DE102019106160A1

DE102019106160A1 - Verbindungsverfahren für mindestens zwei bauteile, eine damit erzielte fügeverbindung sowie eine fügevorrichtung für das genannte verbindungsverfahren

Info

Publication number: DE102019106160A1
Application number: DE102019106160.1A
Authority: DE
Inventors: Torsten Draht; Jörg Möhring
Original assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Current assignee: Boellhoff Verbindungstechnik GmbH
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2020-09-17
Also published as: WO2020182764A1

Abstract

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

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsverfahren von mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen mithilfe eines Drahtabschnitts, von denen zumindest eine Basislage aus einem schweißbaren Metall und eine Decklage aus einem anderen Metall bestehen. Zudem offenbart vorliegende Erfindung eine Fügeverbindung, die zwischen den mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen mit oben genannter Basislage und Decklage mithilfe eines von einem Endlosdraht nach dem Fügen abgetrennten Drahtabschnitts hergestellt wird. Abschließend umfasst vorliegende Erfindung eine Fügevorrichtungen zur Durchführung des oben genannten Verbindungsverfahrens und zur Herstellung der entsprechenden Fügeverbindung.
Hintergrund der Erfindung
Im Stand der Technik sind verschiedene Fügeverfahren und Fügeelemente beschrieben, die zum Herstellen von Mischverbindungen, also der Kombination einer Metalllage und einer Kunststofflage, sowie zum Verbinden von mehreren Metalllagen eingesetzt werden. EP 3 072 626 A1 beschreibt beispielsweise die Verbindung einer Kunststofflage mit einer Stahllage mithilfe eines nietähnlichen Fügeelements. Während die Kunststofflage die Decklage des Bauteilstapels bildet, wird das Fügeelement mithilfe einer Induktionsspule vor dem Setzen in das Kunststoffelement vorgewärmt. Die zugeführte Wärme unterstützt bzw. erleichtert das Setzen des Fügeelements in die Kunststofflage. Nachdem die Stahllage durch das Fügeelement kontaktiert worden ist, werden diese mittels Widerstandsschweißen miteinander verbunden.
Auch in der technischen Lehre der Dokumente US 4,855,562 , DE 10 2012 004 499 und WO 2015/135712 werden Fügeelemente mit einer aus Stahl bestehenden Basislage durch ein Schweißverfahren verbunden. Die unterschiedlichen Fügeelemente setzt man gemäß einer Alternative ohne zusätzliche Wärmezufuhr beispielsweise in eine Lage aus Dichtmaterial. Gemäß einer anderen Alternative werden krampenähnliche Elemente aus DE 10 2012 004 499 und WO 2015/135712 vor dem Setzen in die Decklage aus Kunststoff vorgewärmt. Indem mittels Stromfluss oder magnetischer Induktionsfelder das metallische Fügeelement auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur der Kunststofflage erwärmt wird, wird das nachfolgende Setzen des Fügeelements in die Kunststofflage erleichtert. Abschließend erfolgt ein Verschweißen des Fügeelements mit der Basislage aus Stahl.
Das Verschweißen des Fügeelements und der Basislage aus Stahl greift in seinen Grundzügen auf die technische Lehre gemäß AT 506 217 B1 zurück. Das in diesem Dokument beschriebene Schweißverfahren befestigt jeweils ein stiftähnliches Element an einer Stahllage mittels Widerstandsschweißen. Falls die stiftähnlichen Elemente nicht einzeln vorliegen, werden sie durch erneute Stromzufuhr in einem gewünschten Längenbereich abgeschmolzen und auf die zukünftige Verbindung vorbereitet.
DE 10 2012 018 866 , DE 10 2013 207 284 sowie WO 2016/100179 beschreiben Fügeverfahren, die mithilfe eines Fügeelements aus Stahl mindestens zwei metallische Lagen bzw. Bauteile miteinander verbinden. Diese Fügeverfahren nutzen den Vorteil, dass ein vorgewärmtes Fügeelement einfacher in eine metallische Decklage gesetzt werden kann. Sobald der Schaft des Fügeelements die schweißbare Basislage kontaktiert, werden Fügeelement und Basislage mittels Widerstandsschweißen miteinander verbunden. Trotz der Effektivität und Haltbarkeit dieser Verbindungen erfordert die Zufuhr der einzelnen Fügeelemente entsprechende Systemkomponenten sowie daran angepasste Arbeitsabläufe. Beispielsweise werden die Zufuhrschläuche für Fügeelemente zum Setzgerät zunehmend als störend empfunden. Des Weiteren ist es erforderlich, in regelmäßigen Abständen Vorräte an Fügeelementen nachzufüllen und für spezielle Fügeaufgaben entsprechend vorzusehen. Insgesamt sind die herstellbaren Verbindungen verlässlich, erfordern aber eine aufwändige Geräteperipherie zu ihrer Realisierung.
DE 10 2011 117 962 A1 stellt mithilfe eines gesetzten und verschweißten Drahtstifts eine Leichtbauverbindung her. Diese Leichtbauverbindung besteht aus einer Basislage und einer Decklage aus verschweißbarem Material, wie beispielsweise Stahl. Zwischen Basislage und Decklage sind nicht schweißbare Bauteile, wie beispielsweise Kunststoffbauteile, angeordnet. Ähnlich einem bekannten Nagelverfahren aus der Bauindustrie wird der Drahtstift in den oben beschriebenen Bauteilstapel eingeschossen. Zur Verbindung der mindestens vier Bauteillagen erfolgt dann ein Widerstandsschweißen zwischen dem eingeschossenen Stiftelement und der Basislage sowie der Decklage aus schweißbarem Material. Diese Erfindung erfordert somit unbedingt, dass neben der Basislage auch eine Decklage aus schweißbarem Material, wie beispielsweise Stahl, verwendet wird.
In WO 2017/036444 sowie DE 10 2016 007 059 B3 wird eine metallische schweißbare Basislage mit mindestens einer darüber angeordneten Kunststofflage verbunden. Als Verbindungsmittel dient ein Endlosdraht, der zunächst durch die Kunststofflage gestoßen und in Kontakt mit der metallischen Basislage gebracht wird. Um das Setzen in die Kunststofflage zu erleichtern, sorgt eine Vorheizvorrichtung des noch nicht gesetzten Führungsendes des Endlosdrahts für ein entsprechendes Aufwärmen. Ist das Führungsende des Endlosdrahts in Kontakt mit der metallischen Basislage, werden mithilfe eines bekannten CMT-Verfahrens (siehe AT 506 217 B1 ) das Führungsende des Endlosdrahts und die Basislage miteinander verschweißt. Abschließend wird das im Bauteilstapel befindliche Drahtsegment von dem übrigen Endlosdraht getrennt. Dazu eignet sich eine Schneidvorrichtung, die in Kombination mit einem Niederhalter vorgesehen ist.
Es ist daher die Aufgabe vorliegender Erfindung, ein im Vergleich zum Stand der Technik alternatives Fügeverfahren und eine daraus hervorgehende Bauteilstruktur vorzuschlagen, um obige Defizite zu überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die obige Aufgabe wird durch ein Verbindungsverfahren von mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen mithilfe eines Drahtabschnitts eines Endlosdrahts gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst, in welchem zumindest eine Basislage aus einem mit dem Endlosdraht schweißbaren Metall und eine Decklage aus einem anderen Metall bestehen. Des Weiteren offenbart vorliegende Erfindung eine Fügeverbindung der mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteile mit einem von einem Endlosdraht abgetrennten Drahtabschnitt, wie es im unabhängigen Patentanspruch 7 beschrieben ist. Zudem offenbart vorliegende Erfindung eine Fügevorrichtung zur Realisierung des oben beschriebenen Fügeverfahrens gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10.
Vorliegende Erfindung offenbart ein Verbindungsverfahren von mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen mit einem Drahtabschnitt eines Endlosdrahts, von denen zumindest eine schweißbare Basislage aus einem mit dem Endlosdraht schweißbaren Metall und eine metallische Decklage aus einem anderen Metall bestehen. Vorzugsweise werden nur die schweißbare Basislage und die metallische Decklage mit dem Drahtabschnitt verbunden, der erst nach dem Fügevorgang vom Endlosdraht getrennt wird.
Das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren weist die folgenden Schritte auf: Anordnen der schweißbaren Basislage aus mit dem Endlosdraht schweißbarem Metall, vorzugsweise Stahl, betrachtet in einer Fügerichtung als unterstes Bauteil auf einer Elektrode und darüber zumindest die metallische Decklage als oberstes Bauteil, Zustellen eines Endlosdrahts in Fügerichtung zu den stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen, bis ein Führungsende des Endlosdrahts die Decklage kontaktiert, Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Endlosdraht und der Elektrode, sodass ein elektrischer Stromfluss im Endlosdraht über die Decklage und die Basislage zumindest die Decklage in einem Fügebereich benachbart zum Führungsende des Endlosdrahts erwärmt, Eindrücken des Führungsendes des Endlosdrahts in Fügerichtung in die im Fügebereich durch Wärme aufgeweichte Decklage, bis das Führungsende an der Basislage anliegt, und dabei Ausbilden eines Materialaufwurfs entgegen der Fügerichtung in der Decklage, der den Endlosdraht umgibt, elektrisches Widerstandsschweißen des Führungsendes des Endlosdrahts mit der Basislage und Abtrennen des Endlosdrahts von dem verschweißten Führungsende in Fügerichtung oberhalb der Decklage.
Das erfindungsgemäß bevorzugte Verbindungsverfahren verwendet zum Verbinden von zumindest zwei Metalllagen einen Endlosdraht, von dem am Ende des Verbindungsverfahrens ein verbindender Drahtabschnitt abgetrennt wird. Entsprechend werden die stapelförmig übereinander angeordneten zumindest zwei metallischen Bauteile über den Drahtabschnitt verbunden, ohne dass über periphere Zufuhrsysteme einzelne Fügeelemente zu einem Setzgerät oder einer Fügestelle zugeführt werden müssen. Im Rahmen des bevorzugten Verbindungsverfahrens werden in der stapelförmigen Anordnung der miteinander zu verbindenden Bauteile zumindest zwei metallische Bauteile miteinander verbunden. Es handelt sich dabei als Basis um eine schweißbare Basislage, die aus einem schweißbaren Metall besteht. Der Bauteilstapel wird durch eine metallische Decklage abgeschlossen, deren metallischer Werkstoff nicht zwingend aus schweißbarem Metall bestehen muss. Zum verlässlichen Fügen des Endlosdrahts in den Stapel aus mindestens zwei metallischen Bauteilen werden mechanische Zustell- bzw. Fügekräfte des Endlosdrahts durch eine elektrisch erzeugte Wärmezufuhr im Fügebereich unterstützt. Die Wärme resultiert aus einem gezielt im Endlosdraht erzeugten elektrischen Stromfluss durch einen Potenzialunterschied zwischen Elektrode und Endlosdraht. Die durch den elektrischen Stromfluss erzeugte Wärme ist ausreichend, um zumindest das metallische Material der Decklage im Fügebereich aufzuweichen. Daraus resultiert ein reduzierter mechanischer Energieaufwand, um das Führungsende des Endlosdrahts durch die Decklage der schweißbaren Basislage zuzustellen. Während der genannte elektrische Stromfluss zunächst für ein Erwärmen und/oder Aufweichen der metallischen Decklage verwendet worden ist, führt ein gezieltes Erhöhen der elektrischen Stromstärke im Endlosdraht zum Vorliegen eines Schweißstroms, der das Führungsende des Endlosdrahts mit der Basislage verschweißt.
Die Elektrode ist vorzugsweise unterschiedlich ausgestaltet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt sie neben dem elektrischen Kontakt zu einer Spannungs- oder Stromquelle auch die mechanischen Stützkräfte eines Auflagers bereit. Entsprechend könnte man die Elektrode auch als Elektrodengegenlager oder Elektrodenmatrize bezeichnen. Bei ausreichender mechanischer Stabilität der Basislage und/oder einer Auflage der Basislage auf Auflagern, Stützen oder Trägern stellt die Elektrode lediglich den elektrischen Kontakt zu der Spannungs- oder Stromquelle her. Daher ist es in diesem Zusammenhang ebenfalls bevorzugt, die elektrisch leitende Basislage an beliebiger Stelle mit der Elektrode zu verbinden, während sie sich mechanisch auf einer Auflage, Trägern oder einem Gegenlager abstützt oder durch eigene Stabilität eine für den Fügevorgang ausreichende Gegenkraft bereitstellt. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls bevorzugt, die Träger, Auflager oder Stützen, die aus elektrisch leitendem Material bestehen, mit der Spannungs- bzw. Stromquelle zu verbinden und als Elektroden zu verwenden. In diesem Fall wäre eine separate elektrische Verbindung zwischen Basislage und Spannungs- bzw. Stromquelle nicht erforderlich.
Im Rahmen des Verbindungsverfahrens bildet sich vorteilhafterweise ein Materialaufwurf an einer Eintrittsstelle des Endlosdrahts in die metallische Decklage aus. Dieser Materialaufwurf umgibt den Endlosdraht und sorgt bevorzugt für eine vergrößerte Grenzfläche zwischen dem Endlosdraht und der metallischen Decklage. Diese vergrößerte Grenzfläche zwischen metallischer Decklage und Endlosdraht wird zur elektrischen Stromleitung zwischen Endlosdraht und Elektrode und damit zur gezielten Erwärmung der Decklage im Fügebereich genutzt. Entsprechend wirken sich die elektrischen Lasten und die daraus resultierende Widerstandswärme vorteilhaft auf sowohl die metallische Decklage wie auch die schweißbare Basislage aus und unterstützen das erfindungsgemäß bevorzugte Verbindungsverfahren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens weist dieses den weiteren Schritt auf: mechanisches Vorspannen der stapelförmig übereinander angeordneten Bauteile mit einem Niederhalter gegen die Elektrode.
Vorzugsweise wird die metallische Decklage mithilfe eines Niederhalters in Richtung der schweißbaren Basislage gedrückt. Die daraus resultierenden Setzvorgänge zwischen den stapelförmig angeordneten Bauteilen schließen mögliche Toleranzen und unterstützen die Ausbildung von Grenzflächen zwischen elektrisch leitenden Bauteilen, sodass elektrische Übergangswiderstände reduziert werden. Zudem ist die Nutzung des Niederhalters darauf gerichtet, dass eine Tiefe des Fügebereichs betrachtet in Fügerichtung durch eine enge Bauteilanlage so gering wie möglich gestaltet wird. Auf diese Weise werden die zur Verfügung stehenden mechanischen und elektrischen Lasten effizienter zur Herstellung einer Verbindung zwischen den übereinander angeordneten Bauteilen genutzt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens erfolgt nach dem Widerstandsschweißen ein Erwärmen des Endlosdrahts benachbart zur Decklage mithilfe eines elektrischen Stromflusses im Endlosdraht und ein Ausbilden einer Stauchwulst des Endlosdrahts im Bereich der Decklage durch weiteres Zustellen des Endlosdrahts in Fügerichtung.
Gemäß der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung wird das freie Ende des verbindenden Drahtabschnitts im Bauteilstapel gezielt gestaltet. Zu diesem Zweck wird vor dem Abtrennen zunächst der Endlosdraht gerade im Fügebereich durch die Widerstandswärme eines elektrischen Stromflusses aufgeweicht. Dieses gezielte Aufweichen des Materials des Endlosdrahts eröffnet die Möglichkeit, durch bevorzugtes weiteres Zustellen in Fügerichtung den Endlosdraht im Bereich der Decklage zu stauchen. Eine derartige Stauchung weitet den Endlosdraht in diesem Bereich in radialer Richtung auf, sodass sich eine bevorzugte Vorstufe eines späteren Schließkopfes der Fügeverbindung ausbildet. Zudem bildet vorzugsweise diese Stauchwulst des Endlosdrahts einen axialen Hinterschnitt, sodass die miteinander verbundenen Bauteile zwischen Stauchwulst und Schweißverbindung zur Basislage geklemmt oder zumindest gehalten sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verbindungsverfahrens erfolgt zusätzlich ein Abtrennen des Endlosdrahts, insbesondere ein Abscheren oder Abreißen, vorzugsweise strom- bzw. wärmeunterstützt, benachbart zur Decklage.
Wie bereits oben erläutert worden ist, dient die Stauchwulst als Schließkopf für die Verbindung der stapelförmig übereinander angeordneten Bauteile. Damit dieser Schließkopf auch tatsächlich den Abschluss der Verbindung und somit das freie Ende des verbindenden Drahtabschnitts bildet, muss der Endlosdraht oberhalb dieser Stauchwulst von dem verbindenden Drahtabschnitt bzw. dem Führungsende des Endlosdrahts abgetrennt werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch ein Abscheren des Endlosdrahts oder durch ein Abschmelzen des Endlosdrahts mithilfe eines gezielten Stromimpulses. Nachdem der Endlosdraht von dem verbindenden Drahtabschnitt getrennt worden ist, bildet die zuvor erzeugte Stauchwulst das freie Ende des verbindenden Drahtabschnitts. Zudem bildet die Stauchwulst den Schließkopf der hergestellten Fügeverbindung zwischen zumindest der mit dem Endlosdraht schweißbaren Basislage und der metallischen Decklage.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens sind die weiteren Schritte vorgesehen: nach dem Widerstandsschweißen Erzeugen eines elektrischen Stromimpulses im Endlosdraht und Durchbrennen des Endlosdrahts benachbart zur Decklage, um den Endlosdraht vom Führungsende zu trennen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Verfahrensalternative wird der Endlosdraht von dem verbindenden Drahtabschnitt im Bauteilstapel durch eine gezielte elektrisch-thermische Belastung abgetrennt. Ein entsprechender Stromimpuls bzw. elektrischer Trennimpuls sorgt dafür, dass der Endlosdraht oberhalb des Fügebereichs, d. h. vorzugsweise angrenzend an die metallische Decklage, durch die elektrisch erzeugte Widerstandswärme derart aufgeweicht wird, dass er von dem verbindenden Drahtabschnitt abgetrennt werden kann. Der Endlosdraht wird von dem verbindenden Drahtabschnitt elektrisch abgeschmolzen, durchschmolzen oder durchgebrannt, wobei diese Begriffe gleichbedeutend verwendet werden können. Entsprechend ist es bevorzugt, ein Trennen des Endlosdrahts von dem verbindenden Drahtabschnitt im Fügebereich allein durch elektrische Lasten zu erzielen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Verfahrensausgestaltung wird der Endlosdraht elektrisch-mechanisch bzw. thermisch-mechanisch vom verbindenden Drahtabschnitt getrennt. Während ein gezielter elektrischer Stromfluss für ein Aufweichen des Materials des Endlosdrahts oberhalb der Decklage sorgt, wird der Endlosdraht mit zusätzlichen mechanischen Lasten vom verbindenden Drahtabschnitt getrennt. Diese mechanischen Lasten bedeuten bevorzugt ein Abreißen des Endlosdrahts in entgegengesetzter Richtung zur Fügerichtung. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung beinhalten die trennenden mechanischen Lasten ein Abscheren des Endlosdrahts oberhalb der Decklage nach vorangegangenem Aufweichen des Materials des Endlosdrahts benachbart zur Decklage. Es ist ebenfalls bevorzugt, den Endlosdraht rein mechanisch vom verbindenden Drahtabschnitt abzutrennen. Das rein mechanische Trennen ist bevorzugt ein Abschneiden, Abscheren oder Abreißen des Endlosdrahts vom im Fügebereich der Verbindung verankerten Drahtabschnitt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens erfolgt in einem weiteren Schritt das Ausbilden eines Pilzkopfes am freien Ende des abgetrennten Führungsendes des Drahtabschnitts benachbart zur Decklage.
Vorliegende Erfindung umfasst zudem eine Fügeverbindung von mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen mit einem von einem Endlosdraht abgetrennten Drahtabschnitt, der mit einer mit dem Endlosdraht schweißbaren Basislage aus schweißbarem Material verschweißt ist, zumindest eine metallische Decklage aus einem anderen Metall als die Basislage durchläuft und durch einen Materialaufwurf der metallischen Decklage am nicht verschweißten freien Ende des abgetrennten Drahtabschnitts umgeben ist.
Die erfindungsgemäße Fügeverbindung nutzt anstelle eines einzelnen Fügeelements, wie beispielsweise ein Schweißniet, einen von einem Endlosdraht abgetrennten Drahtabschnitt zur Verbindung einer schweißbaren Basislage und zumindest einer metallischen Decklage. Zur Ausbildung dieser Verbindung werden bevorzugt in unterschiedlichen Abschnitten des Verbindungsverfahrens mechanische und elektrische Lasten derart kombiniert, dass stoffschlüssige Verbindungen generierbar und Materialeigenschaften, gerade von der metallischen Decklage, gezielt beeinflussbar sind. Denn die erfindungsgemäß bevorzugte Fügeverbindung profitiert davon, dass ein metallischer Materialaufwurf an der Grenzfläche zwischen verbindendem Drahtabschnitt und der metallischen Decklage ausgebildet wird. An der sich vergrößernden Grenzfläche zur Decklage weicht die Widerstandswärme das Material der Decklage in einen teigigen pastösen Zustand auf. Dadurch reduziert sich der elektrische Übergangswiderstand zwischen Endlosdraht und Decklage, während der Widerstand am Führungsende oder der Spitze des Endlosdrahts im Vergleich zur obigen Grenzfläche am größten ist. Entsprechend wird dadurch bevorzugt die größte Widerstandswärme an der Spitze des Endlosdrahts erzeugt, die das Eindringen des Endlosdrahts in die Decklage und mögliche Zwischenlagen unterstützt und weiterhin bevorzugt den bevorstehenden Schweißvorgang vorbereitet.
Erfindungsgemäß bevorzugt weist in der Fügeverbindung der Drahtabschnitt an seinem freien Ende eine axiale Stauchwulst auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügeverbindung umfasst der Drahtabschnitt an dem freien Ende einen Pilzkopf.
Die oben genannten bevorzugten Ausgestaltungen des freien Endes des verbindenden Drahtabschnitts bilden eine schließkopfähnliche Struktur in der hergestellten Fügeverbindung aus. Diese hat zur Folge, dass der Pilzkopf in gleicher Weise wie die bevorzugte axiale Stauchwulst einen axialen Hinterschnitt in Fügerichtung bildet, sodass die miteinander zu verbindenden Bauteile zwischen Schweißverbindung und dieser Schließkopfstruktur gehalten werden. Denn gemäß der bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung weist der verbindende Drahtabschnitt in der bevorzugten axialen Stauchwulst sowie in dem bevorzugten Pilzkopf eine größere radiale Ausdehnung im Vergleich zum abgetrennten Endlosdraht oder im Vergleich zum Durchmesser des mit der Basislage verschweißten Drahtabschnitts auf. Diese gezielte Durchmesservergrößerung des verbindenden Drahtabschnitts an seinem freien Ende unterstützt einen verlässlichen Zusammenhalt der verbundenen Bauteile.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens ist der oben genannte Niederhalter als elektrisch leitfähiger Elektrodenniederhalter vorgesehen und mit einer elektrischen Strom- oder Spannungsquelle verbunden. Darauf aufbauend weist das bevorzugte Verbindungsverfahren die weiteren Schritte auf: Erzeugen eines elektrischen Stromflusses zwischen dem Endlosdraht und dem Niederhalter über die metallische Decklage B sowie eine damit verbundene Widerstandserwärmung benachbart zum Führungsende in der metallischen Decklage B oder Erzeugen eines elektrischen Stromflusses zwischen dem Niederhalter und der Elektrode über die metallische Decklage B und die Basislage A sowie eine damit verbundene Widerstandserwärmung benachbart zum Führungsende.
Um das Fügeverfahren zu unterstützen, wird im Fügebereich der Decklage und bevorzugt auch der Basislage gezielt Widerstandswärme mit Hilfe des Elektrodenniederhalters erzeugt. Der Elektrodenniederhalter bezeichnet einen elektrisch leitenden Niederhalter. Neben den bekannten mechanischen Niederhalterfunktionen wirkt er aufgrund seines Aufbaus wie eine Elektrode, die auf der Decklage aufsetzbar und somit mit dieser kontaktierbar ist. Der Elektrodenniederhalter ist vorzugsweise mit einer zu- und abschaltbaren Strom- oder Spannungsquelle verbunden. Somit lässt sich gezielt ein elektrischer Potenzialunterschied und damit ein Widerstandswärme erzeugender elektrischer Stromfluss zwischen dem Elektrodenniederhalter und dem Endlosdraht oder dem Elektrodenniederhalter und der mit der Basislage in Kontakt stehenden Elektrode erzeugen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird bei einem Stapel aus elektrisch leitender Basis- und Decklage ohne isolierende Zwischenschicht, bspw. Kunststoff oder Klebstoff, ein elektrischer Stromfluss zwischen Elektrodenniederhalter und Elektrode erzeugt. Dieser durchläuft den Fügebereich oder grenzt zumindest an diesen an. Entsprechend trägt die durch den elektrischen Stromfluss erzeugte Widerstandswärme bevorzugt zur Erwärmung und Aufweichung zumindest der Decklage bei. Wenn vorzugsweise zwischen der metallischen Decklage und der schweißbaren Basislage eine isolierende Schicht angeordnet ist, vorzugsweise eine Klebstoffschicht, eine oder mehrere Kunststofflagen oder -bauteile, wird über den Elektrodenniederhalter und den Endlosdraht ein elektrischer Stromfluss und eine damit verbundene Widerstandswärme in der metallischen Decklage erzeugt. Auf diese Weise wird der Fügevorgang durch ein Plastifizieren des Materials der metallischen Decklage unterstützt, auch wenn die Elektrode und die damit verbundene Basislage vom Endlosdraht und der metallischen Decklage elektrisch isoliert angeordnet sind.
Vorliegende Erfindung umfasst zudem eine Fügevorrichtung, mit der das Verbindungsverfahren gemäß den oben beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen durchführbar ist. Diese Fügevorrichtung weist die folgenden Merkmale auf: eine Speichereinrichtung eines Endlosdrahts, mit der der Endlosdraht einer Fügestelle zustellbar ist, eine Elektrode, auf der eine Mehrzahl an Bauteilen positionierbar ist, einen Niederhalter, mit dem die Mehrzahl an Bauteilen gegen die Elektrode mechanisch vorspannbar ist, und eine elektrische Strom- oder Spannungsquelle, die mit dem Endlosdraht und der Elektrode derart verbindbar und angepasst ist, dass ein Erwärmen und Aufweichen zumindest der metallischen Decklage und ein elektrisches Widerstandsschweißen des Endlosdrahts mit der schweißbaren Basislage gewährleistet sind.
Figurenliste
Die bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 bis 3 verschiedene bevorzugte Ausgangskonfigurationen des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens und der Fügevorrichtung,
4 bis 6 verschiedene Stadien des erfindungsgemäß bevorzugten Verbindungsverfahrens,
7 eine bevorzugte Fügeverbindung hergestellt mit dem erfindungsgemäß bevorzugten Fügeverfahren bestehend nur aus der metallischen Decklage und der mit dem Endlosdraht verschweißten Basislage,
8 eine bevorzugte Fügeverbindung hergestellt mit dem erfindungsgemäß bevorzugten Fügeverfahren bestehend aus der metallischen Decklage, einem Zwischenbauteil als eine elektrisch nichtleitenden Zwischenschicht und der mit dem Endlosdraht verschweißten Basislage,
9 eine bevorzugte Fügeverbindung hergestellt mit dem erfindungsgemäß bevorzugten Fügeverfahren bestehend aus der metallischen Decklage, einer Mehrzahl von Zwischenbauteilen mit mindestens einer elektrisch nichtleitenden Zwischenschicht und der mit dem Endlosdraht verschweißten Basislage,
10 eine bevorzugte Fügeverbindung hergestellt mit dem erfindungsgemäß bevorzugten Fügeverfahren bestehend aus der metallischen Decklage und der mit dem Endlosdraht verschweißten Basislage, in der der Endlosdraht vom verbindenden Drahtabschnitt abgeschmolzen worden ist, und
11 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Mit dem erfindungsgemäß bevorzugten Verbindungsverfahren wird eine Mehrzahl von metallischen Bauteilen A, B in einer stapelförmigen Anordnung miteinander verbunden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die stapelförmige Anordnung nur aus den Bauteilen A und B. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen den Bauteilen A und B eine elektrisch nichtleitende Klebstoffschicht oder ein elektrisch nichtleitendes Zwischenbauteil Z (siehe 8) oder eine Mehrzahl von elektrisch nichtleitenden Zwischenbauteilen Z1, Z2, wie Kunststoffbauteile und/oder Klebstoffschichten, (siehe 9) angeordnet. Als Verbindungselement dient ein Drahtsegment 15. Dieses wird als Endlosdraht 10 zugeführt, gefügt und am Ende des Verbindungsverfahrens vom Endlosdraht 10 abgetrennt.
Die Mehrzahl von Bauteilen A, B sind in Fügerichtung R_F übereinander angeordnet. Die unterste Lage A liegt bevorzugt direkt auf einer Elektrode 90 auf und wird als Basislage A bezeichnet. Die Basislage A besteht aus mit dem Endlosdraht 10 schweißbarem Metall. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung ist die Basislage A aus Stahl unterschiedlicher Festigkeitsklassen, wie vorzugsweise hochfester Stahl. Weiterhin bevorzugt besteht die Basislage A aus Titan, Kupfer, deren Legierungen oder anderen metallischen und mit dem Endlosdraht schweißbaren Werkstoffen. Entsprechend muss ebenfalls bevorzugt der Endlosdraht hinsichtlich seines Materials mit der Basislage A schweißbar sein. Die Decklage B besteht bevorzugt aus Aluminium, Magnesium, Legierungen dieser Metalle.
Die metallische Decklage B und die mit dem Endlosdraht schweißbare Basislage A weisen bevorzugt unterschiedliche Schmelztemperaturen auf, so dass die Schmelztemperatur der Basislage A größer ist als die Schmelztemperatur der Decklage B. Das Verhältnis der Schmelztemperaturen von Basis- A und Decklage B zueinander wirkt sich dadurch vorteilhaft auf das Fügeverfahren aus. Denn während bevorzugt eine erzeugte elektrische Widerstandserwärmung in der Decklage B das Material der Decklage B im Fügebereich aufweicht oder plastifiziert, bleibt die Stabilität der Basislage A bevorzugt annähernd unbeeinflusst.
In diesem Zusammenhang weisen die Schmelztemperaturen der Materialien von Decklage B zu Basislage A bevorzugt ein Verhältnis im Bereich von 0,3 bis 0,7, weiter bevorzugt von 0,35 bis 0,65 und noch weiter bevorzugt von 0,4 bis 0,6 auf, wenn die Schmelztemperaturen in Grad Celsius angegeben sind.
Vorzugsweise ergibt sich für eine Basislage A aus Stahl mit einer Schmelztemperatur von ca. 1.580 °C und einer Decklage B aus Aluminium mit einer Schmelztemperatur von ca. 660 °C ein Verhältnis von annähernd 0,41. Für eine Decklage B aus Magnesium mit einer Schmelztemperatur von ca. 640 °C und einer Basislage A aus Stahl ergibt sich bevorzugt ein Verhältnis von 0,4. Ebenfalls bevorzugt ergibt sich für eine Basislage A aus Titan mit einer Schmelztemperatur von ca. 1.660 °C und einer Decklage B aus Aluminium oder Magnesium mit einer Schmelztemperatur von ca. 660 °C und 640 °C ein Verhältnis von 0,39 und 0,38. Kombiniert man bevorzugt eine Decklage B aus Aluminium oder Magnesium mit einer Basislage A aus Kupfer mit einer Schmelztemperatur von ca. 1083 °C, ergibt sich ein Verhältnis von ca. 0,61 oder ca. 0,58.
Erfindungsgemäß bevorzugt wird eine Basislage A aus Stahl mit nur einer Decklage B aus Aluminium oder einer entsprechenden Legierung kombiniert. In dieser Kombination ergibt sich ein Verhältnis der Schmelztemperaturen von Decklage B zu Basislage A von annähernd 0,41. In dieser Kombination ist es ebenfalls bevorzugt, eine Zwischenlage Z aus Klebstoff oder eine Mehrzahl von Zwischenlagen Z1, Z2 aus nichtleitendem Material vorzusehen. (siehe unten)
Die Basislage A liegt auf der Elektrode 90 auf. Wie unten in größerem Detail erläutert ist, wird die Verbindung der mindestens zwei Bauteile A, B mithilfe des bekannten Widerstandsschweißens hergestellt. Dazu ist zunächst ein elektrischer Potenzialunterschied zwischen der Elektrode 90 und dem an der Basislage A anzuschweißenden Endlosdraht 10 erforderlich. Daher sind die Elektrode 90 und der Endlosdraht 10 mit einer elektrischen Spannungsquelle U oder einer Stromquelle I 95 verbunden. Mithilfe der elektrischen Spannungs- bzw. Stromquelle 95 ist der fließende elektrische Strom in seiner Stärke gezielt einstellbar. Damit wird vorzugsweise gezielt ein Widerstandsschweißen durchgeführt und/oder ein Abschnitt des Endlosdrahts 10 und/oder ein Abschnitt der Bauteile A, B erwärmt.
Das oberste Bauteil oder die Decklage B des Bauteilstapels besteht aus Metall und bildet die äußerste Lage. Vorzugsweise besteht die metallische Decklage B aus Aluminium, Magnesium oder Legierungen davon, wie oben bereits erläutert worden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verbindungsverfahrens sind zwischen der Basislage A und der Decklage B weitere Bauteile (siehe 2, 3, 8, 9) als Zwischenlage Z, Z1, Z2 angeordnet. Diese bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, verstärktem Kunststoff, Klebstoff oder ebenfalls aus Metall. Besteht die mindestens eine Zwischenlage Z, Z1, Z2 aus elektrisch nicht leitendem Material, ist eine elektrische Verbindung zwischen der Basislage A und der Decklage B zur Durchführung des Verbindungsverfahrens (siehe unten) vorzusehen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden dazu die Basislage A und die Decklage B mit einer elektrisch leitenden Brücke miteinander verbunden.
Die elektrische Verbindung zwischen der Basislage A und der Decklage B mit dazwischen angeordneter elektrisch nicht leitender Zwischenlage Z, Z1, Z2 ermöglicht einen elektrischen Stromfluss und damit eine elektrische bzw. eine Widerstandserwärmung des Führungsendes 20 des Endlosdrahts 10. Diese Widerstandserwärmung gewährleistet eine Wärmeabgabe vom Endlosdraht 10 an die angrenzenden Bauteile. Dies sind in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des Führungsendes 20 in den Bauteilstapel in Fügerichtung R_F die Decklage B, die mindestens eine Zwischenlage und die Basislage A.
Sofern gemäß der in den 1, 4, 5 und 6 gezeigten bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung die Basislage A und die Decklage B direkt aufeinander liegen, findet der erwärmende Stromfluss zwischen Endlosdraht 10 und Elektrode 90 direkt über die Basislage A und die Decklage B statt. Entsprechend ist keine zusätzliche elektrisch leitende Brücke zwischen Basislage A und Decklage B erforderlich. Das gleiche gilt auch für Zwischenlagen Z, Z1, Z2, die aus elektrisch leitendem Material bestehen.
Die Fügevorrichtung 1 umfasst neben der Elektrode 90 vorzugsweise einen Niederhalter 80 und eine Drahtvorschubeinrichtung 70. Der Niederhalter 80 ist parallel zur Fügerichtung R_F bewegbar. Der Niederhalter 80 drückt vorzugsweise zumindest die Decklage B und die Basislage A gegen die Elektrode 90. Durch die mit dem Niederhalter 80 erzeugte mechanische Vorspannung der Bauteile A, B gegen die Elektrode 90 werden Abstände zwischen den Bauteilen A, B geschlossen und ein elektrischer Kontakt zwischen der Basislage A und der Elektrode 90 unterstützt.
Um eine ausreichend hohe Gegenkraft für den Niederhalter 80 bereitzustellen, ist die Elektrode 90 vorzugsweise als Elektrodengegenlager vorgesehen. Entsprechend stellt die Elektrode 90 aufgrund ihrer mechanischen Stabilität selbständig die für den Niederhalter 80 erforderliche Gegenkraft bereit (siehe 1, 4, 5, 6).
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Basislage A auf einem Träger T auf, wie es in den 2 und 3 gezeigt ist. Während die Elektrode 90 den elektrischen Kontakt zwischen Basislage A und Spannungsquelle 95 bereitstellt, gewährleisten die Träger T oder allgemein ein elektrisch nicht leitendes Gegenlager die mechanisch fixierte Position der Basislage A im Raum.
In Kombination mit dem Träger T ist es ebenfalls bevorzugt, die Elektrode 90 an beliebiger Stelle der Basislage A vorzusehen. Dadurch ist die elektrische Verbindung zwischen Basislage A und Spannungsquelle 95 gewährleistet. Es ist daher nicht notwendig, die Elektrode 90 in Fügerichtung R_F unterhalb der Basislage A anzuordnen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung bestehen die Träger T aus elektrisch leitendem Material und sind mit der Spannungs- bzw. Stromquelle 95 verbunden oder verbindbar. Damit bilden die Träger T oder zumindest einer dieser Träger T selbst die Elektrode 90, um den elektrischen Stromfluss zu gewährleisten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung ist der Niederhalter 80 elektrisch leitend vorgesehen und zu- und abschaltbar mit der elektrischen Spannungs- oder Stromquelle 95 verbunden. Diese bevorzugte Ausgestaltung ermöglicht eine Widerstandserwärmung in Basis- A und/oder Decklage B über einen bevorzugt einstellbaren elektrischen Stromfluss zwischen dem Niederhalter 80 und der Elektrode 90.
Zur Unterstützung des Fügevorgangs werden der Endlosdraht 10 und die Elektrode 90 über die Spannungs- oder Stromquelle 95 miteinander verbunden. Entsprechend fließt ein elektrischer Strom durch den Endlosdraht 10 und die Elektrode 90, sobald der Stromkreis zwischen dem Endlosdraht 10 und der Elektrode 90 geschlossen ist, also sobald das Führungsende 20 auf der Decklage B aufsetzt (siehe 1, 4, 5, 6). Der dadurch einsetzende elektrische Stromfluss im Endlosdraht 10 und somit auch im Führungsende 20 erwärmt den Endlosdraht 10 und die angrenzende Decklage B. Dadurch wird vorzugsweise das Material der Decklage B im Fügebereich aufgeweicht und ein Eindringen des Führungsendes 20 in Fügerichtung R_F erleichtert.
Um die unterstützende Wärmezufuhr an der Fügestelle und in angrenzende Bereiche der Bauteile zu verstärken, wird bevorzugt auch der Niederhalter 80 elektrisch mit der Strom-/Spannungsquelle 95 verbunden (siehe 1, 2, 3). Somit fließt gemäß einer ersten bevorzugt Ausführungsform ein elektrischer Strom zwischen dem Niederhalter 80 und der Elektrode 90, der Wärme in den stromdurchflossenen Bauteilen A, B erzeugt. In diesem Fall weisen bevorzugt der Endlosdraht 10 und der Niederhalter 80 das gleiche elektrische Potenzial auf, sodass sich nur ein elektrischer Potenzialunterschied zur Elektrode 90 und somit ein elektrischer Stromfluss ergibt. Soll der Wärmeeintrag im Fügebereich durch Widerstandswärme erzeugt werden, wird bevorzugt der elektrische Stromfluss zwischen Niederhalter 80 und Elektrode 90 und/oder zwischen Endlosdraht 10 und der Elektrode 90 gezielt zugeschaltet (siehe 1).
Vorzugsweise setzt der Niederhalter 80 zeitlich und räumlich vor dem Führungsende 20 auf der Decklage B auf und stellt einen elektrischen Kontakt zur Elektrode 90 her. Ebenfalls bevorzugt wird der Niederhalter 80 vor dem Kontakt des Führungsendes 20 mit der Decklage B mit elektrischem Strom durchflossen, also elektrisch zugeschaltet, um zumindest die Decklage B und die Basislage A zu erwärmen. Es ist ebenfalls bevorzugt, die miteinander zu verbindenden Bauteile A, B gleichzeitig durch einen Stromfluss über den Endlosdraht 10 und den Niederhalter 80 zur Elektrode 90 zu erwärmen. Es versteht sich, dass zum Erzeugen einer Widerstandswärme im Endlosdraht 10 und den Bauteilen A, B der elektrische Strom zwischen der Elektrode 90 und dem Endlosdraht 10 und/oder dem Niederhalter 80 fließen muss. Dabei ist nicht entscheidend, ob aufgrund der vorhandenen elektrischen Potenzialunterschiede der elektrische Strom von oder zur Elektrode 90 fließt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung werden die metallische Decklage B und die mit dem Endlosdraht schweißbare Basislage A mit mindestens einer elektrisch nicht leitenden Zwischenlage Z, Z1, Z2 kombiniert (siehe 2 und 3). Im zu verbindenden Bauteilstapel der 2 sind die beiden elektrisch nicht leitenden Zwischenlagen Z1, Z2, vorzugsweise aus Kunststoff, verstärktem Kunststoff, Klebstoff oder dgl., angeordnet. In 3 besteht die nur eine Zwischenlage Z bevorzugt aus elektrisch nicht leitendem Klebstoff oder aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wie Kunststoff, Keramik, Dämmstoff, Isoliermaterial oder ähnlichem. Da die mindestens eine Zwischenlage Z, Z1, Z2 einen elektrischen Stromfluss zwischen Niederhalter 80 und Elektrode 90 sowie zwischen Endlosdraht 10 und Elektrode 90 verhindert, werden bevorzugt der Endlosdraht 10 und der Niederhalter 80 mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen verbunden (siehe 2 und 3).
Der Niederhalter 80 wird bevorzugt mit der Spannungs- oder Stromquelle 95 elektrisch verbunden, also der Schalter in den 2 und 3 geschlossen. Dann fließt ein elektrischer Strom zwischen dem Endlosdraht 10 und dem Niederhalter 80 über die Decklage B, sobald der Endlosdraht 10 die metallische Decklage B kontaktiert. Auf diese Weise wird der Fügebereich durch Widerstandswärme erwärmt. Es versteht sich, dass der Niederhalter 80 und der Endlosdraht 10 elektrisch zueinander isoliert sind, sofern nicht die Decklage B eine elektrische Verbindung zwischen beiden herstellt.
Spätestens wenn der Endlosdraht in den Ausführungsformen der 2 und 3 die Zwischenlagen Z, Z1, Z2 durchdrungen hat und mit der Basislage A in Kontakt steht, trennt der Schalter die elektrische Verbindung zwischen Niederhalter 80 und Spannungsquelle 95. Nun fließt der elektrische Strom über den Endlosdraht 10 zur Elektrode 90, um das Widerstandsschweißen durchzuführen.
Nachdem die miteinander zu verbindenden Bauteile A, B auf der Elektrode 90 angeordnet und durch den Niederhalter 80 gegen die Elektrode 90 oder Träger T mechanisch vorgespannt worden sind, wird der Endlosdraht 10 in Fügerichtung R_F zugestellt. Für das kontrollierte Zustellen des Endlosdrahts 10 in Fügerichtung R_F wird bevorzugt der Endlosdraht 10 durch eine Drahtvorschubeinrichtung 70 bewegt. Die Drahtvorschubeinrichtung 70 greift am Endlosdraht 10 an und schiebt diesen in Fügerichtung R_F oder bevorzugt entgegengesetzt dazu. Vorzugsweise zieht die Drahtvorschubeinrichtung 70 den Endlosdraht 10 aus einer Rollenkonstruktion (nicht gezeigt), wo dieser gespeichert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Drahtvorschubeinrichtung 70 ist der Endlosdraht 10 nicht direkt sondern über die Draht Vorschubeinrichtung 70 mit der elektrischen Spannungs- bzw. Stromquelle 95 verbunden.
Sobald das Führungsende 20 des Endlosdrahts 10 die Decklage B kontaktiert, erzeugt der elektrische Potenzialunterschied zwischen Endlosdraht 10 und Elektrode 90 einen elektrischen Stromfluss und eine damit verbundene Widerstandserwärmung im Endlosdraht 10, insbesondere am Führungsende 20, und in der Decklage B. Die Widerstandserwärmung in der Decklage B tritt angrenzend an das kontaktierende Führungsende 20 auf. In Abhängigkeit von der einstellbaren Stärke des elektrischen Stromflusses durch die Decklage B ist die Widerstandserwärmung entsprechend variabel einstellbar. Vorzugsweise wird die Widerstandserwärmung derart eingestellt, dass zumindest das Material der Decklage B im Fügebereich aufgeweicht wird. Dies unterstützt das Eindrücken bzw. Eindringen des Führungsendes 20 in die Decklage B.
Während des Eindrückens des Endlosdrahts 10 in die Decklage B steigt Material der Decklage B entgegen der Fügerichtung R_F nach oben. Dadurch bildet sich ein Materialaufwurf 50 aus, der den Endlosdraht 10 umgibt.
Vorzugsweise erhöht der sich ausbildende Materialaufwurf 50 die Größe der Grenzfläche zwischen dem Führungsende 20 des Endlosdrahts 10 und der Decklage B. Dadurch steht ein sich mit dem Materialaufwurf 50 vergrößernder Kontaktbereich zwischen dem Endlosdraht 10 und der Decklage B zur Verfügung. Dieser Kontaktbereich ermöglicht einen zunehmenden elektrischen Stromfluss über die vergrößerte Grenzfläche und damit einen zusätzlichen Wärmeeintrag in den Fügebereich der Decklage B durch die Widerstandserwärmung.
Der Endlosdraht 10 wird durch die Drahtvorschubeinrichtung 70 in Fügerichtung R_F bewegt, bis das Führungsende 20 auf die Basislage A trifft und diese elektrisch kontaktiert. Sobald der elektrische Kontakt zwischen dem Endlosdraht 10 und der Basislage A hergestellt ist, wird über die Spannungs- bzw. Stromquelle 95 ein bekanntes Widerstandsschweißen zwischen dem Führungsende 20 des Endlosdrahts 10 und der Basislage A durchgeführt. Dabei wird bekanntermaßen die Widerstandserwärmung im Kontaktbereich zwischen Führungsende 20 und der Basislage A so stark, dass sich eine Schweißlinse S ausbildet. Innerhalb der Schweißlinse S entsteht eine stoffschlüssige Verbindung zumindest zwischen dem Führungsende 20 des Endlosdrahts 10 und der Basislage A (siehe 3).
Nachdem der Endlosdraht 10 an seinem Führungsende 20 mit der Basislage A verschweißt worden ist, wird der Endlosdraht 10 vom Führungsende 20 oder vom verbindenden Drahtabschnitt 15 im Fügebereich von Basislage A und Decklage B abgetrennt. Dieses Abtrennen wird vorzugsweise auf unterschiedlichen Wegen realisiert.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens wird der Endlosdraht 10 nach dem Widerstandsschweißen durch einen elektrischen Stromfluss weiter erwärmt. Die zugeführte Widerstandswärme ist bevorzugt so groß, dass das Material des Endlosdrahts 10 im Fügebereich der Decklage B aufgeweicht und verformbar wird. Es ist ebenfalls bevorzugt, eine Restwärme des Widerstandsschweißens zu nutzen, die den Endlosdraht 10 im Bereich der Decklage B aufweicht und seine Verformbarkeit unterstützt.
Sobald der Endlosdraht 10 angrenzend an die Decklage B in einem verformbaren Zustand vorliegt, wird der Endlosdraht 10 weiter in Fügerichtung R_F zugestellt. Dabei wird der Endlosdraht 10 im Bereich der Decklage B gestaucht, plastisch verformt und eine Stauchwulst 60 ausgebildet (siehe 4).
Vorzugsweise hat die Stauchwulst 60 im Vergleich zum verschweißten Führungsende 20 eine radial aufgeweitete Form ähnlich einer Krone. Die radial aufgeweitete Form hat eine radiale Ausdehnung, die den Durchmesser des Endlosdrahts 10 übersteigt. Zudem bildet sich bevorzugt eine Ringwulst 65, die den Materialaufwurf 50 entgegen der Fügerichtung R_F und bevorzugt radial zumindest teilweise überragt.
Auf diese Weise bildet die Stauchwulst 60 mit der Ringwulst 65 einen axialen Hinterschnitt entgegen der Fügerichtung R_F im Rahmen der hergestellten Verbindung. Vorzugsweise wird somit die Verbindung der Bauteile A, B durch das Zusammenwirken einerseits der Schweißverbindung oder der stoffschlüssigen Verbindung im Bereich der Schweißlinse S und andererseits durch die Stauchwulst 60 gebildet.
Nach dem Ausbilden der Stauchwulst 60 wird der Endlosdraht 10 in Fügerichtung oberhalb der Stauchwulst 60 von dem Drahtabschnitt 15 getrennt, der die Bauteile miteinander verbindet. Dazu wird bevorzugt der Endlosdraht 10 oberhalb der Stauchwulst 60 abgeschert oder abgerissen oder durch einen Stromimpuls durch- oder vom Drahtabschnitt 15 abgeschmolzen.
Um den Endlosdraht 10 abzuscheren, wird der Niederhalter 80 von der Decklage D gelöst, falls er dort anliegt. Nachfolgend führt die Fügevorrichtung oder nur die Drahtzuführeinrichtung eine Lateralbewegung aus, um den Endlosdraht 10 abzutrennen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verbindungsverfahrens wird nach dem Widerstandsschweißen der Endlosdraht 10 durch einen Stromimpuls oberhalb der Decklage B vom verbindenden Drahtabschnitt 15 abgetrennt oder abgeschmolzen. Es ist ebenfalls bevorzugt, den Endlosdraht 10 angrenzend an die Decklage B mittels Widerstandswärme aufzuweichen und nachfolgend abzuscheren oder abzureißen oder abzuschmelzen. Hierbei wird vorher auf die Ausbildung einer Stauchwulst 60 verzichtet, wie die Fügeverbindung gemäß 10 verdeutlicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verbindungsverfahrens wird nach dem Abtrennen des Endlosdrahts 10 vom verbindenden Drahtabschnitt 15 ein Lichtbogen zwischen dem freien Ende des Drahtabschnitts 15 und dem neuen Führungsende des Endlosdrahts 10 gezündet. Der kurzzeitige Lichtbogen erzeugt eine pilzähnliche Struktur am freien Ende des Drahtabschnitts 15 (nicht gezeigt). Ein derartiges Vorgehen ist in AT 506 217 B1 beschrieben, welches hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung einer mit dem erfindungsgemäß bevorzugten Verbindungsverfahren hergestellten Verbindung zeigt 5. In dieser Verbindung sind zumindest die Basislage A und die Decklage B über den Drahtabschnitt 15 miteinander verbunden. Während an einem Ende die Schweißlinse S die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Drahtabschnitt 15 und der Basislage A bildet, umfasst das freie Ende des Drahtabschnitts 15 die Stauchwulst 60 mit Ringwulst 65 angrenzend an den Materialaufwurf 50 der Decklage B.
Bezugszeichenliste

A: Basislage
B: Decklage
T: Träger
Z, Z1, Z2: Zwischenlage
1: Fügevorrichtung
10: Endlosdraht
15: Drahtsegment
20: Führungsende des Endlosdrahts 10 und des Drahtsegments 15
50: Materialaufwurf
60: Stauchwulst
65: Ringwulst
70: Drahtvorschubeinrichtung
80: Niederhalter
90: Elektrode
95: Spannungs- und/oder Stromquelle
R_F: Fügerichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3072626 A1 [0002]
US 4855562 [0003]
DE 102012004499 [0003]
WO 2015/135712 [0003]
AT 506217 B1 [0004, 0007, 0067]
DE 102012018866 [0005]
DE 102013207284 [0005]
WO 2016/100179 [0005]
DE 102011117962 A1 [0006]
WO 2017/036444 [0007]
DE 102016007059 B3 [0007]

Claims

Ein Verbindungsverfahren von mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen (A, B) mit einem Drahtabschnitt (15) eines Endlosdrahts, von denen zumindest eine schweißbare Basislage (A) aus einem mit dem Endlosdraht schweißbaren Metall und eine metallische Decklage (B) aus einem anderen Metall bestehen und welches die folgenden Schritte aufweist: a. Anordnen (S1) der schweißbaren Basislage (A) aus mit dem Endlosdraht schweißbarem Metall, vorzugsweise Stahl, betrachtet in einer Fügerichtung R_F als unterstes Bauteil auf einer Elektrode (90) und darüber zumindest die metallische Decklage (B) als oberstes Bauteil, b. Zustellen (S2) eines Endlosdrahts (10) in Fügerichtung R_F zu den stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen (A, B), bis ein Führungsende (20) des Endlosdrahts (10) die Decklage (B) kontaktiert, c. Anlegen (S3) einer elektrischen Spannung zwischen dem Endlosdraht (10) und der Elektrode (90), sodass ein elektrischer Stromfluss im Endlosdraht (10) über die Decklage (B) und die Basislage (A) zumindest die Decklage (B) in einem Fügebereich benachbart zum Führungsende (20) des Endlosdrahts (10) erwärmt (S4), d. Eindrücken (S5) des Führungsendes (20) des Endlosdrahts (10) in Fügerichtung (R_F) in die im Fügebereich durch Wärme aufgeweichte Decklage (B), bis das Führungsende (20) an der Basislage (A) anliegt, und dabei Ausbilden eines Materialaufwurfs (50) entgegen der Fügerichtung R_F in der Decklage (B), der den Endlosdraht (10) umgibt, e. elektrisches Widerstandsschweißen (S6) des Führungsendes (20) des Endlosdrahts (10) mit der Basislage (A) und f. Abtrennen (S7) des Endlosdrahts (10) von dem verschweißten Führungsende (20) in Fügerichtung R_F oberhalb der Decklage (B).
Verbindungsverfahren gemäß Patentanspruch 1, welches den weiteren Schritt aufweist: mechanisches Vorspannen der stapelförmig übereinander angeordneten Bauteile (A, B) mit einem Niederhalter (80) gegen die Elektrode (90).
Verbindungsverfahren gemäß Patentanspruch 1 oder 2, welches den weiteren Schritt aufweist: nach dem Widerstandsschweißen Erwärmen des Endlosdrahts (10) benachbart zur Decklage (B) mit Hilfe eines elektrischen Stromflusses im Endlosdraht (10) und Ausbilden einer Stauchwulst (60) des Endlosdrahts (10) im Bereich der Decklage (B) durch weiteres Zustellen des Endlosdrahts (10) in Fügerichtung R_F.
Verbindungsverfahren gemäß Patentanspruch 3, welches den weiteren Schritt aufweist: Abtrennen des Endlosdrahts (10), insbesondere Abscheren, benachbart zur Decklage (B).
Verbindungsverfahren gemäß Patentanspruch 1 oder 2, welches den weiteren Schritt aufweist: nach dem Widerstandsschweißen Erzeugen eines elektrischen Stromimpulses im Endlosdraht (10) und Abschmelzen des Endlosdrahts (10) benachbart zur Decklage (B), um den Endlosdraht (10) vom Führungsende (20) zu trennen.
Verbindungsverfahren gemäß Patentanspruch 5, welches den weiteren Schritt aufweist: Ausbilden eines Pilzkopfes am freien Ende des abgetrennten Führungsendes (20) benachbart zur Decklage (B).
Verbindungsverfahren gemäß Patentanspruch 2 oder einem der vorhergehenden Patentansprüche 3 bis 6 in Kombination mit Patentanspruch 2, in dem der Niederhalter (80) als elektrisch leitfähiger Elektrodenniederhalter vorgesehen und mit einer elektrischen Strom- oder Spannungsquelle (95) verbunden ist und welches die weiteren Schritte aufweist: Erzeugen eines elektrischen Stromflusses zwischen dem Endlosdraht (10) und dem Niederhalter (80) über die metallische Decklage B sowie eine damit verbundene Widerstandserwärmung benachbart zum Führungsende (20) in der metallischen Decklage B oder Erzeugen eines elektrischen Stromflusses zwischen dem Niederhalter (80) und der Elektrode (90) über die metallische Decklage B und die Basislage A sowie eine damit verbundene Widerstandserwärmung benachbart zum Führungsende (20).
Eine Fügeverbindung von mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen (A, B) mit einem von einem Endlosdraht (10) abgetrennten Drahtabschnitt (15), der mit einer schweißbaren Basislage (A) aus mit dem Endlosdraht schweißbarem Material verschweißt ist, zumindest eine metallische Decklage (B) aus einem anderen Metall als die Basislage (A) durchläuft und durch einen Materialaufwurf (50) der metallischen Decklage (B) am nicht verschweißten freien Ende des abgetrennten Drahtabschnitts (15) umgeben ist.
Die Fügeverbindung gemäß Patentanspruch 8, in der der Drahtabschnitt (15) an dem freien Ende eine axiale Strauchwulst (60) aufweist.
Die Fügeverbindung gemäß Patentanspruch 8, in der der Drahtabschnitt (15) an dem freien Ende einen Pilzkopf aufweist.
Eine Fügevorrichtung, mit der das Verbindungsverfahren gemäß einem der Patentansprüche 1-7 durchführbar ist, welche die folgenden Merkmale aufweist: eine Speichereinrichtung eines Endlosdrahts (10), mit der der Endlosdraht (10) einer Fügestelle zustellbar ist, eine Elektrode (90), auf der eine Mehrzahl an Bauteilen (A, B) positionierbar ist, einen Niederhalter (80), mit dem die Mehrzahl an Bauteilen (A, B) gegen die Elektrode (90) mechanisch vorspannbar ist, und eine elektrische Spannungs- oder Stromquelle (95), die mit dem Endlosdraht (10) und der Elektrode (90) derart verbindbar und angepasst ist, dass ein Erwärmen und Aufweichen zumindest der metallischen Decklage (B) und ein elektrisches Widerstandsschweißen mit der schweißbaren Basislage (A) gewährleistet sind.
Die Fügevorrichtung gemäß Patentanspruch 11, in der der Niederhalter (80) als elektrisch leitfähiger Elektrodenniederhalter vorgesehen und mit der elektrischen Strom- oder Spannungsquelle (95) verbindbar ist, um a. einen elektrischen Stromfluss zwischen dem Endlosdraht (10) und dem Niederhalter (80) über die metallische Decklage B sowie eine damit verbundene Widerstandserwärmung benachbart zum Führungsende (20) in der metallischen Decklage B oder um b. einen elektrischen Stromfluss zwischen dem Niederhalter (80) und der Elektrode (90) über die metallische Decklage B und die Basislage A sowie eine damit verbundene Widerstandserwärmung benachbart zum Führungsende (20) zu erzeugen.