Beschreibung
Verfahren zum Verbinden von zumindest zwei Blechteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zumindest zwei Blechteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 oder eine Blechteilverbindung nach dem Patentanspruch 10.
Bei im Automobilbereich verwendeten Leichtbaustrukturen ist der Einsatz von Aluminium-Stahl- Verbindungen bekannt, bei denen zum Beispiel ein Aluminium-Blechteil mit einem Stahl- Blechteil verbunden ist. Zur Verbindung dieser beiden Blechteile kann zunächst ein Stahl- Einprägeelement in das Aluminium-Blechteil eingetrieben werden. Anschließend kann das in dem Aluminium-Blechteil eingetriebene Stahl-Einprägeelement durch Punktschweißen mit dem Stahl-Blechteil verbunden werden.
Aus der DE 10 2009 035 338 A1 ist ein gattungsgemäßes Verbindungsverfahren bekannt, bei dem das Stahl-Einprägeelement auf ein Aluminium-Blechteil aufsetzbar und mit vorgegebener Einpresskraft durch das Aluminium-Blechteil treibbar ist, wobei ein Stanzbutzen entsteht. Das Stahl-Einprägeelement weist einen ausgeweiteten Nietkopf sowie einen Nietschaft auf. Nach dem Eintreiben ragt das Stahl-Einprägeelement mit seinem Nietschaft um einen vorgegebenen Überstand aus dem Aluminium-Blechteil heraus. Das aus dem Aluminium-Blechteil
herausragende Ende des Nietschaftes wird dann gegebenenfalls unter Zwischenlage einer Klebschicht mit dem Stahl-Blechteil punktverschweißt.
In der DE 10 2009 035 338 A1 weist der Nietschaft des Stahl-Einprägeelements einen zylindrischen Grundkörper aus Vollmaterial auf, der an seinem, dem Nietkopf abgewandten Ende eines konusartig zulaufende Spitze aufweist. Eine derart komplexe Geometrie des Stahl- Einprägeelements ist entsprechend aufwendig herstellbar. Zudem muss bei der Zuführung der Einprägeelemente zum Blechteil die Orientierung der Einprägeelemente beachtet werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verbindung von Blechteilen bereitzustellen, bei dem in einfacher Weise eine einwandfreie Verbindungsfestigkeit gewährleistet ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 10 gelöst.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 erfolgt die Befestigung des Einprägeelements an einem ersten Blechteil nicht in einem Nietvorgang, sondern in einem Tiefziehvorgang, bei dem das Einprägeelement in einer Tiefziehrichtung in das Material des ersten Blechteils eingepresst wird. Dabei wird das erste Blechteil tiefgezogen. Gleichzeitig geht auch das Einprägeelement unter plastischer Verformung eine Formschlussverbindung mit dem ersten Blechteil ein. Bei dem ersten Blech handelt es sich vorzugsweise um ein
Aluminiumblech. Ebenso sind Gußlegierungen aus Aluminium und/oder Magnesium,
Magnesiumbleche und andere duktile sowie elektrisch leitende Werkstoffe möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden von vorzugsweise Aluminium und Stahl findet daher in zwei unabhängig voneinander ausgeführte Prozessschritten statt. Im ersten
Prozessschritt wird ein einfach gestaltetes metallisches Hilfsfügeelement (das heißt das
Prägeelement) in das erste Blechteil (das heißt aus Aluminiumwerkstoff)
eingeprägt/eingepresst/einged rückt, wobei sich das Prägeelement dahingehend verformt, das zwischen dem Element und dem Aluminiumwerkstoff ein Form- und Kraftsehl uss erzeugt wird, welcher eine zerstörungsfrei nicht lösbare Verbindung zwischen dem Aluminium und dem Element bildet. Durch Anpassung der dafür verwendeten Werkzeuggeometrien (Stempel- und Matrizengeometrie) kann zudem eine Formung des aus dem Aluminiumwerkstoff
herausstehenden Elementbereiches erfolgen, welcher den zweiten, später erfolgenden
Prozessschritt zur Verbindungserzeugung zu einer Baugruppe unterstützt.
Im zweiten Prozessschritt wird das Bauteil aus Aluminiumwerkstoff über den aus der
Bauteiloberfläche hervorstehenden Elementbereich mit einem Stahlbauteil mittels
Standardstandpunktschweißtechnik verschweißt. Es entsteht dabei eine stoffschlüssige
Verbindung zwischen Prägeelement und Stahlblech. Weiterhin ist es auch möglich, mehrere Stahllagen auf das Element aufzuschweißen oder mehrere Werkstoffe mittels des
Prägeelementes direkt zu fügen, um diese anschließend mit einem oder mehreren
Stahlbauteilen zu verschweißen. Durch entsprechende Verformungen des Elementüberstandes kann eine Verbesserung der Schweißbarkeit erreicht werden.
Eine Kombination aus Prägeelementschweißen mit Kleben ist möglich und für viele
Verbindungsfälle erforderlich, um die Verbindungseigenschaften zu verbessern. Bei
Anwendungen in Kombination mit Klebstoff, insbesondere mit sogenannten hochfesten
Strukturklebstoffen dient das Verbinden der Bauteile zueinander mittels
Prägeelementschweißen als Fixierverhalten. Die Hauptaufgabe des Fixierverfahrens ist dabei eine Fixierung der Bauteile zueinander bis die Klebstoffaushärtung erfolgt ist, zum Beispiel bei Karosserieverklebungen mit wärmeaushärtenden Klebstoffen im KTL-Durchlaufofen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich die folgenden Vorteile, nämlich die Verwendung eines einfachen Einprägevorgangs, für den auf bestehende Prozesstechnik zurückgegriffen werden kann, die Verwendung einfacher Elementgeometrien, die gegenüber den bekannten Lösungen ein Potential zur Kosteneinsparung bieten (rotationssymmetrische Geometrie, kein Elementkopf, keine Härtung der Elemente erforderlich, gegebenenfalls auch keine Elementbeschichtung, eine vereinfachte Elementzuführung für den Einprägeprozess, welche die Anlagenverfügbarkeit positiv beeinflussen können.
Zudem wird vorteilhaft bei der Elementeinbringung der Fügeteilwerkstoff nicht durchdrungen, woraus sich Vorteile hinsichtlich der Korrosionsfestigkeit, der Optik und der
Oberflächenbündigkeit ergeben. Bei der zusätzlichen Verwendung von Klebstoff kann auf eine Elementbeschichtung verzichtet werden, da das Element nach dem Schweißen vollständig von Fügeteilwerkstoff und Klebstoff umgeben ist, wodurch kein korrosionsförderndes Medium eindringen kann (Kosteneinsparung, verbesserter Korrosionsschutz). Außerdem wird beim Einprägen das Element über die Setzwerkzeuge verformt, wodurch eine Elementlänge für unterschiedliche Fügeteildicken genutzt werden können (erforderliche Elementstauchung über Einprägeprozess regelbar). Ferner kann beim Einprägen über eine entsprechende Prägekontur der Prägestempel-Stirnfläche eine aus dem Blechwerkstoff hervorstehende Elementkontur erzeugt werden, die vorteilhaft für den zweiten Prozessschritt Schweißen ist. Es können darüber hinaus beidseitig bündige Verbindungen erzeugt werden, die für den indirekten Sichtbereich, Grauzone, geeignet sein können.
Die erfindungsgemäße Kombination aus dem Prägeelementschweißen mit Kleben ist möglich und für viele Verbindungsfälle erforderlich, um die Verbindungs- und Baugruppeneigenschaften zu verbessern. Bei Anwendungen in Kombination mit Klebstoff, insbesondere mit sogenannten hochfesten Strukturklebstoffen, dient das Verbinden der Bauteile mittels
Prägeelementschweißen als Fixierverfahren. Die Hauptaufgabe des Fixierverfahrens ist dann eine Fixierung der Bauteile zueinander, bis die Klebstoffaushärtung erfolgt ist, zum Beispiel bei Karosserieverklebungen mit wärmeaushärtenden Klebstoffen im KTL-Durchlaufofen.
Das Einprägeelement kann bevorzugt rotationssymmetrisch um eine Längsachse, insbesondere zylindrisch, ausgebildet sein. Zudem kann das Einprägeelement in einer einfachen Ausführung Stirnseiten aufweisen, die identisch ausgebildet sind. Derartige
Elementgeometrien sind mittels eines Massenherstellungsprozesses, wie Massivumformen, einfach herstellbar und bieten dabei gegenüber den bekannten Lösungen ein Potential zur Kosteneinsparung. So ist die rotationssymmetrische Geometrie des Einprägeelements ohne einen Elementkopf. Eine solche einfache Elementgeometrie mit ebener Mantelfläche führt zu einer Kostenreduzierung durch vereinfachten Herstellungsprozess, zu einem geringen
Elementgewicht und zu einer erleichterten Elementzuführung. Zudem ist keine kostspielige Härtung der Prägeelemente erforderlich, gegebenenfalls auch keine Elementbeschichtung. Die Länge der Prägeelemente können auf unterschiedliche Bauteildicken abgestimmt werden.
Als Werkstoffe können elektrisch leitende, duktile Werkstoffe, vorzugsweise Stahllegierungen verwendet werden. Für weiterführende Anwendungen sind auch AI-Legierungen denkbar.
Wie oben erwähnt ist die Grundform der Prägeelemente rotationssymmetrisch. Die Stirnseiten der Prägeelemente kann plan, ballig, konkav, konvex, spitz sein. Eine aus der Bauteilebene hervorstehende, spitze oder ballige Kontur birgt Vorteile im Schweißprozess mit dem zweiten Bauteil, insbesondere beim Einsatz von Klebstoffen. Die spitze oder ballige Kontur kann bei der Elementherstellung oder durch den Tiefziehvorgang in das Aluminium-Bauteil erzeugt oder verändert werden.
Die Prägeelementoberfläche kann bevorzugt blank sein (Kostenreduzierung durch Entfall der Beschichtung), alternativ jedoch auch beschichtet sein (für erhöhte Korrosionsfestigkeit oder Änderung des Reibbeiwertes der Elementoberfläche). Die Prägeelementoberfläche kann gegebenenfalls auch glatt, rau oder geriffelt sein (Beeinflussung der Reibung beim Einprägen und des Formschlusses mit dem ersten Blechteil). Beispielhaft kann der Elementdurchmesser von vorzugsweise 2mm bis 4mm sein, und die Elementlänge von 1 mm bis 6mm, vorzugsweise > Elementdurchmesser sein.
Aus der oben beschriebenen einfachen Prägeelementgeometrie resultiert eine Vereinfachung der Elementzuführung für den Einprägeprozess. Das heißt eine positive Beeinflussung der Anlagenauslegung und -Verfügbarkeit. Beim Einprägen wird das Einprägeelement über die Setzwerkzeuge verformt. Dabei ist eine gemeinsame Elementlänge für unterschiedliche Fügeteildicken möglich, da der Elementüberstand aus der Bauteilebene (vorzugsweise 0,2 mm bis 0.5 mm) über die Elementstauchung einstellbar ist, welche wiederum über den
Einprageprozess (Stempelweg) regelbar ist. Ferner kann die Elementlänge auch über die Kontur der Prägematrize beeinflusst werden. Über eine entsprechende Prägekontur der Prägestemple-Stirnfläche ist eine gezielte Formgebung der aus dem Blechwerkstoff
hervorstehenden Elementkontur möglich, dies bietet Vorteile für den zweiten Prozessschritt Schweißen. Zudem ist eine einfache Abstimmung der Prägeelementgeometrie (Durchmesser, Länge...), der Prägestempelkontur und der Matrizenkontur auf die Anforderungen aus unterschiedlichen Bauteilwerkstoffen und -dicken möglich.
Der Einprägeprozess kann in unterschiedlichen Varianten ausgeführt werden, die im folgenden vereinfacht angegeben sind: So kann ein Prägeelement pro Werkzeughub vorgesehen sein. Zudem können die Einprägewerkzeuge (Stempel und Matrize) in einer Systemtechnik mit C- Bügel integriert sein, die sowohl stationär als auch roboterbetrieben sein kann. Beispielhaft kann der Antrieb pneumatisch, pneumo-hydraulisch, elektro-hydraulisch, mechanisch, etc. sein, und zwar mit unterschiedlichen Prägestempelgeschwindigkeiten. Die Matrize kann fest in einem Bauteilbett integriert sein und das Einprägegerät (Stempel und Niederhalter) separat über Roboter zu der jeweiligen Fügestelle geführt werden (je Punkt eine Matrize erforderlich). Es können zudem mehrere Elemente je Werkzeughub vorgesehen sein und/oder mehrere
Prägewerkzeuge in Pressen integriert sein.
Bei der Prägeelement-Einbringung wird erfindungsgemäß der Fügeteilwerkstoff nicht durchdrungen und es liegt kein Elementkopf auf der Bauteiloberfläche auf. Dies ist im Hinblick auf eine gesteigerte Korrosionsfestigkeit, eine dichte Verbindung sowie einer reduzierten Kontaktfläche zwischen Element und Bauteilwerkstoffen von Vorteil. Außerdem ist keine zusätzliche Elementabdeckung im Nassbereich erforderlich, da das Prägeelement vollständig von Bauteilwerkstoff umschlossen ist . Weiterhin ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Optik (das heißt geeignet für Grauzonen) und Vorteile hinsichtlich der Oberflächenbündigkeit durch geringere Störkontur. Alternativ kann eine beidseitig oberflächenbündige Verbindung das Anbringen von Dichtungen erleichtern. Im Nassbereich kann bei der zusätzlichen Verwendung von Klebstoff auf eine Elementbeschichtung verzichtet werden, da das Element nach dem Schweißen vollständig von Fügeteilwerkstoff und Klebstoff umgeben ist, wodurch kein korrosionsförderndes Medium eindringen kann (Kosteneinsparung, verbesserter
Korrosionsschutz). Es können auch beidseitig bündige Verbindungen erzeugt werden, die für den indirekten Sichtbereich, Grauzone, geeignet sein können.
Zudem können mehr als zwei Bauteile miteinander verbunden werden. Beispielhaft können mehrere Bauteile zu einer ersten Baugruppe mittels des Einprägevorganges des
Einprägeelementes (analog zum Clinchnieten) verbunden werden. Die erste Baugruppe kann anschließend mit einem oder mehreren weiteren Bauteilen verschweißt werden oder mit einer zuvor gefügten zweiten Baugruppe verschweißt werden.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Blechteilverbindung aus einem Stahl-Blechteil und einem Aluminium-
Blechteil in einer Teilschnittdarstellung;
Fig. 2 bis 5 jeweils Ansichten, die das Verfahren zur Herstellung der Blechteilverbindung veranschaulichen;
Fig. 6 eine Anzahl von beispielhaften, unterschiedlichen Prägeelement-Konturen;
Fig. 7 eine Anzahl von beispielhaften, unterschiedlichen Pressstößel-Konturen; und
Fig. 8 eine Anzahl von beispielhaften, unterschiedlichen Matrizen-Konturen.
In der Fig. 1 ist eine Blechteilverbindung aus einem Aluminium-Blechteil 1 und einem Stahl- Blechteil 5 gezeigt. Bei der Blechteilverbindung ist das Aluminium-Blechteil 1 mit Hilfe eines Stahl-Einprägeelementes 3 mit einem Stahl-Blechteil 5 verbunden. Die Herstellung der gezeigten Aluminium-Stahl-Verbindung erfolgt zweistufig, und zwar zunächst mit einem
Tiefziehvorgang, bei dem das Stahl-Einprägeelement 3 in das Aluminium-Blechteil 1 eingepresst wird, und mit einem nachgeschalteten Widerstandspunktschweißen, bei dem das Stahl-Blechteil 5 mit dem aus dem Aluminium-Blechteil 1 vorragenden Ende 7 des
Einprägeelementes 3 verschweißt wird.
Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, weist das Aluminium-Blechteil 1 eine tiefgezogene Prägevertiefung 9 auf, die in etwa topfförmig aus der Grundebene des Aluminium-Blechteils 1 nach unten abragt. In der Prägevertiefung 9 ist das Einprägeelement 3 formschlüssig eingepresst. Die Prägevertiefung 9 ist nach unten geschlossen, das heißt ohne Durchtrennung des Aluminium-Materials des Blechteiles 1. Dabei weist die Prägevertiefung 9 einen
Tiefziehboden 1 1 auf, der um eine Tiefe t von der Unterseite des Aluminium-Blechteiles 1 vorragt, sowie eine davon hochgezogenen Seitenwandung 13, die an Übergangskanten 15 in einen unverformten Basisabschnitt 17 des Aluminium-Blechteiles 1 übergeht. Das
Einprägeelement 3 ist derart formschlüssig in die Prägevertiefung 9 verpresst, dass das Einprägeelement 3 in eine zwischen der Seitenwandung 13 und dem Tiefziehboden 1 1 gebildete Hinterschneidung 19 (Fig. 1 ) eingedrückt ist.
Das von dem Basisabschnitt 17 des Aluminium-Blechteiles 1 um einen Höhenversatz Äh (Fig. 4) vorragende Ende 7 des Einprägeelementes 3 dient als ein Schweißansatz, der über eine angedeutete Schweißlinse 21 mit dem Stahl-Blechteil 5 stoffschlüssig verbunden ist. Vor Durchführung der Verschweißung können die beiden Blechteile 1 , 5 an ihren zugewandten Kontaktflächen mit einer zusätzlichen Klebstoff Schicht 23 versehen werden.
Anhand der Fig. 2 bis 5 ist das Verfahren zur Herstellung der in der Fig. 1 gezeigten
Blechteilverbindung veranschaulicht: So wird gemäß der Fig. 2 zunächst das Aluminium- Blechteil 1 und das Einprägeelement 3 in ein Tiefziehwerkzeug 25 eingelegt, bestehend aus einer unteren Matrize 27 mit zugeordneter Vertiefung 29 und einem in einer Führung 31 geführten Pressstößel 33. Die Führung 31 dient gleichermaßen als ein Niederhalter, der das Blechteil 1 auf die Matrize 27 drückt und somit für das Einprägen des Einprägeelements 3 auf dieser fixiert. Des Weiteren kann in ihm eine Elementführung für das Einprägeelement 3 integriert sein. Die Führung des Einprägeelements 3 im Setzwerkzeug kann auch ausschließlich oder zusätzlich durch den Pressstößel 33 erfolgen. Der Pressstößel 33 wird beim
Tiefziehvorgang um einen Preßhub nach unten getrieben, wodurch das noch unverformte Einprägeelement 3 in der Tiefziehrichtung T in das Material des Aluminium-Blechteils 1 eingepresst wird. Im in der Fig. 2 gezeigten unverformten Zustand ist das Einprägeelement 3 mit Bezug auf eine senkrechte Mittellängsachse L zylindrisch ausgeführt, und zwar baugleich an den in Längsrichtung gegenüberliegenden Stirnseiten 10.
Der Tiefziehvorgang erfolgt unter gleichzeitiger plastischer Verformung des Einprägeelements 3, wodurch sich eine Formschlussverbindung zwischen dem Einprägeelement 3 und dem Aluminium-Blechteil 1 bildet. Anschließend wird mit einer Widerstandspunktschweißtechnologie
das vom Aluminium-Blechteil 1 vorragende Ende 7 des Einprägeelementes 3 in Kontakt mit dem Stahl-Blechteil 5 gebracht und unter Bildung der Schweißlinse 21 mit dem Stahl-Blechteil 5 verschweißt. Die beiden Punktschweißelektroden 35, 36 werden dabei an der vom
Einprägeelement 3 abgewandten Seite des Tiefziehbodens 1 1 der Einprägevertiefung 9 und an der vom Einprägeelement 3 abgewandten Seite des Stahl-Blechteils 5 angesetzt, wie es in der Fig. 5 gezeigt ist.
In den Fig. 6 bis 8 sind beispielhaft eine Anzahl von Einprägeelementen 3, Pressstößeln 33 und Matrizen 27 gezeigt, die unterschiedliche Konturen aufweisen. Die Konturen können sowohl den Einprägeprozess als auch das spätere Verschweißen des Elementes begünstigen. Durch die Verwendung von Pressstößeln 33 mit Gesenkformen können im Einprägeprozess die aus den Bauteilen hervorstehenden Prägeelementstirnflächen mit buckel- oder spitzenförmigen Konturen versehen werden oder, wenn diese bereits am Prägeelement 3 vorhanden sind, beim Einprägen aufgenommen werden, um die Kontur beim Prägevorgang zu schützen. Diese stirnseitigen Prägeelementkonturen beeinflussen den Schweißprozess dahingehend, dass sie als Kontaktfläche zum Stahlteil dienen. Bei der Verwendung von Klebstoffen können durch die Kraftbeaufschlagung der Schweißelektroden 35, 36 diese Konturen durch die Klebfläche gedrückt werden und so eine Kontaktierung zum Widerstandsschweißen sicherstellen.
In der Fig. 7 sind einige mögliche Pressstößel-Konturen beispielhaft dargestellt. Die
Durchmesser der Pressstößel 33 sind auf die Prägeelementdurchmesser abgestimmt und liegen allgemein im Bereich ± 0.5mm des Elementdurchmessers, vorzugsweise jedoch gleich dem Elementdurchmesser.
Die in der Fig. 8 dargestellten unterschiedlichen Matrizenkonturen können zur Unterstützung der Verbindungsausbildung beim Einprägen Verwendung finden. Die Matrizenkonturen können in ihrer Geometrie an die Besonderheiten des Fügeteilwerkstoffes, in den die Prägeelemente 3 eingeprägt werden, angepasst sein. Ferner kann die Matrizenkontur als starres Gesenk ausgelegt sein oder bewegliche Anteile in der Mantelfläche und/oder im Bodenbereich aufweisen. Zum einen kann dadurch der Werkstofffluss zur Hinterschnittbildung durch
Aufspreizen der Prägeelemente 3 unterstützt werden und somit die Tragfähigkeit einer späteren Verbindung verbessern. Zum anderen kann durch die Matrizenkontur der aus der Blechebene des Fügeteiles hervorstehende Werkstoff dahingehend ausgebildet werden, dass dieser für den nachfolgenden Schweißprozess technisch von Vorteil ist und/oder nach der
Verbindungserzeugung optische und/oder technische Vorteile bietet. Diese Vorteile können in der Kontaktierung zwischen Blechwerkstoff 1 , 5 und Schweißelektrode 35, 36 liegen, zur
Lokalisierung der Fügestelle genutzt werden (zum Beispiel beim Teachen von Schweißrobotern, beim Schweißen mit handgeführten Schweißanlagen, beim Anfahren mittels optischer Systeme) oder auch die Störkonturen auf der Blechoberfläche reduzieren oder die Verbindung optisch hervorheben. Des Weiteren können durch die Matrizengestaltung Vorteile bei der Entformung des Blechs 1 aus der Matrize 27 entstehen. Zur Unterstützung der Entformung kann auch ein Abstreifer an oder um die Matrize 27 herum angeordnet sein. Von den in der Fig. 8 gezeigten Matrizenkonturen sind Kombinationen möglich, um, je nach Fügeteilwerkstoffeigenschaften (zum Beispiel Festigkeit, Dicke, Duktilität) und Fügeelementeigenschaften (zum Beispiel Geometrie, Festigkeit, Duktilität), die Geometrie auf die Fügeaufgabe und Anwendung abzustimmen.