EP1423225A2 - Lötverfahren für metallische befestigungselemente - Google Patents

Lötverfahren für metallische befestigungselemente

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Publication number
EP1423225A2
EP1423225A2 EP02777021A EP02777021A EP1423225A2 EP 1423225 A2 EP1423225 A2 EP 1423225A2 EP 02777021 A EP02777021 A EP 02777021A EP 02777021 A EP02777021 A EP 02777021A EP 1423225 A2 EP1423225 A2 EP 1423225A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
fastening element
solder mass
soldered
solder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02777021A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl-Heinz Mielke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Newfrey LLC
Original Assignee
Newfrey LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Newfrey LLC filed Critical Newfrey LLC
Publication of EP1423225A2 publication Critical patent/EP1423225A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B37/00—Nuts or like thread-engaging members
    • F16B37/04—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates
    • F16B37/06—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates by means of welding or riveting
    • F16B37/061—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates by means of welding or riveting by means of welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0255—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in welding
    • B23K35/0288—Welding studs

Definitions

  • the invention relates to a method for connecting a metallic fastening element to a metallic workpiece, the fastening element having a carrier which carries a solder mass to which the carrier is connected in an electrically conductive manner.
  • soldered connections generally have higher strengths than comparable welded connections.
  • the reason is that welding processes have much higher temperatures than soldering processes, which lead to a hardened joining zone.
  • the high temperatures can produce the separation of individual components of an alloy, segregation and undesirable physical or chemical phases of mixtures of substances.
  • DE 4039787 describes a method for connecting two metallic surfaces, in which at least one of the opposite metallic surfaces is convexly curved and thus the self-alignment of the opposite surfaces is improved during the solder melting process.
  • a disadvantage of known methods is that when the solder is melted, a larger part of the workpieces to be joined together has to be heated, which limits the usability of the soldering method if the temperature of such areas must not exceed a predetermined maximum temperature.
  • a larger area to be warmed up requires a longer period of time for warming up or for soldering.
  • This object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1. Further advantageous configurations and features that can occur individually or in combination are the subject of the dependent claims.
  • the method according to the invention for connecting a metallic fastening element to a metallic workpiece, the fastening element having a carrier which carries a solder mass to which the carrier is connected in an electrically conductive manner comprises the following method steps: The solder mass is introduced into a depression on the carrier and with a convex profiling pointing towards the workpiece to be soldered; an electrical voltage is applied between the fastening element and the workpiece, so that an electric arc between the solder mass and the workpiece causes a selective melting of the solder mass; the fastener is pressed against the workpiece.
  • the metallic fastening element is soldered to the metallic workpiece, the thermal load on the workpiece or the fastening element being minimized.
  • the heat is only deposited locally in a small area, which is determined by the arc. Due to the convex profiling of the solder mass pointing towards the workpiece to be soldered, the arc is directly on the solder mass, i.e. generated and maintained where the heat is needed.
  • a suitable choice of the solder mass with a melting temperature that is below the melting temperature of the fastening element or the workpiece a selective melting is achieved.
  • the selectivity and localization minimize thermal stress on the fastener and the support.
  • the low thermal load makes it possible, for example, to fasten fasteners on very thin sheets.
  • the depression in the carrier on the one hand means that a sufficient amount of solder mass is available during the soldering process.
  • a particularly good durability of the soldered connection is achieved by a thin layer of solder.
  • solder layer By pressing the fastener against the workpiece, a particularly intimate contact between the fastener and the workpiece, i.e. a thin solder layer, which leads to a high quality solder joint.
  • the depression for the solder mass is to be selected so that sufficient solder mass is available for the soldering process, but on the other hand the solder layer between the fastening element and the workpiece is as thin as possible in the area of the depression. In addition to the mechanical advantages of particularly thin solder layers, this also minimizes the consumption of solder.
  • the arc is ignited in such a way that first the solder mass and the workpiece are electrically short-circuited, then an electrical voltage is applied between the fastening element and the workpiece, and finally the fastening element and the workpiece to form a Arc are separated from each other.
  • the electrical voltage between the workpiece and the fastening element is first switched off and then the fastening element is pressed against the workpiece.
  • the current flow between the fastening element and the workpiece is prevented, which prevents a current rise and thus a short-term rise in temperature when the workpiece is pressed against the fastening element. In this way, a time course of the temperature of the solder mass can be precisely specified.
  • the distance of the fastening element relative to the workpiece during heating is less than 4 mm, in particular less than 2 mm, preferably less than 1 mm.
  • the solder melts either in the short circuit or at a very short distance. It is advantageous if a drop forms during melting, which is distributed over the surfaces to be connected. This distribution of the drop can be achieved by a short stroke movement of the fastening element relative to the workpiece. It is expedient here to use capillary forces or adhesive forces of the solder on the workpiece or on the fastening element, so that good wetting of the fastening element or the workpiece is brought about.
  • a drop of solder mass is formed by the arc, which wets the fastening element and the workpiece, and then further heats the solder mass in a short circuit.
  • the formation of the drop causes the surfaces to be joined to be wetted, which occurs particularly evenly in the short circuit due to the subsequent resistance heating.
  • the fastening element according to the invention for soldering on a workpiece has a carrier which contains an end to be soldered with a depression filled with a solder compound, the solder compound having a profile which is convex and points to the workpiece to be soldered.
  • the depression has the function of a vessel for holding the solder mass. It provides enough space that there is enough solder mass for the soldering process. Due to the convex profile of the
  • solder mass in the direction of the workpiece ensures that the The arc generated by the soldering process ignites directly on the solder mass.
  • the localization of the arc on the solder mass results in localized heating of the solder mass.
  • Both the depression and the profiling can be pointed or rounded.
  • the convex design of the profiling is to be designed in such a way that the solder mass extends sufficiently far over the fastening element so that the arc is reliably located on the protruding part of the solder mass. However, it should not be too wide, so that the amount of solder required is minimized and unnecessarily thick layers of solder are avoided.
  • the fastening element is a bolt. In a further special embodiment of the invention, the fastening element is a nut.
  • the depression on the fastening element can be brought about, for example, by a trough arranged in the center or by a multiplicity of smaller troughs or by grooves. In a particularly special embodiment of the fastening element according to the invention, the depression is annular or cylindrical.
  • the profiling protrudes pyramidally.
  • the profiling can be formed, for example, by a single bulge or by a large number of smaller bulges or by straight, crossing or curved webs.
  • the profiling is suitably selected in such a way that the surfaces to be joined are soldered as evenly as possible with solder.
  • the method according to the invention for soldering a fastening element is characterized in that one end of the carrier to be soldered is soldered using a wave soldering method. With the help of the wave soldering method, a carrier for holding a solder mass on the fastening element is provided with solder.
  • the soldered end is then cold worked and the solder mass is convexly profiled, pointing towards the workpiece to be soldered.
  • any shape of the convex profiling in particular the formation of a bulge or an ensemble of bulges, can be achieved.
  • the bulges can have the shape of a web or a number of webs or the shape of crossing, curved or circular webs.
  • FIG. 1 A preferred fastener according to the invention in the form of a bolt
  • FIG. 2 shows a fastening element according to the invention in the form of a nut
  • FIG. 1 shows a particularly preferred exemplary embodiment of a fastening element 1 according to the invention in the form of a bolt with a carrier 2 which has an end 10 which contains a depression 8.
  • a solder mass 3 is introduced into the depression 8 with the aid of a wave soldering process.
  • the solder mass 3 is designed such that it has a profile 4 which is convex with respect to a workpiece 5. The solder mass 3 thus extends beyond the carrier 2.
  • the solder mass 3 as part of the fastening element 1 is therefore the smallest distance from the workpiece 5.
  • a fastening element 1 in the form of a solderable nut which has a carrier 2 which contains a depression 8 which receives a solder mass 3 which is formed with a profiling 4 which extends in the direction of a workpiece 5.
  • the solder mass 3 is located as part of the fastening element closest to the workpiece 5.
  • Carrier 2 contains a thread 7, with which a screw connection to other parts can be made.
  • 3 a to 3 c illustrate the method according to the invention for connecting a metallic fastening element to a metallic workpiece.
  • the fastening element 1 is contacted with the workpiece 5 with a carrier 2, which has a recess 8 which, filled with solder mass 3, contains a convex profile 4 in the direction of a workpiece 5, by the solder mass 3 with its profile 4 on the workpiece 5 is put on.
  • a voltage between the fastening element 1 and the workpiece 5 a short circuit is generated, which leads to a current flow through the surfaces to be joined together.
  • the fastening element 1 is then removed from the workpiece 5, an arc 6 being formed between the solder mass 3 and the workpiece 5 on account of the voltage and the current flow.
  • the arc 6 ignites at the convex profile 4 and heats the solder mass 3 above the melting temperature.
  • the fastening element 1 is held at a distance H in front of the workpiece 5. The distance H is varied in time according to the process parameters.
  • 3c shows the fastening element 1 pressed onto the workpiece 5 after the solder mass 3 has been heated uniformly. Both the depression 8 and the profiling 4 are designed in a ring shape.
  • FIG. 4a to 4c illustrate a method according to the invention for connecting a fastening element 1, the fastening element 1 being a nut with a thread 7, which has a carrier 2 with a depression 8 which is filled with solder mass 3.
  • the solder mass 3 according to FIG. 4 a has a convex profile 4 pointing towards a workpiece, which extends pyramidally in the direction of the workpiece 5.
  • An arc 6 is formed between solder mass 3, in particular the tip of the pyramid, and the workpiece 5 by applying a voltage between the carrier 2 and the workpiece 5.
  • the arc 6 heats the solder mass 3 locally. This is what happens Exceeding the melting temperature of the solder mass 3 to form a drop 9 which wets the workpiece 5 as shown in Fig. 4b.
  • the drop 9 simultaneously wets both the workpiece 5 and the fastening element 1, which is advantageous for a high-quality solder connection. If the drop 9 wets both the workpiece 5 and the fastening element 1, the solder mass 3 is heated by the electrical current flow or by the resistance heat associated therewith. The magnitude of the voltage or current, the distance and the time periods determine the temperature of the solder mass 3, which, although above the melting temperature of the solder mass 3, should be below the melting temperature of the carrier 2 or the workpiece 5. In Fig. 4c, the carrier with the molten solder mass is pressed onto the workpiece 5 and the current is switched off.
  • the method according to the invention for connecting a metallic workpiece 5 to a fastening element 1 is characterized in that an arc 6 is generated locally on the solder mass 3 by a profile 4 of the solder mass 3 pointing convexly to a workpiece 5, which arc is used to selectively melt the Solder mass 3 leads, wherein thermal impairment of the workpiece 5 or the fastening element 1 is avoided in adjacent areas. This results in a particularly stable solder connection between the fastening element 1 and the workpiece 5.

Landscapes

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Abstract

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Verbinden eines metallischen Befestigungselements (1) mit einem metallischen Werkstück (5), wobei das Befestigungselement (1) einen Träger (2) aufweist, der eine Lotmasse (3) trägt, mit welcher der Träger (2) elektrisch leitend verbunden ist, umfasst folgende Verfahrensschritte: Die Lotmasse (3) wird in eine Vertiefung (8) auf dem Träger (2) eingebracht und mit einer konvexen, auf das zu verlötende Werkstück (5) 10 weisenden Profilierung (4) ausgebildet; eine elektrischen Spannung wird zwischen dem Befestigungselement (1) und dem Werkstück (5) angelegt, so dass ein elektrischer Lichtbogen (6) zwischen Lotmasse (3) und Werkstück (5) ein selektives Aufschmelzen der Lotmasse (3) bewirkt; das Befestigungselement (1) wird gegen das Werkstück (5) gedrückt. Das Verfahren sowie das für dieses 15 Verfahren geeignet ausgestaltete Befestigungselement (1) mit einer auf das zu verlötende Werkstück (5) weisenden Profilierung (4) der Lotmasse (3) zeichnet sich dadurch aus, dass ein lokales, selektives Schmelzen der Lotmasse (3) bewirkt wird und eine unnötige thermische Belastung umliegender Bereiche vermieden wird. Hierdurch wird eine besonders stabile Lötverbindung zwischen 20 Befestigungselement (1) und Werkstück (5) erzielt.

Description

Lötverfahren für metallische Befestigungselemente
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines metallischen Befestigungselementes mit einem metallischen Werkstück, wobei das Befestigungselement einen Träger aufweist, der eine Lotmasse trägt, mit welcher der Träger elektrisch leitend verbunden ist.
Es ist bekannt, dass Lötverbindungen in der Regel höhere Festigkeiten aufweisen als vergleichbare Schweißverbindungen. Der Grund liegt darin, dass bei Schweiß verfahren sehr viel höhere Temperaturen als bei Lötverfahren auftreten, die zu einer aufgehärteten Fügezone führen. Die hohen Temperaturen können ein Ausscheiden einzelner Bestandteile einer Legierung, eine Segretation sowie unerwünschte physikalische bzw. chemische Phasen von Stoffgemischen erzeugen.
In der DE 4039787 wird ein Verfahren zum Verbinden zweier metallischer Flächen beschrieben, bei dem zumindest eine der gegenüberliegenden metallischen Flächen konvex gekrümmt ist und so die Selbstausrichtung der gegenüberliegenden Flächen während des Lotaufschmelzvorgangs verbessert wird.
Nachteilig bei bekannten Verfahren ist, dass bei der Aufschmelzung des Lotes ein größerer Teil der miteinander zu verbindenden Werkstücke erhitzt werden muss, welches die Einsetzbar keit des Lötverfahrens einschränkt, wenn die Temperatur derartiger Bereiche nicht eine vorgegebene Maximaltemperatur überschreiten darf. Darüber hinaus erfordert ein größerer, aufzuwärmender Bereich eine längere Zeitdauer zum Aufwärmen bzw. für das Verlöten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden eines metallischen Befestigungselementes mit einem metallischen Werkstück anzugeben, welches die beschriebenen Nachteile der bekannten Verfahren überwindet, mit dem auf eine einfache und preiswerte Weise ein metallisches Befestigungselement unter einer möglichst ldeinen Wärmebelastung mit einem metallischen Werkstück verbunden werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale, die einzeln oder in Kombination auftreten können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden eines metallischen Befestigungselements mit einem metallischen Werkstück, wobei das Befestigungselement einen Träger aufweist, der eine Lotmasse trägt, mit welcher der Träger elektrisch leitend verbunden ist, umfasst folgende Verfahrensschritte: Die Lotmasse wird in eine Vertiefung auf dem Träger eingebracht und mit einer konvexen, auf das zu verlötende Werkstück weisenden Profilierung ausgebildet; eine elektrische Spannung wird zwischen dem Befestigungselement und dem Werkstück angelegt, so dass ein elektrischer Lichtbogen zwischen Lotmasse und Werkstück ein selektives Aufschmelzen der Lotmasse bewirkt; das Befestigungselement wird gegen das Werkstück gedrückt.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das metallische Befestigungselement mit dem metallischen Werkstück verlötet, wobei die Temperaturbelastung auf das Werkstück bzw. das Befestigungselement minimiert wird. Die Wärme wird nur lokal in einem kleinen Bereich, der durch den Lichtbogen vorgegeben wird, deponiert. Durch die konvexe, auf das zu verlötende Werkstück weisende Profilierung der Lotmasse wird der Lichtbogen direkt an der Lotmasse, d.h. an der Stelle, wo die Wärme benötigt wird, erzeugt und gehalten. Durch eine geeignete Wahl der Lotmasse mit einer Schmelztemperatur, die unterhalb der Schmelztemperaturen des Befestigungselements bzw. des Werkstücks liegt, wird eine selektive Aufschmelzung erzielt.
Durch die Selektivität und die Lokalisierung wird eine thermische Belastung des Befestigungselements sowie des Trägers minimiert. Durch die geringe thermische Belastung ist es beispielsweise möglich, Befestigungselemente auf sehr dünnen Blechen zu befestigen.
Die Vertiefung in dem Träger bewirkt zum einen, dass eine ausreichende Menge an Lotmasse beim Lötprozess zur Verfügung steht. Andererseits bewirkt die
Vertiefung im Gegensatz zu einer Auswölbung, dass in den äußeren Bereichen der Lötstelle eine besonders dünne Lotschicht entsteht. Durch eine dünne Lotschicht wird eine besonders gute Haltbarkeit der Lötverbindung erzielt. Durch eine gute Haltbarkeit gerade an den äußeren Bereichen der Lotkontaktfläche wird eine besondere Haltbarkeit des Befestigungselements hinsichtlich aufzunehmender Kräfte und Drehmomente erzielt.
Durch das Drücken des Befestigungselements gegen das Werkstück wird ein besonders inniger Kontakt zwischen dem Befestigungselement und dem Werkstück, d.h. eine dünne Lotschicht, erzielt, was zu einer qualitativ hochwertigen Lötverbindung fuhrt. Die Vertiefung für die Lotmasse ist so zu wählen, dass ausreichend Lotmasse für den Lötvorgang zu Verfugung steht, andererseits aber die Lotschicht zwischen Befestigungselement und Werkstück im Bereich der Vertiefung möglichst dünn ist. Neben den mechanischen Vorzügen von besonders dünnen Lotschichten wird hiermit auch der Verbrauch an Lot minimiert.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zündung des Lichtbogens in der Weise, dass zunächst die Lotmasse und das Werkstück elektrisch kurzgeschlossen werden, dann eine elektrische Spannung zwischen dem Befestigungselement und dem Werkstück angelegt wird, und schließlich das Befestigungselement und das Werkstück unter der Bildung eines Lichtbogens voneinander entfernt werden.
Durch das Kurzschließen sowie die anschließende Trennung der Lotmasse von dem Werkstück wird auf einfache Weise ein wohl definierter Lichtbogen erzeugt. Durch eine geeignete Anpassung des fließenden Stroms und des Abstandes des Werkstücks vom Befestigungselement wird eine lokale, selektive Aufschmelzung der Lotmasse bewirkt. Eine unnötige thermische Belastung des Befestigungselements bzw. des Trägers in Bereichen außerhalb des erforderlichen Lötvolumens entfällt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Aufschmelzen der Lotmasse zunächst die elektrische Spannung zwischen dem Werkstück und dem Befestigungselement abgeschaltet und anschließend das Befestigungselement gegen das Werkstück gedrückt. Durch das Abschalten der elektrischen Spannung wird der Stromfluss zwischen Befestigungselement und Werkstück unterbunden, wodurch ein Stromanstieg und damit ein kurzfristiger Temperaturanstieg beim Andrücken des Werkstücks gegen das Befestigungselement verhindert wird. Auf diese Weise kann ein zeitlicher Verlauf der Temperatur der Lotmasse präzise vorgegeben werden.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Abstand des Befestigungselements relativ zum Werkstück während des Aufheizens weniger als 4 mm, insbesondere als 2 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm.
Das Aufschmelzen des Lots findet entweder im Kurzschluss oder in einem sehr geringen Abstand statt. Es ist vorteilhaft, wenn sich beim Aufschmelzen ein Tropfen bildet, der sich auf den zu verbindenden Flächen verteilt. Diese Verteilung des Tropfens kann durch eine kurze Hubbewegung des Befestigungselementes relativ zum Werkstück erreicht werden. Zweckmäßig hierbei ist, kapillare Kräfte bzw. Adhäsionskräfte des Lots an dem Werkstück bzw. an dem Befestigungselement auszunutzen, damit eine guten Benetzung des Befestigungselements bzw. des Werkstücks bewirkt wird.
Nach einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch den Lichtbogen ein Tropfen aus Lotmasse gebildet, der das Befestigungselement und das Werkstück benetzt, und anschließend die Lotmasse im Kurzschluss weiter erhitzt. Durch die Ausbildung des Tropfens wird eine Benetzung der miteinander zu verbindenden Oberflächen bewirkt, die durch das sich anschließende Widerstandserhitzen im Kurzschluss besonders gleichmäßig erfolgt.
Das erfindungsgemäße Befestigungselement zum Auflöten auf einem Werkstück weist einen Träger, der ein aufzulötendes Ende mit einer von einer Lotmasse gefüllten Vertiefung enthält, wobei die Lotmasse eine Profilierung aufweist, die konvex ausgebildet ist und auf das zu lötende Werkstück weist.
Die Vertiefung hat die Funktion eines Gefäßes zur Aufnahme der Lotmasse. Sie stellt genügend Raum zur Verfügung, dass ausreichend viel Lotmasse für den Lötvorgang vorhanden ist. Durch die konvex ausgebildete Profilierung der
Lotmasse in Richtung auf das Werkstück hin wird sichergestellt, dass der bei dem Lötvorgang erzeugte Lichtbogen direkt an der Lotmasse zündet. Durch die Lokalisierung des Lichtbogens an der Lotmasse wird eine lokalisierte Erhitzung der Lotmasse bewirkt. In der Folge wird eine unnötige thermische Belastung des Werkstücks bzw. des Befestigungselements in Bereichen, wo es nicht erforderlich ist, vermieden. Sowohl die Vertiefung wie auch die Profilierung kann jeweils spitz oder abgerundet ausgebildet sein. Die konvexe Ausbildung der Profilierung ist so zu gestalten, dass die Lotmasse sich ausreichend weit über das Befestigungselement erstreckt, so dass eine sichere Lokalisierung des Lichtbogens an dem hervorstehenden Teil der Lotmasse gewährleistet ist. Sie sollte jedoch nicht zu ausladend sein, damit die Menge des erforderlichen Lots minimiert wird und überflüssig dicke Lotschichten vermieden werden.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist das Befestigungselement ein Bolzen. In einer weiteren speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist das Befestigungselement eine Mutter. Die Vertiefung an dem Befestigungselement kann beispielsweise durch eine zentriert angeordnete Mulde oder durch eine Vielzahl kleinerer Mulden oder durch Nuten bewirkt werden. In einer besonders speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Befestigungselements ist die Vertiefung ringförmig oder zylindrisch ausgebildet.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ragt die Profilierung pyramidal hervor. Wie bei der Vertiefung kann die Profilierung beispielsweise durch eine einzelne Auswölbung oder durch eine Vielzahl kleinerer Auswölbungen oder durch gradlinig, sich kreuzende oder gebogene Stege gebildet werden. Geeigneterweise wird die Profilierung derart gewählt, dass eine möglichst gleichmäßige Benetzung der zu verbindenden Oberflächen mit Lot gewährleistet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beloten eines Befestigungselements ist dadurch gekennzeichnet, dass ein aufzulötendes Ende des Trägers mit Hilfe eine Schwalllötverfahrens belotet wird. Mit Hilfe des Schwalllotverfahrens wird ein Träger zur Aufnahme einer Lotmasse am Befestigungselement mit Lot versehen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das belotete Ende anschließend kaltverformt und die Lotmasse konvex, auf das zu verlötende Werkstück weisend profiliert. Durch ein anschließendes Kaltverformen des mit Lot versehenen Endes kann eine beliebige Form der konvex ausgestalteten Profilierung, insbesondere die Ausbildung einer Auswölbung oder eines Ensembles von Auswölbungen erzielt werden. Die Auswölbungen können die Form eines Steges oder einer Anzahl von Stegen bzw. die Form sich kreuzender, gebogener bzw. kreisförmiger Stege haben.
Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen werden anhand der folgenden Zeichnung erläutert. Die Zeichnung soll den Erfindungsgegenstand nicht einschränken, sondern soll die Erfindung nur exemplarisch veranschaulichen.
Es zeigen schematisch im Längsschnitt:
Fig. 1 Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Befestigungselement in Form eines Bolzens;
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Befestigungselement in Form einer Mutter;
Fig. 3a - 3c den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Befestigen eines Befestigungselements an einem Werkstück;
Fig. 4a - 4c eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden eines Befestigungselements mit einem Werkstück.
Fig. 1 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Befestigungselement 1 in Form eines Bolzens mit einem Träger 2, der ein Ende 10 aufweist, welches eine Vertiefung 8 enthält. In die Vertiefung 8 ist mit Hilfe eines Schwalllotverfahrens eine Lotmasse 3 eingebracht. Dabei ist die Lotmasse 3 derart ausgestaltet, dass sie eine Profilierung 4 aufweist, die konvex in Bezug auf ein Werkstück 5 ausgebildet ist. Damit erstreckt sich die Lotmasse 3 über den Träger 2 hinaus. Die Lotmasse 3 als Teil des Befestigungselements 1 hat damit zum Werkstück 5 den geringsten Abstand. Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Befestigungselement 1 in Form einer anlötbaren Mutter, die einen Träger 2 aufweist, der eine Vertiefung 8 enthält, die eine Lotmasse 3 aufnimmt, welche mit einer Profilierung 4 ausgebildet ist, die sich in Richtung auf ein Werkstück 5 erstreckt. Die Lotmasse 3 befindet sich als Teil des Befestigungselements am nächsten zum Werkstück 5. Der . Träger 2 enthält ein Gewinde 7, mit dem eine Schraubverbindung zu anderen Teilen hergestellt werden kann.
Die Fig. 3 a bis 3 c veranschaulichen das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden eines metallischen Befestigungselements mit einem metallischen Werkstück. Hierbei wird das Befestigungselement 1 mit einem Träger 2, der eine Vertiefung 8 aufweist, die mit Lotmasse 3 gefüllt eine konvexe Profilierung 4 in Richtung auf ein Werkstück 5 enthält, mit dem Werkstück 5 kontaktiert, indem die Lotmasse 3 mit ihrer Profilierung 4 auf das Werkstück 5 aufgesetzt wird. Durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Befestigungselement 1 und dem Werkstück 5 wird ein Kurzschluss erzeugt, der zu einem Stromfluss durch die miteinander zu verbindenden Oberflächen führt. Gemäß Fig. 3b wird anschließend das Befestigungselement 1 von dem Werkstück 5 entfernt, wobei aufgrund der Spannung und des Stromflusses ein Lichtbogen 6 zwischen der Lotmasse 3 und dem Werkstück 5 ausgebildet wird. Der Lichtbogen 6 zündet an der konvexen Profilierung 4 und heizt die Lotmasse 3 über die Schmelztemperatur auf. Das Befestigungselement 1 wird in einem Abstand H vor dem Werkstück 5 gehalten. Der Abstand H wird entsprechend den Prozessparametern zeitlich variiert. Fig. 3c zeigt das nach einer gleichmäßigen Aufheizung der Lotmasse 3 auf das Werkstück 5 gedrückte Befestigungselement 1. Sowohl die Vertiefung 8 als wie auch die Profilierung 4 ist ringförmig ausgestaltet.
Die Fig. 4a bis 4c veranschaulichen ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden eines Befestigungselementes 1, wobei das Befestigungselement 1 eine Mutter mit einem Gewinde 7 ist, die einen Träger 2 mit einer Vertiefung 8 aufweist, die mit Lotmasse 3 gefüllt ist. Die Lotmasse 3 gemäß Fig. 4a weist eine auf ein Werkstück weisende konvexe Profilierung 4 auf, die pyramidal sich in Richtung auf das Werkstück 5 erstreckt. Zwischen Lotmasse 3, insbesondere der Spitze der Pyramide und dem Werkstück 5 wird ein Lichtbogen 6 durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Träger 2 und dem Werkstück 5 ausgebildet. Der Lichtbogen 6 heizt die Lotmasse 3 lokal auf. Hierdurch kommt es bei Überschreiten der Schmelztemperatur der Lotmasse 3 zur Bildung eines Tropfens 9, der das Werkstück 5 benetzt wie in Fig. 4b gezeigt. Im Falle von geringen Abständen H von 1mm benetzt der Tropfen 9 gleichzeitig sowohl das Werkstück 5 als auch das Befestigungselement 1, welches vorteilhaft für eine qualitativ hochwertige Lötverbindung ist. Benetzt der Tropfen 9 sowohl das Werkstück 5 als auch das Befestigungselement 1, wird die Lotmasse 3 durch den elektrischen Stromfluss bzw. durch die damit verbundene Widerstandswärme erhitzt. Die Größe der Spannung bzw. des Stroms, des Abstandes und der Zeitdauern bestimmen die Temperatur der Lotmasse 3, die zwar oberhalb der Schmelztemperatur der Lotmasse 3, jedoch unterhalb der Schmelztemperaturen des Trägers 2 bzw. des Werkstücks 5 liegen soll. In Fig. 4c wird der Träger mit der geschmolzenen Lotmasse auf das Werkstück 5 gedrückt und der Strom abgeschaltet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden eines metallischen Werkstücks 5 mit einem Befestigungselement 1 zeichnet sich dadurch aus, dass durch eine konvex zu einem Werkstück 5 hinweisende Profilierung 4 der Lotmasse 3 ein Lichtbogen 6 lokal direkt an der Lotmasse 3 erzeugt wird, der zu einem selektiven Schmelzen der Lotmasse 3 führt, wobei eine thermische Beeinträchtigung des Werkstücks 5 bzw. des Befestigungselementes 1 in angrenzenden Bereichen vermieden wird. Hierdurch wird eine besonders stabile Lötverbindung zwischen Befestigungselement 1 und Werkstück 5 erzielt.
Bezugszeichenliste
Befestigungselement
Träger
Lotmasse
Profilierung
Werkstück
Lichtbogen
Gewinde
Vertiefung
Tropfen
Ende
Hub

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden eines metallischen Befestigungselements (1) mit einem metallischen Werkstück (5), wobei das Befestigungselement (1) einen Träger (2) aufweist, der eine Lotmasse (3) trägt, mit welcher der Träger (2) elektrisch leitend verbunden ist, umfassend folgende Verfahrensschritte: a. die Lotmasse (3) wird in eine Vertiefung (8) auf dem Träger (2) eingebracht und mit einer konvexen, auf das zu verlötende Werkstück
(5) weisenden Profilierung (4) ausgebildet; b. eine elektrische Spannung wird zwischen dem Befestigungselement (1) und dem Werkstück (5) angelegt, so dass ein elektrischer Lichtbogen (6) zwischen Lotmasse (3) und Werkstück (5) ein selektives Aufschmelzen der Lotmasse (3) bewirkt; c. das Befestigungselement (1) wird gegen das Werkstück (5) gedrückt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung des Lichtbogens (6) in der Weise erfolgt, dass zunächst die Lotmasse (3) und das Werkstück (5) elektrisch kurzgeschlossen werden, dann eine elektrische Spannung zwischen dem Befestigungselement (1) und dem Werkstück (5) angelegt wird, und schließlich das Befestigungselement (1) und das Werkstück (5) unter der Bildung eines Lichtbogens (6) voneinander entfernt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufschmelzen der Lotmasse (3) zunächst die elektrische Spannung zwischen dem Werkstück (5) und dem Befestigungselement (1) abgeschaltet wird und anschließend das Befestigungselement (1) gegen das Werkstück (5) gedrückt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Befestigungselements (1) relativ zum Werkstück (5) weniger als 4 mm, insbesondere weniger als 2 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Lichtbogen (6) ein Tropfen (9) aus Lotmasse (3) ausbildet wird, der das Befestigungselement (1) und das Werkstück (5) benetzt, und anschließend die Lotmasse (3) im Kurzschluss weiter erhitzt wird.
6. Befestigungselement (1) zum Auflöten auf einem Werkstück (5), mit einem Träger (2), der ein aufzulötendes Ende (10) mit einer von einer Lotmasse (3) gefüllten Vertiefung (8) aufweist, wobei die Lotmasse (3) eine Profilierung (4) aufweist, die konvex ausgebildet ist und auf das zu lötende Werkstück (5) weist.
7. Befestigungselement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) ein Bolzen ist.
8. Befestigungselement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) eine Mutter ist.
9. Befestigungselement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (8) ringförmig oder zylindrisch ausgebildet ist.
10. Befestigungselement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung (4) pyramidal hervorragt.
11. Verfahren zum Be ten eines Befestigungselementes (1), insbesondere eines Befestigungselementes (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein aufzulötendes Ende (10) des Trägers (2) mit Hilfe eines Schwalllotverfahrens belotet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das belotete Ende (10) anschließend kaltverformt und die Lotmasse (3) konvex, auf das zu verlötende Werkstück (5) weisend profiliert wird.
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