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DE102005000160A1 - Verfahren und Vorrichtung zum formschlüssigen Verbinden zweier Bauteile - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum formschlüssigen Verbinden zweier Bauteile Download PDF

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DE102005000160A1
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welding
radiation
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joining
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English (en)
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Frank Brunnecker
Alexander Hofmann
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LPKF Laser and Electronics AG
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Abstract

Die Erfindung schlägt ein Verfahren zum formschlüssigen Verbinden zweier Bauteile durch plastische Deformation eines der beiden Bauteile vor. Damit das Werkzeug für die Ausbildung des Formschlusses nicht in direkten Kontakt mit dem plastifizierten Bereich der Fügepartner kommt, wird ein drittes Bauteil zwischen dem Werkzeug und den beiden formschlüssig zu verbindenden Bauteilen verwendet, das gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit einem der beiden formschlüssig zu verbindenden Bauteile eingeht. Die thermische Energie zur Herbeiführung des plastischen Zustands einer der Fügepartner und zur Ausbildung des Stoffschlusses wird dabei mit elektromagnetischer Strahlung durch das dritte Bauteil hindurch appliziert.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum formschlüssigen Verbinden zweier Bauteile sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Charakteristisch für die Erfindung ist, daß die plastische Deformation zur Erzeugung des Formschlusses durch ein drittes, am Fügeprozess beteiligtes Bauteil erzeugt wird, das selbst eine stoffschlüssige Verbindung mit einem der Fügepartner eingeht. Ein entsprechendes Verfahren findet beispielsweise bei der Befestigung von elektrischen Schaltungsträgern in einem Gehäuse aus thermoplastischem Kunststoff Verwendung.
  • In vielen mechatronischen Systemen, beispielsweise der Automobilsensorik, stellt sich die Aufgabe, Schaltungsträger in ein Gehäuse zu integrieren. Da die Elektronik über Stecker oder andere sensorische Schnittstellen mit der Systemperipherie interagieren muß, ist der Schaltungsträger in einer definierten Position im umgebenden Gehäuse zu fixieren. Zur Lösung dieser Aufgabe stehen dem aktuellen Stande der Technik entsprechend eine Vielzahl von Lösungsansätzen zu Verfügung.
  • Eine Möglichkeit, lösbare Verbindungen herzustellen, besteht in der Verwendung von Schraubverbindungen. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, daß das Gehäuse dann mir einem Gewinde versehen sein muß. Bei der Verwendung von Kunststoffgehäusen wird dafür oftmals ein Metallgewindeeinsatz umspritzt, um ein belastbares Gewinde zu erhalten. Die Herstellung einer entsprechenden Verbindung ist folglich sehr kostspielig.
  • Unter den unlösbaren Verbindungstechniken findet beispielsweise das Vergießen der Schaltungsträger im Gehäuse oder das sogenannte Heißverstemmen Anwendung. Beim Heißverstemmen wird ein stabförmiges Gebilde, kurz auch Pin genannt, durch ein Loch im Schaltungsträger geführt, so daß dieser auf einem Absatz anliegt. Anschließend wird der über die Dickenrichtung des Schaltungsträger herausragende Pin unter Einwirkung von Wärmeenergie derart verformt, daß der Pin einen Nietkopf zur formschlüssigen Befestigung des Schaltungsträgers ausbildet. Ein entsprechendes Verfahren, daß zur Erzeugung der notwendigen Wärme Ultraschallenergie nutzt, ist in der DE 4215041 C3 (Siemens AG) beschrieben. Ein ähnliches Verfahren offenbart die JP 62064528 A (Toyota Motor Corp.), bei dem Strahlungsenergie zur Herbeiführung des plastischen Zustands einer der Fügepartner eingesetzt wird. Die dem Stande der Technik entsprechenden Verfahren zum Heißverstemmen besitzen jedoch den Nachteil, daß die Ausbildung des Nietkopfes durch ein berührendes Werkzeug stattfindet. Bei der Verwendung solcher Verfahren zum Heißverstemmen von Kunststoffgehäusen oder Schaltungsträgern birgt dies die Gefahr von Materialanhaftungen am formgebenden Werkzeug in sich.
  • Neben der Befestigung der Leiterplatte im Gehäuse ist auch das mediendichte Verschließen des Gehäuses ein wichtiger Bestandteil der Wertschöpfungskette mechatronischer Systeme. Als ein Verfahren, das qualitativ besonders hochwertige Schweißverbindungen erzeugt, hat sich das Laserdurchstrahlschweißen industriell etabliert. Bei diesem Verfahren werden zwei schmelzschweißbare Fügepartner kombiniert, von denen einer für die Wellenlänge des verwendeten Schweißlasers einen hohen optischen Transmissionsgrad aufweist, der andere Fügepartner diese Wellenlänge jedoch stark absorbiert. In einer überlappenden Anordnung der beiden Fügepartner kann die Schweißstrahlung den ihr zugewandten Fügeparter transmittieren und wird anschließend an der Kontaktfläche der beiden Bauteile absorbiert. Der absorbierende Fügepartner wird erwärmt, bis beide Fügepartner durch Wärmeleitung in ihrem Kontaktbereich geschmolzen sind. Um die Wärmeleitung zwischen den Fügepartnern zu unterstützen, werden diese mit einem Spanndruck beaufschlagt. Da die häufig eingesetzten Kunststoffe über eine geringe Wärmeleitung verfügen, verbleibt die eingebrachte Schweißenergie in Abhängigkeit von der Prozessführung eine gewisse Zeit in der Fügezone erhalten, so daß noch weiches Material vorwiegend des absorbierenden Fügepartners unter dem Einfluß des Spanndrucks aus der Fügeebene verdrängt werden kann. Unter fortgesetzter Beaufschlagung mit Spanndruck können die Fügepartner so eine Relativbewegung aufeinander zu ausführen, um etwaige Lücken in der Schweißnaht zu kompensieren. Ein entsprechendes Verfahren wird beispielsweise in der DE 10 2004 004 985 A1 (Laserquipment AG) offenbart. Das dort dargestellte Verfahren, wie auch andere gängige Gehäuseverschlusstechniken, bietet jedoch keine Möglichkeit, die eingeschlossene Leiterplatte zu befestigen, so daß hierfür unvorteilhafterweise separate, vorgeschaltete Prozeßsschritte notwendig sind.
    •
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein prozessicheres und fehlertolerantes Verfahren zum formschlüssigen Verbinden zweier Bauteile zur Verfügung zu stellen, daß die oben aufgeführten Nachteile der dem aktuellen Stand der Technik entsprechenden Verfahren nicht aufweist. Weiterhin ist es Bestandteil der erfindungsgemäßen Aufgabe, das formschlüssige Verbinden zweier Bauteile gleichzeitig mit dem stoffschlüssigen Fügen eines dritten Bauteils auszuführen, um zwei Prozessschritte zu integrieren und so eine kostensparende Verkürzung der Prozesskette zu erreichen.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung vor, die Erzeugung des Formschlusses zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil durch plastische Deformationen des ersten Bauteils durch ein drittes Bauteil herbeizuführen. Das dritte Bauteil muß dabei nicht zwingend in Kontakt mit dem zweiten Bauteil sein, vielmehr wird es verwendet, um das erste Bauteil plastisch derart zu deformieren, daß es zum Formschluß zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil kommen kann. Das dritte Bauteil geht vorzugsweise während der Ausbildung des Formschlusses zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil eine stoffschlüssige Verbindung mit dem ersten Bauteil ein. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, daß das Werkzeug, das die Kraft für die plastische Deformation aufbringt, nicht in direktem Kontakt mit dem plastifizierten Bauteil steht, so daß eine unerwünschte Materialanhaftung am Werkzeug vermieden werden kann. Die Erfindung verwendet dabei das bekannte Durchstrahlschweißen, um den Stoffschluß zwischen dem ersten und dem dritten jeweils schmelzschweißbaren Bauteil, vorzugsweise aus thermoplastischem Kunststoff, zu erzeugen und die Energie zur Überführung des ersten Bauteils in einen plastisch deformierbaren Zustand zur Verfügung zu stellen. Weiterhin ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das dritte Bauteil während ihres Schweißvorganges entsprechend der Ausführungen zum Stande der Technik eine Zustellbewegung unter dem Einfluß eines Spanndrucks aufeinander zu ausführen, und das diese Zustellbewegung genutzt wird, um die für den Formschluß des ersten und des zweiten Bauteils notwendige plastische Verformung des ersten Bauteils herbeizuführen.
    •
    • 1
    Strahlungsabsorbierender Fügepartner
    2
    Formschlüssig zu verbindender Fügepartner
    3
    Strahlung transmittierender Fügepartner
    4
    Pin
    5
    Durchgangsloch für Pin
    6
    Schweißstrahlungskegel
    7
    Form des Nietkopfes im dritten Fügepartner
    8
    Plastisch verfomter Pin (Nietkopf)
    9
    Bereich der stoffschlüssigen Verbindung
    10
    Niederhaltewerkzeug (punktuell)
    11
    Schweißsteg
    12
    Niederhaltewerkzeug (in Nahtkonturform)
    13
    Gehäusedeckel
  • Beispiel
  • In 1 ist eine erste beispielhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der strahlungsabsorbierende Fügepartner (1) ist als Ausschnitt, beispielsweise aus einem Elektronikgehäuse, dargestellt. Durch eine Durchgangsbohrung (5) des formschlüssig zu verbindenden Bauteils (2), beispielsweise einer Leiterplatte, ragt eine säulenartige Erhebung (4), auch als Pin bezeichnet, im ungefügten Zustand hindurch. Auf diesen Pin wird ein weiteres Bauteil (3) zunächst lose aufgelegt, daß für die einfallende Schweißstrahlung (6) ausreichend transparent ist. Das Strahlung transmittierende Bauteil (3) weist im Kontakbereich mit dem Pin einen konkaven Querschnitt (7) auf, der die Ausbildung des Materialflusses des absorbierenden Bauteils (1) während der plastischen Deformation unterstützt. Das Strahlung transmittierende Bauteil wird durch einen koaxial zur Schweißstrahlung angebrachten Niederhalter (10) auf den Pin (4) heruntergedrückt.
  • Nachdem der Pin (4) eine gewisse Zeit der Schweißstrahlung (6) ausgesetzt und durch den Niederhalter (10) mit Spanndruck beaufschlagt wurde, findet eine plastische Deformation des Pins (4) mit einem lateralen Materialfluß statt, so daß zu Prozeßende die in 2 gezeigte Anordnung erzeugt wird. Während des Fügeprozesses wird Material des Pins (4) durch die Erwärmung der Schweißstrahlung plastifiziert, bis es unter dem Einfluß des Spanndrucks seitlich verdrängt wird, so daß wieder kühlere Materialschichten des Pins der Bestrahlung ausgesetzt sind und sich erwärmen können. Steht die Rate der Materialverdrängung mit der Plastifizierungsrate durch die Schweißstrahlung im Gleichgewicht, so kann das Niederhaltelement (10) eine konstante Zustellbewegung in Richtung des absorbierenden Fügepartners (1) ausführen. Die konkave Einformung im transmissiven Fügepartner (7) unterstützt während der Zustellbewegung die Ausbildung des für den Formschluß notwendigen Nietkopfs (8), indem sie die Fließrichtung des Materials bestimmt. Nachdem ausreichend Material zur Bildung des Nietkopfs (8) verdrängt wurde, ist der formschlüssig zu verbindende Fügepartner (2) fest mir dem absorbierenden Fügepartner (1) verbunden. Da der Pin (4) aus einem laserabsorbierenden Material besteht, das ursprünglich lose aufgelegte Bauteil (3) die Schweißstrahlung (6) jedoch transmittiert, kommt es an der Kontakfläche der beiden Bauteile zur Wärmeerzeugung und schließlich zum stoffschlüssigen Verschweißen.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 3 vor dem Fügeprozess dargestellt. Dann ist das transmissive Bauteil, daß die plastische Deformation des Pins (4) herbeiführt gleichzeitig ein Bauteil der Gesamtbaugruppe, das weitere Funktionen als nur die Erzeugung des Formschlusses hat. So kann im Sinne dieser Funktionsintegration beispielsweise der Deckel eines Elektronikgehäuses (13), der das Gehäuse mediendicht verschließen soll, gleichzeitig zur Ausbildung des Nietkopfes verwendet werden. Dabei wird das Strahlungsfeld der Schweißstrahlung (6), wie in den Ausführungen zum Stand der Technik beschrieben, entlang eines Schweißstegs (11) geführt. Die Steuermittel der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens erlauben es, daß neben dem Schweißsteg (11) auch der Pin (4) in kurzem zeitlichen Abstand von der Bestrahlung des Schweißstegs bestrahlt wird. Unter dem Einfluß des Spanndrucks, der mit Hilfe eines Spannrahmens (12) entlang des umlaufenden Schweißsattels auf den Bauteildeckel (13) und den Schweißsattel (11) einwirkt, kommt es gemäß dem im Stand der Technik beschriebenen Verfahren zu einer Zustellbewegung des Spannrahmens (12) und des Gehäusedeckels (13) in Richtung des strahlungsabsorbierenden Fügepartners (1). Durch die wechselweise Bestrahlung von Schweißsattel (11) und Pin (4) kommt es zu einer Plastifizierung des Pins (4), der dann wie in obiger Ausführungsform beschrieben, durch Materialverdrängung den zum Formschluß notwendigen Nietkopf ausbilden kann.
  • Zwischen dem Schweißsattel (11) und dem Gehäusedeckel (13) sowie zwischen dem Pin und dem Gehäusedeckel (13) kommt es zum Stoffschluß, während zwischen dem Pin (4) als Bestandteil des unteren Fügepartners (1) und der Leiterplatte (2) eine formschlüssige Verbindung erzeugt wurde. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Pin (4) und dem Gehäusedeckel (13) fördert die mechanische Steifigkeit der gesamten Baugruppe, während die umlaufende Verschweißung das Gehäuse mediendicht verschließt. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist, daß der Vorgang des mediendichten Verschweißens von der Erzeugung des Heißverstemmens in Bezug auf die geometrischen Bauteiltoleranzen entkoppelt ist. Würde nämlich das dritte Bauteil (13) direkt zur formschlüssigen Befestigung der Leiterplatte (2) herangezogen werden, so könnten fertigungsübliche Toleranzen der Bauteile zur Folge haben, daß der Gehäusedeckel (13) bereits in Kontakt mir der Leiterplatte kommt, bevor der Schweißsattel (11) um die gewünschte Höhe abgeschmolzen wurde. Umgekehrt könntte der Schweißsattel (11) und der Pin (4) bereits um einen vorbestimmten Wert abgeschmolzen sein, so daß der gesamte Fügeprozeß beendet wird, ohne daß die Leiterplatte (2) jedoch fest gegen den unteren Fügepartner (1) gedrückt wird. Die erfindungsgemäße Erzeugung des Formschlusses durch das verdrängte Material des Pins (4) als Bestandeil des unteren Fügepartners eliminiert dieses Problem jedoch.

Claims (8)

  1. Verfahren zum formschlüssigen Verbinden zweier Bauteile, daß die folgenden Merkmale aufweist: – Positionieren des ersten und zweiten Bauteils zueinander, welche formschlüssig verbunden werden sollen – Verschweißen des ersten der vorgenannten Bauteilen mit einem dritten Bauteil im Durchstrahlverfahren – Beaufschlagen des dritten Bauteils mit einer Fügekraft während des Schweißprozess dadurch gekennzeichnet, daß – durch eine Zustellbewegung des dritten Bauteils während des Schweißprozesses relativ zum ersten Bauteil Material aus plastisch verfombaren Bereichen des ersten Bauteils derart verdrängt wird, daß das verdrängte Material eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil erzeugt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Fügevorgangs zusätzlich Bereiche des ersten und des dritten Bauteils miteinander stoffschlüssig verschweißt werden, deren plastische Deformation keinen Formschluß mit dem zweiten Bauteil erzeugt.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das dritte Bauteil aus thermoplastischem Kunststoff besteht.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil ein Elektronikgehäuse und das dritte Bauteil ein Deckel für dieses Gehäuse ist.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bauteil ein Schaltungsträger ist.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung, die zum Plastifizieren und Verschweißen der Bauteile eingesetzt wird, Laserstrahlung des nahen infaroten Wellenlängenbereichs ist.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung, die zum Plastifizieren und Verschweißen der Bauteile eingesetzt wird, polychromatische Strahlung, erzeugt von einer Halogen- oder Kurzbogenlampe ist.
  8. Vorrichtung zum Erzeugen von Formschluß zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil unter gleichzeitigem stoffschlüssigen Verbinden des ersten Bauteils mit einem dritten Bauteil, umfassend: – eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von elektromagnetischer Schweißstrahlung – eine Einrichtung zum Fokussieren der Schweißstrahlung zu einem Schweißstrahlungsfeld – eine Einrichtung zum Positionieren des Schweißstrahlungsfeldes relativ zu den zu fügenden Bauteilen – eine Einrichtung zum Beaufschlagen des ersten und dritten Bauteils mit einer Fügekraft, die eine Zustellbewegung ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß – die Steuermittel der Vorrichtung ein wechselweises Bestrahlen von Materialbereichen, die eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und dem dritten Bauteil eingehen sollen, ohne dabei einen Formschluß mit dem zweiten Bauteil zu erzeugen, und Bereichen, die zwischen dem ersten und dem dritten Bauteil eine stoffschlüssige Verbindung eingehen sollen und zusätzlich eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil durch plastische Verformung erzeugen, ermöglichen.
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