DE19950166A1 - Verfahren zum Verschließen von Löchern an metallischen Bauteilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen von Löchern an metallischen Bauteilen mittels Kondensator-Entladungsschweißens. Hierfür wird ein metallischer Stanzniet verwendet, dessen Stanzkante das Loch ringförmig umgibt und der mittels des Schweißstempels auf das Bauteil gedrückt wird. Durch die Kondensatorentladung wird der Stanzniet im Bereich der Stanzkante dicht mit dem Fügebereich auf dem Bauteil verschweißt. Das Verfahren stellt eine kostengünstige, vollautomatisierbare Methode zum reproduzierbaren Verschließen von Bohrungen an metallischen Bauteilen dar, insbesondere auch an gehärteten Werkstücken aus Stahl.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen von Löchern an metallischen Bauteilen mittels Kondensator-Entladungsschweißen.

Aus der gattungsbildenden DE 295 18 398 ist bekannt, daß metallische Befestigungselemente mit Hilfe des Kondensator-Entladungsschweißens schnell und kostengünstig mit metallischen Oberflächen verbunden werden können. Das Befestigungselement wird hierzu mit wenigstens zwei Schweißspitzen versehen, die in Richtung auf das anzuschweißende Bauteil hin vorspringen. Während des Schweißvorgangs wird zwischen Befestigungselement und Bauteil ein Stromfluß geleitet, der dazu führt, daß die Schweißspitzen und die den Schweißspitzen gegenüberliegenden Bereiche des Bauteils aufschmelzen und miteinander verschweißt werden. Hierbei entsteht allerdings ein Spalt zwischen dem Werkstück und dem Befestigungselement, der nur an der Stelle der Schweißspitzen vollständig überbrückt wird. Enthält das Bauteil in einem dem Befestigungselement gegenüberliegenden Bereich ein Loch, so kann dieses Loch durch Anschweißen des Befestigungselements mittels des beschriebenen Verfahrens daher nicht dicht verschlossen und somit nicht gegenüber dem Eindringen von Staub, Feuchtigkeit, Gas geschützt werden. Zur Herstellung einer dichtenden Verbindung zwischen Werkstück und Befestigungselement schlägt die DE 295 18 398 vor, auf dem Befestigungselement eine Rille für einen O-Ring vorzusehen, der das Loch auf dem Werkstück ringförmig umgibt. Diese Art der dichtenden Befestigung ist jedoch sehr aufwendig und somit kostenintensiv. Darüberhinaus erfordert das Zuführen und Zusammenfügen der O-Ringe und Befestigungselemente vor dem eigentlichen Verschweißen mehrere separate Montageschritte, die im Großserieneinsatz einen hohen Aufwand bedeuten. Weiterhin kann insbesondere bei hohen Drücken, hohen Temperaturen, aggressiven Umgebungsbedingungen etc. eine längerfristige und zuverlässige Dichtheit der O-Ring-Dichtung nicht gewährleistet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein großserienfähiges Verfahren bereitzustellen, mit Hilfe dessen Löcher auf metallischen Werkstücken auf schnelle, einfache und kostengünstige Weise dichtend verschlossen werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Danach wird zum Verschließen des Loches auf dem metallischen Werkstück ein Stanzniet verwendet, der mittels Kondensator-Entladungsschweißens so auf das Werkstück aufgeschweißt wird, daß die Stanzkante das Loch ringförmig umgibt. Ein solcher Stanzniet ist z. B. in der DE 44 31 769 A1 beschrieben. Während des Kondensator-Entladungsschweißens wird die Stanzkante zusammen mit dem ihr gegenüberliegenden Ringbereich des Werkstücks aufgeschmolzen und mit diesem verschweißt, wobei eine dichte Verbindung zwischen Werkstück und Stanzniet entsteht. Da es sich hierbei um eine rundumgeschweißte Verbindung handelt, ist eine wesentlich höhere Dichtwirkung gewährleistet als mit alternativen Verfahren wie z. B. Einlegen eines O-Ringes oder Kleben.

Die geometrische Form eines Stanzniets ist für das Kondensator-Entladungsschweißen besonders günstig, da der Stanzniet einerseits eine große und ebene Kopffläche aufweist, an der die Elektrode des Schweißsystems während des Schweißprozesses angreift, andererseits aber eine sehr scharfe Stanzkante hat, die auf das Bauteil aufgesetzt wird. Der Kontaktwiderstand zwischen Kopffläche und Schweißelektrode ist daher sehr niedrig im Verhältnis zum Kontaktwiderstand zwischen Stanzkante und Bauteiloberfläche, so daß die gesamte durch die Kondensatorentladung freiwerdende Energie zur Aufschmelzung des Kontaktbereiches zwischen Stanzkante und Bauteiloberfläche genutzt werden kann.

Stanzniete sind ein Massenartikel und sind damit preiswert, leicht verfügbar und in unterschiedlichen Materialien, Größen und Ausführungsformen erhältlich. Weiterhin werden Stanzniete kommerziell in Patronengürteln angeboten, so daß sie säuberlich aufgereiht in ausgerichteter, vereinzelter Form vorliegen, was die Zuführung zum Kondensator- Entladungsschweißsystem, insbesondere bei einem automatisierten Einsatz des Verfahrens, wesentlich erleichtert (siehe Anspruch 5).

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Fügen von Stanznieten mittels Kondensator- Entladungsschweißen können Löcher, Öffnungen, Bohrungen etc. in Bauteilen schnell und kostengünstig verschlossen werden. Das Verfahren ist auf ein weites Spektrum verschiedener Lochgeometrien und Werkstoffe anwendbar. Insbesondere eignet es sich auch zum Verschließen von Löchern auf gehärteten Werkstücken (siehe Anspruch 2); hierbei empfiehlt es sich, zum Verbinden des Stanzniets mit der Bauteiloberfläche dem ersten Schweißimpuls noch ein bis zwei weitere Nachimpulse mit abgestuften Energien folgen zu lassen, um die Härte im Bauteil zu reduzieren und eine bessere Verbindung mit dem Stanzniet zu erreichen.

Weiterhin kann das Verfahren vorteilhaft zum dichten Verschließen hohler Werkstücke verwendet werden, deren zu verschließender Innenraum über eine kleine Öffnung mit dem Äußeren verbunden ist (siehe Anspruch 4). Dies betrifft z. B. Hohlkörper aus Stahl, die eine Lüftungsbohrung aufweisen, durch die während des Härtens des Hohlkörpers die entstehenden Gase entweichen können, die aber nach dem Härten dichtend geschlossen werden soll.

Während zum Verschließen von Löchern auf Bauteilen vorzugsweise Halbhohlniete verwendet werden, deren Kopffläche eine geschlossene Fläche darstellt, kann es für bestimmte Anwendungen zweckmäßig sein, die Kopffläche des Niets mit einer Öffnung zu versehen (siehe Anspruch 3). Diese Öffnung kann ein Gewinde aufweisen oder mittels eines Stopfens o. ä. verschließbar sein, so daß hierdurch ein wiederverschließbares Loch in dem Bauteil entsteht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 ein hohles Werkstück mit einer zu verschließenden Bohrung und ein Stanzniet . . .

Fig. 1a . . . vor Verschließen der Bohrung und

Fig. 1b . . . nach Verschließen der Bohrung mit dem Stanzniet mittels Kondensator-Entladungsschweißen

Fig. 2 unterschiedliche Formen des Fügebereichs auf dem Werkstück mit eingelegtem, aber noch nicht verschweißtem Stanzniet:

Fig. 2a ebener Fügebereich;

Fig. 2b konischer Fügebereich;

Fig. 2c kugelförmiger Fügebereich;

Fig. 3 einen Ausschnitt eines Getriebeteils mit einer durch einen Stanzniet verschlossenen Bohrung;

Fig. 4 verschiedene Ausgestaltungen des Nietkopfs

Fig. 4a . . . mit Innengewinde;

Fig. 4b . . . mit Außengewinde;

Fig. 5 ein Patronengürtel mit mehreren Stanznieten.

Fig. 1a zeigt ein hohles metallisches Werkstück 1, das eine Bohrung 2 aufweist, welche den Innenraum 3 des Werkstücks 1 mit dem Außenraum 4 verbindet. Die Bohrung dient zum Entweichen von Gasen, die im Rahmen eines Vergütungsverfahrens (z. B. Einsatz zhärten) im Innenraum 3 des Werkstücks 1 entstehen. Im Anschluß an die Vergütung soll das Werkstück 1 in einer flüssigkeitsdurchströmten Umgebung montiert werden, wobei ein Eintreten der unter mittlerem bis hohem Druck stehenden Flüssigkeit in den Innenraum 3 des Werkstücks 1 vermieden werden soll. Daher muß die Bohrung 2 in einem separaten Arbeitsschritt zwischen der Vergütung und der Montage des Werkstücks 1 dicht verschlossen werden.

Hierzu wird erfindungsgemäß ein metallischer Stanzniet 5 verwendet, der mittels Kondensator- Entladungsschweißen mit dem Werkstück 1 verschweißt wird. Der Stanzniet 5 ist ein Halbhohlniet und umfaßt einen hohlen zylinderförmige Nietschaft 6, dessen eines Ende in einer ringförmig umlaufenden, konisch angespitzten Stanzkante 7 endet, während das andere Ende durch einen Nietkopf 8 mit ebener Oberseite 9 verschlossen ist. Der Stanzniet 5 wird so auf das Werkstück 1 aufgesetzt, daß die Stanzkante 7 die Bohrung 2 ringförmig umgibt. Dann wird mit Hilfe einer (in Fig. 1b schematisch gestrichelt angedeuteten) Kondensator- Entladungsschweißvorrichtung 10 der Stanzniet 5 mit dem Werkstück 1 verschweißt. Durch die bei der Entladung fließenden hohen Ströme verschmilzt dabei die Stanzkante 7 mit dem ihr gegenüberliegenden Bereich 11 auf dem Werkstück 1, so daß hier ein ringförmiger, durchgängiger Verbindungssteg 12 zwischen dem Nietschaft 6 und dem Werkstück 1 gebildet wird und die Bohrung 2 durch den Stanzniet 5 dicht verschlossen wird. Da der Schweißimpuls bei Kondensator-Entladungsschweißen mit 10-15 Millisekunden sehr kurz ist, tritt hierbei nur ein geringer Verzug des Werkstücks 1 auf. Die ebene Oberseite 9 des Nietkopfes 8 gewährleistet eine große Kontaktfläche 13 des Stanzniets 5 mit dem Schweißstempel 14 der Kondensator-Entladungsschweißvorrichtung 10. Diese Kontaktfläche 13 liegt parallel zur Stanzkante 7 und ermöglicht somit ein präzise gerichtetes und gleichmäßiges Aufdrücken der gesamten Stanzkante 7 auf das Werkstück 1. Da die Kontaktfläche 13 wesentlich größer ist als die Auflagefläche der Stanzkante 7 auf dem Werkstück 1, ist sichergestellt, daß die Materialverflüssigung beim Schweißen prozeßsicher an der Stanzkante 7 (statt am Nietkopf 8) erfolgt. Zum Fügen eines Stanzniets 5 mit Nietschaft 6 von etwa 8 mm Durchmesser und einem gehärteten Werkstück 1 hat sich eine Schweißenergie zwischen 0.8 kJ und 1.0 kJ und eine Schweißstempelkraft zwischen 0.3 kN und 1.5 kN als vorteilhaft herausgestellt.

Zur Herstellung einer dichten Verbindung ist es wichtig, daß die Stanzkante 7 des Stanzniets 5 ringförmig umlaufend auf dem Werkstück 1 aufliegt. Dies setzt voraus, daß der die Bohrung 2 umgebende Fügebereich 15 auf dem Werkstück 1 rotationssymmetrisch geformt ist. Der Fügebereich 15 kann insbesondere - wie in den in Fig. 1 und 2a gezeigten Ausführungsbeispielen - planar sein oder die Form eines Kegel- oder Kugelausschnitts haben (siehe Fig. 2b und 2c). Ist die Voraussetzung einer durchgängigen ringförmige Auflage der Stanzkante 7 auf dem Werkstück 1 erfüllt, so wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein geschweißter Bohrungsverschluß geschaffen, der auch bei erhöhtem Druck von mehreren bar dicht ist. Fig. 2a bis 2c zeigen den auf das Werkstück 1 aufgelegten Stanzniet 5 unmittelbar vor dem Verschweißen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Verschließen beliebiger Bohrungen 2 bzw. anderweitiger Öffnungen mit Durchmessern kleiner etwa 8 mm auf beliebigen metallischen Werkstücken 1. Mittels Kondensator-Entladungsschweißens kann ein weites Spektrum unterschiedlicher Werkstoffe geschweißt werden, so daß der Werkstoff von Stanzniet 5 und Werkstück 1 den anderweitig (z. B. funktionsseitig) gestellten Anforderungen entsprechend gewählt werden können. Der Stanzniet 5 kann eine beliebige (z. B. korrosionshemmende) Beschichtung tragen. Weiterhin kann das Werkstück 1 - wie im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel - gehärtet sein. Das Verfahren ist somit insbesondere auch für Anwendungsfälle verwendbar, für die andere Schweißverfahren nicht oder nur unter Schwierigkeiten eingesetzt werden können. So eignet sich das Verfahren z. B. zum Verschließen von Ölbohrungen 16 an gehärteten Werkstücken 1' im Getriebebau (siehe Fig. 3), wozu bisher vor allem eingepreßte Metallkugeln verwendet wurden. Die Verschweißung der Ölbohrungen 16 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt - bei erheblichen Kostenvorteilen - eine mindestens ebensogute Dichtigkeit des Verschlusses wie das Einpressen von Metallkugeln.

Wird der Stanzniet 5 auf ein gehärtetes Werkstück 1, 1' aufgeschweißt, so empfiehlt es sich, dem ersten Schweißimpulse noch einen (oder mehrere) weitere Schweißimpulse mit geringerer Energie folgen zu lassen, um die Härte des Werkstücks 1, 1' im Fügebereich 15 zu reduzieren. Die dabei erzielte Gefügeumwandlung des Schweißbereichs verhindert eine Versprödung des Fügebereiches, die als Folge des Schweißens insbesondere bei Stählen mit hohem Kohlenstoff- Gehalt ansonsten leicht auftreten kann.

Neben dem in Fig. 1 bis 3 gezeigten Stanzniet 5 mit ebenem Nietkopf 8 kann der Stanzniet 5', 5" - wie in Fig. 4a und 4b gezeigt - mit weiteren Elementen versehen werden, z. B. mit einem Außengewinde 17, mit Hilfe dessen das Werkstück 1, 1' in einem nächsten Arbeitsschritt mit einem weiteren Montageteil verbunden wird. Weiterhin kann der Nietkopf 8' mit einer Öffnung 18 mit Innengewinde 18' versehen werden, in das ein Schraubverschluß 19 eingeschraubt werden kann, der eine wiederverschließbare Öffnung der Bohrung 2 gestattet. Um prozeßsicher ein dichtes Verschweißen des Stanzniets 5 mit dem Werkstück 1 zu gewährleisten, muß der dem Schweißstempel 14 zugewandte Auflagebereich 20 des Nietkopfes 8 eben sein und eine größere Kontaktfläche 13 zum Schweißstempel 14 haben als die Auflagefläche der Stanzkante 7 im Fügebereich 15.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem vollautomatisierten Fertigungsprozeß, bei dem das Werkstück 1 der Schweißvorrichtung 10 mit Hilfe einer rechnergesteuerten Positioniereinheit zugeführt und gegenüber dieser ausgerichtet wird. Die Stanzniete 5 werden der Schweißvorrichtung 10 in vereinzelter Form zugeführt. Hierzu eignen sich insbesondere Patronengurte 21 aus elastischem Kunststoff, in denen die Stanzniete 5 - wie in Fig. 5 gezeigt - seriell äquidistant aufgereiht und räumlich ausgerichtet enthalten sind. Solche Patronengurte 21 sind eine gängige Darreichungsform von Stanznieten 5 zum Einsatz für Nietanwendungen und daher kommerziell kostengünstig erhältlich. Sie ermöglichen eine hochgenaue Positionierung der Niete 5 gegenüber der Schweißvorrichtung 10.

Claims (5)

1. Verfahren zum Verschließen eines Loches an einem metallischen Werkstück, das in der Umgebung des Loches einen Bereich aufweist, der näherungweise zylindersymmetrisch in bezug auf eine das Loch durchdringende Achse ist,

• - in welchem Verfahren ein Bolzen verwendet wird, der mittels eines Kondensator- Entladungsschweißsystems mit dem Bauteil verschweißt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß als Bolzen ein Stanzniet (5) verwendet wird, dessen Stanzkante (7) mit dem Werkstück (1) verschweißt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschließen eines Loches (2) an einem gehärteten Werkstück (1) mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Schweißimpulse gesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bolzen ein Stanzniet (5) verwendet wird, dessen Kopf (8) eine Öffnung (18) aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stanzniet (5) zum Verschließen einer Öffnung (2) auf einem hohlraumartigen Werkstück (2) verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stanzniet (5) dem Schweißsystem (10) in einem Patronengürtel (21) zugeführt wird.