DE102016113357A1

DE102016113357A1 - Verbindungsverfahren für Blechwerkstoffe und Fahrzeugkarosserie oder -fahrwerk

Info

Publication number: DE102016113357A1
Application number: DE102016113357.4A
Authority: DE
Inventors: Xiangfan Fang; Fan Zhang
Original assignee: Enova Tech GmbH; ENOVA TECHNOLOGIE GmbH
Current assignee: Enova Tech GmbH; ENOVA TECHNOLOGIE GmbH
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2017-02-02
Also published as: CN105598566B; CN105598566A

Abstract

Diese Erfindung liefert ein Verbindungsverfahren für Blechwerkstoffe. Es beinhaltet folgende Schritte: Schritt 1: Man wählt einen Halbhohlniet, welcher mit dem ersten Blechwerkstoff verschweißbar ist. Schritt 2: Das Nietelement wird in den zweiten Blechwerkstoff eingeführt. Durch die Pressverformung mittels eines Werkzeugs entsteht ein Verbindungsadapter. Der Schenkel des Niets ragt aus dem zweiten Werkstoff heraus und wird durch die Verformungskraft in Richtung des Nietkörpers gedrückt. Zusammen mit dem Nietkörper wird dieser in zwei Richtungen nach innen und außen verbreiternd verdrückt und formt so die zweite unebene Oberfläche. Diese zweite Oberfläche beinhaltet zwei Bereiche und weist eine gleichmäßige Krümmung auf. Der eine Bereich entsteht, wenn der Schenkel durch die Werkzeugverpressungen nach innen verformt wird. Die Verformung des Schenkels nach außen führt zu einem weiteren Bereich, einem Flansch, dessen Wandstärke von innen nach außen hin abnimmt und den zweiten Werkstoff eng umklammert Schritt 3: Der erste Blechwerkstoff wird auf die erste Oberfläche gelegt Schritt 4: Der Blechwerkstoff 1 wird mit dem Verbindungsadapter mittels Widerstandspunktschweißen verschweißt. Die Vorteile sind einerseits, dass die Presskraft für einen Halbhohlniet niedrig ist, sodass die vorhandenen Umformpressen verwendet werden können. Anderseits ist der Kontakt zur Schweißelektrode stabil, weil die Krümmungsfläche einen gleichmäßigen Krümmungsradius aufweist. Damit wird die Punktschweißqualität erhöht und der Elektrodenverschleiß reduziert.

Description

Technischer Bereich:
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verbindungsverfahren für Blechwerkwerkstoffe in der Fahrzeugkarosserie oder -fahrwerk. Es geht insbesondere um ein Verfahren zur Verbindung von miteinander nicht verschweißbaren Werkstoffen.
Hintergrundtechnik:
Die Karosserie und das Fahrwerk von modernen Fahrzeugen (bis auf Motor und Getriebe) werden durch Zusammenbau von Bauteilen aus Stahl und leichteren Werkstoffen wie Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Faserverbundkunststoffen (FVK) hergestellt.
Aufgrund der Anforderungen an den Leichtbau und der Reduzierung der Herstellungskosten werden die Tendenzen zum Bau von Fahrzeugen aus verschiedenen Werkstoffen verstärkt. Wird der richtige Werkstoff an der richtigen Stelle eingesetzt, kann eine gute Balance zwischen Fahrzeuggewicht und -herstellungskosten entstehen.
Um die verschiedenen Werkstoffe miteinander zu verbinden, wurden in den letzten Jahren viele Verfahren entwickelt. Dazu zählen u. a. Kleben, Stanznieten, Tox, Clinching sowie die Kombination der genannten Methoden. Beim Clinching oder Tox werden durch Nutzung von zylindrischen Stempeln, die zu verbindenden Werkstoffe in die Matrix eingepresst, sodass durch die plastische Verformung der Werkstoffe ein Formschluss entsteht.
Bei der Verbindung der verschiedenen Werkstoffe, müssen dann im Fahrzeugbau verschiedene neue Verfahren eingesetzt werden. Damit verbunden müssen neue spezielle Anlagen installiert werden, die mit Zusatzkosten und Zusatzprozessen verknüpft sind. Dadurch werden die Herstellungskosten erhöht, was die Realisierung der Multi-Material-Struktur wesentlich erschwert.
Der Hauptgrund ist die Vorherrschaft des Widerstandspunktschweißens in der traditionellen Fahrzeugfertigung. In einer Karosserie werden zwischen 2000 und 6000 Schweißpunkte mittels Widerstandspunktschweißen eingebracht. Darüber hinaus werden MAG/MIG Schweißen oder Laserschweißen eingesetzt, die Schweißnähte von einer Seite erzeugen. Wenn nun Karosserien aus Stahl und Aluminium oder anderen Leichtbauwerkstoffen hergestellt und die oben genannten Verfahren wie Kleben, Stanznieten oder Clinching verwendet werden sollen, müssen viele neue Anlagen verwendet werden, wodurch im Fahrzeugzusammenbau viele neue Investitionen getätigt werden müssen, was wiederum die Leichtbaukosten drastisch erhöht.
Um das Verbindungsproblem zwischen verschiedenen Werkstoffen zu lösen, und dabei die existierenden Widerstandspunktschweißanlagen insbesondere für Aluminium und Stahl beizubehalten, wurden viele Versuche unternommen. Nachfolgend werden einige bekannte Techniken vorgestellt.

Bekannte Technik 1: In Patent DE 10015713 A1 wurde ein Verfahren offengelegt, bei dem ein Vollniet ins Al-Blech eingebracht wird. Dabei soll eine I Form entstehen, die das Al-Blech einklemmt. Anschließend soll das Al-Blech über das Stahlnietelement mit einem anderen Stahlblech mittels Widerstandspunktschweißen verschweißt werden. Dieses Nietelement weist zwei ebene Oberflächen auf. In dieser Offenlegung wurde nicht beschrieben, wie ein Vollnietelement in das Al-Blech eingebracht wird und wie zwei ebene Oberflächen entstehen sollen. In einer realen Produktion können mit Hilfe existierender Nietelemente und Niettechnologien keine solche Verbindungselemente hergestellt werden. Ein derartig geformtes Nietelement könnte durch Verpressen des Vollniets unter sehr hohem Druck bei erhöhten Temperaturen, wie z. B. Schmieden, erzeugt werden. Normale Hochdruckumformung benötigt sehr hohe Umformkräfte. Zudem können durch die Umformungen Materialdopplungen und/oder Rissbildung entstehen, sodass eine beidseitige glatte Oberfläche nicht erzeugt werden kann, wie in DE 10015713 A1 beschrieben wurde. Die einzelnen Bauteile eines Fahrzeugs werden mithilfe mehrerer Schweißpunkte- in einigen Fällen bis 100 Stück – verbunden und dementsprechend muss jeweils die gleiche Anzahl an Verbindungselementen eingebracht werden. Mit der hier beschriebenen Methode kann die Pressenkraft in den derzeit üblichen Umformpressen für die Blechumformung im Fahrzeugbau nicht aufgebracht werden. Damit dieses Verfahren angewendet werden kann, muss die Pressenkraft deutlich erhöht werden. Der Autohersteller muss neue Umformpressen mit sehr hoher Pressenkraft anschaffen. Außerdem wurde in dieser Offenlegung keinerlei Angabe zu den Geometrien und Abmessungen des Nietelements gemacht. Gemäß dieser Auslegung fanden der Erfinder dieses Patentes und weitere Personen heraus, dass bei Verwendung marktüblicher Nietelemente fürs Stanznieten, zwar eine ähnliche Verbindung hergestellt werden kann, die Festigkeit dieser Verbindung jedoch deutlich niedriger ist als beim Stanznieten. (siehe: Böllhof, RIVSET Stanzniettechnik für perfekte Verbindungen: http://www.boellhoff.de/en/de/site_services/downloadcenter.php; H. Rudolf, T. Broda, M. Bielenin C. Kotschote und Y. Yang, Punktförmiges Schweißen von Al-Stahl-Blechverbindungen für den Karosseriebau, DVS, 2012). Der Grund hierfür ist, dass das Aluminium-Blech beim Schweißen erhitzt wird und schmilzt. Dadurch ist die Verbindungsqualität sehr instabil und die Verbindungsfestigkeit niedrig und stark streuend.

Zusammengefasst kann gesagt werden, dass mit dem Verfahren gemäß DE 10015713 A1 zwar vermieden werden kann, dass im Schweißzusammenbau des Fahrzeuges mehr und neue Verbindungstechniken mit neuen zusätzlichen Investitionen verwendet werden, im Gegenzug aber in der Fertigung von Blechbauteilen im Presswerk neue Pressen mit höherer Pressenkraft erforderlich werden, damit das Nietelement in die gewünschte Form umgeformt wird. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit stark reduziert. Seit der Patentanmeldung im 2000 hat der Erfinder keinen Prüfantrag gestellt und es fand keine Anwendung.

Bekannte Technik 2: Patent EP 2127797 A1 (Offenlegung am 2.12.2009) beschreibt ein anderes Verbindungsverfahren. Zuerst wird hier ein T-förmiges Stahlnietelement in einen Aluminium-Blechwerkstoff eingebracht, wobei das T-förmige Stahlnietelement oben zum Kopf hin dünn und unten dick ist. Zum Nietkopf hin ist eine konkave Nut vorgesehen. Mit diesem Nietelement wird durch Pressen unter Verwendung eines Werkzeugs das Aluminium-Blech gelocht. Anschließend wird das Nietelement durch das obere und untere Werkzeug verpresst, sodass das Nietelement das Aluminium-Blech umklammert und das Nietelement im Aluminium-Blech befestigt wird. Zum Schluss wird das Aluminium-Blech über das Nietelement mit dem Stahlblech mittels Widerstandspunktschweißen verbunden. Hier befindet sich der Verbindungspunkt zwischen Nietelement und Stahlblech im unteren Bereich der Niete (also am Ende der Nietelementspitze). Dabei sind die Oberflächen des T-förmigen Stahlnietelementes beide eben. Die Hauptschwäche ist, dass das Nietelement beidseitig eben ist. Das Nietelement muss das Aluminium-Blech stark verformen, um die konkave Nut mit Aluminium-Material zu füllen, sodass eine Verbindung zwischen Aluminium-Blech und Nietelement entsteht. Dazu wird eine erhöhte Pressenkraft benötigt. Hinzu kommt, dass durch die konkave Nut im Nietkopf der Nietkopf dicker wird, sodass die Schweißbarkeit des Nietelements mit dem Stahlblech reduziert wird. Gleichzeitig verlangt das Verfahren, dass der Durchmesser der Niete vergrößert wird, damit die Größe des Schweißpunktes beim Widerstandspunktschweißen die Anforderungen an die Punktgröße erfüllt. Das führt zu Mehrgewicht. Außerdem wird die Blechdicke des Aluminium-Blechwerkstoffs auf der unteren Seite durch die Verformungsmechanismen dieses Verfahrens verdünnt. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften des Bauteils verschlechtert. Experimentelle Versuche zeigen, dass mit dem Verfahren gemäß EP 2127797 A1 die Verbindungsfestigkeit, ermittelt durch einen Kreuzzugversuch, nur 2KN beträgt.
Bekannte Technik 3: deutsches Patent DE 4237361 C2 (Offenlegung am 19.9.1996) liefert eine weitere Verbindungsmethode. In einem Aluminium-Blech wird ein Vollniet aus Stahl eingebracht und anschließend mit Hilfe dieses Niets mit einem Stahlblech unten mittels Widerstandpunktschweißen verbunden. Charakteristisch ist, dass am Nietkopf eine Spitze vorgesehen ist, die in das Al-Blech einprägt und damit mit dem Aluminium-Blech verbunden wird. Zudem ist der Vollniet am Ende spitz, was eine Verschweißung mit dem Stahlblech unten erleichtert. Der Nachteil dieser Methode ist, dass der Stahlniet und das Aluminium-Blech nur durch die eingeprägte Spitze und die Reibung im Lochbereich verbunden ist und damit keine feste zuverlässige Verbindung vorhanden ist. Beim Transport der Bauteile können die eingebrachten Nieten leicht wieder abfallen. Außerdem würde, wenn das Verfahren zum Verbinden von FVK verwendet werden soll, die Spitze des Nietkopfes die Faser des FVKs durchschneiden und die Verbindungseigenschaften und Bauteileigenschaften reduzieren.
Bekannte Technik 4: Europäisches Patent EP 0967044 A2 (Offenlegung am 25.6.1998) beschreibt ein ähnliches Verfahren wie oben in DE 4237361 C2 dargestellt wurde. Hier wird ebenfalls im Aluminium-Blech ein Nietelement eingebracht, über welches die Schweißverbindung mit dem Stahlblech hergestellt wird, wobei unterschiedliche Formen der Nietelemente gewählt werden. Diese beiden Verfahren können nicht sicherstellen, dass die Nietelemente, die während der Herstellungsprozesse der Blechbauteile in die Aluminium-Blechbauteile eingebracht wurden, beim Transport dieser Bauteile nicht abfallen können. Eine Weiterentwicklung dieses Verfahrens ist, dass bei der Pressteilherstellung zuvor entsprechende Löcher vorgestanzt werden, ohne die Niete hinein zu bringen. Erst beim Schweißen werden die Niete eingebracht. Danach werden diese durch Widerstandspunktschweißen mit dem Stahlblech unten verschweißt. Da die Niete erst beim Schweißen ins Bauteil eingebracht werden, müssen in den Schweißanlagen zusätzliche Nietzufuhr und -transportvorrichtungen installiert werden. Außerdem muss während des Schweißens die Elektrodenkraft erhöht werden, damit der Nietkörper sich beim Schweißen durch die kombinierte Wirkung von hoher Temperatur und Presskraft verformt und den Raum zwischen Nietkörper und dem Loch mit Material füllt. Diese Methode kann zwar weiterhin das Widerstandpunktschweißverfahren verwenden, dabei muss jedoch aufgrund der höheren Elektrodenkraft die Festigkeit und Steifigkeit der Schweißzange erhöht werden. Daher könnten die Lasttraganforderungen und die Kosten für den Schweißroboter erhöht werden. Außerdem kann, wenn der Flansch zum Verbinden nicht horizontal, sondern vertikal oder schräg liegt, das Nietelement sehr leicht abfallen, was dann zum Stillstand der Produktionslinie führt.
Bekannte Technik 5: deutsches Patent DE 102010053608 A1 (Offenlegung am 14.06.2012) veröffentlicht ebenfalls eine Verbindungsmethode. Ein Vollnietelement wird in das Aluminium-Blech (oder ein anderes mit dem Element nicht verschweißbares Material) eingestanzt. Nach dem Einstanzen wird das Nietelement unter Einwirkung eines Werkzeugs verformt. Das eine Ende des Niets ist eben, das andere Ende ist durch die Verformung uneben. Das ebene Ende wird mit einem Stahlblech (oder einem anderen mit dem Nietelement verschweißbaren Material) mittels Widerstandspunktschweißen verschweißt. Das Manko dabei ist: (1). Um das Nietelement in das Aluminium-Blech einzustanzen und mit diesem zu verbinden, werden höhere Kräfte für die Nietverformung benötigt; (2). Beim Schweißen des Nietelementes mit dem Stahlblech verursacht die unebene Fläche durch die Schweißkraft einen erhöhten Verschleiß der Elektrode.
Bekannte Technik 6: Stanznieten mittels Halbhohlniet ist eine häufig verwendete Technik. Diese typische Methode findet man u. a. in "Prozessparameter zum Stanznieten mit Halbhohlnieten und Bewertung der Qualität" (Zeitschrift der Universität Tianjing, China, 4. 2007). Sie weist folgende Charakteristik auf: der Niet ist mittig halb hohl. Er dient zum Verbinden von zwei Werkstoffen. Dabei wird dieses selbststanzende Nietelement durch eine hohe Presskraft ins Material eingestanzt. Der Schenkel durchbricht das erste Material, um durch die Gegenwirkung der Matrize und des zweiten Materials auseinander zu spreizen und in das zweiten Material einzudringen. Dadurch entsteht eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen zwei Materialien wie beispielsweise eines Stahl- und Aluminium-Blechs. Beim Verbinden von Stahl und Aluminium muss aufgrund des unterschiedlichen elektrochemischen Potentials Kleber zwischen den beiden Materialien aufgetragen werden, um eine Kontaktkorrosion zu verhindern. Beim Einstanzen des Halbhohlniets in das Material, ist eine Seite eben. Aufgrund der Verformung und Wirkung der Matrize wird der Nietschenkel auseinander gedrückt. Das Verfahren hat drei Nachteile: (1). Das Bauteil wird beim Stanznieten beschädigt, dies trifft besonders auf Metalle mit geringerer Duktilität zu. (2). Im Vergleich zum Punktschweißen wird ein breiterer Flansch benötigt, was das Leichtbaupotential des Aluminiums reduziert. (3). Es entstehen zusätzliche Kosten für neue Anlagen.
Bekannte Technik 7: Welt Patent WO 00201 2041 515 A verwendet ebenfalls einen Vollniet zum Schweißen. Wenn der Vollniet ins Aluminium-Blech eingestanzt wird, verformt sich dessen Schenkel nach außen und eine formschlüssige Verbindung entsteht. Über dieses Nietelement werden Verschweißungen mit dem Stahl ausgeführt.

In dieser bekannten Technik 7 wird das Aluminium-Blech nur von einer Seite verklemmt, während die andere Seite offen ist. Daher fällt das Nietelement leicht aus dem Bauteil heraus. Außerdem ist hier das Problem der Kontaktkorrosion aufgrund des direkten Kontaktes beider Materialien vorhanden.

Bekannte Technik 8: deutsches Patent DE 10 2004 025 492 A1 veröffentlicht gleichfalls eine Schweißmethode mittels Vollniet. Der Niet weist auf einer Seite viele Spitzen auf. Mit Hilfe der Presskraft der Elektrode und unter gleichzeitiger Erwärmung des Aluminium-Blechs durch die Einwirkung vom elektrischem Strom wird das Aluminium-Blech erweicht und von der Spitze des Nietelements durchdrungen. Nach dem Durchdringen findet zwischen dem Nietelement und Stahlblech eine Verschweißung statt. Die Nachteile sind: (1). Es wird eine komplett neue Schweißanlage benötigt; (2). Es werden eine größere Zangenkraft und damit Schweißzangen mit höherer Festigkeit benötigt; (3). Zusätzliche Niettransportvorrichtungen werden benötigt, da das Nietelement vorher nicht mit dem Blech verbunden ist. Daher kann die existierende Anlage in der Produktion nicht verwendet werden.
Bekannte Technik 9: deutsches Patent DE 102005006253 A1 veröffentlichte eine Schweißmethode, bei der ein Schraubgewinde mit Kopf als Schweißvermittlungsmaterial verwendet wird. Dieses Schraubgewinde wird von einer Seite mit dem Blechmaterial verklemmt, während die andere Seite mit einem anderen Blechwerkstoff verschweißt wird. Während des Schweißens wird dieses Gewinde durch Presskraft verformt. Das Manko ähnelt den der anderen Verfahren mit Vollnieten: (1) Es entsteht ein zusätzlicher Prozessschritt durch das Lochen im Blechmaterial. (2) Das Schraubgewinde wird nicht während der Herstellung des Blechbauteils eingebracht, sondern erst beim Schweißen, wodurch zusätzliche Zuführungs- und Transportvorrichtungen benötigt werden. (3) Beim Schweißen wird eine sehr große Presskraft benötigt, damit diese zusammen mit der Schweißwärme die Schraubgewinde quasi ähnlich wie beim Schmieden verformt und mit dem Stahlblech verschweißt. Aufgrund der sehr großen Kraft wird eine spezielle Schweißzange benötigt.
Bekannte Technik 10: deutsches Patent DE 102007036416 A1 veröffentlichte ein technisches Konzept, deren Inhalt dem der Technik 7 ähnlich ist. Die bekannte Technik 10 benötigt beim Schweißen ebenfalls eine deutlich höhere Kraft, die parallel zur Erwärmungswirkung des Schweißstroms das Nietelement verformt, damit dabei das Aluminium-Blech verklemmen kann. Anschließend wird auf der anderen Seite des Nietelements dieses mit dem Stahlblech verschweißt. Hier sind die oben genannten Nachteile vorhanden, dass die vorhandenen Produktionsanlagen nicht benutzt werden können und zusätzliche Schweißanlagen und Niettransportvorrichtungen benötigt werden.

Inhalt der Erfindung
Aufgrund der Defizite der bekannten Technik, wie oben beschrieben, soll durch die aktuelle Erfindung folgende technische Fragen gelöst werden: Bereitstellung eines Verbindungsverfahrens, bei dem zwei oder mehr als zwei miteinander sonst nicht schweißbare Werkstoffe (wie z. B. Stahl mit Aluminium, Magnesium oder FVK) mit den standardmäßig existierenden Schweißanlagen (z. B. Widerstandspunktschweißanlage) gefügt werden können. Dabei wird gleichzeitig die Verbindungsfestigkeit gegenüber der bekannten Technik erhöht.
Um diese technische Fragestellung zu lösen, liefert diese Erfindung ein Verbindungsverfahren für Blechwerkstoffe. Dieser Blechwerkstoff weist mindestens einen ersten und einen zweiten Blechwerkstoff auf. Hier ergeben sich folgende Prozessschritte:

Schritt 1. Auswahl eines Halbhohlniets aus einem Werkstoff, der mit dem ersten Blechwerkstoff verschweißbar ist. Dieser Halbhohlniet enthält einen massiven Nietkopf, Nietkörper und einen Schenkel mit Hohlraum.
Schritt 2: Der Halbhohlniet wird in den zweiten Blechwerkstoff eingenietet. Durch die Presskraft eines Werkzeugs wird er eingefügt und es entsteht ein Verbindungsadapter. Die Oberfläche des Nietkopfes bildet dabei eine ebene erste Oberfläche des Verbindungsadapters. Der Schenkel ragt aus dem zweiten Werkstoff heraus und wird durch die Verformungskraft in Richtung des Nietkörpers gedrückt. Zusammen mit dem Nietkörper wird diese in zwei Richtungen nach innen und außen verbreiternd verdrückt und formt so die zweite unebene Oberfläche. Die gewählte Form des Halbhohlnietes erfüllt die Anforderungen in der Weise, dass der Schenkel unter Werkzeugverpressungen einerseits nach innen verformt wird und dadurch die zweite Oberfläche eine gleichmäßige Krümmung erhält, und anderseits so nach außen verformt wird und einen Flansch formt, sodass die Wandstärke des Flansches von innen nach außen hin abnimmt und den zweiten Werkstoff eng umklammert;
Schritt 3: Der Blechwerkstoff 1 wird auf die erste Oberfläche des Verbindungsadapters gelegt;
Schritt 4: Der Blechwerkstoff 1 wird mit dem Verbindungsadapter mittels Widerstandspunktschweißen verschweißt. Der Krümmungsradius und die Tiefe der Schweißelektrode entspricht der Tiefe und dem Krümmungsradius der zweiten Oberfläche.

Eine der bevorzugten Ausführungen ist, dass die Dicke des Nietkörpers dem 1,1–1,4-fachen der Dicke des zweiten Blechwerkstoffes entspricht; die Tiefe des Hohlraum 50–65% des Durchmessers des Nietkörpers entspricht; und die Dicke des Nietschenkels 10–20% des Durchmessers des Nietkörpers beträgt. Eine bevorzugte Ausführung ist, dass der Durchmesser des Nietkörpers des Halbhohlniets 5–6 mm beträgt.
Eine bevorzugte Ausführung ist, dass der Verbindungsadapter eine asymmetrische I Form aufweist, wobei der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche zwischen 10–14 mm liegt und die Tiefe dieser konkaven Oberfläche kleiner als 0,8 mm ist.
Bei Verwendung einer bevorzugten Ausführung, wird im beschriebenen Schritt 2 der Schenkel zusammen mit dem Körper des Halbhohlniets nach außen hin so verpresst, dass an den Kanten des zweiten Blechwerkstoffs eine ovale Ecke zum Nietkörper hin entsteht.
Eine bevorzugte Ausführung ist, dass die horizontale Abmessung der zweiten Oberfläche des Verbindungsadapters das 1,8–2,2-fache des Nietkörperdurchmessers des Halbhohlniets beträgt und zugleich nicht kleiner als 10 mm ist. Eine bevorzugte Ausführung ist, dass in dem genannten zweiten Schritt, bevor das Nietelement eingebracht wird, im zweiten Blechwerkstoff ein Loch erstellt wird, wobei der Durchmesser des Lochs um 5–20% größer sein soll als der des Nietkörpers. Das Nietelement lässt dadurch leichter einbringen. Eine bevorzugte Ausführung ist, dass der Durchmesser des Nietkörpers, nachdem ein Verbindungsadapter geformt ist, um 10–30% vergrößert wird. Eine bevorzugte Ausführung ist, dass der zweite Blechwerkstoff einen zwei- oder mehrschichtigen Aufbau aufweist. Eine bevorzugte Ausführung ist, dass der Kopf des Halbhohlniets eine Dicke von 0,5–1,5 mm aufweist und damit einen Spalt zwischen dem ersten und zweiten Werkstoff erzeugt, in den der Lack beim Lackieren des Bauteils einfließen kann und so die Kontaktkorrosion verhindert. Eine bevorzugte Ausführung ist, dass der Werkstoff für das Bauteil 1 Stahl oder Aluminium ist und der Werkstoff des Bauteils 2 ein mit dem Bauteil 1 nicht verschweißbarer metallischer oder nicht-metallischer Werkstoff ist. Der nicht-metallische Werkstoff beinhaltet FVK.
Diese Erfindung umfasst auch eine Art von Fahrzeugkarosserie oder -fahrwerk. Diese Karosserien oder diese Fahrwerke enthalten mindestens zwei miteinander nicht verschweißbare Werkstoffe, wobei diese beiden nicht verschweißbaren Werkstoffe mittels des oben genannten Verbindungsverfahren miteinander verbunden werden, sodass die Widerstandspunktschweißanlagen, die für die Herstellung von Karosserien oder Fahrwerken aus einem einzigen Werkstoff verwendet werden, auch hierfür verwendet werden können.
Im Vergleich zum Verfahren mit Vollniet als Schweißhilfselement weist die aktuelle Erfindung folgende Vorteile auf:

(1) Der Halbhohlniet kann viel leichter in den zweiten Blechwerkstoff eingenietet werden, sodass die Anforderungen an die Pressenkraft der Produktionslinie niedrig bleiben können. Das ermöglicht die Verwendung der bereits vorhandenen Pressen in der Produktionslinie.
(2) Beim Einnieten des Halbhohlniets mit spezieller Struktur in den zweiten Blechwerkstoff verformt sich der Nietschenkel derart, dass dabei eine vergrößerte zweite Oberfläche entsteht. Dadurch wird die Verbindungsfestigkeit zum zweiten Werkstoff erhöht. Die gekrümmte Fläche der zweiten Oberfläche mit gleichmäßigem Krümmungsradius ermöglicht einen stabilen Kontakt zur Schweißelektrode, was die Schweißpunktqualität verbessert und den Verschleiß der Elektrode reduziert.
(3) Wenn der Halbhohlniet in den zweiten Werkstoff eingenietet wird, erfährt diese eine seitliche horizontale Verbreiterung. Dies vergrößert den Durchmesser des Verbindungsadapters. Dadurch wird das verschweißbare Material vergrößert, ohne den ursprünglichen Durchmesser des Nietkörpers zu vergrößern. So kann ein größerer Schweißpunkt erzeugt werden, ohne den benachbarten Werkstoff durch die Wärmeeinflusszone zu beschädigen. Hinzu kommt noch, dass dadurch die Verbindungseigenschaften zum zweiten Werkstoff verbessert werden.
(4) Mit den gleichen Schweißfertigungslinien können zwei Typen von Karosserie oder Fahrwerk hergestellt werden; z. B. Typ 1 Karosserie oder Fahrwerk komplett aus Stahl; Typ 2 Karosserie oder Fahrwerk in Mischbauweise aus Stahl und Aluminium. Bei der Produktion auf der gleichen Schweißlinien müssen nur Schweißelektrode gewechselt und Schweißparameter geändert werden. Alle anderen Anlagen bleiben unverändert.
(5) Die Verbindungsfestigkeit für die Verbindungen, hergestellt gemäß der in dieser Erfindung vorgestellten Methode, ist höher als beim traditionellen Stanznieten
(6) Wenn Bauteile aus FVK und Stahl mit diesem Verfahren verbunden werden, entsteht bis auf die Löcher im FVK keine zusätzliche Schädigung am Kunststoff.

Beschreibung der Zeichnungen:
1 Prinzipzeichnung zum Querschnitt des Halbhohlniets zur Verbindung von Blechwerkstoffen
2: Prinzipschaubild zu den Bemaßungen des Halbhohlniets im 1
3: Prinzipschaubild zum Zeitpunkt, zu dem der in dieser Erfindung zur Verbindung von Blechwerkstoffen verwendete Halbhohlniet anfängt, in den zweiten Blechwerkstoff einzutreten.
4: Prinzipschaubild zur Verformung des Nietschenkels von 3 (zur Wahrung der Übersichtlichkeit wurden Teile des Werkzeugs nicht schraffiert)
5: Prinzipschaubild zur Verbindungsstruktur zwischen dem Halbhohlniet und dem zweiten Blechwerkstoff nach Verformung des Nietschenkels.
6: Prinzipschaubild zu dem Moment, in welchem der erste Blechwerkstoff auf die ebene erste Oberfläche des Verbindungsadapters in 4 gelegt wird.
: Prinzipschaubild zum Schweißvorgang
8: Prinzipschaubild zur Struktur aus zwei Blechwerkstoffen nach Fertigstellung des Schweißens
9: Prinzipschaubild dazu, wenn die Dicke des Nietkörpers des Halbhohlniets zu groß ist (zur Wahrung der Übersichtlichkeit wurde in den 9, 10 und 11 auf die Schraffierung des Querschnittes verzichtet)
10: Prinzipschaubild zum Verbindungsadapter für die Verbindung, wenn der Nietschenkel des Halbhohlniets zu lang ist.
11: Prinzipschaubild zum Verbindungsadapter für die Verbindung, wenn der Nietschenkel des Halbhohlniets zu kurz ist.
12: Prinzipschaubild dazu, wenn der zweite Blechwerkstoff einen zweischichtigen Aufbau aufweist und mit dem Halbhohlniet verklemmt wird.
13: Prinzipschaubild zu einem Zusammenbau des Bodenblechs eines Fahrzeugs. Das Bodenblech besteht aus Aluminiumwerkstoff und die beide Längsträger sind aus Stahl. Der Zusammenbau wird durch das Verbindungsverfahren in dieser Erfindung hergestellt.
Die Art und Weise der konkreten Ausführung
Nachfolgend wird mit Hilfe der beigefügten Figuren und konkreten Beispielen die Erfindung ausführlicher beschrieben. Dies bedeutet aber keine Einschränkung zu der aktuellen Erfindung!
Zunächst muss darauf hingewiesen werden, dass in den konkreten Beispielen, die zu verbindenden Blechwerkstoffe zwei unterschiedliche Werkstoffe sind. Dies beinhaltet einen ersten und einen zweiten Blechwerkstoff. Beispielhaft wird die Situation dargestellt, dass der erste Blechwerkstoff aus Stahl, der zweite aus Aluminium und der Halbhohlniet aus Stahl ist. Dabei kann der zweite Blechwerkstoff auch aus anderen Leichtmetall-Blechwerkstoffen oder nichtmetallischen Blechwerkstoffen bestehen. Der Werkstoff für den Halbhohlniet muss lediglich die Bedingung erfüllen, dass er mit dem ersten Werkstoff verschweißbar ist. Die Experten aus diesem technischen Bereich können aufgrund des tatsächlichen Bedarfs im Praxisfall die Werkstoffe ändern. Dabei muss nur beachtet werden, dass der Halbhohlniet mit dem ersten Blechwerkstoff verschweißbar ist. Diese Erfindung soll hauptsächlich das Verbindungsproblem zwischen zwei nicht verschweißbaren Werkstoffen lösen. Es ist offensichtlich, dass diese Erfindung nicht nur auf zueinander nicht verschweißbaren Werkstoffen anwendbar ist. Miteinander verschweißbare Werkstoffe können natürlich auch mittels dieses Verfahrens verbunden werden. Auf Basis der zu schweißenden Werkstoffe wird der Werkstoff des Halbhohlniets gewählt.
Nachfolgend werden zusammen mit 1–8 die konkreten Beispiele zur Verbindung von Blechwerkstoffen erläutert, wobei zu den Blechwerkstoffen die miteinander nicht verschweißbaren Werkstoffe, erster Blechwerkstoff 3 und zweiter Blechwerkstoff 2, gehören. Das Verbindungsverfahren enthält folgende Schritte:

Schritt 1: Siehe 1–8: Für den Halbhohlniet 10 wird ein Werkstoff gewählt, der mit dem ersten Blechwerkstoff 3 verschweißbar ist. Wenn der erste Blechwerkstoff Stahl ist, ist auch das Nietelement 10 aus Stahl. Wie in 1 gezeigt, besteht der Halbhohlniet 10 aus einem massiven Nietkopf 11, einem Nietkörper 12 und einem Nietschenkel 13 mit Hohlraum 15 dazwischen. Besonders zu betonen ist, dass sich der Halbhohlniet 10 in dieser Erfindung aufgrund der unterschiedlichen Verwendungszwecke stark von den Halbhohlnieten zum Stanznieten und Verbinden der bekannten Techniken unterscheidet.
Schritt 2: Gemäß 3, 4 und 5 wird der Halbhohlniet 10 in den mit diesem nicht verschweißbaren Blechwerkstoff 2 eingenietet. Unter der Einwirkung des Werkzeugs wird der Schenkel 13 des Halbhohlniets 10 verformt und ein Verbindungsadapter 1 entsteht. Aus dem Nietkopf 11 des Halbhohlniets 10 entsteht die ebene erste Oberfläche 18 des Verbindungsadapters 1. Der Schenkel 13 des Niets 10 ragt aus dem zweiten Blechwerkstoff 2 heraus. Die Form und Geometrie des Halbhohlniets 10 erfüllt die Bedingung, dass der Schenkel 13 unter den Presskräften des Werkzeugs in Richtung Nietkörper 12 verpresst wird und zusammen mit dem Nietkörper 12 zusammengepresst wird und separat zur Innen- und Außenseite fließt. So entsteht eine unebene zweite Oberfläche 19 des Verbindungsadapters 1. Die zweite Oberfläche 12 enthält eine konkave Fläche mit gleichem Krümmungsradius, die durch das Pressfließen des Schenkels 13 nach innen hervorgerufen wird. Die zweite Oberfläche 12 enthält zusätzlich den Randflansch 191, der durch die Umformung des Schenkels 13 nach außen entsteht und zugleich eine stetig abnehmende Wandstärke aufweist und den zweiten Blechwerkstoff 2 ohne Spalt umklammert.
Schritt 3: Gemäß 6 wird der mit dem Verbindungsadapter 1 verschweißbare erste Blechwerkstoff 3 auf die erste Oberfläche 18 des Adapters 1 gelegt.
Schritt 4: Gemäß 7 wird der erste Blechwerkstoff 3 mit dem Verbindungsadapter 1 mittels Widerstandspunktschweißen verschweißt. Der Krümmungsradius und die Tiefe der Schweißelektrode 7 sind denen der zweiten Oberfläche des Verbindungsadapters angepasst. Wie in 8 gezeigt wird, entsteht zwischen Verbindungsadapter 1 und dem ersten Blechwerkstoff 3 ein Schweißpunkt. Im 8 ist die Schmelzzone 4 und Wärmeeinflusszone 5 des Schweißpunktes gezeigt.

Dieses konkrete Beispiel verlangt einen Halbhohlniet 10, dessen Form so ist, dass nach dem Nietbefestigungsprozess durch Verformung des entstandenen Verbindungsadapters 1 eine zweite Oberfläche 19 mit in der Mitte konkaver Form, deren Krümmungsradius konstant ist. Der Hauptvorteil dafür ist, dass eine Krümmungsfläche mit konstantem Krümmungsradius mit der Schweißelektrode einen stabilen Kontakt bilden kann und somit die Qualität der Schweißpunkte erhöht wird. Zudem kann der Verschleiß der Elektrode verringert werden. Um diese Anforderung zu erfüllen, muss offensichtlich, wie in 4 gezeigt wird, das Werkzeugoberteil 400, das mit dem Kopf des Halbhohlniets Kontakt hat, eben sein. Das Werkzeugunterteil 300, das mit dem Nietschenkel 13 (der Schenkel 13 in 4 befindet sich in einem Verformungsvorgang und wird weiterhin als 13 gekennzeichnet) des Halbhohlniets 10 Kontakt hat, muss eine spezielle Form aufweisen. Diese Wirkfläche zum Halbhohlniet 10 enthält folgende Fläche: Die konvexe Fläche mit gleichmäßigem Krümmungsradius 301, um die konkave Krümmungsfläche im Verbindungsadapter zu erzeugen; Die konkave Fläche 302 zur Erzeugung des Flansches 191; und die ebene Fläche 303. Die ebene Fläche 303 erzeugt eine spaltlose Umklammerung der Blechwerkstoffs 2 durch den Halbhohlniet 10 am Ende des Verformungsprozesses. Die Grenze zwischen der konvexen Fläche 301, der konkaven Fläche 302 und der ebenen Fläche 303 des Werkzeugunterteils 300 wird im Großen und Ganzen durch die Strichpunktlinie in 4 markiert.
Damit der Schenkel des Halbhohlniets 10 bei Verwendung der oben genannten Werkzeuge nach Pressverformung nach innen eine Krümmungsfläche mit gleichem Krümmungsradius formt, und sich nach außen verbreitert und den zweiten Blechwerkstoff 2 durch den Flansch 191 fest verklemmt, muss die geometrische Struktur des Halbhohlniets 10 dieser Erfindung bestimmte Bedingungen erfüllen. Aufgrund unterschiedlicher Verwendungszwecke unterscheidet sich die Struktur des Halbhohlniets 10 dieser Erfindung erheblich von der des konventionellen Halbhohlniets. Hier werden Halbhohlniete mit besonderen Strukturen benötigt. Mit anderen Worten: in dieser Erfindung wird nur das Wort ”Halbhohlniet” aus der vorhandenen Technik entliehen. In der Realität eignet sich der Halbhohlniet aus dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung nicht zur reinen Nietverbindung, sondern zum Herstellen eines Schweißvermittlungsmaterials über ein Nietelement. Um diesen Verwendungszweck zu erfüllen, muss der Halbhohlniet 10 zwei Bedingungen erfüllen: (1) die Dicke T des Nietkörpers 12 des Halbhohlniets 10 muss zur Dicke δ des zweiten Blechwerkstoffes 2 in einem bestimmten Verhältnis stehen, nämlich T/δ muss zwischen 1,1–1,4 liegen. (2) Die Tiefe h des Hohlraums 15 beträgt 50%–65% des Durchmessers d1 des Nietkörpers; Die Dicke s des Schenkels 13 beträgt 10%–20% des Durchmessers d1 des Nietkörpers.
Nachfolgend wird zusammen mit den Bildern erläutert, wie diese beiden Parameter die Struktur des Halbhohlniets und dessen Eigenschaften beeinflussen. Wenn die Dicke T des Nietkörpers nicht innerhalb des genannten Wertebereichs liegt, also entweder zu groß oder zu klein ist, dann würde die Situation in 9 entstehen: der entstandene Verbindungsadapter 1', weist keinen gleichmäßigen Krümmungsradius auf. Auf der Oberfläche entsteht Welligkeit 140. Gleichzeitig kann sich kein vollständiger Flansch 191 formen. Wenn die Dicke T des Nietkörpers 12 zu klein ist, kann zwar ein guter Flanschbereich 191 aus dem äußeren Bereich des Schenkels 13 ausgebildet werden, jedoch kann aus dem inneren Bereich keine Krümmungsfläche mit gleichmäßigem Krümmungsradius entstehen, weil die Materialanhäufung zum Hohlraum nach unten hin durch die Verformung des Schenkels 13 nicht ausreicht, um mit dem Material im Hohlraum unten gemeinsam durch eine Verpressung eine Krümmungsfläche mit gleichmäßigem Krümmungsradius zu bilden. Die Verformung des Schenkels 13 und des unteren Bereichs des Hohlraums könnte im Übergangsbereich zu Welligkeitsbildung führen.
Außerdem kann, wenn die Dicke T des Nietkörpers 12 zu groß ist, der äußere Bereich des Nietschenkels 13 noch nicht ausreichend nach außen verbreiternd verpresst werden, um mit dem zweiten Blechwerkstoff einen vollständigen Kontakt zu bilden, wenn die Verformung des inneren Bereiches des Schenkels mit dem unteren Bereich des Hohlraums abgeschlossen ist. Es entsteht ein Spalt zwischen dem Flansch 191 und dem zweiten Blechwerkstoff 2. Die horizontale Abmessung ist auch relativ niedrig, sodass die Festigkeit der Verbindung zum zweiten Blechwerkstoff 2 reduziert ist.
Die Anforderung dieser Erfindung zur Abmessung des Nietschenkels des Halbhohlniets 10, also die Länge des Nietschenkels (bzw. die Länge des Hohlraums) und deren Dicke im Verhältnis zum Durchmesser des Nietkörpers, dient dem folgenden Zweck: Wenn der Schenkel durch Verpressen verformt wird und sich nach innen und außen verbreitet, wird gerade eine ausreichende Menge an Material bereitgestellt, so dass die in 5 gezeigte Form entstehen kann. Weder kann Welligkeit aufgrund von zu viel Material im Schenkelbereich entstehen, noch kann zu wenig Materialien im Schenkelbereich dazu führen, dass der Flansch den zweiten Blechwerkstoff nicht fest umklammert und die Krümmungsfläche mit gleichmäßigem Krümmungsradius nicht ausgebildet wird.
Nachfolgend wird zusammen mit 10 und 11 erläutert, wie die Abmessungen des Schenkels des Halbhohlniets 10 die Form des Verbindungsadapters beeinflussen. 10 zeigt die Form des Verbindungsadapters 1' bei zu langem Schenkel. Zuerst entsteht, wie 10(a) zeigt, eine Welligkeit 140, wenn der Schenkel anfänglich verformt wird und dessen innere Seite mit dem unteren Bereich des Hohlraums zusammen verpresst wird. Die Verformung des unteren Bereichs des Hohlraums ist relativ niedrig. Es entsteht keine Krümmungsfläche mit konstantem Krümmungsradius. Bei weiterer Verpressung entstehen aus Teilen der Welligkeit ”Risse” 141, wie 10(b) zeigt. In 11 wird die Form des Verbindungsadapters 1'' gezeigt, wenn der Schenkel zu kurz ist. Bei einem zu kurzen Schenkel 13 (weil noch kein vollständiger Flansch entstanden ist, wird in 11 weiterhin mit 13 gekennzeichnet) kann aus der äußeren Seite des Schenkels kein vollständiger Flansch entstehen. D. h. zwischen dem Flansch und dem zweiten Blechwerkstoff entsteht ein Spalt 8. Dadurch wird die Verbindungsfestigkeit mit dem zweiten Blechwerkstoff erheblich reduziert. Außerdem kann in der Mitte keine konkave Fläche mit gleichmäßigem Krümmungsradius entstehen. Wenn die Dicke des Schenkels zu groß ist, entsteht eine Situation ähnlich der bei zu langem Schenkel. Wenn die Dicke des Schenkels zu niedrig ist, entsteht eine Situation ähnlich der bei zu kurzem Schenkel. Die Bezeichnung zu lang, zu kurz, zu dick und zu dünn bezieht sich stets auf die konkreten Ausführungsbeispiele oben und den Anforderungen daraus.
Außerdem kann der in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Halbhohlniet, im Vergleich zu den bekannten Techniken mit Vollniet als Schweißmaterial, viel leichter in den zweiten Blechwerkstoff eingebracht werden. (Der zweiter Blechwerkstoff ist häufig Aluminium oder ein nicht-metallischer Werkstoff). Reale Versuche im Labor zeigen, dass die Kräfte zum Einbringen des Halbhohlniets in der Regel nicht größer als 60 KN sind. Daher kann die herkömmliche Presse in der Blechumformung weiter verwendet werden. Die Zunahme der Pressenkräfte beträgt zwischen 10–30%. Dieses Ausführungsbeispiel kann somit die Anforderungen an die Pressenkraft in der Produktionslinie reduzieren und ermöglicht die Nutzung von vorhandenen Pressen. Der Fahrzeugtyp aus Mischmaterial, der mittels des Verbindungsverfahrens dieser Erfindung hergestellt wird, kann mit dem Fahrzeugtyp vollständig aus Stahl auf einer gemeinsamen Produktionslinie hergestellt werden. Damit werden die Produktionskosten erheblich reduziert.
Betrachtet man die 5 im Vergleich zur 3, so sieht man folgendes: Wenn in diesem Ausführungsbeispiel der Halbhohlniet 10 mit spezieller Struktur in den zweiten Blechwerkstoff 2 eingeführt und dabei ein Verbindungsadapter 1 erzeugt wird, entsteht eine größere zweite Oberfläche 19 aus der Verformung des Schenkels. Nach Verformung und Verbreiterung des Schenkels ist der Durchmesser d4 der zweiten Oberfläche 19 größer als der Durchmesser d1 des Nietkörpers 12 und der Durchmesser d2 des Nietkopfes 11 des Halbhohlniets 10. Ein größerer Durchmesser der zweiten Oberfläche 19 kann die Verbindungsfestigkeit mit dem zweiten Blechwerkstoff 2 erhöhen. Wie in den 3 und 5 gezeigt wird, erfährt der Nietkörper eine gewisse horizontale Verbreiterung beim Vernieten des Halbhohlniets 10 in den zweiten Blechwerkstoff 2 zur Bildung des Verbindungsadapters 1. Der Durchmesser d3 des Nietkörpers des Verbindungsadapters 1 ist größer als der Durchmesser d1 des Nietkörpers des Halbhohlniets 10. Das bedeutet eine Vergrößerung des Nietdurchmessers. Mit Hilfe von 8 kann man die Vergrößerung der schweißbaren Materialien erkennen, sodass ein größerer Schweißpunkt entstehen kann und die Festigkeit der Schweißverbindung erhöht wird. Auf der anderen Seite entsteht eine stabilere Verbindung zwischen dem Verbindungsadapter und dem zweiten Blechwerkstoff 2 durch die Verpressung. Aufgrund der horizontalen Verbreiterung des Halbhohlniets 10, wird eine größere Menge Material in horizontaler Richtung zum Schweißen bereitgestellt, sodass die Wärmeeinflusszone 5 innerhalb des Verbindungsadapters verbleiben kann. Der zweite Blechwerkstoff 2 wird nicht beeinflusst. Dieser wird nicht durch das Schweißen überhitzt und erschmolzen. Damit wird die Verbindungsfestigkeit beim Schweißen gewährleistet.
Zusammengefasst kann in der praktischen Durchführung die Abmessung des Halbhohlniets auf Basis der Dicke δ des zu verbindenden zweiten Blechwerkstoffs 2 gewählt werden. Wie des 3 zeigt, soll die Dicke T des Nietkörpers 12 des Halbhohlniets 10 zwischen der 1,1–1,4-fachen Dicke δ des zweiten Blechwerkstoffs 2 betragen. Die Tiefe h (ungefähr gleich der Länge des Schenkels) muss gleichzeitig zwischen 50%–65% des Durchmessers d1 des Nietkörpers liegen. Damit wird sichergestellt, dass der Schenkel 13 des Halbhohlniets 10 nach der Verformung den Blechwerkstoffs 2 von der unteren Seite vollständig umklammert und die Nietverbindungsfestigkeit zu diesem zweiten Blechwerkstoff sichergestellt wird.
Sowohl über Berechnungen als auch über Versuche wurde nachgewiesen, dass mit einem Halbhohlniet 10, der diese beiden Bedingungen erfüllt, nach der Verformung eine Krümmungsfläche mit gleichmäßigem Krümmungsradius im mittleren Bereich gemäß 5 geformt werden kann. Der Flansch nimmt eine Form an, die von innen nach außen stetig dünner wird. Er wird eng an den zweiten Blechwerkstoff verpresst. In der praktischen Ausführung wird zuerst der Durchmesser d1 des Nietkörpers 12 als Basisparameter auf Basis der Dicke und Materialsorte des zweiten Blechwerkstoffs bestimmt. Dann wird ausgehend von diesem Basisparameter d1 die Dicke s des Nietschenkels und die Tiefe h des Hohlraums 15 bestimmt. Damit wird sichergestellt, dass der Schenkel des Halbhohlniets 10 bei Verformung sich nach außen verbreitert und den Flanschbereich 191 formt. Nach innen hin verbindet sich dieser mit dem unteren Bereich des Hohlraums und bildet eine stetige Krümmungsfläche, die gemäß 5 einen konstanten Krümmungsradius aufweist.
In einer bevorzugten Ausführung, wie in 3 gezeigt wird, weist der Nietkörper 12 einen Durchmesser d1 von 5 bis 6 mm auf. Damit wird die benötigte Verbindungsfestigkeit bei gleichzeitiger Erfüllung der Leichtbauanforderungen erreicht. Ein Niet mit kleinerem Durchmesser kann die Abmessung des Verbindungsflansches am Bauteil verringern, was dem Ziel des Leichtbaus dienlich ist. Der Krümmungsradius r der Krümmungsfläche mit gleichmäßigem Krümmungsradius im 5 beträgt 10–14 mm. Die Tiefe H in der Mitte dieser Krümmungsfläche ist kleiner als 0,8 mm.
Wie das 5 verdeutlicht, weist der Verbindungsadapter 1 aus dem Halbhohlniet 10 eine asymmetrische I Form auf. Die horizontale Abmessung der zweiten Oberfläche 19 (Durchmesser d4) beträgt das 1,8–2,2-fache des Durchmessers des Nietkörpers d1 und ist zudem nicht kleiner als 10 mm. Die größere Abmessung der zweiten Oberfläche 19 kann die Verbindungsfestigkeit zum zweiten Blechwerkstoff erhöhen.
Wie in 3 und 4 gezeigt wird, wird im aktuellen Ausführungsbeispiel als eine bevorzugte Ausführung zunächst im zweiten Blechwerkstoff 2 ein Loch für das Nieten erstellt, bevor das Nietelement eingebracht wird. Der Durchmesser dieses Lochs D ist um 5%–20% größer als der Durchmesser d1 des Nietkörpers 12 des Halbhohlniets 10. Auf diese Weise kann das Nietelement leichter eingebracht werden. Das Nietloch kann in einer normalen Pressoperation erstellt werden. Nachdem das Nietelement in das Loch eingeführt wird, kann die nächste Operation ausgeführt werden.
Wie in 3 und 5 gezeigt wird, erfährt der Durchmesser des Nietkörpers eine Zunahme von 10–30% nachdem aus dem Halbhohlniet 10 ein Verbindungsadapter 1 entsteht und dessen Nietkörper durch Pressverformung eine horizontale Verbreiterung erfahren hat. D. h. im Vergleich zum Durchmesser d1 des Halbhohlniets 10 ist der Durchmesser d3 des Nietkörpers des Verbindungsadapters 1 um 10–30% größer geworden. Anhand von 8 ist ersichtlich, dass die Verbreiterung des Nietkörpers gleichzeitig eine Zunahme der Abmessung des Nietelementes in der Breite bedeutet. Damit steht mehr Raum und Material für das Schweißen zur Verfügung und ein größerer Schweißpunkt kann gebildet werden (Gleichzeitig wird verhindert, dass die hohe Temperatur im Schweißpunkt den zweiten Blechwerkstoff beeinträchtigt). Die Festigkeit der Schweißverbindung wird verbessert.
Wie in den 3 und 6 gezeigt wird, weist der Nietkopf 11 des Halbhohlniets 10 eine Dicke t von 0,5–1,5 mm auf. Nachdem der Verbindungsadapter 1 geformt ist, entsteht ein Spalt mit einer Dicke von t2 zwischen dem ersten Blechwerkstoff 3 und dem zweiten Blechwerkstoff 2. Der KTL-Lack kann zwischen den beiden Blechwerkstoffen eindringen. Damit kann eine Kontaktkorrosion vermieden werden.
Aufgrund der obigen Beschreibung kann gesagt werden: um das Ziel dieser Erfindung zu erreichen, werden für die Verformung des Nietschenkels des Halbhohlniets 10 nach innen und außen sowie insgesamt besondere Anforderungen gestellt. In der Praxis sind diese Anforderungen an die Dicke des Nietkörpers und Abmessungen des Nietschenkels des Halbhohlniets 10 gerichtet.
Damit bei der Verformung des Halbhohlniets eine Krümmungsfläche mit gleichmäßigem Krümmungsradius entsteht, kann kein normaler Halbhohlniet verwendet werden. Nietelemente mit spezieller Struktur müssen dafür entworfen werden. Der Grund, warum normale Halbhohlniete nicht dem Zweck dieser Erfindung dienen können, liegt darin, dass der Zweck des Nietelementes in dieser Erfindung sich vom Zweck der Halbhohlniete gemäß bekannter Technik unterscheidet. In normalen Situationen wird ein Halbhohlniet zum Verbinden von zwei Werkstoffen verwendet. Die Länge des Nietschenkels ist im Verhältnis zur gesamten Länge des Nietelementes größer. Zudem wird der Schenkel gespreizt, wenn dieser in den zu verbindenden Werkstoffen eingestanzt wird. Durch diese Spreizung entsteht eine kraftschlüssige Verbindung zum Werkstoff. Während dieses Einnietprozesses erfährt der Nietkörper des Nietelementes nur eine geringere Verformung. In der Regel erfährt der Nietschenkel eine Verformung über die Spreizung und die Verformung in der Längsrichtung ist sehr gering (der Nietschenkel erfährt keine Verformung wie in dieser Erfindung, wenn die normalen Nietelemente zum Stanznieten verwendet werden). Bei dieser Erfindung hingegen muss eine Oberfläche geformt werden, die geeignet zum Schweißen ist, nachdem der Halbhohlniet in einen der Blechwerkstoffe eingesetzt und mit diesem verbunden ist. Daher werden an die Abmessungen des Halbhohlnietes besondere Anforderungen gestellt: Erstens muss die Dicke des Nietkörpers zwischen dem 1,1–1,4- fachen der Dicke des zweiten Blechwerkstoffes betragen. D. h. nachdem der Halbhohlniet 10 in den zweiten Blechwerkstoff 2 eingesetzt ist, soll der untere Punkt des Hohlraums leicht die Oberfläche des zweiten Blechwerkstoffes überragen. Damit soll ein ausreichender Raum für die Verbreiterung des Nietschenkels nach innen und außen bereitgestellt werden. Außerdem wird gefordert, dass die Länge des Nietschenkels (äquivalent zur Tiefe des Hohlraums) und dessen Dicke so eingestellt ist, dass eine Verdrängung des Schenkels nach innen bei der Verformung zu einer Krümmungsfläche mit gleichmäßigem Krümmungsradius führt. Zugleich wird durch die Verformung des Schenkels nach außen ein Flanschbereich entstehen, der den zweiten Blechwerkstoff eng verklemmt.
Wie in 12 gezeigt wird, kann der zweite Blechwerkstoff einen zweischichtigen Aufbau aufweisen, welcher die erste Schicht 31 und eine zweite Schicht 32 enthält. Selbstverständlich kann der zweite Blechwerkstoff noch mehr Schichten enthalten. Dabei kann die erste Schicht 31 und die zweite Schicht 32 gleichzeitig Aluminium, Magnesium oder andere Metalllegierungen sein. Sie kann auch FVK und andere nichtmetallische Werkstoffe sein. Das Prinzip zum Verbinden der Werkstoffe ist ähnlich zum bisher beschriebenen in dieser Erfindung und wird nicht weiter wiederholt. Allerdings wird gefordert, dass der Werkstoff für den Verbindungsadapter 1 mit dem ersten Blechwerkstoff, der in 12 nicht eingezeichnet ist, verschweißbar sein muss.
Wenn diese Erfindung als Verbindungstechnik zur Herstellung eines Fahrzeugs verwendet wird, liefert diese Erfindung auch eine Fahrzeugkarosserie oder ein Fahrwerk. Die Fahrzeugkarosserie oder das Fahrwerk enthält mindestens zwei miteinander nicht verschweißbare Werkstoffe. Diese nicht verschweißbaren Werkstoffe werden mit Hilfe des Verfahrens in dieser Erfindung miteinander verbunden. Dadurch können die Punktschweißanlagen zur Herstellung der Karosserie und des Fahrwerks, die aus nur einem Werkstoff bestehen, weiter verwendet werden. Dadurch werden bei der Realisierung eines Leichtbaus die Produktionskosten gesenkt, weil dabei nur die Geometrie der Elektrode für das Widerstandspunktschweißen und die Schweißparameter angepasst werden müssen. Besonders in der Fahrzeugbauindustrie mit Massenfertigung ist der Vorteil dieser Erfindung sehr herausragend. Zur Erfüllung der Anforderungen an den Leichtbau können Fahrzeugtypen auf Bi- oder Multimaterialbasis mit den Fahrzeugtypen auf Monomaterialbasis in einer gemeinsamen Produktionslinie gefertigt werden. Die vorhandenen Produktionslinien müssen nicht verändert werden, wodurch die Investitionen in der Fahrzeugproduktion drastisch reduziert werden. Das ist der wichtigste praktische Vorteil dieser Erfindung gegenüber der bekannten Technik.
13 zeigt ein Prinzipschaubild zu einem Mischbau, der mit dem Halbhohlniet dieser Erfindung hergestellt ist. Dabei ist das Bodenblech des Fahrzeugs aus Aluminium und der Längsträger hinten aus Stahl. Das Bodenblech 200 ist ein Blechbauteil und der Längsträger hinten 300 weist zwei Verbindungsflansche auf. Der Halbhohlniet geht durch das Fahrzeugbodenblech 200 hindurch und wird anschließend über die beschriebenen Verformungen umgeformt und mit dem Bodenblech 200 verklemmt, wobei eine Form gemäß 6 entsteht. Danach wird der Längsträger hinten 300 auf die ebene Oberfläche des Verbindungsadapters 1 gelegt und mit diesem verschweißt. Daraus entsteht der Zusammenbau gemäß 13. Selbstverständlich können auch andere miteinander nicht schweißbare Werkstoffe mittels des Verfahrens in dieser Erfindung in ähnlicher Situation wie in 13 verbunden werden.
Nachfolgend wird diese Erfindung mit den bekannten Techniken verglichen und die Vorteile dieser Erfindung werden erläutert. Besonders zu betonen ist: im Vergleich zum Vollniet in der bekannten Technik wird bei Verwendung des Halbhohlniets aus dieser Erfindung nur eine geringe Presskraft für das Einnieten in den Blechwerkstoff benötigt, sodass die Umformpressen nicht ausgetauscht werden müssen und die Kosten drastisch reduziert werden. Bei Verwendung des Halbhohlniets mit spezieller Konstruktion gemäß dieser Erfindung entsteht eine Krümmungsfläche mit konstantem Krümmungsradius. Über diese Fläche kann ein sehr guter Kontakt zur Schweißelektrode hergestellt werden, was die Entstehung eines Schweißpunktes mit verbesserter Qualität fördert. Zwischen dem Flansch des Nietelementes und dem zweiten Blechwerkstoff entsteht eine feste Verbindung. Vergleichsversuche zeigen, dass die Scherzugfestigkeit einer Verbindung mit dem Verfahren dieser Erfindung größer ist als beim Stanznieten.
In der bekannten Technik 1 wird ein Vollniet mit I Form als Übergangsmaterial zum Verbinden von zwei Blechwerkstoffen verwendet. Dabei sind alle beiden Oberflächen des Vollnietelementes eben. In einer praktischen Ausführung ist es aber nicht möglich, zwei ebene Fläche mit den normalen Umformpressen herzustellen. Nur bei Verwendung von speziellen Anlagen zum Schmieden ist dies so möglich. Bei Verwendung eines Vollniets mit zwei ebenen Oberflächen können die vorhandenen Produktionsanlagen nicht verwendet werden. Dieses Verfahren hat daher keine praktische Tauglichkeit. Wenn eine spezielle Anlage verwendet wird, werden die Produktionskosten erhöht. Besonders hinzuweisen ist, dass in der Praxis ein Verbindungsadapter mit I Form sehr schwer mittels Vollniet realisiert werden kann. Mittels Schmieden werden zusätzliche neue Anlagen benötigt, was die Herstellungskosten erhöht und die vorhandenen Produktionsprozesse verändert.
Der Hauptunterschied und die Vorteile dieser Erfindung im Vergleich zur bekannten Technik 1 sind: (1) In dieser Erfindung wird ein Halbhohlniet verwendet. Der Nietschenkel kann leicht verformt werden, um einen Verbindungsadapter zu formen. Der Halbhohlniet mit spezieller Struktur ermöglicht die Entstehung einer zweiten Krümmungsfläche mit gleichmäßigem Krümmungsradius, der wiederum eine gute Schweißpunktqualität sicherstellt. Ein Halbhohlniet kann leicht in den zweiten Blechwerkstoff eingestanzt und mit diesem verbunden werden, wobei der Flansch der zweiten Oberfläche mit dem zweiten Blechwerkstoff fest verklemmt. (2) Aufgrund der geringen Anforderungen an die Presskraft können die vorhandenen Umformanlagen verwendet werden, was die Investition in der Fahrzeugproduktion sehr stark reduziert. Das ist der größte praktische Vorteil dieser Erfindung gegenüber der bekannten Technik.
Die Probleme der bekannten Technik 2 sind wie folgt. Ein Vollniet wird in den Blechwerkstoff eingestanzt. Dabei wird durch Zusammenpressen des Blechwerkstoffs ein Teil des Blechwerkstoffs in die konkave Nut des Nietelementes verpresst. Die Nachteile sind: (1) Eine ebene Vollniet benötigt eine größere Presskraft, um in einen Blechwerkstoff einzudringen; (2) Aufgrund der konkaven Nut im unteren Bereich des Nietkopfes wird die Dicke des Nietkopfes größer, wodurch die Schweißbarkeit dieses Nietelementes mit dem Bauteil verringert wird. Gleichzeitig wird ein größerer Durchmesser des Nietkörpers erforderlich, um die Anforderungen an den Schweißpunktdurchmesser beim Punktschweißen zu erfüllen. Das erhöht das Gewicht der Bauteils und verletzt das Ziel des Leichtbaus; (3) Die Blechdicke des Aluminium-Blechwerkstoffs auf der unteren Seite wird durch die Pressverformung verringert. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften des Bauteils verschlechtert.
Der Hauptunterschied und die Vorteile dieser Erfindung im Vergleich zur bekannten Technik 2 sind: (1) Der Schenkel eines Halbhohlniets kann leichter in den zweiten Blechwerkstoff eindringen; (2) Durch die Verformung des Nietschenkels entsteht zum zweiten Blechwerkstoff eine Verklammerung. Das Nietelement fällt nicht so leicht ab. Außerdem ist die Beschädigung des Aluminiumbleches und somit der Einfluss auf dessen Festigkeit gering. Die vorhandenen Anlagen können verwendet werden.
Die Probleme der bekannten Technik 3 sind: (1) Das eingesetzte Nietelement ist nur einseitig mit dem Aluminiumblech verbunden. Es kann leicht während des Transports der Bauteile abfallen; (2) Der Nietkopf muss mit größerem Durchmesser ausgelegt werden, damit die zum Verklemmen gedachten Spitzen Platz finden. Außerdem wird für den Nietkopf eine größere Wandstärke benötigt, um mit dem Aluminium zu verklemmen.
Der Hauptvorteil dieser Erfindung im Vergleich zur bekannten Technik 2 sind: (1) Der Schenkel eines Halbhohlniets kann leichter in den zweiten Blechwerkstoff eindringen; (2) Nach der Verformung verklemmt der Nietschenkel das Aluminiumblech auf der einen Seite, während der Nietkopf von der anderen Seite das Aluminiumblech verklemmt. Es entsteht eine beidseitige Verklemmung des Aluminiumbleches (der zweiter Blechwerkstoff ist häufig Aluminiumblech), sodass das Nietelement nicht abfallen kann. Zudem ist die Schädigung am Aluminiumblech gering und der Einfluss auf deren Festigkeit niedrig. Wenn Stahl und FVK verbunden werden sollen, wird der FVK (also der zweite Blechwerkstoff) nicht durch eine Spitze beschädigt, wie in dies bei der bekannten Technik 3 der Fall ist; (3) Der Nietkopf dieser Erfindung weist einen kleineren Durchmesser und eine geringere Dicke auf im Vergleich zum Nietelement in der bekannten Technik 3. Er ist damit leichter und verbessert den Leichtbau. Die bekannte Technik 3 benötigt eine Spitze im Nietelement und daher eine größere Dicke und Durchmesser; (4) Der Schweißpunkt zwischen dem Nietelement und dem Blechwerkstoff kann in der bekannten Technik 3 nur am spitzen Ende des Nietelementes entstehen. Um die Anforderungen an den Schweißpunktdurchmesser zu erfüllen, muss das Nietelement einen größeren Durchmesser aufweisen. Mit anderen Worten: in dieser Erfindung kann bei Erfüllung gleicher Verbindungsfestigkeit der Durchmesser des Nietelementes kleiner ausgelegt werden, wodurch die Leichtbauanforderungen besser erfüllt werden.
Die Probleme der bekannten Technik 4 sind: (1) Es wird ein Vollniet wie in der bekannten Technik 1 verwendet. Die Pressenkraft wird dadurch größer; (2) Es gibt keine Verbindung zwischen Nietelement und Blech. Das Nietelement wird nicht auf das Blech eingestanzt und dann transportiert. Erst beim Schweißen werden die Nietelemente eingeführt. Bei schräg oder vertikal stehenden Bauteilen fallen die Elemente leicht heraus.
Im Vergleich zur bekannten Technik 4 sind bei dieser Erfindung zwei Verbesserungen zu nennen: (1) Nach der Verformung des Nietschenkels entsteht eine beidseitige Verklemmung der Aluminiumbleches durch das Nietelement. Ein gemeinsamer Transport mit dem Aluminiumblech ist problemlos. Es muss keine zusätzliche Niettransporteinrichtung beim Schweißen installiert werden; (2) Das Stahlblech wird auf der Seite des Nietkopfes mit dem Nietelement verbunden und zwischen den beiden Blechwerkstoffen ist ein Spalt vorhanden. Eine Kontaktkorrosion wird vermieden; (3) Durch die Verformung des Nietschenkels entsteht der Verbindungsadapter dieser Erfindung. Die Kontaktfläche zur Schweißelektrode weist einen gleichmäßigen Krümmungsradius auf, was eine gute Schweißqualität sicherstellt. Außerdem besteht zwischen dem Flansch des Nietelementes in dieser Erfindung und dem Blechwerkstoff eine festere Verklemmung.
Die Hauptunterschiede zwischen dieser Erfindung und der bekannten Technik 5 sind: (1) Der Vollniet wird durch einen Halbhohlniet ersetzt; (2) Besonders wichtig ist, dass der Halbhohlniet in dieser Erfindung eine besondere Geometrie aufweist. Nur wenn die beschriebenen Anforderungen erfüllt sind, entsteht eine zweite Oberfläche mit gleichmäßigem Krümmungsradius nach der Verformung. Ein verbesserter Kontakt zur Elektrode kann dadurch entstehen und die Schweißqualität wird sichergestellt. Außerdem wird der Verschleiß der Elektrode verringert. Da es sich um ein Halbhohlniet handelt, wird das Gewicht des Niets durch die besondere Form des Nietschenkels reduziert. Während des Einnietens des Halbhohlniets in den Blechwerkstoff und des Verformungsvorgangs wird vor allem der Nietschenkel deformiert. Die dazu benötige Pressenkraft ist im Vergleich zum Vollniet viel niedriger. Vorhandene Umformpressen können verwendet werden, was die Produktionskosten verringert. Für eine Massenproduktion, wie die Herstellung von Automobilen ist es von großer Bedeutung, dass vorhandene Produktionslinien weiter verwendet werden können.
Im Vergleich zur bekannten Technik 6 des Stanznietens mit einem Halbhohlniet weist diese Erfindung folgende Vorteile auf: (1) Beim Stanznieten mit einem Halbhohlniet befindet sich der Nietkörper im ersten Blechwerkstoff, während der Nietschenkel in den zweiten Blechwerkstoff eindringt und mit diesem eine kraftschlüssige Verbindung eingeht. Dies ist grundsätzlich verschieden zur Nietverwendung in dieser Erfindung. In dieser Erfindung geht zuerst das Nietelement durch den ersten Blechwerkstoff durch, ragt aus diesem heraus und wird über Verformung mit dem Blechwerkstoff verklemmt. Dadurch entsteht ein Verbindungsadapter, der als Schweißmaterial dient, um mit einem anderen Blechwerkstoff zu verschweißen; (2) Beim Stanznieten kann durch den Stanz- bzw. Schneidprozess das Bauteil beschädigt werden. Insbesondere können Werkstoffe mit niedrigerer Duktilität stärker beschädigt werden, wodurch die Verbindungsfestigkeit negativ beeinflusst wird; (3) Beim Stanznieten wird ein breiterer Flansch im Vergleich zum Punktschweißen benötigt, um die gleiche Verbindungsfestigkeit zu erreichen. Dadurch wird der Querschnitt des Bauteils verringert, was die Wirkung des Leichtbaus durch einen Aluminiumwerkstoff reduziert. Mit dieser Erfindung kann hingegen unter den Bedingung des begrenzten Bauraums die Querschnittfläche des Bauteils erhöht werden. Wenn ein 1,5 mm dickes normales Stahlblech mit einem 1,15 mm dickem Aluminiumblech mittels des Verfahrens in dieser Erfindung miteinander verbunden ist, erreicht die Scherzugfestigkeit einen Wert von mindestens 4 KN. Das ist viel größer als die Festigkeit der Verbindung über Stanznieten.
Im Vergleich zur bekannten Technik 7: (1) Diese Erfindung verwendet Halbhohlnieten, die von beiden Seiten des Blechwerkstoffs mit diesem verklemmen, wodurch ein Abfallen des Nietelementes während eines Transports vermieden wird. Hingegen wird der Blechwerkstoff in der bekannten Technik 7 nur von einer Seite durch das Nietelement verklemmt; (2) Es ist offensichtlich, dass der Durchmesser des Flansches des Halbhohlniets von dieser Erfindung größer ist als der in der bekannten Technik 7, bei der der Nietschenkel gespreizt wird. Die Verbindung nach dieser Erfindung ist damit fester. Bei der Schubbelastung einer Verbindung mittels der bekannten Technik 7 versagt wahrscheinlich das Nietelement vor dem Schweißpunkt. Die Scherzugfestigkeit ist niedriger als bei dieser Erfindung. Unter der Voraussetzung einer gleichen Nietelementgröße ist außerdem der Schweißpunktdurchmesser in dieser Erfindung größer als der in der bekannten Technik 7, da der Schweißpunkt in dieser Erfindung im Nietkopfbereich entsteht, während in der bekannten Technik 7 der Schweißpunkt im Bereich des Nietschenkels entsteht.
Im Vergleich zur bekannten Technik 8 wird in dieser Erfindung der Halbhohlniet während der Herstellung des Blechbauteils in das Aluminiumblech eingebracht. Hingegen wird in der bekannten Technik 8 das Nietelement während des Schweißens zuerst in das Aluminiumblech eindringen, um dann mit dem Stahlblech zu verschweißen. Dadurch wird eine höhere Elektrodenkraft benötigt. Dies erfordert eine höhere Festigkeit an die Schweißzange und vergrößert sowohl das Volumen als auch das Gewicht der Zange. Folglich müsste unter Umständen ein neuer größerer Roboter angeschafft werden. Außerdem werden bei der Verwendung der bekannten Technik 8 zusätzliche Niettransportvorrichtungen in der Schweißzuammenbaulinie benötigt. Beide Zusatzkosten für die Investitionen können durch diese Erfindung vermieden werden.
Im Vergleich zur bekannten Technik 9 weist diese Erfindung folgende Vorteile auf: (1) Der verwendete Halbhohlniet kann einfacher in das Aluminiumblech eingebracht werden; (2) Das Nietelement verbindet das Aluminiumblech von zwei Seiten und kann bei Transport nicht abfallen. Vorhandene Punktschweißanlagen können verwendet werden. Es muss keine Änderungen an vorhandenen Schweißanlagen vorgenommen werden, was die Produktionskosten senkt; (3) Die Kraft zur Verformung des Nietschenkels des Halbhohlniets dieser Erfindung ist niedrig, sodass die vorhandenen Umformpressen weiter verwendet werden können. Außerdem werden bei der Verbindung gemäß dieser Erfindung die beiden Blechwerkstoffen durch den Nietkopf getrennt und ein Spalt entsteht dazwischen, was eine Kontaktkorrosion vermeidet. In der bekannten Technik 9 weisen beide Blechwerkstoffe direkten Kontakt auf und eine Kontaktkorrosion findet leichter statt.
Zusammengefasst weist diese Erfindung zum Verbindungsverfahren von Blechwerkstoffen folgende Vorteile auf: (1) Ein Halbhohlniet kann einfacher in den zweiten Blechwerkstoff des Leichtbaus eingebracht werden. Der zweite Blechwerkstoff ist häufig Aluminium oder ein nicht-metallischer Werkstoff, einschließlich Faserverbundkunststoff. Dadurch werden die Anforderungen an die Pressenkraft in der Produktionslinie reduziert und vorhandene Umformpressen können verwendet werden; (2) Der Halbhohlniet dieser Erfindung mit spezieller Struktur erlaubt durch die Verformung des Nietschenkels beim Verbinden mit dem zweiten Blechwerkstoff die Bildung einer größeren zweiten Oberfläche. Dadurch wird die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Verbindungsadapter und dem zweiten Blechwerkstoff erhöht. Die zweite Oberfläche des Verbindungsadapters mit gleichmäßigem Krümmungsradius erlaubt einen stabilen Kontakt zur Schweißelektrode und verbessert die Schweißpunktqualität bei reduzierten Verschleiß der Elektrode; Durch den speziellen Aufbau des Halbhohlniets entsteht ein gut schweißbarer Verbindungsadapter und die Verbindungsfestigkeit in Form von Scherzugfestigkeit wird dabei verbessert. (3) Aufgrund der horizontalen Verbreiterung des Halbhohlniets während des Verbindungsprozesses mit dem zweiten Blechwerkstoff wird der Durchmesser des Verbindungsadapters im Bereich des Nietkörpers vergrößert. Dadurch steht mehr Nietwerkstoff beim Schweißen zur Verfügung, wobei der Ausgangsdurchmesser des Nietelementes nicht erhöht wird. Durch den vergrößerten Raum und das vermehrte Material kann ein größerer Schweißpunkt erzeugt werden ohne negativen Einfluss auf den Werkstoff durch die Wärmeeinflusszone des Schweißpunktes. Des weiteren kann durch die Verpressung des zweiten Blechwerkstoffs eine stabilere Verbindung mit dem Nietelement erzeugt werden; (4) Mit den gleichen Schweißzusammenbaulinien können zwei verschiedene Typen von Fahrzeugkarosserien und -Fahrwerken hergestellt werden. Beispielweise kann der erste Typ eine Karosserie oder ein Fahrwerk komplett aus Stahl sein, während der zweite Typ eine Karosserie oder ein Fahrwerk aus Stahl und Aluminium Mischbau ist. Bei der Herstellung auf einer gemeinsamen Zusammenbaulinie müssen nur die Schweißelektroden gewechselt und die Schweißparameter angepasst werden. Alle anderen Anlagen und Vorrichtungen bleiben unverändert; (5) Die Verbindungsfestigkeit für Verbindungen, hergestellt gemäß dieser Erfindung, weist eine höhere Festigkeit gegenüber bekannten Stanznieten auf; (6) Bei Verwendung dieses Verfahrens zum Verbinden eines Stahlbauteils und FVK-Bauteils entsteht bis auf das Loch keine Schädigung am FVK.
Die oben genannten Vorteile sind dadurch begründet, dass in dieser Erfindung Halbhohlniete als Schweißvermittlungsmaterial verwendet werden, um Blechwerkstoffe miteinander zu fügen, wobei der dabei verwendete Halbhohlniet spezielle geometrische Strukturen aufweist. Die Form des Halbhohlniets dieser Erfindung ist besonders. Das umfasst die Dicke des Nietkopfes, das Verhältnis zwischen Länge des Nietschenkels und Durchmesser des Nietkörpers und das Verhältnis zwischen Schenkeldicke und Durchmesser sowie weitere Parameter. Diese Strukturen unterscheiden sich vom Halbhohlniet für die bekannte Stanznietentechnik, der nur zur Herstellung einer Nietverbindung verwendet wird. Die Funktion des Nietelementes in der bekannten Technik ist vollständig unterschiedlich zur Funktion des Halbhohlniets dieser Erfindung. Diese Erfindung wurde vom Erfinder mit der Motivation kreiert, um die Produktionskosten für den Fahrzeugmischbau zu senken und den Leichtbau zu erleichtern, wobei die Verbindungsfestigkeit gewährleistet bleiben muss. Sie ist eine komplett neue Erfindung.
Selbstverständlich handelt es sich bei den oben beschriebenen Beispielen nur um bevorzugte Ausführungsarten. Die Techniker aus diesem Arbeitsgebiet können unter den Voraussetzungen, dass das Erfindungsprinzip nicht verletzt wird, auch weitere Veränderungen und Anpassungen vornehmen. Diese Veränderungen und Anpassungen sollen auch unter dem Schutz dieser Erfindungsanmeldung stehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10015713 A1 [0007, 0008]
EP 2127797 A1 [0008]
DE 4237361 C2 [0008, 0008]
EP 0967044 A2 [0008]
DE 102010053608 A1 [0008]
WO 002012041515 A [0008]
DE 102004025492 A1 [0009]
DE 102005006253 A1 [0009]
DE 102007036416 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Böllhof, RIVSET Stanzniettechnik für perfekte Verbindungen: http://www.boellhoff.de/en/de/site_services/downloadcenter.php; H. Rudolf, T. Broda, M. Bielenin C. Kotschote und Y. Yang, Punktförmiges Schweißen von Al-Stahl-Blechverbindungen für den Karosseriebau, DVS, 2012 [0007]
”Prozessparameter zum Stanznieten mit Halbhohlnieten und Bewertung der Qualität” (Zeitschrift der Universität Tianjing, China, 4. 2007 [0008]

Claims

Verbindungsverfahren für Blechwerkstoffe, wobei der Blechwerkstoff mindestens einen ersten (3) und zweiten (2) Blechwerkstoff aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Auswahl eines Halbhohlniets (10), dessen Material mit dem des ersten Blechwerkstoffs (3) verschweißbar ist und der Halbhohlniet (10) einen massiven Nietkopf (11), massiven Nietkörper (12) und einen Nietschenkel (13) mit Hohlraum (15) aufweist – Einführen des Halbhohlniets (10) in den zweiten Blechwerkstoff (2) und dessen Verpressen mittels eines Werkzeugs zur Ausbildung eines Verbindungsadapters (1) mit einer von Nietkopf (11) gebildeten ersten ebenen, unverformten Oberfläche (18) und Verformen des aus dem zweiten Blechwerkstoff (2) heraus ragenden Nietschenkels (13) in Richtung des Nietkörpers (12) und Verformen des Nietschenkels (13) zusammen mit dem Nietkörper (12) nach innen zur Ausbildung einer unebenen zweiten Oberfläche (19) mit gleichmäßiger Krümmung und nach außen zur Ausbildung eines den zweiten Blechwerkstoff (2) eng umklammernden Flansches (191) mit von innen nach außen abnehmender Wandstärke – Anordnen des ersten Blechwerkstoffs (3) auf der ersten Oberfläche (18) des Verbindungsadapters (1) – Verschweißen des ersten Blechwerkstoffs (3) mit dem Verbindungsadapter (1) mittels Widerstandspunktschweißens mit einer Schweißelektrode (7) deren Krümmungsradius dem Krümmungsradius der zweiten Oberfläche (19) entspricht und deren Tiefe der Tiefe der zweiten Oberfläche (19) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (T) des Nietkörpers (12) der 1,1 bis 1,4 fachen Dicke des zweiten Blechwerkstoffs (2) entspricht und die Tiefe (h) des Hohlraums (15) 50% bis 65% des Durchmessers (d1) des Nietkörpers (12) entspricht und die Dicke (s) des Nietschenkels (13) 10 bis 20% des Durchmessers (d1) des Nietkörpers (12) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Nietkörpers (12) des Halbhohlniets (10) 5 bis 6 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsadapter (1) eine asymmetrische I Form einnimmt mit einem Krümmungsradius für die zweite Oberfläche (19) von 10 bis 14 mm, wobei die Tiefe der Krümmungsfläche (H) kleiner als 0,8 mm ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietschenkel (13) zusammen mit dem Nietkörper (12) des Halbhohlniets (10) nach außen so verpresst wird, dass an den Kanten des zweiten Blechwerkstoffs (2) eine ovalförmige Ecke zum Nietkörper (12) hin entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontale Abmessung der zweiten Oberfläche (19) dem 1,8 bis 2,2 fachen des Durchmessers (d1) des Nietkörpers (12) des Halbhohlnietes (10) entspricht und zugleich nicht kleiner als 10 mm ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Loch im zweiten Blechwerkstoff (2) erstellt wird, bevor der Halbhohlniet (10) eingebracht wird und dieses Loch einen Durchmesser (D) aufweist, der um 5 bis 25% größer ist als der Durchmesser (d1) des Nietkörpers (12).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Nietkörpers (12) nach der Bildung des Verbindungsadapters (1) um 10 bis 30% vergrößert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Blechwerkstoff einen zwei- oder mehrschichtigen Aufbau hat.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietkopf (11) des Halbhohlnietes (10) eine Dicke von 0,5 bis 1,5 mm aufweist und damit ein Spalt zwischen dem ersten (3) und zweiten (2) Blechwerkstoff zur Aufnahme von Lack beim Lackieren des Bauteils erzeugt und Kontaktkorrosion verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Werkstoff (3) Stahl oder Aluminium ist und der zweite Werkstoff (2) ein metallischer oder nicht-metallischer Werkstoff ist, der nicht mit dem ersten Werkstoff schweißbar ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht-metallische Werkstoff ein Faserverbundkunststoff (FVK) ist.
Karosserie oder Fahrwerk eines Fahrzeugs, deren Karosserie oder Fahrwerk mindestens zwei verschiedene, miteinander nicht verschweißbare Werkstoffe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass diese nicht verschweißbaren Werkstoffe durch ein Verfahren nach einem der in den Ansprüchen 1 bis 12 beschriebenen Verfahren miteinander verbunden werden und Schweißanlagen, welche für die Herstellung von Karosserie oder Fahrwerk, die aus einem Werkstoff bestehen, genutzt werden, hierzu verwendbar sind.