DE102006013529A1

DE102006013529A1 - Verfahren zum Fügen von Werkstücken und Fügeelement hierfür

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Publication number: DE102006013529A1
Application number: DE102006013529A
Authority: DE
Inventors: Michael Ruther; Sven Dickes; Virginio Buonaccorso; Gerson Dr. Meschut; Torsten Dr. Draht
Original assignee: DaimlerChrysler AG; Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Current assignee: Boellhoff Verbindungstechnik De GmbH
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: DE102006013529B4

Abstract

Dieses Verfahren dient zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke mittels eines Fügeelementes. Das Fügeelement (6) wird durch eine rotatorische und translatorische Bewegung durch das obere Werkstück (2) hindurchbewegt und in das untere Werkstück (4) rotierend eingedrückt, ohne das untere Werkstück zu durchdringen, um durch die beim Eindrücken entstehende Reibung eine überwiegend stoffschlüssige Verbindung mit dem unteren Werkstück (4) einzugehen. Es entsteht eine überwiegend form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement (6) und dem oberen Werkstück (2). Die Werkstücke (2, 4) werden hierbei in Anlage aneinander gehalten und miteinander verbunden. Das Verfahren erlaubt es, Werkstücke (2, 4) nicht nur aus gleichartigen, sondern auch aus artfremden Werkstoffen wie z. B. Aluminium/Stahl oder Kunststoff/Metall zu verbinden, wobei es genügt, wenn die Fügestelle nur von einer Seite her zugänglich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke mittels eines Fügeelementes sowie ein Fügeelement hierfür.
In der Fügetechnik ist es nicht selten erforderlich, Werkstücke miteinander zu verbinden, bei denen die Fügestelle nur von einer Seite der Werkstücke aus zugänglich ist. Zahlreiche Fügetechniken wie z. B. das Stanznieten oder Durchsetzfügen (Clinchen) sind hierfür ungeeignet. Verfügbar sind zwar Fügetechniken wie das Blindnieten und Schrauben, welche ein einseitiges Fügen der Werkstücke erlauben. Diese Fügetechniken erfordern jedoch üblicherweise einen entsprechenden Fertigungsaufwand wie Vorlochen, Nietverformung, Gewindebildung, etc.

Aus DE 196 30 271 C2 ist ein Verfahren zum Verbinden eines plastifizierbaren Werkstückes mit einem anderen Werkstück bekannt, bei dem ein Reibelement in Form eines Reibstempels unter aktivierender Relativbewegung und unter Bildung einer plastifizierten Prozesszone durch ein oberes Werkstück hindurch in ein unteres Werkstück gedrückt wird, um die plastifizierte Prozesszone in den Bereich zwischen den beiden Werkstücken zu bringen, worauf das Reibelement zurückgezogen wird, um einen Reibschweißverbund der Werkstücke im Bereich des Spaltes zwischen den beiden Werkstücken zu erzeugen. Durch diese Fügemethode sollen sich auch Werkstücke unterschiedlicher Materialien, z. B. aus Stahl und Aluminium, fügen lassen. Da bei dieser Fügetechnik kein in den Werkstücken verbleibendes Fügeelement zum Einsatz kommt, beruht die Festigkeit der Werkstückverbindung allein auf dem relativ kleinflächigen Reibschweißverbund der Werkstücke.

Aus DE 197 31 638 A1 ist ein ähnliches Fügeverfahren bekannt, bei dem ein rotierender Reibbolzen in das obere Werkstück eindringt, ohne dieses zu durchstoßen, und im Bereich der Fügezone die Werkstücke durch den Druck des Reibbolzens und einer axialen Fixierung des unteren Werkstückes fest gegeneinander gepresst werden, um durch Reibung und Druck im Bereich der Fügezone eine Temperaturerhöhung zu bewirken und dadurch, ähnlich dem Mechanismus des Pressschweißens, eine durch Mikroverformungen hervorgerufene Verbindung der Werkstücke zu erzielen. Hierbei kann der Bolzen nach dem Fügevorgang wieder zurückgezogen oder als Einheit auf dem Werkstückverbund verbleiben. Abgesehen davon, dass bei dieser Fügetechnik die Fügestelle von beiden Seiten der Werkstücke zugänglich sein muss, ist auch hier die Festigkeit der Verbindung auf die Festigkeit der „Pressfügezone" beschränkt.

In dem Aufsatz „Untersuchungen zur Anwendbarkeit des Reibbolzenschweißens" in der Zeitschrift „Schweißen und Schneiden", 1994, Heft 7, S. 319–324 wird ein sogenanntes Reibbolzen-Schweißverfahren beschrieben, bei dem ein Bolzen ähnlich wie beim Lichtbogenbolzenschweißen senkrecht auf die Oberseite eines Bleches geschweißt wird. Dabei wird die Reibungswärme eines unter Axialkraft auf dem Blech drehenden Bolzens ausgenutzt. Der Bolzen kann beispielsweise aus Aluminium und das Blech beispielsweise aus Stahl bestehen. Beim Aufsetzen und Drehen des Bolzens auf dem Blech kommt es zu einem Abrieb des Bolzens; das abgeriebene Material wird aus der Fügezone verdrängt und zu einem geschlossenen Schweißwulst geformt. Die Folge ist eine Bolzenverkürzung, die notwendig ist, um in die Bauteile ausreichend Energie einzubringen.

Als spezielle Anwendungsmöglichkeit erwähnt der Aufsatz eine sogenannte „Durchschweißtechnik" zum Befestigen von dünnen Aluminiumblechen an Stahlunterkonstruktionen, bei dem der aus Stahl bestehende Reibbolzen durch das Aluminiumblech hindurchbewegt und an der Oberseite der Stahlunterkonstruktion angeschweißt wird. Der beim Anschweißen entstehende Schweißwulst geht mit verdrängtem Material des Reibbolzens eine Verklammerung ein. Der Schweißwulst und das „verklammerte" Material des Reibbolzens liegen zwischen dem Aluminiumblech und der Stahlunterkonstruktion, so dass diese Teile einen entsprechenden Abstand voneinander haben.

DE 196 20 814 A1 offenbart ein Verfahren zum Fügen zweier Werkstücke, bei dem ein Fügeelement durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch das obere Werkstück hindurch bewegt und in das zweite Werkstück eingedrückt wird, ohne das zweite Werkstück zu durchdringen. Die beim Fügevorgang entstehende Schmelze gelangt zur Ausbildung einer stofflichen Schweißverbindung zwischen den beiden Werkstücken in den Spalt zwischen den beiden Werkstücken. Eine entsprechende Schweißverbindung entsteht auch zwischen dem Fügeelement und den beiden Werkstücken. Das Fügeelement ist im Wesentlichen im Querschnitt kreisförmig ausgebildet und weist einen sich verjüngenden Endabschnitt in Form eines stumpfen Kegels sowie einen sich daran anschließenden zylindrischen oder auch konischen Zwischenabschnitt auf, wobei der Kegelwinkel des Endabschnittes wesentlich größer als der Kegelwinkel des Zwischenabschnittes ist. Bei einer Ausführungsform ist der Endabschnitt mit einer Vielzahl radial verlaufender Schneidkanten versehen. An den Zwischenabschnitt schließt sich ein flanschartiger Kopf an, der auf seiner vom Endabschnitt abgewandten Seite mit Vertiefungen zwecks Antrieb durch ein Werkzeug versehen ist.

Durch die vorliegende Erfindung sollen ein Verfahren und ein Fügeelement zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke geschaffen werden, bei denen die Werkstücke auch nach dem Fügevorgang aneinander anliegen und außerdem eine hohe Verbindungsfestigkeit und -qualität sichergestellt werden. Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen von Werkstücken verwendbar, deren Fügestelle nur von einer Seite der Werkstücke aus zugänglich ist.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird ein Fügeelement durch eine rotatorische und translatorische Bewegung durch das erste Werkstück hindurch bewegt und in das zweite Werkstück eingedrückt, ohne das zweite Werkstück zu durchdringen. Aufgrund der beim Eindrücken entstehenden Reibung geht das Fügeelement mit dem zweiten Werkstück eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Reibschweißverbindung, ein, durch die die Werkstücke miteinander verbunden werden. Während des Fügevorganges werden die Werkstücke in Anlage aneinander gehalten. Gleichzeitig entsteht zwischen dem Fügeelement und dem ersten Werkstück eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung. Ferner kann zwischen dem Fügeelement und dem zweiten Werkstücke eine kraftschlüssige Verbindung vorgesehen werden, und zwischen dem Fügeelement und dem ersten Werkstück kann zusätzlich eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen werden.

Da somit die Werkstücke durch ein gesondertes Fügeelement miteinander verbunden werden, ist eine hohe Verbindungsfestigkeit und -qualität sichergestellt. Das Verfahren nach der Erfindung erlaubt das Fügen von Werkstücken, bei denen die Fügestelle nur von einer Seite aus zugänglich ist. Da ferner die Werkstücke nicht vorbearbeitet, insbesondere nicht vorgelocht, werden müssen, ist das Verfahren in Durchführung und Handhabung relativ einfach und entsprechend kostengünstig. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, dass es das Fügen von Werkstücken aus artfremden Materialien wie z. B. unterschiedlichen Metallen, insbesondere Aluminium/Stahl oder Magnesium/Stahl, oder Kunststoff/Metall, insbesondere Polymer/Metall, ermöglicht.

Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Werkstücke auch nach dem Fügevorgang noch aneinander anliegen, d. h., dass die Werkstücke durch den Fügevorgang nicht auseinander gedrückt werden. Hierzu ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Geometrie des Fügeelementes und/oder die Materialien des Fügeelementes und der Werkstücke und/oder vorgegebene Verfahrensparameter des Fügevorganges so gewählt werden, dass die Werkstücke während des Fügevorganges in Anlage aneinander bleiben. Als Alternative oder zusätzliche Möglichkeit können die Werkstücke während des Fügevorgangs durch einen Niederhalter in Anlage aneinander gehalten werden.

Das Fügeelement kann aus dem gleichen Material wie das zweite Werkstück oder auch aus einem anderen Material bestehen. Insbesondere be steht es aus einem Material wie einem Metall (Stahl), das eine stoffschlüssige Verbindung mit dem zweiten Werkstück eingehen kann.

Wie bereits erwähnt, ist eine Vorbehandlung der Werkstücke und insbesondere ein Vorlochen der Werkstücke nicht erforderlich, so dass das Fügeelement bei seiner Bewegung durch das erste Werkstück Material des ersten Werkstückes verdrängt. In diesem Fall wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Fügeelement mit einem flanschartig überstehenden Kopf verwendet, an dessen Unterseite eine Ringnut oder andere Ausnehmung zum Aufnehmen verdrängten Materials des ersten Werkstückes vorgesehen ist. Das aufgeschmolzene Material kann daher nicht in unkontrollierter Weise in die Kontaktzonen zwischen dem Fügeelement und den Werkstücken sowie zwischen den Werkstücken fließen. Hierdurch entsteht eine Fügeverbindung hoher Festigkeit, Steifigkeit und Stabilität.

Grundsätzlich ist es auch möglich, das erste Werkstück vor dem Fügevorgang an der Fügestelle mit einem Loch zu versehen, dessen Durchmesser größer als der Durchmesser des Fügeelementes ist. Es entsteht dann ein Freiraum zwischen der Lochwand und dem Fügeelement, der verdrängtes Material des zweiten Werkstückes aufnehmen kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Fügeelement verwendet, das einen in Eindrückrichtung vorderen Eindringabschnitt und einen in Eindrückrichtung hinteren Körperabschnitt aufweist, deren Querschnitte entgegen der Eindrückrichtung größer werden. Die Oberflächen des Eindringabschnittes und des Körperabschnittes schließen hierbei mit der zentralen Achse des Fügeelementes jeweils einen konstanten oder sich ändernden Winkel ein, wobei der maximale Winkel des Eindringabschnittes kleiner ist als der minimale Winkel des Körperabschnittes. Vorzugsweise sind die Oberflächen des Eindring- und Körperabschnittes des Fügeelementes als Kegelstumpfflächen ausgebildet, die glatt oder mit wendelförmig verlaufenden Schneidkanten versehen sind.

Anhand der Zeichnungen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigt:
1 bis 3 in schematischer Ansicht unterschiedliche Betriebszustände beim Fügen zweier Werkstücke mittels eines Fügeelementes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 bis 6 der 3 entsprechende Ansichten einer Fügeverbindung mit abgewandelten Ausführungsformen des Fügeelementes;
7 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Fügeelementes;
8 eine perspektivische Ansicht der Rückseite des Fügeelementes in 7;
9, 10 perspektivische Ansichten abgewandelter Ausführungsformen des Fügeelementes der 7, 8;
11 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Fügeverbindung mit einem Fügeelement der 7, 8 und einem Werkzeug zum Setzen des Fügeelementes;
12 eine perspektivische Ansicht des Werkzeuges in 11 von unten;
13 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Fügeverbindung mit einem Fügeelement der 7, 8 und einem vorgelochten oberen Werkstück.
Wie in 1 schematisch dargestellt, sind zwei aneinander anliegende plattenförmige Werkstücke 2, 4 mittels eines Fügeelementes 6 miteinander zu verbinden. Bei den Werkstücken 2, 4 handelt es sich beispielsweise um ein Rahmenteil aus Stahl (unteres Werkstück 4), das mit einem Aluminiumblech (oberes Werkstück 2) „beplankt" werden soll.
Das Fügeelement 6 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem rotationssymmetrischen Teil mit einem konisch verlaufenden Körperabschnitt 8 und einem kegelig verlaufenden Eindringabschnitt 10. Der Körperabschnitt 8 ist mit einem gestrichelten angedeuteten Antriebsmerkmal 12 in Form einer Ausnehmung (z. B. Mehrkant, Schlitz, Torx) versehen.
Zum Herstellen der Fügeverbindung wird das Fügeelement 6 von einem Antrieb (nicht gezeigt) gleichzeitig in eine rotatorische und translatorische Bewegung (siehe die Pfeile in 2, 3) versetzt, wodurch das Fügeelement 6 mit der Spitze des kegeligen Eindringabschnitts 10 von der Oberseite des Werkstücks 2 aus in das Material der Werkstücke eingedrückt wird.
Wie 2 zeigt, dringt das Fügeelement 6 zunächst in das Material des oberen Werkstücks 2 ein. Hierbei verdrängt es Material des nicht vorgelochten oberen Werkstücks 2 zur Oberseite des Werkstücks 2 hin, so dass ein entsprechender Materialauswurf 7 in Form einer ringförmigen Materialaufwölbung an der Oberseite des Werkstücks 2 entsteht. Bei fortgesetzter rotatorischer und translatorischer Bewegung dringt dann das Fügeelement 6, nachdem es das obere Werkstück 2 vollständig durchdrungen hat, in das untere Werkstück 4 ein. Die hierbei entstehende Reibung zwischen dem Fügeelement 6 und dem unteren Werkstück 4 und die begleitende Wärmeentwicklung bewirken eine Materialerweichung, die beim Erkalten zu einer stoffschlüssigen Verbindung in Form einer Schweißverbindung zwischen dem Fügeelement 6 und dem unteren Werkstück 4 führt (3).
Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Fügeelement 6 eine solche Form, dass in der Endposition des Fügevorgangs der Körperabschnitt 8 im oberen Werkstück 2 sitzt und lediglich der Eindringabschnitt 10 in das untere Werkstück 4 vorsteht. Während das Fügeelement 6 aufgrund des Reibschweißvorganges mit dem unteren Werkstück 4 eine stoffschlüssige Verbindung eingegangen ist, entsteht aufgrund des konischen Verlaufes des Körperabschnittes 8 zwischen dem Fügeelement und dem oberen Werkstück 2 eine formschlüssige Verbindung, die normalerweise von einer kraftschlüssigen Verbindung begleitet ist.
Das Fügeelement 6 ist daher mit dem oberen Werkstück 2 im Wesentlichen form- und kraftschlüssig und mit dem unteren Werkstück 4 im Wesentlichen stoffschlüssig verbunden. Zusätzlich können jedoch noch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement 6 und dem oberen Werkstück 2 und eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement 6 und dem unteren Werkstück 4 vorgesehen werden.
Wie aus den 1 bis 3 hervorgeht, bleiben die Werkstücke 2, 4 während des Fügevorganges in Anlage aneinander, so dass sie auch nach der fertiggestellten Fügeverbindung aneinander anliegen. Dies lässt sich durch verschiedene Maßnahmen erreichen:
Hierzu gehört die Geometrie des Fügeelementes, die so gewählt wird, dass beim Eindringen des Fügeelementes in das untere Werkstück 4 kein oder nur ein vernachlässigbarer Materialwulst des Fügeelementes entsteht, welcher andernfalls das obere Werkstück 2 vom unteren Werkstück 4 abheben könnte. Alternativ oder zusätzlich hierzu können die Materialien des Fügeelementes und der Werkstücke so gewählt werden, dass die Entstehung eines die beiden Werkstücke auseinanderdrückenden Materialwulstes vermieden wird. Ist beispielsweise das Material des Fügeelementes 6 im Vergleich zu den Materialien der Werkstücke und insbesondere bezüglich des Materials des oberen Werkstückes 2 relativ hart, so unterbleibt normalerweise die Entstehung eines Materialwulstes des Fügeelementes. Kommt es dennoch zu einem (relativ kleinen) Materialwulst des Fügeelementes 6, so kann dieser Materialwulst in das relativ weiche Material des oberen Werkstückes 2 eindringen. In jedem Fall lässt sich auf diese Weise die Bildung eines Abstandes zwischen den Werkstücken 2 und 4 vermeiden.
Eine weitere in Betracht kommende Maßnahme ist eine entsprechende Wahl der Verfahrensparameter des Fügevorganges. Zu nennen sind insbesondere die Geschwindigkeiten der rotatorischen und translatorischen Bewegungen des Fügeelementes 6, d. h. die Drehzahl ω und die Vorschubgeschwindigkeit der translatorischen Bewegung, sowie die Fügekraft F_a, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird.
Eine weitere mögliche Maßnahme, durch die die Werkstücke 2, 4 während des Fügevorganges in Anlage aneinander gehalten werden, ist die Verwendung eines Niederhalters, wie anhand der 4 noch genauer erläutert wird.
Beim Fügevorgang entsteht normalerweise außerdem eine kraftschlüssige (reibschlüssige) Verbindung zwischen den beiden Oberflächen der Werkstücke 2 und 4. Je nach den verwendeten Materialien kann außerdem eine Klebstoffverbindung zwischen den Werkstücken 2 und 4 zweckmäßig sein, um eine Kontaktkorrosion zwischen diesen zu vermeiden.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung und den 1 bis 3 ohne weiteres ersichtlich ist, ist für den Fügevorgang eine Zugänglichkeit der Fügestelle nur von einer Seite der Werkstücke aus erforderlich. Es versteht sich jedoch, dass das beschriebene Verfahren auch bei Zugänglichkeit der Fügestelle von beiden Seiten der Werkstücke aus anwendbar ist, wie dies beispielsweise anhand der 4 noch beschrieben wird. Die stoffschlüssige Verbindung des Fügeelementes 6 mit dem unteren Bauteil 4 und die form- und/oder stoffschlüssige Verbindung des Fügeelementes 6 mit dem oberen Bauteil 2 sorgen für eine hohe Festigkeit und Qualität der Verbindung. Da die zu fügenden Werkstücke 2 und 4 nicht vorbearbeitet, insbesondere nicht vorgelocht, zu werden brauchen, ist der Fertigungsaufwand vergleichsweise gering.
Grundsätzlich lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren Werkstücke unterschiedlichster Materialkombinationen fügen, sofern nur das Fügeelement 6 mit dem unteren Werkstück 4 eine stoffschlüssige Verbindung eingehen kann. Insbesondere ist das Fügen von Werkstücken aus artfremden Materialien möglich. Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren durchführen, wenn das obere Werkstück 2 aus einem relativ weichen duktilen Material wie einem dünnen Blech und das untere Werkstück 4 aus einem hochfesten härteren Material besteht, welches eine wesentlich größere Dicke als das obere Werkstücke 2 haben kann. Wie bereits eingangs erwähnt, können die Werkstücke 2, 4 aus unterschiedlichen Metallen, insbesondere Aluminium/Stahl oder Magnesium/Stahl, oder aber auch aus einem Kunststoff, insbesondere einem polymeren Kunststoff, und Metall bestehen.
Das Fügeelement 6 kann aus dem gleichen Material wie das untere Werkstück 4 oder auch aus einem anderen Material bestehen. Zweckmäßigerweise besteht es aus einem Metall, insbesondere Stahl, um mit dem Material des unteren Werkstücks 4 die erwünschte Reibschweißverbindung eingehen zu können.
Die auf das Fügeelement ausgeübte Fügekraft F_a zum Erzeugen der translatorischen Bewegung des Fügeelementes kann vergleichsweise gering sein und beispielsweise in der Größenordnung von 2 bis 5 kN und insbesondere in der Größenordnung von 3 bis 4 kN liegen. Die Tragfähigkeit des Werkstückverbandes aus den beiden Werkstücken 2 und 4 reicht daher im allgemeinen aus, um die Fügekraft F_a aufzunehmen, ohne dass eine Abstützung der Werkstücke 2, 4 entgegen der Fügekraft F_a, also an der Unterseite des unteren Werkstücks 4, erforderlich ist.
Die Drehzahl ω der rotatorischen Bewegung des Fügeelementes 6 ist hoch genug zu wählen, um die für den Fügevorgang erforderliche Reibungswärme zu erzeugen. Die Drehzahl ω liegt zweckmäßigerweise im Bereich von 5000 bis 30000 U/min, vorzugsweise 10000 bis 25000 U/min und insbesondere in der Größenordnung von 23000 U/min.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Werkstücke 2, 4 an der Fügestelle nicht vorbearbeitet, insbesondere nicht vorgelocht. Grundsätzlich könnte das obere Werkstück 2 jedoch an der Fügestelle auch mit einem vorgebohrten Loch versehen werden, dessen Durchmesser gleich oder kleiner oder größer als der Durchmesser des Fügeelementes 6 ist. So könnte das vorgebohrte Loch in seiner Form der Form des entsprechenden Körperabschnittes des Fügeelementes entsprechen. In diesem Fall käme es zu keiner Verdrängung von Material des oberen Werkstücks 2. Ist das vorgebohrte Loch des oberen Werkstücks jedoch kleiner als das Fügeelement 6, so ist eine entsprechende Materialverdrängung erforderlich, die dann jedoch geringer als die des dargestellten Ausführungsbeispiels ist.
Der Fügevorgang kann in einem einstufigen Verfahren erfolgen, bei dem die rotatorische und translatorische Bewegung des Fügeelementes gleichzeitig erfolgen und gleichzeitig beendet werden, wenn das Fügeelement seine Endposition in den Werkstücken 2, 4 erreicht hat. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Fügeelement 6 in einer ersten Phase durch gleichzeitige rotatorische und translatorische Bewegung in die Werkstücke hinein zu bewegen und die rotatorische Bewegung abrupt zu beenden und das Fügeelement 6 dann in einer unmittelbar daran anschließenden zweiten Phase durch eine weitere translatorische Bewegung („Nachdrücken") in seine Endposition im unteren Werkstück 4 zu bringen. Der Fügevorgang könnte beispielsweise in der ersten Phase mit einer Fügekraft von 3 kN und einer Dauer von 1000 ms und in der zweiten Phase mit einer Fügekraft von 4 kN und einer Dauer von 300 ms erfolgen. Mit dieser zweistufigen Vorgehensweise lässt sich eine hochqualitative Schweißverbindung zwischen dem Fügeelement 6 und dem unteren Werkstück 4 erzielen.
Es versteht sich, dass das Fügeelement auch anders als in den 1 bis 3 ausgebildet sein kann. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Eindringabschnitt 10a als halbhohler Schaft mit einer zentralen Ausnehmung 14 ähnlich einem Halbhohlniet ausgebildet. Der Eindringabschnitt 10a hat daher anstelle einer Spitze eine ringförmige Kante zum Durchdringen des oberen Werkstücks 2 und zum Eindringen in das untere Werkstück 4. Die zentrale Ausnehmung 14 kann beim Fügevorgang verdrängtes Material aufnehmen.
Das Fügeelement 6a ist ferner mit einem flanschartigen Kopf 16 versehen, der an seiner Unterseite eine Ausnehmung in Form einer Ringnut 18 aufweist. Die Ringnut 18 kann beim Fügevorgang verdrängtes Material des oberen Werkstücks 2 aufnehmen, so dass es nicht über die Oberseite des Werkstücks 2 überstehen würde. Der flanschartige Kopf 16 stützt sich daher an der Oberseite des Werkstücks 2 und nicht an dem Auswurf 7 ab. Hierdurch werden eine höhere Steifigkeit und Stabilität der Werkstückverbindung ermöglicht.
In 4 ist ein Niederhalter 20 in Form eines hülsenförmigen Körpers vorgesehen, der benachbart zur Fügestelle eine Niederhalterkraft auf die zu fügenden Werkstücke 2, 4 ausübt, um ein Abheben des oberen Werkstückes 2 vom unteren Werkstück 4 zu verhindern. Zweckmäßigerweise wird auf das untere Werkstück 4 eine Gegenkraft F_g ausgeübt, die der Niederhalterkraft entgegenwirkt. Das in 4 dargestellte Fügeelement 6a hat wiederum ein Antriebsmerkmal 12 in Form eines Innenmehrkants. Es versteht sich, dass als An triebsmerkmal auch ein Außenmehrkant, Torx, Schlitz oder dergleichen verwendet werden kann.
Das in 5 dargestellte Fügeelement 6b entspricht weitgehend dem in 4 dargestellten Fügeelement 6a. Unterschiedlich ist lediglich, dass als Eindringabschnitt 10b ein massiver balliger Vorsprung vorgesehen ist.
Das in 6 dargestellte Fügeelement 6c unterscheidet sich von dem in 5 gezeigten Fügeelement 6b im Wesentlichen dadurch, dass es mit einem Funktionselement 22 zum Ausüben einer Zusatzfunktion versehen ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Funktionselement 22 ein Gewindebolzen, der zum Befestigen eines zusätzlichen Bauteils verwendet werden kann. Das Fügeelement erfüllt dann die doppelte Funktion einer Verbindung der Werkstücke und eine Anbindung eines weiteren Bauteils. Es sind jedoch auch andere Funktionselemente wie z. B. ein Stehbolzen möglich.
Bei der in den 7 und 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung besteht das Fügeelement 6d aus einem in die Werkstücke eindringenden Körper 24d und einem flanschartig überstehenden Kopf 26. Der Körper 24d setzt sich aus einem Eindringabschnitt 28 und einem Körperabschnitt 30 zusammen, die auf einer gemeinsamen Achse liegen und rotationssymmetrisch zu dieser ausgebildet sind.
Auch in diesem Fall nimmt der Querschnitt des Eindringabschnittes 28 und des Körperabschnittes 30 entgegen der Eindrückrichtung zu. Bei dieser Ausführungsform wird die Querschnittszunahme des Eindringabschnittes 28 und Körperabschnittes 30 jedoch so gewählt, dass der Eindringabschnitt 28 spitzer zuläuft als der Körperabschnitt 30. Anders ausgedrückt, schließen der Eindringabschnitt 28 und der Körperabschnitt 30 mit der zentralen Achse des Fügeelementes jeweils einen konstanten oder sich ändernden Winkel ein, wobei der maximale Winkel des Eindringabschnittes 28 kleiner als der minimale Winkel des Körperabschnittes 30 ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Oberflächen des Eindringabschnittes 28 und des Körperabschnittes 30 jeweils als Kegelstumpfflächen ausgebildet, die durch einen Radius 32 miteinander verbunden sind. Der Kegelwinkel α des Eindringabschnittes 28 ist bei dieser Ausführungsform wesentlich kleiner als der Kegelwinkel β des Körperabschnittes 30. Vorzugsweise liegt der Kegelwinkel des Eindringabschnittes 28 zwischen 40° und 100°, insbesondere in der Größenordnung von 60°, und der Kegelwinkel des Körperabschnittes 30 liegt vorzugsweise zwischen 90° und 170°, insbesondere in der Größenordnung von 150°. Der Radius 32 liegt vorzugsweise im Bereich von 1,0 bis 3,0 mm, insbesondere in der Größenordnung von 1,5 mm.
Der Eindringabschnitt 28 geht in eine Spitze 34 über, welche scharf oder abgerundet ausgebildet ist.
Diese Ausführungsform des Fügeelementes 6d hat den Vorteil, dass der relativ spitz verlaufende Eindringabschnitt 28 den Reibungsbeginn induziert und eine Zentrierfunktion ausübt. Der relativ flache Verlauf des Körperabschnittes 30 begünstigt den Fluss des aufgeschmolzenen Materials nach außen.
Der flanschartige Kopf 26 des Fügeelementes 6d ist an seiner Unterseite mit einer umlaufenden Ringnut 36 versehen, die wie bei den Ausführungsbeispielen der 4 bis 6 während des Fügevorgangs verdrängtes aufgeschmolzenes Material des oberen Werkstückes 2 aufnehmen kann. Auf der vom Körper 24d abgewandten Seite ist der Kopf 26 mit einer als Antriebsmerkmal dienenden Verzahnung 38 und einem zentralen Loch 40 versehen, deren Funktion weiter unter erläutert wird.
Das in 9 gezeigte Ausführungsbeispiel des Fügeelementes 6e entspricht weitgehend demjenigen der 7 und 8. Unterschiedlich ist lediglich, dass der Körper 24e mit seinem Eindring- und Körperabschnitt an der Oberfläche mit über den Umfang verteilten, wendelförmig verlaufenden Schneidkanten 42 versehen ist. Der Anstellwinkel der Schneidkanten 42 ist so gewählt, dass wendelförmig verlaufende „Schaufeln" ähnlich wie bei einem Schaufelrad entstehen, wie aus der Darstellung der 9 hervorgeht. Die wendelförmig verlaufenden „Schaufeln" gehen in die abgerundet ausgebildete Spitze 34 über.
Die wendelförmig verlaufenden Schneidkanten 42 des Fügeelementes 6e bilden eine Art Bohr- oder Frässpitze, die beim Eindringen in das obere Werkstück nicht reibend, sondern spanabhebend wirkt. Besteht das obere Werkstück 2 beispielsweise aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung und das untere Werkstück 4 aus Stahl, so wird durch die „Bohr- oder Frässpitze" des Fügeelementes 6e ein „Schmieren" des Aluminiumwerkstoffes vermieden. Wenn dann die „Bohr- oder Frässpitze" auf den Stahl des unteren Werkstücks 4 trifft, beginnt der Reibschweißvorgang. Hierbei wird der Aluminiumwerkstoff in den Freiräumen zwischen den Schneidkanten 42 aufgenommen und eingeschlossen. Der überschüssige Werkstoff kann in die Ringnut 36 des Kopfes 26 eindringen.
Auf diese Weise wird eine Fügeverbindung hoher Verbindungsfestigkeit und -stabilität erreicht.
Die Ausführungsform des Fügeelementes 6f in 10 entspricht weitgehend derjenigen in 9. Unterschiedlich ist lediglich, dass der Körper 24f statt mit mehreren wendelförmig verlaufenden Schneidkanten 42 mit nur einer einzigen Schneidkante 44 versehen ist, deren Anstellwinkel so gewählt wird, dass sich ein schneckenförmiger Verlauf der Schneidkante 44 mit mehreren über den Umfang verteilten Windungen ergibt.
Die Funktionsweise des Verbindungselements 6f der 10 ist ähnlich derjenigen des Fügeelementes 6e in 9. So übt auch die Schneidkante 44 des Körpers 24f des Fügeelementes 6f eine spanabhebende Funktion aus; der freigesetzte Aluminiumwerkstoff tritt in die schneckenförmig verlaufende Ausnehmung zwischen den Windungen der Schneidkante 44 ein und wird hierbei fortschreitend nach außen transportiert. Auch bei dieser Ausführungsform entsteht eine Fügeverbindung hoher Verbindungsfestigkeit und -stabilität.
Bei beiden Ausführungsformen der 9 und 10 hat die (gedachte) Umhüllende der Schneidkanten 42 und 44 vorzugsweise eine Form entsprechend der Oberfläche des Körpers 24d des Fügeelementes 6d in den 7 und 8. Es versteht sich jedoch, dass die Form der (gedachten) Umhüllenden auch anders gewählt werden kann, sofern nur der Querschnitt der Umhüllenden von der Spitze 34 aus in Richtung auf den flanschartigen Kopf 26 größer wird.
Die 11 zeigt eine fertige Fügeverbindung zwischen einem Fügeelement 6d, wie es in den 7 und 8 dargestellt ist, und zwei Werkstücken 2, 4 sowie ein Zuführ- und Antriebswerkzeug 46. Wie dargestellt, ist der Körper 24d des Fügeelements 6d mit dem Eindringabschnitt 28 und dem Körperabschnitt 30 in die beiden Werkstücke 2, 4 eingedrungen, wobei der Kopf 26 an der Oberseite des Werkstücks 2 aufliegt und das aufgeschmolzene und verdrängte Material des Werkstückes 2 in die Ringnut 36 des Kopfes 26 geflossen ist. Das Volumen der Ringnut 36 ist zweckmäßiger Weise so gewählt, dass sie durch den überschüssigen aufgeschmolzenen Werkstoff im Wesentlichen gerade gefüllt wird. Es entsteht dann eine Fügeverbindung, bei der ein optimaler Kontakt zwischen dem Fügeelement 6d und den Werkstücken 2, 4 wie auch zwischen den Werkstücken 2 und 4 entsteht. Dies kommt der Qualität und Festigkeit der Fügeverbindung zugute.
Das Zuführ- und Antriebswerkzeug 46 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem rohrförmigen Werkzeugkörper 48, der an seinem freien Ende mit einer Verzahnung 50 und einem ringförmigen Vorsprung 52 versehen ist. Die Verzahnung 50 und der ringförmige Vorsprung 52 sind passend zu der Verzahnung 38 und der Vertiefung 40 des Fügeelementes 6d ausgebildet. Das Werkzeug 46 ist ferner mit einer zentralen Bohrung 54 versehen.
Wenn daher das Werkzeug 46 mit seiner Verzahnung 50 und seinem ringförmigen Vorsprung 52 formschlüssig in die Verzahnung 38 und die Vertiefung 40 des Fügeelements 6d greift, wird das Fügeelement 6d durch über die Bohrung 54 zugeführten Unterdruck am Werkzeug 46 gehalten. Das Fügeelement 6d kann somit vom Werkzeug 46 sowohl zur Fügestelle zugeführt wie auch in die Werkstücke 2, 4 eingetrieben werden. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass die Drehbewegung des Fügeelementes 6d bereits eingeleitet werden kann, ehe das Fügeelement 6d mit den Werkstücken 2, 4 in Berührung kommt.
Wie bereits vorstehend erwähnt, wird das beschriebene Verfahren vorzugsweise zum Verbinden nicht vorgelochter Werkstücke (Bleche) verwendet. 13 zeigt dagegen eine Ausführungsform, bei der das obere Werkstück 2 mit einem vorgeformten Loch 54 versehen ist. Das Loch 54 ist relativ zu dem Fügeelement 6d so dimensioniert, dass zwischen der Lochwand und dem Fügeelement ein Freiraum 56 vorhanden ist. Während des Fügevorgangs verdrängtes Material des unteren Werkstücks 4 kann daher in den Freiraum 56 fließen. Auch in diesem Fall wird das Volumen des Freiraumes 56 zweckmäßiger Weise so gewählt, dass der Freiraum weitgehend durch das verdrängte Material ausgefüllt wird.

Claims

Verfahren zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke mittels eines Fügeelementes, bei dem das Fügeelement (6; 6a; 6b; 6c) durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein erstes Werkstück (2) der beiden Werkstücke (2, 4) hindurchbewegt und in das zweite Werkstück (4) eingedrückt wird, ohne das zweite Werkstück (4) zu durchdringen, und hierbei durch die beim Eindrücken entstehende Reibung eine stoffschlüssige Verbindung des Fügeelementes mit dem zweiten Werkstück (4) hergestellt wird, während die Werkstücke (2, 4) in Anlage aneinander gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Fügeelementes (6; 6a; 6b; 6c) und/oder die Materialien des Fügeelementes und der Werkstücke (2, 4) und/oder vorgegebene Verfahrensparameter des Fügevorganges so gewählt werden, dass die Werkstücke (2, 4) während des Fügevorganges in Anlage aneinander bleiben.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Verfahrensparameter des Fügevorgangs die Geschwindigkeit der rotatorischen und translatorischen Bewegungen des Fügeelementes (6; 6a; 6b; 6c) und die beim Fügevorgang auf das Fügeelement ausgeübte Fügekraft umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (2, 4) während des Fügevorganges durch einen Niederhalter (20) in Anlage aneinander gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (2, 4) während des Fügevorganges durch einen Gegenhalter abgestützt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement (6) und dem zweiten Werkstück (4) eine Reibschweißverbindung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Fügevorgang ferner eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement (6; 6a; 6b; 6c) und dem zweiten Werkstück (4) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Fügevorgang eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement (6; 6a; 6b; 6c) und dem ersten Werkstück (2) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement (6; 6a; 6b; 6c) und dem ersten Werkstück (2) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Oberflächen der Werkstücke (2, 4) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Klebverbindung zwischen den Oberflächen der Werkstücke (2, 4) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6; 6a; 6b; 6c) bei seiner Bewegung durch das erste Werkstück (2) Material dieses Werkstückes verdrängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (2) vor dem Fügevorgang an der Fügestelle mit einem Loch versehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Werkstücke (2, 4) aus unterschiedlichen Materialien gefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (2) aus einem relativ weichen duktilen Material und das zweite Werkstück (4) aus einem hochfesten härteren Material besteht.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (2) aus einem relativ weichen Metall, insbesondere Aluminium, und das zweite Werkstück (4) aus einem härteren Metall, insbesondere Stahl, besteht.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück (2) aus einem Kunststoff, insbesondere einem Polymer, und das zweite Werkstück (4) aus Metall besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6; 6a; 6b, 6c) aus einem Material besteht, das mit dem Material des zweiten Werkstücks (4) eine Reibschweißverbindung eingehen kann.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6; 6a; 6b, 6c) aus Metall, insbesondere Stahl oder Aluminium, besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotatorische Bewegung des Fügeelementes mit einer Drehzahl von 5000 bis 30000 U/min, insbesondere 10000 bis 25000 U/min, vorzugsweise in der Größenordnung von 23000 U/min durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der translatorischen Bewegung des Fügeelementes eine relativ geringe Fügekraft (F_a) ausgeübt wird, so dass keine äußere Abstützung der Werkstücke (2, 4) in Richtung entgegen der Fügekraft erforderlich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6; 6a; 6b; 6c) in einer ersten Phase durch gleichzeitige rotatorische und translatorische Bewegung in die Werkstücke (2, 4) hineinbewegt und die rotatorische Bewegung abrupt beendet wird, und das Fügeelement in einer unmittelbar anschließenden zweiten Phase durch eine weitere translatorische Bewegung in seine Endposition im zweiten Werkstück (4) gedrückt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (6; 6a; 6b; 6c) durch gleichzeitige rotatorische und translatorische Bewegung in nur einer Phase in seine Endposition im zweiten Werkstück (4) bewegt wird.
Fügeelement für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest bereichsweise als rotationssymmetrisches oder annähernd rotationssymmetrisches Teil mit einem Körperabschnitt (8; 28) ausgebildet ist, dessen Querschnitt entgegen der Eindrückrichtung zunimmt, um mit dem ersten Werkstück (2) eine Formschlussverbindung eingehen zu können.
Fügeelement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Eindringabschnitt (10; 10a; 10b; 24e; 24d; 24f) zum Eindringen in das Material der Werkstücke (2, 4) hat, dessen Querschnitt entgegen der Eindrückrichtung zunimmt.
Fügeelement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindringabschnitt (10; 10a; 10b) eine kegelige Spitze oder einen balligen Vorsprung oder eine ringförmige Kante aufweist.
Fügeelement nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Antriebsmerkmal (12) für die rotatorische Bewegung des Fügeelementes (6) hat.
Fügeelement nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass es ohne flanschartig überstehenden Kopf ausgebildet ist, so dass das gesamte Fügeelement (6) in das Material der Werkstücke (2, 4) eindrückbar ist.
Fügeelement nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass es einen flanschartig überstehenden Kopf (16; 26) hat, der an der freiliegenden Oberseite des ersten Werkstückes (2) abstützbar ist.
Fügeelement nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (16; 26) an seiner Unterseite eine Ringnut (18; 36) oder eine andere Ausnehmung zum Aufnehmen verdrängten Materials des ersten Werkstückes (2) hat.
Fügeelement nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Funktionselement (22) zum Ausüben einer Zusatzfunktion, insbesondere einen Steh- oder Gewindebolzen zum Befestigen eines zusätzlichen Bauteiles, aufweist.
Fügeelement nach einem der Ansprüche 24 bis 31 in Verbindung mit Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen des Eindringabschnittes (28) und des Körperabschnittes (30) mit der zentralen Achse des Fügeelementes jeweils einen konstanten oder sich ändernden Winkel einschließen, wobei der maximale Winkel des Eindringabschnittes (28) kleiner als der minimale Winkel des Körperabschnittes (30) ist.
Fügeelement nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindring- und Körperabschnitt (28, 30) jeweils eine rotationssymmetrische glatte Oberfläche haben.
Fügeelement nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen des Eindring- und Körperabschnitt (28, 30) jeweils als Kegelstumpfflächen ausgebildet sind.
Fügeelement nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindring- und Körperabschnitt an ihren Oberflächen jeweils mit einer oder mehreren wendelförmigen Schneidkanten (42; 44) versehen ist.
Fügeelement nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die gedachte Umhüllenden der wendelförmigen Schneidkanten (42; 44) jeweils als Kegelstumpfflächen ausgebildet sind.
Fügeelement nach Anspruch 34 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel der Kegelstumpffläche des Eindringabschnittes (28) zwischen 40° und 100°, vorzugsweise in der Größenordnung von 60° liegt und der Kegelwinkel der Kegelstumpfflächen des Körperabschnittes (30) zwischen 90° und 170°, vorzugsweise in der Größenordnung von 150° liegt.
Fügeelement nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelstumpfflächen des Eindring- und Körperabschnittes (28, 30) durch einen Radius (32) miteinander verbunden sind.
Fügeelement nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelstumpffläche des Eindringabschnittes (28) in eine scharfe oder abgerundete Spitze (34) übergeht.
Fügeelement nach einem der Ansprüche 29 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (26) an seiner vom Eindringabschnitt (28) abge wandten Seite mit einer als Antriebsmerkmal dienenden Verzahnung (38) versehen ist.
Fügeelement nach einem der Ansprüche 29 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (26) an seiner vom Eindringabschnitt (28) abgewandten Seite mit einer zentralen Vertiefung (40) zur Aufnahme eines mit Unterdruck beaufschlagbaren Zuführ- und Antriebswerkzeuges (46) versehen ist.
Verfahren zum Fügen mindestens zweier aneinander anliegender Werkstücke mittels eines Fügeelementes, bei dem das Fügeelement (6d) durch rotatorische und translatorische Bewegungen durch ein bereits vorhandenes Loch (54) eines ersten Werkstückes (2) der beiden Werkstücke hindurch bewegt und in das zweite Werkstücke (4) eingedrückt wird, ohne das zweite Werkstück zu durchdringen, und hierbei durch die beim Eindrücken entstehende Reibung eine stoffschlüssige Verbindung des Fügeelementes mit dem zweiten Werkstück hergestellt wird, während die Werkstücke in Anlage einander gehalten werden, wobei das Loch (54) des ersten Werkstückes (2) relativ zu dem Fügeelement (6d) so dimensioniert wird, dass zwischen der Lochwand und dem Fügeelement ein Freiraum (56) vorhanden ist, der während des Fügevorgangs verdrängtes Material des zweiten Werkstückes (4) aufnimmt.