DE102016201368A1

DE102016201368A1 - Fügeeinrichtung und Fügeanordnung

Info

Publication number: DE102016201368A1
Application number: DE102016201368.8A
Authority: DE
Inventors: Lars Wiese
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-08-03

Abstract

Fügeeinrichtung und Fügeanordnung zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile. Die Fügeeinrichtung (1) weist erste und zweite Elektroden (2, 3), einen Niederhalter (20) und Steuermittel (30) auf. Die Elektroden sind gegenüberliegend angeordnet, um dazwischen elektrisch leitfähige erste und zweite Bauteile (B1, B2) mit einem Überlappungsabschnitt dieser aufzunehmen, und sind verfahrbar, um mit der ersten Elektrode (2) unter Druckkraft einen Kopfabschnitt (52) eines zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Bauteil (B1) eingebrachten elektrisch leitfähigen Fügeelements (50) zu kontaktieren und mit der zweiten Elektrode (3) als Gegenhalter das zweiten Bauteil (B2) zu kontaktieren. Der Niederhalter ist benachbart zur ersten Elektrode verfahrbar, um ein Längsende dessen unter Druckkraft am ersten Bauteil zur Anlage zu bringen. Die Steuermittel sind eingerichtet, die Elektroden mit elektrischem Strom zu beaufschlagen, um mit einem Anfangsstromfluss das Fügeelement durch das erste Bauteil hindurchzuschmelzen und mit einem Schweißstromfluss das Fügeelement und das zweite Bauteil zu verschweißen. Um eine größere Anwendungsbreite zu erzielen, ist das Längsende des Niederhalters so eingerichtet, dass die Beaufschlagung der Druckkraft auf das erste Bauteil in einem Aussparungsbereich (24) um die erste Elektrode ausgespart ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fügeeinrichtung und eine Fügeanordnung zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile, die insbesondere als Metallbleche ausgebildet sind.
Eine Fügeeinrichtung und eine Fügeanordnung zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile sind z.B. aus DE 10 2012 018 866 A1 bekannt. Die Fügeanordnung umfasst die Fügeeinrichtung, ein Fügelement bzw. Zusatzelement und die mindestens zwei zusammenzufügenden Bauteile. Die Fügeeinrichtung weist eine erste und eine zweite Elektrode, einen Niederhalter und Steuermittel auf. Die Elektroden sind einander gegenüberliegend angeordnet, um zwischen einander zumindest elektrisch leitfähige erste und zweite Bauteile, welche sich in einem Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappend angeordnet sind, mit ihrem Überlappungsabschnitt aufzunehmen. Die Elektroden sind verfahrbar, um mit der ersten Elektrode unter Druckkraft einen Kopfabschnitt eines zwischen der ersten Elektrode und einer Seite des ersten Bauteils eingebrachten elektrisch leitfähigen Fügeelements zu kontaktieren und mit der zweiten Elektrode als Gegenhalter eine dem ersten Bauteil abgewandte Seite des zweiten Bauteils zu kontaktieren. Der Niederhalter ist benachbart zur ersten Elektrode verfahrbar, um ein Längsende des Niederhalters unter Druckkraft an der Seite des ersten Bauteils zur Anlage zu bringen.
Die Steuermittel der Fügeeinrichtung sind eingerichtet, das Verfahren von Elektroden und Niederhalter zu steuern und die Elektroden mit elektrischem Strom zu beaufschlagen. Die Steuerung der Beaufschlagung mit elektrischem Strom erfolgt, um das erste Bauteil mit einem Anfangsstromfluss in einem Kontaktbereich, in dem ein Schaftabschnitt des Fügeelements durch die erste Elektrode in Kontaktanlage an die Seite des ersten Bauteils gedrückt ist, fließfähig zu machen, so dass der Schaftabschnitt zur Kontaktierung des zweiten Bauteils durch das erste Bauteil hindurchdrückbar ist. Die Steuerung der Beaufschlagung mit elektrischem Strom erfolgt außerdem, um einen elektrischen Schweißstromfluss zum per Widerstandsschweißen miteinander Verschweißen des Schaftabschnitts des Fügeelements und des zweiten Bauteils zu realisieren.
Wenn es sich, wie z.B. häufig bei Anwendung auf Karosserieblechteile im Fahrzeugbau, bei dem Überlappungsabschnitt der wie oben beschriebenen Bauteile um einen relativ schmalen Fügeflansch handelt, dessen Breite auf einer Seite durch Begrenzungskanten (z.B. Beschnittkanten) der Bauteile begrenzt ist, kann es beim Fügen mit der wie oben beschriebenen Fügeeinrichtung zu Problemen kommen. Genauer kann das fließfähig gemachte, vom Schaftabschnitt des Fügeelements verdrängte Material undefiniert in einer Fügeebene zwischen den zusammenzufügenden Bauteilen fließen und dabei an den Begrenzungskanten der Bauteile austreten. In einem solchen Fall könnten die dabei an den Begrenzungskanten locker haften bleibenden Materialpartikel, weil eine in einem nachfolgenden Prozess aufgebrachte Korrosionsschutzbeschichtung im Bereich der Materialpartikel mit diesen abplatzen könnte, zu einem hohen Korrosionspotential führen. Damit kann die Anwendung einer solchen Fügeeinrichtung und Fügeanordnung für einen solchen und ähnliche Fälle ausgeschlossen sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fügeeinrichtung und eine Fügeanordnung zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile bereitzustellen, welche eine größere Anwendungsbreite aufweisen.
Dies wird mit einer Fügeeinrichtung gemäß Anspruch 1 und einer Fügeanordnung gemäß Anspruch 6 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß der Erfindung weist eine Fügeeinrichtung zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile eine erste und eine zweite Elektrode, einen Niederhalter und Steuermittel auf. Die Elektroden sind einander gegenüberliegend angeordnet, um zwischen einander zumindest elektrisch leitfähige erste und zweite Bauteile, welche sich in einem Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappend angeordnet sind, mit ihrem Überlappungsabschnitt aufzunehmen. Die Elektroden sind verfahrbar, um mit der ersten Elektrode unter Druckkraft einen Kopfabschnitt eines zwischen der ersten Elektrode und einer Seite des ersten Bauteils eingebrachten elektrisch leitfähigen Fügeelements zu kontaktieren und mit der zweiten Elektrode als Gegenhalter eine dem ersten Bauteil abgewandte Seite des zweiten Bauteils zu kontaktieren. Der Niederhalter ist benachbart zur ersten Elektrode verfahrbar, um ein Längsende des Niederhalters unter Druckkraft an der Seite des ersten Bauteils zur Anlage zu bringen.
Die Steuermittel der Fügeeinrichtung sind eingerichtet, das Verfahren von Elektroden und Niederhalter zu steuern und die Elektroden mit elektrischem Strom zu beaufschlagen. Die Steuerung der Beaufschlagung mit elektrischem Strom erfolgt, um das erste Bauteil mit einem Anfangsstromfluss in einem Kontaktbereich, in dem ein Schaftabschnitt des Fügeelements durch die erste Elektrode in Kontaktanlage an die Seite des ersten Bauteils gedrückt ist, fließfähig zu machen, so dass der Schaftabschnitt zur Kontaktierung des zweiten Bauteils durch das erste Bauteil hindurchdrückbar ist. Die Steuerung der Beaufschlagung mit elektrischem Strom erfolgt außerdem, um einen elektrischen Schweißstromfluss zum per Widerstandsschweißen miteinander Verschweißen des Schaftabschnitts des Fügeelements und des zweiten Bauteils zu realisieren.
Die erfindungsgemäße Fügeeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Längsende des Niederhalters so eingerichtet ist, dass die Beaufschlagung der Druckkraft auf das erste Bauteil in einem vorbestimmten Aussparungsbereich um die erste Elektrode herum ausgespart ist, um die Druckkraft auf das erste Bauteil in Bezug auf die erste Elektrode nur teilumfänglich zu beaufschlagen. In bevorzugter Ausführung hat der Aussparungsbereich eine Größe von 10 Grad bis zu 180 Grad um die erste Elektrode herum.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Niederhalters kann ein Freiheitsgrad für das innerhalb der Fügeebene zwischen den Bauteilen Fließen des vom Schaftabschnitt verdrängten Materials des ersten Bauteils durch den Niederhalter, insbesondere die Größe des Aussparungsbereichs und die Größe der Niederhalterkraft, eingeschränkt bzw. genau vorgegeben werden. Der plastische Fluss des verdrängten Materials des ersten Bauteils innerhalb der Fügeebene erfolgt dabei im Wesentlichen ausschließlich in Richtung des Aussparungsbereichs, da sich dort keine (ausreichende) Niederhalterkraft aufbauen kann, und kann somit gezielt gesteuert werden. Somit kann z.B. auch das eingangs beschriebene Problem bezüglich schmaler Fügeflansche mit dem an Begrenzungskanten der Bauteile Austreten des verdrängten Materials des ersten Bauteils via gezielter Flusssteuerung vermieden werden. Im Ergebnis unterliegt die erfindungsgemäße Fügeeinrichtung in Bezug auf solche Anwendungsfälle keinen Beschränkungen und weist somit eine größere Anwendungsbreite auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat der Niederhalter einen Innenraum, durch den hindurch sich die erste Elektrode relativbeglich dazu erstreckt und der vorgesehen ist, um das Fügeelement mit dem Schaftabschnitt der Seite des ersten Bauteils zugewandt zwischen der ersten Elektrode und der Seite des ersten Bauteils aufzunehmen. Mit dieser Anordnung der ersten Elektrode in einem Innenraum des Niederhalters lässt sich die erfindungsgemäße Lösung der teilumfänglichen Aussparung der Beaufschlagung der Druckkraft auf das erste Bauteil um die erste Elektrode herum besonders einfach realisieren.
In bevorzugter Ausführung weist hierzu der Niederhalter eine Niederhalterhülse auf, die eine den Innenraum umschließende Hülsenwandung hat, welche das Längsende des Niederhalters bildet, so dass eine zur Kontaktierung der Seite des ersten Bauteils vorgesehene Längsendfläche des Niederhalters in dem Aussparungsbereich ausgespart ist. Noch bevorzugter weist die Niederhalterhülse eine kreiszylindrische Form vorbestimmter Durchmesserkonfiguration auf und ist der Aussparungsbereich kreissektorartig ausgebildet.
Gemäß der Erfindung weist eine Fügeanordnung zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile eine Fügeeinrichtung gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination auf. Dabei sind zumindest die elektrisch leitfähigen ersten und zweiten Bauteile sich gegenseitig überlappend mit ihrem Überlappungsabschnitt zwischen den ersten und zweiten Elektroden der Fügeeinrichtung aufgenommen. Der Überlappungsabschnitt ist so ausgebildet, dass darin eine Begrenzungskante von mindestens einem der Bauteile angeordnet ist. Die Fügeeinrichtung und die Bauteile sind relativ zueinander so angeordnet, dass der Aussparungsbereich für die Beaufschlagung der Druckkraft des Längsendes des Niederhalters auf das erste Bauteil sich auf einer der Begrenzungskante des mindestens einen Bauteils abgewandten Seite der ersten Elektrode befindet.
In bevorzugter Ausführung ist in dem Überlappungsabschnitt eine Begrenzungskante von jedem der Bauteile angeordnet, so dass die Begrenzungskanten eine gemeinsame Begrenzungsebene bilden. Die Fügeeinrichtung und die Bauteile sind relativ zueinander so angeordnet, dass der Aussparungsbereich für die Beaufschlagung der Druckkraft des Längsendes des Niederhalters auf das erste Bauteil sich auf einer der Begrenzungsebene abgewandten Seite der ersten Elektrode befindet. Insbesondere kann der Überlappungsabschnitt als Fügeflansch vorbestimmter Breite ausgebildet sein.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Niederhalters mit dem Aussparungsbereich und die erfindungsgemäße Anordnung des Aussparungsbereichs in Bezug auf die Begrenzungskante(n) bzw. Begrenzungsebene kann vorteilhaft vermieden werden, dass das verdrängte Material des ersten Bauteils in Richtung der Begrenzungskante(n) bzw. Begrenzungsebene fließt und dort ggf. austritt. Somit kann z.B. auch das eingangs beschriebene Problem bezüglich schmaler Fügeflansche mit dem an Begrenzungskanten der Bauteile Austreten des verdrängten Materials des ersten Bauteils via gezielter Flusssteuerung vermieden werden. Im Ergebnis unterliegt auch die erfindungsgemäße Fügeanordnung in Bezug auf solche Anwendungsfälle keinen Beschränkungen und weist somit eine größere Anwendungsbreite auf.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung sind ein Außendurchmesser des Niederhalters und/oder eine Größe des Aussparungsbereichs für die Beaufschlagung der Druckkraft des Längsendes des Niederhalters auf das erste Bauteil in Abhängigkeit von der Breite des Fügeflansches definiert.
Durch Variation der Größe des Aussparungsbereichs und/oder des Außendurchmessers des Niederhalters kann der Materialfluss innerhalb der Fügeebene gezielt beeinflusst werden. Zudem kann durch Variation des Außendurchmessers des Niederhalters die Niederhalterdruckkraft im Fügebereich und damit ein durch den Materialfluss innerhalb der Fügeebene bedingter Fügespalt zwischen den Bauteilen gezielt beeinflusst werden.
Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung – soweit dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert sein können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden.
1 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Fügeanordnung, die mit einer Fügeeinrichtung, einem Fügelement und zwei zusammenzufügenden Bauteilen gebildet ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem ersten Betriebszustand.
2 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht die Fügeanordnung von 1 in einem zweiten Betriebszustand.
3 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht die Fügeanordnung von 1 in einem dritten Betriebszustand.
4 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht die Fügeanordnung von 1 in einem vierten Betriebszustand.
5 zeigt in schematischer Querschnittsansicht einen Niederhalter der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung.
6 zeigt eine perspektivische schematische Ansicht des Niederhalters von 5.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erfindungsgemäße Ausführungsformen einer Fügeanordnung und einer Fügeeinrichtung 1 zum Zusammenfügen mindestens zweier insbesondere plattenförmiger Bauteile B1, B2 beschrieben werden. Die Fügeanordnung umfasst die Fügeeinrichtung 1, ein Fügelement 50 und die mindestens zwei zusammenzufügenden Bauteile B1, B2. Die Fügeeinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist als eine Schweißzange (nicht vollständig dargestellt) ausgebildet, wie sie z.B. zum Widerstandspunktschweißen eingesetzt wird.
Die beiden zusammenzufügenden Bauteile B1, B2 sind aus Metall hergestellt, so dass sie jeweils elektrisch leitfähig sind. Genauer sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung die beiden Bauteile B1, B2 jeweils als Metallblech ausgebildet und zum Zusammenfügen partiell flächig aufeinandergelegt bzw. aufeinander angeordnet, so dass sich die beiden Bauteile B1, B2 in einem zusammenzufügenden Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappen, wie in 1 gezeigt. Genauer ist der Überlappungsabschnitt so ausgebildet, dass darin eine Begrenzungskante B1.1, B2.2 von mindestens einem der Bauteile B1, B2 angeordnet ist.
In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung sind in dem Überlappungsabschnitt die Begrenzungskanten B1.1, B2.2 von jedem der beiden Bauteile B1, B2 angeordnet, so dass die Begrenzungskanten B1.1, B2.2 eine gemeinsame Begrenzungsebene E1 bilden. In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist der Überlappungsabschnitt als Fügeflansch F1 vorbestimmter Breite ausgebildet. Die Breite des Fügeflansches F1 ist dabei auf einer Seite durch die Begrenzungsebene E1 begrenzt und auf der anderen Seite (der in 1 rechten Seite) z.B. durch eine nicht dargestellte 3D-Form der Bauteile B1, B2 begrenzt.
Ein erstes Bauteil B1 der beiden Bauteile B1, B2 ist aus einem Nichteisenmetall bzw. Leichtmetall wie insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Ein zweites Bauteil B2 der beiden Bauteile B1, B2 ist aus einem Eisenmetall wie insbesondere formgehärteten Stahl hergestellt. Das zweite Bauteil B2 bildet in der vorliegenden Ausführungsform ein Basisblech, wohingegen das erste Bauteil B1 ein Deckblech bildet.
Die als Schweißzange ausgebildete Fügeeinrichtung 1 hat eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 3, Fügeelementbereitstellungsmittel 10 (siehe 1), einen Niederhalter 20 und Steuermittel in Form einer Steuervorrichtung 30 (siehe 2 und 3) zum mechanischen und elektrischen Steuern der Fügeeinrichtung 1. Zum elektrischen Steuern der Fügeeinrichtung 1 ist eine Stromsteuereinheit 31 in die Steuervorrichtung 30 integriert.
Die hier nur schematisch dargestellten Fügeelementbereitstellungsmittel 10 sind vorgesehen und eingerichtet, um in der erfindungsgemäßen Fügeanordnung elektrisch leitfähige Fügeelemente bzw. Zusatzelemente 50 zum Zusammenfügen der beiden Bauteile B1, B2 bereitzustellen. Die Fügeelemente 50 bestehen jeweils aus einem metallischen Werkstoff, der eine ausreichend hohe Festigkeit und Schmelztemperatur sowie eine gute schweißmetallurgische Verträglichkeit mit dem hochfesten Stahlwerkstoff des zweiten Bauteils B2 aufweist.
Die Fügeelemente 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung sind jeweils in Form eines kreiszylindrischen Niets ausgebildet. Genauer weist, wie in 1 gezeigt, jedes Fügeelement 50 einen kreiszylindrischen Schaftabschnitt 51 und einen an ein erstes Längsende 51.1 des Schaftabschnitts 51 angeformten kreiszylindrischen Kopfabschnitt 52 auf, welcher einen gegenüber dem Schaftabschnitt 51 vergrößerten Außendurchmesser hat. Der Kopfabschnitt 52 ist so an den Schaftabschnitt 51 angeformt, dass im mit den Bauteilen B1, B2 zusammengefügten Zustand des Fügeelements 50 Kopfzugbelastungen reduziert werden. Hohe Kopfzugfestigkeiten können dabei z.B. durch vorteilhafte Auslegung des Kopfdurchmessers und der Kopfdicke erreicht werden.
Die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3 sind einander gegenüberliegend angeordnet und in einer Arbeitsrichtung R1 (siehe 1) relativ zueinander verfahrbar, so dass die beiden Elektroden 2, 3 gesteuert durch die Steuervorrichtung 30 über nicht dargestellte Antriebsmittel auseinanderfahrbar und zusammenfahrbar sind. Die Stromsteuereinheit 31 ist eingerichtet, zum Zusammenfügen der beiden Bauteile B1, B2 die ersten und zweiten Elektroden 2, 3 gesteuert mit elektrischem Strom zu beaufschlagen.
Der Niederhalter 20 hat einen kreiszylindrischen Innenraum 21 (siehe 5), durch den hindurch sich die erste Elektrode 2 relativbeglich dazu erstreckt, und ist gesteuert durch die Steuervorrichtung 30 parallel zu und bevorzugt unabhängig von der ersten Elektrode 2 verfahrbar. Für das Zusammenfügen der beiden Bauteile B1, B2 sind die erste Elektrode 2 gemeinsam mit dem Niederhalter 20 und die zweite Elektrode 3 gesteuert durch die Steuervorrichtung 30 auseinanderfahrbar, um zwischen einander den zusammenzufügenden Überlappungsabschnitt (Fügeflansch F1) der ersten und zweiten Bauteile B1, B2 aufzunehmen. Die Fügeelementbereitstellungsmittel 10 sind dabei vorgesehen und eingerichtet, ein für den Fügeprozess benötigtes jeweiliges Fügeelement 50 so zu positionieren, dass das positionierte Fügeelement 50 mit einem dem Kopfabschnitt 52 abgewandten freien zweiten Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 einer freien Seite des ersten Bauteils B1 zugewandt ist, wie in 1 gezeigt. Der Innenraum 21 des Niederhalters 20 ist dabei vorgesehen und eingerichtet, das bereitgestellte Fügeelement 50 zwischen der ersten Elektrode 2 und der freien Seite des ersten Bauteils B1 aufzunehmen und zu positionieren.
Für das Zusammenfügen der beiden Bauteile B1, B2 sind dann die beiden Elektroden 2, 3 gesteuert durch die Steuervorrichtung 30 zusammenfahrbar, um mit einem Kontaktierungsende (nicht separat bezeichnet) der ersten Elektrode 2 unter Druckkraft eine zum Schaftabschnitt 51 entgegengesetzte Elektrodenkontaktierungsfläche 52.1 des Kopfabschnitts 52 des in den Innenraum 21 des Niederhalters 20 eingebrachten Fügeelements 50 zu kontaktieren und mit einem Kontaktierungsende (nicht separat bezeichnet) der zweiten Elektrode 3 als Gegenhalter eine dem ersten Bauteil B1 abgewandte freie Seite des zweiten Bauteils B2 zu kontaktieren, wie in 1 gezeigt.
Für den Fügeprozess ist auch der Niederhalter 20 in Arbeitsrichtung R1 zur zweiten Elektrode 3 hin benachbart zur ersten Elektrode verfahrbar, um ein Längsende des Niederhalters 20, genauer eine Längsendfläche 23 (siehe 6) des Niederhalters 20, unter Druckkraft an der freien Seite des ersten Bauteils B1 zur Anlage zu bringen. Das Längsende des Niederhalters 20 ist dabei so eingerichtet, dass die Beaufschlagung der Druckkraft auf das erste Bauteil B1 in einem vorbestimmten Aussparungsbereich 24 um die erste Elektrode 2 herum ausgespart ist, um die Druckkraft auf das erste Bauteil B1 in Bezug auf die erste Elektrode 2 und das Fügeelement 50 nur teilumfänglich zu beaufschlagen. Die Druckkraft bzw. Niederhalterkraft kann dabei entweder vom Schweißbügel durch die Elektrodenkraft oder wie bevorzugt entkoppelt von der Schweißzange durch ein weiteres Antriebssystem aufgebracht werden.
Wie insbesondere aus den 5 und 6 ersichtlich, weist der Niederhalter 20 eine Niederhalterhülse 22 auf, die eine den Innenraum 21 umschließende Hülsenwandung (nicht separat bezeichnet) hat, welche das Längsende des Niederhalters so bildet, dass die zur Kontaktierung der freien Seite des ersten Bauteils B1 vorgesehene Längsendfläche 23 des Niederhalters 20 in dem Aussparungsbereich 24 ausgespart ist. Genauer weist die Hülsenwandung der Niederhalterhülse 22 den Aussparungsbereich 24 auf. Die Niederhalterhülse 22 hat eine kreiszylindrische Form vorbestimmter Durchmesserkonfiguration, wobei der Aussparungsbereich 24 kreissektorartig ausgebildet ist. In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist eine Größe des Aussparungsbereichs 24 durch einen Aussparungswinkel W1 um die erste Elektrode 2 bzw. das Fügeelement 50 herum definiert, wobei der Aussparungswinkel W1 bevorzugt 10 Grad bis 180 Grad groß sein kann.
Wie aus den 1 bis 4 ersichtlich, sind die Fügeeinrichtung 1 und die Bauteile B1, B2 in der Fügeanordnung relativ zueinander so angeordnet, dass der Aussparungsbereich 24 für die Beaufschlagung der Druckkraft der Längsendfläche 23 des Längsendes des Niederhalters 20 auf das erste Bauteil B1 sich auf einer den Begrenzungskanten B1.1, B2.1 und der Begrenzungsebene E1 der ersten und zweiten Bauteile B1, B2 abgewandten Seite der ersten Elektrode 2 befindet.
Die Stromsteuereinheit 31 der Steuervorrichtung 30 ist eingerichtet, bei zusammengefahrenen Elektroden 2, 3 einen elektrischen Anfangsstromfluss bzw. Vorimpuls durch das Fügeelement 50 und das erste Bauteil B1 hindurch zu realisieren. Genauer erfolgt in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung der Anfangsstromfluss durch die erste Elektrode 2, das positionierte Fügeelement 50, das erste Bauteil B1, das zweite Bauteil B2 und die zweite Elektrode 3 hindurch.
Der Anfangsstromfluss dient dazu, das erste Bauteil B1 in einem Kontaktbereich, in dem das zweite Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 des positionierten Fügeelements 50 durch die erste Elektrode 2 in Kontaktanlage an der freien Seite des ersten Bauteils B1 gedrückt wird, fließfähig zu machen, so dass der Schaftabschnitt 51 angetrieben durch die Druckkraft der ersten Elektrode 2 im Kontaktbereich durch das erste Bauteil B1 hindurchdrückbar ist, bis das zweite Längsende 51.2 das zweite Bauteil B2 kontaktiert und der Kopfabschnitt 52 des Fügeelements 50 in Kontakt mit dem ersten Bauteil B1 gelangt, wie in 2 gezeigt. Um die elektrische Kontaktierung des zweiten Längsendes 51.2 des Schaftabschnitts 51 des Fügeelements 50 am zweiten Bauteil B2 zu verbessern, ist der Schaftabschnitt 51 mit einem Plateau am Elementfuß bzw. zweiten Längsende 51.2 versehen. Das Plateau kann sowohl mit einer gezackten Oberfläche als auch mit einer glatten Oberfläche versehen sein.
Der Anfangsstromfluss kann mit einem linearen Stromanstieg oder mit einem impulsförmigen Stromanstieg realisiert werden. Beim linearen Stromanstieg wird das Material des ersten Bauteils B1 im Kontaktbereich plastifiziert (in einen teigigen Zustand gebracht). Beim impulsförmigen Stromanstieg kommt es dahingegen zu einer Verschmelzflüssigung des Materials im Kontaktbereich. Außerdem kann vorgesehen sein, dass von der Stromsteuereinheit 31 beim Durchschmelzen des Fügeelements 50 die jeweilige Blechstärke des ersten Bauteils B1 anhand physikalischer Eigenschaften, die in einem Steuerprogramm hinterlegt sind, detektiert wird und die notwendige Leistung des Anfangsstromflusses auf die detektierte Blechstärke angepasst wird.
Der Niederhalter 20 hat beim Fügeprozess die Aufgabe, für den fließfähig gemachten Werkstoff des ersten Bauteils B1, welcher beim Einschmelzen des Schaftabschnitts 51 des Fügelements 52 verdrängt wird, einen gezielten Werkstofffluss innerhalb der (hier horizontalen) Fügeebene zwischen den Bauteilen B1, B2 zu erzeugen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Niederhalters 20 mit dem Aussparungsbereich 24 und die wie oben genannte Anordnung des Aussparungsbereichs 24 in Bezug auf die Begrenzungskanten B1.1, B2.1 und die Begrenzungsebene E1 der Bauteile B1, B2 kann vorteilhaft vermieden werden, dass das verdrängte Material des ersten Bauteils B1 in Richtung der Begrenzungskanten B1.1, B2.1 bzw. der Begrenzungsebene E1 fließt. Dies führt zu einem deutlich stabileren Fügeprozess.
Ein Freiheitsgrad für das innerhalb der Fügeebene zwischen den Bauteilen B1, B2 Fließen des verdrängten Materials des ersten Bauteils B1 wird durch den Niederhalter 20, insbesondere die Größe des Aussparungsbereichs 24 und die Größe der Niederhalterkraft, eingeschränkt bzw. genau vorgegeben. Der Niederhalter 20 presst beim Fügeprozess das erste Bauteil B1 auf der Seite der Begrenzungskanten B1.1, B2.1 gegen das zweite Bauteil B2 und verhindert dadurch den plastischen Fluss des verdrängten Materials des ersten Bauteils B1 in Richtung der Begrenzungskanten B1.1, B2.1, wie in 2 gezeigt. Gleichzeitig kann das verdrängte Material des ersten Bauteils B1 innerhalb der Fügeebene in Richtung des Aussparungsbereichs 24 fließen, da sich dort keine (ausreichende) Niederhalterkraft aufbaut, und bildet dort eine Materialwulst MW aus, wie in 2 gezeigt. Ein Außendurchmesser der Niederhalterhülse 22 des Niederhalters 20 und die Größe (Aussparungswinkel W1) des Aussparungsbereichs 24 können dabei in Abhängigkeit von der Breite des Fügeflansches F1 definiert werden, d.h. daran angepasst werden. Mit anderen Worten ausgedrückt geben verschiedene Öffnungsmaße des Niederhalteröffnungsspaltes (Aussparungsbereichs 24) und unterschiedliche Niederhalterringdurchmesser den Werkstofffluss des verdrängten Materials des ersten Bauteils B1 vor. Durch gezielte Ansteuerung mit der Steuervorrichtung 30 ist es außerdem möglich, die Niederhalterkraft (Druckkraft) in einem vorbestimmten Bereich (z.B. 100 N bis 2 kN) beliebig zu variieren, um den Werkstofffluss des Materials des ersten Bauteils B1 und die Größe eines durch die Materialwulst MW entstehenden Fügespalts in der Fügeebene zu beeinflussen.
Im Ergebnis fließt das durch den Schaftabschnitt 51 des Fügelements 52 verdrängte Material des ersten Bauteils B1 hauptsächlich und bevorzugt ausschließlich in Richtung weg von den Begrenzungskanten B1.1, B2.1 bzw. der Begrenzungsebene E1 und kann somit nicht an den Begrenzungskanten B1.1, B2.1 bzw. der Begrenzungsebene E1 austreten. Dies vermeidet Materialspritzer an den Begrenzungskanten B1.1, B2.1, welche eine nachfolgende Korrosionsschutzbehandlung beeinträchtigen würden.
Die Stromsteuereinheit 31 der Steuervorrichtung 30 ist außerdem eingerichtet, sobald das zweite Längsende 51.2 des durch das erste Bauteil B1 hindurchgedrückten Schaftabschnitts 51 des Fügeelements 50 das zweite Bauteil B2 kontaktiert hat und das verdrängte fließfähige Material des ersten Bauteils B1 in der Fügeebene erstarrt ist, einen elektrischen Schweißstromfluss durch das Fügeelement 50 und das zweite Bauteil B2 hindurch zu realisieren, wie in 3 gezeigt. Der Schweißstromfluss wird dann so realisiert, dass das zweite Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 und das zweite Bauteil B2 durch Widerstandsschweißen unter Ausbildung einer Schweißlinse SL miteinander verschweißt werden, wie in den 3 und 4 gezeigt. Der Schweißstromfluss wird gegenüber dem Anfangsstromfluss mit einem relativ hohen Strom, d.h. mit einem höheren Maximalstromwert als der Anfangsstromfluss, realisiert.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 und die oben beschriebene Konfigurationen der Fügeeinrichtung 1 und der Fügeanordnung gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Zusammenfügen (im Folgenden Fügeverfahren) der mindestens zwei Bauteile B1, B2 bzw. der Betrieb der Fügeeinrichtung 1 beschrieben werden.
Gemäß dem Fügeverfahren werden die ersten und zweiten Bauteile B1, B2 wie in 1 gezeigt aufeinander angeordnet, so dass sich die ersten und zweiten Bauteile B1, B2 zumindest in dem Überlappungsabschnitt, d.h. im Bereich des Fügeflansches F1, gegenseitig überlappen. Außerdem wird ein wie oben beschriebenes Fügeelement 50 bereitgestellt und positioniert.
Gemäß dem Fügeverfahren wird im Überlappungsabschnitt das Fügeelement 50 mit dem dem Kopfabschnitt 52 abgewandten zweiten Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 voran in das erste Bauteil B1 unter Druckkraft eingebracht, bis der Schaftabschnitt 51 das erste Bauteil B1 durchdrungen hat und das zweite Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 das zweite Bauteil B2 kontaktiert, wie in 2 gezeigt.
Genauer wird gemäß dem Fügeverfahren das in das erste Bauteil B1 Einbringen des Fügeelements 50 durchgeführt, indem das zweite Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 in Kontaktanlage an das erste Bauteil B1 gedrückt wird und von der Stromsteuereinheit 31 der elektrische Anfangsstromfluss durch das Fügeelement 50 und das erste Bauteil B1 hindurch realisiert wird. Der Anfangsstromfluss wird dabei so realisiert, dass das erste Bauteil B1 im Kontaktbereich zum Fügeelement 50 fließfähig gemacht wird. Zu diesem Zweck wird der Anfangsstromfluss entweder mit einem linearen Stromanstieg oder mit einem impulsförmigen Stromanstieg realisiert. Dann wird der Schaftabschnitt 51 angetrieben durch die Druckkraft durch den fließfähig gemachten Kontaktbereich des ersten Bauteils B1 hindurchgedrückt, wobei der Kopfabschnitt 52 in Kontakt mit dem ersten Bauteil B1 gelangt, wie in 2 gezeigt.
Hinsichtlich des Durchschmelzens des Fügeelements 50 durch das erste Bauteil B1 ist zu erwähnen, dass durch den Anfangsstromfluss via resistiver Erwärmung an den Kontaktwiderständen Wärme entsteht, wobei das Fügeelement 50 mit Hilfe der Wärme über die Zeit durch das erste Bauteil B1 mit dem Anfangsstromfluss bzw. Vorimpuls durchgeschmolzen wird. Der Werkstoff des ersten Bauteils B1 schmilzt dabei im Kontaktbereich lokal auf.
Gemäß dem Fügeverfahren wird beim durch den fließfähig gemachten Kontaktbereich des ersten Bauteils B1 Hindurchdrücken des Schaftabschnitts 51 des Fügeelements 50 Material des ersten Bauteils B1 verdrängt und durch den Niederhaltereinfluss gezielt innerhalb der Fügeebene zwischen den Bauteilen B1, B2 geführt. Genauer wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Niederhalters 20 mit dem Aussparungsbereich 24 und die wie oben genannte Anordnung des Aussparungsbereichs 24 in Bezug auf die Begrenzungskanten B1.1, B2.1 und die Begrenzungsebene E1 der Bauteile B1, B2 das verdrängte Material beim Fließen so geführt, dass es innerhalb der Fügeebene zwischen den Bauteilen B1, B2 hauptsächlich und bevorzugt ausschließlich in Richtung weg von den Begrenzungskanten B1.1, B2.1 bzw. der Begrenzungsebene E1, d.h. in Richtung des Aussparungsbereichs 24, fließt und dort den Fügespalt und die Materialwulst MW ausbildet, wie in 2 gezeigt. Auf diese Weise kann insbesondere gewährleistet werden, dass in der Fügeebene zwischen den ersten und zweiten Bauteilen B1, B2 zwischen den Begrenzungskanten B1.1, B2.1 (z.B. Beschnittkanten) und dem Fügeelement 50 kein Fügespalt oder nur ein sehr kleiner Fügespalt entsteht. Damit kann das Korrosionsrisiko, welches bestehen würde, wenn die Materialschmelze des verdrängten Materials des ersten Bauteils B1 an den Begrenzungskanten B1.1, B2.1 austreten würde, insbesondere bei kleinen Fügeflanschbreiten von bis zu 11 mm minimiert werden und kann das Fügeverfahren vorteilhaft für den Fahrzeug-Nassbereich eingesetzt werden.
Nachdem der Anfangsstromfluss beendet wurde und das von dem Schaftabschnitt 51 des Fügeelements 50 verdrängte Material des ersten Bauteils B1 als Materialwulst MW erstarrt ist, wird von der Stromsteuereinheit 31 der elektrische Schweißstromfluss durch das Fügeelement 50 und das vom zweiten Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 kontaktierte zweite Bauteil B2 hindurch realisiert, wie in 3 gezeigt. Der Schweißstromfluss wird so realisiert, dass das zweite Längsende 51.2 des Schaftabschnitts 51 und das zweite Bauteil B2 durch Widerstandsschweißen unter Ausbildung der Schweißlinse SL miteinander verschweißt werden, wie in 3 und 4 gezeigt. Der Schweißstromfluss wird dabei mit einem höheren Maximalstromwert realisiert als der Anfangsstromfluss.
Nachdem das Material von Fügelement 50 und zweitem Bauteil B2 in der Schweißlinse SL erstarrt ist, werden die erste Elektrode 2 mit dem Niederhalter 20 und die zweite Elektrode 3 zur Abkühlung und Entnahme der zusammengefügten Bauteile B1, B2 auseinandergefahren, wie in 4 gezeigt.
Zusammenfassend wird nach dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren, welches auch als Widerstandsschweißnieten (WSN) bezeichnet werden kann, eine Verbindung der beiden Bauteile B1, B2 (Fügepartner) über ein Zusatzelement (Fügeelement 50) realisiert, wobei die metallurgisch unverträglichen Werkstoffe der beiden Bauteile B1, B2 nicht miteinander vermischt werden. Das erfindungsgemäße Fügeverfahren ist gewissermaßen einstufig ausgebildet, da das Fügeelement 50 im Unterschied zu üblichen Verfahren nicht mehr mechanisch durchgestanzt wird, sondern in Kombination bei mechanisch-thermischem Einfluss z.B. mit einer konventionellen Punktschweißzange in das erste Bauteil B1 (hier Aluminiumblech) eingeschmolzen wird.
Das Fügeelement 50 besteht aus einem Werkstoff, der die notwendige Festigkeit und Schmelztemperatur zum Durchschmelzen des ersten Bauteils (hier Leichtbauwerkstoffs) und eine gute schweißmetallurgische Verträglichkeit mit dem zweiten Bauteil B2 (hier hochfestem Stahlwerkstoff) aufweist. Die Form des Fügeelements 50 und die Dimensionen können so gewählt werden, dass hohe Festigkeiten und hohe Durchschmelzeigenschaften in allen Belastungsrichtungen erreicht werden können. Z.B. kann eine große Dickenabmessung des Schaftabschnitts 51 des Fügeelements 50 das Verschweißen von Leichtmetallblechen mit einer Dickenabmessung von bis zu 3 mm ermöglichen. Das erfindungsgemäße Fügeverfahren kann mit Standardpunktschweißzangen erfolgen. Außerdem besitzt das erfindungsgemäße Fügeverfahren hohes Automatisierungspotenzial, da vorteilhaft eine Schweißregelung und -überwachung in die Steuervorrichtung 30 implementiert ist.
Die Erfindung lässt sich vorteilhaft z.B. für eine Mischbauweise im Fahrzeugkarosseriebau einsetzen, wobei übliche Stahlwerkstoffe mit Leichtbauwerkstoffen wie z.B. Aluminium und Magnesium zusammengefügt werden.
Bezugszeichenliste

1: Fügeeinrichtung
2: Elektrode
3: Elektrode
10: Fügeelementbereitstellungsmittel
20: Niederhalter
21: Innenraum
22: Niederhalterhülse
23: Längsendfläche
24: Aussparungsbereich
30: Steuervorrichtung (Steuermittel)
31: Stromsteuereinheit
50: Fügeelement
51: Schaftabschnitt
51.1: Längsende
51.2: Längsende
52: Kopfabschnitt
52.1: Elektrodenkontaktierungsfläche
B1: Bauteil
B1.1: Begrenzungskante
B2: Bauteil
B2.1: Begrenzungskante
E1: Begrenzungsebene
F1: Fügeflansch
R1: Arbeitsrichtung
SL: Schweißlinse
W1: Aussparungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012018866 A1 [0002]

Claims

Fügeeinrichtung (1) zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile (B1, B2), aufweisend: erste und zweite Elektroden (2, 3), die einander gegenüberliegend angeordnet sind, um zwischen einander zumindest elektrisch leitfähige erste und zweite Bauteile (B1, B2), welche sich in einem Überlappungsabschnitt gegenseitig überlappend angeordnet sind, mit ihrem Überlappungsabschnitt aufzunehmen, wobei die Elektroden (2, 3) verfahrbar sind, um mit der ersten Elektrode (2) unter Druckkraft einen Kopfabschnitt (52) eines zwischen der ersten Elektrode (2) und einer Seite des ersten Bauteils (B1) eingebrachten elektrisch leitfähigen Fügeelements (50) zu kontaktieren und mit der zweiten Elektrode (3) als Gegenhalter eine dem ersten Bauteil (B1) abgewandte Seite des zweiten Bauteils (B2) zu kontaktieren, einen Niederhalter (20), der benachbart zur ersten Elektrode (2) verfahrbar ist, um ein Längsende des Niederhalters (20) unter Druckkraft an der Seite des ersten Bauteils (B1) zur Anlage zu bringen, wobei das Längsende des Niederhalters (20) eingerichtet ist, so dass die Beaufschlagung der Druckkraft auf das erste Bauteil (B1) in einem vorbestimmten Aussparungsbereich (24) um die erste Elektrode (2) herum ausgespart ist, um die Druckkraft auf das erste Bauteil (B1) in Bezug auf die erste Elektrode (2) nur teilumfänglich zu beaufschlagen, und Steuermittel (30), die eingerichtet sind, das Verfahren von Elektroden (2, 3) und Niederhalter (20) zu steuern und die Elektroden (2, 3) mit elektrischem Strom zu beaufschlagen, um das erste Bauteil (B1) mit einem Anfangsstromfluss in einem Kontaktbereich, in dem ein Schaftabschnitt (51) des Fügeelements (50) durch die erste Elektrode (2) in Kontaktanlage an die Seite des ersten Bauteils (B1) gedrückt ist, fließfähig zu machen, so dass der Schaftabschnitt (51) zur Kontaktierung des zweiten Bauteils (B2) durch das erste Bauteil (B1) hindurchdrückbar ist, und um einen elektrischen Schweißstromfluss zum per Widerstandsschweißen miteinander Verschweißen des Schaftabschnitts (51) des Fügeelements (50) und des zweiten Bauteils (B2) zu realisieren.
Fügeeinrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Aussparungsbereich (24) 10 Grad bis 180 Grad um die erste Elektrode (2) herum groß ist.
Fügeeinrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Niederhalter (20) einen Innenraum (21) hat, durch den hindurch sich die erste Elektrode (2) relativbeglich dazu erstreckt und der vorgesehen ist, um das Fügeelement (50) mit dem Schaftabschnitt (51) der Seite des ersten Bauteils (B1) zugewandt zwischen der ersten Elektrode (2) und der Seite des ersten Bauteils (B1) aufzunehmen.
Fügeeinrichtung (1) gemäß Anspruch 3, wobei der Niederhalter (20) eine Niederhalterhülse (22) aufweist, die eine den Innenraum (21) umschließende Hülsenwandung hat, welche das Längsende des Niederhalters (20) bildet, so dass eine zur Kontaktierung der Seite des ersten Bauteils (B1) vorgesehene Längsendfläche (23) des Niederhalters (20) in dem Aussparungsbereich (24) ausgespart ist.
Fügeeinrichtung (1) gemäß Anspruch 4, wobei die Niederhalterhülse (22) eine kreiszylindrische Form vorbestimmter Durchmesserkonfiguration aufweist und der Aussparungsbereich (24) kreissektorartig ausgebildet ist.
Fügeanordnung zum Zusammenfügen mindestens zweier Bauteile (B1, B2), mit: einer Fügeeinrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1–5, wobei zumindest die elektrisch leitfähigen ersten und zweiten Bauteile (B1, B2) sich gegenseitig überlappend mit ihrem Überlappungsabschnitt zwischen den ersten und zweiten Elektroden (2, 3) der Fügeeinrichtung (1) aufgenommen sind, wobei der Überlappungsabschnitt so ausgebildet ist, dass darin eine Begrenzungskante (B1.1, B2.1) von mindestens einem der Bauteile (B1, B2) angeordnet ist, und wobei die Fügeeinrichtung (1) und die Bauteile (B1, B2) relativ zueinander so angeordnet sind, dass der Aussparungsbereich (24) für die Beaufschlagung der Druckkraft des Längsendes des Niederhalters (20) auf das erste Bauteil (20) sich auf einer der Begrenzungskante (B1.1, B2.1) des mindestens einen Bauteils (B1, B2) abgewandten Seite der ersten Elektrode (2) befindet.
Fügeanordnung gemäß Anspruch 6, wobei in dem Überlappungsabschnitt eine Begrenzungskante (B1.1, B2.1) von jedem der Bauteile (B1, B2) angeordnet ist, so dass die Begrenzungskanten (B1.1, B2.1) eine gemeinsame Begrenzungsebene (E1) bilden, und wobei die Fügeeinrichtung (1) und die Bauteile (B1, B2) relativ zueinander so angeordnet sind, dass der Aussparungsbereich (24) für die Beaufschlagung der Druckkraft des Längsendes des Niederhalters (20) auf das erste Bauteil (B1) sich auf einer der Begrenzungsebene (E1) abgewandten Seite der ersten Elektrode (2) befindet.
Fügeanordnung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei der Überlappungsabschnitt als Fügeflansch (F1) vorbestimmter Breite ausgebildet ist.
Fügeanordnung gemäß Anspruch 8, wobei ein Außendurchmesser des Niederhalters (20) in Abhängigkeit von der Breite des Fügeflansches (F1) definiert ist.
Fügeanordnung gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei eine Größe (W1) des Aussparungsbereichs (24) für die Beaufschlagung der Druckkraft des Längsendes des Niederhalters (20) auf das erste Bauteil (B1) in Abhängigkeit von der Breite des Fügeflansches (F1) definiert ist.