WO2015106780A1 - Verfahren zum fügen von zumindest zwei zumindest in einer fügezone überlappend angeordneten fügeteilen unter verwendung eines fügelements - Google Patents

Verfahren zum fügen von zumindest zwei zumindest in einer fügezone überlappend angeordneten fügeteilen unter verwendung eines fügelements Download PDF

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Frank Barkhausen
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    • F16B5/00Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/04Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of riveting

Definitions

  • the invention relates to a method for joining at least two joining parts which are arranged overlapping at least in a joining zone, using a padding element according to the preamble of claim 1.
  • a joining method for joining overlapping arranged joining parts which uses an undercut-free joining element in a shank region.
  • material of a first joining part is driven during the joining process by a punching recess of the second joining part produced during the joining process, whereby an undesirable punching slug is produced.
  • the material of the first joining part is pressed relative to the second joining part, so that a positive connection is created between the first and the second joining part.
  • a disadvantage of this method is that an undesirable punching slug arises, which must be reliably transported away from the joint.
  • when driving the first material through the punch hole just created in the second joining part arise uncoated edge areas, which can lead to unwanted corrosion.
  • the joining element used has at least in the shaft region, circumferentially circumferential undercuts or grooves and depressions, which serve that by pressing in of material which is effected by means of a die, the Vollstanzniet sitting positively in the material of the two parts to be joined.
  • the object of the invention is to avoid the disadvantages of the prior art. It is another object of the invention to provide a joining method using a joining element, in which a susceptibility to corrosion in the region of the joints is minimized.
  • a further object of the invention is to provide a joining method in which no free punched slugs arise, which must be disposed of.
  • Another object of the invention is to provide a joining method with a simply shaped joining element, which provides sufficient Ausknöpffesttechniken or Ausknöpf technique available.
  • a further object of the invention is to specify a stamped rivet joining method which can also be used within a narrowly dimensioned joining zone, in particular in a region of a body flange of 12 mm or less flange length.
  • a method for joining at least two joining parts overlapping at least in a joining zone using a joining element which is supplied in a joining direction F of the joining zone and is formed without undercut at least in a shaft region opposite the joining direction F is further developed according to the invention by means of the Joining element is punched at least in the joining direction F first with the joining element interacting first joining part and the joining element a second joining part is not punched pressed into the second joining part, wherein the shank portion of the Fü ⁇ geelements after pressing into the second joining part undercut and at least in the joining direction F seen form fit the first and second joining part radially kraftbeaufsc can be arranged touching.
  • a punching slug produced during the punching of the first joining part is embedded between a front-side free end of the joining element and the non-punched-second joining part. In this way, therefore, the punching slug produced during the punching of the first joining part remains in the joint connection between the joining parts to be joined. There is thus no waste in the form of a Stanzbutzens z. B. from the joining station at which the inventive method is performed, removed and / or disposed of.
  • Fitting elements which have a shank region and a joining part head are suitable for the method according to the invention, the shank region being formed without an undercut contrary to the intended joining direction F and with respect to its shank outer surface being circular, oval, triangular or polygonal in section.
  • the shank region of the joining element can taper towards its free end.
  • the joining element used in the invention is designed such that it remains unchanged or virtually unchanged in the joining process in terms of its spatial form. Under “unchanged” or “almost unchanged” is to be understood here that, of course, when driving the joining element, if necessary, grooves or furrows may occur on the outer sides of the joining element. However, the spatial form of the joining element remains essentially unchanged. As a counter-example, in which the spatial form of the joining element does not remain unchanged, mention should be made here of semi-hollow punching, in which a defined deformation of the half-hollow punch rivet forms an undercut in the joint connection. required and wanted.
  • a suitable joining element for the joining method according to the invention is a solid body which retains its spatial form during joining.
  • the joining element is formed of a material which is harder than the harder of the two parts to be joined.
  • the inventive method is suitable for joining two joining parts of the same or different materials.
  • the joining part 1 and the joining part 2 may consist of different plastics.
  • one of the two parts may be made of plastic, the other of the two parts to be made of a metal.
  • the method according to the invention can also be used in the case of joining parts which consist of different metal materials.
  • the joining element may be formed from a material which has a higher thermal expansion coefficient ⁇ than the largest coefficient of thermal expansion ⁇ of the joining parts to be joined.
  • the joining zone ie z. B. a portion of the joining parts, in which the joining element is to be pressed to heat before performing the joining method according to the invention.
  • Such heating can be effected, for example, by means of suitable heating means in a hold-down device or a die.
  • the joining part consisting of metal can be locally heated, for example by means of inductive heating, prior to the impressions of the joining element.
  • inductive heating in the hold-down and / or the die induction coils may be present.
  • a prepared adhesive bond is understood to mean, for example, that an adhesive application takes place, which is cured in a later step.
  • FIG. 1 shows a cross section through a joining part arrangement which is to be joined with the method according to the invention
  • FIG. 2 shows schematically a section through a flange region of joining parts to be joined in the region of a joining zone with a joining element used in accordance with the method according to the invention
  • Figures 3a to 3c a perspective view, a side view and a
  • FIG. 1 An exemplary joining part arrangement which is suitable for the joining method according to the invention is shown in FIG.
  • the joining part arrangement has a first joining part 1, a second joining part 2 and optionally a third joining part 3.
  • the joining parts 1, 2, 3 form, for example, a first joining flange 4 and a second joining flange 5.
  • the joining method according to the invention is used z. B. used in joining directions F joining elements.
  • the joining directions F In the illustrated example according to FIG. 1, the second and third joining parts 2, 3 consist, for example, of a steel material, the second and third joining parts 2, 3 being in the region of the joining flanges 4, 5 a spot weld are connected together.
  • the first joining part 1 in the region of the joining flanges 4, 5 is to be connected to the already existing composite of the second and the third joining part 2, 3.
  • the first joining part 1 can also be made of a steel material or another metal material, eg. As aluminum, or made of plastic.
  • FIG. 2 shows a joining flange 4, 5 into which a joining element 6 is inserted.
  • the joining element 6 was by means of a punch 7 along the joint. direction F in the joining flange 4, 5 pressed.
  • the joining element 6 first comes into contact with the first joining part 1.
  • the punch 7, the first joining part 1 is punched through, so that a punched slug 8 is formed.
  • the punched slug 8 is pressed together with a front in the joining direction F free end 9 of the joining element 6 in the second joining part 2, wherein - which is essential - the second joining part 2 is not completely punched, but is only partially deformed in the direction of joining direction F.
  • This makes it possible to embed the punched slug 8 between the joining element 6, in particular its free end 9, and the non-punctured remaining remainder of the second joining part 2.
  • a third joining part 3 is involved in the formation of the joining flange 4, 5, this is locally deformed by the driving in of the joining element 6 in the joining direction F, if appropriate in a recess area 10 of a die 11.
  • a spot welding which is indicated schematically by a spot welding lens 15.
  • the hold-down 14 and the die 1 1 each have contact surfaces 20 and 21, which are in contact with the joining flanges 4, 5 during the insertion of the joining element 6 in the region of a joining zone 22. If required, heat can be introduced into the joining zone via these contact surfaces 20, 21.
  • the joining element 6 thus sits after the joining process according to the invention undercut-free and seen at least in the joining direction F, form-fitting with its shaft 13 in the joining parts 1, 2.
  • FIGS. 3a to 3c A suitable joining element 6 for the joining method according to the invention is shown in FIGS. 3a to 3c.
  • Such a joining element 6 has a shaft 13 and a head 23.
  • the head 23 interacts with its outer side 24 during the joining process with the punch 7.
  • the head 23 of the joining element 6 tapers preferably at an angle ⁇ > 120 ° and opens into the shaft 13 over a radius range 25.
  • the shaft 13 has a shallow recess 26 on the front side, which projects into seen a longitudinal extent L of the joining element 6, by a small amount, preferably less than 1/5, preferably less than 1/10 of the longitudinal extent L of the free end 9 extends away.
  • a flat face can be used.
  • the joining element 6 is designed in the example according to the figures 3a to 3c as a rotationally symmetrical component, wherein the recess 26 is formed conically.
  • the recess 26 extends in the radial direction from a central axis M of the joining element 6 as seen from almost to the outer surface 12 of the shaft 13, so that a circumferential centering edge 27 is formed.
  • the centering edge 27 causes a reduction in the tilt tendency when placing the joining element 6 on the joining Part 1 before the joining element 6 is pressed and supports the punching of the first joining part 1 by means of the joining element 6.
  • the outer surface 12 of the shaft 13 preferably has a surface roughness R a of 10 ⁇ or less.
  • the feet ⁇ geelement 6 with the exception of the recess 26 as a solid part formed (see FIG. 3c), so that a change in the dimensional shape, especially one to minimal changes in the outside surface 12 of the shaft 13 (ie, ridges or grooves) ' ⁇ during insertion of the joining element 6, a further spatial shape change of the joining element 6 during joining is omitted.
  • a coating for.
  • this has a roughness R a ⁇ 10 ⁇ at least in the region of the shank 13.
  • Another function of the recess 26 is the at least partially receiving the resulting punching 8 and a guide of the punching 8 when entering the second mold part. 2
  • the shaft 13 of the joining element 6 is cylindrical in the embodiment 3a to 3c, at least undercut formed.
  • the choice of material for the joining element 6 is preferably such that a harder material is used for the joining element 6, which is harder than the harder of the two joining parts 1, 2 to be joined.
  • the thermal expansion coefficient ⁇ of the joining element 6 is greater than the largest coefficient of thermal expansion ⁇ of the parts 1, 2 to be joined.
  • the shaft 13 may be formed, for example, as a truncated cone, with generatrices 28 of the outer surface 12 at an acute angle at an angle ß of a few degrees, in particular less than 3 ° to 5 ° with the center line M (shown in phantom in Figure 3c) intersect.
  • a coefficient of friction between the outer surface 12 and the joining parts 1, 2 is decisive and is chosen to be so small in an expert manner that in the case of the according to the method produced joint connection still sufficiently high Ausknöpf practice can be achieved.
  • a diameter of the shaft 13 of the joining element 6 of less than 4 mm, in particular less than 3.5 mm has proven.
  • the diameter D S of the largest diameter of the shank 13 is defined, which is present directly at the transition to the radius region 25.
  • a diameter DK of the head 23 of the joining element is preferably 1.5 to 2 times the diameter DS of the shank 13.
  • the joining element 6 is in particular made of high-strength tempered steel or of a material which has a hardness of at least 520 HV, preferably 540 HV to 650 HV.
  • z. B. be provided with a phase or a transition radius.
  • the above information on the hardness of the joining element 6 are preferably used for the joining of high-strength body panels. If, for example, a first and a second joining part 1, 2 made of a softer material, for example of plastic or of aluminum, are connected to one another by the method according to the invention, it is of course possible to use joining elements 6 with a lower hardness. In particular, for joining non-steel materials, it may be expedient to use an optionally uncoated joining element 6, z. B. from a so-called stainless steel to use.
  • groove-like depressions 29 and / or rib-like elevations 30 may be provided.
  • the groove-like recesses 29 and / or rib-like elevations 30 run parallel to the longitudinal extension, ie parallel to the central axis M of the joining element 6, which is equivalent to a direction parallel to the joining direction F.
  • the method according to the invention can be carried out inexpensively, since on the one hand a pre-punching of the joining part 1 in the region of the joining zone 22 is not necessary.
  • the punching slug 8 produced during the punching of the joining part 1 by means of the joining element 6 is also embedded in the joining part 2, so that disposal of this stamped stud 8 and possibly material separation of this stamped stud 8 from other stamped slugs 8 is not required.
  • the inventive method the use of particularly small joining elements 6, z. B. with a shank diameter of only a maximum of 4 mm, whereby an outer diameter of the joining tools (die 11 and hold-down 14) can be kept low.
  • the joining method according to the invention can also be used well on flanging flanges 4, 5 having particularly short construction with flange lengths of less than 15 mm, in particular 12 mm or less.
  • the method according to the invention is particularly suitable for joining sheet-like parts 1 to be punched, which in particular can have a thickness of 0.5 mm to 1.5 mm, in particular 0.8 mm to 1.2 mm, joint thickness.
  • sheet-like joining parts 2, in which the punched slugs 8 are embedded, in a thickness of 1, 5 mm to 6 mm are suitable for use.
  • the thicknesses of the parts to be joined, 2 may be the same or different.
  • the thicker of the two parts to be joined is the one which serves to receive the stamped piece 8 and which is not pierced. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei zumindest in einer Fügezone (22) überlappend angeordneten Fügeteilen (1, 2) unter Verwendung eines Fügelements (6), welches in einer Fügerichtung (F) der Fügezone zugeführt wird und zumindest in einem Schaft (13) entgegen der Fügerichtung (F) gesehen hinterschnittfrei ausgebildet ist, wobei mittels des Fügeelements (6) zumindest ein in Fügerichtung (F) zuerst mit dem Fügeelement (6) in Wechselwirkung tretendes erstes Fügeteil (1) durchstanzt wird und das Fügeelement (6) ein zweites Fügeteil (2) nicht durchstanzend in das zweite Fügeteil (2) eingedrückt wird, wobei der Schaft (13) des Fügeelements (6) nach dem Eindrücken in das zweite Fügeteil (2) hinterschnittfrei und zumindest entgegen der Fügerichtung (F) gesehen formschlussfrei das erste und zweite Fügeteil (1, 2) radialkraftbeaufschlagt berührend angeordnet ist.

Description

Verfahren zum Fügen von zumindest zwei zumindest in einer Fügezone überlappend angeordneten Fügeteilen unter Verwendung eines Fügelements
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei zumindest in einer Fügezone überlappend angeordneten Fügeteilen unter Verwendung eines Fügelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 103 29 447 A1 ist ein Fügeverfahren zum Verbinden von überlappend angeordneten Fügeteilen bekannt, welches ein in einem Schaftbereich hinterschnitt- freies Fügeelement nutzt. Bei diesem offenbarten Fügeverfahren wird Material eines ersten Fügeteils während des Fügeverfahrens durch eine beim Fügeverfahren erzeugte Stanzausnehmung des zweiten Fügeteils getrieben, wodurch ein unerwünschter Stanzbutzen entsteht. Nachdem Durchtreiben von Material des ersten Fügeteils durch die entstandene Stanzöffnung des zweiten Fügeteils wird das Material des ersten Fügeteils relativ zum zweiten Fügeteil verpresst, so dass zwischen dem ersten und dem zweiten Fügeteil ein Formschluss entsteht. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass ein unerwünschter Stanzbutzen entsteht, der von der Fügestelle zuverlässig abtransportiert werden muss. Außerdem entstehen beim Durchtreiben des ersten Materials durch die gerade erst erzeugte Stanzöffnung im zweiten Fügeteil unbeschichtete Kantenbereiche, wodurch es zu unerwünschten Korrosionen kommen kann.
Aus der DE 10 201 1 009 649 A1 ist das allgemein unter dem Begriff Vollstanznieten bekannte Verfahren offenbart. Bei einem derartigen Verfahren hat das verwendete Fügeelement zumindest im Schaftbereich, in Umfangsrichtung umlaufende Hinterschnitte oder Rillen und Vertiefungen, die dazu dienen, dass durch ein Einpressen von Material, welches mittels einer Matrize erfolgt, die Vollstanzniet formschlüssig im Material der beiden Fügeteile sitzt.
Bei einem sogenannten Vollstanznietverfahren ist nachteilig, dass zumindest ein, gegebenenfalls sogar zwei Stanzbutzen der beiden zu fügenden Teile entstehen. 14 003182
2
Insbesondere wenn die Fügeteile aus unterschiedlichem Material bestehen, sind zwei entstehende Stanzbutzen besonders nachteilig, da diese im Nachgang zur Fügung mittels der Vollstanzniet zum Zwecke des Recyclings materialspezifisch wieder getrennt werden müssen.
Aus der DE 10 2008 005 289 ist eine Befestigungsanordnung eines Karosseriebauteils, insbesondere eines Dachelements für ein Fahrzeugdach an einer Karosserie eines Kraftwagens bekannt. Diese Befestigungsanordnung nutzt als Befestigungsbzw. Fügelösung das Vollstanznietverfahren, bei dem beim Einbringen der Vollstanzniet in die zu fügenden Bauteile zwei Stanzbutzen entstehen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist das Entstehen von Stanzbutzen, die einen erhöhten Entsorgungsaufwand auslösen.
Aufgabe der Erfindung ist es die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Fügeverfahren unter Verwendung eines Fügeelements anzugeben, bei dem eine Korrosionsanfälligkeit im Bereich der Fügestellen minimiert ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fügeverfahren anzugeben, bei dem keine freien Stanzbutzen entstehen, die entsorgt werden müssen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fügeverfahren mit einem einfach geformten Fügeelement anzugeben, welches ausreichende Ausknöpffestigkeiten bzw. Ausknöpfkräfte zur Verfügung stellt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Stanzniet-Fügeverfahren anzugeben, welches auch innerhalb in einer eng bemessenen Fügezone, insbesondere in einem Bereich eines Karosserieflansches von 12 mm oder weniger Flanschlänge einsetzbar ist.
Diese Aufgaben werden mit einem Fügeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gegeben. Ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei zumindest in einer Fügezone überlappend angeordneten Fügeteilen unter Verwendung eines Fügeelements, welches in einer Fügerichtung F der Fügezone zugeführt wird und zumindest in einem Schaftbereich entgegen der Fügerichtung F gesehen hinterschnittfrei ausgebildet ist, wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass mittels des Fügeelements zumindest ein in Fügerichtung F zuerst mit dem Fügeelement in Wechselwirkung tretendes erstes Fügeteil durchstanzt wird und das Fügeelement ein zweitesFügeteil nicht durchstanzend in das zweite Fügeteil eingedrückt wird, wobei der Schaftbereich des Fü^ geelements nach dem Eindrücken in das zweite Fügeteil hinterschnittfrei und zumindest in Fügerichtung F gesehen formschlussfrei das erste und zweite Fügeteil radial- kraftbeaufsc lagt berührend angeordnet ist.
Bei einem derartigen erfindungsgemäßen Verfahren ist von besonderem Vorteil, dass keine unerwünschten Stanzbutzen entstehen. Insbesondere wird der beim Durchstanzen des ersten Fügeteils mittels des Fügeelements entstehende Stanzbutzen in einen Bereich des zweiten Fügeteils verschoben und dort eingebettet. Das Fügeelement bleibt beim erfindungsgemäßen Fügeverfahren nahezu unverformt und soll gerade nicht wie beim Halbhohlsstanznieten aufpilzen. Hierdurch kann die Fügezone besonders klein gehalten werden, was es ermöglicht, auch im Durchmesser kleine Stempel und Matrizen bzw. Niederhalter einzusetzen, so dass das erfindungsgemäße Fügeverfahren auch im Bereich kleiner Überlappungszonen, insbesondere im Bereich von schmalen Karosserieflanschen gut einsetzbar ist. Überraschend ist, dass beim erfindungsgemäßen Fügeverfahren durch das Durchdringen des ersten Fügeteils und durch das Einbringen des Fügeelements in das zweite Fügeteil entlang der Formrichtung F offensichtlich so große Radialkräfte auf den Schaft des Fügeelements einwirken, dass ausreichend hohe Ausknöpfkräfte erreichbar sind, die z.B. für eine Verbindung von Karosserieteilen mittels Niettechnik notwendig sind. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird bewusst kein Formschluss erzeugt sondern durch das Eindrücken des hinterschnittfreien Fügeelements entsteht jeweils zwischen den Fügeteilen und dem Fügeelement an den sich berührenden Flächen reiner Kraft- und/oder Reibschluss, wobei die hierdurch entstehenden Ausziehkräfte des Fügeelements aus den Fügeteilen ein ausreichend hohes Maß erreichen. In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein beim Durchstanzen des ersten Fügeteils entstehender Stanzbutzen zwischen einem stirnseitigen freien Ende des Fügeelements und dem nicht durchstanzten zweiten Fügeteil eingebettet. Hierdurch verbleibt also der beim Durchstanzen des ersten Fügeteils entstehende Stanzbutzen in der Fügeverbindung zwischen den zu fügenden Fügeteilen. Es entsteht somit kein Abfall in Form eines Stanzbutzens, der z. B. von der Fügestation, an der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, entfernt und/oder entsorgt werden muss.
Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich Fügeelemente, welche einen Schaftbereich und einen Fügeteilkopf besitzen, wobei der Schaftbereich entgegen der beabsichtigten Fügerichtung F gesehen hinterschnittfrei ausgebildet ist und hinsichtlich seiner Schaftaußenfläche im Schnitt kreisförmig, oval, drei- oder mehreckig oder polygonal ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann sich der Schaftbereich des Fügeelements zu seinem freien Ende hin verjüngen.
Das erfindungsgemäß verwendete Fügeelement ist derart ausgebildet, dass es beim Fügevorgang hinsichtlich seiner Raumform unverändert oder nahezu unverändert bleibt. Unter„unverändert" oder„nahezu unverändert" ist hierbei zu verstehen, dass selbstverständlich beim Eintreiben des Fügeelements gegebenenfalls Riefen oder Furchen an den Außenseiten des Fügeelements entstehen können. Die Raumform des Fügeelements bleibt dabei allerdings im Wesentlichen unverändert. Als Gegenbeispiel, bei dem die Raumform des Fügeelements nicht unverändert bleibt, sei hier das Halbhohlstanznieten erwähnt, bei dem eine definierte Verformung des Halbhohl- stanzniets zur Ausbildung eines Hinterschnitts in der Fügeverbindung. erforderlich und gewollt ist. Dem gegenüber ist ein geeignetes Fügeelement für das erfindungsgemäße Fügeverfahren ein Massivkörper der beim Fügen seine Raumform behält.
Es hat sich gezeigt, dass es bereits zu einer ausreichend hohen Festigkeit der Fügestelle kommt, wenn das Fügee/ement in dem Bereich der Schaftaußenfläche eine Rauhtiefe von Ra <, 10 μιη aufweist. Bereits bei einer solchen Oberflächenrauhtiefe entstehen durch die beim Fügen entstehenden Radialkräfte auf die Schaftaußenfläche des Fügeelements ausreichend hohe Reibkräfte, die zu ausreichend hohen Ausknöpfkräften bzw. Ausknöpffestigkeiten der Verbindungsstelle führen. Zweckmäßigerweise wird das Fügeteil unter Verwendung eines Stempels und einer Matrize eingesetzt. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Durchmesser des Schaftbereichs des Fügeelements, der kleiner als 4 mm, insbesondere kleiner als 3,5 mm ist, Matrizen mit einem Durchmesser von 12 mm oder weniger, insbesondere weniger als 10 mm im Bereich der Fügezone verwendet werden können, so dass eine solche Matrize geeignet ist, in engen Bereichen von Fügezonen, beispielsweise bei Karosserieflanschen, eingesetzt zu werden.
Zweckmäßigerweise ist das Fügeelement aus einem Material gebildet, welches härter ist als das härtere der beiden zu fügenden Fügeteile.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Fügen zweier Fügeteile aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien. Beispielsweise kann das Fügeteil 1 und das Fügeteil 2 aus unterschiedlichen Kunststoffen bestehen. Gleichwohl ist es auch möglich, dass eines der beiden Fügeteile aus Kunststoff, das andere der beiden Fügeteile aus einem Metall besteht. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Fügeteilen, die aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen bestehen, einsetzbar.
Zur weiteren Verbesserung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fügeverbindung empfiehlt es sich gegebenenfalls, das Fügeelement aus einem Material auszubilden, welches einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten α besitzt als der größte Wärmeausdehnungskoeffizient α der zu fügenden Fügeteile.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, die Fügezone, also z. B. ein Teilbereich der Fügeteile, in den das Fügeelement eingedrückt werden soll vor dem Durchführen des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens zu erwärmen. Eine derartige Erwärmung kann beispielsweise über geeignete Heizeinrichtungen in einem Niederhalter oder einer Matrize bewirkt werden. Besteht zumindest eines der Fügeteile aus einem induktiv erwärmbaren Metall, kann beispielsweise mittels einer induktiven Erwärmung das aus Metall bestehende Fügeteil lokal vor dem Eindrücken des Fügeelements erwärmt werden. Hierzu können zum Zwecke der induktiven Erwärmung im Niederhalter und/oder der Matrize Induktionsspulen vorhanden sein. Hierdurch wird erreicht, dass zum Zeitpunkt des Einpressens des Fügeelements in die Fügeteile diese eine höhere Temperatur aufweisen als das Fügeelement, wodurch nach dem Einsetzen des Fügeelements die auf die Schaftaußenfläche des Fügeelements einwirkenden Radialkräfte erhöht werden können. Hierdurch entsteht eine erhöhte Ausknöpffestigkeit, da aufgrund der erhöhten Radialkräfte auch eine erhöhte Reibkraft zwischen den Fügeteilen 'und dem Fügeelement entsteht und somit der erfindungsgemäß gewollte KraftAReibschiuss unter Vermeidung eines Formschlusses in ausreichend hohem Maße erreicht wird.
Zur weiteren Erhöhung der Festigkeit oder zum Zwecke der Erreichung von dichten Flanschverbindungen kann es zweckmäßig sein, vor dem Durchführen des erfindungemäßen Fügeverfahrens zwischen den Fügeteilen, insbesondere im Bereich der Fügeflansche eine Klebeverbindung herzustellen oder zumindest vorzubereiten. Unter einer vorbereiteten Klebeverbindung wird beispielsweise verstanden, dass ein Klebstoffauftrag erfolgt, der in einem späteren Schritt ausgehärtet wird. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 : einen Querschnitt durch eine Fügeteilanordnung, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefügt werden soll;
Figur 2: schematisch einen Schnitt durch einen Flanschbereich von zu fügenden Fügeteilen im Bereich einer Fügezone mit einem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Fügeelement und
Figuren 3a bis 3c: eine perspektivische Ansicht, eine Seitenansicht und eine
Schnittdarstellung eines für das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehenen Fügeelements.
Eine beispielhafte Fügeteilanordnung, die für das erfindungsgemäße Fügeverfahren geeignet ist, ist in Figur 1 gezeigt. Die Fügeteilanordnung besitzt ein erstes Fügeteil 1 , ein zweites Fügeteil 2 sowie optional ein drittes Fügeteil 3. Die Fügeteile 1 , 2, 3 bilden beispielsweise einen ersten Fügeflansch 4 und einen zweiten Fügeflansch 5. Im Bereich der Fügeflansche 4 und 5 werden mit dem erfindungemäßen Fügeverfahren z. B. in Fügerichtungen F Fügeelemente eingesetzt. Die Fügerichtungen F ste- hen dabei bevorzugt senkrecht auf den Fügeflanschen 4, 5. Im dargestellten Beispiel gemäß Figur 1 bestehen das zweite und das dritte Fügeteil 2, 3 beispielsweise aus einem Stahlwerkstoff, wobei das zweite und das dritte Fügeteil 2, 3 im Bereich der Fügeflansche 4, 5 mittels einer Punktschweißung miteinander verbunden sind. Mit dem erfindungemäßen Fügeverfahren soll das erste Fügeteil 1 im Bereich der Fügeflansche 4, 5 mit dem bereits bestehendem Verbund aus dem zweiten und dem dritten Fügeteil 2, 3 verbunden werden. Das erste Fügeteil 1 kann dabei ebenfalls aus einem Stahlwerkstoff oder einem anderen Metallwerkstoff, z. B. Aluminium, oder aus Kunststoff bestehen.
Im Folgenden wird anhand der Figur 2 das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft näher erläutert, wobei Figur 2 einen Fügeflansch 4, 5 zeigt, in den ein Fügeelement 6 eingesetzt ist. Das Fügeelement 6 wurde mittels eines Stempels 7 entlang der Füge- . richtung F in den Fügeflansch 4, 5 eingedrückt. Beim Eindrücken des Fügeelements 6 entlang der Fügerichtung F kommt das Fügeelement 6 zunächst mit dem ersten Fügeteil 1 in Kontakt. Durch eine Weiterbewegung des. Stempels 7 wird das erste Fügeteil 1 durchstanzt, so dass ein Stanzbutzen 8 entsteht. Der Stanzbutzen 8 wird zusammen mit einem in Fügerichtung F vorderen freien Ende 9 des Fügeelements 6 in das zweite Fügeteil 2 eingedrückt, wobei - was wesentlich ist - das zweite Fügeteil 2 nicht vollständig durchstanzt wird, sondern lediglich partiell in Richtung der Fügerichtung F verformt wird. Hierdurch gelingt es, den Stanzbutzen 8 zwischen dem Fügeelement 6, insbesondere seinem freien Ende 9, und dem nicht durchstanzten verbleibenden Rest des zweiten Fügeteils 2 einzubetten. Sofern ein drittes Fügeteil 3 an der Bildung des Fügeflansches 4, 5 beteiligt ist, wird dieses durch das Eintreiben des Fügeelements 6 in Fügerichtung F gegebenenfalls in einem Ausnehmungsbe- reich 10 einer Matrize 11 lokal verformt. Es hat sich überraschender weise gezeigt, dass sich durch das Eintreiben des Fügeelements 6 in Fügerichtung F Radialkräfte R bilden, welche ausreichend groß sind, um mit einer Außenoberfläche 12 eines Schaftes 13 des Fügeelements 6 zusammen zu wirken. Aufgrund dieser Radialkräfte entstehen Reibungskräfte R, die ein Herausziehen des Fügeelementes 6 entgegen der Fügerichtung F aus den Fügeteilen 1 , 2 entgegengerichtet sind. Diese Haftreibungskräfte sind ausreichend hoch, so dass eine ausreichend hohe Ausknöpfkraft, bei der sich die Fügeteile 1 und 2 wieder lösen lassen, erreicht werden kann. Den Stempel 7 umgebend kann zweckmäßiger Weise ein Niederhalter 14 angeordnet sein, wobei selbstverständlich nach dem Einsetzen des Fügeelements 6 in den Fügeflansch 4, 5 sowohl der Stempel 7, der Niederhalter 14, als auch die Matrize 1 1 wieder entfernt werden. Bei einem dreilagigen Aufbau des Fügeflansches 4, 5, wie er in Figur 2 dar¬ gestellt ist, ist es gegebenenfalls zweckmäßig, die Fügeteile 2 und 3 bereits vor dem Einsetzen des Fügeelements 6 miteinander zu verbinden. Beispielsweise bietet sich hier eine Punktschweißung an, die schematisch durch eine Punktschweißlinse 15 angedeutet ist. Der Niederhalter 14 und die Matrize 1 1 weisen jeweils Kontaktflächen 20 bzw. 21 auf, die während des Einsetzens des Fügeelements 6 im Bereich einer Fügezone 22 mit den Fügeflanschen 4, 5 in Kontakt sind. Über diese Kontaktflächen 20, 21 kann bei Bedarf Wärme in die Fügezone eingeleitet werden. Zu diesem Zwecke kann es zweckmäßig sein, den Niederhalter 14 und die Matrize 1 1 im Bereich der Kontaktflächen 20, 21 mittels Heizeinrichtungen (nicht gezeigt) zu beheizen.
Im Ergebnis sitzt das Fügeelement 6 somit nach dem Durchführen des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens hinterschnittfrei und zumindest in Fügerichtung F gesehen, formschlussfrei mit seinem Schaft 13 in den Fügeteilen 1 , 2.
Ein geeignetes Fügeelement 6 für das erfindungsgemäße Fügeverfahren ist in den Figuren 3a bis 3c dargestellt. Ein solches Fügeelement 6 weist einen Schaft 13 und einen Kopf 23 auf. Der Kopf 23 wirkt mit seiner Außenseite 24 während des Fügevorganges mit dem Stempel 7 zusammen. Gegenüber der Außenseite 24 verjüngt sich der Kopf 23 des Fügeelements 6 bevorzugt mit einen Winkel α > 120° und mündet über einen Radiusbereich 25 in den Schaft 13. An seinem freien Ende 9 weist der Schaft 13 stirnseitig eine flache Vertiefung 26 auf, welche sich in einer Längserstreckung L des Fügeelements 6 gesehen, um ein geringes Maß, bevorzugt weniger als 1/5 bevorzugt weniger als 1/10 der Längserstreckung L von dem freien Ende 9 weg erstreckt. Alternativ kann auch eine ebene Stirnfläche zum Einsatz kommen.
Das Fügeelement 6 ist im Beispiel gemäß den Figuren 3a bis 3c als rotationssymmetrisches Bauteil ausgeführt, wobei die Vertiefung 26 kegelig ausgebildet ist. Die Vertiefung 26 erstreckt sich in radialer Richtung von einer Mittelachse M des Fügeelements 6 aus gesehen bis nahezu zur Außenoberfläche 12 des Schaftes 13, so dass eine umlaufende Zentrierkante 27 gebildet ist. Die Zentrierkante 27 bewirkt eine Verminderung der Kippneigung beim Aufsetzen den Fügeelements 6 auf dem Füge- teil 1 , bevor das Fügeelement 6 eingedrückt wird und unterstützt das Durchstanzen des ersten Fügeteils 1 mittels des Fügeelements 6. Die Außenoberfläche 12 des Schaftes 13 weist bevorzugt eine Rautiefe Ra von 10 μηι oder weniger auf. Das Fü¬ geelement 6 ist mit Ausnahme der Vertiefung 26 als Massivteil ausgebildet (vgl. Figur 3c), so dass eine Änderung der Raumform, insbesondere eine bis auf minimale Veränderungen der Außenoberfläche 12 des Schaftes 13 (d.h. Riefen oder Furchen) '· beim Einsetzen des Fügeelements 6 eine weitergehende Raumformänderung des Fügeelements 6 beim Fügen unterbleibt.
Zweckmäßiger Weise weist das Fügeelement 6 zumindest im Bereich des Schaftes 13 eine Beschichtung, z. B. eine Mischung aus Zink, Aluminium oder Nickel auf. Falls das Fügeelement eine Beschichtung aufweist, besitzt diese zumindest im Bereich des Schaftes 13 eine Rautiefe Ra ^ 10 μηι auf.
Eine weitere Funktion der Vertiefung 26 ist die zumindest teilweise Aufnahme des entstehenden Stanzbutzens 8 und eine Führung des Stanzbutzens 8 beim Eindringen in das zweite Formteil 2.
Der Schaft 13 des Fügeelements 6 ist im Ausführungsbeispiel 3a bis 3c zylindrisch, jedenfalls hinterschnittfrei ausgebildet. Die Materialauswahl für das Fügeelement 6 erfolgt bevorzugt derart, dass für das Fügeelement 6 ein härteres Material verwendet wird, welches härter als das härtere der beiden zu fügenden Fügeteile 1 , 2 ist.
Zweckmäßiger Weise ist der Wärmeausdehnungskoeffizient α des Fügeelements 6 größer als der größte Wärmeausdehnungskoeffizient α der zu fügenden Teile 1 , 2.
Unter "hinterschnittfrei" im Sinne der Erfindung sind auch Raumformen des Schaftes 13 zu verstehen, welche sich zum freien Ende 9 hinterschnittfrei verjüngen. So kann der Schaft 13 beispielsweise als Kegelstumpf ausgebildet werden, wobei sich Mantellinien 28 der Außenoberfläche 12 spitzwinklig unter einem Winkel ß von wenigen Grad, insbesondere weniger als 3° bis 5° mit der Mittellinie M (in Figur 3c gestrichelt dargestellt) schneiden. Bei der Wahl des Winkels ß ist vor allem ein Reibkoeffizient zwischen der Außenfläche 12 und den Fügeteilen 1 , 2 maßgeblich und wird in fachmännischer Art und Weise derart klein gewählt, dass bei der mittels des erfindungs- gemäßen Verfahrens hergestellten Fügeverbindung noch ausreichend hohe Ausknöpfkräfte erreichbar sind.
Für im Karosseriebau für Kraftfahrzeuge übliche Flanschverbindungen hat sich ein Durchmesser des Schaftes 13 des Fügeelements 6 von weniger als 4 mm, insbesondere weniger als 3,5 mm bewährt. Im Falle eines sich zum freien Ende 9 hin verjüngenden Schaftes 13 sei als Durchmesser DS der größte Durchmesser des Schaftes 13 definiert, der unmittelbar am Übergang zum Radiusbereich 25 vorliegt.
Ein Durchmesser DK des Kopfes 23 des Fügeelements beträgt bevorzugt das 1 ,5- bis 2-fache des Durchmessers DS des Schaftes 13.
Das Fügeelement 6 ist insbesondere aus hochfestem Vergütungsstahl oder aus einem Werkstoff ausgeführt, der eine Härte von mindestens 520 HV.bevorzugt 540 HV bis 650 HV besitzt. Gegebenenfalls kann zur Ausbildung der Zentrierkante 27 der Schaft 13 im Bereich seines freien Endes 9 sich stärker verjüngendausgebildet sein, z. B. mit einer Phase oder einem Übergangsradius versehen sein.
Oben genannte Angaben zur Härte des Fügeelements 6 sind bevorzugt für das Fügen von hochfesten Karosserieblechen verwendbar. Werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise ein erstes und ein zweites Fügeteil 1 , 2 aus einem weicheren Werkstoff, beispielsweise aus Kunststoff oder aus Aluminium miteinander verbunden, so können selbstverständlich Fügeelemente 6 mit einer geringeren Härte eingesetzt werden. Insbesondere zum Fügen von Nichtstahlwerkstoffen, kann es zweckmäßig sein, ein gegebenenfalls auch unbeschichtetes Fügeelement 6, z. B. aus einem sogenannten Edelstahl zu verwenden.
Zur Erhöhung der am Aufbau des Kraft-/Reibschlusses beteiligten Außenseite 24 des Schaftes 23 können rillenartige Vertiefungen 29 und/oder rippenartige Erhebungen 30 vorgesehen sein. Die rillenartigen Vertiefungen 29 und/oder rippenartige Erhebungen 30 verlaufen dabei parallel zur Längserstreckung, d. h. parallel zur Mittelachse M des Fügeelements 6, was gleichbedeutend ist mit einer Parallelrichtung zur Fügerichtung F. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es in vorteilhafter Weise, eine einfach herzustellende und insbesondere hinsichtlich der Verhinderung von Feuchtigkeitseintritt in die Fügestelle optimierte Fügeverbindung herzustellen. Der Grund hierfür liegt darin, dass zumindest ein außenliegendes Fügeteil nicht durchstanzt wird, so dass dieses Fügeteil, im Bespiel gemäß Figur 2 das Fügeteil 2 keine Durchbrechung erfährt und somit feuchtigkeitsdicht bleibt. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig durchführbar, da zum einen eine Vorstanzung des Fügeteils 1 im Bereich der Fügezone 22 nicht erforderlich ist. Zum anderen wird der beim Durchstanzen des Fügeteils 1 mittels des Fügeelements 6 entstehende Stanzbutzen 8 im Fügeteil 2 mit eingebettet, so dass eine Entsorgung dieses Stanzbutzens 8 und gegebenenfalls eine materialmäßige Trennung dieses Stanzbutzens 8 von anderen Stanzbutzen 8 nicht erforderlich ist.
Des Weiteren ist es von besonderem Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren den Einsatz besonders kleiner Fügeelemente 6, z. B. mit einem Schaftdurchmesser von lediglich maximal 4 mm erlaubt, wodurch ein Außendurchmesser der Fügehilfs- werkzeuge (Matrize 11 und Niederhalter 14) kleingehalten werden kann. Hierdurch gelingt es, dass das erfindungsgemäße Fügeverfahren auch an besonders kurz bauenden Fügeflanschen 4, 5 mit Flanschlängen von weniger als 15 mm, insbesondere 12 mm oder weniger gut einsetzbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Verbindung von blechartige, zu durchstanzendeFügeteilen 1 , welche insbesondere eine Dicke von 0,5 mm bis 1 ,5 mm, insbesondere von 0,8 mm bis 1 ,2 mm Fügeteildicke aufweisen können. Des Weiteren sind blechartige Fügeteile 2, in die die Stanzbutzen 8 eingebettet werden, in einer Dicke von 1 ,5 mm bis 6 mm zur Verwendung geeignet. Dabei können die Dicken der zu fügenden Fügeteile , 2 gleich oder unterschiedlich sein. Bevorzugt ist das dickere der beiden Fügeteile (im Ausführungsbeispiel das Fügeteil 2) dasjenige, welches zur Aufnahme des Stanzbutzens 8 dient und welches nicht durchstanzt wird. Bezugszeichenliste
1 erstes Fügeteil
2 zweites Fügeteil
3 drittes Fügeteil
4 erster Fügeflansch
5 zweiter Fügeflansch
6 Fügeelement
7 Stempel
8 Stanzbutzen
9 freies Ende
10 Ausnehmungsbereich
1 Matrize
12 Außenoberfläche
13 Schaft
14 Niederhalter
15 Punktschweißlinse
20 Kontaktfläche
21 Kontaktfläche
22 Fügezone
23 Kopf
24 Außenseite
25 Radiusbereich
26 Vertiefung
27 Zentrierkante
28 Mantellinie
29 rillenartige Vertiefungen
30 rippenartige Erhebungen
R Radialkraft
i Rautiefe
L Längserstreckung M Mittelachse
F Fügerichtung
DS Durchmesser des Schaftes
DK Durchmesser des Kopfes
Winkel/Wärmeausdehnungskoeffizient Winkel

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Fügen von zumindest zwei zumindest in einer Fügezone (22) überlappend angeordneten Fügeteilen (1 , 2) unter Verwendung eines Fügelements (6), welches in einer Fügerichtung (F) der Fügezone zugeführt wird und zumindest in einem Schaft (13) entgegen der Fügerichtung (F) gesehen hinter- schnittfrei ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels des Fügeelements (6) zumindest ein in Fügerichtung (F) zuerst mit dem Fügeelement (6) in Wechselwirkung tretendes erstes Fügeteil (1 ) durchstanzt wird und das Fügeelement (6) ein zweites Fügeteil (2) nicht durchstanzend in das zweite Fügeteil (2) eingedrückt wird, wobei der Schaft (13) des Fügeelements (6) nach. dem Eindrücken in das zweite Fügeteil (2) hinterschnittfrei und zumindest entgegen der Fügerichtung (F) gesehen formschlussfrei das erste und zweite Fügeteil (1 , 2) radialkraftbeaufschlagt berührend angeordnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein beim Durchstanzen des ersten Fügeteils (1 ) entstehender Stanzbutzen (8) zwischen einem stirnseitigen freien Ende (9) des Fügeelements ' (6) und dem nicht durchstanzten zweiten Fügeteil (2) eingebettet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Fügeelement (6) mit einem Schaft (13) und einem Kopf (23) verwendet wird, wobei der Schaft (13) entgegen der Fügerichtung (F) gesehen hinterschnittfrei ausgebildet ist und hinsichtlich seiner Außenoberfläche (12) im Querschnitt kreisförmig, oval, drei-, vier- oder mehreckig, oder polygonal ausgebildet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaft (13) des Fügeelements (6) sich zu seinem freien Ende (9) hin verjüngend ausgebildet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Raumform des Fügeelements (6) durch den Fügevorgang unverändert oder nahezu unverändert bleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fügeelement (6) im Bereich der Außenoberfläche (12) eine Rautiefe von Ra -S 10 pm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fügeelement (6) unter Verwendung eines Stempels (7) und einer Matrize (1 1) das Fügen der Fügeteile (1 , 2) bewirkend, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Außendurchmesser der im Bereich der Fügezone (22) am zweiten Fügeteil (2) anliegenden Matrize (1 1) weniger als 12 mm, insbesondere weniger als 10 mm beträgt und/oder ein Durchmesser des Schafts (13) des Fügeelements (6) kleiner als 4 mm, insbesondere kleiner als 3,5 mm ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fügeelement (6) aus einem Material besteht, welches härter ist, als das härte der beiden zu fügenden Fügeteile (1 , 2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Fügeteil (1) und das zweite Fügeteil (2) aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise Kunststoff 1 -Kunststoff 2 und/oder Kunststoff-Metall und/oder Metall 1 -Metall 2 bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
gegenüberliegend zur Matrize (1 1 ) ein Niederhalter (14) verwendet wird. .
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fügeelement (6) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (a) besitzt, welcher größer ist, als der größte Wärmeausdehnungskoeffizient (a) der zu fügenden Fügeteile (1 , 2). 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eines der zu fügenden Fügeteile (1 , 2) zumindest im Bereich der Fügezone (22) bevorzugt lokal erwärmt wird, so dass zumindest die Fügeteile (1 , 2) im Bereich der Fügezone (22) eine höhere Temperatur aufweisen als das Fügeelement (6).
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Zwecke der induktiven Erwärmung der Fügezone (22) in dem Niederhalter (14) und/oder der Matrize (11 ) Induktionsspulen vorhanden sind.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Fügen das Fügeelement (6) gegenüber zumindest einem der beteiligten Fügeteile (1 , 2) eine niedrigere Temperatur aufweist, z. B. um zumindest 30 K kälter ist als zumindest das eine beteiligte Fügeteil (1 , 2).
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Durchführen des Fügeverfahrens zwischen den Fügeteilen (1 , 2) eine Klebeverbindung hergestellt oder vorbereitet wird.
PCT/EP2014/003182 2014-01-18 2014-11-27 Verfahren zum fügen von zumindest zwei zumindest in einer fügezone überlappend angeordneten fügeteilen unter verwendung eines fügelements Ceased WO2015106780A1 (de)

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