DE3000834C2

DE3000834C2 - Schweißbolzen als einseitiges Befestigungselement

Info

Publication number: DE3000834C2
Application number: DE3000834A
Authority: DE
Inventors: Rene Dipl.-Ing. ETH Neuhausen Bregenzer; Alfred Langwiesen Weber
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1979-11-29
Filing date: 1980-01-11
Publication date: 1982-12-09
Also published as: IT8025886A0; JPS56134612A; IT1133792B; AT369823B; CA1162252A; GB2065011A; NL8006500A; FR2470890A1; GB2065011B; CH646744A5; FR2470890B1; DE3000834A1; ATA582980A; BR8007778A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Schweißbolzen als einseitiges Befestigungselement für Metallplatten und Verbundplatten mit metallischen Deckblechen, insbe- r> sondere für Verbundplatten mit einem Kunststoffkern und Deckblechen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, unter Verwendung des Verfahrens des Bolzenschweißens durch Kondensatorentladung.

Insbesondere aus einem Kern und zwei metallischen Deckschichten bestehende Verbundplatten werden oft einseitig befestigt, dies vor allem bei Verwendung als vorgehängte Fassadenelemente mit dekorativer Außenseite; an der Sichtseite sollen sich durch Befestigungselemente keine bleibenden Verformungen oder Abzeich- nungen ergeben, die besonders bei schrägem Lichteinfall unerwünschte, den ästhetischen Eindruck beeinträchtigende Effekte wie z. B. Schattenwurf oder Punktstruktur hervorrufen.

Aber auch bei Verbundplatten als Raumteiler oder ähnliche mit von jeder der beiden Seiten einseitig angebrachten Befestigungselementen ist es unerwünscht, die metallische Deckschicht der Gegenseite durch ein Befestigungselement in irgendwelcher Art zu beeinträchtigen.

Um nun an der Sichtseite keine Spuren von Befestigungselementen entstehen zu lassen werden bei Deckplatten jeglicher Art in den meisten Fällen sogenannte einseitige Befestigungselemente bevorzugt Diese sind für Verbundplatten bekannt und mit dem w> Nachteil versehen, entweder keine einwandfreie Sichtseite zu gewährleisten oder nur mit unwirtschaftlich hohen Fertigungskosten an der Verbundplatte angebracht werden zu können, auch läßt oft die chemische Festigkeit der Verbindung zu wünschen übrig. So muß beispielsweise bei Verwendung von Spreizkrallen nach der Schrift zum DE-GM 74 42 107 oder beim Reibschweißverfahren nach der CH-PS 5 83 833 zunächst ein Loch in die Deckschicht gebohrt werden, was die mechanische Beanspruchung von Verbindung und Platte stark einschränkt und die Fertigung verteuert

Durch die US-PS 36 71710 ist ein gleichförmig stärker werdender und konkav ausgebildeter Bolzen bekanntgeworden, der mit seiner äußersten Kante einen Schweißvorgang einleitet und durch seine besondere Ausbildung die Schweißwärme zurückhält. Der Schweißvorgang setzt sich progressiv über eine 10 bis 50mal gegenüber dem Kondensator-Entladungsschweißen längere Zeitspanne fort und bildet endlich ein einheitliches Schmelzbad über den gesamten Querschnitt des Bolzens hin; die entstehende vollflächige Verschweißung geht über den gesamten Bolzenquerschnitt Die dabei notwendigerweise erforderliche hohe Schmelzenergie würde mit Sicherheit bei Bereitstellung dieses Bolzens als einseitiges Befestigungselement an Metall- oder Verbundplatten mit Kunststoffkern eine Schädigung der Verbundhaftung und eine nachteilige Beeinträchtigung des Aussehens der bolzenfreien •Schauseite zur Folge haben. Einen derartigen Effekt beobachtet man bereits beim Kondensator-Entladungsschweißen bei Verwendung von handelsüblicher Bolzen mit Spitzenzündung; denn es hat nicht an Versuchen gefehlt, eine Befestigungsvorrichtung für Verbundplatten durch Aufschweißen von Gewindebolzen mittels Kondensatorcnentladungsschweißgeräten herzustellen. Dieses Verfahren blieb bisher für diesen Verwendungszweck ohne Erfolg, da die Festigkeit — vor allem bei Inanspruchnahme der Verbindung auf Torsion — üblicher Bolzen mit konzentrischer, schwach konischer Kontaktfläche mit zentrischem Dorn als Zündspitze zu gering war. Erst bei Deckblechdicken ab etwa 1 mm konnten teilweise brauchbare Ergebnisse erhalten werden. Üblicherweise werden aber Deckbleche mit Dicken kleiner als 1 mm verwendet Weder durch das Kondcnsatorentladungsschweißverfahren noch durch ein anderes Verfahren ist bisher eine zufriedenstellende Befestigungsmöglichkeit für die bevorzugt im Handel befindlichen Verbundplatten verfügbar.

Die beschriebenen Mängel haften auch dem Gegenstand nach der Veröffentlichung »Resistance welding« (1950, S. 217) an; bei dem dort gezeigten Bolzen kommt der ringförmigen Erhebung eine doppelte Aufgabe zu: sie soll sowohl den Schweißvorgang einleiten als auch als Verschweißfläche wirken.

So sind bisher für Kondensator-Entladungsschweißen nur Bolzen mit Zündspitzen im Handel, da die Hersteller derartige Bolzen für diesen Verschweißvorgang allein als brauchbar ansehen.

So liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zur einseitigen Befestigung von Metallplatten, insbesondere von Verbundplatten aus einem Kernmaterial, beispielsweise aus einem thermoplastischen Kunststoffkern, und metallischen Deckblechen, ein Befestigungselement zu entwickeln, welches die erwähnten Mangel nicht aufweist und eine Verbindung ohne Schädigung der Sichtseite erlaubt

Zur Lösung dieser Aufgabe führt daß der metallische Bolzen aus einem Schaft und einem Kopf besteht, wobei der Schaft in an sich bekannter Weise ausgebildet ist und der Kopf eine ringförmige, innen und außen durch eine geschlossene Kegelschnittfigur begrenzte Verschweißfläche aufweist auf der sich ein ringförmiger Zündring befindet Dabei soll das Verhältnis der Kreisoder Ellipsenachsen vorteilhafterweise zwischen 1 und 3, vorzugsweise bei 1, liegen.

Auch hat es sich als günstig erwiesen, den Bolzen aus

einem Rohr herzustellen sowie gegebenenfalls die Verschweißfläche und/oder den Zündring mit mindestens einem Schlitz zu versehea

Dank des erfindungsgemäßen Schweißbolzens wird der Schweißvorgang durch den Zündring eingeleitet, worauf es innerhalb von etwa 2 Millisekunden infolge Ionisation der Luft explosionsartig zu einer Verschmelzung des Zündringes zwischen den parallel angeordneten zu verschweißenden Flächen — Metallplatte/Verschweißfläche — kommt. Nur der Zündring <Jes Bobens wird während des Schweißvorganges wesentlich verändert. d.h. er verschwindet Der restliche Bolzen verbleibt praktisch im ursprünglichen Zustand.

Die Verschweißfläche ist ringförmig, die Verschweißzone hat eine konstante Tiefe von nur etwa 0,1 mm, wie dies die Praxis belegt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch die

F i g. 1 bis 5 Seitenansichten verschiedener Ausführungsarten des Schweißbolzens;

F i g. 6 bis 9 Grundrisse verschiedener Ausführungen des Schweißbolzens

Ein als Befestigungselement dienender metallischer Schweißbolzen besteht nach F i g. 1 bis 5 aus einem Schaft 10 und einem stirnseitig daran angebrachten Kopf 20; der Schaft 10 kann zur weiteren Befestigung mit Außen- und Innengewinde versehen sein oder eine sonstige Befestigungsvorrichtung aufweisen.

Der Kopf 20 ist mit einer Verschweißfläche 26 versehen, die ringförmig ist und deren Begrenzung innen und außen durch eine geschlossene Kegelschnittfigur charakterisiert ist. Auf der Verschweißfläche 26 des erfindungsgemäßen Bolzens befindet sich ein Zündring 28.

Die topfartige Ausbildung des Kopfes stellt eine « einfache Ausführungsform der Erfindung dar. Diese beispielhafte Ausführung soll im folgenden an Hand von F i g. 1 erläutert werden. Der Kopf 20 des Bolzens besteht aus einem kreisförmigen Boden 22, auf dem ein hohlzylinderförmiger Ring 24 angebracht ist. Als Verschweißfläche 26 steht ein Kreisring zur Verfügung, dessen Ebene ungefähr senkrecht zur Längsachse des Schaftes 10 angeordnet ist. Als Kontaktierungselement wird zum Auslösen des Schweißstoms ein auf der kreisförmigen Verschweißfläche 26 etwa in der Mitte angeordneter, vorzugsweise zu einem Kreis zulaufender Zündring 28 verwendet.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sich der Schweißvorgang nicht wie bei den bisher ve^rwendeten Bolzen einseitig radial, sondern gleichzeitig nach innen 5» zu kleineren Durchmessern und nach außen zu größeren Durchmessern fortpflanzt.

In der Folge der Ausgestaltung der Erfindung hat es sich gezeigt, daß der Ring 24 nicht unbedingt zylinderförmig sein muß. Beispielsweise haben sich auch kegelstumpfförmige oder gerundete Ausführungsformen, wie sie in den F i g. 2 und 3 dargestellt sind, bewährt. Bei ellipsenringförmiger Verschweißfläche 26 ist es zweckmäßig, daß das Verhältnis der Ellipsenachsen nicht über etwa 3 hinausgeht. Üblicherweise liegt es in der Nähe von 1. Desweiteren hat sich ergeben, daß der Boden 22 gänzlich fehlen kann und der Ring 24, wie beispielsweise in Fig.4 dargestellt, in den Schaft 10 einmündet. Wie in F i g. 5 beispielhaft dargestellt, kann die Abwandlung der Gestaltung des Bolzens so weit to gehen, daß ein rohrförmigen Bolzen 40 entsteht, bei dem Kopf 20 und Schaft tO eine Einheit bilden und nicht mehr getrennt bezeichnet werden können und eine durch die ganze Lange des Bolzens hindurchgehende Bohrung die innere Begrenzung der Verschweißfläche 26 bildet Auch bei einem derartigen Bolzentyp kann zur weiteren Befestigung zum Beispiel ein äußeres oder inneres Gewinde dienen. Wie in den Fig.8 und 9 dargestellt ist, können nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bolzens die Verschweißfläche 26 bzw. der Ring 24 und/oder der Zündring 28 etwa parallel zur Schaftachse mit ein oder mehreren Schlitzen 30 versehen sein.

In einer speziellen Ausführungsform des Befestigungsbolzens sind Boden 22 und Ring 24 kreisförmig und haben an ihrer Kontaktfläche einen gleich großen äußeren Durchmesser, wobei dieser 1 bis 4mal, bevorzugt etwa 2 bis 4mal, so groß ist wie der Durchmesser des Schaftes 10. Bevorzugt ist weiterhin die Dicke des Bodens 22 etwa 1 bis 2mal der Wandstärke des Ringes 24 und die Höhe des Ringes 24 etwa gleich der Dicke des Bodens 22. Der Zündring 28 hat bevorzugt einen Durchmesser von der Hälfte der Summe des Außen- und Innendurchmessers des Ringes 24, gemessen am Ort der Verschweißfläche 26, und bildet im Querschnitt ein gleichschenkliges bis gleichseitiges Dreieck, wobei die kürzere Seite in der Ebene der Verschweißfläche 26 liegt und die Höhe etwa ein Zehntel des Durchmessers des Schaftes 10 beträgt.

Mit der erfindungsgemäßen Bolzenform können gegenüber dem bisher für diesen Zweck verwendeten Bolzen deutlich höhere Festigkeit erzielt werden, was beispielsweise in der folgenden Gegenüberstellung deutlich zum Ausdruck kommt

Riß bzw. Bruch bei unterschiedlichen Bolzentypen unter Einwirkung verschiedener Kräfte

Bolzentyp Abscherkraft Zugkraft Torsionsmoment

766 N
1455 N

455 N 1028 N

27 cm/kp 57,5 cm/kp

Die oben angegebenen Werte sind Mittelwerte aus je 10 Versuchen. Als Platte wurde eine im Handel erhältliche Verbundplatte mit einer Gesamtdicke von 4 mm verwendet, bestehend aus einem Polyäthylenkern von 3 mm Dicke und einer beidseitigen metallischen Beplankung von je 0,5 mm Dicke aus der Legierung AIMgI, V₄ hart. Die Deckblechfestigkeit ob betrug 15 kp/mm². Beide Bolzen bestanden aus der Legierung AIMg3 und hatten einen Schaftdurchmesser von 6 mm. Bolzentyp a repräsentiert den herkömmlichen Bolzen mit einem Durchmesser der Verschweißkreisfläche von 8 mm. Bolzentyp b stellt den erfindurgssgemäßen Bolzen nach der bevorzugten Ausführungsform dar: hohlzylinderförmigen Ring 24 mit äußerem Durchmesser von 12 mm und einer Höhe von 3 mm, wobei die Wandstärke des Ringes 24 so bemessen war, daß der Flächeninhalt des Kreisringes der Verschwe-ßfläche 26 dem Flächeinhalt der Verschweißkreisfläche vom Bolzentyp a genau entsprach. Der Querschnitt des Zündrings 28 war ein gleichschenkliges Dreieck mit einem Winkel von 40° an der Spitze und einer Höhe von 0.6 mm.

Beim Bolzentyp a pflanzt sich, ausgehend von einer zentralen Zündspitze, an deren Ort die erste Aluminiumlegierungsschmelze entsteht, der Schweißvorgang gegen außen fort. Mit dieser Anordnung sind Verbindun-

gen mit 75 bis 85% verschweißter Gesamtfläche möglich. Sobald der Zündring 28 des Bolzentyps b das Deckblech der Verbundplatte berührt, wird er aufgeschmolzen und der Schweißvorgang pflanzt sich im Gegensatz zu Bolzentyp a beidseits des Zündringes 28 ί radial fort. Dabei entsteht eine homogene Schweißverbindung mit 100% möglicher verschweißter Gesamtfläche.

Die hohe Festigkeit der Verschweißung mit dem erfindungsgemäßen Bolzen ist vermutlich darin begrün- u> det, daß während des Schweißvorgangs wegen der kurzen Fortpflanzungswege bei der erfindungsgemäßen Verschweißl'läche 26 die Schweißschlacke und sonstige Verunreinigungen radial nach innen und außen vollständig aus dem Verschweißbereic'i wandern können, so daß eine Verschweißung ohne Schlacken- und/oder Verunreinigungseinschlüsse entsteht.

Mit dem erfindungsgemäßen Bolzentyp werden die bisherigen Nachteile der geringen Anziehdrehmomente sowie der bleibenden Deckblechdeformationen auf der Sichtseite überwunden.

Ein Vorteil ist zusätzlich die bessere Verteilung der örtlichen Erwärmung auf einen größeren Blechbereich, was bei Verbundplatten das teilweise lokale Ablösen des Deckblechs vom Kern, hervorgerufen durch die punktförmige konzentrierte Erwärmung bei Verwendung der bisher üblichen Bolzen, verhindert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

ratentansprüche:

1. Schweißbolzen als einseitiges Befestigungselement für Metallplatten und Verbundplatten mit metallischen Deckblechen, insbesondere für Ver- ■> bundplatten mit einem Kunststoffkern und Deckblechen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, unter Verwendung des Verfahrens des Bolzenschweißens durch Kondensatorenentladung, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Bolzen aus einem Schaft (10) und einem Kopf (20) besteht, wobei der Schaft (10) in an sich bekannter Weise ausgebildet ist und der Kopf (20) eine ringförmige, innen und außen durch eine geschlossene Kegelschnittfigur begrenzte Verschweißfläche is (26) aufweist, auf der sich ein ringförmiger Zündring (28) befindet

2. Schweißbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Kreis- oder Eliipsenachsen zwischen 1 und 3, vorzugsweise bei 1, liegt

3. SchweiObolzen nach Anspruch J oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Bolzen aus einem Rohr (40) besteht

4. Schweißbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 2 > 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschweißfläche (26) und/oder der Zündring (28) mit mindestens einem Schlitz (30) versehen ist/sind.