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fügeverbindung zwischen Blechbauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen, mit einem Blechbauteil aus einem Stahlwerkstoff und einem Blechbauteil aus einem Leichtmetallwerkstoff, die über ein Zusatzelement miteinander verbunden sind. Derartige Fügeverbindungen werden vor allem im Leichtbau eingesetzt und eignen sich besonders zur Nutzung von werkstoffbedingten Gewichtseinsparungspotentialen durch eine Material-Mischbauweise bei Fahrzeugkarosserien.

Die gezielte Ausnutzung der Leichtbaukapazitäten von Leichtmetallwerkstoffen auf der Basis von Aluminium oder Magnesium erfordert intelligente Lösungen sowohl in der Konstruktionstechnik als auch in der Fertigungstechnik, um den heutzutage komplexen Anforderungsprofilen im Hinblick auf mechanische, ökonomische wie auch ökologische Gesichtspunkte gerecht zu werden. Voraussetzung für innovative Leichtbaukonstruktionen ist daher die Verfügbarkeit werkstoffgerechter Fügetechniken.

Aus Gründen der mechanischen Festigkeit sowie einer wirtschaftlichen Fertigung kann auf die Verwendung von Bauteilen aus Stahl nicht vollständig verzichtet werden, so daß zur Nutzung von typischen Leichtbauwerkstoffen in Mischbauweise besondere Fügetechniken zum Einsatz kommen müssen, die vor allem dem unterschiedlichen Dehnungsverhalten von Stahl einerseits und Leichtmetallwerkstoffen andererseits Rechnung tragen.

Aus der DE 42 40 822 C1 ist hierzu eine Fügetechnik bekannt, bei der ein Stahl-Blechbauteil und ein Aluminium-Blechbauteil über ein Zusatzelement miteinander verbunden werden, wobei das Zusatzelement aus Stahlblech besteht. Dieses Stahl-Zusatzelement wird zunächst mit dem Aluminium-Blechbauteil verfalzt und verklebt. Die Verbindung des Zusatzelementes mit dem Stahl-Blechbauteil erfolgt dann durch ein herkömmliches Schweißverfahren.

Zwar ist diese Lösung kostengünstig herstellbar, die bei Schweißverbindungen unvermeidlichen Gefügeumwandlungen beeinträchtigen jedoch den Erhalt der Fügewerkstoffeigenschaften. Überdies besteht im Bereich der Schweißzone in der Regel ein erhöhtes Korrosionspotential.

Die starre Verbindung des Aluminium-Blechbauteils mit dem Stahl-Zusatzelement bedingt desweiteren Restriktionen im Hinblick auf die Fertigung und das äußere Erscheinungsbild der Fügestelle. Wird ein solchermaßen hergestelltes Mischbauteil einer kathodischen Tauchbadlackierung unterzogen, so treten aufgrund der damit verbundenen höheren Temperaturen und des unterschiedlichen Wärmedehnungsverhaltens in den einzelnen Komponenten unterschiedliche Dehnungen auf, die die Lackqualität beeinträchtigen können, was im Sichtbereich einer Fahrzeugkarosserie unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fügeverbindung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei kostengünstiger Fertigung eine stabile, spannungsarme Verbindung unter weitestgehendem Erhalt der Fügewerkstoffeigenschaften ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Fügeverbindung der eingangs genannten Art gelöst, bei der das Zusatzelement aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht, das an einem ersten Befestigungsabschnitt mit dem Leichtmetall-Blechbauteil verfalzt ist und an einem weiteren Befestigungsabschnitt durch eine nicht-thermische Verbindungstechnik mit dem Stahl- Blechbauteil verbunden ist. Hierunter fallen u. a. das Nieten, Clinchen, Falzen, Verschrauben oder Verkleben.

Der Einsatz eines Zusatz- bzw. Adapterelementes aus Leichtmetallwerkstoff ermöglicht neben einer weiteren Gewichtsersparnis einen optimierten Spannungsausgleich an der Fügestelle, so daß sich nach einer Lackierung ein glattes äußeres Erscheinungsbild ergibt. Die Falzlösung zwischen dem Zusatzelement und dem Leichtmetall-Blechbauteil vermeidet bei fester und stabiler Verbindung jede signifikante Beeinträchtigung der Gefügestruktur in der Verbindungsstelle, so daß die erwarteten Werkstoffeigenschaften gezielt ausgenutzt werden können, wozu auch die nicht-thermische Verbindung des Zusatzelementes mit dem Stahl-Blechbauteil beiträgt. Desweiteren ist auch eine Applikation des Leichtmetall- Blechbauteiles nach einer kathodischen Tauchbadlackierung möglich.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die nicht-thermische Verbindung durch eine Verklebung des Stahl-Blechbauteils mit dem Zusatzelement verwirklicht, wobei durch eine gezielte Auswahl des Klebewerkstoffes eine optimale Anpassung an das unterschiedliche Wärmedehnungsverhalten erzielt wird. Dies trägt weiterhin zu einer besonders spannungsarmen Lösung bei.

Vorzugsweise ist das Stahl-Blechbauteil mit dem Zusatzelement durch formschlüssige Verbindungselemente gekoppelt. Diese können anstelle der Klebeverbindung oder auch in Ergänzung zu dieser vorgesehen werden, um eine mechanisch äußerst stabile Verbindung zu schaffen.

In einer besonders einfach herzustellenden Ausführungsform sind die formschlüssigen Verbindungsmittel als Nieten, vorzugsweise als Stanznieten ausgebildet.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist zur Verstärkung der Falzverbindung das Leichtmetall-Blechbauteil mit dem Leichtmetall-Zusatzelement verklebt.

Vorzugsweise ist das Zusatzelement als Blechband ausgebildet ist, dessen einer Seitenrand als erster Befestigungsabschnitt U-förmig um einen Außenrand des Leichtmetall- Blechbauteils gelegt ist. Das Zusatzelement kann so ohne größeren Vorbereitungsaufwand bereitgestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform liegt das als Blechband ausgebildete Zusatzelement mit einer den zweiten Befestigungsabschnitt bildenden Breitseite großflächig gegen einen Zungenabschnitt des Stahl-Blechbauteils an. Hierdurch wird einerseits eine hohe Scherfestigkeit erzielt, die ein sicheres Sitzen des Leichtmetall-Blechbauteils an dem Stahl- Blechbauteil auch bei einem Auftreten größerer Kräfte gewährleistet. Andererseits weist der Zungenabschnitt eine relativ leichte Verformbarkeit in seiner Normalenrichtung auf, wodurch das unterschiedliche Wärmedehnungsverhalten der miteinander verbundenen Komponenten ausgeglichen werden kann. Vorzugsweise ist der Bereich des Zungenabschnittes, gegen den das Zusatzelement anliegt, außerhalb des Sichtbereiches angeordnet.

Zur Vermeidung von Korrosion sind alle außenliegenden Stoßkanten durch einen Klebewerkstoff abgedichtet, so daß zwischen die Berührflächen des Zusatzelementes mit den Blechbauteilen keine Feuchtigkeit eindringen kann.

Vorzugsweise ist der Bereich der U-förmigen Falzverbindung des Zusatzelementes mit dem Leichtmetall-Blechbauteil mit einem Klebewerkstoff angefüllt, wodurch die Festigkeit wie auch die Dichtigkeit der Falzverbindung weiter verbessert wird.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Leichtmetall-Blechbauteil als Kraftfahrzeugdach und das Stahl-Blechbauteil als Dachholm eines Kraftfahrzeugaufbaus ausgebildet, wodurch das Gewicht des Fahrzeugaufbaus mit Blick auf eine Kraftstoffeinsparung bei dem Kraftfahrzeug verringert werden kann.

Aus fertigungstechnischen Gesichtspunkten bilden das als Kraftfahrzeugdach ausgebildete Leichtmetall-Blechbauteil und das als Dachholm ausgebildete Stahl-Blechbauteil eine nutartige Rinne, in welcher der erste Befestigungsabschnitt des Zusatzelementes den Außenrand des Leichtmetall-Blechbauteils umgreifend angeordnet ist. Das Dach kann somit als Modul in den Fahrzeugaufbau eingesetzt werden, wobei der Falz nach außen nicht störend in Erscheinung tritt. Überdies bleibt der Zungenabschnitt des Stahl-Blechbauteils im inneren des Fahrzeugaufbaus verborgen. Zudem kann die Fertigungsreihenfolge flexibel gestaltet werden, ohne daß dies einen Einfluß auf das äußere Erscheinungsbild der Fügestelle hätte. So kann beispielsweise zunächst das Zusatzelement an dem Leichtmetall- Blechbauteil angebracht und anschließend diese Einheit an dem Stahl-Blechbauteil befestigt werden. Umgekehrt kann auch zunächst das Zusatzbauteil an das Stahl-Blechbauteil angefügt werden bevor dann das Leichtmetall-Blechbauteil angeschlossen wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Fügeverbindung zwischen einem Fahrzeugdach aus Leichtmetall und einem Fahrzeugaufbau aus Stahl;

Fig. 2 ein Detail der Fügeverbindung von Fig. 1 zur Veranschaulichung der Verbindung zwischen einem Leichtmetall-Zusatzelement und dem Fahrzeugaufbau.

Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ausschnittsweise eine Fahrzeugkarosserie in Leichtbaukonstruktion im Bereich des Übergangs eines Dachholmes in ein Fahrzeugdach. Der Dachholm ist dabei als Blechbauteil 1, 4 aus einem Stahlwerkstoff hergestellt, wohingegen das Fahrzeugdach als ein Blechbauteil 2 aus einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt ist. Diese beiden Komponenten sind über ein Zusatzelement 3 miteinander verbunden, das ebenfalls aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere dem Werkstoff des Fahrzeugdaches hergestellt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird jeweils eine Leichtmetalllegierung auf Aluminiumbasis verwendet.

Der in Fig. 1 im Querschnitt gezeigte Dachholm einer PKW-Karosserie weist ein äußeres Seitenprofilblech 1 aus Stahlblech sowie ein inneres Seitenprofilblech 4 aus Stahlblech auf.

Das äußere und innere Seitenprofilblech 1, 4 bilden im in Fig. 1 gezeigten Bereich des Übergangs vom Fahrzeugaufbau zum Fahrzeugdach zusammen einen rohrartigen Hohlkörper zur Verbesserung der Biegesteifigkeit in Fahrzeugquerrichtung.

Dabei ist das innere Seitenprofilblech 4 über einen unteren Verbindungsbereich 41 mit einem unteren Verbindungsbereich 11 des äußeren Seitenprofilblechs 1 verbunden, z. B. punktverschweißt. Das innere Seitenprofilblech 4 verläuft von dem unteren Verbindungsbereich 41 knieartig zum Fahrzeuginneren hin gekrümmt zu einem zweiten Verbindungsbereich 42 mit dem äußeren Seitenprofilblech 1, welches spangenartig zum Fahrzeugäußeren hin gekrümmt ist und die obere Dachkante des Fahrzeugaufbaus bildet. Insbesondere verläuft das innere Seitenprofilblech 4 von dem Verbindungsbereich 41 etwa waagerecht in Richtung auf das Fahrzeuginnere, knickt sodann in etwa senkrecht nach oben ab, um wiederum etwa waagerecht als innere Dachaufnahmezunge 43 zum Fahrzeuginneren hin zu verlaufen. In dem in etwa senkrecht nach oben verlaufenden Blechabschnitt ist eine nutähnliche Vertiefung 44 als Aufnahme für einen Formhimmel 6 vorgesehen.

Das äußere Seitenprofilblech 1 knickt oberhalb seines unteren Verbindungsbereichs 11 in etwa rechtwinklig nach außen hin verlaufend ab, um sodann erneut etwa rechtwinklig zur Dachoberseite hin abzuknicken und in einem im wesentlichen viertelkreisförmigen Bogen spangenartig in Richtung auf die Fahrzeuginnenseite zu verlaufen. Am Ende dieses Bogens ist das äußere Seitenprofilblech 1 nach unten in Richtung auf die Fahrzeughimmelaufnahme des inneren Seitenprofilblechs 4 umgebogen und geht dann in eine etwa parallel zur inneren Dachaufnahmezunge 43 verlaufende äußere Dachaufnahmezunge 13 über. Die äußere Dachaufnahmezunge 13 liegt in Fahrzeuglängsrichtung teilweise flächig an der inneren Dachaufnahmezunge 43 an, wobei die innere Dachaufnahmezunge 43 die äußere Dachaufnahmezunge 13 in Richtung zum Fahrzeuginneren überragt und der überstehende Teil nach oben umgebogen ist.

Die Dachaufnahmezungen dienen der Abstützung des Leichtmetall-Fahrzeugdaches, wobei die Ankopplung über ein bandartig ausgebildetes Aluminiumblech-Zusatzelement 3 erfolgt, das im eingebauten Zustand mit einem Befestigungsabschnitt 32 in Fahrzeuglängsrichtung die gesamte äußere Dachaufnahmezunge 13 überdeckt.

Das Zusatzelement 3, die äußere Dachaufnahmezunge 13 sowie die innere Dachaufnahmezunge 43 sind in dem Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 2 gezeigt, mit Stanznieten 5 miteinander verbunden. Die äußere und innere Dachaufnahmezunge können zu Bildung des Dachholmes miteinander punktverschweißt sein. Die Stanznieten 5 sind entlang der Fahrzeuglängsrichtung an mehreren Stellen angeordnet. Ihr Abstand zueinander entspricht dem üblicher Nietverbindungen. Alternativ oder zusätzlich dazu ist das Zusatzelement 3 mit der äußeren Dachaufnahmezunge 13 verklebt, wobei hier als Klebewerkstoff 7 ein Scheibenkleber oder Klebstoffe der Marken AMV 167 oder Sieker Power 430 verwendet werden. Jedoch sind auch andere Klebewerkstoffe möglich. Durch eine geeignete Auswahl des Klebewerkstoffes kann eine Verminderung der durch unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten bedingten Spannungen in den zu verbindenden Komponenten erreicht werden.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit das als Leichtmetallleiste ausgebildete Zusatzelement 3 an der äußeren Dachaufnahmezunge 13 und/oder an der inneren Dachaufnahmezunge 43 anzuschrauben und/oder anzuclinchen.

Das als Leichtmetall-Blechbauteil 2 ausgebildete Fahrzeugdach weist einen dünnwandigen Dachplattenabschnitt 21 sowie an den Seiten im wesentlichen senkrecht nach unten gezogene Haltestegabschnitte 22 auf, welche an ihren unteren Enden jeweils als Befestigungsflanschabschnitte 23 nach außen gebogen sind.

Dabei sind der senkrecht nach unten verlaufende Abschnitt des äußeren Seitenprofilblechs 1 sowie der Haltestegabschnitt 22 des Leichtmetalldaches in ihren Dimensionierungen so ausgelegt, daß ein optisch glatter Übergang von dem äußeren Seitenprofilblech 1 zu dem Dachplattenabschnitt 21 gewährleistet ist. Zwischen dem senkrecht verlaufenden Abschnitt und dem Haltestegabschnitt 22 ist eine U-förmige Dachnut 8 gebildet, die zum Beispiel durch eine Zierleiste abgedeckt werden kann.

Der im Nutgrund der Dachnut 8 angeordnete Befestigungsflanschabschnitt 23 des Leichtmetall-Blechbauteils 2 ist mit einem ersten Befestigungsabschnitt 31 des Zusatzelementes 3 verfalzt, der auf dem Nutgrund aufliegt. Dabei umschließt der erste Befestigungsabschnitt 31 U-förmig den Außenrand des Befestigungsflanschabschittes 23. Zur Erhöhung der Festigkeit der Falzverbindung ist zusätzlich eine Verklebung zwischen den Innenseiten des ersten Befestigungsabschnittes 31 des Zusatzelementes 3 und dem Befestigungsflanschabschnitt 23 des Fahrzeugdaches vorgesehen. Durch diese Verbindungstechnik werden die Eigenschaften des Leichtmetallwerkstoffes an der Fügestelle vollständig erhalten und auf unterschiedlichen thermischen Wärmedehnungskoeffizienten beruhende Spannungen ausgeschaltet.

Die der Fahrzeugaußenseite zugewandten Stoßkanten der Fügestelle sind mit einer Dichtmasse 7 verklebt und abgedichtet, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu vermeiden. Genauso sind die innenliegenden Stoßkanten abgedichtet um auch von dieser Seite ein Eindringen von Feuchtigkeit zwischen die Anlageflächen der Komponenten der Fügeverbindung zu verhindern.

Die Fügeverbindung zeichnet sich durch den Erhalt der Werkstoffeigenschaften im Fügebereich sowie durch für eine Mischbauweise geringe Spannungen aus. Hierdurch läßt sich eine unter optischen Gesichtspunkten günstige Befestigung eines Aluminium- Blechbauteils an einem Stahl-Blechbauteil verwirklichen, die überdies gute Festigkeitseigenschaften aufweist und bei Verwendung in einer Fahrzeugkarosserie auch einen sicheren Sitz des Fahrzeugdaches auf dem Fahrzeugaufbau im Crashfall gewährleistet.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

äußeres Seitenprofliblech

11

unterer Verbindungsbereich des äußeres Seitenprofilblechs

13

äußere Dachaufnahmezunge

2

Leichtmetall-Blechbauteil

21

Dachplattenabschnitt

22

Haltestegabschnitt

23

Befestigungsflanschabschnitt

3

Zusatzelement

31

erster Befestigungsabschnitt

32

zweiter Befestigungsabschnitt

4

inneres Seitenprofilblech

41

unterer Verbindungsbereich des inneren Seitenprofilblechs

42

zweiter Verbindungsbereich

43

innere Dachaufnahmezunge

44

nutartige Vertiefung

5

Stanzniet

6

Formhimmel

7

Klebewerkstoff

8

Dachnut

Claims

1. Fügeverbindung zwischen Blechbauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen, mit einem Blechbauteil (1, 4) aus einem Stahlwerkstoff und einem Blechbauteil (2) aus einem Leichtmetallwerkstoff, die über ein Zusatzelement (3) miteinander verbunden sind, wobei das Zusatzelement aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht, an einem ersten Befestigungsabschnitt (31) mit dem Leichtmetall-Blechbauteil (2) verfalzt ist und an einem weiteren Befestigungsabschnitt (32) durch eine nicht-thermische Verbindungstechnik mit dem Stahl-Blechbauteil (1, 4) verbunden ist.

2. Fügeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahl- Blechbauteil (1, 4) mit dem Zusatzelement (3) verklebt ist.

3. Fügeverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahl- Blechbauteil (1, 4) mit dem Zusatzelement (3) durch formschlüssige Verbindungselemente gekoppelt ist.

4. Fügeverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die formschlüssigen Verbindungsmittel als Nieten, vorzugsweise als Stanznieten (5) ausgebildet sind.

5. Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtmetall-Blechbauteil (2) mit dem Leichtmetall-Zusatzelement (3) verklebt ist.

6. Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzelement (3) als Blechband ausgebildet ist, dessen einer Seitenrand als erster Befestigungsabschnitt (31) U-förmig um einen Außenrand (23) des Leichtmetall- Blechbauteils (2) gelegt ist.

7. Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das als Blechband ausgebildete Zusatzelement (3) mit einer den zweiten Befestigungsabschnitt (32) bildenden Breitseite großflächig gegen einen Zungenabschnitt (13) des Stahl-Blechbauteils (1) anliegt.

8. Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle außenliegenden Stoßkanten durch einen Klebewerkstoff (7) abgedichtet sind.

9. Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der U-förmigen Falzverbindung des Zusatzelementes (3) mit dem Leichtmetall- Blechbauteil (2) mit einem Klebewerkstoff (7) angefüllt ist.

10. Fügeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtmetall-Blechbauteil (2) als Kraftfahrzeugdach ausgebildet ist und das Stahl- Blechbauteil (1, 4) als Dachholm eines Kraftfahrzeugaufbaus ausgebildet ist.

11. Fügeverbindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das als Kraftfahrzeugdach ausgebildete Leichtmetall-Blechbauteil (2) und das als Dachholm ausgebildete Stahl-Blechbauteil (1, 4) eine nutartige Rinne bilden, in welcher der erste Befestigungsabschnitt (31) des Zusatzelementes (3) den Außenrand des Leichtmetall- Blechbauteils (2) umgreifend angeordnet ist.