DE4342786A1 - Verfahren zum Fügen von Bauelementen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Beim Fügen von plastifizierbaren Kunststoffbauteilen, aber auch anderen beliebigen Bauteilen unter Verwen­ dung einer plastifizierbaren Oberflächenschicht, hat die Anwendung von Reibschweißverfahren in letzter Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Das hingegen seit längerer Zeit bekannte Fügen mittels Ultra­ schallschweißen wurde hierdurch vorteilhaft ergänzt und zum Teil verdrängt. Die benötigte Schweißenergie kann beim Reibschweißen großflächiger aufgebracht werden, als das beim Ultraschallschweißen möglich ist, d. h. es kann eine flächige Verschweißung, bei­ spielsweise von Anflanschungen od. dgl., wesentlich verbessert ausgeführt werden.

Beim Reibschweißen wird die benötigte Energie in Form von Reibungswärme unmittelbar in die plastifizierbare Oberfläche der zu fügenden Bauelemente eingeleitet.

Zu diesem Zweck wird das Bauelement einer oszillie­ renden Relativbewegung bei gleichzeitiger flächiger Druckbeaufschlagung unterworfen. Hierbei verflüssigt sich der Oberflächenbereich des verwendeten plastifi­ zierbaren Werkstoffes und wird infolge der Druckbe­ aufschlagung teilweise aus der Schweißfuge als soge­ nannter Schweißaustrieb verdrängt, so daß er um die Fügestelle herum eine Wulst bzw. einen Grat bildet, der in aller Regel entfernt werden muß. Hierfür sind bisher aufwendige Handarbeiten und damit erhebliche Zeitverluste hingenommen worden. Wenn keines der durch Reibschweißen zu fügenden Bauelemente bzw. Fü­ geteile selbst aus einem thermisch verschweißbaren Werkstoff besteht, werden vorteilhaft Zwischenlagen aus verschweißbaren Werkstoffen zur Durchführung des Reibschweißens verwendet, was gleichermaßen die Mög­ lichkeit großflächiger Energieeinleitung in den Ge­ samtbereich der miteinander zu verbindenden Bauelemen­ te bietet.

Zur Durchführung des Verfahrens mit oder ohne Zwi­ schenlage aus thermoplastischem Werkstoff wird das zu befestigende Bauelement formschlüssig in die soge­ nannte Schweißteilaufnahme, eingespannt, die oszil­ lierende Schweißbewegung erfolgt durch den das größe­ re Werkstück tragenden Schwingkopf, wobei durch ent­ sprechende Druckbeaufschlagung die gewünschte Flä­ chenpressung zwischen den zu verbindenden Bauteilen vorgegeben werden kann.

Als Nachteil hat sich in der Vergangenheit herausge­ stellt, daß der Schweißaustrieb nach seiner Abkühlung in unmittelbarer Umgebung der Fügestelle den vorste­ hend erwähnten, auch optisch unschönen Grat vorgibt, der nicht nur das Aussehen der Verbundbauteile beein­ trächtigt, sondern zusätzlich bei der Weiterverarbei­ tung solcher Halbzeuge zu Störungen durch abfallende Gratbestandteile im Bereich von Folgewerkzeugen führt und/oder die Aufnahme der weiterzuverarbeitenden Tei­ le in Folgewerkzeugen gar behindert. Auch ist in dem Fall, daß das Bauteil beispielsweise eine Seitentür­ verkleidung von Kraftfahrzeugen mit einer Oberflä­ chenkaschierung darstellt, ein Umbugen der Kaschie­ rung in unmittelbarer Nähe der Schweißstelle fehler­ frei nicht möglich. Bei derartigen Innenverkleidungs­ teilen von Fahrzeugen können des weiteren erst später anfallende Gratstücke Störungsgeräusche während der Fahrt verursachen.

Ein Entgraten der Fügestellen ist deshalb zumindest für diese Anwendungsfälle notwendig und damit die erwähnte aufwendige Handarbeit unumgänglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen durch Reibschweißen anzugeben, bei dem die Gratbildung vermieden wird und damit die Güte der Fügung verbessert werden kann, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens zu schaffen. Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale erfindungsgemäß gelöst. Die Auf­ gabenlösung hinsichtlich der Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens ist mit den Merkmalen des An­ spruches 2 angegeben, die sich daran anschließenden Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ergänzungen bzw. Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Dadurch, daß der sogenannte Schweißaustrieb innerhalb des durch die Schweißfläche vorgegebenen Oberflächen­ bereiches verbleibend über die Schweißteilaufnahme zurückgehalten wird, wird jegliche Gratbildung außer­ halb der Fügestelle mit Sicherheit vermieden. In die­ sem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, daß die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit Sperrleisten arbeitet, die die Flanschkontur des Fü­ geteiles umgreifen, und zwar in einer Weise, daß der ansonsten zu befürchtende Schweißaustrieb am Ausflie­ ßen verhindert wird und die Gratbildung damit ent­ fällt. Durch das Zurückhalten des Schweißaustriebes baut sich in vorteilhafter Weise innerhalb der Schweißfläche ein erhöhter Druck im plastifizierten Werkstoff auf, wodurch die Güte der Schweißung ver­ bessert werden kann. Mit der Druckerhöhung entlang der Fügeoberfläche ist beispielsweise eine bessere Durchdringung gegebenenfalls vorhandener Oberflächen­ rauhigkeiten und damit eine zuverlässige Glättung zwischen den beiden zu verbindenden Oberflächenab­ schnitten gewährleistet. Die Sperrleisten sperren die Schweißfuge nach außen vollständig ab und verhindern jeglichen Werkstofffluß aus dem Fügebereich heraus. Der im Schweißbereich festgehaltene und sich in er­ höhtem Maße aufbauende Druck bis hin zu inneren Um­ fangskante ist insbesondere dann erwünscht und für die Schweißgüte von Vorteil, wenn notwendige Oberflä­ chenanpassungen der Fügeteile erforderlich werden. Werden in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Sperr­ leisten Fügeteile verwendet, deren Flansche umlaufend mit einer Fangnut versehen sind, so sind in dem durch das Fangnutvolumen gegebenen Volumenmaß Werkstoffver­ drängungen möglich, was den Fließvorgang in kontrol­ lierten Größenordnungen hält, ohne daß verdrängter plastifizierter Werkstoff über die Flanschkontur des Fügeteiles und schon gar nicht über die Sperrleisten austreten kann.

Besonders vorteilhaft ist es bei der erfindungsgemä­ ßen Ausführungsform auch, wenn der äußere Rand der genannten Fangnut gegenüber der Schweißfläche um den Betrag des Schweißhubes zurückgesetzt ist, da er wäh­ rend des Reibschweißens nicht mit erwärmt wird und somit keine Plastifizierung auftritt, so daß hier­ durch ein den Schweißaustrieb begrenzender Anschlag vorgegeben ist. Optimale Bedingungen liegen vor, wenn das Volumen der Fangnut mindestens 70% - vorzugswei­ se 80 bis 85% - des durch den Schweißhub und die Fangfläche gegebenen Verdrängungsvolumens bezüglich des Fließens ausmacht. Damit wird bei dem erwähnten Druckaufbau in der Schweißfuge der Grat verhindert. Die erfindungsgemäßen Sperrleisten, die jeglichen Ausfluß an Schweißaustrieb verhindern, sind direkt an der Schweißteilaufnahme befestigt bzw. mit dieser verbunden. Damit sie die Funktion von Abdichtlippen oder -messern bzw. -schneiden optimal erfüllen kön­ nen, sind ihre freien Enden schneidenförmig zuge­ spitzt.

Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem starr befestigte Sperrleisten an der Schweißteilaufnahme Anwendung finden, wird ein unerwünschtes unkontrolliertes Ein­ dringen der vorderer Kanten derselben in die Oberflä­ che des Fügeteiles dadurch ausgeschlossen, daß minde­ stens ein den Hub beim Fügevorgang begrenzender An­ schlag vorgesehen ist. Hierdurch wird zum einen die erforderliche Dichtfunktion der Sperrleisten sicher­ gestellt und gleichzeitig eine Beschädigung entlang der Randkante der Fügestelle vermieden. Die Anschläge sind vor allem notwendig, wenn bei oszillierendem Werkstück mehrerer Schweißaufnahmen zeitgleich mit gleichem Hub angesteuert werden. Für den Fall, daß die Umrißkontur des Fügeteiles von mehreren Sperrleisten gebildet wird, die starr mit der Schweißaufnahme verbunden sind, ergibt sich eine be­ sonders einfache Konstruktionsweise. Insbesondere dann, wenn die Fügeflächen nicht eben ausgeführt, sondern räumlich verformt ausgebildet sind, ist die Konturanpassung mit mehrteiligen Sperrleisten leich­ ter zu realisieren als mit einer einzigen relativ komplizierten Formgebung.

Eine weitere verbesserte Konturanpassung der Sperr­ leisten läßt sich zusätzlich dadurch erreichen, daß mindestens eine der die Umrißkontur des Fügeteilflan­ sches bildenden Sperrleisten elastisch bzw. federnd nachgiebig an der Schweißteilaufnahme angebracht ist. Die nachgiebig mit definiert vorgebbarer Druckkraft einstellbare Sperrleiste schließt Beschädigungen des gegenüberliegenden Bauteiles mit noch größerer Si­ cherheit aus, wobei die vorstehend erwähnten Anschlä­ ge bei starr montierten Sperrleisten für die Hubbe­ grenzung ggf. entfallen können.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beiliegen­ den Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben wer­ den, die zwei Ausführungsformen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeigen. Es bedeuten:

Fig. 1 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer ersten möglichen Ausführungsform für eine Schweißteilaufnahme, angesetzt an ein Bau­ teil im Schnitt vor (rechts) und nach (links) dem Reibschweißvorgang,

Fig. 2 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung des Bereiches C von Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung gemäß Fig. 1 für eine zweite bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 3 unter Fortlassung des Bauteiles, an das ein anderes Bauelement mittels der dar­ gestellten Vorrichtung anzuschweißen ist, und

Fig. 5 die Seitenansicht eines Federelements gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt schematisch im Querschnitt einen bevor­ zugten Anwendungsfall des vorliegenden Reibschweißens dergestalt, daß ein Bauteil A in Form einer Innenver­ kleidung von Kraftfahrzeugen auf seiner Rückseite mit einem Retainer versehen wird. Das Bauteil A besteht demgemäß aus einem Trägerteil 1, hier für eine Tür­ verkleidung eines Pkw, das beispielsweise ein ver­ preßtes Holzfaserteil ist, und einer sichtseitig auf­ gebrachten Kaschierung 2, beispielsweise einer Dekor­ folie oder einem Gewebe. Damit das Bauteil A in Form der Türinnenverkleidung an der inneren Oberfläche der Fahrzeugtür befestigt werden kann, wird es mittels des vorliegenden Reibschweißverfahrens auf der Innen­ seite mit einem oder mehreren Retainern bzw. geeigne­ ten Fügeteilen versehen, die die Verbindungselemente zwischen Innenverkleidung und Außentür bilden. Gemäß Schnittdarstellung von Fig. 1 ist ein Fügeteil - hier ein Retainer - kraft- und teilweise formschlüssig in eine Schweißteilaufnahme B eingesetzt, wobei sich hier das Fügeteil in den Flansch 3, das Abstandsstück 3′ und den Befestigungsnocken 3′′ unterteilt. Die Schweißteilaufnahme B beaufschlagt das Fügeteil 3, 3′, 3′′ gegen die Innenwandung des Trägerteiles 1 mit einem Preßdruck, der für den Reibschweißvorgang aus­ reichend ist, die oszillierende Bewegung wird mit Hilfe des schwingenden Oberwerkzeuges 11 aufgebracht (der Schwingkopf hierfür ist nicht mit dargestellt). Das Fügeteil 3, 3′, 3′′ ist hierfür nur im Bereich des Flansches 3 und des Abstandsstückes 3′ formschlüssig in der dargestellten Weise von der Schweißteilaufnahme B umgriffen. Zum Trägerteil 1 hin offen, ist das Fügeteil in seinem Randbereich mit einer umlaufenden Fangnut 5 versehen, die während des Schweißvorganges den Schweißaustrieb 6 aufnimmt. Über den Befestigungsflansch 8 ist die Schweißteilaufnahme B an dem nicht dargestellten Schwinggenerator befe­ stigt.

Erfindungsgemäß sind in der aus der Schnittdarstel­ lung ersichtlichen Weise entlang eines Teiles der zum Bauteil A benachbarten Umfangsfläche der Schweißtei­ laufnahme B Sperrleisten 4 angebracht, die mittels Schrauben 7 lösbar befestigt sind. Die Sperrleisten 4 umfassen den Flansch 3 des Fügeteiles, wobei die vor­ dere messerartig angeschrägte freie Kante der Sperr­ leisten 4 bis zur bzw. leicht über die obere Eckkante des Flansches 3 zwischen der Fangnut 5 und der äuße­ ren Umfangsfläche reicht. Im Ausführungsbeispiel ist für den Betrieb die Sperrleiste 4 mittels der Schrau­ be 7 starr mit der Schweißteilaufnahme verbunden, d. h. direkt auf deren äußere Umfangsfläche aufge­ schraubt. Der sogenannte Schweißhub ist durch die Verdrängung des Schweißaustrittsvolumens definiert; in den Darstellungen mit dem Bezugszeichen H bezeich­ net. Um diesen Schweißhub H wird das oszillierende Bauteil A in Richtung auf die Schweißteilaufnahme B zu bewegt, aus der in Fig. 1 gezeigten rechtsseitigen Darstellung in die linksseitige Darstellung, in der die Sperrleiste 4 an der Oberfläche des Trägerteiles 1 anliegt.

Der Bereich C von Fig. 1 ist in Fig. 2 nochmals ver­ größert herausgestellt. Hierin ist Aufteilung und Anordnung sowie Ausbildung der Fangnut 5 und ihre Zuordnung zu der bzw. den Sperrleisten 4 deutlicher erkennbar. Der äußere Rand der Fangnut 5 ist um den Schweißhub H zurückgesetzt, während die Sperrleiste 4 geringfügig über diesen Rand der Fangnut 5 hinaus­ ragt. Die Schneidekante 4′ der Sperrleiste 4 kann sich mit diesem geringfügigen Überstand dichtend an bzw. in die Unterseite des Bauteiles A eindrücken, ohne sie jedoch signifikant zu beschädigen. Zusätzli­ che, den Schweißhub H gegebenenfalls begrenzende An­ schläge, die in den Figurendarstellungen nicht wie­ dergegeben sind, werden - falls erforderlich - par­ allel zu den Sperrleisten 4 angeordnet und in dem Ausführungsbeispiel gleichfalls starr mit der Schweißteilaufnahme B verbunden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 3 gezeigt, wobei hier entsprechende Einzelteile mit den Bezugszeichen gemäß Fig. 1 versehen sind. Der wesentliche Unter­ schied zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1 besteht darin, daß die Sperrleisten 24 gegenüber den Sperr­ leisten 4 von Fig. 1 hier an der Schweißteilaufnahme B federnd gelagert sind. Hierfür sind die Sperrlei­ sten im Querschnitt L-förmig ausgebildet, wobei sich der untere kurze Schenkel der L-Form auf Federlagern abstützt, die Gummilager od. dgl. elastisch nachgiebi­ ge, ggf. vorgespannte Federelemente sein können. Über Bolzen 9 sind die Sperrleisten an und auf dem Feder­ lager 10 gesichert. Eine besonders vorteilhafte Aus­ führungsform der Federelemente kann darin bestehen, daß die Sperrleisten nicht an und auf dem Federlager 10 durch die Bolzen 9 gesichert sind, sondern daß das Federelement 10, wie aus Fig. 5 ersichtlich, Ansätze 10′ besitzt, die die Führungsfunktion des Bolzens 9 übernehmen. Der lange aufrechtstehende Schenkel der L-Form kennzeichnet sich durch ein senkrechtes Lang­ loch, durch die eine Schraube 7 so geführt ist, daß die federnde Bewegung der Sperrleiste 4 nicht behin­ dert ist.

Schließlich zeigt Fig. 4 noch eine Draufsicht auf die Schweißteilaufnahme gemäß Ausführungsbeispiel Fig. 3, jedoch ohne Bauteil A. Demnach ist im Ausführungsbei­ spiel das Fügeteil 3, 3′, 3′′ ein Retainer von im wesentlichen quadratischer Grundfläche, das innerhalb der Schweißteilaufnahme B zwischen den Sperrleisten 24 flächenbegrenzend gehalten ist. Vier Sperrleisten 24 erstrecken sich entlang der ebenen Seitenkanten des Retainers 3, 3′, 3′′. Mittig zum rechteckigen Flansch 3 befindet sich das im Querschnitt runde Ab­ standsstück 3′ mit dem kreisförmigen Befestigungs­ flansch 3′′. Vier Schrauben 7 halten die vier Sperr­ leisten 4 in federnder Lagerung. Die Fangnut 5 ver­ läuft im Abstand parallel zur Randkante des Flansches 3 des Retainers.

Claims (9)

1. Verfahren zum Fügen von Bauelementen, wie Clips, Retainern oder dergleichen Fügeteilen, die rück­ seitig beispielsweise an Innenverkleidungsteilen von Kraftfahrzeugen durch Reibschweißen befe­ stigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der sogenannte Schweißaustrieb innerhalb des durch die Schweißfläche vorgegebenen Oberflä­ chenbereiches verbleibend über die Schweißteil­ aufnahme zurückgehalten wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 in Form einer Schweißteilaufnahme, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine die Außenkontur der Schweiß­ teilaufnahme B zum Schweißbereich hin umgreifen­ de Sperrleiste (4) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Schweiß­ teilaufnahme B aufgenommene Fügeteil (3, 3′, 3′′) eine umlaufende Fangnut (5) besitzt, deren äußerer Rand bis hin zur Sperrleiste (4) dem Schweißhub H entsprechend niedriger als die in­ nere Schweißfläche ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlvolumen der Fangnut (5) mindestens 70% des Schweißaus­ triebsvolumens ausmacht, wobei das Volumen des Schweißaustriebes dem Produkt aus Schweißfläche und Schweißhub entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freien auf das Bauteil A zu gerichteten Kanten der Sperrleisten (4) schneidenförmig ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 und mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißteilauf­ nahme B mittels lösbarer Befestigungselemente (7) die Sperrleiste (4) arretierend aufnimmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißteilauf­ nahme B mindestens einen den Schweißhub begren­ zenden Anschlag aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere die Flansch­ kontur des Fügeteiles (3, 3′, 3′′) vorgebende und dieser entsprechende Sperrleisten (4) starr an der Schweißteilaufnahme B befestigt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der die Flanschkontur des Fügeteiles (3, 3′, 3′′) bildenden Sperrleisten (4) federnd nachgiebig an der Schweißteilaufnahme B befestigt ist.