-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Fügeelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Fügeelements, einen Bauteileverbund unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Fügeelements sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteileverbunds.
-
Ein Fügeelement zur Ausbildung einer Direktverschraubung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 103 48 427 A1 bekannt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fügeelement zur Ausbildung einer Direktverschraubung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass neben einer zuverlässigen mechanischen Verbindung gleichzeitig ein geringer elektrischer Übergangswiderstand an einem durch das Fügeelement ausgebildeten Bauteileverbund erzielbar ist. Dabei sollen sowohl Direktverschraubungen mit als auch ohne Vorloch an einem der Bauteile mit dem Fügeelement ausgebildet werden können.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Fügeelement zur Ausbildung einer Direktverschraubung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass eine lötfähige Beschichtung zumindest an einem Teil der Oberfläche des Fügeelements ausgebildet ist. Eine derartige lötfähige Beschichtung ermöglicht es, bei der Verwendung des Fügeelements, d.h. bei der Ausbildung des Bauteileverbunds, das Material der Beschichtung an dem Fügeelement aufzuschmelzen um durch Ausbildung einer Lötverbindung nach dem Erstarren des lötfähigen Materials einen innigen, einen relativ geringen elektrischen Übergangswiderstand aufweisenden Kontakt zwischen dem Fügeelement und den Bauteilen auszubilden. Insbesondere ermöglicht es ein unter Verwendung eines derartigen Fügeelements ausgebildeter Bauteileverbund auf aufwendige lötfähige Beschichtungen an den einzelnen Bauteilen zu verzichten, da lediglich der relevante Verbindungsbereich zwischen den Bauteilen und dem Fügeelement mit einem entsprechenden, lotfähigen Material bzw. einer entsprechenden Beschichtung versehen ist.
-
Mittels Fügeelementen zur Direktverschraubung lassen sich auch ohne Ausbildung eines sogenannten Vorlochs zwei vorzugsweise plattenförmige Bauteile, die in Anlagekontakt zueinander angeordnet sind, miteinander verbinden. Dabei wird das Fügeelement unter Aufbringen einer in der Längsachse des Fügeelements wirkenden Axialkraft gegen die erwärmte Bauteiloberfläche des dem Fügeelement zugewandten Bauelements gedrückt und gleichzeitig gedreht. Das Fügeelement weist auf der einem Kopfabschnittabgewandten Seite einen Bereich aus, der in dem Bauteil, das mit dem Fügeelement in Kontakt ist, einen fließlochgeformten Durchgangsbereich ausbildet, mit dem beim weiteren Einschrauben ein Gewindeabschnitt des Fügeelements in Wirkverbindung gelangt, welcher wiederum in dem Bauteil einen Gewindegang erzeugt. Nachdem das Fügeelement mit seinem Kopfabschnitt in Kontakt mit der Oberfläche des dem Fügeelement zugewandten Bauteils gerät ist der Fügevorgang abgeschlossen. Eine derartige Fügeverbindung oder ein derartiges Fügeelement eignet sich insbesondere dann besonders gut zur Ausbildung eines Bauteileverbunds, wenn mechanische Kräfte zwischen den Bauteilen übertragen werden müssen oder die Bauteile zueinander fixiert angeordnet werden müssen.
-
Im Rahmen der Elektromobilität, d.h. bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen ist die Stromführung innerhalb des Antriebsstrangs zwischen den Batterien und dem Elektromotor bzw. zwischen den Batterien und der Leistungselektronik sowie dem Elektromotor ein wichtiges Themenfeld. Dabei werden Ströme übertragen, die im Bereich von bis zu einigen 100A liegen können. Die Stromführung derartig hoher Ströme erfolgt durch metallische Bauteile. Aus konstruktiven Gründen müssen diese bei der Montage miteinander verbunden werden. An den Schnittstellen zwischen den einzelnen Bauteilen ist es erforderlich, nicht nur einen sicheren mechanischen Halt zwischen den Bauteilen auszubilden, sondern gleichzeitig einen geringen elektrischen Übergangswiderstand sicherzustellen. Ein geringer Übergangswiderstand wird typischerweise insbesondere dann erreicht, wenn eine große Kontaktfläche zwischen den einzelnen Bauteilen ermöglicht wird. Diese vorteilhaften Eigenschaften weist das erfindungsgemäße Fügeelement auf und ist daher insbesondere für die Leistungselektronik und für Bauteile im Rahmen der Elektromobilität geeignet.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Fügeelements sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Beschichtung ist es vorgesehen, dass diese am Gewindeabschnitt ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung bzw. Ausbildung der Beschichtung hat den Vorteil, dass beim Ausbilden eines Lochs an wenigstens einem Bauteil durch das Fügeelement das Material des Bauteils durch den Umformprozess bzw. durch eine externe Wärmequelle bereits erwärmt ist und somit die Wärme unmittelbar beim Einschrauben des Fügeelements auf den Gewindeabschnitt übertragen wird. Dadurch herrscht im Gewindeabschnitt eine relativ hohe Temperatur, die ein sicheres Aufschmelzen des Materials der Beschichtung ermöglicht. Darüber hinaus besteht im Gewindeabschnitt des Fügeelements zwischen dem Fügeelement und dem Bauteil eine relativ großflächige Verbindung, so dass insgesamt gesehen durch das Lot eine großflächige, einen niedrigen elektrischen Übergangswiderstand aufweisende Verbindung ausgebildet werden kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Beschichtung nur an der Unterseite des Kopfabschnitts ausgebildet ist.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung des zuletzt genannten Vorschlags ist es vorgesehen, dass die Beschichtung sowohl am Gewindeabschnitt als auch an der Unterseite des Kopfabschnitts ausgebildet ist. Dabei wird die Wärme zum Aufschmelzen der Beschichtung einerseits beim Fügevorgang über die Erwärmung des Fügeelements an den entsprechenden Kopfabschnitt eingeleitet, zum anderen in dem Augenblick, in dem der Kopfabschnitt mit seiner Unterseite an der Oberseite des mit dem Fügeelement verbundenen, insbesondere bereits erwärmten Bauteils anliegt. Insbesondere beim Verbinden von zwei übereinander angeordneten Bauteilen ermöglicht es die letztgenannte Variante, eine lötfähige Verbindung zusätzlich zu dem dem Kopfabschnitt des Fügeelements zugewandten Bauteil auszubilden. Es werden somit zwei Lötverbindungen ausgebildet, eine erste Lötverbindung zwischen dem Fügeelement und dem in Bezug auf die Längsachse des Fügeelements unteren Bauteil im Bereich des Gewindeabschnitts, und eine zweite Lötverbindung an dem dem Kopfabschnitt zugewandten Bauteil und der Unterseite des Fügeelements im Bereich des Kopfabschnitts.
-
Bei der Auswahl des Materials für die lötfähige Beschichtung an dem Fügeelement ist es wesentlich, die beim Ausbilden der Fügeverbindung bzw. an dem Bauteileverbund auftretenden Temperaturen zu berücksichtigen. Insbesondere muss sichergestellt sein, dass die beim Ausbilden der Fügeverbindung auftretenden Temperaturen hoch genug sind, um das Material der Beschichtung zu verflüssigen. Daher ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung der Beschichtung vorgesehen, dass die Beschichtung aus einem eine Schmelztemperatur von weniger als 250°C aufweisenden Metall, vorzugsweise Zinn enthaltend, besteht. Zinn hat den Vorteil, dass es neben einem relativ niedrigen Schmelzpunkt (232°C) sich auch besonders gut mit den am Bauteileverbund teilnehmenden, aus Metall bestehenden Bauteilen verbindet.
-
Als bevorzugte Dicke einer derartigen Beschichtung hat es sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, diese zwischen 5µm und 120µm, vorzugsweise zwischen 40µm und 80µm auszubilden.
-
Die Erfindung umfasst auch die Verwendung eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Fügeelements zur Ausbildung einer stromleitenden Verbindung zwischen zwei Bauteilen. Wie im oben stehenden Abschnitt „Stand der Technik“ erläutert, besteht ein bevorzugter Einsatzbereich eines derartigen Fügeelements bei Anwendungen im Bereich der Elektromobilität, insbesondere bei der Stromführung bzw. Stromleitung von relativ hohen Strömen.
-
Weiterhin umfasst die Erfindung einen Bauteileverbund, umfassend zwei aus Metall bestehende Bauteile und einem erfindungsgemäßen Fügeelement. Bei den Metallen kann es sich grundsätzlich um artgleiche oder aber um artungleiche Metalle handeln. Insbesondere bei der Verwendung von artungleichen Metallen kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass an den unterschiedlichen Abschnitten des Fügeelements (Gewindeabschnitt bzw. Kopfabschnitt) ggf. unterschiedliche Beschichtungen bzw. aus unterschiedlichen Materialien bestehende Beschichtungen vorgesehen sind. Grundsätzlich lassen sich derartige Beschichtungen auf an sich bekannte Art und Weise ausbilden, insbesondere durch Feuerverzinnen (Schmelzbadtauchen), galvanische Verzinnung oder chemisches Verzinnen, jeweils die Verwendung von Zinn als Beschichtung vorausgesetzt.
-
Zuletzt umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteileverbunds, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist: Zunächst wird ein Durchgangsloch in wenigstens einen Bauteil mittels des Fügeelements ausgebildet, wobei das Fügeelement auf eine Temperatur erwärmt wird, die oberhalb der Schmelztemperatur der Beschichtung an dem Fügeelement liegt. Anschließend erfolgt ein Erstarren lassen des Bauteileverbunds zur Ausbildung einer (festen) Lötverbindung zwischen der Beschichtung des Fügeelements und wenigstens einer Oberfläche an einem Bauteil.
-
Ein besonders bevorzugtes Verfahren sieht vor, dass die Lötverbindung an beiden Bauteilen ausgebildet wird. Dadurch ist ein geringer Übergangswiderstand sowohl zwischen dem einen Bauteil und dem Fügeelement, als auch zwischen dem anderen Bauteil und dem Fügeelement erzielbar.
-
Eine weitere Optimierung des elektrischen Übergangswiderstands wird erzielt, wenn verflüssigtes Lot der Beschichtung das Material der Bauteile außerhalb des Anlagebereichs mit dem Fügeelement benetzt. Dabei kann das verflüssigte Lot beispielsweise dazu dienen, bei übereinander angeordneten, plattenförmigen Bauteilen zwischen den Bauteilen vorhandene geringfügige Spalte bzw. Abstände zu überbrücken, um somit einen geringen Übergangswiderstand an den beiden Bauteilen zu erzielen.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
-
Diese zeigt in:
-
1 einen ersten erfindungsgemäßen Bauteileverbund unter Verwendung eines ein Vorloch aufweisenden Bauteils im Längsschnitt und
-
2 den Bauteileverbund gemäß 1 unter Verwendung eines gegenüber 1 modifizierten Fügeelements im Längsschnitt.
-
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
-
In der 1 ist ein erster Bauteileverbund 100 dargestellt, der zwei, im dargestellten Bereich zumindest im Wesentlichen plattenförmige Bauteile 1, 2 sowie ein stift- bzw. pilzförmiges Fügeelement 10 umfasst. Das Fügeelement 10 weist eine Längsachse 11 auf. In deren Richtung betrachtet hat das Fügeelement 10 einen pilzförmigen Kopfabschnitt 12, an den sich ein Gewindeabschnitt 13 anschließt. An den Gewindeabschnitt 13 schließt sich wiederum ein Formbereich 14 an, der dazu ausgebildet ist, in wenigstens einem der Bauteile 1, 2 eine Durchgangsöffnung 3 durch einen Fließlochumformvorgang auszubilden. Beim Ausbilden der Durchgangsöffnung 3 wird entsprechend der Darstellung der 1 Material des (unteren) Bauteils 2 über dessen Ober- bzw. Unterseite hinaus verdrängt.
-
Weiterhin weist das dem Kopfabschnitt 12 des Fügeelements 10 zugewandte (obere) Bauteil 2 ein Vorloch 4 auf, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Gewindeabschnitts 13 sowie des Formbereichs 14. Sowohl das Fügeelement 10, als auch die beiden Bauteile 1, 2 bestehen beispielhaft aus Metall, vorzugsweise aus artgleichen Metallen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Bauteile 1, 2 und das Fügeelement 10 aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei das Fügeelement 10 in jedem Fall eine größere Härte aufweist als die Bauteile 1, 2.
-
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Fügeelement 10 zumindest im Bereich des Gewindeabschnitts 13 mit einer lötfähigen Beschichtung 15 versehen ist. Bei der Beschichtung 15 handelt es sich insbesondere um eine Beschichtung aus Zinn bzw. Zinn enthaltend mit einer Schichtdicke zwischen 5µm und 120µm, vorzugsweise zwischen 40µm und 80µm. Darüber hinaus ist nicht nur der Gewindeabschnitt 13 mit einer Beschichtung 15 vorgesehen, sondern auch die dem Bauteil 2 zugewandte Unterseite 16 des Kopfabschnitts 12 des Fügeelements 10. Auch weist die Unterseite 16 des Fügeelements 10 im dargestellten Ausführungsbeispiel einen radial inneren Bereich mit einer radial umlaufenden, nutförmigen Vertiefung 17 sowie einen sich daran anschließenden radial äußeren Bereich, der eine ebene Unterseite 16 ausbildet, in deren Bereich die Beschichtung 15 ebenfalls ausgebildet ist. Beim Ausbilden des Bauteileverbunds 100 wird das Material der Beschichtung 15 durch eine Erwärmung der Bauteile 1, 2 mittels einer externen Wärmequelle zumindest im Verbindungsbereich und/oder alleine durch den Schraubvorgang verflüssigt und bildet nach dem Ausbilden des Bauteileverbunds 100 bzw. einer Abkühlung im Bereich des Gewindeabschnitts 13, zwischen dem Kopfabschnitt 12 und dem Bauteil 1 sowie zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 jeweils eine Lötverbindung 50 aus.
-
Der in der 2 dargestellte Bauteileverbund 100a unterscheidet sich von dem Bauteileverbund 100 dadurch, dass ein Fügeelement 10a verwendet wird, das im Bereich des Formabschnitts 14 einen spiralförmig ausgebildeten Grat 20 aufweist. Ein derartiger Grat 20 bewirkt beim Ausbilden des Bauteileverbunds 100a, dass das Material des unteren Bauteils 1 in den Bereich des Vorlochs 4 des Bauteils 2 sowie in den Bereich der Vertiefung 17 an der Unterseite 16 des Kopfabschnitts 12 des Fügeelements 10a verdrängt wird.
-
Das soweit beschriebene Fügeelement 10, 10a bzw. der Bauteilverbund 100, 100a können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
