WO2020182764A1 - Verbindungsverfahren für mindestens zwei bauteile, eine damit erzielte fügeverbindung sowie eine fügevorrichtung für das genannte verbindungsverfahren - Google Patents

Verbindungsverfahren für mindestens zwei bauteile, eine damit erzielte fügeverbindung sowie eine fügevorrichtung für das genannte verbindungsverfahren Download PDF

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WO2020182764A1
WO2020182764A1 PCT/EP2020/056260 EP2020056260W WO2020182764A1 WO 2020182764 A1 WO2020182764 A1 WO 2020182764A1 EP 2020056260 W EP2020056260 W EP 2020056260W WO 2020182764 A1 WO2020182764 A1 WO 2020182764A1
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wire
cover layer
layer
endless wire
base layer
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PCT/EP2020/056260
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Torsten Draht
Möhring JÖRG
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Böllhoff Verbindungstechnik GmbH
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    • B23K2103/18—Dissimilar materials

Definitions

  • the present invention relates to a connection method of at least two stacked components arranged one above the other with the aid of a wire section, of which at least one base layer consists of a weldable metal and a cover layer consists of another metal.
  • the present invention discloses a joining connection which is produced between the at least two stack-shaped components with the above-mentioned base layer and cover layer with the aid of a wire section separated from an endless wire after joining.
  • the present invention comprises a joining device for carrying out the abovementioned joining method and for producing the corresponding joining connection.
  • EP 3 072 626 A1 describes, for example, the connection of a plastic layer to a steel layer with the aid of a rivet-like joining element. While the plastic layer forms the top layer of the component stack, the joining element is preheated with the help of an induction coil before it is placed in the plastic element. The supplied heat supports or facilitates the setting of the joining element in the plastic layer. After the steel layer has been contacted by the joining element, they are connected to one another by means of resistance welding.
  • joining elements are connected to a base layer made of steel by a welding process.
  • the different joining elements are placed in a layer of sealing material, for example, without additional heat supply.
  • cramp-like ones are made
  • Elements from DE 10 2012 004 499 and WO 2015/135712 are preheated before being placed in the plastic cover layer. Since the metallic joining element is heated to a temperature above the glass transition temperature of the plastic layer by means of a current flow or magnetic induction fields, the subsequent setting of the joining element in the plastic layer is facilitated. Finally, the joining element is welded to the steel base layer.
  • the basic features of welding the joining element and the steel base layer are based on the technical teaching according to AT 506 217 B1.
  • the welding process described in this document attaches a pin-like element to a steel layer by means of resistance welding. If the pin-like elements are not available individually, they are melted by renewed power supply in a desired length range and prepared for the future connection.
  • DE 10 2011 117 962 A1 uses a set and welded wire pin to produce a lightweight connection.
  • This lightweight connection consists of a base layer and a top layer made of weldable material such as steel.
  • Non-weldable components such as plastic components, are arranged between the base layer and the top layer.
  • the wire pin is shot into the stack of components described above.
  • resistance welding is then carried out between the inserted pin element and the base layer and the top layer made of weldable material.
  • This invention therefore absolutely requires that, in addition to the base layer, a cover layer made of weldable material, such as steel, is used.
  • a metallic weldable base layer is connected to at least one plastic layer arranged above it.
  • a continuous wire is used as the connecting means, which is first pushed through the plastic layer and in contact with the metallic one Base position is brought.
  • a preheating device ensures that the leading end of the endless wire which has not yet been set is warmed up accordingly. If the leading end of the endless wire is in contact with the metallic base layer, the leading end of the endless wire and the base layer are welded together using a known CMT process (see AT 506 217 B1). Finally, the wire segment located in the component stack is separated from the rest of the continuous wire.
  • a cutting device that is provided in combination with a hold-down device is suitable for this purpose.
  • the present invention discloses a connection method of at least two stacked components with a wire section of a continuous wire, of which at least one weldable base layer consists of a metal weldable to the continuous wire and a metallic cover layer consists of another metal.
  • at least one weldable base layer consists of a metal weldable to the continuous wire and a metallic cover layer consists of another metal.
  • a metallic cover layer consists of another metal.
  • the weldable base layer and the metallic cover layer are connected to the wire section which is only separated from the endless wire after the joining process.
  • connection method has the following steps: arranging the weldable base layer made of metal that can be welded to the endless wire, preferably steel, viewed in a joining direction as the lowest component on an electrode and above at least the metallic cover layer as the uppermost component, feeding an endless wire in the joining direction to the stacked components arranged one above the other until a leading end of the endless wire contacts the cover layer, applying an electrical voltage between the endless wire and the electrode, so that an electrical current flow in the endless wire via the cover layer and the base layer at least the cover layer in a joint area heated adjacent to the leading end of the endless wire, pressing the leading end of the endless wire in the joining direction into the top layer softened by heat in the joining area until the leading end rests against the base layer, and thereby forming a material bulge against the joining direction in the top layer surrounding the endless wire, electrical resistance welding of the leading end of the continuous wire with the base layer and cutting off the continuous wire from the welded leading end in the joining direction above the top layer.
  • connection method uses an endless wire to connect at least two metal layers, from which a connecting wire section is severed at the end of the connection method.
  • the at least two metallic components arranged in a stack on top of one another are connected via the wire section without individual joining elements having to be fed to a setting tool or a joint via peripheral feed systems.
  • at least two metallic components are connected to one another in the stacked arrangement of the components to be connected to one another.
  • it is a weldable base layer that consists of a weldable metal.
  • the stack of components is closed off by a metallic cover layer, the metallic material of which does not necessarily have to consist of weldable metal.
  • the electrode is preferably designed differently. According to a preferred embodiment, in addition to the electrical contact to a voltage or current source, it also provides the mechanical support forces of a support. Correspondingly, the electrode could also be referred to as an electrode support or an electrode matrix. If the base layer is sufficiently mechanically stable and / or the base layer is supported on supports, supports or carriers, the electrode merely establishes electrical contact with the voltage or current source. It is therefore also preferred in this context to connect the electrically conductive base layer to the electrode at any point, while it is mechanically supported on a support, carrier or counter-bearing or provides a counterforce sufficient for the joining process through its own stability.
  • the carriers, supports or supports which consist of electrically conductive material, to the spaiming or power source and to use them as electrodes.
  • a separate electrical connection between the base layer and the voltage or current source would not be necessary.
  • connection method a material bulge is advantageously formed at an entry point of the endless wire into the metallic cover layer.
  • This accumulation of material surrounds the endless wire and preferably ensures an enlarged interface between the endless wire and the metallic cover layer.
  • This enlarged interface between the metallic cover layer and the endless wire is used to conduct electrical current between the endless wire and the electrode and thus for the targeted heating of the cover layer in the joint area.
  • the electrical loads and the resulting resistance heat have an advantageous effect on both the metallic cover layer and the weldable base layer and support the connection method preferred according to the invention.
  • this has the further step: mechanical pretensioning of the stacked components arranged one above the other with a hold-down device against the electrode.
  • the metallic cover layer is preferably pressed in the direction of the weldable base layer with the aid of a hold-down device.
  • the resulting setting processes between the stacked components close possible tolerances and support the formation of interfaces between electrically conductive components, so that electrical contact resistances are reduced.
  • the use of the hold-down device is aimed at ensuring that the depth of the joining area, viewed in the joining direction, is made as small as possible through a narrow component system. In this way, the available mechanical and electrical loads are used more efficiently to establish a connection between the components arranged one above the other.
  • connection method after resistance welding, the continuous wire adjacent to the cover layer is heated with the aid of an electrical current flow in the continuous wire and a compression bead of the continuous wire is formed in the area of the cover layer by further feeding the continuous wire in the joining direction.
  • the free end of the connecting wire section is designed specifically in the component stack.
  • the endless wire is first softened by the resistance heat of an electrical current flow, especially in the joint area, before it is cut.
  • This targeted softening of the material of the endless wire opens up the possibility of the endless wire in the area of the through preferred further feed in the joining direction To compress top layer.
  • Such a compression widens the endless wire in this area in the radial direction, so that a preferred preliminary stage of a later closing head of the joint connection is formed.
  • this upsetting bead of the endless wire preferably forms an axial undercut, so that the components connected to one another are clamped or at least held between the upsetting bead and welded connection to the base layer.
  • the endless wire is additionally severed, in particular sheared off or torn off, preferably with the aid of flow or heat, adjacent to the cover layer.
  • the compression bead serves as a closing head for the connection of the stacked components arranged one above the other. So that this closing head actually forms the end of the connection and thus the free end of the connecting wire section, the endless wire above this upsetting bead must be separated from the connecting wire section or the leading end of the endless wire. This is preferably done by shearing off the endless wire or by melting the endless wire with the help of a targeted current pulse. After the endless wire has been separated from the connecting wire section, the previously produced compression bead forms the free end of the connecting wire section. In addition, the upsetting bead forms the closing head of the joint connection produced between at least the base layer that can be welded to the endless wire and the metallic cover layer.
  • connection method according to the invention, the further steps are provided: after resistance welding, generating an electrical current pulse in the endless wire and burning through the endless wire adjacent to the cover layer in order to separate the endless wire from the leading end.
  • the endless wire is separated from the connecting wire section in the component stack by a specific electrical-thermal load.
  • a corresponding current pulse or electrical separation pulse ensures that the endless wire above the joining area, ie preferably adjacent to the metallic cover layer, is softened by the electrically generated resistance heat in such a way that it can be separated from the connecting wire section.
  • the endless wire is electrically melted off, melted through or burned through from the connecting wire section, these terms being used interchangeably. Accordingly, it is preferred to achieve a separation of the endless wire from the connecting wire section in the joining area solely by electrical loads.
  • the endless wire is separated electrically-mechanically or thermally-mechanically from the connecting wire section.
  • the endless wire is separated from the connecting wire section with additional mechanical loads.
  • These mechanical loads preferably mean that the endless wire tears off in the opposite direction to the joining direction.
  • the separating mechanical loads include a shearing off of the continuous wire above the cover layer after the material of the continuous wire adjacent to the cover layer has previously softened. It is also preferred to sever the endless wire purely mechanically from the connecting wire section.
  • the purely mechanical separation is preferably a cutting off, shearing off or tearing off of the endless wire from the wire section anchored in the joining area of the connection.
  • a mushroom head is formed in a further step at the free end of the severed leading end of the wire section adjacent to the cover layer.
  • the present invention also comprises a joint connection of at least two stacked components arranged one above the other with a wire section separated from an endless wire, which is welded to a base layer made of weldable material that can be welded to the continuous wire, runs through at least one metallic cover layer made of a different metal than the base layer and through a Material build-up of the metallic cover layer is surrounded at the non-welded free end of the severed wire section.
  • the joint connection according to the invention uses a wire section separated from an endless wire to connect a weldable base layer and at least one metallic cover layer.
  • mechanical and electrical loads are preferably combined in different sections of the connection method in such a way that material connections can be generated and material properties can be specifically influenced, especially by the metallic cover layer.
  • the joint connection preferred according to the invention benefits from the fact that a metallic material bulge is formed at the interface between the connecting wire section and the metallic cover layer. At the increasing interface with the top layer, the resistance heat softens the material of the top layer into a pasty, pasty state.
  • the greatest resistance heat is preferably generated at the tip of the endless wire, which prevents the endless wire is supported in the top layer and possible intermediate layers and further preferably prepares the upcoming welding process.
  • the wire section in the joint connection preferably has an axial compression bead at its free end.
  • the wire section comprises a mushroom head at the free end.
  • the above-mentioned preferred configurations of the free end of the connecting wire section form a closing head-like structure in the joint connection produced.
  • the mushroom head forms an axial undercut in the joining direction in the same way as the preferred axial compression bead, so that the components to be connected to one another are held between the welded connection and this closing head structure.
  • the connecting wire section in the preferred axial compression bead and in the preferred mushroom head has a greater radial extent compared to the severed endless wire or compared to the diameter of the wire section welded to the base layer. This targeted increase in the diameter of the connecting wire section at its free end supports reliable cohesion of the connected components.
  • the above-mentioned hold-down device is provided as an electrically conductive electrode hold-down device and is connected to an electrical current or voltage source.
  • the preferred connection method has the following steps: Generating an electrical current flow between the endless wire and the hold-down device via the metallic cover layer B and an associated resistance heating adjacent to the leading end in the metallic cover layer B or generating an electrical current flow between the hold-down device and the electrode about the metallic
  • the electrode hold-down device refers to an electrically conductive hold-down device. In addition to the known mechanical hold-down functions, due to its structure, it acts like an electrode that can be placed on the cover layer and thus contacted with it.
  • the electrode hold-down device is preferably connected to a current or voltage source that can be switched on and off. In this way, an electrical potential difference and thus an electrical current flow that generates resistance heat can be generated between the electrode retainer and the endless wire or the electrode retainer and the electrode that is in contact with the base layer.
  • a stack of electrically conductive base and cover layers without an insulating intermediate layer e.g.
  • an electrical current flow is generated between the electrode holder and the electrode. This runs through the joining area or at least adjoins it. Accordingly, the resistance heat generated by the flow of electrical current preferably contributes to the heating and softening of at least the top layer.
  • an insulating layer preferably an adhesive layer, one or more plastic layers or components, is preferably arranged between the metallic cover layer and the weldable base layer, an electrical current flow and associated resistance heat is generated in the metallic cover layer via the electrode hold-down device and the endless wire. In this way, the joining process is supported by plasticizing the material of the metallic cover layer, even if the electrode and the base layer connected to it are arranged to be electrically insulated from the endless wire and the metallic cover layer.
  • the present invention also comprises a joining device with which the joining method can be carried out according to the preferred embodiments described above.
  • This joining device has the following features: a storage device for an endless wire with which the endless wire can be fed to a joint, an electrode on which a plurality of components can be positioned, a hold-down device with which the plurality of components can be mechanically pretensioned against the electrode, and an electrical current or voltage source which is connectable and adapted to the endless wire and the electrode in such a way that heating and softening of at least the metallic cover layer and electrical resistance welding of the endless wire to the weldable base layer are ensured.
  • FIGS. 7 a preferred joint connection produced with the preferred one according to the invention
  • FIGS. 8 a preferred joint connection produced with the preferred one according to the invention
  • Joining process consisting of the metallic cover layer, an intermediate component as an electrically non-conductive intermediate layer and the base layer welded to the continuous wire,
  • FIGS. 9 a preferred joint connection produced with the preferred one according to the invention
  • Joining process consisting of the metallic cover layer, a plurality of intermediate components with at least one electrically non-conductive intermediate layer and the base layer welded to the endless wire,
  • FIG. 10 a preferred joining connection produced with the one preferred according to the invention
  • Joining method consisting of the metallic cover layer and the base layer welded to the endless wire, in which the endless wire has been melted from the connecting wire section, and
  • Figure 11 is a flow chart of a preferred embodiment of the invention.
  • connection method a plurality of metallic components A, B are connected to one another in a stack-like arrangement.
  • the stack-like arrangement consists only of components A and B.
  • a wire segment 15 is used as the connecting element. This is fed in as an endless wire 10, joined and separated from the endless wire 10 at the end of the joining process.
  • the plurality of components A, B are arranged one above the other in the joining direction R F.
  • the lowermost layer A preferably rests directly on an electrode 90 and is referred to as the base layer A.
  • the base layer A consists of metal that can be welded to the endless wire 10.
  • the base layer A is made of steel of different strength classes, such as preferably high-strength steel.
  • the base layer A furthermore preferably consists of titanium, copper, their alloys or other metallic materials that can be welded to the endless wire. Accordingly, the endless wire must also preferably be weldable to the base layer A with regard to its material.
  • the cover layer B consists preferably of aluminum, magnesium, alloys of these metals.
  • the metallic cover layer B and the base layer A which can be welded to the endless wire, preferably have different melting temperatures, so that the melting temperature of the base layer A is greater than the melting temperature of the cover layer B.
  • the ratio of the melting temperatures of base A and cover layer B to one another is advantageous on the joining process. This is because while an electrical resistance heating generated in the top layer B preferably softens or plasticizes the material of the top layer B in the joining area, the stability of the base layer A preferably remains almost unaffected.
  • the melting temperatures of the materials from top layer B to base layer A preferably have a ratio in the range from 0.3 to 0.7, more preferably from 0.35 to 0.65 and even more preferably from 0.4 to 0.6 when the melting temperatures are given in degrees Celsius.
  • a ratio of approximately 0.41 results.
  • a ratio of 0.4 is preferably obtained.
  • a ratio of 0.39 and 0.38 also preferably results for a base layer A made of titanium with a melting temperature of approximately 1,660 ° C. and a top layer B made of aluminum or magnesium with a melting temperature of approximately 660 ° C. and 640 ° C. .
  • a top layer B made of aluminum or magnesium is preferably combined with a base layer A made of copper with a melting temperature of approx. 1083 ° C., a ratio of approx. 0.61 or approx. 0.58 results.
  • a base layer A made of steel is combined with only one top layer B made of aluminum or a corresponding alloy.
  • This combination results in a ratio of the melting temperatures of top layer B to base layer A of approximately 0.41.
  • the base layer A rests on the electrode 90.
  • the connection of the at least two components A, B is established with the aid of known resistance welding.
  • an electrical potential difference between the electrode 90 and the endless wire 10 to be welded to the base layer A is first required.
  • the electrode 90 and the endless wire 10 are therefore connected to an electrical voltage source U or a current source I 95.
  • the strength of the flowing electrical current can be adjusted in a targeted manner.
  • Resistance welding is preferably carried out in a targeted manner and / or a section of the endless wire 10 and / or a section of the components A, B is heated.
  • the top component or the top layer B of the component stack consists of metal and forms the outermost layer.
  • the metallic cover layer B preferably consists of aluminum, magnesium or alloys thereof, as has already been explained above.
  • connection method further components (see FIGS. 2, 3, 8, 9) are arranged as intermediate layers Z, Z1, Z2 between the base layer A and the top layer B.
  • intermediate layers Z, Z1, Z2 are preferably made of plastic, reinforced plastic, adhesive or also of metal. If the at least one intermediate layer Z, Z1, Z2 consists of electrically non-conductive material, an electrical connection must be provided between the base layer A and the top layer B to carry out the connection process (see below).
  • the base layer A and the cover layer B are connected to one another with an electrically conductive bridge.
  • the electrical connection between the base layer A and the top layer B with the electrically non-conductive intermediate layer Z, Z1, Z2 arranged in between, enables an electrical current to flow and thus an electrical or resistance heating of the leading end 20 of the endless wire 10.
  • This resistance heating ensures a heat release from the endless wire 10 to the adjacent components.
  • the joining device 1 preferably comprises a hold-down 80 and a wire feed device 70.
  • the hold-down 80 can be moved parallel to the joining direction R F.
  • the hold-down 80 preferably presses at least the top layer B and the base layer A against the electrode 90. The mechanical pretensioning of the components A, B against the electrode 90 generated with the hold-down 80
  • Electrode 90 gaps between the components A, B are closed and an electrical contact between the base layer A and the electrode 90 is supported.
  • the electrode 90 is preferably provided as an electrode counter bearing.
  • the electrode 90 independently provides the counterforce required for the hold-down 80 (see FIGS. 1, 4, 5, 6).
  • the base layer A rests on a carrier T, as shown in FIGS. 2 and 3. While the electrode 90 provides the electrical contact between the base layer A and the voltage source 95, the carriers T or generally an electrically non-conductive counter bearing ensure the mechanically fixed position of the base layer A in space.
  • the electrode 90 In combination with the carrier T, it is also preferred to provide the electrode 90 at any point on the base layer A. This ensures the electrical connection between base layer A and voltage source 95. It is therefore not necessary to arrange the electrode 90 below the base layer A in the joining direction Rp.
  • the carriers T consist of electrically conductive material and are connected or can be connected to the clamping ring or power source 95.
  • the carriers T or at least one of these carriers T themselves thus form the electrode 90 in order to ensure the flow of electrical current.
  • the hold-down device 80 is provided in an electrically conductive manner and is connected to the electrical voltage or current source 95 so that it can be switched on and off.
  • This preferred embodiment enables resistance heating in base A and / or cover layer B via a preferably adjustable electrical current flow between the hold-down device 80 and the electrode 90.
  • the endless wire 10 and the electrode 90 are connected to one another via the clamping ring or power source 95.
  • an electric current flows through the endless wire 10 and the electrode 90 as soon as the circuit between the endless wire 10 and the electrode 90 is closed, i.e. as soon as the leading end 20 touches the cover layer B (see FIGS. 1, 4, 5, 6).
  • the resulting electrical current flow in the continuous wire 10 and thus also in the leading end 20 heats the continuous wire 10 and the adjacent top layer B. This preferably softens the material of the top layer B in the joining area and facilitates penetration of the leading end 20 in the joining direction Rp.
  • the hold-down device 80 is preferably also electrically connected to the current / voltage source 95 (see FIGS. 1, 2, 3).
  • an electric current flows between the hold-down device 80 and the electrode 90, which generates heat in the components A, B through which current flows.
  • the endless wire 10 and the hold-down device 80 preferably have the same electrical potential, so that there is only one electrical potential difference to the Electrode 90 and thus an electrical current flow results. If the heat input in the joining area is to be generated by resistance heat, the electrical current flow between hold-down device 80 and electrode 90 and / or between endless wire 10 and electrode 90 is preferably switched on in a targeted manner (see FIG. 1).
  • the holding-down device 80 preferably touches the cover layer B temporally and spatially in front of the guide end 20 and establishes electrical contact with the electrode 90.
  • an electric current flows through the hold-down device 80, that is to say it is connected electrically in order to heat at least the cover layer B and the base layer A. It is also preferred to simultaneously heat the components A, B to be connected to one another by a current flow via the endless wire 10 and the hold-down device 80 to the electrode 90.
  • the electrical current must flow between the electrode 90 and the continuous wire 10 and / or the hold-down device 80. It is not decisive here whether the electrical current flows from or to the electrode 90 due to the existing electrical potential differences.
  • the metallic cover layer B and the base layer A weldable to the endless wire are combined with at least one electrically non-conductive intermediate layer Z, Z1, Z2 (see FIGS. 2 and 3).
  • the two electrically non-conductive intermediate layers Z1, Z2, preferably made of plastic, reinforced plastic, adhesive or the like, are arranged in the component stack of FIG. 2 to be connected.
  • the only one intermediate layer Z preferably consists of electrically non-conductive adhesive or of an electrically non-conductive material such as plastic, ceramic, insulating material, insulating material or the like.
  • endless wire 10 and hold-down 80 are preferably connected to different electrical potentials (see FIGS. 2 and 3) .
  • the hold-down 80 is preferably electrically connected to the voltage or current source 95, that is to say the switch in FIGS. 2 and 3 is closed. An electric current then flows between the endless wire 10 and the hold-down 80 via the cover layer B as soon as the endless wire 10 makes contact with the metallic cover layer B. In this way, the joint area is heated by resistance heat. It goes without saying that the hold-down 80 and the endless wire 10 are electrically insulated from one another, unless the cover layer B establishes an electrical connection between the two.
  • the switch disconnects the electrical connection between hold-down 80 and voltage source 95. Now the electrical current flows through the Endless wire 10 to electrode 90 to perform the resistance welding.
  • the endless wire 10 is fed in the joining direction R F.
  • the endless wire 10 is preferably moved by a wire feed device 70.
  • the wire feed device 70 engages the endless wire 10 and pushes it in the joining direction R F or preferably opposite thereto.
  • the wire feed device 70 pulls the endless wire 10 from a roller structure (not shown) where it is stored.
  • the endless wire 10 is not connected directly but via the wire feed device 70 to the electrical voltage or current source 95.
  • the electrical potential difference between the continuous wire 10 and the electrode 90 generates an electrical current flow and an associated resistance heating in the continuous wire 10, in particular at the leading end 20, and in the cover layer B.
  • the resistance heating in the cover layer B occurs adjacent to the contacting leading end 20.
  • the resistance heating can be adjusted accordingly variably.
  • the resistance heating is preferably set in such a way that at least the material of the cover layer B is softened in the joining area. This supports the pressing or penetration of the guide end 20 into the top layer B.
  • the forming material pile 50 preferably increases the size of the interface between the leading end 20 of the continuous wire 10 and the cover layer B. This provides a contact area between the continuous wire 10 and the cover layer B that increases with the material pile 50. This contact area enables an increasing flow of electrical current over the enlarged interface and thus an additional heat input into the joining area of the cover layer B due to the resistance heating.
  • the endless wire 10 is moved by the wire feed device 70 in the joining direction R F until the guide end 20 strikes the base layer A and makes electrical contact with it.
  • the voltage or Power source 95 performed a known resistance welding between the leading end 20 of the continuous wire 10 and the base layer A.
  • the resistance heating in the contact area between the leading end 20 and the base layer A is so strong that a weld nugget S is formed.
  • a material connection is created at least between the leading end 20 of the endless wire 10 and the base layer A (see FIG. 3).
  • the continuous wire 10 After the continuous wire 10 has been welded to the base layer A at its leading end 20, the continuous wire 10 is separated from the leading end 20 or from the connecting wire section 15 in the joining area of base layer A and cover layer B. This separation is preferably implemented in different ways.
  • the endless wire 10 is further heated by an electrical current flow after the resistance welding.
  • the resistance heat supplied is preferably so great that the material of the endless wire 10 in the joining area of the cover layer B is softened and deformable. It is also preferred to use a residual heat of the resistance welding, which softens the endless wire 10 in the area of the cover layer B and supports its deformability.
  • the endless wire 10 is fed further in the joining direction R F.
  • the endless wire 10 is compressed, plastically deformed in the region of the cover layer B, and a compression bead 60 is formed (see FIG. 4).
  • the upsetting bead 60 preferably has a radially expanded shape similar to a crown.
  • the radially expanded shape has a radial extent that exceeds the diameter of the endless wire 10.
  • an annular bead 65 is preferably formed which at least partially projects beyond the material bulge 50 counter to the joining direction R F and preferably radially.
  • the upsetting bead 60 with the annular bead 65 forms an axial undercut opposite to the joining direction R F within the framework of the connection produced.
  • the connection of the components A, B is thus preferably formed by the interaction of the welded connection or the material connection in the area of the weld nugget S on the one hand and the upsetting bead 60 on the other hand.
  • the endless wire 10 is separated in the joining direction above the upsetting bead 60 from the wire section 15, which connects the components to one another.
  • the endless wire 10 is preferably sheared off or torn off above the upsetting bead 60 or melted through or from the wire section 15 by a current pulse.
  • the hold-down 80 is released from the cover layer D if it is in contact there.
  • the joining device or only the wire feed device then executes a lateral movement in order to cut off the endless wire 10.
  • connection method after the resistance welding, the endless wire 10 is separated or melted from the connecting wire section 15 by a current pulse above the cover layer B. It is also preferred to soften the endless wire 10 adjacent to the cover layer B by means of resistance heat and subsequently shear or tear off or melt it off. In this case, the formation of a compression bead 60 is dispensed with beforehand, as the joint connection according to FIG. 10 illustrates.
  • an arc is ignited between the free end of the wire section 15 and the new leading end of the continuous wire 10.
  • the brief arc creates a mushroom-like structure at the free end of the wire section 15 (not shown).
  • FIG. 5 A preferred embodiment of a connection produced with the connection method preferred according to the invention is shown in FIG. 5.
  • the base layer A and the cover layer B are connected to one another via the wire section 15.
  • the weld nugget S forms the material connection between the wire section 15 and the base layer A at one end
  • the free end of the wire section 15 comprises the compression bead 60 with an annular bead 65 adjacent to the material bulge 50 of the cover layer B.

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Abstract

Vorliegende Erfindung offenbart ein Verbindungsverfahren von mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen mit einem Drahtabschnitt, von denen zumindest eine schweißbare Basislage aus einem mit dem Endlosdraht schweißbaren Metall und eine metallische Decklage aus einem anderen Metall bestehen. Im Rahmen des Verbindungsverfahrens werden die schweißbare Basislage und die darauf angeordnete metallische Decklage auf einer Elektrode angeordnet. Über den Kontakt eines zugestellten Endlosdrahts mit der Decklage fließt ein elektrischer Strom zwischen Endlosdraht und Elektrode. Die damit verbundene bevorzugte Widerstandserwärmung der Decklage unterstützt ein Fügen des Endlosdrahts in die Decklage und ein nachfolgendes Widerstandsverschweißen des Endlosdrahts mit der Basislage.

Description

Verbindungsverfahren für mindestens zwei Bauteile, eine damit erzielte Fügeverbindung sowie eine Fügevorrichtung für das genannte Verbindungsverfahren
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsverfahren von mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen mithilfe eines Drahtabschnitts, von denen zumindest eine Basislage aus einem schweißbaren Metall und eine Decklage aus einem anderen Metall bestehen. Zudem offenbart vorliegende Erfindung eine Fügeverbindung, die zwischen den mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen mit oben genannter Basislage und Decklage mithilfe eines von einem Endlosdraht nach dem Fügen abgetrennten Drahtabschnitts hergestellt wird. Abschließend umfasst vorliegende Erfindung eine Fügevorrichtungen zur Durchführung des oben genannten Verbindungsver- fahrens und zur Herstellung der entsprechenden Fügeverbindung.
2. Hintergrund der Erfindung
Im Stand der Technik sind verschiedene Fügeverfahren und Fügeelemente beschrieben, die zum Herstellen von Mischverbindungen, also der Kombination einer Metalllage und einer Kunststofflage, sowie zum Verbinden von mehreren Metalllagen eingesetzt werden. EP 3 072 626 Al beschreibt beispielsweise die Verbindung einer Kunststofflage mit einer Stahllage mithilfe eines nietähnlichen Fügeelements. Während die Kunststofflage die Decklage des Bauteilstapels bildet, wird das Fügeelement mithilfe einer Induktionsspule vor dem Setzen in das Kunststoffelement vorgewärmt. Die zugeführte Wärme unterstützt bzw. erleichtert das Setzen des Fügeelements in die Kunststofflage. Nachdem die Stahllage durch das Fü- geelement kontaktiert worden ist, werden diese mittels Widerstandsschweißen miteinander verbunden.
Auch in der technischen Lehre der Dokumente US 4,855,562, DE 10 2012 004 499 und WO 2015/135712 werden Fügeelemente mit einer aus Stahl bestehenden Basislage durch ein Schweißverfahren verbunden. Die unterschiedlichen Fügeelemente setzt man gemäß einer Alternative ohne zusätzliche Wärmezufuhr beispielsweise in eine Lage aus Dichtmaterial. Gemäß einer anderen Alternative werden krampenähnliche Elemente aus DE 10 2012 004 499 und WO 2015/135712 vor dem Setzen in die Decklage aus Kunststoff vorgewärmt. Indem mittels Stromfluss oder magnetischer Induktionsfelder das metallische Fügeelement auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur der Kunststofflage erwärmt wird, wird das nachfolgende Setzen des Fügeelements in die Kunststofflage erleichtert. Abschließend erfolgt ein Verschweißen des Fügeelements mit der Basislage aus Stahl.
Das Verschweißen des Fügeelements und der Basislage aus Stahl greift in seinen Grundzügen auf die technische Lehre gemäß AT 506 217 B1 zurück. Das in diesem Dokument beschriebene Schweißverfahren befestigt jeweils ein stiftähnliches Element an einer Stahllage mittels Widerstandsschweißen. Falls die stiftähnlichen Elemente nicht einzeln vorliegen, werden sie durch erneute Stromzufuhr in einem gewünschten Längenbereich abgeschmolzen und auf die zukünftige Verbindung vorbereitet.
DE 10 2012 018 866, DE 10 2013 207 284 sowie WO 2016/100179 beschreiben Fügeverfahren, die mithilfe eines Fügeelements aus Stahl mindestens zwei metallische Lagen bzw. Bauteile miteinander verbinden. Diese Fügeverfahren nutzen den Vorteil, dass ein vorgewärmtes Fügeelement einfacher in eine metallische Decklage gesetzt werden kann. Sobald der Schaft des Fügeelements die schweißbare Basislage kontaktiert, werden Fügeelement und Basislage mittels Widerstandsschweißen miteinander verbunden. Trotz der Effektivität und Haltbarkeit dieser Verbindungen erfordert die Zufuhr der einzelnen Fügeelemente entsprechende Systemkomponenten sowie daran angepasste Arbeitsabläufe. Beispielsweise werden die Zufuhrschläuche für Fügeelemente zum Setzgerät zunehmend als störend empfunden. Des Weiteren ist es erforderlich, in regelmäßigen Abständen Vorräte an Fügeelementen nachzufüllen und für spezielle Fügeaufgaben entsprechend vorzusehen. Insgesamt sind die herstellbaren Verbindungen verlässlich, erfordern aber eine aufwändige Geräteperipherie zu ihrer Realisierung. DE 10 2011 117 962 Al stellt mithilfe eines gesetzten und verschweißten Drahtstifts eine Leichtbauverbindung her. Diese Leichtbauverbindung besteht aus einer Basislage und einer Decklage aus verschweißbarem Material, wie beispielsweise Stahl. Zwischen Basislage und Decklage sind nicht schweißbare Bauteile, wie beispielsweise Kunststoffbauteile, angeordnet. Ähnlich einem bekannten Nagelverfahren aus der Bauindustrie wird der Drahtstift in den oben beschriebenen Bauteilstapel eingeschossen. Zur Verbindung der mindestens vier Bauteillagen erfolgt dann ein Widerstandsschweißen zwischen dem eingeschossenen Stiftelement und der Basislage sowie der Decklage aus schweißbarem Material. Diese Erfindung erfordert somit unbedingt, dass neben der Basislage auch eine Decklage aus schweißbarem Material, wie beispielsweise Stahl, verwendet wird. In WO 2017/036444 sowie DE 10 2016 007 059 B3 wird eine metallische schweißbare Basislage mit mindestens einer darüber angeordneten Kunststofflage verbunden. Als V erbindungsmittel dient ein Endlosdraht, der zunächst durch die Kunststofflage gestoßen und in Kontakt mit der metallischen Basislage gebracht wird. Um das Setzen in die Kunststofflage zu erleichtern, sorgt eine Vorheizvorrichtung des noch nicht gesetzten Führungsendes des Endlosdrahts für ein entsprechendes Aufwärmen. Ist das Führungsende des Endlosdrahts in Kontakt mit der metallischen Basislage, werden mithilfe eines bekannten CMT-Verfahrens (siehe AT 506 217 Bl) das Führungsende des Endlosdrahts und die Basisla- ge miteinander verschweißt. Abschließend wird das im Bauteilstapel befindliche Drahtsegment von dem übrigen Endlosdraht getrennt. Dazu eignet sich eine Schneidvorrichtung, die in Kombination mit einem Niederhalter vorgesehen ist.
Es ist daher die Aufgabe vorliegender Erfindung, ein im Vergleich zum Stand der Technik alternatives Fügeverfahren und eine daraus hervorgehende Bauteilstruktur vorzuschlagen, um obige Defizite zu überwinden.
3. Zusammenfassung der Erfindung Die obige Aufgabe wird durch ein Verbindungsverfahren von mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen mithilfe eines Drahtabschnitts eines Endlosdrahts gemäß dem imabhängigen Patentanspruch 1 gelöst, in welchem zumindest eine Basislage aus einem mit dem Endlosdraht schweißbaren Metall und eine Decklage aus einem anderen Metall bestehen. Des Weiteren offenbart vorliegende Erfindung eine Fügeverbindung der mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteile mit einem von einem Endlosdraht abgetrennten Drahtabschnitt, wie es im unabhängigen Patentanspruch 7 beschrieben ist. Zudem offenbart vorliegende Erfindung eine Fügevorrichtung zur Realisierung des oben beschriebenen Fügeverfahrens gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10.
Vorliegende Erfindung offenbart ein V erbindungsverfahren von mindestens zwei stapelformig übereinander angeordneten Bauteilen mit einem Drahtabschnitt eines Endlosdrahts, von denen zumindest eine schweißbare Basislage aus einem mit dem Endlosdraht schweißbaren Metall und eine metallische Decklage aus einem anderen Metall bestehen. Vorzugsweise werden nur die schweißbare Basislage und die metallische Decklage mit dem Drahtabschnitt verbunden, der erst nach dem Fügevorgang vom Endlosdraht getrennt wird.
Das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren weist die folgenden Schritte auf: Anordnen der schweißbaren Basislage aus mit dem Endlosdraht schweißbarem Metall, vorzugsweise Stahl, betrachtet in einer Fügerichtung als unterstes Bauteil auf einer Elektrode und darüber zumindest die metallische Decklage als oberstes Bauteil, Zustellen eines Endlosdrahts in Fügerichtung zu den stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen, bis ein Führungsende des Endlosdrahts die Decklage kontaktiert, Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Endlosdraht und der Elektrode, sodass ein elektrischer Stromfluss im Endlosdraht über die Decklage und die Basislage zumindest die Decklage in einem Fügebereich benachbart zum Führungsende des Endlosdrahts erwärmt, Eindrücken des Führungsendes des Endlosdrahts in Fügerichtung in die im Fügebereich durch Wärme aufgeweichte Decklage, bis das Führungsende an der Basislage anliegt, und dabei Ausbilden eines Materialaufwurfs entgegen der Fügerichtung in der Decklage, der den Endlosdraht umgibt, elektrisches Widerstandsschweißen des Führungsendes des Endlosdrahts mit der Basislage und Abtrennen des Endlosdrahts von dem verschweißten Führungsende in Fügerichtung oberhalb der Decklage.
Das erfindungsgemäß bevorzugte Verbindungsverfahren verwendet zum Verbinden von zumindest zwei Metalllagen einen Endlosdraht, von dem am Ende des Verbindungsverfahrens ein verbindender Drahtab- schnitt abgetrennt wird. Entsprechend werden die stapelförmig übereinander angeordneten zumindest zwei metallischen Bauteile über den Drahtabschnitt verbunden, ohne dass über periphere Zufuhrsysteme einzelne Fügeelemente zu einem Setzgerät oder einer Fügestelle zugeführt werden müssen. Im Rahmen des bevorzugten Verbindungsverfahrens werden in der stapelformigen Anordnung der miteinander zu verbindenden Bauteile zumindest zwei metallische Bauteile miteinander verbunden. Es handelt sich dabei als Basis um eine schweißbare Basislage, die aus einem schweißbaren Metall besteht. Der Bauteilstapel wird durch eine metallische Decklage abgeschlossen, deren metallischer Werkstoff nicht zwingend aus schweißbarem Metall bestehen muss. Zum verlässlichen Fügen des Endlosdrahts in den Stapel aus mindestens zwei metallischen Bauteilen werden mechanische Zustell- bzw. Fügekräfte des Endlosdrahts durch eine elektrisch erzeugte Wärmezufuhr im Fügebereich unterstützt. Die Wärme resultiert aus einem gezielt im Endlosdraht erzeugten elektrischen Stromfluss durch einen Potenzialunterschied zwischen Elektrode und Endlosdraht. Die durch den elektrischen Stromfluss erzeugte Wärme ist ausreichend, um zumindest das metallische Material der Decklage im Fügebereich aufzuweichen. Daraus resultiert ein reduzierter mechanischer Energieaufwand, um das Führungsende des Endlosdrahts durch die Decklage der schweißbaren Basislage zuzustellen. Während der genannte elektrische Stromfluss zunächst für ein Erwärmen und/oder Aufweichen der metallischen Decklage verwendet worden ist, führt ein gezieltes Erhöhen der elektrischen Stromstärke im Endlosdraht zum Vorliegen eines Schweißstroms, der das Führungsende des Endlosdrahts mit der Basislage verschweißt.
Die Elektrode ist vorzugsweise unterschiedlich ausgestaltet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt sie neben dem elektrischen Kontakt zu einer Spannungs- oder Stromquelle auch die mechanischen Stützkräfte eines Auflagers bereit. Entsprechend könnte man die Elektrode auch als Elektrodengegenlager oder Elektrodenmatrize bezeichnen. Bei ausreichender mechanischer Stabilität der Basislage und/oder einer Auflage der Basislage auf Auflagern, Stützen oder Trägem stellt die Elektrode lediglich den elektrischen Kontakt zu der Spannungs- oder Stromquelle her. Daher ist es in diesem Zusammenhang ebenfalls bevorzugt, die elektrisch leitende Basislage an beliebiger Stelle mit der Elektrode zu verbinden, während sie sich mechanisch auf einer Auflage, Trägem oder einem Gegenlager abstützt oder durch eigene Stabilität eine für den Fügevorgang ausreichende Gegenkraft bereitstellt. In diesem Zusammen- hang ist es ebenfalls bevorzugt, die Träger, Auflager oder Stützen, die aus elektrisch leitendem Material bestehen, mit der Spaimungs- bzw. Stromquelle zu verbinden und als Elektroden zu verwenden. In diesem Fall wäre eine separate elektrische Verbindung zwischen Basislage und Spannungs- bzw. Stromquelle nicht erforderlich.
Im Rahmen des Verbindungsverfahrens bildet sich vorteilhafterweise ein Materialaufwurf an einer Eintrittsstelle des Endlosdrahts in die metallische Decklage aus. Dieser Materialaufwurf umgibt den Endlosdraht und sorgt bevorzugt für eine vergrößerte Grenzfläche zwischen dem Endlosdraht und der metallischen Decklage. Diese vergrößerte Grenzfläche zwischen metallischer Decklage und Endlosdraht wird zur elektrischen Stromleitung zwischen Endlosdraht und Elektrode und damit zur gezielten Erwärmung der Decklage im Fügebereich genutzt. Entsprechend wirken sich die elektrischen Lasten und die daraus resultierende Widerstandswärme vorteilhaft auf sowohl die metallische Decklage wie auch die schweißbare Basislage aus und unterstützen das erfindungsgemäß bevorzugte Verbindungsverfahren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens weist dieses den weiteren Schritt auf: mechanisches Vorspannen der stapelförmig übereinander angeordneten Bauteile mit einem Niederhalter gegen die Elektrode.
Vorzugsweise wird die metallische Decklage mithilfe eines Niederhalters in Richtung der schweißbaren Basislage gedrückt. Die daraus resultierenden Setzvorgänge zwischen den stapelförmig angeordneten Bauteilen schließen mögliche Toleranzen und unterstützen die Ausbildung von Grenzflächen zwischen elektrisch leitenden Bauteilen, sodass elektrische Übergangswiderstände reduziert werden. Zudem ist die Nutzung des Niederhalters darauf gerichtet, dass eine Tiefe des Fügebereichs betrachtet in Fügerichtung durch eine enge Bauteilanlage so gering wie möglich gestaltet wird. Auf diese Weise werden die zur Verfügung stehenden mechanischen und elektrischen Lasten effizienter zur Herstellung einer Verbindung zwischen den übereinander angeordneten Bauteilen genutzt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens erfolgt nach dem Widerstandsschweißen ein Erwärmen des Endlosdrahts benachbart zur Decklage mithilfe eines elektrischen Stromflusses im Endlosdraht und ein Ausbilden einer Stauchwulst des Endlosdrahts im Bereich der Decklage durch weiteres Zustellen des Endlosdrahts in Fügerichtung.
Gemäß der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung wird das freie Ende des verbindenden Drahtabschnitts im Bauteilstapel gezielt gestaltet. Zu diesem Zweck wird vor dem Abtren- nen zunächst der Endlosdraht gerade im Fügebereich durch die Widerstandswärme eines elektrischen Stromflusses aufgeweicht. Dieses gezielte Aufweichen des Materials des Endlosdrahts eröffnet die Möglichkeit, durch bevorzugtes weiteres Zustellen in Fügerichtung den Endlosdraht im Bereich der Decklage zu stauchen. Eine derartige Stauchung weitet den Endlosdraht in diesem Bereich in radialer Richtung auf, sodass sich eine bevorzugte Vorstufe eines späteren Schließkopfes der Fügeverbindung ausbildet. Zudem bildet vorzugsweise diese Stauchwulst des Endlosdrahts einen axialen Hinterschnitt, sodass die miteinander verbundenen Bauteile zwischen Stauchwulst und Schweißverbindung zur Basislage geklemmt oder zumindest gehalten sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verbindungs Verfahrens erfolgt zusätzlich ein Abtrennen des Endlosdrahts, insbesondere ein Abscheren oder Abreißen, vorzugsweise ström- bzw. wärmeunterstützt, benachbart zur Decklage.
Wie bereits oben erläutert worden ist, dient die Stauchwulst als Schließkopf für die Verbindung der stapelförmig übereinander angeordneten Bauteile. Damit dieser Schließkopf auch tatsächlich den Abschluss der Verbindung und somit das freie Ende des verbindenden Drahtabschnitts bildet, muss der Endlosdraht oberhalb dieser Stauchwulst von dem verbindenden Drahtabschnitt bzw. dem Führungsende des Endlosdrahts abgetrennt werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch ein Abscheren des Endlosdrahts oder durch ein Abschmelzen des Endlosdrahts mithilfe eines gezielten Stromimpulses. Nachdem der Endlosdraht von dem verbindenden Drahtabschnitt getrennt worden ist, bildet die zuvor erzeugte Stauchwulst das freie Ende des verbindenden Drahtabschnitts. Zudem bildet die Stauchwulst den Schließkopf der hergestellten Fügeverbindung zwischen zumindest der mit dem Endlosdraht schweißba- ren Basislage und der metallischen Decklage.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Verbindungsverfahrens sind die weiteren Schritte vorgesehen: nach dem Widerstandsschweißen Erzeugen eines elektrischen Stromimpulses im Endlosdraht und Durchbrennen des Endlosdrahts benachbart zur Decklage, um den Endlosdraht vom Führungsende zu trennen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten V erfahrensaltemative wird der Endlosdraht von dem verbindenden Drahtabschnitt im Bauteilstapel durch eine gezielte elektrisch-thermische Belastung abgetrennt. Ein entsprechender Stromimpuls bzw. elektrischer Trennimpuls sorgt dafür, dass der Endlosdraht oberhalb des Fügebereichs, d. h. vorzugsweise angrenzend an die metallische Decklage, durch die elektrisch erzeugte Widerstandswärme derart aufgeweicht wird, dass er von dem verbindenden Drahtabschnitt abgetrennt werden kann. Der Endlosdraht wird von dem verbindenden Drahtabschnitt elektrisch abgeschmolzen, durchschmolzen oder durchgebrannt, wobei diese Begriffe gleichbedeutend verwendet werden können. Entsprechend ist es bevorzugt, ein Trennen des Endlosdrahts von dem verbindenden Drahtabschnitt im Fügebereich allein durch elektrische Lasten zu erzielen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Verfahrensausgestaltung wird der Endlosdraht elektrisch-mechanisch bzw. thermisch-mechanisch vom verbindenden Drahtabschnitt getrennt. Während ein gezielter elektrischer Stromfluss für ein Aufweichen des Materials des Endlosdrahts oberhalb der Decklage sorgt, wird der Endlosdraht mit zusätzlichen mechanischen Lasten vom verbindenden Drahtabschnitt getrennt. Diese mechanischen Lasten bedeuten bevorzugt ein Abreißen des Endlosdrahts in entgegengesetzter Richtung zur Fügerichtung. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung beinhalten die trennenden mechanischen Lasten ein Abscheren des Endlosdrahts oberhalb der Decklage nach vorangegangenem Aufweichen des Materials des Endlosdrahts benachbart zur Decklage. Es ist ebenfalls bevorzugt, den Endlosdraht rein mechanisch vom verbindenden Drahtabschnitt abzutrennen. Das rein mechanische Trennen ist bevorzugt ein Abschneiden, Abscheren oder Abreißen des Endlosdrahts vom im Fügebereich der Verbindung verankerten Drahtabschnitt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens erfolgt in einem weiteren Schritt das Ausbilden eines Pilzkopfes am freien Ende des abgetrennten Führungsendes des Drahtabschnitts benachbart zur Decklage.
Vorliegende Erfindung umfasst zudem eine Fügeverbindung von mindestens zwei stapelformig übereinander angeordneten Bauteilen mit einem von einem Endlosdraht abgetrennten Drahtabschnitt, der mit einer mit dem Endlosdraht schweißbaren Basislage aus schweißbarem Material verschweißt ist, zumindest eine metallische Decklage aus einem anderen Metall als die Basislage durchläuft und durch einen Materialaufwurf der metallischen Decklage am nicht verschweißten freien Ende des abgetrennten Drahtabschnitts umgeben ist.
Die erfindungsgemäße Fügeverbindung nutzt anstelle eines einzelnen Fügeelements, wie beispielsweise ein Schweißniet, einen von einem Endlosdraht abgetrennten Drahtabschnitt zur Verbindung einer schweißbaren Basislage und zumindest einer metallischen Decklage. Zur Ausbildung dieser Verbindung werden bevorzugt in unterschiedlichen Abschnitten des Verbindungsverfahrens mechanische und elektrische Lasten derart kombiniert, dass stoffschlüssige Verbindungen generierbar und Materialeigenschaften, gerade von der metallischen Decklage, gezielt beeinflussbar sind. Denn die erfindungsgemäß bevorzugte Fügeverbindung profitiert davon, dass ein metallischer Materialaufwurf an der Grenzfläche zwischen verbindendem Drahtabschnitt und der metallischen Decklage ausgebildet wird. An der sich vergrößernden Grenzfläche zur Decklage weicht die Widerstandswärme das Material der Decklage in einen teigigen pastösen Zustand auf. Dadurch reduziert sich der elektrische Übergangswiderstand zwischen Endlosdraht und Decklage, während der Widerstand am Führungsende oder der Spitze des Endlosdrahts im Vergleich zur obigen Grenzfläche am größten ist. Entsprechend wird dadurch bevorzugt die größte Widerstandswärme an der Spitze des Endlosdrahts erzeugt, die das Eindringen des Endlos- drahts in die Decklage und mögliche Zwischenlagen unterstützt und weiterhin bevorzugt den bevorstehenden Schweißvorgang vorbereitet.
Erfindungsgemäß bevorzugt weist in der Fügeverbindung der Drahtabschnitt an seinem freien Ende eine axiale Stauchwulst auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügeverbindung umfasst der Drahtabschnitt an dem freien Ende einen Pilzkopf.
Die oben genannten bevorzugten Ausgestaltungen des freien Endes des verbindenden Drahtabschnitts bilden eine schließkopfahnliche Struktur in der hergestellten Fügeverbindung aus. Diese hat zur Folge, dass der Pilzkopf in gleicher Weise wie die bevorzugte axiale Stauchwulst einen axialen Hinterschnitt in Fügerichtung bildet, sodass die miteinander zu verbindenden Bauteile zwischen Schweißverbindung und dieser Schließkopfstruktur gehalten werden. Denn gemäß der bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung weist der verbindende Drahtabschnitt in der bevorzugten axialen Stauchwulst sowie in dem bevorzugten Pilzkopf eine größere radiale Ausdehnung im Vergleich zum abgetrennten Endlosdraht oder im Vergleich zum Durchmesser des mit der Basislage verschweißten Drahtabschnitts auf. Diese gezielte Durchmesservergrößerung des verbindenden Drahtabschnitts an seinem freien Ende unterstützt einen verlässlichen Zusammenhalt der verbundenen Bauteile.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen V erbindungsverfahrens ist der oben genannte Niederhalter als elektrisch leitfahiger Elektrodenniederhalter vorgesehen und mit einer elektrischen Strom- oder Spannungsquelle verbunden. Darauf aufbauend weist das bevorzugte Verbindungsverfahren die weiteren Schritte auf: Erzeugen eines elektrischen Stromflusses zwischen dem Endlosdraht und dem Niederhalter über die metallische Decklage B sowie eine damit verbundene Widerstandserwärmung benachbart zum Führungsende in der metallischen Decklage B oder Erzeugen eines elektrischen Stromflusses zwischen dem Niederhalter und der Elektrode über die metallische
Decklage B und die Basislage A sowie eine damit verbundene Widerstandserwärmung benachbart zum Führungsende.
Um das Fügeverfahren zu unterstützen, wird im Fügebereich der Decklage und bevorzugt auch der Basislage gezielt Widerstandswärme mit Hilfe des Elektrodenniederhalters erzeugt. Der Elektrodenniederhalter bezeichnet einen elektrisch leitenden Niederhalter. Neben den bekannten mechanischen Niederhalterfimktionen wirkt er aufgrund seines Aufbaus wie eine Elektrode, die auf der Decklage aufsetzbar und somit mit dieser kontaktierbar ist. Der Elektrodenniederhalter ist vorzugsweise mit einer zu- und abschaltbaren Strom- oder Spannungsquelle verbunden. Somit lässt sich gezielt ein elektrischer Potenzialunterschied und damit ein Widerstandswärme erzeugender elektrischer Stromfluss zwischen dem Elektrodenniederhalter und dem Endlosdraht oder dem Elektrodenniederhalter und der mit der Basislage in Kontakt stehenden Elektrode erzeugen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird bei einem Stapel aus elektrisch leitender Basis- und Decklage ohne isolierende Zwischenschicht, bspw.
Kunststoff oder Klebstoff, ein elektrischer Stromfluss zwischen Elektrodenniederhalter und Elektrode erzeugt. Dieser durchläuft den Fügebereich oder grenzt zumindest an diesen an. Entsprechend trägt die durch den elektrischen Stromfluss erzeugte Widerstandswärme bevorzugt zur Erwärmung und Aufwei- chung zumindest der Decklage bei. Wenn vorzugsweise zwischen der metallischen Decklage und der schweißbaren Basislage eine isolierende Schicht angeordnet ist, vorzugsweise eine Klebstoffschicht, eine oder mehrere Kunststofflagen oder -bauteile, wird über den Elektrodenniederhalter und den Endlosdraht ein elektrischer Stromfluss und eine damit verbundene Widerstandswärme in der metallischen Decklage erzeugt. Auf diese Weise wird der Fügevorgang durch ein Plastifizieren des Materials der metallischen Decklage unterstützt, auch wenn die Elektrode und die damit verbundene Basislage vom Endlosdraht und der metallischen Decklage elektrisch isoliert angeordnet sind.
Vorliegende Erfindung umfasst zudem eine Fügevorrichtung, mit der das Verbindungsverfahren gemäß den oben beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen durchführbar ist. Diese Fügevorrichtung weist die folgenden Merkmale auf: eine Speichereinrichtung eines Endlosdrahts, mit der der Endlosdraht einer Fügestelle zustellbar ist, eine Elektrode, auf der eine Mehrzahl an Bauteilen positionierbar ist, einen Niederhalter, mit dem die Mehrzahl an Bauteilen gegen die Elektrode mechanisch vorspannbar ist, und eine elektrische Strom- oder Spannungsquelle, die mit dem Endlosdraht und der Elektrode derart verbindbar und angepasst ist, dass ein Erwärmen und Aufweichen zumindest der metallischen Decklage und ein elektrisches Widerstandsschweißen des Endlosdrahts mit der schweißbaren Basislage gewährleistet sind.
4. Kurze Beschreibung der begleitenden Zeichnungen
Die bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beglei- tende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figuren 1 bis 3 verschiedene bevorzugte Ausgangskonfigurationen des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens und der Fügevorrichtung, Figuren 4 bis 6 verschiedene Stadien des erfindungsgemäß bevorzugten Verbindungsverfahrens,
Figuren 7 eine bevorzugte Fügeverbindung hergestellt mit dem erfmdungsgemäß bevorzugten
Fügeverfahren bestehend nur aus der metallischen Decklage und der mit dem Endlosdraht verschweißten Basislage,
Figuren 8 eine bevorzugte Fügeverbindung hergestellt mit dem erfmdungsgemäß bevorzugten
Fügeverfahren bestehend aus der metallischen Decklage, einem Zwischenbauteil als eine elektrisch nichtleitenden Zwischenschicht und der mit dem Endlosdraht verschweißten Basislage,
Figuren 9 eine bevorzugte Fügeverbindung hergestellt mit dem erfmdungsgemäß bevorzugten
Fügeverfahren bestehend aus der metallischen Decklage, einer Mehrzahl von Zwischenbauteilen mit mindestens einer elektrisch nichtleitenden Zwischenschicht und der mit dem Endlosdraht verschweißten Basislage,
Figur 10 eine bevorzugte Fügeverbindung hergestellt mit dem erfindungsgemäß bevorzugten
Fügeverfahren bestehend aus der metallischen Decklage und der mit dem Endlosdraht verschweißten Basislage, in der der Endlosdraht vom verbindenden Drahtabschnitt abgeschmolzen worden ist, und
Figur 11 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen
V erbindungsverfahrens.
5. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausfuhrungsformen
Mit dem erfindungsgemäß bevorzugten Verbindungsverfahren wird eine Mehrzahl von metallischen Bauteilen A, B in einer stapelförmigen Anordnung miteinander verbunden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die stapelförmige Anordnung nur aus den Bauteilen A und B. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen den Bauteilen A und B eine elektrisch nichtleitende Klebstoffschicht oder ein elektrisch nichtleitendes Zwischenbauteil Z (siehe Figur 8) oder eine Mehrzahl von elektrisch nichtleitenden Zwischenbauteilen Z1, Z2, wie Kunststoffbauteile und/oder Klebstoffschichten, (siehe Figur 9) angeordnet. Als Verbindungselement dient ein Drahtsegment 15. Dieses wird als Endlosdraht 10 zugeführt, gefügt und am Ende des Verbindungsverfahrens vom Endlosdraht 10 abgetrennt.
Die Mehrzahl von Bauteilen A, B sind in Fügerichtung RF übereinander angeordnet. Die unterste Lage A liegt bevorzugt direkt auf einer Elektrode 90 auf und wird als Basislage A bezeichnet. Die Basislage A besteht aus mit dem Endlosdraht 10 schweißbarem Metall. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung ist die Basislage A aus Stahl unterschiedlicher Festigkeitsklassen, wie vorzugsweise hochfester Stahl. Weiterhin bevorzugt besteht die Basislage A aus Titan, Kupfer, deren Legierungen oder anderen metallischen und mit dem Endlosdraht schweißbaren Werkstoffen. Entsprechend muss ebenfalls bevorzugt der Endlosdraht hinsichtlich seines Materials mit der Basislage A schweißbar sein. Die Decklage B besteht bevorzugt aus Aluminium, Magnesium, Legierungen dieser Metalle. Die metallische Decklage B und die mit dem Endlosdraht schweißbare Basislage A weisen bevorzugt unterschiedliche Schmelztemperaturen auf, so dass die Schmelztemperatur der Basislage A größer ist als die Schmelztemperatur der Decklage B. Das Verhältnis der Schmelztemperaturen von Basis- A und Decklage B zueinander wirkt sich dadurch vorteilhaft auf das Fügeverfahren aus. Denn während bevor- zugt eine erzeugte elektrische Widerstandserwärmung in der Decklage B das Material der Decklage B im Fügebereich aufweicht oder plastifiziert, bleibt die Stabilität der Basislage A bevorzugt annähernd unbeeinflusst.
In diesem Zusammenhang weisen die Schmelztemperaturen der Materialien von Decklage B zu Basislage A bevorzugt ein Verhältnis im Bereich von 0,3 bis 0,7, weiter bevorzugt von 0,35 bis 0,65 und noch weiter bevorzugt von 0,4 bis 0,6 auf, wenn die Schmelztemperaturen in Grad Celsius angegeben sind.
Vorzugsweise ergibt sich für eine Basislage A aus Stahl mit einer Schmelztemperatur von ca. 1.580 °C und einer Decklage B aus Aluminium mit einer Schmelztemperatur von ca. 660 °C ein Verhältnis von annäherd 0,41. Für eine Decklage B aus Magnesium mit einer Schmelztemperatur von ca. 640 °C und einer Basislage A aus Stahl ergibt sich bevorzugt ein Verhältnis von 0,4. Ebenfalls bevorzugt ergibt sich für eine Basislage A aus Titan mit einer Schmelztemperatur von ca. 1.660 °C und einer Decklage B aus Aluminium oder Magnesium mit einer Schmelztemperatur von ca. 660 °C und 640 °C ein Verhältnis von 0,39 und 0,38. Kombiniert man bevorzugt eine Decklage B aus Aluminium oder Magnesium mit einer Basislage A aus Kupfer mit einer Schmelztemperatur von ca. 1083 °C, ergibt sich ein Verhältnis von ca. 0,61 oder ca. 0,58.
Erfindungsgemäß bevorzugt wird eine Basislage A aus Stahl mit nur einer Decklage B aus Aluminium oder einer entsprechenden Legierung kombiniert. In dieser Kombination ergibt sich ein Verhältnis der Schmelztemperaturen von Decklage B zu Basislage A von annähernd 0,41. In dieser Kombination ist es ebenfalls bevorzugt, eine Zwischenlage Z aus Klebstoff oder eine Mehrzahl von Zwischenlagen Z1, Z2 aus nichtleitendem Material vorzusehen, (siehe unten)
Die Basislage A liegt auf der Elektrode 90 auf. Wie unten in größerem Detail erläutert ist, wird die Verbindung der mindestens zwei Bauteile A, B mithilfe des bekannten Widerstandsschweißens hergestellt. Dazu ist zunächst ein elektrischer Potenzialunterschied zwischen der Elektrode 90 und dem an der Basislage A anzuschweißenden Endlosdraht 10 erforderlich. Daher sind die Elektrode 90 und der Endlosdraht 10 mit einer elektrischen Spannungsquelle U oder einer Stromquelle I 95 verbunden. Mithilfe der elektrischen Spannungs- bzw. Stromquelle 95 ist der fließende elektrische Strom in seiner Stärke gezielt einstellbar. Damit wird vorzugsweise gezielt ein Widerstandsschweißen durchgeführt und/oder ein Abschnitt des Endlosdrahts 10 und/oder ein Abschnitt der Bauteile A, B erwärmt. Das oberste Bauteil oder die Decklage B des Bauteilstapels besteht aus Metall und bildet die äußerste Lage. Vorzugsweise besteht die metallische Decklage B aus Aluminium, Magnesium oder Legierungen davon, wie oben bereits erläutert worden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verbindungsverfahrens sind zwischen der Basislage A und der Decklage B weitere Bauteile (siehe Figuren 2, 3, 8, 9) als Zwischenlage Z, Z1, Z2 angeordnet. Diese bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, verstärktem Kunststoff, Klebstoff oder ebenfalls aus Metall. Besteht die mindestens eine Zwischenlage Z, Z1, Z2 aus elektrisch nicht leitendem Material, ist eine elektrische Verbindung zwischen der Basislage A und der Decklage B zur Durchführung des Verbin- dungsverfahrens (siehe unten) vorzusehen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden dazu die Basislage A und die Decklage B mit einer elektrisch leitenden Brücke miteinander verbunden.
Die elektrische Verbindung zwischen der Basislage A und der Decklage B mit dazwischen angeordneter elektrisch nicht leitender Zwischenlage Z, Z1, Z2 ermöglicht einen elektrischen Stromfluss und damit eine elektrische bzw. eine Widerstandserwärmung des Führungsendes 20 des Endlosdrahts 10. Diese Widerstandserwärmung gewährleistet eine Wärmeabgabe vom Endlosdraht 10 an die angrenzenden Bauteile. Dies sind in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des Führungsendes 20 in den Bauteilstapel in Fügerichtung RF die Decklage B, die mindestens eine Zwischenlage und die Basislage A. Sofern gemäß der in den Figuren 1, 4, 5 und 6 gezeigten bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung die Basislage A und die Decklage B direkt aufeinander liegen, findet der erwärmende Stromfluss zwischen Endlosdraht 10 und Elektrode 90 direkt über die Basislage A und die Decklage B statt. Entsprechend ist keine zusätzliche elektrisch leitende Brücke zwischen Basislage A und Decklage B erforderlich. Das gleiche gilt auch für Zwischenlagen Z, Z1, Z2, die aus elektrisch leitendem Material bestehen.
Die Fügevorrichtung 1 umfasst neben der Elektrode 90 vorzugsweise einen Niederhalter 80 und eine Drahtvorschubeinrichtung 70. Der Niederhalter 80 ist parallel zur Fügerichtung RF bewegbar. Der Niederhalter 80 drückt vorzugsweise zumindest die Decklage B und die Basislage A gegen die Elektrode 90. Durch die mit dem Niederhalter 80 erzeugte mechanische Vorspannung der Bauteile A, B gegen die
Elektrode 90 werden Abstände zwischen den Bauteilen A, B geschlossen und ein elektrischer Kontakt zwischen der Basislage A und der Elektrode 90 unterstützt.
Um eine ausreichend hohe Gegenkraft für den Niederhalter 80 bereitzustellen, ist die Elektrode 90 vorzugsweise als Elektrodengegenlager vorgesehen. Entsprechend stellt die Elektrode 90 aufgrund ihrer mechanischen Stabilität selbständig die für den Niederhalter 80 erforderliche Gegenkraft bereit (siehe Fig. 1, 4, 5, 6). Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform liegt die Basislage A auf einem Träger T auf, wie es in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist. Während die Elektrode 90 den elektrischen Kontakt zwischen Basislage A und Spannungsquelle 95 bereitstellt, gewährleisten die Träger T oder allgemein ein elektrisch nicht leitendes Gegenlager die mechanisch fixierte Position der Basislage A im Raum.
In Kombination mit dem Träger T ist es ebenfalls bevorzugt, die Elektrode 90 an beliebiger Stelle der Basislage A vorzusehen. Dadurch ist die elektrische Verbindung zwischen Basislage A und Spannungsquelle 95 gewährleistet. Es ist daher nicht notwendig, die Elektrode 90 in Fügerichtung Rp unterhalb der Basislage A anzuordnen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung bestehen die Träger T aus elektrisch leitendem Material und sind mit der Spannrings- bzw. Stromquelle 95 verbunden oder verbindbar. Damit bilden die Träger T oder zumindest einer dieser Träger T selbst die Elektrode 90, um den elektrischen Stromfluss zu gewährleisten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung ist der Niederhalter 80 elektrisch leitend vorgesehen und zu- und abschaltbar mit der elektrischen Spannungs- oder Stromquelle 95 verbunden. Diese bevorzugte Ausgestaltung ermöglicht eine Widerstandserwärmung in Basis- A und/oder Decklage B über einen bevorzugt einstellbaren elektrischen Stromfluss zwischen dem Niederhalter 80 und der Elektrode 90.
Zur Unterstützung des Fügevorgangs werden der Endlosdraht 10 und die Elektrode 90 über die Spannrings- oder Stromquelle 95 miteinander verbunden. Entsprechend fließt ein elektrischer Strom durch den Endlosdraht 10 und die Elektrode 90, sobald der Stromkreis zwischen dem Endlosdraht 10 und der Elektrode 90 geschlossen ist, also sobald das Führungsende 20 auf der Decklage B aufsetzt (siehe Figuren 1 , 4, 5, 6). Der dadurch einsetzende elektrische Stromfluss im Endlosdraht 10 und somit auch im Führungsende 20 erwärmt den Endlosdraht 10 und die angrenzende Decklage B. Dadurch wird vorzugsweise das Material der Decklage B im Fügebereich aufgeweicht und ein Eindringen des Führungsendes 20 in Fügerichtung Rp erleichtert.
Um die unterstützende Wärmezufuhr an der Fügestelle und in angrenzende Bereiche der Bauteile zu verstärken, wird bevorzugt auch der Niederhalter 80 elektrisch mit der Strom-/Spannungsquelle 95 verbunden (siehe Figuren 1, 2, 3). Somit fließt gemäß einer ersten bevorzugt Ausführungsform ein elektrischer Strom zwischen dem Niederhalter 80 und der Elektrode 90, der Wärme in den stromdurchflossenen Bauteilen A, B erzeugt. In diesem Fall weisen bevorzugt der Endlosdraht 10 und der Niederhalter 80 das gleiche elektrische Potenzial auf, sodass sich nur ein elektrischer Potenzialunterschied zur Elektrode 90 und somit ein elektrischer Stromfluss ergibt. Soll der Wärmeeintrag im Fügebereich durch Widerstandswärme erzeugt werden, wird bevorzugt der elektrische Stromfluss zwischen Niederhalter 80 und Elektrode 90 und/oder zwischen Endlosdraht 10 und der Elektrode 90 gezielt zugeschaltet (siehe Figur 1).
Vorzugsweise setzt der Niederhalter 80 zeitlich und räumlich vor dem Führungsende 20 auf der Decklage B auf und stellt einen elektrischen Kontakt zur Elektrode 90 her. Ebenfalls bevorzugt wird der Niederhalter 80 vor dem Kontakt des Führungsendes 20 mit der Decklage B mit elektrischem Strom durchflossen, also elektrisch zugeschaltet, um zumindest die Decklage B und die Basislage A zu erwärmen. Es ist ebenfalls bevorzugt, die miteinander zu verbindenden Bauteile A, B gleichzeitig durch einen Stromfluss über den Endlosdraht 10 und den Niederhalter 80 zur Elektrode 90 zu erwärmen. Es versteht sich, dass zum Erzeugen einer Widerstandswärme im Endlosdraht 10 und den Bauteilen A, B der elektrische Strom zwischen der Elektrode 90 und dem Endlosdraht 10 und/oder dem Niederhalter 80 fließen muss. Dabei ist nicht entscheidend, ob aufgrund der vorhandenen elektrischen Potenzialunterschiede der elektrische Strom von oder zur Elektrode 90 fließt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung werden die metallische Decklage B und die mit dem Endlosdraht schweißbare Basislage A mit mindestens einer elektrisch nicht leitenden Zwischenlage Z, Z1, Z2 kombiniert (siehe Figuren 2 und 3). Im zu verbindenden Bauteilstapel der Figur 2 sind die beiden elektrisch nicht leitenden Zwischenlagen Z1, Z2, vorzugsweise aus Kunst- Stoff, verstärktem Kunststoff, Klebstoff oder dgl., angeordnet. In Figur 3 besteht die nur eine Zwischenlage Z bevorzugt aus elektrisch nicht leitendem Klebstoff oder aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wie Kunststoff, Keramik, Dämmstoff, Isoliermaterial oder ähnlichem. Da die mindestens eine Zwischenlage Z, Z1, Z2 einen elektrischen Stromfluss zwischen Niederhalter 80 und Elektrode 90 sowie zwischen Endlosdraht 10 und Elektrode 90 verhindert, werden bevorzugt der Endlosdraht 10 und der Niederhalter 80 mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen verbunden (siehe Fig. 2 und 3).
Der Niederhalter 80 wird bevorzugt mit der Spannungs- oder Stromquelle 95 elektrisch verbunden, also der Schalter in den Figuren 2 und 3 geschlossen. Dann fließt ein elektrischer Strom zwischen dem Endlosdraht 10 und dem Niederhalter 80 über die Decklage B, sobald der Endlosdraht 10 die metallische Decklage B kontaktiert. Auf diese Weise wird der Fügebereich durch Widerstandswärme erwärmt. Es versteht sich, dass der Niederhalter 80 und der Endlosdraht 10 elektrisch zueinander isoliert sind, sofern nicht die Decklage B eine elektrische Verbindung zwischen beiden herstellt.
Spätestens wenn der Endlosdraht in den Ausführungsformen der Figuren 2 und 3 die Zwischenlagen Z, Z1, Z2 durchdrungen hat und mit der Basislage A in Kontakt steht, trennt der Schalter die elektrische Verbindung zwischen Niederhalter 80 und Spannungsquelle 95. Nun fließt der elektrische Strom über den Endlosdraht 10 zur Elektrode 90, um das Widerstandsschweißen durchzuführen. Nachdem die miteinander zu verbindenden Bauteile A, B auf der Elektrode 90 angeordnet und durch den Niederhalter 80 gegen die Elektrode 90 oder Träger T mechanisch vorgespannt worden sind, wird der Endlosdraht 10 in Fügerichtung RF zugestellt. Für das kontrollierte Zustellen des Endlosdrahts 10 in Fügerichtung RF wird bevorzugt der Endlosdraht 10 durch eine Drahtvorschubeinrichtung 70 bewegt. Die Drahtvorschubeinrichtung 70 greift am Endlosdraht 10 an und schiebt diesen in Fügerichtung RF oder bevorzugt entgegengesetzt dazu. Vorzugsweise zieht die Drahtvorschubeinrichtung 70 den Endlosdraht 10 aus einer Rollenkonstruktion (nicht gezeigt), wo dieser gespeichert ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Drahtvorschubeinrichtung 70 ist der Endlosdraht 10 nicht direkt sondern über die Draht Vorschubeinrichtung 70 mit der elektrischen Spannungs- bzw. Stromquelle 95 verbunden.
Sobald das Führungsende 20 des Endlosdrahts 10 die Decklage B kontaktiert, erzeugt der elektrische Potenzialunterschied zwischen Endlosdraht 10 und Elektrode 90 einen elektrischen Stromfluss und eine damit verbundene Widerstandserwärmung im Endlosdraht 10, insbesondere am Führungsende 20, und in der Decklage B. Die Widerstandserwärmung in der Decklage B tritt angrenzend an das kontaktierende Führungsende 20 auf. ln Abhängigkeit von der einstellbaren Stärke des elektrischen Stromflusses durch die Decklage B ist die Widerstandserwärmung entsprechend variabel einstellbar. Vorzugsweise wird die Widerstandserwärmung derart eingestellt, dass zumindest das Material der Decklage B im Fügebereich aufgeweicht wird. Dies unterstützt das Eindrücken bzw. Eindringen des Führungsendes 20 in die Decklage B.
Während des Eindrückens des Endlosdrahts 10 in die Decklage B steigt Material der Decklage B entgegen der Fügerichtung RF nach oben. Dadurch bildet sich ein Materialaufwurf 50 aus, der den Endlosdraht 10 umgibt.
Vorzugsweise erhöht der sich ausbildende Materialaufwurf 50 die Größe der Grenzfläche zwischen dem Führungsende 20 des Endlosdrahts 10 und der Decklage B. Dadurch steht ein sich mit dem Materialaufwurf 50 vergrößernder Kontaktbereich zwischen dem Endlosdraht 10 und der Decklage B zur Verfügung. Dieser Kontaktbereich ermöglicht einen zunehmenden elektrischen Stromfluss über die vergrößerte Grenzfläche und damit einen zusätzlichen Wärmeeintrag in den Fügebereich der Decklage B durch die Widerstandserwärmung.
Der Endlosdraht 10 wird durch die Drahtvorschubeinrichtung 70 in Fügerichtung RF bewegt, bis das Führungsende 20 auf die Basislage A trifft und diese elektrisch kontaktiert. Sobald der elektrische Kontakt zwischen dem Endlosdraht 10 und der Basislage A hergestellt ist, wird über die Spannungs- bzw. Stromquelle 95 ein bekanntes Widerstandsschweißen zwischen dem Führungsende 20 des Endlosdrahts 10 und der Basislage A durchgeführt. Dabei wird bekanntermaßen die Widerstandserwärmung im Kontaktbereich zwischen Führungsende 20 und der Basislage A so stark, dass sich eine Schweißlinse S ausbildet. Innerhalb der Schweißlinse S entsteht eine stoffschlüssige Verbindung zumindest zwischen dem Führungsende 20 des Endlosdrahts 10 und der Basislage A (siehe Figur 3).
Nachdem der Endlosdraht 10 an seinem Führungsende 20 mit der Basislage A verschweißt worden ist, wird der Endlosdraht 10 vom Führungsende 20 oder vom verbindenden Drahtabschnitt 15 im Fügebereich von Basislage A und Decklage B abgetrennt. Dieses Abtrennen wird vorzugsweise auf unterschiedlichen Wegen realisiert.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens wird der Endlosdraht 10 nach dem Widerstandsschweißen durch einen elektrischen Stromfluss weiter erwärmt. Die zugeführte Widerstandswärme ist bevorzugt so groß, dass das Material des Endlosdrahts 10 im Fügebereich der Decklage B aufgeweicht und verformbar wird. Es ist ebenfalls bevorzugt, eine Restwärme des Widerstandsschweißens zu nutzen, die den Endlosdraht 10 im Bereich der Decklage B aufweicht und seine Verformbarkeit unterstützt.
Sobald der Endlosdraht 10 angrenzend an die Decklage B in einem verformbaren Zustand vorliegt, wird der Endlosdraht 10 weiter in Fügerichtung RF zugestellt. Dabei wird der Endlosdraht 10 im Bereich der Decklage B gestaucht, plastisch verformt und eine Stauchwulst 60 ausgebildet (siehe Figur 4).
Vorzugsweise hat die Stauchwulst 60 im Vergleich zum verschweißten Führungsende 20 eine radial aufgeweitete Form ähnlich einer Krone. Die radial aufgeweitete Form hat eine radiale Ausdehnung, die den Durchmesser des Endlosdrahts 10 übersteigt. Zudem bildet sich bevorzugt eine Ringwulst 65, die den Materialaufwurf 50 entgegen der Fügerichtung RF und bevorzugt radial zumindest teilweise überragt.
Auf diese Weise bildet die Stauchwulst 60 mit der Ringwulst 65 einen axialen Hinterschnitt entgegen der Fügerichtung RF im Rahmen der hergestellten Verbindung. Vorzugsweise wird somit die Verbindung der Bauteile A, B durch das Zusammenwirken einerseits der Schweißverbindung oder der stoffschlüssigen Verbindung im Bereich der Schweißlinse S und andererseits durch die Stauchwulst 60 gebildet.
Nach dem Ausbilden der Stauchwulst 60 wird der Endlosdraht 10 in Fügerichtung oberhalb der Stauchwulst 60 von dem Drahtabschnitt 15 getrennt, der die Bauteile miteinander verbindet. Dazu wird bevorzugt der Endlosdraht 10 oberhalb der Stauchwulst 60 abgeschert oder abgerissen oder durch einen Stromimpuls durch- oder vom Drahtabschnitt 15 abgeschmolzen. Um den Endlosdraht 10 abzuscheren, wird der Niederhalter 80 von der Decklage D gelöst, falls er dort anliegt. Nachfolgend führt die Fügevorrichtung oder nur die Drahtzufuhreinrichtung eine Lateralbewegung aus, um den Endlosdraht 10 abzutrennen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verbindungsverfahrens wird nach dem Wider- standsschweißen der Endlosdraht 10 durch einen Stromimpuls oberhalb der Decklage B vom verbindenden Drahtabschnitt 15 abgetrennt oder abgeschmolzen. Es ist ebenfalls bevorzugt, den Endlosdraht 10 angrenzend an die Decklage B mittels Widerstandswärme aufzuweichen und nachfolgend abzuscheren oder abzureißen oder abzuschmelzen. Hierbei wird vorher auf die Ausbildung einer Stauchwulst 60 verzichtet, wie die Fügeverbindung gemäß Figur 10 verdeutlicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verbindungsverfahrens wird nach dem Abtrennen des Endlosdrahts 10 vom verbindenden Drahtabschnitt 15 ein Lichtbogen zwischen dem freien Ende des Drahtabschnitts 15 und dem neuen Führungsende des Endlosdrahts 10 gezündet. Der kurzzeitige Lichtbogen erzeugt eine pilzähnliche Struktur am freien Ende des Drahtabschnitts 15 (nicht gezeigt). Ein derartiges Vorgehen ist in AT 506 217 Bl beschrieben, welches hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung einer mit dem erfindungsgemäß bevorzugten V erbindungsverfahren hergestellten Verbindung zeigt Figur 5. In dieser Verbindung sind zumindest die Basislage A und die Decklage B über den Drahtabschnitt 15 miteinander verbunden. Während an einem Ende die Schweißlinse S die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Drahtabschnitt 15 und der Basislage A bildet, umfasst das freie Ende des Drahtabschnitts 15 die Stauchwulst 60 mit Ringwulst 65 angrenzend an den Materialaufwurf 50 der Decklage B. Bezugszeichenliste
A Basislage
B Decklage
T Träger
Z, Z1, Z2 Zwischenlage
1 Fügevorrichtung
10 Endlosdraht
15 Drahtsegment
20 Führungsende des Endlosdrahts 10 und des Drahtsegments 15
50 Materialaufwurf
60 Stauchwulst
65 Ringwulst 70 Drahtvorschubeinrichtimg
80 Niederhalter
90 Elektrode
95 Spannungs- und/oder Stromquelle
RF Fügerichtung

Claims

Patentansprüche
1. Ein V erbindungsverfahren von mindestens zwei stapelformig übereinander angeordneten Bauteilen (A, B) mit einem Drahtabschnitt (15) eines Endlosdrahts, von denen zumindest eine schweißbare Basislage (A) aus einem mit dem Endlosdraht schweißbaren Metall und eine metallische Decklage (B) aus einem anderen Metall bestehen und welches die folgenden Schritte aufweist: a. Anordnen (Sl) der schweißbaren Basislage (A) aus mit dem Endlosdraht schweißbarem Metall, vorzugsweise Stahl, betrachtet in einer Fügerichtung RF als unterstes Bauteil auf einer Elektrode (90) und darüber zumindest die metallische Decklage (B) als oberstes Bauteil, b. Zustellen (S2) eines Endlosdrahts (10) in Fügerichtung RF ZU den stapelformig übereinander angeordneten Bauteilen (A, B), bis ein Führungsende (20) des Endlosdrahts (10) die Decklage (B) kontaktiert, c. Anlegen (S3) einer elektrischen Spannung zwischen dem Endlosdraht (10) und der Elektrode (90), sodass ein elektrischer Stromfluss im Endlosdraht (10) über die Decklage (B) und die Basislage (A) zumindest die Decklage (B) in einem Fügebereich benachbart zum Führungsende (20) des Endlosdrahts (10) erwärmt (S4), d. Eindrücken (S5) des Führungsendes (20) des Endlosdrahts (10) in Fügerichtung (RF) in die im Fügebereich durch Wärme aufgeweichte Decklage (B), bis das Führungsende (20) an der Basislage (A) anliegt, und dabei Ausbilden eines Materialaufwurfs (50) entgegen der Fügerichtung RF in der Decklage (B), der den Endlosdraht (10) umgibt, e. elektrisches Widerstandsschweißen (S6) des Führungsendes (20) des Endlosdrahts (10) mit der Basislage (A) und f. Abtrennen (S7) des Endlosdrahts (10) von dem verschweißten Führungsende (20) in Fügerichtung RF oberhalb der Decklage (B).
2. Verbindungsverfahren gemäß Patentanspruch 1, welches den weiteren Schritt aufweist: mechanisches Vorspannen der stapelformig übereinander angeordneten Bauteile (A, B) mit einem Niederhalter (80) gegen die Elektrode (90).
3. Verbindungsverfahren gemäß Patentanspruch 1 oder 2, welches den weiteren Schritt aufweist: nach dem Widerstandsschweißen Erwärmen des Endlosdrahts (10) benachbart zur Decklage (B) mit Hilfe eines elektrischen Stromflusses im Endlosdraht (10) und Ausbilden einer Stauchwulst (60) des Endlosdrahts (10) im Bereich der Decklage (B) durch weiteres Zustellen des Endlosdrahts (10) in Fügerichtung Rp.
4. Verbindungsverfahren gemäß Patentanspruch 3, welches den weiteren Schritt aufweist:
Abtrennen des Endlosdrahts (10), insbesondere Abscheren, benachbart zur Decklage (B).
5. Verbindungsverfahren gemäß Patentanspruch 1 oder 2, welches den weiteren Schritt aufweist: nach dem Widerstandsschweißen Erzeugen eines elektrischen Stromimpulses im Endlosdraht (10) und Abschmelzen des Endlosdrahts (10) benachbart zur Decklage (B), um den Endlosdraht (10) vom Führungsende (20) zu trennen.
6. Verbindungs verfahren gemäß Patentanspruch 5, welches den weiteren Schritt aufweist:
Ausbilden eines Pilzkopfes am freien Ende des abgetrennten Führungsendes (20) benachbart zur Decklage (B).
7. Verbindungsverfahren gemäß Patentanspruch 2 oder einem der vorhergehenden Patentansprüche 3 bis 6 in Kombination mit Patentanspruch 2, in dem der Niederhalter (80) als elektrisch leitfahiger Elektrodenniederhalter vorgesehen und mit einer elektrischen Strom- oder Spannungsquelle (95) verbunden ist und welches die weiteren Schritte aufweist:
Erzeugen eines elektrischen Stromflusses zwischen dem Endlosdraht (10) und dem Niederhalter (80) über die metallische Decklage B sowie eine damit verbundene Widerstandserwärmung benachbart zum Führungsende (20) in der metallischen Decklage B oder
Erzeugen eines elektrischen Stromflusses zwischen dem Niederhalter (80) und der Elektrode (90) über die metallische Decklage B und die Basislage A sowie eine damit verbundene Widerstandserwärmung benachbart zum Führungsende (20).
8. Eine Fügeverbindung von mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen (A, B) mit einem von einem Endlosdraht (10) abgetrennten Drahtabschnitt (15), der mit einer schweißbaren Basislage (A) aus mit dem Endlosdraht schweißbarem Material verschweißt ist, zumindest eine metallische Decklage (B) aus einem anderen Metall als die Basislage (A) durchläuft und durch einen Materialaufwurf (50) der metallischen Decklage (B) am nicht verschweißten freien Ende des abgetrennten Drahtabschnitts (15) umgeben ist.
9. Die Fügeverbindung gemäß Patentanspmch 8, in der der Drahtabschnitt (15) an dem freien Ende eine axiale Strauchwulst (60) aufweist.
10. Die Fügeverbindung gemäß Patentanspmch 8, in der der Drahtabschnitt (15) an dem freien Ende einen Pilzkopf auf weist.
11. Eine Fügevorrichtung, mit der das Verbindungsverfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 -7 durchführbar ist, welche die folgenden Merkmale aufweist: eine Speichereinrichtung eines Endlosdrahts (10), mit der der Endlosdraht (10) einer Fügestelle zustellbar ist, eine Elektrode (90), auf der eine Mehrzahl an Bauteilen (A, B) positionierbar ist, einen Niederhalter (80), mit dem die Mehrzahl an Bauteilen (A, B) gegen die Elektrode (90) mechanisch vorspannbar ist, und eine elektrische Spannungs- oder Stromquelle (95), die mit dem Endlosdraht (10) und der Elektrode (90) derart verbindbar und angepasst ist, dass ein Erwärmen und Aufweichen zumindest der metallischen Decklage (B) und ein elektrisches Widerstandsschweißen mit der schweißbaren Basislage (A) gewährleistet sind.
12. Die Fügevorrichtung gemäß Patentanspruch 11 , in der der Niederhalter (80) als elektrisch leitfähiger Elektrodenniederhalter vorgesehen und mit der elektrischen Strom- oder Spannungsquelle (95) verbindbar ist, um a. einen elektrischen Stromfluss zwischen dem Endlosdraht (10) und dem Niederhalter (80) über die metallische Decklage B sowie eine damit verbundene Widerstandserwärmung benachbart zum Führungsende (20) in der metallischen Decklage B oder um b. einen elektrischen Stromfluss zwischen dem Niederhalter (80) und der Elektrode (90) über die metallische Decklage B und die Basislage A sowie eine damit verbundene Widerstandserwärmung benachbart zum Führungsende (20) zu erzeugen.
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