DE102017200558A1 - Composite component with at least two components and method for producing such a composite component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Bauteilverbund und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes, der mindestens zwei Bauteile umfasst, die an mindestens einer Fügestelle miteinander verbunden sind, wobei ein erstes Bauteil (2) an der Fügestelle ein Fügehilfselement (4) umfasst und das Fügehilfselement(4) stoffschlüssig mit dem zweiten Bauteil (3) oder mit einem in dem zweiten Bauteil (3) vorgesehenen zweiten Fügehilfselement (9) verbunden ist. In dem ersten Bauteil (2) ist an der Fügestelle ein Durchgangsloch (7) ausgebildet, wobei das Durchgangsloch (7) in einem ersten Randbereich durch eine erste Einprägung (8) verbreitert ist, die sich über mehr als 50% der Tiefe des Durchgangslochs (7) erstreckt und das Fügehilfselement (4) in das die erste Einprägung (8) umfassende Durchgangsloch (7) formschlüssig und/oder kraftschlüssig eingepresst ist.The invention relates to a component assembly and a method for producing a component composite comprising at least two components that are connected to one another at at least one joint, wherein a first component (2) at the joint comprises a joining auxiliary element (4) and the joining auxiliary element (4). cohesively connected to the second component (3) or with a second component (3) provided in the second joining auxiliary element (9). In the first component (2), a through hole (7) is formed at the joint, wherein the through hole (7) is widened in a first edge region by a first indentation (8) which extends over more than 50% of the depth of the through hole (7). 7) and the joining auxiliary element (4) is pressed into the through hole (7) comprising the first indentation (8) in a form-fitting and / or non-positive manner.
Description
Die Erfindung betrifft einen mindestens zwei Bauteile umfassenden Bauteilverbund sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes.The invention relates to a composite component comprising at least two components and to a method for producing a component composite.
Der vermehrte Einsatz von Leichtbauwerkstoffen führt in der Fahrzeugindustrie zu immer neuen fertigungstechnischen Herausforderungen. Jahrzehntelang eingesetzte Fügeverfahren, die auf die Verwendung von Stahlwerkstoffen zugeschnitten sind, lassen sich nur bedingt auf moderne Leichtbauwerkstoffe übertragen.The increased use of lightweight materials in the vehicle industry leads to ever new manufacturing challenges. For decades, joining processes that are tailored to the use of steel materials can only be conditionally transferred to modern lightweight materials.
Beispielsweise ist heutzutage ein direktes Verschweißen oder Verlöten von Bauteilen nicht immer möglich, bspw. wenn Werkstoffpaarungen aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen, wie z.B. Aluminium und Stahl, oder artfremden Werkstoffen, wie z.B. Metallen und Faserverbundwerkstoffen, gefügt werden sollen.For example, nowadays, direct welding or soldering of components is not always possible, for example if material pairings of different metal materials, such as e.g. Aluminum and steel, or dissimilar materials, e.g. Metals and fiber composites to be joined.
Die Patentschrift
Als Stand der Technik werden im Weiteren die Patentschriften
Die im Stand der Technik verwendeten niet- oder nagelartigen Hilfsfügeelemente werden auch als Widerstandsschweißelemente bezeichnet. Zum Stand der Technik wird ergänzend auf die Patentschrift
Aus der nicht vorveröffentlichten Druckschrift
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit anzugeben, mit der auch bei schwierigen Werkstoffpaarungen ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Bauteilverbund hergestellt werden kannAgainst this background, it is the object of the present invention to provide a possibility with which a comparison with the prior art improved component assembly can be made even with difficult material pairings
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Bauteilverbund nach Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren nach Patentanspruch 13. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.The object is achieved by a component assembly according to
Es wird ein Bauteilverbund angegeben, der mindestens zwei Bauteile umfasst, die an mindestens einer Fügestelle miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß umfasst ein erstes Bauteil an der Fügestelle ein Fügehilfselement und das Fügehilfselement ist stoffschlüssig mit dem zweiten Bauteil oder mit einem in dem zweiten Bauteil vorgesehenen zweiten Fügehilfselement verbunden. Wesentlich ist, dass in dem ersten Bauteil an der Fügestelle ein Durchgangsloch ausgebildet ist, das in einem ersten Randbereich durch eine erste umlaufende Einprägung verbreitet ist, die sich über mehr als 50% der Tiefe des Durchgangslochs erstreckt. Das Fügehilfselement ist in das die erste Einprägung umfassende Durchgangsloch formschlüssig und kraftschlüssig eingepresst.It is specified a composite component comprising at least two components which are connected to each other at least one joint. According to the invention, a first component comprises a joining auxiliary element at the joint, and the joining auxiliary element is integrally connected to the second component or to a second joining auxiliary element provided in the second component. It is essential that in the first component at the joint, a through hole is formed, which is spread in a first edge region by a first circumferential indentation, which extends over more than 50% of the depth of the through hole. The joining auxiliary element is pressed positively and non-positively into the through hole comprising the first indentation.
Vorzugsweise ist die erste Einprägung in einen Randbereich des ersten Bauteils eingebracht, welcher dem zweiten Bauteil abgewandt ist.Preferably, the first impression is introduced into an edge region of the first component, which faces away from the second component.
Das Durchgangsloch kann z.B. durch Schneiden oder Stanzen ausgebildet sein und weist vorzugsweise eine geschlossene Loch- bzw. Schnittkontur auf. Zu den Bauteiloberflächen ist das Durchgangsloch jeweils durch einen Randbereich begrenzt. Das Fügehilfselement ist mit dem ersten Bauteil formschlüssig quer zur Fügeachse verbunden. Die Lochgeometrie des Durchgangslochs und die Außengeometrie des Fügehilfselements sind zumindest teilweise entsprechend aufeinander abgestimmt.The through-hole may be e.g. be formed by cutting or punching and preferably has a closed hole or sectional contour. To the component surfaces, the through hole is bounded in each case by an edge region. The joining auxiliary element is connected to the first component in a form-fitting manner transversely to the joining axis. The hole geometry of the through hole and the outer geometry of the joining auxiliary element are at least partially matched accordingly.
Das Durchgangsloch und/oder die Einprägung können z.B. einen kreisförmigen Querschnitt oder alternative Querschnitte aufweisen. So kann die Einbringung eines Klebstoffs erleichtert sein, wenn der Loch- und/oder Einprägungsquerschnitt z.B. eine gezackte oder mehreckige Form aufweisen, oder das Durchgangsloch mit Einprägung kronenförmig ausgestaltet ist.The through-hole and / or the embossment may e.g. have a circular cross section or alternative cross sections. Thus, the introduction of an adhesive may be facilitated if the hole and / or embossing cross section, e.g. have a serrated or polygonal shape, or the through hole with embossment is designed crown-shaped.
Im Bereich der Einprägung ist der Lochquerschnitt vergrößert, z.B. ist der Durchmesser des Durchgangslochs im Bereich der Einprägung vergrößert. Das Fügehilfselement weist im Bereich der Einprägung einen Hinterschnitt aus, der das Fügehilfselement in eine Richtung formschlüssig gegen ein Durchdrücken durch das Durchgangsloch sichert. Entgegen der Vermutung, dass sich die im Bereich der Fase reduzierte Bauteildicke nachteilig auf die Festigkeit der Verbindung auswirkt, hat sich gezeigt, dass überraschend hohe Festigkeiten erzielbar sind. Als Ursache wird hier vermutet, dass dies auf den Vorgang des Einprägens zurückzuführen ist, wodurch eine Werkstoffverfestigung im Randbereich der Einprägung erzielt wird, die im Zusammenspiel mit dem nachfolgenden Einpressen des Fügehilfselements noch gesteigert wird. Weiterhin wurde festgestellt, dass durch das Einbringen der Einprägung auch eine Reduzierung der Wasserstoffversprödung stattfindet und einer Kantenrissempfindlichkeit in diesem Bereich entgegengewirkt werden kann. Es hat sich gezeigt, dass die resultierende Bauteilverbindung überraschend hohe Festigkeitswerte aufweist, teilweise sind Festigkeitswerte erzielbar, die über der Festigkeit des Grundmaterials des ersten Bauteils liegen.In the area of the embossing, the hole cross section is enlarged, for example, the diameter of the through hole in the area of the embossment is increased. In the region of the impression, the joining auxiliary element has an undercut which secures the joining auxiliary element in one direction in a form-fitting manner against being pushed through the through-hole. Contrary to the assumption that the component thickness reduced in the area of the chamfer adversely affects the strength of the connection, it has been found that surprisingly high strengths can be achieved. The cause is assumed to be that this is due to the process of imprinting, whereby a material hardening in the edge region of the embossment is achieved, which is further increased in interaction with the subsequent pressing of the joining auxiliary element. Furthermore, it was found that the introduction of the impression also leads to a reduction of the hydrogen embrittlement and an edge crack sensitivity in this area can be counteracted. It has been found that the resulting component connection has surprisingly high strength values, in some cases strength values can be achieved which are above the strength of the base material of the first component.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn in einer Ausgestaltung die Einprägung als umlaufende Fase ausgestaltet ist. Im Bereich der Fase ist die Lochwandung gegenüber der Längsachse des Durchgangslochs geneigt und der Durchmesser des Durchgangslochs vergrößert sich im Bereich der Fase zum Rand des Durchgangslochs hin kontinuierlich.It has proven to be particularly advantageous if, in one embodiment, the indentation is configured as a circumferential chamfer. In the region of the chamfer, the hole wall is inclined with respect to the longitudinal axis of the through-hole and the diameter of the through-hole increases continuously in the region of the chamfer towards the edge of the through-hole.
Die stoffschlüssige Verbindung besteht zwischen dem Fügehilfselement und dem zweiten Bauteil oder einem in dem zweiten Bauteil vorgesehenen zweiten Fügehilfselement. Die Fügeverbindung kann z.B. als Schweißverbindung, Lötverbindung und/oder Klebeverbindung ausgebildet sein.The cohesive connection exists between the joining auxiliary element and the second component or a second joining auxiliary element provided in the second component. The joint connection may e.g. be designed as a welded joint, solder joint and / or adhesive bond.
Das Fügehilfselement ist z.B. aus einem Material ausgebildet, dass eine stoffschlüssige Verbindung mit dem zweiten Bauteil ermöglicht. Vorzugsweise ist das Fügehilfselement aus einem Metallmaterial ausgebildet, welches bezüglich des zweiten Bauteils eine ausreichende Schweiß- oder Löteignung aufweist, z.B. aus einem Stahl- oder Aluminiumwerkstoff. Das Fügehilfselement kann auch aus einem mehrschichtigen Blechmaterial, wie z.B. einem Bimetallmaterial, ausgebildet sein. Das Fügehilfselement hat vor dem Einpressen vorzugsweise eine Querschnittsfläche (quer zur Presskraft) von mindestens 20 mm2 oder mindestens 50 mm2 oder mindestens 1 cm2.The joining auxiliary element is formed, for example, from a material that enables a material-locking connection with the second component. Preferably, the joining auxiliary element is formed from a metal material which has sufficient weldability or solderability with respect to the second component, for example of a steel or aluminum material. The joining auxiliary element may also be formed of a multilayer sheet material, such as a bimetallic material. The joining auxiliary element preferably has a cross-sectional area (transverse to the pressing force) of at least 20 mm 2 or at least 50 mm 2 or at least 1 cm 2 before being pressed in.
Das Fügehilfselement kann an die Geometrie des Durchgangslochs mit Einprägung angepasst sein und z.B. einen Schaft aufweisen, der in das Durchgangsloch eingepresst wird und einen Kopfabschnitt, der vorzugsweise vollständig von der Einprägung aufgenommen wird. In einer Ausgestaltung wird als Fügehilfselement vorzugsweise ein Metallbutzen verwendet. Unter einem Metallbutzen wird ein kopf- und schaftloses Metall- bzw. Blechplättchen verstanden, das zuvor z.B. durch Ausstanzen oder Ausschneiden aus einem Blechmaterial o.ä. erzeugt wurde. Der Metallbutzen kann vor dem Einpressen vorzugsweise eine annähernd zylindrische Form aufweisen und z.B. zusätzlich mit einer umlaufenden Fase oder Facettierung versehen sein. Für den Metallbutzen kann vorzugsweise ein Abfallstück verwendet werden oder dieser kann aus einem Abfallstück hergestellt werden.The joining auxiliary element can be adapted to the geometry of the through hole with embossing and, e.g. a shaft which is pressed into the through hole and a head portion, which is preferably completely absorbed by the indentation. In one embodiment, a metal slug is preferably used as a joining auxiliary element. A metal stud is understood to mean a headless and unshaped metal plate which has been previously used e.g. by punching or cutting out of a sheet metal material or similar was generated. The metal slug may preferably have an approximately cylindrical shape before being pressed in, and e.g. additionally be provided with a circumferential bevel or faceting. For the metal scraps, a scrap piece may preferably be used or it may be made from a scrap piece.
Ebenso kann das Fügehilfselement durch ein vorgeformtes Element, z.B. in der Art eines Gewindebuchsens oder Helicoils, ausgebildet sein. Hinsichtlich reduzierter Einpresskräfte kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn das Fügehilfselement als rohrförmiges Element bereitgestellt wird. Durch das Einpressen kollabiert die Rohrwandung und das Material des zuvor rohrförmigen Elements wird verformt, z.B. kann gestaucht werden oder fließen, zur Erzielung des gewünschten Kraft- und/oder Formschlusses im Bauteil.Likewise, the joining auxiliary can be formed by a preformed element, e.g. in the manner of a threaded bushing or Helicoils be formed. With regard to reduced press-in forces, it may furthermore be advantageous if the joining auxiliary element is provided as a tubular element. By pressing in, the tube wall collapses and the material of the previously tubular element is deformed, e.g. can be compressed or flow, to achieve the desired force and / or positive connection in the component.
Eine besonders flache Gestaltung der Bauteilverbindung wird möglich, wenn das Fügehilfselement auf der dem zweiten Bauteil abgewandten Seite vollständig vom Durchgangsloch aufgenommen ist. Das Fügehilfselement kann vorteilhafter weise bündig mit der Oberfläche des Bauteils abschließen oder sogar gegenüber dieser zurückversetzt sein. Dies wird möglich, da es aufgrund der hohen erzielbaren Festigkeiten der erfindungsgemäßen Bauteilverbindung im Gegensatz zu herkömmlichen Schweißhilfsfügeteilen nicht notwendig ist, dass sich das Fügehilfselement mit einem Kopf zusätzlich auf der Bauteiloberfläche abstützt.A particularly flat design of the component connection is possible if the joining auxiliary element is completely received on the side facing away from the second component from the through hole. The joining auxiliary element may advantageously be flush with the surface of the component or even set back relative to this. This is possible because it is not necessary because of the high achievable strengths of the component connection according to the invention in contrast to conventional Schweißhilfsfügeteilen that the joining auxiliary element is additionally supported with a head on the component surface.
Auf der dem zweiten Bauteil zugewandten Seite kann das Fügehilfselement ebenfalls vollständig von dem Durchgangsloch aufgenommen sein. Zur Ausbildung der Fügeverbindung kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn das Fügehilfselement auf der dem zweiten Bauteil zugewandten Seite gegenüber der Oberfläche des ersten Bauteils vorsteht bzw. einen vorstehenden Teilbereich aufweist. So kann z.B. ein definierter Abstand zwischen den beiden Bauteilen eingestellt werden oder ein Entgasungsspalt während des Fügevorgangs sichergestellt sein.On the side facing the second component, the joining auxiliary element may also be completely received by the through hole. However, to form the joint connection, it may also be advantageous if the joining auxiliary element protrudes on the side facing the second component with respect to the surface of the first component or has a protruding partial region. Thus, e.g. a defined distance between the two components can be set or a degassing gap can be ensured during the joining process.
Die Einprägung kann einseitig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Einprägung umlaufend um das Durchgangsloch im gesamten Randbereich ausgebildet. Die Einprägung kann sich insbesondere auch über mehr als 60% oder mehr als 70% der Tiefe des Durchgangslochs erstrecken. Ist die Einprägung als Fase ausgebildet, so kann die Lochwandung im Bereich der Fase z.B. um einen Winkel gegenüber der Längsachse des Durchgangslochs geneigt sein, der in einem Bereich von 30 bis 60 Grad oder in einem Bereich von 40 bis 50 Grad liegt und insbesondere 45 Grad betragen kann.The imprint may be formed on one side. Preferably, the embossment is formed circumferentially around the through hole in the entire edge region. In particular, the embossment can extend over more than 60% or more than 70% of the depth of the through hole. If the indentation is formed as a chamfer, then the hole wall in the region of the chamfer can e.g. be inclined at an angle to the longitudinal axis of the through hole, which is in a range of 30 to 60 degrees or in a range of 40 to 50 degrees, and in particular may be 45 degrees.
Die Fixierung des Fügehilfselements im ersten Bauteil kann in einer Ausgestaltung dadurch verbessert sein, dass an dem zweiten Randbereich des Durchgangslochs eine zweite umlaufende Einprägung ausgebildet ist, die vorzugsweise als eine zweite umlaufende Fase ausgebildet ist. In dieser Ausgestaltung weist das Durchgangsloch zwei sich gegenüberliegende Einprägungen bzw. Fasen auf und das verpresste Fügehilfselement ist durch einen Hinterschnitt an der ersten und zweiten Einprägung bzw. Fase in Längsrichtung des Durchgangslochs formschlüssig mit dem ersten Bauteil verbunden und greift in die Einprägungen bzw. Fasen ein. Insbesondere kann sich die zweite Einprägung bzw. Fase so tief in das Bauteil erstrecken, dass sie an die erste Einprägung bzw. Fase angrenzt.The fixation of the joining auxiliary element in the first component can be improved in one embodiment in that a second circumferential impression is formed on the second edge region of the through-hole, preferably as a second circumferential chamfer is formed. In this embodiment, the through-hole has two opposing embossments or bevels and the pressed-together joining auxiliary element is positively connected to the first component by an undercut on the first and second embossing or chamfer in the longitudinal direction of the through-hole and engages in the indentations or chamfers , In particular, the second indentation or bevel can extend so deeply into the component that it adjoins the first indentation or chamfer.
In einer Ausgestaltung ist das Fügehilfselement zur Herstellung des Bauteilverbundes stoffschlüssig mit dem Grundwerkstoff des zweiten Bauteils verbunden. Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das Fügehilfselement aus einem Material ausgebildet ist, das mit dem Grundwerkstoff des zweiten Bauteils ausreichend stoffschlüssig fügbar ist, vorzugsweise ausreichend schweiß- oder lötbar ist.In one embodiment, the joining auxiliary element for producing the component composite is integrally bonded to the base material of the second component. For this purpose, it is particularly advantageous if the joining auxiliary element is formed from a material which is sufficiently cohesively pliable with the base material of the second component, preferably sufficiently weldable or solderable.
Alternativ können auch beide Bauteile an der mindestens einen Fügestelle ein Fügehilfselement aufweisen und die beiden Fügehilfselemente werden miteinander stoffschlüssig gefügt. In diesem Fall werden die Materialien der Fügehilfselemente vorzugsweise so gewählt, dass die Fügehilfselemente ausreichend gut miteinander stoffschlüssig fügbar sind, vorzugsweise ausreichend schweiß- oder lötbar sind. Das zweite Fügehilfselement kann wie das erste Fügehilfselement oder anders ausgebildet sein.Alternatively, both components can also have a joining auxiliary element on the at least one joint, and the two joining auxiliary elements are joined together in a material-locking manner. In this case, the materials of the joining auxiliary elements are preferably selected so that the joining auxiliary elements are sufficiently good together material fit available, preferably are sufficiently weldable or solderable. The second joining auxiliary element can be designed like the first joining auxiliary element or differently.
Ist an der mindestens einen Fügestelle des zweiten Bauteils ebenfalls ein Fügehilfselement (als zweites Fügehilfselement bezeichnet) vorgesehen, so ist diese Fügestelle vorzugsweise ebenso ausgebildet, wie für das erste Bauteil beschrieben, d.h., vorzugsweise ist in dem zweiten Bauteil an der Fügestelle ein Durchgangsloch (als zweites Durchgangsloch bezeichnet) ausgebildet, wobei das zweite Durchgangsloch in einem ersten Randbereich, welcher dem ersten Bauteil abgewandt ist, durch eine erste Einprägung verbreitert ist, die sich über mehr als 50% der Tiefe des zweiten Durchgangslochs erstreckt und das zweite Fügehilfselement in das die erste Einprägung umfassende Durchgangsloch formschlüssig und kraftschlüssig eingepresst ist. Es kann vorteilhaft sein, wenn sowohl die Einprägungen im ersten als auch im zweiten Bauteil als Fasen ausgebildet sind.If a joining auxiliary element (referred to as a second joining auxiliary element) is also provided on the at least one joint of the second component, then this joint is preferably designed as described for the first component, ie, preferably a through-hole (as the first component) in the second component second through hole), wherein the second through hole in a first edge portion facing away from the first member is broadened by a first indentation extending over more than 50% of the depth of the second through hole and the second joining auxiliary member into the first one Imprint comprehensive through hole is pressed form-fitting and non-positively. It may be advantageous if both the indentations in the first and in the second component are formed as chamfers.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind das erste und zweite Bauteil aus einem Leichtbauwerkstoff, wie z.B. einem Leichtmetall (z.B. Aluminium, Magnesium oder ihre Legierungen) oder aus einem Faserverbundkunststoff ausgebildet und das erste und zweite Fügehilfselement sind aus einem Stahlwerkstoff ausgebildet. Ein solcher Bauteilverbund ermöglicht es insbesondere, bereits vorhandene Fügevorrichtungen, wie z.B. Schweißzellen, auch zum Fügen zweier Bauteile aus Leichtbauwerkstoffen weiterzuverwenden.In a preferred embodiment, the first and second components are made of a lightweight material, such as e.g. a light metal (e.g., aluminum, magnesium or their alloys) or a fiber composite plastic, and the first and second joining auxiliary members are formed of a steel material. Such a component composite makes it possible, in particular, to use already existing joining devices, such as e.g. Welding cells, also for joining two components made of lightweight materials continue to use.
Zwischen dem ersten Fügehilfselement und dem ersten Bauteil und/oder dem zweiten Fügehilfselement und dem zweiten Bauteil kann jeweils ein Zwischenschichtelement mit eingepresst sein. Das Zwischenschichtelement kann z.B. eine Folie oder Materialschicht sein, die eine galvanische Trennung zwischen dem Fügehilfselement und dem Bauteil bewirkt.Between the first joining auxiliary element and the first component and / or the second joining auxiliary element and the second component, in each case an intermediate layer element can be pressed in with it. The interlayer element may e.g. a film or layer of material that causes a galvanic separation between the joining auxiliary and the component.
Das Fügehilfselement kann mit dem Zwischenschichtelement und/oder dem Bauteil, in das es eingepresst ist, zusätzlich stoffschlüssig verbunden sein.The joining auxiliary element may additionally be connected to the intermediate layer element and / or the component into which it is pressed, in a materially bonded manner.
Der Bauteilverbund kann eine einzige Fügestelle aufweisen, vorzugsweise sind die Bauteile jedoch an mehreren Fügestellen miteinander verbunden. Die mehreren Fügestellen können identisch ausgebildet sein oder auch unterschiedlich.The component composite may have a single joint, but preferably the components are connected to each other at a plurality of joints. The multiple joints may be identical or different.
Der Bauteilverbund kann weiterhin ein drittes oder weitere Bauteile aufweisen, welche ebenfalls mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens oder mittels anderer bekannter Fügeverfahren verbunden sind.The component composite may further comprise a third or further components, which are also connected by means of the described method or by means of other known joining methods.
Das erste und zweite und ggf. weitere Bauteile können aus einem Blechmaterial (bspw. einem Stahlblech, Aluminiumblech oder Magnesiumblech) oder einem blechähnlichen Material, wie z.B. einem faserverstärkten Kunststoffmaterial (z.B. kohlenstofffaser-, glasfaser- oder aramidfaserverstärkt) ausgebildet sein. Prinzipiell kann es sich auch um ein Profilteil, ein Gussteil oder dergleichen handeln, das an der Fügestelle blechartig ausgebildet ist. Die voranstehend beschriebene Bauteilverbindung ist für alle Materialstärken geeignet, eignet sich z.B. besonders für Materialstärken im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm und insbesondere auch für Dünnbleche bzw. Feinbleche mit einer Stärke von 2,99 mm oder weniger.The first and second and optionally further components may be made of a sheet metal material (for example a steel sheet, aluminum sheet or magnesium sheet) or a sheet-like material, such as e.g. a fiber reinforced plastic material (e.g., carbon fiber, glass fiber or aramid fiber reinforced). In principle, it may also be a profile part, a casting or the like, which is formed like a sheet metal at the joint. The component connection described above is suitable for all material thicknesses, is suitable e.g. especially for material thicknesses in the range of 0.5 mm to 5 mm and in particular also for thin sheets or thin sheets with a thickness of 2.99 mm or less.
Bei dem Bauteilverbund handelt es sich bevorzugt um ein Fahrzeugbauteil und besonders bevorzugt um ein Karosseriebauteil, vorzugsweise einer PKW-Karosserie. Ebenso kann es sich z.B. auch um ein Interieurbauteil handeln.The component assembly is preferably a vehicle component and particularly preferably a body component, preferably a car body. It may also be e.g. also act as an interior component.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes angegeben, der wenigstens ein erstes und zweites Bauteil umfasst sowie eine stoffschlüssige Fügeverbindung an wenigstens einer Fügestelle. Das mindestens erste und zweite Bauteil sind durch die mindestens einer Fügestelle miteinander verbunden. In dem ersten Bauteil wird an der wenigstens einen Fügestelle ein Durchgangsloch erzeugt und es wird eine Einprägung so ausgebildet, dass das Durchgangsloch an einem Randbereich verbreitert ist, wobei sich die Einprägung über mehr als 50% der Tiefe des Durchgangslochs erstreckt. Ein Fügehilfselement wird kraftschlüssig und formschlüssig in das Durchgangsloch mit Einprägung eingepresst. Das erste und zweite Bauteil werden relativ zueinander positioniert und ausgerichtet. Es wird eine stoffschlüssige Fügeverbindung an der wenigstens einen Fügestelle durch Schweißen, Löten oder Kleben erzeugt, wobei das Fügehilfselement mit dem Grundwerkstoff des zweiten Bauteils stoffschlüssig verbunden wird oder mit einem zweiten Fügehilfselement, das an der Fügestelle in dem zweiten Bauteil vorgesehen ist..Furthermore, a method for producing a component composite is specified, which comprises at least a first and second component and a cohesive joint connection to at least one joint. The at least first and second components are connected to one another by the at least one joint. In the first component, a through-hole is produced at the at least one joint, and an indentation is formed such that the through-hole is widened at an edge region, wherein the indentation overlies extends more than 50% of the depth of the through hole. A joining auxiliary element is pressed into the through-hole with an embossing in a non-positive and positive manner. The first and second components are positioned and aligned relative to one another. A bonded joint connection is produced at the at least one joint by welding, soldering or gluing, wherein the joining auxiliary element is materially connected to the base material of the second component or with a second joining auxiliary element which is provided at the joint in the second component.
Vorzugsweise werden die Bauteile so zueinander positioniert, dass die erste Einprägung dem zweiten Bauteil abgewandt ist.Preferably, the components are positioned to each other so that the first impression is remote from the second component.
Das Fügehilfselement wird in einer Ausgestaltung mit dem Grundwerkstoff des zweiten Bauteils stoffschlüssig verbunden. In einer alternativen Ausgestaltung wird das Fügehilfselement mit einem zweiten Fügehilfselement verbunden, welches an der Fügestelle in dem zweiten Bauteil vorgesehen ist. The joining auxiliary element is materially connected in one embodiment with the base material of the second component. In an alternative embodiment, the joining auxiliary element is connected to a second joining auxiliary element, which is provided at the joint in the second component.
Ist an der mindestens einen Fügestelle auch in dem zweiten Bauteil ein Fügehilfselement vorgesehen, so wird vorzugsweise in dem zweiten Bauteil an der wenigstens einen Fügestelle ebenfalls ein Durchgangsloch erzeugt und ebenfalls eine Einprägung so ausgebildet, dass das Durchgangsloch an einem Randbereich verbreitert ist, wobei sich die Einprägung über mehr als 50% der Tiefe des Durchgangslochs erstreckt. Das zweite Fügehilfselement wird in das Durchgangsloch im zweiten Bauteil eingepresst und das erste und zweite Bauteil werden zur Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung vorzugsweise so zueinander positioniert, dass die Einprägung im ersten Bauteil und die Einprägung im zweiten Bauteil einander abgewandt sind.If a joining auxiliary element is also provided in the second component at the at least one joint, preferably a through hole is also produced in the second component at the at least one joint and likewise an embossing is formed such that the through hole is widened at an edge region, wherein the Imprint over more than 50% of the depth of the through hole extends. The second joining auxiliary element is pressed into the through hole in the second component and the first and second components are preferably positioned relative to each other to form the integral connection so that the embossment in the first component and the embossing in the second component are remote from each other.
Die Einprägung wird z.B. durch Prägen mittels eines entsprechend geformten Prägewerkzeugs ausgebildet. Dies kann zeitgleich mit dem Erzeugen des Durchgangslochs oder in einem separaten Fertigungsschritt erfolgen, z.B. vor oder nach dem Erzeugen des Durchgangslochs. Handelt es sich bei dem Bauteil mit Durchgangsloch um ein Bauteil aus einem Faserverbundkunststoff (FVK) so kann das Durchgangsloch mit der Einprägung beispielsweise bereits bei der Herstellung des FVK-Bauteils ausgebildet werden. Auch eine solche Einprägung erzielt die beschriebene Verfestigung aufgrund eines erhöhten Faservolumenanteils im Randbereich des Durchgangslochs.The imprint is e.g. formed by embossing by means of a correspondingly shaped embossing tool. This can be done simultaneously with the creation of the through-hole or in a separate manufacturing step, e.g. before or after generating the through-hole. If the component with through-hole is a component made of a fiber-reinforced plastic (FRP), then the through-hole with the embossment can already be formed, for example, during the production of the FRP component. Also, such an embossing achieves the described solidification due to an increased fiber volume fraction in the edge region of the through-hole.
Wird das Durchgangsloch in einem Metallbauteil ausgebildet, so kann es in einer Ausgestaltung vorteilhaft sein, wenn das Einprägen der Einprägung bzw. Fase vor dem Ausbilden des Durchgangslochs erfolgt. Das Einprägen der Einprägung bzw. Fase erzeugt eine Einkerbung im Metallbauteil, wobei eine eventuell vorhandene Bauteilbeschichtung oder Oxidschicht an den Kerbflächen zumindest teilweise erhalten bleibt.If the through-hole is formed in a metal component, then it may be advantageous in one embodiment if the stamping of the indentation or chamfer takes place prior to the formation of the through-hole. The embossing of the indentation or chamfer produces a notch in the metal component, wherein a possibly present component coating or oxide layer at the notched surfaces is at least partially retained.
Darüber hinaus kann bei dem Einpressen des Fügehilfselements in das Bauteil zusätzlich ein Zwischenschichtelement, z.B. eine Folie zur Verhinderung von Kontaktkorrosion oder eine Klebeschicht, zwischen das Fügehilfselement und die Lochwandung eingebracht werden.In addition, when the joining auxiliary member is pressed into the component, an intermediate layer element, e.g. a film for preventing contact corrosion or an adhesive layer, are introduced between the joining auxiliary and the hole wall.
Das Einpressen des Fügehilfselements erfolgt z.B. mit einem geeigneten Werkzeug, z.B. einem Presswerkzeug oder einem C-Bügel. Hierzu wird der Halteabschnitt des Fügehilfselements in das entsprechende Durchgangsloch eingeführt und dort verpresst, wobei das Material des Halteabschnitts dauerhaft verformt wird und an die Lochwandung kraftschlüssig angepresst wird. Weiterhin kann in einigen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass zudem das Material des Halteabschnitts in den eingeprägten bzw. angefasten Bereich fließt und dort jeweils einen Hinterschnitt ausbildet. Das Fügehilfselement ist somit auch in Richtung der Fügeachse F formschlüssig im Bauteil fixiert.The pressing of the joining auxiliary element takes place e.g. with a suitable tool, e.g. a pressing tool or a C-clamp. For this purpose, the holding portion of the joining auxiliary member is inserted into the corresponding through hole and pressed there, wherein the material of the holding portion is permanently deformed and pressed against the hole wall frictionally. Furthermore, it can be provided in some embodiments that, moreover, the material of the holding section flows into the embossed or beveled region and forms an undercut there. The joining auxiliary element is thus fixed in the form of a component in the direction of the joining axis F.
Weiterhin ist es möglich, das Durchgangsloch und/oder die Einprägung nicht in einem separaten Schritt, sondern durch das Einbringen des Fügehilfselements selbst zu erzeugen. Das Durchgangsloch kann z.B. erzeugt werden, indem ein selbstfurchendes Fügehilfselement, z.B. mittels Drehschlag, in das Bauteil eingetrieben wird.Furthermore, it is possible to produce the through-hole and / or the embossing not in a separate step, but by the introduction of the joining auxiliary element itself. The through-hole may be e.g. can be generated by using a self-tapping joining element, e.g. by means of a rotary impact, is driven into the component.
Mit dem Verfahren können die Bauteile in der Art einer Vorfixierung verbunden sein und anschließend durch weitere Fügeverfahren zusätzlich miteinander verbunden werden. Ebenso ist es möglich, dass der Bauteilverbund nur durch das voranstehend beschriebene Verfahren ausgebildet wird, wobei die Bauteile vorzugsweise an mehreren Fügestellen verbunden werden.With the method, the components can be connected in the manner of a prefixing and then additionally connected to each other by further joining methods. It is also possible that the component assembly is formed only by the method described above, wherein the components are preferably connected at a plurality of joints.
Wird zwischen dem Fügehilfselement und dem Bauteil zusätzlich eine weitere Schicht eingebracht (z.B. zur elektrochemischen Trennung oder eine Klebeschicht) so kann durch das Verpressen und/oder eine Wärmebehandlung zusätzlich eine stoffschlüssige Verbindung erreicht werden. Die Wärmebehandlung kann vor, während oder nach dem Einpressvorgang erfolgen. If, in addition, a further layer is introduced between the joining auxiliary element and the component (for example for electrochemical separation or an adhesive layer), a cohesive connection can additionally be achieved by the pressing and / or a heat treatment. The heat treatment can take place before, during or after the press-fitting process.
Ebenso kann durch ein Verschweißens des Fügehilfselements mit einem weiteren Bauteil zusätzlich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Fügehilfselement und demjenigen Bauteil entstehen, in das das Fügehilfselement eingepresst ist.Likewise, by welding the joining auxiliary element to a further component, a cohesive connection between the joining auxiliary element and that component can be additionally produced in which the joining auxiliary element is pressed.
Das Verfahren wird zur Herstellung des voranstehend beschriebenen Bauteilverbundes verwendet, so dass dieselben technischen Wirkungen und Vorteile erreicht werden, wie sie hierzu beschrieben sind. The method is used for the production of the component composite described above, so that the same technical effects and advantages are achieved, as described here.
Die Erfindung weist u.a. folgende Vorteile auf:
- - Das Verfahren ermöglicht die kostengünstige und reproduzierbare Herstellung von Bauteilverbunden und Zusammenbauteilen, insbesondere in Mischbauweise.
- - Das Verfahren ermöglicht es, Bauteilverbunde mit Leichtbauwerkstoffen, wie z.B. Aluminium, in bestehenden Schweißanlagen und mit bestehenden Schweißprozesse fügen zu können, da z.B. durch den Einsatz von Fügehilfsteilen aus Stahl auch Aluminiumbauteile miteinander oder Aluminium- mit Stahlbauteilen in bestehenden Punktschweißanlagen gefügt werden können .
- - Eine erfindungsgemäße Fügeverbindung kann gegenüber bekannten Fügeverbindungen gewichtsneutral oder gewichtsvorteilig sein.
- - Eine erfindungsgemäße Fügeverbindung zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit bei hoher Flexibilität der Gestaltung der Fügeverbindung aus.
- - Die erfindungsgemäße Fügeverbindung ist insbesondere für Dünnblechverbindungen geeignet.
- - The method allows the cost-effective and reproducible production of component composites and components, especially in mixed construction.
- - The process makes it possible to add component composites with lightweight materials, such as aluminum, in existing welding systems and existing welding processes, since, for example, by the use of joint support parts made of steel aluminum components can be joined together or aluminum with steel components in existing spot welding systems.
- A joining compound according to the invention can be weight-neutral or weight-advantageous compared with known joining compounds.
- - A joining compound according to the invention is characterized by a high strength with high flexibility of the design of the joint connection.
- - The joint compound according to the invention is particularly suitable for thin sheet metal connections.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.The above-described characteristics, features and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood with reference to the drawings and in conjunction with the following description of the embodiments. If the term "can" is used in this application, it is both the technical possibility and the actual technical implementation.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
-
1 : eine Schnittansicht eines beispielhaften Bauteilverbundes -
2 : eine Vorgehensweise zum Herstellen des Bauteilverbundes und -
3 bis8 : Schnittansichten weiterer beispielhafter Bauteilverbunde.
-
1 : A sectional view of an exemplary component composite -
2 : a procedure for producing the component composite and -
3 to8th : Sectional views of further exemplary component assemblies.
Das erste Bauteil
Die Verschweißung wurde mittels eines herkömmlichen Widerstandpunktschweißprozesses durchgeführt. Ebenso sind andere Schweißverfahren möglich oder längliche Schweißnähte. Alternativ zur Verschweißung könnten die Fügehilfselemente auch durch eine Lötverbindung oder Klebverbindung miteinander gefügt sein. Ggf. können die Bauteile zusätzlich an anderer Stelle als der Fügestelle verklebt sein.The welding was carried out by means of a conventional resistance spot welding process. Likewise, other welding methods are possible or elongated welds. As an alternative to welding, the joining auxiliary elements could also be joined together by a soldered joint or adhesive bond. Possibly. In addition, the components may be adhesively bonded elsewhere than the joint.
Das erste Fügehilfselement
In einem nachfolgenden Schritt wird das zweite Bauteil zu dem ersten Bauteil positioniert und die Schweißverbindung
Während in dem Ausführungsbeispiel von
Der Bauteilverbund
Im Bauteilverbund aus
In einem weiteren Bauteilverbund gemäß
Zusätzlich zu der ersten Einprägung bzw. Fase
Die Form der Einprägung ist nicht auf die in den
Die Art der Ausbildung der Einprägungen bzw. Fasen kann entsprechend auch für die weiteren Bauteile und die darin eingepressten Fügehilfsmittel variiert werden.The type of formation of the indentations or chamfers can be varied accordingly for the other components and the joining aids pressed therein.
Die in den Figuren gezeigten Schweißverbindungen können ebenso als Löt- oder Klebeverbindung ausgebildet sein. Es können andere Materialien und - kombinationen als in den Figuren gezeigt verwendet werden. Der gezeigte Abstand zwischen den Bauteilen ist nicht erforderlich. Im Bauteilverbund können die Bauteile auch direkt aufeinander aufliegen.The welded joints shown in the figures may also be formed as a solder or adhesive joint. Other materials and combinations may be used than shown in the figures. The shown distance between the components is not required. In the component assembly, the components can also rest directly on each other.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Bauteilverbunden mit Fügehilfselementen kann eine deutlich geringere Höhe des Bauteilverbundes erreicht werden, da die Fügehilfselemente bei Bedarf bündig mit den Werkstückoberflächen abschließen können. Selbstverständlich ist es möglich, die Fügehilfselemente z.B. im Bereich der Fügestelle über die Werkstückoberfläche hinaus vorstehen zu lassen, z.B. zur gezielten Bildung eines Zündfunkens.In contrast to conventional component connections with joining auxiliary elements, a significantly lower height of the component assembly can be achieved, since the joining auxiliary elements can terminate flush with the workpiece surfaces as required. Of course, it is possible to use the joining aids, e.g. projecting beyond the workpiece surface in the area of the joint, e.g. for the targeted formation of a spark.
Ebenso kann bei dem Einpressen des Fügehilfselements in das Bauteil zusätzlich eine nicht dargestellte Schutzschicht, z.B. eine Folie zur Verhinderung von Kontaktkorrosion, zwischen das Fügehilfselement und die Lochwandung eingebracht werden.Likewise, when the joining auxiliary element is pressed into the component, a protective layer (not shown), e.g. a foil for preventing contact corrosion, are introduced between the joining auxiliary element and the hole wall.
In den Figuren ist aus Gründen der Veranschaulichung der Verlauf der Lochwandung so dargestellt, als ob die geneigte Lochwandung im Bereich der Fase direkt in einen senkrechten Lochwandungsabschnitt übergeht. In der Realität kann zwischen dem geneigten Wandungsabschnitt und dem senkrechtem Wandungsabschnitt jedoch ein kragenförmiges umlaufendes Plateau ausgebildet sein, das durch die Geometrie des Prägestempels bedingt ist.In the figures, for reasons of illustration, the course of the hole wall is shown as if the inclined hole wall merges directly into a vertical hole wall section in the region of the chamfer. In reality, however, a collar-shaped circumferential plateau may be formed between the inclined wall section and the vertical wall section, which is due to the geometry of the embossing punch.
Durch die angeprägte Fase im Durchgangsloch und das eingepresste Fügehilfselement werden sehr hohe Festigkeiten erreicht. Beispielsweise wurde in einem Versuch in einem Blech aus einer 6000er Aluminiumlegierung (Grundfestigkeit von 120 bis 140 N/mm2) mit einer Dicke von 1 mm ein Durchgangsloch mit einer Durchmesser von 12mm im Kern ausgebildet. An den Randbereichen wurde eine Fase angeprägt unter einem Winkel von 45 Grad mit einer Prägetiefe oben von 0,8 mm und einer Plateaubreite von unten von 0,4 mm. Ein zylindrischer Blechbutzen aus S355 mit einer Dicke von 2 bis 2,4 mm und einem Durchmesser vor dem Verpressen von 11,7 mm wurde in das Durchgangsloch eingepresst. Nach dem Verpressen ergaben sich Auszugskräfte für den Butzen von 3,5 bis 4,1 kN (von oben) und 0,3 bis 0,6 kN (von unten).Due to the embossed chamfer in the through hole and the pressed-in joining auxiliary element very high strengths are achieved. For example, in a trial in a sheet of a 6000 aluminum alloy (basic strength of 120 to 140 N / mm 2 ) having a thickness of 1 mm, a through hole having a diameter of 12 mm was made in the core educated. At the margins, a chamfer was imprinted at an angle of 45 degrees with an embossing depth at the top of 0.8 mm and a plateau width at the bottom of 0.4 mm. A cylindrical sheet stock made of S355 having a thickness of 2 to 2.4 mm and a diameter before 11.7 mm was pressed into the through hole. After pressing, extraction forces for the slug arose from 3.5 to 4.1 kN (from above) and 0.3 to 0.6 kN (from below).
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.The embodiments are not to scale and are not restrictive. Modifications in the context of expert action are possible.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Bauteilverbundcomponent composite
- 2, 32, 3
- Bauteilecomponents
- 4, 4A4, 4A
- FügehilfselementAdd auxiliary element
- 55
- SchweißpunktWeldingSpot
- 66
- Hinterschnittundercut
- 77
- DurchgangslochThrough Hole
- 8, 8A8, 8A
- Einprägungimpressing
- 99
- FügehilfselementAdd auxiliary element
- 1010
- Hinterschnittundercut
- 1111
- Bauteilcomponent
- 1212
- FügehilfselementAdd auxiliary element
- 1313
- Schweißverbindungwelded joint
- 1414
- Hinterschnittundercut
- 15, 1615, 16
- Hinterschnittundercut
- 1717
- Bauteilcomponent
- 1818
- Fasechamfer
- 1919
- Kopfabschnittheader
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10015713 A1 [0004]DE 10015713 A1 [0004]
- DE 10060390 B4 [0005]DE 10060390 B4 [0005]
- DE 102004025492 A1 [0005]DE 102004025492 A1 [0005]
- DE 102010053608 A1 [0005]DE 102010053608 A1 [0005]
- DE 102012010870 A1 [0006]DE 102012010870 A1 [0006]
- DE 102015214149 [0007]DE 102015214149 [0007]
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