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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Bolzen für das Bolzenschweißen,
mit einem Schaft, einem sich daran axial anschließenden
Flansch, der in radialer Richtung gegenüber dem Schaft
vorsteht, und mit einem sich axial an den Flansch anschließenden
Ringabschnitt, dessen vordere, sich radial erstreckende Ringfläche
als Schweißfläche ausgebildet ist, die auf ein
Werkstück zu schweißen ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Befestigungsanordnung mit einem Werkstück
und einem an das Werkstück geschweißten Bolzen.
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Die
Erfindung betrifft generell das Gebiet des Bolzenschweißens.
Dieses Schweißverfahren wird unter anderem im großen
Umfang auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik eingesetzt. Hierbei werden
Bolzen auf Karosseriebleche aufgeschweißt und dienen als
Anker für Kunststoffbefestigungselemente (Clips), Armaturenbretter
etc.
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In
den letzten Jahren besteht ein Trend dahin, die Dicke der Karosseriebleche
zu verringern, um z. B. das Gewicht des Fahrzeugs zu verringern. Das
Aufschweißen von Bolzen auf immer dünner werdende
Karosseriebleche gestaltet sich schwierig. Die Bolzen haben in der
Regel eine konisch zulaufende Schweißfläche. Um
diese Fläche während des Bolzenschweißens
anzuschmelzen, ist ein relativ hoher Energieeintrag erforderlich.
Dies kann dazu führen, dass das Karosserieblech „durchbrennt”.
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Demzufolge
ist bereits in dem Dokument
US-A-3,671,710 ein
Schweißbolzen mit einer konkaven Vertiefung vorgeschlagen
worden, der für das Kondensatorentladungsschweißen
ausgelegt ist. Dabei ergibt die Vertiefung zusammen mit dem Außendurchmesser
des Bolzens einen Ringflansch. Dies soll die Gleichmäßigkeit
der Schmelze verbessern.
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Aus
dem Dokument
DE 196
11 711 A1 ist ein Schweißelement mit einer Ringflanschstruktur
bekannt. Der Ringflansch weist einen sich im Querschnitt verjüngenden
Rand auf, so dass am vorderen Ende des Bolzens eine annähernd
linienförmige Kante entsteht. Die Schweißkante
wird an das Werkstück aufgesetzt. Anschließend
wird der Bolzen zur Ausbildung eines Lichtbogens zurückgezogen.
Schließlich wird der Bolzen in eine Gesamtschmelze eingestoßen.
Insgesamt ergibt sich eine etwa ringförmige Schweißstelle,
und im Inneren dieser ringförmigen Schweißstelle
ist ein Hohlraum zwischen dem Bolzen und dem Werkstück
gebildet. Es ist erwähnt, dass die Ausgestaltung des Bolzens
ein Verschweißen des Bolzens mittels des Lichtbogen-Hubzündungsverfahrens
an relativ dünnen Blechen ermöglichen soll.
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Schließlich
ist aus dem Dokument
WO 2004/033923
A1 ein Befestigungselement bekannt, bei dem ein Bolzen
auf ein Blech (insbesondere ein Sandwichblech) aufgeschweißt
wird. Der Bolzen weist einen Bereich auf, der als Sollbruchstelle
dient, um einen definierten Versagensfall zu erzielen. Auf den Bolzen
wird eine Mutter aufgeschraubt, und die Festigkeit des Bolzens und
der Mutter sind aneinander angepasst, so dass zunächst
die Mutter bricht, bevor der Bolzen bricht. Sofern die Mutter nicht bricht,
bricht der Bolzen, bevor der Bolzen aus dem Blech herausgerissen
wird.
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Mit
anderen Worten erfolgt das Aufbringen eines Drehmomentes auf den
Bolzen erst bei der Montage, wenn nämlich ein Kunststoffbefestigungselement,
oder Ähnliches auf den Bolzen aufgebracht wird. Falls sich
zu diesem Zeitpunkt aus bestimmten Gründen ein Fehlerfall
ergibt, der den Bolzen und/oder das Blech betrifft, sind relativ
aufwändige Nacharbeiten notwendig. Denn zu diesem Zeitpunkt ist
das Blech in der Regel bereits lackiert und das Reparieren der Schweißstelle
und das erneute Aufbringen eines Bolzens erfordert folglich ein
kompliziertes Nachbehandeln der Karosserieblechoberfläche.
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Der
verwendete Bolzen weist einen Schaft, einen Flanschabschnitt und
einen sich axial hieran anschließenden Ringabschnitt auf,
die gemeinsam einen Kopfabschnitt bilden. Das Verhältnis
von axialer Länge des Ringabschnittes zu axialer Länge
des Kopfabschnittes (der durch den Flansch und den Ringabschnitt
gebildet ist) soll kleiner 50% sein, insbesondere im Bereich von
25% bis 35% liegen. Auch auf weitere Abmessungen bzw. Verhältnisse
von Abmessungen des Kopfabschnittes wird in dieser Anmeldung großen
Wert gelegt. Der Außenumfang des Kopfabschnittes ist dabei
rund ausgebildet.
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Vor
dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen
kostengünstigen Bolzen und eine verbesserte Befestigungsanordnung
anzugeben, wobei das Werkstück eine kleine Dicke besitzt
und wobei vermieden werden kann, dass im Falle des Versagens einer
Schweißverbindung aufwändige Nacharbeiten im Montagebereich
vorgenommen werden müssen.
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Diese
Aufgabe wird zum einen gelöst durch einen Bolzen für
das Bolzenschweißen, mit einem Schaft, einem sich daran
axial anschließenden Flansch, der in radialer Richtung
gegenüber dem Schaft vorsteht und dessen Außenumfang
polygonal ausgebildet ist, um auf den Bolzen ein Testdrehmoment
mittels eines Werkzeuges aufbringen zu können, und mit
einem sich axial an den Flansch anschließenden Ringabschnitt,
dessen vordere, sich radial erstreckende Ringfläche als
Schweißfläche ausgebildet ist, die auf ein Werkstück
zu schweißen ist, wobei der Ringabschnitt sich unmittelbar
an den Flansch anschließt und der Ringabschnitt und der Flansch
einen Kopfabschnitt bilden, der durchgehend einen einheitlichen
Außendurchmesser aufweist, und wobei die Polygonform des
Flansches sich über den Ringabschnitt bis hin zu dessen
vorderer Ringfläche erstreckt.
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Die
obige Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Befestigungsanordnung
mit einem Werkstück und einem an das Werkstück
geschweißten Bolzen der erfindungsgemäßen
Art, wobei das Werkstück eine Dicke kleiner als 1 mm, insbesondere
kleiner 0,8 mm aufweist.
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Ein
Verfahren zum Schweißen eines Bolzens an ein Werkstück
und zum Überprüfen der Festigkeit der Schweißverbindung
beinhaltet:
- – Bereitstellen eines
Bolzens der erfindungsgemäßen Art;
- – Aufschweißen des Bolzen auf das Werkstück, insbesondere
im Wege des Hubzündungs-Bolzenschweißens; und
- – Ansetzen eines Werkzeuges an den Kopfabschnitt des
Bolzens und Aufbringen eines vorbestimmten Drehmomentes auf den
Bolzen, um die Festigkeit der Schweißverbindung zu überprüfen.
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Der
erfindungsgemäße Bolzen eignet sich insbesondere
zum Aufschweißen auf sehr dünne Werkstücke,
wie dünne Karosseriebleche. In den letzten Jahren besteht
ein Trend dahin, dass die Bleche kleiner sind als 1 mm, insbesondere
kleiner als 0,8 mm oder sogar 0,6 mm und kleiner. Durch die Ausbildung
des Ringabschnittes und einer sich als Ringfläche ausgebildeten
Schweißfläche kann dabei mit relativ geringem
Energieeintrag geschweißt werden, so dass die Gefahr verringert
ist, dass das Blech durchbrennt. Durch die Ausbildung der Polygonform am
Außendurchmesser des Kopfabschnittes ist es möglich,
die Festigkeit der Schweißverbindung zu überprüfen.
Dies erfolgt vorzugsweise noch während der Rohbauphase,
also bspw. unmittelbar nach dem Aufschweißen des Bolzens
auf das Werkstück. Demzufolge kann eine etwaige fehlerhafte
Schweißverbindung frühzeitig repariert werden.
Aufwändige Nacharbeiten, wie sie im Falle einer Reparatur
während der Montagephase erforderlich waren, sind nicht
notwendig. Überraschenderweise hat sich ferner herausgestellt,
dass trotz der durchgehenden Polygonform (die sich über
den Ringabschnitt bis hin zu dessen vorderer Ringfläche
erstreckt) im Wesentlichen keine Nachteile bei der Bildung des Lichtbogens
ergeben. Ferner lässt sich der Bolzen aufgrund der durchgehenden
Polygonform an dem Kopfabschnitt kostengünstig herstellen.
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Die
Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn der Bolzen einstückig aus einem
Metall hergestellt ist, insbesondere aus Stahl.
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Generell
kann der Bolzen jedoch auch aus einem anderen Metall wie bspw. Aluminium
hergestellt sein.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn der Bolzen durch ein Kaltumformungsverfahren
hergestellt ist, und zwar insbesondere in einem einstufigen Verfahren
bei relativ geringer Umformung. Dies ist dadurch ermöglicht,
dass die Form des Bolzens relativ einfach ausgebildet ist und die
Polygonform sich über den gesamten Außenumfang
des Kopfabschnittes erstreckt. Bei Großflanschbolzen kann
auch ein mehrstufiges Umformverfahren eingesetzt werden. Auch bei
einem mehrstufigen Verfahren kann die Polygonform durch Umformen
hergestellt werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem der
größere Flansch angestaucht und abgegratet wird.
In einer zusätzlichen Pressstufe mit einem Press-Werkzeug
erfolgt dann die Bildung der endgültigen Form.
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Der
Schaft kann als zylindrischer Schaft ausgebildet sein, weist jedoch
vorzugsweise ein Gewinde auf. Das Gewinde kann ein metrisches Gewinde sein,
ist jedoch insbesondere ein Grobgewinde.
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Die
Polygonform ist bevorzugt eine Achteckform.
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Bei
dieser Ausführungsform lässt sich der Bolzen kostengünstig
herstellen. Ferner kann ein vergleichsweise einfaches Werkzeug verwendet
werden, um ein Testdrehmoment auf den bereits aufgeschweißten
Bolzen auszuüben. Die Polygonform kann jedoch auch eine
Sechseckform oder eine andere Mehreckform sein. Ferner soll unter
einer Polygonform vorliegend auch verstanden werden, dass der Außenumfang
verzahnt ist oder eine andere von einer Kreisform abweichende Form
besitzt.
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Es
ist insbesondere bevorzugt, wenn das Verhältnis von axialer
Länge des Kopfabschnittes zum Außendurchmesser
des Kopfabschnittes im Bereich von 1/7 bis 3/4 liegt, insbesondere
im Bereich von 1/3 bis 3/4 bei normalen Bolzen bzw. 1/6 bis 1/2 bei
Großflanschbolzen.
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Hierdurch
kann die axiale Länge des Kopfabschnittes relativ groß ausgebildet
werden, so dass es vergleichweise einfach ist, ein Werkzeug zum
Ausüben eines Testdrehmomentes anzusetzen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis
der axialen Länge des Flansches zu der axialen Länge
des Kopfabschnittes im Bereich von 3/10 bis 5/10.
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Hierdurch
kann der Ringabschnitt im Verhältnis zum Flansch relativ
lang gebildet werden. Somit kann zum einen Gewicht eingespart werden.
Zum anderen kann der Kopfabschnitt insgesamt eine vergleichsweise
geringe axiale Länge besitzen, so dass sich eine geringe
Bauhöhe ergibt.
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Dies
gilt insbesondere, wenn das Verhältnis der axialen Länge
des Flansches zu der axialen Länge des Kopfabschnittes
kleiner ist als 5/10.
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Bei
Großflanschbolzen liegt die axiale Länge des Flansches
zu der axialen Länge des Kopfabschnittes in der Regel deutlich
unter 5/10.
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Bei
Bolzen mit großem Flanschdurchmesser ist es vorteilhaft,
für das automatische Zuführen in den Schweißanlagen
und für die Montage (Aufschrauben bzw. Aufstecken von Anbauteilen)
eine Suchspitze vorzusehen. Diese ist an der dem Kopfabschnitt gegenüberliegenden
Stirnseite des Schaftes vorgesehen und weist einen kleineren Durchmesser
auf als der Schaft.
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Ferner
können auch Großflanschbolzen vorkomplettiert
mit Kunststoffteilen (Kunststoffmuttern, Kunststoffkomponenten etc.)
oder Metallteilen (Hutmuttern, Flanschmuttern für Massebolzen
oder Metallkomponenten) bereitgestellt und automatisch oder manuell
verschweißt werden.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht eines Bolzens gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine
Ansicht des Bolzens der 1 von vorne; und
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3 eine
Befestigungsanordnung mit einem Werkstück und einem an
das Werkstück geschweißten Bolzen gemäß den 1 und 2.
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In 1 und 2 ist
eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Bolzens generell mit 10 bezeichnet.
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Der
Bolzen 10 weist einen Schaft 12 auf, an dem sich
in axialer Richtung ein Flansch 14 anschließt.
An dem Flansch 14 schließt sich in axialer Richtung
ein Ringabschnitt 16 an, innerhalb dessen sich eine im
Querschnitt kreisförmige Ausnehmung 17 befindet.
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Eine
Längsachse des Bolzens 10 ist bei 18 gezeigt.
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An
dem vorderen Ende des Ringabschnittes 16 ist eine vordere
Ringfläche 19 ausgebildet. Die Ausnehmung 17 erstreckt
sich von der vorderen Ringfläche 19 bis zu dem
Flansch 14.
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Insgesamt
bilden der Flansch 14 und der Ringabschnitt 16 einen
Kopfabschnitt 20, dessen Außenumfang eine Polygonform 22 aufweist,
im vorliegenden Fall eine Achteckform.
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An
dem Schaft 12 ist ein Grobgewinde 24 ausgebildet.
Der Bolzen 10 weist insgesamt eine Länge L auf.
Die axiale Länge des Kopfabschnittes 20 ist in 1 mit
K bezeichnet. Die axiale Länge des Flanschabschnittes ist
in 1 mit F bezeichnet. Ein Außendurchmesser
des Kopfabschnittes 20 ist mit D bezeichnet, und ein Innendurchmesser
der Ausnehmung 17 ist mit A bezeichnet.
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Das
Verhältnis der axialen Länge F des Flansches 14 zu
der axialen Länge K des Kopfabschnittes 20 liegt
im Bereich von 3/10 bis 5/10, im vorliegenden Fall etwa im Bereich
von 4,5/10.
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Das
Verhältnis von dem Innendurchmesser A der Ausnehmung 17 zu
dem Außendurchmesser D des Kopfabschnittes 20 liegt
im Bereich von 5/10 bis 8/10, vorzugsweise im Bereich von 6/10 bis
7/10.
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Das
Verhältnis der axialen Länge K des Kopfabschnittes 20 zu
der Gesamtlänge L des Bolzens 10 liegt in Bereich
von 1/10 bis 4/10, vorzugsweise im Bereich von 1,5/10 bis 3/10.
Im vorliegenden Fall beträgt das Verhältnis etwas
2/10.
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Die
vordere Ringfläche 19 erstreckt sich in radialer
Richtung. Der Innenumfang des Ringabschnittes 16 ist im
Querschnitt kreisförmig ausgebildet.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Befestigungsanordnung 30,
die einen Bolzen 10 der in den 1 und 2 gezeigten
Art aufweist, der auf ein Werkstück 32 aufgeschweißt
ist. Das Werkstück 32 ist ein Blech, vorzugsweise
aus dem gleichen oder einem verwandten Material wie der Bolzen 10.
Das Werkstück 32 weist eine Dicke W auf, die kleiner
ist als 1,0 mm, insbesondere kleiner als 0,8 mm. Vorliegend beträgt
die Dicke W etwa 0,6 mm.
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Wie
es in 3 schematisch angedeutet ist, eignet sich der
Bolzen 10 zum Festlegen eines Kunststoffbefestigungselementes
bzw. Clips 34, wie es im Stand der Technik an sich bekannt
ist. Der Clip 34 kann bspw. eine Aufnahme 36 für
ein Bauteil 38 beinhalten. Das Bauteil 38 kann
bspw. ein Kabel oder ein Kabelstrang, eine Brems- oder eine Kraftstoffleitung
sein.
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Der
Clip 34 liegt dabei in der festgelegten Position an den
zum Schaft 12 weisenden Seite des Flansches 14 auf,
wie es in 3 dargestellt ist.
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Das
Befestigen der Clips 34 an dem Bolzen 10 erfolgt
auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik in der Regel in einem sog. Montagebereich.
Hierbei ist die Rohkarosserie des Fahrzeugs hergestellt und das Werkstück 32 einschließlich
des Bolzens 10 ist in der Regel bereits lackiert, so dass
die erforderlichen Anbauten vorgenommen werden können.
Der Bolzen 10 wird zuvor in einer sog. Rohbauphase auf
das Werkstück 32 aufgeschweißt.
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Vorzugsweise
wird unmittelbar nach der Rohbauphase und vor weiteren Bearbeitungsschritten überprüft,
ob die Schweißverbindung zwischen dem Bolzen 10 und
dem Werkstück 32 die hinreichende Festigkeit aufweist.
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Hierbei
wird während der Rohbauphase oder vor der Montagephase
mittels eines Werkzeuges 40 (das in 3 schematisch
angedeutet ist) ein Drehmoment T um die Längsachse 18 herum
auf den Bolzen 10 ausgeübt. Das Werkzeug 40 greift
dabei an dem mit der Polygonform ausgestatteten Kopfabschnitt 20 an.
Das Drehmoment T, das hierbei aufgebracht wird, ist ein vorbestimmtes
Drehmoment, das ein Bolzen 10, der korrekt an das Werkstück 32 geschweißt
ist, aufnehmen kann, ohne die Schweißverbindung und/oder
den Bolzen 10 zu beschädigen.
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Die
Polygonform des Kopfabschnittes 14 ermöglicht
zudem, dass aufgesetzte Bauteile bzw. Kunststoffbefestigungselemente
(Clips 34) bei Vorsehen geeigneter Aufnahmen an der Polygonform 22 angreifen
können, um einen Verdrehschutz bzw. ein lagerichtiges Justieren
zu ermöglichen.
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Generell
ist der Bolzen 10 universell einsetzbar. Er kann bspw.
mit oder ohne ein vorkomplettiertes Kunststoffteil verwendet werden
(bspw. Anschweißen des Bolzens 10 an das Werkstück,
wobei das Kunststoffbefestigungselement bereits an dem Bolzen 10 vormontiert
ist, wie es bspw. bei der Unterbodenbefestigung vorteilhaft ist).
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Bei
dieser Ausführungsform ist ggf. darauf zu achten, dass
das vormontierte Kunststoffbefestigungselement zumindest einen Teil
der Polygonform 22 des Kopfabschnittes 20 freilässt,
um das Testdrehmoment noch in der Rohbauphase ausüben zu können.
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Ferner
lässt sich der Bolzen 10 auch ohne vormontiertes
Kunststoffteil auf ein Werkstück 32 aufschweißen,
wie oben beschrieben. Anschließend lässt sich
bspw. in einem Montagebereich ein Kunststoffbefestigungselement
wie ein Clip 34 daran befestigen.
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Der
Bolzen 10 wird vorzugsweise im Wege des Lichtbogenschweißens
mit Hubzündung aufgeschweißt. Dabei wird die Ringfläche 19 auf
das Werkstück 32 aufgesetzt. Anschließend
wird ein elektrischer Pilotstrom eingeschaltet. Anschließend
wird der Bolzen 10 von dem Werkstück 32 wieder
abgehoben, wobei ein Lichtbogen gezogen wird. Hiernach wird ggf.
ein Reinigungsstrom eingeschaltet (nicht unbedingt notwendig). Schließlich
wird ein Schweißstrom eingeschaltet, der deutlich höher
ist als der Pilotstrom, wobei die Energie hinreichend ist, um die vordere
Ringfläche 19 und eine entsprechende Gegenfläche
an dem Werkstück 32 anzuschmelzen. Schließlich
wird der Bolzen 10 wieder auf das Werkstück 32 abgesenkt,
wobei sich die Schmelzen vermischen. Anschließend wird
der Schweißstrom abgeschaltet. Die Gesamtschmelze erstarrt,
und der Bolzen 10 ist stoffschlüssig mit dem Werkstück 32 verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 3671710
A [0005]
- - DE 19611711 A1 [0006]
- - WO 2004/033923 A1 [0007]